Модификатор для стали

Изобретение может быть использовано при изготовлении отливок. Модификатор стали включает нанодисперсные порошки тугоплавких материалов и порошок протектора. В качестве протектора используют порошки одной или нескольких лигатур из группы, включающей ферросилиций, ферромарганец, ферросиликоаллюминий, силикокальций, силикобарий, силикокальцийбарий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: нанодисперсный порошок тугоплавких материалов 1-50, порошок одной или нескольких лигатур остальное. Обеспечивается получение отливок с повышенными механическими и служебными свойствами. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в литейном производстве для изготовления литых заготовок с повышенными механическими и служебными свойствами.

Известно применение в составе модификатора дисперсных тугоплавких карбидов, нитридов, боридов, оксидов одного или нескольких элементов, выбранных из VI, V групп периодической системы в качестве инокулятора, и титана в качестве протектора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид, карбид, нитрид, борид	5-50
Титан	50-95

Недостатком этого модификатора является низкая степень усвоения модификатора в условиях открытой плавки и разливки и низкие механические свойства металла из-за наличия титана в составе добавки, который сам подвергается интенсивному окислению и не выполняет роль протектора для инокулирующих частиц. Использование таких дорогостоящих компонентов, как титан, приводит к существенному удорожанию процесса модифицирования низкоуглеродистых сталей, что не всегда приемлемо.

Наиболее близким техническим решением по достигаемому эффекту является модификатор [патент РФ №2344180 C2, Кл. C21C 1/00 от 20.01.2009], содержащий ультрадисперсные тугоплавкие керамические частицы в качестве инокулятора, хром и (или) никель в качестве протектора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нанодисперсные тугоплавкие керамические частицы	50-90
Хром и (или) никель	Остальное

Недостатком данного модификатора является также невысокая модифицирующая способность сталей открытой плавки в результате высокого сродства компонентов модификатора к кислороду, что приводит к дезактивации основного количества частиц инокулятора.

Данный модификатор обладает низкой модифицирующей способностью низкоуглеродистых сталей, что является причиной кристаллизации отливок с грубой макро- и микроструктурой и невысокими механическими свойствами.

Целью изобретения является повышение механических свойств отливок из углеродистых сталей.

Поставленная цель достигается тем, что модификатор для стали, включающий нанодисперсные порошки тугоплавких материалов и порошок протектора, в качестве протектора используют порошки одного или нескольких лигатур при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нанодисперсный порошок тугоплавких
материалов	1-50
Порошок одного или нескольких
лигатур из группы: ферросилиций,
ферромарганец, ферросиликоаллюминий,
силикокальций, силикобарий,
силикокальцийбарий	Остальное

Применение в качестве протектора порошков лигатур позволяет эффективно защитить частицы нанодисперсного порошка от окисления и коагуляции при их вводе в металлический расплав. Причем использование порошков лигатур позволяет провести обработку расплава без существенного изменения химического состава сплава, что не требует дополнительной корректировки химического состава модифицируемого сплава.

При этом выбор в качестве протектора порошков лигатур не приводит к заметному повышению себестоимости продукции в результате низкой стоимости применяемых лигатур как ферросилиций, ферромарганец, ферросиликомарганец, ферросиликоаллюминий, силикокальций, силикобарий, силикокальцийбарий. При этом используемые лигатуры достаточны, хрупки для получения их порошков методом дробления в щековых дробилках и в шаровых мельницах. Полученные дисперсные порошки обладают достаточно высокой активностью, позволяющей их использовать как эффективных протекторов для нанодисперсных порошков тугоплавких материалов.

Модификатор опробовали при изготовлении литых заготовок из стали 20Л и 25Л. Выбранные лигатуры предварительно дробили в щековой дробилке. Окончательное измельчение производили в шаровой мельнице до получения порошков дисперсности 20-60 мкм. Смесь порошков лигатуры и ультрадисперсного порошка готовили в смесителе типа «пьяная» бочка.

Модификатор готовили методом прессования равномерной по составу смеси порошков в брикет и дегазировали (а.с. СССР №13365577).

Сталь 20Л и 25Л плавили в индукционной печи ИСТ-016. При температуре 1630-1650°С сталь после раскисления обрабатывали известным и предложенным модификатором. После выдержки 30-60 секунд металл выпускали в ковш, из которого заливали в формы с целью получения образцов на механические испытания.

Для испытаний на растяжение из литых заготовок были изготовлены образцы по ГОСТ 1497-91. Испытания проводили на разрывной машине УМЭ-10Т. Образцы на ударную вязкость испытывали на копре КМ-30. Результаты испытаний приведены в таблице.

Из полученных данных видно, что предложенный состав модификатора обеспечивает эффективность модифицирования и повышение механических свойств отливок.

Использование предложенного модификатора позволяет повысить предел прочности на 10-15%, предел текучести на 15-25%, относительное удлинение на 10-25%.

Ожидаемый экономический эффект от использования предложенного модификатора рассчитывали из условия повышения механических свойств отливок из модифицированной стали, что позволяет снизить толщину стенок отливок без ухудшения их конструктивной прочности.

Анализ эксплуатационных характеристик отливок из стали 20Л и 25Л показал, что повышение механических свойств в указанных пределах позволяет снизить вес отливок на 10-15%, что равноценно увеличению выпуска литья при равных расходах на 10%. Учитывая то, что отпускная цена литья из стали 25Л в среднем составляет 65 тыс. рублей на тонну, экономический эффект составит 6,5 тысяч рублей на тонну годного литья.

Способ изготовления	Сталь	Нанодисперсный порошок	Лигатура	Механические свойства
Состав	Кол-во	Состав	Кол-во	Gв, МПа	Gт, МПа	δ, %	ψ, %	KCV, при -60°С, кДж/м2
Предлагаемый	20Л	TiCN	0,5	FeSi75	99,5	475	280	26	50	4,3
	20Л	TiCN	55	FeSi75	45	480	295	28	54	3
	20Л	TiCN	1	FeSi75	99	510	303	30	58	6,2
	20Л	TiCN	50	FeSi75	50	520	312	30	65	8
	20Л	TiN	5	FeMn88	95	512	307	31	62	7,6
	25Л	TiCN	10	FeSiAl20	90	535	327	29	60	6,5
	25Л	TiCNO	15	SiCa25	85	540	335	34	57	5
	20Л	SiO2	30	SiBa10	70	547	318	32	61	5,4
25Л	TiB2	40	SiCa10Ba10	60	527	305	30	60	6,1
Известный	20Л	Карбонитрид титана 4%	437	233	26	46	2
		Железо 50%
		Кремний 30%
25Л	Титан 16%	463	262	24	38	1,8

Модификатор для стали, содержащий нанодисперсный порошок тугоплавкого материала и порошок протектора, отличающийся тем, что в качестве протектора используют порошок одной или нескольких лигатур из группы, включающей ферросилиций, ферромарганец, ферросиликоалюминий, силикокальций, силикобарий, силикокальцийбарий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нанодисперсный порошок тугоплавких материалов	1-50
Порошок одной или нескольких лигатур	Остальное