Способ модифицирования стали

Авторы патента:

C21C7/00 - Обработка расплавленных ферросплавов, например стали, не отнесенная к группам C21C 1/00-C21C 5/00 (обработка расплавленных металлов во время формования B22D 1/00,B22D 27/00; переплавка черных металлов C22B)

Владельцы патента RU 2781935:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству крупногабаритных отливок из стали. Способ включает естественное конвекционное перемешивание модификатора на основе нитрида ванадия и расплава. В качестве модификатора на основе нитрида ванадия используют нанодисперсный порошок нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 мас. % от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. Изобретение обеспечивает улучшение механических свойств путем использования эффективного модификатора простого состава. 1 табл., 2 пр.

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству крупногабаритных отливок из стали.

В мировой практике производства сталей неизменной является тенденция замены рядовых углеродистых сталей на экономичные ресурсосберегающие высокопрочные микролегированные стали. В настоящее время наиболее востребованным микролегирующим элементом является ванадий. Как легирующий элемент ванадий имеет следующие преимущества: высокую растворимость нитридов, образующихся в процессе легирования, в аустените; возможность получения мелкого аустенитного зерна без торможения процессов рекристаллизации; легированные ванадием стали в значительно меньшей степени подвержены горячему растрескиванию, стали имеют хорошую прочность и вязкость. Ценность ванадия, как измельчающего зерно и вызывающего дисперсионное твердение элемента, усиливается в присуствии азота.

Известен комплексный наномодификатор, содержащий, масс.%: фуллерены 0,1-27, наноразмерные копозиционные частицы карбидов металлов, выбранных из группы: кобальт, железо, никель, 1-43, наноразмерные композиционные частицы кобальта 0,2-20, наноразмерные частицы лантана 0,1-29, наноразмерные композиционные частицы вольфрама 0,5-42, наноразмерные композиционные частицы церия 0,7-33, наноразмерные композиционные частицы железа 1-41, наноразмерные композиционные частицы никеля 0,6-36, нитриды, или силициды, или бориды, или оксиды, или карбонитриды металлов остальное (патент RU 2 468 110; МПК C22C 35/00, B82B 1/00; 2012 г.).

Основным недостатком известного модификатора является его сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, что ограничивает возможности его применения.

Известен способ легирования нитридообразующими добавками, которые являются эффективными модификаторами для высокомарганцовистых сталей. В частности, при исследовании стали 110Г13Л были обнаружены карбонитриды ванадия, способствующие образованию центров кристализации. Содержание ванадия составляло 0,3–1,6 масс.%, а концентрация азота поддерживалась в пределах 0.098–1.2 масс.% (А.И. Гарост “Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали” //Литейное производство, №1(37), 2006. С. 75-83).

Однако механические характеристики модифицированной стали имеют невысокие значения, в частности относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость.

Известен способ производства стали, включающий продувку металла газообразным азотом на установке “печь-ковш” с расходом 150-1000 л/мин, с целью легирования азотом. Одновременно с продувкой производят нагрев расплава за счет электрической дуги и присаживают нитридообразующие элементы в количествах, обеспечивающих связывание растворенного азота в нитриды. Далее сталеразливочный ковш передают на установку циркуляционного вакуумирования, где расплав вакуумируют в течение 5-30 мин, используя азот в качестве транспортирующего газа с расходом 900-1600 л/мин. В конце вакуумирования в металл вводят алюминиевую и силикокальциевую проволоку в количестве, соответственно, 0,05-0,30 и 0,5-3,5 кг/т стали и продувают металл азотом через пористую пробку в днище ковша. В качестве нитридообразующих элементов можно использовать ванадий и алюминий. Содержание в металле азота, нитридообразующих элементов и кислорода может соответствовать следующим соотношениям: [N]/[A1]=0,3÷10,0, [N]/[V]=0,04÷0,50, [N]/[О]=2,0÷20,0. Вакуумирование металла желательно прекращать после окончания ввода алюминиевой и силикокальциевой проволоки (патент RU 2233339; МПК C21C 5/52, C21C 7/00; 2004 год).

К недостаткам известного способа относятся технологическая сложность, связанная с одновременным использованием “печь-ковша”, введением твердой шлакообразующей смеси, присаживанием легирующих и нитридооюбразующих добавок, а также вакуумной обработки, следует отметить очень большой расход газообразного азота (900 – 1600 л/мин).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитный сплав ванадия или ниобия с азотом, включающий концентрат руды ванадия или ниобия, восстановитель, катализатор реакции, агент, повышающий содержания азот, агент, регулирующий температуру плавления, стабилизатор продукта и связующее, при этом восстановитель составляет от 5 до 16% от общего веса, катализатор реакции составляет от 1 до 5% от общего веса, генератор азота составляет от 5 до 25% от общего веса, модификатор температуры плавления составляет от 1 до 6% от общего веса, а стабилизатор составляет от 2 до 13 % от общего веса, связующее составляет от 4 до 12% от общего веса, остальное - ванадиевая руда или сурьмяная руда. Агентом, повышающим содержание азота, является нитрид железа, карбонизированный азот, нитрид алюминия, нитрид тантала, нитрид ванадия (патент CN 1415769; МПК С22С 1/00, C22C 35/00, C22C 38/12; 2003 год).

Недостатками известного модификатора являются сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, а также невозможность получения высокодисперсных или агломерированных частиц, что ухудшает равномерное распределение модификатора по объему расплава.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ модифицирования стали с использованием модификатора простого состава, обеспечивающий высокие значения механических свойств.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе модифицирования стали, включающем естественное конвекционное перемешивание модификатора на основе нитрида ванадия и расплава, в котором в качестве модификатора на основе нитрида ванадия используют нанодисперсный порошок нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ модифицирования стали с использованием в качестве модификатора нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу.

Как уже отмечалось, ванадий является легирующим элементом, вызывающим измельчение зерна и дисперсионное твердение стали. Измельчение зерна улучшает прочность и вязкость стали, мелкодисперсные выделения увеличивают прочность за счет некоторой потери вязкости, но при измельчении зерна улучшается свариваемость стали, при этом образование нитридов ванадия способствует высокой растворимости модификатора в стали. Наличие нитридов препятствует возникновению перенапряженных участков, что уменьшает возможность зарождения трещин и их распространение. Дисперсные нитриды, равномерно распределяясь в теле зерна, тормозят движение дислокаций, прикладываемыми извне нагрузками. Выбор в качестве модификатора нанокристаллического порошка нитрида ванадия VN плакированного Ni, допускает его применение в качестве центров принудительной кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему отливки и способствующих возникновению локальных переохлажденных состояний, обеспечивающих увеличение скорости кристаллизации отливок. Наличие на поверхности нанокристаллических радиально-слоевых тугоплавких композиций металлического никеля обеспечивает в ходе его плавления и растворения удовлетворительную смачиваемость нанокристаллических частиц расплавами сталей транспортной группы. В связи с этим введение плазмохимических порошков нитрида ванадия, плакированного никелем, способствует улучшению прочностно-пластических и других характеристик, обеспечивающих бесперебойную эксплуатацию деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта, изготовленных из марок сталей транспортной группы. Существенным является содержание модификатора. Так, при содержании модификатора менее 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения При содержании модификатора более 0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах испытания. Распыление нанодисперсного порошка модификатора на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, обеспечивает за счет конвекции и естественного барботажа при розливе расплава в литейную форму.

Предлагаемый способ модифицирования стали может быть осуществлен следующим образом. В качестве модификатора используют нанодисперсный порошок VN – Ni, полученный плазмохимическим способом (патент RU 2537678), который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. После естественной конвекции и барботажа залитого в литейную форму расплава стали расплав выдерживают для кристаллизации. После кристаллизации, остывания и обрубки полученные изделия проходят термообработку в виде нормализации и закалки с отпуском, регламентированную техническими условиями, применяемыми к деталям подвижного состава рельсового транспорта с целью обеспечения удовлетворительных свойств. Механические свойства стали, полученной с использованием предлагаемого модификатора, были исследованы на системе для измерения параметров испытаний SATEC серии LX и копре маятниковом МК-15. Для фиксации стандартных то температуре и влажности окружающей среды условий испытаний использовался гигрометр психрометрический ВИТ-2. Получены результаты измерений предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости.

Предлагаемый способ модифицирования стали иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 1,5 г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 6 кг расплава стали 20 ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергалась термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.

Из термообработанной заготовки вырезались образцы для исследования механических свойств (предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах). Результаты измерений приведены в таблице (пример 1).

Пример 2. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 2г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует 0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 3,4 кг расплава стали 20ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергались термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.

Как видно из результатов, приведенных в таблице, предлагаемый способ модифицирования стали позволяет значительно улучшить механические характеристики стали по сравнению со значениями, определяемыми ГОСТ 977-88, и значительно повысить относительное удлинение, относительное сжатие и ударную вязкость (характеристики, являющиеся определяющими при использовании стали 20ГЛ в качестве корпусов автосцепок железнодорожных вагонов) по сравнению со сталью, модифицированной нитридом ванадия.

Таблица

Результаты механических испытаний стали

№ п/п	образец	Определяемые характеристики
Предел текучести, σ_т, МПа	Временное сопротивление σ_в, МПа	Относительное удлинение δ, %	Относительное сжатие Ψ, %	Ударная вязкость KCU⁺²⁰, Дж/см²	Ударная вязкость KCU^-60, Дж/см²	Ударная вязкость KCV^-60, Дж/см²
1	Без модификатора (в соотвтетствии с ГОСТ 977-88 ) сталь 20 ГЛ	216	412	22	35	Не менее 49	Не менее 24,5	Не менее 16.7
2	Результаты испытаний высокомарганцовистой стали 110Г13Л^*	396 - 481	605 - 775	6 - 22	6,8 – 23,0	0,8 – 2,1
3	С модификатором VN – Ni (пример 1)	381	462	24,5	42	87 95	73 78	18 20
4	С модификатором VN – Ni (пример 2)	437	587	25,5	46	115 102	81 48	21 20

^*А.И. Гарост Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали. //Литейное производство,№1(37), 2006. С. 75-83.

Таким образом, авторами предлагается способ модифицирования стали, обеспечивающий значительное улучшение механических свойств, с использованием эффективного модификатора простого состава.

Способ модифицирования стали, включающий естественное конвекционное перемешивание модификатора на основе нитрида ванадия и расплава, отличающийся тем, что в качестве модификатора на основе нитрида ванадия используют нанодисперсный порошок нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс. % от общей массы заливаемого в литейную форму расплава.

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам смесей и сплавов, применяемых для модифицирования и микролегирования железоуглеродистых расплавов. Модификатор содержит по крайней мере один сплав на кремнистой или железной основе, модифицированный ультрадисперсными частицами соединений переходного металла IV-V группы Периодической системы (Ме) и азота (N) нестехиометрического состава в количестве, обеспечивающем массовое соотношение переходного металла (Ме) к азоту (N) равным 5,0-35,0.

Способ удаления примесей из расплава ферросилиция // 2776577

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в производстве высокопроцентных марок ферросилиция. Ферросилиций получают в рудно-термических печах восстановлением кварцита с помощью углеродистых восстановителей в присутствии стальной стружки непрерывным процессом с периодическим выпуском сплава из печи.

Модификатор для железоуглеродистых расплавов и способ его изготовления // 2776573

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам смесей и сплавов, применяемых для модифицирования и микролегирования железоуглеродистых расплавов. Модификатор содержит порошок сплава, содержащий, по крайней мере, один переходный металл IV-V группы периодической системы (Me) и порошок азотирующего агента в количестве, обеспечивающем массовое соотношение переходного металла (Ме) к азоту (N), равное 5,0–35,0, а также флюсообразующую смесь.

Способ внепечной обработки стали в ковше // 2774680

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к внепечной обработке жидкой стали в ковше. Осуществляют нагрев металла дугой переменного тока, обработку металла инертным газом, подаваемым в днище ковша, и продувку металла через осевое отверстие в графитовом электроде.

Стойкая к кислотам и коррозии сталь для трубопровода со стенкой большой толщины и способ ее получения // 2765963

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стойкой к кислотам и коррозии стали для изготовления толстостенного трубопровода. Сталь содержит следующие компоненты в мас.%: С: 0,01-0,02, Si: 0,10-0,35, Mn: 0,9-1,40, P≤0,012, S≤0,0010, Nb: 0,020-0,070, Ti: 0,006-0,020, Ni≤0,30, Mo: 0,10-0,30, Cr: 0,10-0,30, Cu: 0,10-0,30, Al: 0,015-0,050, Ca: 0,0005-0,0040, при этом остатком является Fe и примеси.

Способ производства кислотоустойчивой трубопроводной стали высокой чистоты // 2765475

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве кислотоустойчивой трубопроводной стали высокой чистоты. Предварительно нагревают расплавленное железо, удерживают кислород в конвертере в состоянии высокого содержания углерода и низкого содержания кислорода, выполняют обезуглероживание в циркуляционном вакууматоре, сплавление в циркуляционном вакууматоре и вакуумную дегазацию, предотвращают повышение содержания углерода и осуществляют процесс быстрой десульфуризации и шлакования расплавленного железа в рафинировочной ковшовой печи.

Способ плавки сверхнизкоуглеродистой нержавеющей стали марки 13cr // 2764914

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству сверхнизкоуглеродистой нержавеющей стали марки 13Cr, содержащей, мас.%: С≤0,03 и Cr 12,5-13,5. Способ включают очистку расплавленной стали путем переведения примесей в шлак с последующим вакуум-кислородным обезуглероживанием, проведение вакуумного обезуглероживания, проведение вакуумного шлакоудаления и деоксигенации, при которых основность шлака составляет 5-10, а массовое отношение СаО к Al2O3 в шлаке составляет 1,6-2,4, проведение девакуумирования, при котором подают алюминиевую проволоку, проведение вакуумной обработки и вторичного девакуумирования.

Проволока для внепечной обработки стали и способ её получения // 2761574

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной обработке расплавов чугуна или стали проволокой с наполнителями из активных реагентов. Проволока состоит из наполнителя и стальной оболочки толщиной более 0,8 мм.

Способ производства особонизкоуглеродистой холоднокатаной электротехнической изотропной стали с высоким комплексом магнитных и механических свойств // 2758511

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к производству особонизкоуглеродистой холоднокатаной электротехнической изотропной стали, используемой для изготовления высокочастотных двигателей для электромобилей и электротехнических устройств с высокой энергоэффективностью. Способ включает выплавку стали, комбинированную продувку расплава стали в конвертере, обезуглероживание расплава стали в вакууме, легирование расплава стали рафинированным от углерода ферросилицием, непрерывную разливку расплава стали в слябы, горячую прокатку слябов, нормализационный отжиг, травление, холодную прокатку и окончательный отжиг с нанесением электроизоляционного покрытия.

Модификатор // 2751503

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам модификаторов для улучшения свойств отливок из хромоникелевых сталей, применяемых для изготовления трубонасосных агрегатов, работающих при низких температурах. Модификатор содержит, мас.%: диборид титана 20-40, нитрид бора 20-60, хром - остальное.