Инварный сплав на основе железа Российский патент 2024 года по МПК C22C38/10 C22C38/08 C22C38/04 C22C38/02 C22C30/00 

Область техники

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейному производству инварных сплавов с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Сферой использования данного изобретения может быть изготовление мелко и крупногабаритной оснастки, которая применяется при производстве изделий из композиционных материалов, в частности из углекомпозитов.

Уровень техники

Из уровня техники известен литейный инварный сплав на основе железа по патенту RU 2755784 C1 содержит, в мас.%: никель (Ni) 32,0 – 34,5, кобальт (Co) 2,0 – 3,5, углерод (С) 0,75 – 1,5, медь (Сu) 0,12 – 0,25, кремний (Si) 0,18 – 0,28, марганец (Mn) 0,01- не более 0,3, по меньшей мере один компонент, выбранный из группы редкоземельных элементов (РЗМ): церий, лантан и иттрий в сумме 0,05 – 0,10, остальное - железо и неизбежные примеси. При этом выполняются следующие условия, мас.%: Cu + Si = 0,3-0,53, Сu / Si = 0,55-1,0, Ni + Co = 35,4-37,0, Ni / Со = 9,2-17,0, (Ni + Co) / С = 24-49. Сплав обладает ТКЛР в интервале температур 20-200° на уровне, не превышающем 2,5×10-6К-1при значительно улучшенных литейных свойствах, а именно: жидкотекучесть сплава находится на уровне 210-230 мм по комплексной кокильной U-образной пробе.

Из уровня техники известен литейный инварный сплав на основе железа следующего состава, масс.%: никель 32,0-34,5; кобальт 2,0-3,5; углерод 0,75-1,5; марганец ≤ 0,40; кремний ≤ 0,50; сера ≤ 0,02; фосфор ≤ 0,02; редкоземельные элементы (церий лантан, празеодим, неодим) 0,05-0,30; железо – остальное. Указанный литейный инварный сплав в промышленном масштабе выпускается по ТУ 4112-006-32115414-07 «Отливки из прецизионного сплава марки 33НКУЛ».

Недостатком данного сплава является повторное использование шихтовых материалов (остатков литниково-питающей системы, слив и т.д.) требует дополнительной дошихтовки фероматериалами с редкоземельными металлами (РЗМ).

Сущность изобретения

Техническая проблема решаемая заявленным изобретением заключается в получении инварного сплава на основе железа с максимально приближенным значением температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) к углекомпозиту в интервале температур от минус 60°С до 200°С, а также характеристик жидкотекучести, позволяющих получать крупногабаритную оснастку со сложной пространственной геометрией с помощью фасонного литья.

Технический результат заключается в улучшении показателей жидкотекучести инварного сплава на основе железа при сохранении минимального температурного коэффициента линейного расширения от минус 60°С до 200°С.

Технический результат достигается тем, что инварный сплав на основе железа содержит никель, кобальт, углерод, кремний, марганец, кальций и неизбежные примеси при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Никель 32,0-35,0 Кобальт 3,6-6,0 Углерод 0,75-1,5 Кремний 0,1-0,5 Марганец 0,1-0,4 Кальций 0,001-0,1 Железо и неизбежные примеси Остальное,

при одновременном выполнении следующих условий, мас.%:

Ni/Co=6÷8;

(Ni+Co)/C=30÷50,

где: Ni - содержание никеля, масс.%; Co - содержание кобальта, масс.%; C - содержание углерода, масс.%.

Осуществление изобретения

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где на фиг. 1 показано фото микроструктуры заявляемого сплава, имеющей в своей основе аустенитную матрицу и выделения графита.

Заявляемый литейный инварный сплав имеет улучшенные по сравнению с аналогом показатели жидкотекучести при сохранении минимального температурного коэффициента линейного расширения от минус 60°С до 200°С. Исследование жидкостекучести с помощью комплексной кокильной U-образной пробы в зависимости от содержания углерода показали значения в интервалах: 208-227 мм.

Известно, что углерод отрицательно влияет на величину ТКЛР. Наличие углерода обусловлено необходимостью увеличения жидкотекучести и трещиноустойчивости сплава, с целью изготовления сложных отливок без ограниченний по форме и размерам. Концентрационные пределы определяются следующими условиями: нижний предел (0,75 мас.%) – обеспечение достаточной жидкотекучести для заполнения формы и отсутствия горячих трещин, верхний предел (1,5 мас.%) регламентируется фактором увеличения допустимого значения ТКЛР сплава (2,5×10^-6 К^-1).

Для снижения окисления расплава и образования неметаллических включений плавка ведется с подачей аргона в пространство печи. Раскисление расплава алюминием обеспечивает снижение содержания кислорода в металле и измельчение зерна в отливках. Наличие кальция в сплаве способствует выделению углерода в виде графита шаровидной формы.

Сплав может быть загрязнен примесями элементов кислорода, серы, фосфора, азота, марганца, водорода, т.е. включать в себя неизбежные вредные, технологические примеси. Для снижения негативного влияния на свойства сплава, количество примесей контролируется в целях достижения их минимального количественного значения.

Наличие кислорода в сплаве снижает литейные свойства, в связи с возможным образованием трещин при кристаллизации, последующем охлаждении или эксплуатации за счет оксидных неметаллических включений. Помимо этого кислород может стать причиной наличия газовой пористости.

Причинами трещин в инварном сплаве могут стать сульфиды, образованные при взаимодействии серы с компонентами расплава, которые в свою очередь являются концентраторами напряжений, снижая механические свойства. Использование чистых шихтовых материалов обеспечивает низкое содержание серы, и исключает ее негативное влияние. Содержание серы в сплаве составляет не более 0,02 мас. %.

При наличии фосфора в сплаве он скапливается по границам зерен, тем самым оказывая значительное влияние на механические свойства сплава. Этим обусловлено максимальное количественное значение фосфора в сплаве – ≤0,02мас.%.

Азот является неизбежной примесью, при повышенном содержании которой происходит образование нитридов внутри дендритов, которые могут перекрывать их каналы при кристаллизации, способствуя появлению микропористости. В связи с этим, содержание азота строго регламентировано и составляет ≤0,01 мас.%

Содержание в сплаве марганца свыше 0,4 мас.% приводит к росту ТКЛР. На основании этого содержание марганца в конечном сплаве контролируется в интервале 0,1-0,3 мас.%.

Вредное воздействие серы, фосфора, оксидов и нитридов связано с тем, что они ликвируют на границы зерен, разупрочняя матрицу и повышая ТКЛР.

При сравнении заявляемого литейного инварного сплава с аналогичным сплавом выявлены отличительные признаки, а именно отсутствие редкоземельных металлов (РЗМ), что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «новизна».

Литейный инварный сплав НС-33НК5УЛ выплавляли в индукционных печах высокой частоты открытого типа ёмкостью 160 кг, 1 и 2 тонны с использованием нейтральной футеровки.

Перед выплавкой прокат электротехнической стали очищали от следов коррозии и прочих загрязнений в дробемётной камере. Остальные шихтовые материалы (кобальт, никель, графит) использовали высокой степени чистоты.

Для выплавки сплава использовалось:

– Прокат из стали электротехнической марки 10895 (массовое содержание С не более 0,035%, Mn, Si, Cu не более 0,3%, S не более 0,030%, P не более 0,20%);

– Кобальт марки К1Ау (массовое содержание Co не менее 99,90%, C не более 0,01, остальное примеси);

– Никель Н1 (массовое содержание Ni не менее 99,83%, С не более 0,01, остальное примеси);

– Графит измельчённый.

Для раскисления сплава использовались силикокальций СК25 (массовое содержание Ca не менее 25%, С не более 0,5%,остальное кремний, железо и примеси) и алюминиевая катанка А5Е-ПТ (массовое содержание Al не менее 99.5%, остальное примеси).

ТКЛР литейного инварного сплава  определяли на дилатометр «Netzsch DIL 402 EXPEDIS Supreme». Измерения проводили на пяти образцах от каждой плавки, изготовленных как из отдельно отлитых проб, так и готовой отливки.

Для определения химического состава сплава с ковша заливали образцы в отдельную форму. Химический состав определяли с помощью настольного оптико-эмиссионного анализатора Q4 Tasman 170, спектрометра эмиссионного МСА II V5, анализатора углерода и серы G4 ICARUS HF.

В таблице 1 представлен химический состав заявляемого сплава по четырем опытным плавкам и сплава аналога.

Таблица 1. Характеристики химического состава сплава типа 33НКУЛ

Сплав Ni, % Co, % C, % Сплав редкоземельных металлов (РЗМ), % Mn, % Si, % S, % P, % Cu, % Cr, % Al, % Fe, % 33НКУЛ 32.0-34.5 2.0-3.5 0.75-1.5 0.05-0.30 ≤0.40 ≤0.50 ≤0.02 ≤0.02 - - - остальное Заявляемый сплав Заявляемый сплав 34.1 4.5 1.0 - 0.14 0.39 0.006 0.013 0.06 0.10 0.038 остальное Заявляемый сплав 33.5 4.5 0.95 - 0.14 0.43 0.003 0.010 0.06 0.09 0.068 остальное Заявляемый сплав 34.0 4.5 0.98 - 0.14 0.40 0.006 0.011 0.05 0.09 0.053 остальное Заявляемый сплав 33.9 4.5 0.96 - 0.14 0.41 0.004 0.012 0.06 0.09 0.042 остальное

В таблице 2 представлены температурные коэффициенты линейного расширения и жидкотекучести заявляемого сплава по четырем опытным плавкам и сплава аналога.

Таблица 2. Характеристики температурного коэффициента линейного расширения и жидкотекучести

№
п/п Сплав Температурный коэффициент линейного расширения, ×10^-6К^-1 Жидкотекучесть по комплексной кокильной U - пробе 20-100°С 20-200°С 1 33НКУЛ по ТУ 4112-006-32115414-07 - 2.2 226 2 Заявляемый сплав 1.19 2.07 220 3 Заявляемый сплав 1.57 2.37 227 4 Заявляемый сплав 1.07 1.96 212 5 Заявляемый сплав 1.38 1.92 208

Жидкотекучесть заявляемых литейных инварных сплавов аналогична жидкотекучести сплава контрольного примера 33НКУЛ (прототипа) и достаточна для изготовления отливок со сложной пространственной геометрией, практически не ограниченных по массе и размерам методами фасонного и специального литья.

Исследования сплава показали, что структура отливок стабильна и представляет собой совокупность зерен γ - твердого раствора никеля в железе и графитовых включений преимущественно шаровидной формы, без карбидных фаз и мартенсита.

Заявляемый качественный состав и количественное соотношение никеля, кобальта, углерода, кремния, марганца и железа позволяет получение минимальных требуемых значений ТКЛР (0≥2,5×10^-6 К^-1) в интервале температур от минус 60°С до плюс 200°С и оптимальных показателях жидкотекучести.

Вышеперечисленные литейные свойства и характеристики химического состава свидетельствуют о наличии нового технического результата при достижении минимальных ТКЛР при оптимальных литейных свойствах для получения литых крупногабаритных заготовок.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейному производству инварных сплавов на основе железа с минимальным температурным коэффициентом линейного расширения. Сплав на основе железа выполнен с возможностью формирования изделий со структурой без карбидных фаз и мартенсита и содержит никель, кобальт, углерод, кремний, марганец, кальций и неизбежные примеси, включающие кислород, серу, фосфор, азот, водород, при следующем соотношении компонентов, мас.%: никель 32,0-35,0, кобальт 3,6-6,0, углерод 0,75-1,5, кремний 0,1-0,5, марганец 0,1-0,4, кальций 0,001-0,1, железо и неизбежные примеси – остальное. Для состава сплава одновременно выполняются следующие условия: Ni/Co=6-8 и (Ni+Co) /C=30-50, где: Ni - содержание никеля, мас.%, Co - содержание кобальта, мас.%, C - содержание углерода, мас.%. Улучшаются показатели жидкотекучести при сохранении минимального температурного коэффициента линейного расширения в интервале температур от минус 60°С до 200°С. 1 ил., 2 табл.

Инварный сплав на основе железа, выполненный с возможностью формирования изделий со структурой без карбидных фаз и мартенсита и содержащий никель, кобальт, углерод, кремний, марганец, кальций и неизбежные примеси, включающие кислород, серу, фосфор, азот, водород, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель 32,0-35,0 кобальт 3,6-6,0 углерод 0,75-1,5 кремний 0,1-0,5 марганец 0,1-0,4 кальций 0,001-0,1 железо и неизбежные примеси остальное,

при одновременном выполнении следующих условий, мас.%:

Ni/Co=6-8;

(Ni+Co)/C=30-50,

где: Ni - содержание никеля, мас.%, Co - содержание кобальта, мас.%, C - содержание углерода, мас.%.