Способ приготовления металлических расплавов

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при приготовлении металлических расплавов для литейного производства. Способ включает загрузку и расплавление шихты в плавильной печи, дозагрузку шихты в расплав, легирование, раскисление и модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений, при этом предварительно на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты создают слой оксидов, карбидов, карбонитридов, нитридов, боридов и других тугоплавких соединений, толщиной не более 0,1 микрона. Модифицирование расплава осуществляют в процессе дозагрузки шихты, легирования и раскисления расплава. Использование изобретения позволяет упростить и удешевить процесс приготовления качественных металлических расплавов, модифицированных тугоплавкими наночастицами. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при приготовлении металлического расплава для литейного производства и непрерывного литья

Известный способ приготовления расплава металла для изготовления отливок включает: загрузку шихты в плавильную печь, расплавление ее, подшихтовку, легирование, раскисление и модифицирование расплава (Технологии литейного производства. Справочник. М.: Машиностроение, 1989 г., стр.300).

Механические свойства получаемых отливок значительно ниже, чем у деформированного металла из-за пористости литья, химической неоднородности структуры, крупного первичного зерна.

Известен способ приготовления металлического расплава, согласно которому для улучшения структуры литого металла и повышения механических свойств по сравнению с требованиями ГОСТ на литье, модифицирование металлического расплава производят ультрадисперсными (менее 0,1 мкм) порошками наночастицами в количестве 0,004-0,05% по массе (Сабуров В.П., Корнилов А.А. (Модифицирование сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. Материалы семинара совещания исполнителей программы "Сибирь" СО РАН. Новосибирск, 1988, стр.14).

Известный способ модифицирования расплавов предусматривает:

- плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков (УДП);

- дегазацию частиц порошка, механоактивацию и плакирование их;

- подготовку УДП для введения в расплав (расфасовку и упаковку дозы в герметичный пакет с нейтральной атмосферой);

- введение дозы УДП в расплав под струю, при сливе его из плавильной печи в разливочный ковш.

Недостатком способа приготовления металлического расплава с модифицированием ультрадисперсными порошками является сложность их получения, дороговизна, сложность введения порошков в расплав металла, нестабильность результатов из-за всплывания порошков при введении.

Целью предлагаемого изобретения является снижение стоимости модификатора, упрощение его получения (изготовления) и введения в расплав.

Поставленная цель достигается тем, что в способе приготовления металлического расплава, включающего загрузку шихты в плавильную печь, расплавление шихты, дозагрузку шихты, легирование, раскисление и модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений, предварительно на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты создают слой тугоплавких соединений толщиной не более 0,1 мкм и производят модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений в процессе дозагрузки шихты, легирования и раскисления расплава В качестве тугоплавких соединений используют оксиды, нитриды, бориды, карбиды и карбонитриды.

В качестве легирующих элементов, раскислителей и части шихты используют фольгу, стружку, листовую обрезь, бытовые металлические упаковки, дроби и пудры.

Для образования на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты слоя тугоплавких соединений толщиной не более 1 мкм их подвергают электрохимической или термохимической обработке или диффузионной металлизации.

Это позволяет устранить специальную дорогостоящую малопроизводительную операцию изготовления ультрадисперсных порошков, упростить операцию ввода наночастиц в расплав металла и обеспечить условия крупномасштабного практического применения наночастиц и нанотехнологий в промышленности при изготовлении отливок.

Поскольку алюминий и его сплавы образуют на воздухе пленку из Al₂О₃ толщиной 10 нанометров (нм), в отдельных случаях его используют в виде фольги, пудры или стружки (спрессованной), листовых отходов без увеличения слоя окислов.

Слой Al₂О₃ на сырье из алюминия и его сплавов, например на фольге, наращивают до 100 нм при пропускании ее через электролит в режиме микроплазменного оксидирования (то же относится к получению TiO₂ на титане).

При термохимической обработке отходов, механической обработке стружки (алюминиевой, стальной, титановой) получают нанослои до 100 нм из карбидов, нитридов, карбонитридов с большой производительностью в виде TiN, AlN, BN, Cr₂N, TiCN, Mo₂N и др.

При диффузионной металлизации (газовом борировании) на поверхности стружки, в т.ч. чугунной, получают нанослои FeB, Fe₂В.

При введении в расплав металла легирующих элементов в виде брикетированной стружки из алюминиевого сплава с тугоплавкими нанослоями из Al₂О₃ происходит следующий процесс.

Алюминиевый сплав имеет коэффициент линейного расширения и предел прочности на растяжение большие, чем у Al₂O₃. Переход сплава в жидкое состояние сопровождается мгновенным увеличением объема и давления в жидкой фазе. Атомы металла при этом занимают неупорядоченное хаотическое расположение. В образующиеся в нанослое микротрещины внедряется жидкая фаза (детергент), создающая "расклинивающее" давление, что способствует разрушению тонкого слоя Al₂О₃ на наночастицы (имеет место эффект Ребиндера).

Образовавшиеся в легированном расплаве частицы ультрамалых размеров обуславливают высокие скорости зародышеобразования и соответственно высокодисперсную структуру и, в конечном итоге, - высокие механические свойства металла отливок. Вопрос снижения жидкотекучести модифицированных расплавов решается использованием для изготовления отливок способа литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД).

Пример 1.

Расплав на основе никеля ХН70ВМЮТЛ для литья лопаток газовых турбин приготавливают следующим образом. Состав сплава:

С 0,10÷0,16%; Si÷≤0,60; Mn≤0.5; Cr 14.0÷16,0; Ni - основа; Мо 3,0÷5,0; Fe≤3.0; W 4,0÷6,0; Ti 1,0÷1,4; Al 1,7÷2,2; В≤0,01.

Плавку ведут по известным режимам. Наночастицы вводят в расплав при легировании его титаном.

Подготовку легирующих элементов производят следующим образом. Титановую стружку толщиной ˜0,5 мм нагревают в защитной атмосфере до 850°С, а затем производят в течение нескольких секунд либо азотирование для получения слоя TiN, толщиной ≤100 нм, либо цианирование (наиболее предпочтительно) для получения нанослоя TiCN такой же толщины. Готовую стружку брикетируют.

При легировании расплава титаном одновременно производят модифицирование его наночастицами TiN или TiCN (0,004÷0,006% по массе).

Пример 2.

Расплав из жаростойкой стали 20Х13 для литья арматуры крекинг-установок приготавливают следующим образом. Состав стали:

С 0,16÷0,24%; Si≤0,70; Mn 0,3÷0,6; Cr 12÷14; Ni≤0,50; Fe - основа.

Плавку ведут по известным режимам, 10% шихты вводят в расплав в виде стружки этой стали.

Стружку предварительно азотируют при температуре 600÷700°С для получения нанослоя из Cr₂N толщиной не более 100 нм. Готовую стружку в виде брикета подшихтовывают в расплав стали.

При подшихтовке стали азотированной стружкой одновременно производят модифицирование его наночастицами Cr₂N (˜0,02% по массе).

Пример 3.

Расплав из алюминиевого высокопрочного чугуна ЧЮ22Ш приготавливают следующим образом. Состав чугуна:

С 1,6÷2.5%; Si 1,0÷2,0; Al 19,0÷25,0; Mn 0,8; Fe - ее основа.

В расплав чугуна вводят 22% от веса всей металлозавалки брикетированную алюминиевую стружку, которую до брикетирования азотируют в течение короткого времени при температуре 500÷520°С для образования на поверхности тугоплавкого нанослоя AlN толщиной до 100 нм. При вводе в расплав шихты для легирования производят одновременно модифицирование его наночастицами AlN (˜0,025% по массе).

Пример 4.

Расплав из стали 30ХТСЛ приготавливают следующим образом. Состав стали:

С 0,28÷0,38%; Si 0,50÷0,75; Mn 0,9÷1,2; Cr 0,5÷0,8; Fe - основа. Плавку сплава ведут по известным режимам, а раскисление расплава стали производят алюминиевой фольгой, свернутой в рулон (150 г на 100 кг шихты), которую предварительно пропускают через электролит для увеличения слоя Al₂O₃ с 10 нм до 100 нм в режиме микроплазменного оксидирования.

При раскислении стали алюминиевой фольгой, одновременно производят модифицирование ее наночастицами Al₂O₃

Использование изобретения позволяет исключить из процесса приготовления качественных расплавов дорогой трудоемкий нетехнологичный процесс изготовления и использования ультрадисперсных порошков и обеспечить широкомасштабное внедрение предлагаемой нанотехнологии в машиностроении и металлургии с получением значительного экономического эффекта за счет повышения механических свойств литого материала, осуществить эффективно утилизацию металлических производственных и бытовых отходов.

1. Способ приготовления металлического расплава, включающий загрузку шихты в плавильную печь, расплавление шихты, дозагрузку шихты, легирование, раскисление и модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений, отличающийся тем, что предварительно на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты создают слой тугоплавких соединений, толщиной не более 0,1 мкм и производят модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений в процессе дозагрузки шихты, легирования и раскисления расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавких соединений используют оксиды, нитриды, бориды, карбиды и карбонитриды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих элементов, раскислителей и части шихты используют фольгу, стружку, листовую обрезь, бытовые металлические упаковки, дроби и пудры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты слоя тугоплавких соединений, толщиной не более 0,1 мкм, их подвергают электрохимической или термохимической или диффузионной металлизации.