RU2818196C1 - Iron-based casting alloy - Google Patents
Iron-based casting alloy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818196C1 RU2818196C1 RU2023123599A RU2023123599A RU2818196C1 RU 2818196 C1 RU2818196 C1 RU 2818196C1 RU 2023123599 A RU2023123599 A RU 2023123599A RU 2023123599 A RU2023123599 A RU 2023123599A RU 2818196 C1 RU2818196 C1 RU 2818196C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- iron
- alloy
- impurities
- component selected
- earth metals
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 55
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 55
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 42
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- 238000005266 casting Methods 0.000 title abstract description 17
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 14
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 13
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 12
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 3
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 claims description 12
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 8
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 239000000155 melt Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 8
- ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce][Ce] ZMIGMASIKSOYAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 4
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 4
- 208000012274 Laryngotracheoesophageal cleft Diseases 0.000 description 3
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 3
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 150000004763 sulfides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- -1 manganese, hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 2
- PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N praseodymium atom Chemical compound [Pr] PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005495 investment casting Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Description
Литейный сплав на основе железа относится к области металлургии, а именно, к литейным прецизионным сплавам на основе железа, обладающих низким значением температурного коэффициента теплового расширения, и используемых для изготовления деталей с высокой размерной стабильностью в изделиях прецизионной техники, например, электронных приборах, летательных аппаратах, преимущественно работающих в контакте с неметаллами, такими как ситаллы, кварцевое стекло, керамика [C22C38/00, C22C38/40, Y10T428/12951], измерительного инструмента высокой точности, а также для изготовления оснастки в том числе крупногабаритной, применяемой в производстве изделий из композиционных материалов (ПКМ-материалов), в частности из углекомпозитов.Iron-based casting alloy belongs to the field of metallurgy, namely, casting precision iron-based alloys, which have a low temperature coefficient of thermal expansion, and are used for the manufacture of parts with high dimensional stability in precision engineering products, for example, electronic devices, aircraft , mainly working in contact with non-metals, such as glass-ceramics, quartz glass, ceramics [C22C38/00, C22C38/40, Y10T428/12951], high-precision measuring instruments, as well as for the manufacture of equipment, including large-sized ones, used in the production of products from composite materials (PCM materials), in particular from carbon composites.
Из уровня техники известен ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА [RU2243281 (C1) - 2004-12-27], относящийся к металлургии, в частности к литейным сплавам с малым тепловым расширением. Заявляемый сплав содержит (мас.%); никель 31,5-33,0; кобальт 8,1-9,3; ниобий 0,25-0,5; молибден 0,15-0,3; редкоземельные металлы (церий, лантан, празеодим, неодим) в сумме 0,04-0,25; и баланс: железо. Изобретение позволяет снизить среднее термическое линейное расширение в интервалах температур 20-3000С и 20-3500С, а также сохранить трещиностойкость и однородность сплава. Технический результат - получение литейных сплавов с пониженным тепловым расширением. A CASTING ALLOY BASED ON IRON [RU2243281 (C1) - 2004-12-27] related to metallurgy, in particular to casting alloys with low thermal expansion, is known from the prior art. The inventive alloy contains (wt.%); nickel 31.5-33.0; cobalt 8.1-9.3; niobium 0.25-0.5; molybdenum 0.15-0.3; rare earth metals (cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium) in the amount of 0.04-0.25; and balance: iron. The invention makes it possible to reduce the average thermal linear expansion in the temperature ranges of 20-300 0 C and 20-350 0 C, as well as maintain the crack resistance and homogeneity of the alloy. The technical result is the production of cast alloys with reduced thermal expansion.
Также из уровня техники известен ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА [RU2266972 (C1) - 2005-12-27], относящийся к прецизионным литейным сплавам с низким тепловым расширением; область применения - летательные аппараты; оптоэлектронная техника; лазерная техника, точное приборостроение. Способ используют для изготовления деталей, работающих в контакте с кварцем, кремнием, карбидом кремния и другими неметаллами. Литейный сплав на основе железа содержит следующие компоненты, мас.%: никель 31,0-32,5; кобальт 9,4-11,0; молибден 0,4-0,6; редкоземельные элементы: церий, лантан, празеодим, неодим, сумма 0,04-0,25; остальное железо. Предлагаемый литейный сплав имеет пониженный среднетемпературный коэффициент линейного расширения в следующих диапазонах температур: 20-400°С, 20-450°С и 20-500°С. Технический результат: повышение устойчивости к растрескиванию; стабильность структуры до температуры минус 60°С. Also known from the prior art is an IRON-BASED CASTING ALLOY [RU2266972 (C1) - 2005-12-27], which relates to precision casting alloys with low thermal expansion; scope of application - aircraft; optoelectronic technology; laser technology, precision instrumentation. The method is used for the manufacture of parts that work in contact with quartz, silicon, silicon carbide and other non-metals. The iron-based casting alloy contains the following components, wt.%: nickel 31.0-32.5; cobalt 9.4-11.0; molybdenum 0.4-0.6; rare earth elements: cerium, lanthanum, praseodymium, neodymium, amount 0.04-0.25; the rest is iron. The proposed casting alloy has a reduced average temperature coefficient of linear expansion in the following temperature ranges: 20-400°C, 20-450°C and 20-500°C. Technical result: increased resistance to cracking; structural stability up to minus 60°C.
Наиболее близким по технической сущности является ИНВАРНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА [RU2718842 (C1) - 2020-04-14], изобретение относится к металлургии, а именно к литейному производству инварных сплавов с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в контакте с материалом на основе кварца. Предлагаемый сплав содержит, мас.%: никель 31,5–32,6; кобальт 9,0–10,0; молибден 0,05–0,2; ниобий 0,05–0,2; по крайней мере один компонент выбран из церия, лантана, иттрия в сумме 0,07-0,18; хотя бы один компонент выбран из кальция, стронция, бария в сумме 0,003-0,006, железа и неизбежных примесей - остальное. Содержание компонентов сплава удовлетворяет следующим условиям, мас.%: Ni + Co = 40,5 ÷ 42,6; Nb + Mo < 0,4; Co/Nb = 45÷200. Технический результат - снижение температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) в широком диапазоне температур при сохранении требуемого уровня литейных свойств.The closest in technical essence is IRON-BASED INVAR ALLOY [RU2718842 (C1) - 2020-04-14], the invention relates to metallurgy, namely to the foundry production of Invar alloys with a minimum temperature coefficient of linear expansion (TCLE), and can be used for the manufacture of parts working in contact with quartz-based material. The proposed alloy contains, wt.%: nickel 31.5–32.6; cobalt 9.0–10.0; molybdenum 0.05–0.2; niobium 0.05–0.2; at least one component is selected from cerium, lanthanum, yttrium in the amount of 0.07-0.18; at least one component is selected from calcium, strontium, barium in the amount of 0.003-0.006, iron and inevitable impurities - the rest. The content of alloy components satisfies the following conditions, wt.%: Ni + Co = 40.5 ÷ 42.6; Nb + Mo < 0.4; Co/Nb = 45÷200. The technical result is a reduction in the temperature coefficient of linear expansion (TCLE) over a wide temperature range while maintaining the required level of casting properties.
Основным недостатком всех рассматриваемых аналогов и прототипов является низкая жидкотекучесть расплавов, следствием этого является ограничение отливок по форме и размерам; высокое содержание редкоземельных металлов, что при наличии на них поверхностного окисленного слоя может приводить к образованию несплошностей, ситовидной пористости, образованию химических соединений (оксидов) редкоземельных металлов с растворенными газами.The main disadvantage of all the considered analogues and prototypes is the low fluidity of the melts, the consequence of which is the limitation of castings in shape and size; high content of rare earth metals, which, in the presence of a surface oxidized layer on them, can lead to the formation of discontinuities, sieve porosity, and the formation of chemical compounds (oxides) of rare earth metals with dissolved gases.
Техническим результатом изобретения является повышение жидкотекучести расплава. The technical result of the invention is to increase the fluidity of the melt.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что литейный сплав на основе железа, содержит никель, кобальт, углерод, редкоземельные металлы, щелочноземельные металлы, при следующем соотношении компонентов, мас.%:The declared technical result is achieved due to the fact that the iron-based casting alloy contains nickel, cobalt, carbon, rare earth metals, alkaline earth metals, in the following ratio of components, wt.%:
никель от более 30,0 до 36,5nickel from more than 30.0 to 36.5
кобальт 11,0 или менееcobalt 11.0 or less
углерод от более 0,5 до 1,5carbon from more than 0.5 to 1.5
один компонент, выбранный из церия, лантана или иттрия 0,03-0,15one component selected from cerium, lanthanum or yttrium 0.03-0.15
один компонент, выбранный из кальция, стронция или бария 0,003-0,006one component selected from calcium, strontium or barium 0.003-0.006
железо и примеси – остальное,iron and impurities - the rest,
при этом примеси содержатся в количестве 0-0,8.in this case, impurities are contained in an amount of 0-0.8.
Осуществление изобретения.Implementation of the invention.
Литейный сплав на основе железа, содержит никель, кобальт, углерод, редкоземельные металлы, щелочноземельные металлы, при следующем соотношении компонентов, мас. ч.%:Cast alloy based on iron, contains nickel, cobalt, carbon, rare earth metals, alkaline earth metals, in the following ratio of components, wt. h.%:
никель от более 30,0 до 36,5nickel from more than 30.0 to 36.5
кобальт 11,0 или менееcobalt 11.0 or less
углерод от более 0,5 до 1,5carbon from more than 0.5 to 1.5
один компонент, выбранный из церия, лантана или иттрия 0,03-0,15one component selected from cerium, lanthanum or yttrium 0.03-0.15
один компонент, выбранный из кальция, стронция или бария 0,003-0,006one component selected from calcium, strontium or barium 0.003-0.006
железо и примеси – остальное,iron and impurities - the rest,
при этом примеси содержатся в количестве 0-0,8.in this case, impurities are contained in an amount of 0-0.8.
1. Никель. Диапазон концентраций: от более 30 до 36,5%1. Nickel. Concentration range: from more than 30 to 36.5%
Является основным компонентом инварных сплавов на основе железа. Содержание никеля в указанном диапазоне обеспечивает аномально низкий, в том числе минимальный температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) в разных температурных интервалах – от комнатной (20° С) до 300° С и выше за счет своего влияния на электронную структуру сплава и тем самым способствующего протеканию магнитострикционных явлений при изменении температуры, что в свою очередь, приводит к снижению теплового расширения инвара. Нижний предел по данному элементу обеспечивает минимальный и низкий ТКЛР при повышенных температурах и отсутствие мартенситной фазы в составе сплава до минус 65° С. Верхний предел по никелю (36,5%) обеспечивает минимальный ТКЛР до температуры 100°С и также структурную стабильность до минус 65° С и ниже. It is the main component of iron-based Invar alloys. The nickel content in the specified range provides an abnormally low, including the minimum temperature coefficient of linear expansion (TCLE) in different temperature ranges - from room temperature (20° C) to 300° C and above due to its influence on the electronic structure of the alloy and thereby promoting the occurrence of magnetostrictive phenomena with temperature changes, which in turn leads to a decrease in the thermal expansion of Invar. The lower limit for this element provides a minimum and low LTEC at elevated temperatures and the absence of a martensitic phase in the alloy composition up to minus 65° C. The upper limit for nickel (36.5%) ensures a minimum LTEC up to a temperature of 100° C and also structural stability down to minus 65°C and below.
2. Кобальт. Диапазон концентраций 11,0% или менее.2. Cobalt. Concentration range 11.0% or less.
Выступает в качестве третьего основного компонента. Кобальт способствует расширению температурного интервала инварности за счет повышения температуры Кюри, то есть обеспечивает инварные свойства при повышенных температурах (более 100° С), а также дополнительно снижает ТКЛР при температурах до 100° С по сравнению со сплавами типа Fe-36%Ni.Acts as the third main component. Cobalt helps to expand the invar temperature range by increasing the Curie temperature, that is, it provides invar properties at elevated temperatures (more than 100 ° C), and also further reduces the LTEC at temperatures up to 100 ° C compared to alloys of the Fe-36% Ni type.
3. Железо. Основа сплава, основной компонент.3. Iron. Alloy base, main component.
4. Углерод. Диапазон концентраций от более 0,5 до 1,5% 4. Carbon. Concentration range from more than 0.5 to 1.5%
Данный элемент обеспечивает повышение жидкотекучести сплава, за счет уменьшения поверхностного натяжения расплава, расширения его температурного интервала кристаллизации и снижения температуры ликвидуса. Кроме того, углерод способствует подавлению образования мартенситной фазы при содержании никеля менее 32,6% и охлаждении сплава до минус 65° С, улучшению обрабатываемости резанием и обеспечивает достаточно высокую трещиноустойчивость. Вредное влияние углерода на тепловое расширение инварного сплава минимизировано за счет проведения специальной графитизирующей термообработки. This element ensures an increase in the fluidity of the alloy by reducing the surface tension of the melt, expanding its crystallization temperature range and lowering the liquidus temperature. In addition, carbon helps suppress the formation of the martensitic phase when the nickel content is less than 32.6% and cools the alloy to minus 65° C, improves machinability and provides sufficiently high crack resistance. The harmful effect of carbon on the thermal expansion of the Invar alloy is minimized through special graphitizing heat treatment.
5. В качестве неизбежных примесей сплав может содержать кислород, серу, фосфор, азот, кремний, марганец, водород, т.е. содержит неизбежные технологические и вредные примеси. При этом их количество контролируется для достижения минимально возможного количественного значения в целях исключения негативного влияния на свойства заявляемого сплава. Кислород понижает литейные свойства инварных сплавов, поскольку оксидные неметаллические включения могут стать источниками образования трещин при кристаллизации, при последующем охлаждении или эксплуатации отливок. Сера с компонентами сплава образует сульфиды, которые, являясь концентраторами напряжений, снижают механические свойства и способствуют зарождению трещин. Вредное воздействие серы устраняется связыванием ее в тугоплавкие сульфиды РЗМ. Содержание серы в сплаве контролируется - не более 0,02 мас.%. Фосфор имеет тенденцию скапливаться по границам зерен. В связи с этим он оказывает значительное влияние на механические свойства сплава. Максимальная концентрация фосфора ограничена в сплаве величиной 0,02%. При повышенном содержании азота образующиеся нитриды выделяются внутри дендритов, могут закрывать их каналы при кристаллизации, вызывая появление микропористости. Поэтому содержание азота в сплаве контролируется - не более 0,01 мас.%. Отрицательное влияние кремния на структуру и свойства инварных сплавов обусловлено тем, что он значительно повышает ТКЛР [А.И. Захаров Влияние легирования на тепловое расширение сплава супер-инвар /А.И. Захаров, А.М. Перепелкина, А.Н. Ширяева// МиТОМ. - 1972. - №6. С. 62 - 64], однако в сочетании с углеродом кремний повышает жидкотекучесть сплава [Справочник по чугунному литью под ред Н.Г. Гиршовича, М.: Машгиз, 1961г., 800 с.]. Поэтому содержание кремния контролируется, а его количество в конечном сплаве не должно превышать 0,5 мас.%. При повышении содержания марганца происходит рост ТКЛР как в положительном, так и в отрицательном диапазоне температур. Поэтому содержание марганца в конечном сплаве контролируется в диапазоне 0,01 - 0,4 мас.%. Суммарное содержание марганца и кремния не должно превышать 0,6%. Вредное воздействие серы, фосфора, оксидов и нитридов связано с тем, что они ликвируют на границы зерен, разупрочняя матрицу, и с тем, что они сильно повышают ТКЛР.5. As inevitable impurities, the alloy may contain oxygen, sulfur, phosphorus, nitrogen, silicon, manganese, hydrogen, i.e. contains inevitable technological and harmful impurities. At the same time, their quantity is controlled to achieve the minimum possible quantitative value in order to exclude a negative impact on the properties of the proposed alloy. Oxygen reduces the casting properties of Invar alloys, since oxide non-metallic inclusions can become sources of crack formation during crystallization, during subsequent cooling or operation of castings. Sulfur with alloy components forms sulfides, which, being stress concentrators, reduce mechanical properties and contribute to the initiation of cracks. The harmful effects of sulfur are eliminated by binding it into refractory rare-earth metal sulfides. The sulfur content in the alloy is controlled - no more than 0.02 wt.%. Phosphorus tends to accumulate at grain boundaries. In this regard, it has a significant impact on the mechanical properties of the alloy. The maximum phosphorus concentration in the alloy is limited to 0.02%. With an increased nitrogen content, the resulting nitrides are released inside the dendrites and can close their channels during crystallization, causing the appearance of microporosity. Therefore, the nitrogen content in the alloy is controlled - no more than 0.01 wt.%. The negative effect of silicon on the structure and properties of Invar alloys is due to the fact that it significantly increases the thermal expansion coefficient [A.I. Zakharov Effect of alloying on the thermal expansion of super-invar alloy / A.I. Zakharov, A.M. Perepelkina, A.N. Shiryaeva // MiTOM. - 1972. - No. 6. pp. 62 - 64], however, in combination with carbon, silicon increases the fluidity of the alloy [Handbook on iron casting, edited by N.G. Girshovich, M.: Mashgiz, 1961, 800 pp.]. Therefore, the silicon content is controlled, and its amount in the final alloy should not exceed 0.5 wt.%. With an increase in manganese content, the TCLE increases in both positive and negative temperature ranges. Therefore, the manganese content in the final alloy is controlled in the range of 0.01 - 0.4 wt.%. The total content of manganese and silicon should not exceed 0.6%. The harmful effects of sulfur, phosphorus, oxides and nitrides are due to the fact that they liquidate at grain boundaries, softening the matrix, and because they greatly increase the thermal expansion coefficient.
6. Редкоземельные металлы. Диапазон концентраций: 0,03-0,15%.6. Rare earth metals. Concentration range: 0.03-0.15%.
В качестве редкоземельных металлов могут быть использованы такие металлы как церий, лантан, иттрий. Данные элементы образуют прочные химические соединения, главным образом, с серой и азотом, что уменьшает общую загрязненность этими элементами расплава и, соответственно, повышает качество отливки [Пути улучшения качества сталей и сплавов / С.Л. Чистяков, Ю.Г. Гуревич, С.К. Филатов [и др.]; Челябинск: Южно-уральское книжное издательство, 1974. – 141с.]. Metals such as cerium, lanthanum, and yttrium can be used as rare earth metals. These elements form strong chemical compounds, mainly with sulfur and nitrogen, which reduces the overall contamination of the melt with these elements and, accordingly, improves the quality of the casting [Ways to improve the quality of steels and alloys / S.L. Chistyakov, Yu.G. Gurevich, S.K. Filatov [and others]; Chelyabinsk: South Ural Book Publishing House, 1974. – 141 p.].
7. Щелочноземельные металлы. Диапазон концентраций 0,003-0,006%.7. Alkaline earth metals. Concentration range 0.003-0.006%.
По сравнению с прототипом, содержание редкоземельных (РЗ) можно снизить до 0,03-0,15%. Взамен РЗ ввод щелочно-земельных элементов (ЩЗМ) – один компонент, выбранный из группы ЩЗМ – кальций, стронций, барий. Для обеспечения чистоты расплава по неметаллическим включениям (оксидам, сульфидам, нитридам) в сплав дополнительно вводятся щелочноземельные элементы, выбранные из группы - кальций, стронций, барий. Предпочтительно указанные щелочноземельные элементы вводятся в заявляемый сплав в составе комплексного модификатора, который известен из уровня техники [Голубцов В.А. Теория и практика введения добавок в сталь вне печи / В.А. Голубцов Челябинск, 2006].Compared to the prototype, the content of rare earths (RE) can be reduced to 0.03-0.15%. Instead of RE, the input of alkaline earth elements (ALE) is one component selected from the group of AEL - calcium, strontium, barium. To ensure the purity of the melt in terms of non-metallic inclusions (oxides, sulfides, nitrides), alkaline earth elements selected from the group - calcium, strontium, barium - are additionally introduced into the alloy. Preferably, these alkaline earth elements are introduced into the inventive alloy as part of a complex modifier, which is known from the prior art [Golubtsov V.A. Theory and practice of introducing additives into steel outside the furnace / V.A. Golubtsov Chelyabinsk, 2006].
Барий практически не растворяется в железо-никелевом сплаве, но имеет невысокое давление паров при взаимодействии с жидким металлом. Низкая температура плавления бария (725°C) приводит к быстрому взаимодействию с кислородом и серой и эффективному удалению продуктов реакции. В результате снижается загрязненность металла неметаллическими включениями, повышается жидкотекучесть металла, уменьшается пригар.Barium is practically insoluble in the iron-nickel alloy, but has a low vapor pressure when interacting with liquid metal. The low melting point of barium (725°C) leads to rapid interaction with oxygen and sulfur and effective removal of reaction products. As a result, the contamination of the metal with non-metallic inclusions is reduced, the fluidity of the metal increases, and burns are reduced.
Стронций занимает промежуточное по растворимости в жидком металле место между кальцием и барием и усиливает взаимодействие каждого из этих элементов. Полная взаимная растворимость кальция, бария, стронция снижает упругость их паров, повышает эффективность взаимодействия ЩЗМ с жидким металлом.Strontium occupies an intermediate position in solubility in liquid metal between calcium and barium and enhances the interaction of each of these elements. The complete mutual solubility of calcium, barium, and strontium reduces the elasticity of their vapors and increases the efficiency of the interaction of metallic metals with liquid metal.
Кальций малорастворим в железе, незначительно растворим в никеле, активно взаимодействует с кислородом, серой, азотом, водородом, очищает границы зерен от карбонитридов, сульфидов, препятствует охрупчиванию металла, способствует образованию легкоудаляемых неметаллических включений. Пары кальция обладают высокой упругостью, что, в случае отсутствия бария, существенно снижает его усвоение сплавом.Calcium is slightly soluble in iron, slightly soluble in nickel, actively interacts with oxygen, sulfur, nitrogen, hydrogen, cleans grain boundaries from carbonitrides and sulfides, prevents metal embrittlement, and promotes the formation of easily removable non-metallic inclusions. Calcium vapor has high elasticity, which, in the absence of barium, significantly reduces its absorption by the alloy.
При формировании сплава соотношение основных элементов (никеля и кобальта) подбирают в зависимости от требуемого уровня тепловых свойств (таблица 1).When forming an alloy, the ratio of the main elements (nickel and cobalt) is selected depending on the required level of thermal properties (Table 1).
Технический результат изобретения – повышение жидкотекучести расплава, достигается за счет легирования сплава углеродом и содержанием в составе модификатора щелочноземельных металлов (кальций, барий и стронций). В результате защиты поверхности расплавленного металла парами этих элементов от контакта с атмосферой, происходит понижение поверхностного натяжения, что приводит к дополнительному увеличению ее жидкотекучести. Это вызвано тем, что поверхностное натяжение способствует изменению динамической вязкости расплава, что главным образом и определяет литейные свойства сплава.The technical result of the invention is an increase in the fluidity of the melt, achieved by alloying the alloy with carbon and the content of alkaline earth metals (calcium, barium and strontium) in the modifier composition. As a result of protecting the surface of the molten metal with vapors of these elements from contact with the atmosphere, the surface tension decreases, which leads to an additional increase in its fluidity. This is due to the fact that surface tension contributes to a change in the dynamic viscosity of the melt, which mainly determines the casting properties of the alloy.
Таблица 1. Table 1.
честь, мм Liquid flow-
honor, mm
0,0-3,2 Co
0,7-1,5 С33.6-36.5 Ni
0.0-3.2 Co
0.7-1.5 C
3,3-4,7 Co
0,7-1,5 С32-33.5 Ni
3.3-4.7 Co
0.7-1.5 C
4,8-5,4 Co
0,7-1,5 С32-33.5 Ni
4.8-5.4 Co
0.7-1.5 C
5,5-7,0 Co
0,7-1,5 С31.5-33.5 Ni
5.5-7.0 Co
0.7-1.5 C
7,1-8,0 Co
0,7-1,5 С31.5-33.5 Ni
7.1-8.0 Co
0.7-1.5 C
≤4,2 (20-350°С)2.6≤TCLE≤3.2 (20-300°C)
≤4.2 (20-350°C)
8,1-9,4 Co
0,7-1,5 С30.0-34.0 Ni
8.1-9.4 Co
0.7-1.5 C
5,5≤ТКЛР≤5,8 (20-450°С)
6,2≤ТКЛР≤7,0 (20-500°С)4.2≤TCLE≤5.0 (20-400°C)
5.5≤TCLE≤5.8 (20-450°C)
6.2≤TCLE≤7.0 (20-500°C)
9,4-11,0 Co
0,7-1,5 С31.0-32.5 Ni
9.4-11.0 Co
0.7-1.5 C
Пример достижения технического результата. An example of achieving a technical result.
В таблице 2 представлены три варианта сплава согласно заявленному решению (1), (2) и (3), и два варианта сплавов согласно решению прототипа П(1) и П(2).Table 2 presents three alloy options according to the stated solution (1), (2) and (3), and two alloy options according to the prototype solution P(1) and P(2).
Как видно из таблицы 2 в заявленном решении: количество используемых редкоземельных металлов по нижней допустимой границе снижено на 57% по сравнению с решением прототипа; количество используемых редкоземельных металлов по верхней допустимой границе снижено на 17% по сравнению с решением прототипа. При этом легирование сплава углеродом позволяет исключить из состава сплава молибден и ниобий. Таким образом достигается заявленный технический результат. Кроме того, за счет применения углерода и щелочноземельных металлов в составе комплексного модификатора, увеличивается жидкотекучесть сплавов в среднем на 80-90% при неизменных значениях теплового расширения. As can be seen from Table 2 in the stated solution: the amount of rare earth metals used at the lower permissible limit is reduced by 57% compared to the prototype solution; the amount of rare earth metals used at the upper permissible limit is reduced by 17% compared to the prototype solution. In this case, alloying the alloy with carbon makes it possible to exclude molybdenum and niobium from the alloy composition. In this way, the stated technical result is achieved. In addition, due to the use of carbon and alkaline earth metals as part of a complex modifier, the fluidity of alloys increases by an average of 80-90% with constant thermal expansion values.
Таблица 2.Table 2.
(церий)0.03
(cerium)
(лантан)0.15
(lanthanum)
(иттрий)0.15
(yttrium)
(кальций)0.003
(calcium)
(стронций)0.006
(strontium)
(барий)0.006
(barium)
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818196C1 true RU2818196C1 (en) | 2024-04-25 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003138346A (en) * | 2001-10-31 | 2003-05-14 | Kogi Corp | Low thermal expansion cast alloy |
| JP2011162820A (en) * | 2010-02-08 | 2011-08-25 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | High-strength low-thermal-expansion alloy, method for producing the same, and precision instrument |
| RU2718842C1 (en) * | 2020-02-04 | 2020-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Cast iron-based invar alloy |
| RU2751391C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-07-13 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Foundry invar alloy based on iron |
| RU2755784C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-09-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Foundry invar alloy based on iron |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003138346A (en) * | 2001-10-31 | 2003-05-14 | Kogi Corp | Low thermal expansion cast alloy |
| JP2011162820A (en) * | 2010-02-08 | 2011-08-25 | Res Inst Electric Magnetic Alloys | High-strength low-thermal-expansion alloy, method for producing the same, and precision instrument |
| RU2718842C1 (en) * | 2020-02-04 | 2020-04-14 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Cast iron-based invar alloy |
| RU2751391C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-07-13 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Foundry invar alloy based on iron |
| RU2755784C1 (en) * | 2020-12-02 | 2021-09-21 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственный центр «ЛИНВАР» | Foundry invar alloy based on iron |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101271899B1 (en) | High carbon and chromium bearing steel and method for manufacturing the same | |
| JP6675846B2 (en) | Fe-Cr-Ni alloy with excellent high-temperature strength | |
| EP0232061B1 (en) | High-strength steel for valve springs process for producing the steel, and valve springs made of the same | |
| WO2018186417A1 (en) | Low thermal expansion alloy | |
| KR100474117B1 (en) | High-speed steel article and method for making the same | |
| RU2718842C1 (en) | Cast iron-based invar alloy | |
| RU2818196C1 (en) | Iron-based casting alloy | |
| JP4692282B2 (en) | Steel ingot manufacturing method | |
| KR101268160B1 (en) | High-rigidity high-damping-capacity cast iron | |
| RU2813349C1 (en) | Iron-based casting alloy | |
| EP2738281A1 (en) | Method for producing high si-content austenitic stainless steel | |
| JPH1161351A (en) | High hardness martensite-based stainless steel superior in workability and corrosion resistance | |
| SK286725B6 (en) | Reinforced durable tool steel, method for the production thereof, method for producing parts made of said steel, and parts thus obtained | |
| US11441211B2 (en) | Method for producing alloy steel | |
| CN115667563B (en) | Precipitation hardening martensitic stainless steel sheet excellent in fatigue resistance | |
| KR100209450B1 (en) | High toughness cr-mo steel | |
| RU2385948C2 (en) | Method of receiving of stainless austenitic steel | |
| US11371123B2 (en) | Low thermal expansion alloy | |
| RU2751391C1 (en) | Foundry invar alloy based on iron | |
| JPH0578729A (en) | Method for making ingot of low nitrogen steel containing rare earth element | |
| KR102045717B1 (en) | High manganese steel having reduced rate of surface cracking and method of manufacturing the same | |
| JP7492118B2 (en) | Steel product with low ductile MnS, steel slab, and manufacturing method thereof | |
| JP2023104269A (en) | Low thermal expansion alloy | |
| JP3535026B2 (en) | Slab for thin steel sheet with less inclusion defect and method for producing the same | |
| KR100331962B1 (en) | Method for manufacturing high cleanliness tool steel with improved macro/micro-solidification structure |