RU2739042C1

RU2739042C1 - Modifier

Info

Publication number: RU2739042C1
Application number: RU2020125161A
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Еремин
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2020-12-21

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, in particular to compositions of modifiers used to improve properties of castings from chrome-nickel dispersed hardening steels, which operate in conditions of intensive wear at high temperatures, used for making a hot-forming tool for various purposes, for example hot rolled rolls. Modifier contains, wt%: molybdenum 10-20, chromium 20-40, boron nitride 10-25, nickel - the rest.EFFECT: invention increases grinding effect of dentritic structure of casts, provides higher hardness, heat resistance and wear resistance of metal while maintaining elastic properties in it.1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам модификаторов используемых в процессе получения отливок для улучшения свойств хромоникелевых дисперсионнотвердеющих сталей, применяемых для изготовления инструмента, работающего в условиях интенсивного износа при высоких температурах, например инструмента горячего деформирования различного назначения.The invention relates to the field of metallurgy, in particular, to the compositions of modifiers used in the process of producing castings to improve the properties of chromium-nickel precipitation-hardening steels used for the manufacture of tools operating under conditions of intense wear at high temperatures, for example, hot working tools for various purposes.

Известен комплексный модификатор для стали [RU №2319775 от 20.03.2008], содержащий углерод, кремний, марганец, азот, хром, ниобий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, молибден, медь, магний при следующем соотношении компонентов, масс.%:Known complex modifier for steel [RU No. 2319775 from 20.03.2008], containing carbon, silicon, manganese, nitrogen, chromium, niobium, iron, characterized in that it additionally contains nickel, molybdenum, copper, magnesium with the following ratio of components, mass .%:

углерод carbon 0,3-0,5;0.3-0.5; кремний silicon 5,0-10,0;5.0-10.0; марганец manganese 15,0-20,0;15.0-20.0; никель nickel 5,0-10,0;5.0-10.0; азот nitrogen 0,1-0,2;0.1-0.2; хром chromium 40,0-50,0;40.0-50.0; ниобий niobium 3,0-5,0;3.0-5.0; молибден molybdenum 3,0-5,0;3.0-5.0; медь copper 3,0-5,0;3.0-5.0; магний magnesium 0,5-1,5;0.5-1.5; железо iron остальное.rest.

Недостатком этого модификатора является низкая износостойкость литого металла, которая обусловлена высоким объемом карбонитридных фаз в структуре, приводящих к его охрупчиванию.The disadvantage of this modifier is the low wear resistance of the cast metal, which is due to the high volume of carbonitride phases in the structure, leading to its embrittlement.

Известна смесь для модифицирования чугуна (SU 1323602 от 15.07.87г.) и повышения его износосстойкости содержащая, масс. %:Known mixture for modifying cast iron (SU 1323602 from 15.07.87g.) And increasing its wear resistance containing, mass. %:

Алюминий Aluminum 15-25;15-25; Нитрид бора Boron nitride 2,5-7,5;2.5-7.5; Нитрид титана Titanium nitride 15-30;15-30; Железо Iron остальное.rest.

Однако при использовании этой модифицирующей смеси в процессе получения отливок из хромоникелевых сталей создается неблагоприятный пироэффект, обусловливающий низкую усвояемость расплавом легирующих элементов и твердость получаемого металла относительно невелика, что не позволяет использовать его для деталей, работающих в условиях интенсивного износа.However, when using this modifying mixture in the process of obtaining castings from chromium-nickel steels, an unfavorable pyroeffect is created, which causes a low assimilation of alloying elements by the melt and the hardness of the resulting metal is relatively low, which does not allow its use for parts operating under conditions of intense wear.

Наиболее близким по технической сущности является модификатор [RU №2337167 от 27.10.2008], предназначенный для измельчения дендритной структуры жаропрочных сплавов, вводимый в виде брикета, содержащий равномерно распределенные частицы никеля, молибдена и хрома при следующем соотношении компонентов, в масс. %:The closest in technical essence is a modifier [RU No. 2337167 dated 10/27/2008], intended for grinding the dendritic structure of heat-resistant alloys, introduced in the form of a briquette containing uniformly distributed particles of nickel, molybdenum and chromium with the following ratio of components, in mass. %:

Хром Chromium 60-70;60-70; Частицы молибденаMolybdenum particles 20-25;20-25; Никель Nickel остальное.rest.

Недостатком этого модификатора является невысокая твердость и теплостойкость модифицированного литого металла, вследствие отсутствия в нем высокопрочных тугоплавких соединений, что не позволяет использовать такой металл для изготовления инструмента горячего деформирования.The disadvantage of this modifier is the low hardness and heat resistance of the modified cast metal, due to the absence of high-strength refractory compounds in it, which does not allow the use of such a metal for the manufacture of hot-working tools.

Целью данного изобретения является увеличение твердости и теплостойкости несклонного к хрупкому разрушению металла отливок из хромоникелевых дисперсионнотвердеющих сталей, что обеспечивает повышение их износостойкости в условиях работы и при повышенных температурах.The purpose of this invention is to increase the hardness and heat resistance of the metal, which is not prone to brittle fracture, of castings from chromium-nickel precipitation-hardening steels, which provides an increase in their wear resistance under operating conditions and at elevated temperatures.

Поставленная цель достигается тем, что модификатор, содержащий порошки молибдена, хрома, никеля дополнительно содержит нитрид бора при следующем соотношении компонентов, масс. %:This goal is achieved by the fact that the modifier containing powders of molybdenum, chromium, nickel additionally contains boron nitride in the following ratio of components, wt. %:

Молибден Molybdenum 10-20;10-20; Хром Chromium 20-40;20-40; Никель Nickel остальное;rest; Нитрид бора Boron nitride 10-25.10-25.

При вводе модификатора в расплавленный металл хром, имеющий относительно низкую температуру плавления (Т_пл = 1875 °С) расплавляется и твердые частицы молибдена (Т_пл = 2620 °С) не расплавляющиеся в реальных условиях плавки, смачиваются концентрированной по хрому жидкостью. Это обеспечивает благоприятные условия для взаимодействия инокуляторов – частиц молибдена с элементом активатором – хромом. Изоморфность кристаллических решеток молибдена и хрома, благоприятный размерный фактор и небольшая разница в электроотрицательности обеспечивают полную взаимную растворимость этих металлов. Вследствие этого адсорбирующиеся на поверхности частиц молибдена хром, а так же его соединения с примесными элементами (углерода, азота), изменяют поверхностные свойства частиц в отношении зародышеобразования, активируют инокулятор, обеспечивая измельчение дендритной структуры литого металла.When the modifier is introduced into the molten metal, chromium, which has a relatively low melting point ( _Tm = 1875 ° C), melts and solid particles of molybdenum ( _Tm = 2620 ° C), which do not melt under actual melting conditions, are moistened with a chromium-concentrated liquid. This provides favorable conditions for the interaction of inoculators - molybdenum particles with an activator element - chromium. The isomorphism of the crystal lattices of molybdenum and chromium, a favorable size factor and a small difference in electronegativity ensure the complete mutual solubility of these metals. As a result, chromium adsorbed on the surface of molybdenum particles, as well as its compounds with impurity elements (carbon, nitrogen), change the surface properties of particles with respect to nucleation, activate the inoculator, providing grinding of the dendritic structure of the cast metal.

Дополнительное введение нитрида бора в количестве 10-25 масс.% усиливает эффект модифицирования за счет увеличения количества центров кристаллизации в стали, повышает твердость и теплостойкость, что оказывает решающее влияние на достижение цели изобретения. При концентрации нитрида бора менее 10 масс.% его влияние на твердость и теплостойкость металла незначительно, а при увеличении его более
25 масс.% ухудшается стабильность модифицирования и снижаются упруго-пластические свойства литого металла.Additional introduction of boron nitride in an amount of 10-25 wt.% Enhances the effect of modification by increasing the number of crystallization centers in the steel, increases the hardness and heat resistance, which has a decisive effect on the achievement of the objective of the invention. At a boron nitride concentration of less than 10 wt.%, Its effect on the hardness and heat resistance of the metal is insignificant, and with an increase of more than
25 wt.%, The stability of the modification deteriorates and the elastic-plastic properties of the cast metal are reduced.

Никель в предлагаемом модификаторе, как и в известном, используется в качестве нейтральной добавки. Это обусловлено тем, что он входит в основу модифицируемых сталей и, кроме того, обладает хорошей прессуемостью, имеет сравнительную низкую температуру плавления
(Т_пл = 1453 °С), что обеспечивает быстрое распределение модификатора в обрабатываемом расплаве.Nickel in the proposed modifier, as well as in the known one, is used as a neutral additive. This is due to the fact that it forms the basis of modified steels and, in addition, has good compressibility, has a relatively low melting point
(T _pl = 1453 ° C), which provides a rapid distribution of the modifier in the processed melt.

Модификатор готовят путем прессования смеси из порошкообразных компонентов в брикеты при давлении 10…15 т/см². В качестве компонентов используют порошки никеля по ГОСТу 9722-97, молибдена по ТУ 48-19-316-92, хрома по ГОСТу 5905-79, нитрида бора по ТУ 26.8-002222/6-07-2003 с размером частиц 20...100 мм.The modifier is prepared by pressing a mixture of powdered components into briquettes at a pressure of 10 ... 15 t / cm ² . Powders of nickel according to GOST 9722-97, molybdenum according to TU 48-19-316-92, chromium according to GOST 5905-79, boron nitride according to TU 26.8-002222 / 6-07-2003 with a particle size of 20 ... 100 mm.

Проверку эффективности действия предложенного модификатора проводили при электрошлаковом литье слитков из стали Н8Х6М3СТЮ.The effectiveness of the proposed modifier was tested during electroslag casting of steel N8Kh6M3STYU ingots.

Расплав накапливали в плавильной емкости электрошлаковым способом. После окончания процесса накопления, в расплав вводили модификатор в количестве 0,3 масс. %. Температура расплава при модифицировании 1900 °С. Для обеспечения равномерности распределения добавок в расплаве модификатор вводили за 3-5 минут до слива металла в изложницу. The melt was accumulated in a melting vessel by the electroslag method. After the end of the accumulation process, a modifier was introduced into the melt in an amount of 0.3 wt. %. The melt temperature during modification is 1900 ° C. To ensure uniform distribution of additives in the melt, the modifier was introduced 3-5 minutes before pouring the metal into the mold.

Упрочнение термической обработкой (старение) проводили на режиме, включающем нагрев металла до температуры 550 °С и выдержку в течение 2 ч.Strengthening by heat treatment (aging) was carried out in a mode including heating the metal to a temperature of 550 ° C and holding for 2 h.

Дюрометрические исследования проводили на образцах металла после отливки, старения и отпуска. Твердость металла измеряли по методу Роквелла на приборе ТК-2.Durometric studies were carried out on metal samples after casting, aging, and tempering. The hardness of the metal was measured by the Rockwell method on a TK-2 device.

Испытания в условиях изнашивания пар металл-металл осуществляли при трении скольжения без смазки по схеме палец-вращающийся диск (контртело), с твердостью 59 HRC на машине трения УМТ-2168.Tests under the conditions of wear of metal-metal pairs were carried out with sliding friction without lubrication according to the finger-rotating disk (counterbody) scheme, with a hardness of 59 HRC, on a UMT-2168 friction machine.

Теплостойкость исследуемых составов оценивали по снижению твердости металла в результате отпуска при температуре 800 °С в течение 4 часов.The heat resistance of the investigated compositions was assessed by the decrease in the hardness of the metal as a result of tempering at a temperature of 800 ° C for 4 hours.

Испытания на склонность состаренного наплавленного металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара
0,1 кДж. За ударостойкость принимали количество ударов до появления первой трещины.Tests for the tendency of the aged deposited metal to brittle fracture were carried out on an MA4129 hammer at an impact energy
0.1 kJ. The impact resistance was taken as the number of impacts before the first crack appeared.

Для количественной оценки воздействия модифицирующих элементов на свойства литого металла было изготовлено семь отливок: 2, 3, 4 и 5 предлагаемые составы, 1 и 6 составы с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы, 7 – состав прототипа (табл.)For a quantitative assessment of the effect of modifying elements on the properties of cast metal, seven castings were made: 2, 3, 4 and 5 proposed compositions, 1 and 6 compositions with a content of components outside the claimed limits, 7 - the composition of the prototype (table)

Номера составовTrain numbers Состав модификатора, масс. %Modifier composition, wt. % Твердость HRCHRC hardness Износостойкость
г/м пути⋅10^-5 Wear resistance
g / m track 10 ^-5 Коэффициент теплостойкостиHeat resistance coefficient УдаростойкостьShock resistance НикельNickel МолибденMolybdenum ХромChromium Нитрид бораBoron nitride ОтливкиCastings После старенияAfter aging После отпуска при 800 °СAfter tempering at 800 ° C ПрототипPrototype 1515 2525 6060 -- 3636 4949 2626 21,621.6 0,530.53 8787 Предлагаемый:Proposed: 1one 7575 55 1515 55 3737 5151 3636 16,4516.45 0,700.70 8484 22 6060 10ten 20twenty 10ten 3939 5353 4242 13,3613.36 0,790.79 8181 33 4545 1515 30thirty 1515 4141 5656 4545 11,5611.56 0,800.80 7676 44 20twenty 20twenty 4040 20twenty 4242 5858 4949 7,267.26 0,840.84 7070 55 1515 20twenty 4040 2525 4444 5959 5151 5,325.32 0,860.86 5858 66 55 2525 4040 30thirty 4747 6161 5353 4,884.88 0,860.86 3636

Как видно из таблицы, наилучшими свойствами обладает металл отливок составов 2, 3, 4 и 5. Данные составы позволяют получать металл отливки, который в исходном состоянии обладает твердостью 39-44 HRC, что обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость его режущим инструментом, без проведения операции отжига. Твердость металла этих составов после выдержки при температуре 800 °С в течение 4 часов по сравнению с твердостью после старения снижается с 53-59 HRC до 42-51 HRC, в то время как у прототипа, имеет место более значительное падение твердости с 49-26 HRC. При этом количество ударов до появления первой трещины, характеризующее хрупкость такого металла довольно велико и находится в пределах 58-81. В целом данные составы позволяют получить металл, превосходящий металл, полученный с использованием модификатора прототипа по теплостойкости в 1,49-1,62 раза, а по износостойкости при трении металла о металл в 1,61-4,1. Такие свойства металла можно объяснить тем, что он представляет собой композиционную структуру, состоящую из многокомпонентных боридных фаз на основе Fe, Cr, Mo, расположенных в виде каркаса между кристаллами мартенсита, с прослойками небольшого количества аустенита, упрочненного нитридными и интерметаллидными соединениями TiN, AlN, CrN, Ni₃Ti, Ni₃Al и Fe₂Мо обладающих высокой микротвердостью и термической стабильностью. Металл, полученный с использованием предложенных составов модификатора характеризуется отсутствием трещин, пор, высокой теплостойкостью и твердостью, при сохранении пластических свойств на достаточно высоком уровне, что позволяет значительно повысить износостойкость изготовленного из него инструмента горячего деформирования, например, прокатных валков, работающего в условиях длительного температурно-силового воздействия.As can be seen from the table, the best properties are possessed by the metal of castings of compositions 2, 3, 4 and 5. These compositions make it possible to obtain the metal of the casting, which in the initial state has a hardness of 39-44 HRC, which ensures satisfactory machinability with a cutting tool, without annealing. The hardness of the metal of these compositions after holding at a temperature of 800 ° C for 4 hours compared with the hardness after aging decreases from 53-59 HRC to 42-51 HRC, while the prototype has a more significant drop in hardness from 49-26 HRC. In this case, the number of impacts before the appearance of the first crack, which characterizes the brittleness of such a metal, is quite large and is in the range of 58-81. In general, these compositions make it possible to obtain a metal that is superior to the metal obtained using the prototype modifier in terms of heat resistance by 1.49-1.62 times, and in terms of wear resistance in friction of metal on metal by 1.61-4.1 times. These properties of the metal can be explained by the fact that it is a composite structure consisting of multicomponent boride phases based on Fe, Cr, Mo, located in the form of a framework between martensite crystals, with interlayers of a small amount of austenite, reinforced with nitride and intermetallic compounds TiN, AlN, CrN, Ni ₃ Ti, Ni ₃ Al and Fe ₂ Mo possessing high microhardness and thermal stability. The metal obtained using the proposed modifier compositions is characterized by the absence of cracks, pores, high heat resistance and hardness, while maintaining the plastic properties at a sufficiently high level, which makes it possible to significantly increase the wear resistance of the hot deformation tool made from it, for example, rolling rolls operating under prolonged temperature conditions. - force impact.

Claims

A modifier for chromium-nickel precipitation-hardening steels containing powders of molybdenum, chromium and nickel, characterized in that to increase the hardness and heat resistance of steel while maintaining ductility, it additionally contains boron nitride powder at the following ratio of components, wt%:

Molybdenum 10-20 Chromium 20-40 Boron nitride 10-25 Nickel rest