Азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству азотсодержащих лигатур, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и предназначенных для легирования сталей и чугунов, и может быть использована при производстве фасонных отливок. Лигатура содержит, мас.%: ванадий 2,0-18,0, марганец 0,5-4,0, азот 8,0-12,0, кремний 10,0-30,0, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,1-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, титан 0,1-5,0, железо остальное. Новый состав лигатуры содержит оптимальное соотношение количества основных элементов и микродобавок карбо- и нитридообразующих элементов, применяемых для производства сталей и чугунов. Лигатура обладает высокими технологическими характеристиками - износостойкостью, однородностью состава и микроструктуры и эксплуатационными свойствами, что расширяет возможность использования ее для легирования широкого марочного состава конструкционных сталей различного класса прочности и назначения. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам комплексных азотсодержащих лигатур, предназначенных для легирования и модифицирования сталей и чугунов.
Известны составы азотсодержащих лигатур [1, 2 и 3], недостатком которых является ограниченная область их использования. Известные составы относятся к азотированным ферросплавам, содержащих недостаточное количество легирующих компонентов, необходимых для получения качественных лигатур для комплексного легирования сталей и чугунов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) состава (мас.%): ванадий 20-40, марганец 5-20, азот 8-12, кремний 10-30, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,5-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, барий 0,1-1,5, железо - остальное [4].
Недостатки известной лигатуры - в ограниченности ее использования для комплексного легирования сплавов, связанных с подбором составляющих компонентов, с технологическими характеристиками (недостаточная плотность, пористость и степень поглощения азота), а также с эксплуатационными показателями (неполное усвоение химических элементов лигатуры при выплавке сплавов и повышенный расход лигатуры).
В связи с этим представляется целесообразным получение азотсодержащей лигатуры для комплексного легирования, существенно расширяющего возможности легирования марочного состава конструкционных сталей, а также чугунов, за счет высоких технологических и эксплуатационных характеристик лигатуры, полученной с использованием метода СВС.
Задача решается тем, что в известную лигатуру, содержащую ванадий, марганец, азот, кремний, углерод, алюминий, ниобий, кальций, хром и железо, дополнительно вводят титан, а компоненты взяты в соотношении (мас.%): ванадий 2-18, марганец 0,5-4,0, азот 8-12, кремний 10-30, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,1-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, титан 0,1-5,0, железо - остальное.
В лигатуре нового состава интервал содержания марганца ниже нижнего предела по сравнению с известной лигатурой.
Содержание азота и ванадия установлено экспериментально из расчета необходимого количества его для образования стабильных нитридных фаз с ванадием, титаном, ниобием, алюминием и метастабильных нитридных фаз с марганцем, хромом, кальцием, что уменьшает вероятность содержания избыточного, не связанного азота в твердом растворе и отрицательного влияния его на технологические свойства лигатуры (пористость, плотность, износостойкость, ликвация).
Предельное содержание ванадия, ниобия и титана определены также с учетом процесса образования комплексных карбонитридов ванадия, ниобия и титана VTiNb (CN) переменного состава, которые существенно влияют на технологические и эксплуатационные характеристики лигатуры. В процессе выплавки сталей и чугунов с использованием лигатуры, их прокатки и термообработки в структуре металла выделяется необходимое и достаточное количество дисперсных карбонитритных фаз, предопределяющих размер аустенитного и действительного зерна и необходимый комплекс прочностных и пластических свойств.
Содержание марганца и хрома в заявленных количествах повышают устойчивость аустенита (за счет расширения γ-области) при нагреве и кристаллизации расплава лигатуры, что в широких температурных диапазонах позволяет регулировать технологический процесс получения лигатуры заданного состава и качества для легирования конкретного состава стали или чугуна.
Количественное содержание углерода, кремния и алюминия усиливают достижение поставленной задачи - получение высококачественной лигатуры с использованием метода СВС.
Заявленный состав лигатуры позволяет расширить возможность и сортамент сталей для их комплексного легирования при производстве низколегированных и конструкционных легированных сталей и чугунов. Кроме этого лигатура может быть использована при производстве фасонных отливок.
Из анализа вышеизложенного следует, что заявленная азотосодержащая лигатура отличается от известной количественным содержанием марганца и качественно новым существенным признаком - содержанием титана.
Кроме этого, для создания благоприятных условий для процесса карбидо- и нитридообразования с выделением дисперсных фаз V (CN), Nb (CN), Ti (CN) или их комплексов установлено оптимальное содержание суммы ванадий, ниобий, титан в пределах 3,0-25%.
Таким образом, заявленный состав азотосодержащей лигатуры соответствует критерию изобретения по "новизне".
При исследовании заявленного состава азотосодержащей лигатуры по научно-технической и патентной литературе не выявлены источники, содержащие новые существенные признаки, их сочетание, по функциональному назначению и достигаемому положительному результату, что соответствует критерию "изобретательский уровень".
Примеры выполнения
Лигатуру предлагаемого состава выплавляли в реакторе емкостью 20 литров методом СВС. Для получения лигатуры использовали следующие материалы, кг:
| Феррониобий | 0,5 |
| Силикохром | 7,5 |
| Силикокальций | 7,5 |
| Феррованадий | 5,0 |
| Ферротитан | 0,5 |
| Порошок алюминия | 1,5 |
Технологическая линия производства азотосодержащей лигатуры включает объединение в единую технологическую цепочку следующего оборудования: дробилки, пневматического измельчителя, классификатора и пылеотделителя, бункеров хранения и расхода, СВС - реактора и компрессорного оборудования.
Исходные материалы измельчали в порошок с размером частиц не более 0,05 мм, смешивали и обрабатывали азотом. Готовую смесь засыпали в тигель в количестве
20 кг.
Тигель помещали в реактор, рабочий объем которого герметизировали и заполняли азотом чистотой 98% при давлении 2×106 Па.
При помощи нихромовой спирали и навески зажигающей смеси (теплоносителей) шихту воспламеняли. После воспламенения азотирование происходит в самоподдерживающем (за счет тепла реакции образования нитридов) режиме послойного горения при температуре 1 450°С в течение 0,15 часа. Давление в реакторе поддерживали 1,8-2,2×106 Па. Далее, продукт в течение 2 часов оставляли в реакторе в атмосфере азота с остыванием до 250-300°С, затем давление сбрасывали, разгерметизировали реактор, продукт извлекали из реактора.
Полученная таким образом азотированная лигатура заявленного состава (таблицы 1 и 2) представляет собой плотный оплавленный брикет без следов пористости и ликвационных образований.
Микроструктурный, химический и рентгеноструктурный анализы подтверждают однородность сплава лигатуры по сечению брикета, высокую степень поглощения азота при производстве лигатуры методом СВС. Благодаря высокой прочности и износостойкости полностью исключается выкрашивание, измельчение и пылеобразование новых составов лигатуры при ее упаковке, транспортировке и в процессе легирования сталей и чугунов.
Азотосодержащая лигатура нового состава использована для выплавки конструкционных сталей различного марочного состава и назначения (таблица 3).
Использование азотосодержащей лигатуры при производстве сталей обеспечивает:
- экономичный расход лигатуры, с высоким усвоением химических элементов (табл.2);
- стабильные механические свойства и химический состав;
- малую склонность к росту зерна аустенита и мелкозернистость (№10-12 балл.);
- высокий уровень сопротивления хрупкому разрушению.
Благоприятное сочетание прочности, пластичности и низкой склонности к хрупким разрушениям указанных выше составов сталей, связанные с сочетанием легирующих ингредиентов, содержащихся в новой азотосодержащей лигатуре, а также в значительной степени с характером формирования и выделения в процессе технологии изготовления лигатуры и сталей дисперсной карбонитридной фазы (VNbTi) CN переменного состава, частицы которой влияют на процессы кристаллизации, рекристаллизации, увеличивают сопротивление отпускной хрупкости, измельчают структурные составляющие сплавов.
Производство азотосодержащей лигатуры заявленного состава реализуется с использованием известных сырьевых материалов, в том числе техногенных образований и существующего металлургического оборудования, и не требует дополнительных капитальных затрат.
Источники информации
1. А.С. №589276
2. А.С. №594204
3. А.С. №1177374
4. А.С. №1744138
| Таблица 1 | |||||||||||
| Химический состав азотосодержащей лигатуры, мас.% | |||||||||||
| Состав №п/п | С | Si | Mn | Nb | V | Ti | Cr | Al | Ca | N | Fe |
| 1 | 3.0 | 9,0 | 0,6 | 0,3 | 1,5 | 6,0 | 2,5 | 0,5 | 1,0 | 8,0 | ост. |
| 2 | 2,5 | 10,0 | 0,5 | 0,5 | 2,0 | 5,0 | 3,0 | 0,6 | 1,2 | 9,5 | ост. |
| 3 | 2,5 | 15,0 | 1,0 | 2,5 | 10,0 | 2,0 | 1,0 | 0,5 | 0,1 | 10,0 | ост. |
| 4 | 3,2 | 25,0 | 2,0 | 4,0 | 18,0 | 0,5 | 3,0 | 0,7 | 1,5 | 8,5 | ост. |
| 5 | 2,8 | 30,0 | 3,0 | 5,0 | 19,0 | 0,1 | 2,4 | 0,5 | 0,9 | 11,0 | ост. |
| 6* | 2,5 | 10,0 | 7,5 | 3,0 | 20,0 | - | 4,1 | 0,8 | 1,1 | 8,5 | ост. |
| * Известный состав дополнительно содержит: барий - 0,5%. |
| Таблица 3 | ||
| Назначение сталей, выплавленных с использованием лигатуры. | Свойства стали | |
| Предел прочности, σВ, МПа | Ударная вязкость, КСU, МДж/м2 | |
| Стали для деталей машиностроения: высоконагруженные, детали тракторных двигателей, шатуны, коленвалы, балансиры и т.д. | не менее 1240 | не менее 1,1 |
| Стали для установок при насосном и штанговом способах добычи нефти, применяемые без специальной термической обработки: валы, штоки, штанги | не менее 880 | не менее 0,5 |
| Стали для бурового инструмента: пики бетонолома, буровые штанги станков и кареток | не менее 1800 | не менее 0,7 |
| Стали для деталей крепежа: телевизионных установок, мостов, в т.ч. с применением гидропрессования | не менее 1600 | не менее 0,5 |
| не менее 2000 | не менее 0,5 | |
| Стали для литых деталей режущих органов землеройной техники: зубья ковшей роторных экскаваторов, наконечники рыхлителей бульдозеров | не менее 1650 | не менее |
1. Азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержащая ванадий, марганец, азот, кремний, углерод, алюминий, ниобий, кальций, хром и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| ванадий | 2,0-18,0 |
| марганец | 0,5-4,0 |
| азот | 8,0-12,0 |
| кремний | 10,0-30,0 |
| углерод | 0,1-2,5 |
| алюминий | 0,1-1,5 |
| ниобий | 0,1-5,0 |
| кальций | 0,1-1,5 |
| хром | 0,5-5,0 |
| титан | 0,1-5,0 |
| железо | остальное |
2. Азотсодержащая лигатура по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание ванадия, ниобия и титана составляет 3,0-25,0 мас.%.
