ЛИГАТУРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК C22C19/03 C22C35/00 

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к бескремниевым лигатурам, используемым для одновременного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования (микролегирования) стали, сплавов и чугуна.

Известны бескремниевые лигатуры для раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования стали, сплавов и чугуна (С.Н. Примеров, Н.Н. Кукушкин, В.Ф. Харин, А.В. Жидков, Бескремниевые РЗМ-содержащие лигатуры, Труды пятого съезда литейщиков России, Российская ассоциация литейщиков, Радуница М., 2001 г., стр. 169-170; С.Н. Примеров, В. Харин, В. Плотников, Бескремниевые лигатуры, ж. Национальная металлургия, 2001 г., 1, стр. 46-47; В.Б. Вихляев, Н.Е. Суслова, С.М. Поцелуева, С.Н. Примеров, Влияние бескремниевых лигатур на свойства жаропрочных Ni-сплавов, ж. Литейное производство, 2000 г. , 10, стр. 14; А.В. Жидков, С.Н. Примеров, Н.В. Терловой, Н.Н. Кукушкин, Влияние бескремниевой комплексной лигатуры на свойства стали 15Х1М1ФЛА, ж. Литейное производство, 2001 г., 8, стр. 15-16).

Бескремниевые лигатуры превосходят известные комплексные модификаторы - раскислители аналогичного назначения, в составе которых содержится кремний. Они повышают литейные, механические и эксплуатационные свойства сталей различных структурных классов и назначения, никелевых, хромистых, хромоникелевых и других сплавов, а также чугунов. (Труды пятого съезда литейщиков России, Российская ассоциация литейщиков, Радуница, М., 2001 г., стр. 170). В результате обработки расплава 0,2-0,3% бескремниевой лигатурой резко повышается уровень механических и эксплуатационных свойств полученного металла в сравнении с лигатурой аналогичного назначения, в состав которой входит кремний. Особенно повышаются пластичность, усталостная прочность, трещиноустойчивость и ударная вязкость при положительных и отрицательных температурах испытаний.

Это объясняется тем, что в отливках, полученных после обработки жидкого металла бескремниевой лигатурой, на границах зерен отсутствуют моноокись и двуокись кремния, различные силикаты, отрицательно влияющие на механические характеристики стали, сплавов и чугуна.

Бескремниевые лигатуры для ряда марок сталей и сплавов описаны, например, в авторских свидетельствах СССР:
711146, С 22 С 35/00, опубл. 1979;
831846, С 22 С 35/00, опубл. 1981;
834193, С 22 С 35/00, С 22 С 19/03, опубл. 1981;
840180, С 22 С 35/00, опубл. 1981;
910826, С 22 С 35/00, опубл. 1981;
1008268, С 22 С 35/00, опубл. 1982;
1011718, С 22 С 35/00, опубл. 1982;
1024521, С 22 С 35/00, С22С19/03, опубл. 1983;
1548238, С 22 С 35/00, опубл. 1989;
1601175, С 22 С 35/00, опубл. 1990.

Все указанные бескремниевые лигатуры имеют в своем составе четыре общих компонента: алюминий, кальций, редкоземельные металлы и никель.

Наиболее близкой к предлагаемой лигатуре в первом варианте состава является принятая за прототип известная лигатура для стали и сплавов (авт. свид. СССР 834195, С 22 С 35/00, опубл. 1981), содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 5-15
Редкоземельные металлы - 10-30
Алюминий - 10-25
Никель - Остальное
Наиболее близкой к предлагаемой лигатуре во втором и пятом вариантах состава является принятая за прототип известная лигатура для износостойкой стали (авт. свид. СССР 1024521, С 22 С 35/00, С 22 С 19/03, опубл. 1983), содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, иттрий, титан и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 10-15
Редкоземельные металлы - 15-20
Алюминий - 10-20
Иттрий - 5-10
Титан - 5-10
Никель - Остальное
Наиболее близкой к предлагаемой лигатуре в третьем варианте состава является принятая за прототип известная лигатура для износостойкой стали (авт. свид. СССР 1601175, С 22 С 35/00, опубл. 1990), содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ванадий, барий, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-10
Редкоземельные металлы - 10-30
Алюминий - 5-25
Ванадий - 5-25
Барий - 0,5-1,5
Бор - 0,05-0,10
Никель - Остальное
Наиболее близкой к предлагаемой лигатуре в четвертом варианте состава является принятая за прототип известная лигатура для износостойкой стали (авт. свид. СССР 1548238, С 22 С 35/00, опубл. 1990), содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ниобий, гафний и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 5-15
Редкоземельные металлы - 10-25
Алюминий - 5-20
Ниобий - 5-20
Гафний - 5-15
Никель - Остальное
Наиболее близкой к предлагаемой лигатуре в шестом варианте состава является принятая за прототип известная лигатура для стали, предназначенной для изготовления проточной части питательных насосов (авт. свид. СССР 831846, С 22 С 35/00, опубл. 1981), содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, титан, бор и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 10-15
Редкоземельные металлы - 20-30
Алюминий - 20-30
Титан - 5-15
Бор - 1-5
Никель - Остальное
Все бескремниевые лигатуры-прототипы имеют одинаковый недостаток, заключающийся в том, что они придают обработанному ими металлу недостаточно высокие литейные и механические свойства.

Задача группы изобретений состоит в том, чтобы обеспечить дальнейшее повышение литейных и механических свойств металла, обработанного бескремниевой лигатурой.

Поставленная задача решается тем, что лигатура в первом варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-25
Алюминий - 5-25
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Лигатура, во втором варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, титан и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Титан - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Лигатура в третьем варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ванадий и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Ванадий - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Лигатура в четвертом варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ниобий и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Ниобий - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Лигатура в пятом варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, иттрий и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Иттрий - 3-12
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Лигатура в шестом варианте состава, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, бор и никель, дополнительно содержит железо при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-25
Алюминий - 5-25
Бор - 1-5
Железо - 6-20
Никель - Остальное
Дополнительное введение железа приводит к образованию более легковесных фаз, которые снижают температуру плавления и растворения лигатуры в целом, обеспечивают более равномерное распределение и более полное усвоение компонентов лигатуры в обрабатываемом жидком металле. В результате этого повышается жидкотекучесть расплава и повышается комплекс механических свойств стали, сплавов и чугуна.

Алюминий совместно с кальцием оказывает преимущественно раскисляющее воздействие на обрабатываемый расплав, снижает температуру плавления лигатуры, повышает пластичность и хладостойкость металлоизделий, улучшает дробимость лигатуры. Благоприятное влияние кальция и алюминия проявляется в глобуляризации неметаллических включений и измельчении аустенитной структуры.

Редкоземельные металлы оказывают модифицирующий эффект на макро- и микроструктуру отливок, повышают их трещиноустойчивость, усиливают влияние алюминия и кальция на повышение физико-механических свойств модифицируемых стали, сплавов и чугуна. При этом заметно измельчается дендритная структура отливок и повышается ее однородность. Повышаются жидкотекучесть расплава, хладостойкость и усталостная прочность металлоизделий.

Никель повышает трещиноустойчивость, коррозионную стойкость, стойкость против межкристаллической коррозии, пластичность и вязкость стали и сплавов.

Титан, ванадий и ниобий измельчают структуру стали, сплавов и чугуна, повышают их длительную прочность, ударную вязкость, износостойкость и коррозионную стойкость, преимущественно за счет образования карбидов, нитридов и карбонитридов.

Иттрий повышает длительную прочность изделий, эксплуатируемых в условиях высоких температур.

Бор является сильным раскислителем, улучшает усвоение компонентов лигатуры в расплаве, повышает прокаливаемость и ударную вязкость стали и сплавов.

Примеры составов предлагаемой лигатуры и их влияние на свойства обрабатываемой стали, сплавов и чугуна представлены в таблицах 1 и 2, где введены следующие условные обозначения: σ_b - предел прочности, σ_т - предел текучести, δ - относительное удлинение, ψ - относительное сужение, KCU - ударная вязкость.

Лигатуру вводили в количестве 0,2 мас.% в обрабатываемый расплав при его выпуске из плавильной печи в разливочный ковш (составы 1-7). Для сравнения часть расплава обрабатывали такой же лигатурой - 0,2 мас.%, не содержащей в своем составе железа (составы 1a - 7а).

Данные, приведенные в таблицах 1 и 2, показывают, что стали, сплавы и чугуны, выплавленные с использованием предлагаемой лигатуры, обладают повышенными литейными и механическими свойствами.

Группа изобретений относится к области металлургии, а именно к бескремниевым лигатурам, используемым для одновременного раскисления, рафинирования, модифицирования и легирования (микролегирования) стали, сплавов и чугуна. В первом варианте состава лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий и никель, дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальций 3-15. редкоземельные металлы 10-25, алюминий 5-25, железо 6-20, никель - остальное. В пяти других вариантах состава лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий и никель, содержит титан, или ванадий, или ниобий, или иттрий, или бор и дополнительно содержит железо от 6 до 20 мас.%. Введение железа в состав лигатуры приводит к образованию более легковесных фаз, которые снижают температуру плавления и растворения лигатуры в целом, обеспечивают более равномерное распределение и более полное усвоение компонентов лигатуры в обрабатываемом жидком металле. В результате этого повышаются жидкотекучесть расплава, механические и эксплуатационные свойства стали, сплавов и чугуна. 6 с.п. ф-лы, 2 табл.

1. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-25
Алюминий - 5-25
Железо - 6-20
Никель - Остальное
2. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, титан и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Титан - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
3. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ванадий и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Ванадий - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
4. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, ниобий и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Ниобий - 5-15
Железо - 6-20
Никель - Остальное
5. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, иттрий и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-20
Алюминий - 5-20
Иттрий - 3-12
Железо - 6-20
Никель - Остальное
6. Лигатура, содержащая кальций, редкоземельные металлы, алюминий, бор и никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальций - 3-15
Редкоземельные металлы - 10-25
Алюминий - 5-25
Бор - 1-5
Железо - 6-20
Никель - Остальное@