SU435291A1 - Способ модифицирования стали и сплавов - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к области обработки стали и сплавов в распыленном состо нии, в частности к способам модифицировани  стали и сплавов на основе железа, никел , хрома и марганца путем ввода тугоплавких нитридов.

В насто щее врем  стали и сплавы с дисперсными включени ми нитридов широко примен ютс  в промышленности. Известно, что нитриды позвол ют в р де случаев значительно повысить механические и специальные свойства сталей и сплавов.

Однако получаемые по известной технологии нитриды не  вл ютс  центрами кристаллизации и не измельчают первичной структуры стали. Причина этого частично заключаетс  в природе используемых нитридов. Например , нитриды Мп, Сг, Nb, V и А1, широко используемые в насто щее врем , при температурах кристаллизации стали и сплавов не существуют в виде самосто тельной фазы и естественно не могут служить центрами кристаллизации . Значительно реже используютс  тугоплавкие нитриды типа TiN и ZrN, не растворимые в стал х и сплавах в интервале температур обычного металлургического цикла (до 1700°С). Эти нитриды существуют в жидкой стали в виде твердых включений и могли бы служить центрами кристаллизации. Однако установлено, что включени  указанных нитридов, получаемые по обычной технологии , вырастают до больших размеров (10 микрон), чаще всего располагаютс  ио границам зерен и не служат центрами кристаллизации . В р де случаев присутствие тугоплавких нитридов считаетс  нежелательным , так как они не раствор ютс  D твердой стали, не поддаютс  термообработке и, сле.а.овательно , размерами этих включений певозможно управл ть. Причиной этого  вл етс  то, что существующа  технологи  получени  стали и сплавов с нитридами целиком ориентирована на получение раствори.мых в твердой стали (до определенных температур) нитридов Мп, Сг, А1, V и Nb.

По этой технологии сплав .насыщаетс  как азотом, так и питридообразующими элементами в плавильном агрегате, в процессе выплавки стали. При такой технологии нитриды Мп,

Сг, А1, V и Nb наход тс  в растворе или даже в диссоциированном состо нии и остаютс  в стали.

Недостаток этого способа по отношению к тугоплавким нитридам состоит в том, что интРИДЫ типа TiN и ZrN, не растворимые в лсидкой стали, образуют твердые включени , которые до момента разливки и начала кристаллизации успевают вырасти до значительных размеров и в большинстве всплыть в

шлак. Никаких мер по управлению размерами

этих нитридов в жидких стал х и сплавах не предпринимаетс .

Целью изобретени   вл етс  создание условий дл  управлени  в жидкости стал х и Сплавах размерами включений тугоплавких, не растворимых в стал х и сплавах нитридов, что позволило бы без термообработки в твердом состо нии получать включени  тугоплавких нитридов тех размеров, которые  вл ютс  наиболее благопри тными дл  улучшени  механических и специальных свойств стали и сплавов , а также дл  придани  этим включени м свойств модификаторов второго рода, измельчающих первичную структуру. По аналогии с включени ми растворимых в стали нитридов, размеры включений тугоплавких, не растворимых нитридов не должны превышать пор дка 1 микрона.

С целью регулировани  размеров включений предложен способ, по которому нитридообразуюш;ие элементы (титан, цирконий, уран, торий, гафний, тантал и церий) ввод тс  в насыщенный азотом расплав в процессе разливки при температуре на 30-80°С выше температуры начала кристаллизации расплава.

Как известно, размеры кристаллов, растущих из жидкой фазы, определ ютс , глазным образом скоростью диффузии элементов кр 1сталла в жидкой фазе и временем процесса роста. При вводе нитридообразующих элементов по описываемому способу период роста нитридов максимально сокращен, а скорость их роста  вл етс  наименьшей, так как температура сплава при этом близка к температуре кристаллизации и, следовательно, скорость диффузии составл ющих кристалла в расплаве  вл етс  также минимальной. В таких услови х всплывание образовавшихс  включений тугоплавких нитридов максимально затруднено.

Важным  вл етс  именно пор док ввода азота и нитридообразующих элементов. Коэффициент диффузии азота в стали на пор док меньше коэффициента диффузии Ti и, веро тно , других указанных элементов. Поэтому следует вводить именно нитридообразующие элементы в насыщенный азотом расплав, а не наоборот. При вводе нитридообразующих элементов в расплав, насыщенный азотом, эти элементы раствор ютс  и распредел ютс  быстрее, чем перераспредел етс  азот в расплаве , в св зи с чем нитриды образуютс  по всему объему расплава. При обратном варианте , т. е. при вводе азота в насыщенный нитридообразующими элементами расплав, азот св зываетс  в нитриды только у поверхности раздела металл - газ, так как по мере св зывани  азота в нитриды, нитридообразующие элементы поступают к поверхности раздела быстрее, чем азот диффундирует в глубь расплава. При этом образуютс  крупные нитриды , неравномерно расположенные в массе металла. Кроме того, при таком варианте усваиваетс  лишь часть азота, а оставша с 

часть переходит в молекул рное состо ние и может образовывать в отливке или слитке газовые раковины.

Дл  наиболее быстрого протекани  процесса растворени  нитридообразующих элементов и дл  наиболее равномерного их распределени  Б массе металла нитридообразующие элементы следует ввoдиtь в виде порошка с размерами частиц, не более 0,5 мм, способом, обеспечивающим хорошее перемешивание вводимого порошка и насыщенного азотом расплава в литниковой системе, в полости литейной формы или изложницы.

В качестве примера осуществлени  предложенного способа ниже излагаетс  технологи  модифицировани  отливок из стали 45Л включени ми нитрида титана TiN. Сталь выплавл ют в индукционной тигельной печи емкостью 50 кг. После раскислени  сталь насыщают азотом путем засыпки на открытую поверхность жидкой стали в тигле порошка аммиачной селитры iNH4NO3 в количестве 0,3 кг. После выдержки в течение 3-5 мин счищают остатки шлака, и сталь выпускают в ковш, где провод т комплексное раскисление силикокальцием . При температуре стали в ковше 1570±10°С, измеренной термопарой погружени , производ т разливку. В течение всего процесса заливки в струю стали, перегретой на 30-80°С над температурой начала кристаллизации , равномерно ввод т порошок губчатого титана с размерами частиц не более 0,5 мм в количестве 0,2% от веса стали в форме . Одновременно в той же литниковой системе заливаетс  контрольна  отливка, в которую титан не вводитс . При этом достигаетс  максимальна  идентичность условий получени  контрольной отливки, что дает возможность вы вить эффект модифицировани  в чистом виде. Из центральной части полученных отливок весом 10 кг и с толщиной стенки 100 мм вырезают (по высоте) темплеты и образцы дл  изготовлени  микрошлифов. После шлифовки темплетов замер ют их твердость по Бринелю и затем подвергают глубокому травлению с целью вы влени  макроструктуры . На микрошлифах изучают размеры и раснределение нитридов титана. Эти исследовани  показали, что в контрольной отливке растворенный азот выдел етс  при затвердевании с образованием газовых раковин. В опытной отливке весь азот был св зан в нитриды титана, имеюшие размеры не более 1-5 микрон и равномерно распределенные в массе металла . Форма включений - в основном ром0ическа , треугольна  с отдельными игольчатыми включени ми. Твердость отливки с нитридами титана повысилась на 15%. Наибольшие размеры первичных кристаллов макроструктуры в контрольной отливке составл ли 1-5 см, тогда как в отливке с Нитридами титана- 0,1-0,5 мм, т. е. размеры первичных кристаллов уменьшились в 100 раз. Это указывает на то, что включени  TiN, полученньте

по предложенному способу,  вл ютс  центрами кристаллизации и способствуют измельчению первичной структуры слитка.

Предмет изобретени 

Claims (2)

1. Способ модифицировани  стали и сплавов на основе железа, никел , хрома и марганца тугоплавкими нитридами, заключающийс  в насыщении расплава азотом и последующей обработке титаном, цирконием.

ураном, торием, гафнием, танталом и церием, отличающийс  тем, что, с целью регулировани  размеров включений, нитридообразующие элементы ввод т в насыщенный азотом

расплав в процессе разливки при температуре на 30-80°С выше температуры начала кристаллизации расплава.

2. Способ по п. 1, отличающийс  тем, что натридообразующие элементы ввод т в

расплав в виде частиц с размером не более 0.5 мм.