МОДИФИКАТОР Российский патент 2021 года по МПК C22C35/00 C21C7/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам модификаторов для улучшения свойств хромоникелевых сталей, применяемых для изготовления трубонасосных агрегатов, работающих при низких температурах.

Известна модифицирующая смесь (патент RU №2459001, С22с 35/00, опубл. 20.08.2012, БИ №23), позволяющая повысить износостойкость и фрикционные свойства чугуна, содержащая, мас.%

Магний 12-17

Графит 15-20

Борный ангидрит 12-15

Гидрид кальция 7-11

Нитрид бора 10-20

Феррофосфор 8-12

Ферросилиций остальное.

Недостатком этого модификатора является высокая концентрация углерода и фосфора, что обусловливает высокую твердость и низкую пластичность литого металла и не позволяет использовать такую смесь при отливке стальных заготовок из хромоникелевых сталей.

Известна смесь для модифицирования чугуна (АС 1323602, С 22 с 35/00, опубл. 15.07.1987, БИ № 26) и повышающая его износостойкость, содержащая, мас.%:

Алюминий 15-25

Нитрид бора 2.5-7.5

Нитрид титана 15-30

Железо остальное.

Однако при использовании этой смести для модифицирования хромоникелевой стали имеет место неблагоприятный пироэффект, обусловливающий низкую усвояемость компонентов смеси и выгорание основных легирующих элементов в обрабатываемом расплаве, что не позволяет получить требуемые химический состав и механические свойства металла отливок.

Наиболее близким по химическому составу является модификатор (патент RU № 2434965, С22с 35/00, опубл. 27.07.2011, БИ № 21), позволяющий повысить жаропрочность и износостойкость хромоникелевых сплавов содержащий, мас.%:

Карбид бора 50-70

Диборид титана 20-40

Хром остальное.

Однако при введении такого модификатора в хромоникелевые низкоуглеродистые стали образуется большое количество карбидов, которые повышают твердость и хрупкость отливок, что обусловливает низкую пластичность такого металла при отрицательных температурах (хладостойкость).

Технической задачей данного изобретения является повышение хладостойкости отливок из хромоникелевой стали при сохранении прочностных свойств.

Технический результат достигается за счет того, что модификатор, содержащий диборид титана и хром дополнительно содержит нитрид бора при следующем соотношении в мас.%:

Диборид титана 20-40

Нитрид бора 20-60

Хром остальное.

Бор широко применяется как легирующий элемент в хромоникелевых и сплавах. В то же время высокая твердость карбида бора (40·10³ МН/м²), практически полное отсутствие пластической деформации и низкая смачиваемость обусловливает высокую хрупкость и склонность к горячим трещинам литого металла. Вследствие этого карбид бора целесообразно использовать для повышения износостойкости сталей.

Введение вместо карбида бора нитрида бора в количестве 20-60 мас.% усиливает эффект модифицирования за счет увеличения количества центров кристаллизации в стали. При взаимодействии его с жидким расплавом образуются сложные боридонитридные соединения титана, хрома и железа, диспергирующие структуру стали, что повышает ее хладостойкость и оказывает решающее влияние на достижение цели изобретения.

При концентрации нитрида бора менее 20 - мас.% его влияние на хладостойкость металла незначительно, а при увеличении ее более 60 мас.% снижается стабильность структуры, увеличивается количество неметаллических включений, вследствие чего ухудшаются упруго-пластические свойства литого металла.

Для усиления эффекта воздействия на литой металл целесообразно использовать комплексное модифицирование стали, для чего необходимо вводить дополнительно другие соединения в таких количествах, которые не приводили бы к охрупчиванию и обеспечивали отсутствие трещин в отливках при обеспечении достаточно высокой хладостойкости металла и сохранении прочностных свойств.

С этой целью использован диборид титана, с концентрацией 20-40 мас.% который обусловливает сравнительно низкую твердость и относительно высокую пластичность стали, а с другой стороны, хорошо смачивается расплавом.

Хром обладает высокой растворимостью в расплавах на основе железа и вводится как вещество-протектор, предохраняющее частицы соединений от коагуляции и растворения. Кроме того он является основой обрабатываемых сталей и может использоваться в качестве нейтральной добавки.

Модификатор готовят путем прессования смеси из порошкообразных компонентов в брикеты при давлении 500-700 МПа. В качестве компонентов используют порошки диборида титана по ТУ 6-09-03-7-75, хрома по ГОСТу 5905-79, нитрида бора по ТУ 26.8 – 002222/6 – 07-2003 с размером частиц 20...100 мм.

Проверку эффективности действия предложенного модификатора проводили при электрошлаковом литье кольцевых заготовок из стали 08Х15Н8М.

Расплав накапливали в плавильной емкости электрошлаковым способом. После окончания процесса накопления в расплав вводили модификатор в количестве 0,3 мас.%. Температура расплава при модифицировании 1900°С. Для обеспечения равномерности распределения добавок в расплаве модификатор вводили за 3-5 минут до слива расплава в изложницу.

Упрочнение термической обработкой проводили на режимах, включающих нормализацию (нагрев металла до температуры 1100°С, выдержку в течение 2 ч) и отпуск при 250°С (выдержка 24 часа).

Исследования проводили на образцах металла после термообработки. Для испытаний на растяжение из литых заготовок изготавливались образцы по ГОСТ 1497-91. Образцы, изготовленные по ГОСТ 9454-78 использовали для испытаний на ударную вязкость.

Для количественной оценки воздействия легирующих элементов на свойства литого металла было изготовлено семь отливок: 2, 3 и 4 предлагаемые составы, 1 и 5 составы с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы, 6 – состав прототипа, 7 – без модифицирования. Свойства металла без модифицирования и с модифицированием известным и предложенным модификатором приведены в таблице.

Таблица

Номера составов Состав модификатора, мас.% Размер дендритной ячейки,
mkm Механические свойства Карбид
бора Диборид титана Хром Нитрид бора σ_В
МПа σ₀₂
МПа δ Ψ KCV ^-60
МДж /м² 1 - 60 30 10 65 1186 792 14,4 28.6 0.54 2 - 40 40 20 55 1208 816 15,3 31.2 0.62 3 - 30 30 40 50 1224 834 16,7 34.7 0.71 4 - 20 20 60 40 1253 848 18,1 36.5 0.79 5 - 10 20 70 45 1261 837 17,5 35.7 0.74 6 Прототип 60 30 10 - 105 1547 1022 7,2 19.1 0.19 7 Без модифицирования 85 1172 779 13.3 27.4 0.43

Как видно из таблицы наилучшими свойствами обладает металл отливок составов 2, 3 и 4.

Результаты испытаний показали, что, обработка стали 08Х15Н8М предлагаемыми составами модификатора по сравнению с модификатором-прототипом измельчает её структуру в 1,9-2,6 раза и повышает ударную вязкость литого металла при температуре – 60°С (хладостойкость) в 3,2-4,1 раза. По сравнению с не модифицированной сталью её структура измельчается в 1,5-2,1 раза, хладостойкость повышается в 1,4-1,8 раза, при незначительном повышении прочности (в среднем на 3-7%), предела текучести (в среднем 5-9%), и более значительном повышении относительного удлинения (в среднем на 15-36%) и относительного сужения (в среднем на 13-33%). Это можно объяснить тем, что в расплаве образование боридных соединений происходит на ранних стадиях кристаллизации модифицированного металла. В результате зародышеобразующая способность частиц повышается, о чем свидетельствует уменьшение размера дендритной ячейки структуры металла, а хладостойкость стали повышается. Это позволяет значительно повысить надежность работы изготовленных из отливок деталей трубонасосных агрегатов, работающих при низких температурах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам модификаторов для улучшения свойств отливок из хромоникелевых сталей, применяемых для изготовления трубонасосных агрегатов, работающих при низких температурах. Модификатор содержит, мас.%: диборид титана 20-40, нитрид бора 20-60, хром - остальное. Изобретение позволяет увеличить эффект измельчения дендритной структуры отливок, что обеспечивает повышение хладостойкости при сохранении других механических характеристик. 1 табл.

Модификатор для хромоникелевых сталей, содержащий порошки диборида титана и хрома, отличающийся тем, что для повышения хладостойкости стали при сохранении прочностных свойств он дополнительно содержит порошок нитрида бора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Диборид титана 20-40 Нитрид бора 20-60 Хром остальное