Способ модифицирования стали и сплавов

 

ОПИСАНИЕ («)43529l

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Совхоз Советских

Социалистических

Республик,,Ф1(= + ) (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 03.08.72 (21) 1817504/22-2 с присоединением заявки М (32) Приоритет

Опубликовано 05.07.74. Бюллетень М 25

Дата опубликования описания 15.11.74 (51) М. Кл. С 21с 7/00

Гасударо еенный комитет

Совета 1иинистров СССР оо делам изобретений и открытий (53) УДК 669.046(088.8) (72) Авторы изобретения

Г. С. Ершов, И. В. Гаврилин, И. К. Каллиопин, В. М. Бычев, P. В. Чудиер и М. А. Старосельский

Владимирский политехнический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАИИЯ СТАЛИ И СПЛАВОВ

Изобретение относится к области обраоотки стали и сплавов в распыленном состоянии, в частности к способам модифицирования стали и сплавов на основе железа, никеля, хрома и марганца путем ввода тугоплавких нитридов.

В настоящее время стали и сплавы с дисперсными включениями нитридов широко применяются в промышленности, Известно, что нитриды позволяют в ряде случаев значительно повысить механические и специальные свойства сталей и сплавов.

Однако получаемые по известной техчологии нитриды не являются центрами кристаллизации и не измельчают первичной структуры стали. Причина этого частично заключается в природе используемых нитридов. Например, нитриды Мп, Cr, Nb, Ч и Лl, широко используемые в настоящее время, при температурах кристаллизации стали и сплавов не существуют в виде самостоятельной фазы и естественно не могут служить центрами кристаллизации. Значительно реже используются тугоплавкие нитриды типа TiN и ZrN, не растворимые в сталях и сплавах в интервале температур обычного металлургического цикла (до 1700 С). Эти нитриды существуют в жидкой стали в виде твердых включений и могли бы служить центрами кристаллизации.

Однако установлено, что включения указан2 ных нитридов, получаемые по обычной технологии, вырастают до больших размеров (-10 микрон), чаще всего располагаются по границам зерен и не служат центрамп кристаллизации. В ряде случаев присутствие тугоплавких нитридов считается нежелательным, так как они пе растворяются в твердой стали, не поддаются термообработкз и, следовательно, размерами этих включе«ий невозможно управлять. Причиной этого является то, что существующая технология получения стали и сплавов с нитридами целиком ориентирована на получение растворимых в твердой стали (до определенных температур) нит>>, ðèä0â Nn, Cr, Лl, V u Nb.

По этой технологии сплав .насыщается как азотом, так и нитридообразующими элементами в плавильном агрегате, в процессе выплазки стали. При такой технологии нитридь. Мп, 20 Cr, Лl, V u Nb находятся в растворе или даже в диссоциированном состоянии и остаются в стали.

Недостаток этого способа по отношени:о к тугоплавким нитридам состоит в том, что нитриды типа TiN и ZrN, не растворимыс в жидкой стали, образуют твердые включения, которые до момента разливки и начала <ристаллизации успевают вырасти до значител.ных размеров и в большинстве всплыть в

ЗО шлак. Никаких мер по управлению размерами

435291

10 этих нитридов в жидких сталях и сплавах не предпринимается.

Целью изобретения является создание условий для управления в жидкости сталях и СпЛавах размерами включений тугоплавких, не растворимых в сталях и сплавах нитридов, что позволило бы без термообработки в твердом состоянии получать включения тугоплавких нитридов тех размеров, которые являются наиболее благоприятными для улучшения механических и специальных свойств стали и сплавов, а также для придания этим включениям свойств модификаторов второго рода, измельчающих первичную структуру. По аналогии с включениями растворимых в стали нитрчдов, размеры включений тугоплавких, не растворимых нитридов не должны превышать порядка

1 микрона.

С целью регулирования размеров включений предложен способ, по которому нитридообразующие элементы (титан, цирконий, уран, торий, гафний, тантал и церий) вводятся в насыщенный азотом расплав в процессе разливки при температуре на 30 — 80 С выше температуры начала кристаллизации расплава.

Как известно, размеры кристаллов, растущих из жидкой фазы, определяются, главным образом скоростью диффузии элементов кристалла в жидкой фазе и временем процесса роста. При вводе нитридообразующих элементов по описываемому способу период роста нитридов максимально сокращен, а скорость их роста является наименьшей, так как температура сплава при этом близка к температуре кристаллизации и, следовательно, скорость диффузии составляющих кристалла в расплаве является также минимальной. В таких условиях всплывание образовавшихся включений тугоплавких нитридов максимально затруднено.

Важным является именно порядок ввода азота и нитридообразующих элементов. Коэффициент диффузии азота в стали на порядок меньше коэффициента диффузии Ti и, вероятно, других указанных элементов. Поэтому следует вводить именно .нитридообразующие элементы в насыщенный азотом расплав; а не наоборот. При вводе нитридообразующих элементов в расплав, насыщенный азотом, эти элементы растворяются и распределяются быстрее, чем перераспределяется азот в расплаве, в связи с чем нитриды образуются по всему объему расплава. При обратном варианте, т. е. при вводе азота в насыщенный

:нитридообразующими элементами расплав, азот связывается в нитриды только у поверхности раздела металл — газ, так как по мере связывания азота в нитриды, нитридообразующие элементы поступают к поверхности раздела быстрее, чем азот диффундирует в глубь расплава. При этом образуются крупные нитриды, неравномерно расположенные в массе металла. Кроме того, при таком варианте усваивается лишь часть азота, а оставшаяся

15 го г5

ЗО

65 часть переходит в молекулярное состояние и может образовывать в отливке или слитке газовые раковины.

Для наиболее быстрого протекания процесса растворения нитридообразующих элементов и для наиболее равномерного их распределения в массе металла нитридообразующие элементы следует вводить в виде порошка с размерами частиц, не более 0,5 мм, способом, обеспечивающим хорошее перемеши ванне вводимого порошка и йасыщенного азотом расплава в литниковой системе, в полости литейной формы или изложницы.

В качестве примера осуществления предложенного способа ниже излагается технология модифицирования отливок из стали 45Л включениями нитрида титана TiN. Сталь выплавляют в индукционной тигельной печи емкостью 50 кг. После раскисления сталь насыщают азотом путем засыпки на открытую поверхность жидкой стали в тигле порошка аммиачной селитры iNH4NO> в количестве 0,3 кг.

После выдержки в течение 3 — 5 мин счища;от остатки шлака, и сталь выпускают в ковш, где проводят комплексное раскисление силикокальцием. При температуре стали в ковше

1570+10 Ñ, измеренной термопарой погружения, производят разливку. В течение всего процесса заливки в струю стали, перегретой на 30 — 80 С над температурой начала кристаллизации, равномерно вводят порошок губчатого титана с размерами частиц не более

0,5 мм в количестве 0,2О/о от веса стали в форме. Одновременно в той же литниковой системе заливается контрольная отливка, в которую титан не вводится. При этом достигается максимальная идентичность условий получения контрольной отливки, что дает возможность выявить эффект модифицирования в чистом виде. Из центральной части полученных отливок весом 10 кг и с толщиной стенки

100 мм вырезают (по высоте) темплеты и образцы для изготовления микрошлифов. После шлифовки темплетов замеряют их твердость по Бринелю и затем подвергают глубокому травлению с целью выявления макроструктуры. На микрошлифах изучают размеры и распределение нитридов титана. Эти исследования показали, что в контрольной отливке растворенный азот выделяется при затвердевании с образованием газовых раковин. В опытной отливке весь азот был связан в нитриды титана, имеющие размеры не более 1 — 5 микрон и равномерно распределенные в массе металла. Форма включений — в основном ромрическая, треугольная с отдельными игольчатыми включениями. Твердость отливки с нитридами титана повысилась на 15 /О. Наибольшие размеры первичных кристаллов макроструктуры в контрольной отливке составляли

1 — 5 см, тогда как в отливке с нитридами титана — 0,1 — 0,5 мм, т. е. размеры первичных кристаллов уменьшились в 100 раз. Это указывает на то, что включения TiN, полученные

435291

Предмет изобретения

Составитель И. Каллиопин

Редактор Е. Братчикова Техред Л. Богданова Корректор Н. Аук

Заказ 3108/18 Изд. № 65 Тираж 591 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, )К-35, Раушская наб,, д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 по предложенному способу, являются центрами кристаллизации и способствуют измельчению первичной структуры слитка.

1. Способ модифицирования стали и сплавов на основе железа, никеля, хрома и марганца тугоплавкими нитридами, заключающийся в насыщении расплава азотом и последующей обработке титаном, цирконием, ураном, торием, гафнием, танталом и церием, отличающийся тем, что, с целью регулирования размеров включений, нитридообразующие элементы вводят в:насыщенный азотом

5 расплав в процессе разливки при температуре на 30 — 80 С выше температуры начала кристаллизации расплава.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что натридообразующие элементы вводят в

10 расплав в виде частиц с размером не более

0.5 мм.