СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ СТАЛИ И СПЛАВОВ Советский патент 1974 года по МПК C21C7/00 

1

Изобретение относится к области обработки стали и сплавов в распыленном состоянии, в частности к способам модифицирования стали и сплавов на основе железа, никеля, хрома и марганца путем ввода тугоплавких нитридов.

В настоящее время стали и сплавы с дисперсными включениями нитридов широко применяются в промышленности. Известно, что нитриды позволяют в ряде случаев значительно повысить механические и специальные свойства сталей и сплавов.

Однако получаемые по известной технологии нитриды не являются центрами кристаллизации и не измельчают первичной структуры стали. Причина этого частично заключается в природе используемых нитридов. Например, нитриды Мп, Сг, Nb, V и А1, широко используемые в настоящее время, при температурах кристаллизации стали и сплавов не существуют в виде самостоятельной фазы и естественно не могут служить центрами кристаллизации. Значительно реже используются тугоплавкие нитриды типа TiN и ZrN, не растворимые в сталях 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 включения указанных нитридов, получаемые по обычной технологии, вырастают до больших размеров (10 микрон), чаще всего располагаются ио границам зерен и не служат центрами кристаллизации. В ряде случаев присутствие тугоплавких нитридов считается нежелательным, так как они не растворяются D твердой стали, не поддаются термообработке и, сле.а.овательно, размерами этих включений певозможно управлять. Причиной этого является то, что существующая технология получения 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 .насыщается как азотом, так и питридообразующими элементами в плавильном агрегате, в процессе выплавки стали. При такой технологии нитриды Мп,

Сг, А1, V и Nb находятся в растворе или даже в диссоциированном состоянии и остаются 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 включения, 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 сталях и сплавах не предпринимается.

Целью изобретения является создание условий для управления в жидкости сталях и Сплавах размерами включений тугоплавких, не растворимых в сталях и сплавах нитридов, что позволило бы без термообработки в твердом состоянии получать включения тугоплавких нитридов тех размеров, которые являются наиболее благоприятными для улучшения механических и специальных свойств стали и сплавов, а также для придания этим включениям свойств модификаторов второго рода, измельчающих первичную структуру. По аналогии с включениями растворимых в стали нитридов, размеры включений тугоплавких, не растворимых нитридов не должны превышать порядка 1 микрона.

С целью регулирования размеров включений предложен способ, по которому нитридообразуюш;ие элементы (титан, цирконий, уран, торий, гафний, тантал и церий) вводятся 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, определяются, 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 является наименьшей, так как температура сплава при этом близка к температуре кристаллизации и, следовательно, скорость диффузии составляющих кристалла в расплаве является также минимальной. В таких условиях всплывание образовавшихся включений тугоплавких нитридов максимально затруднено.

Важным является именно порядок ввода азота и нитридообразующих элементов. Коэффициент диффузии азота в стали на порядок меньше коэффициента диффузии Ti и, вероятно, 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 растворяются и распределяются быстрее, чем перераспределяется азот в расплаве, в связи с чем нитриды образуются по всему объему расплава. При обратном варианте, т. е. при вводе азота в насыщенный нитридообразующими элементами расплав, азот связывается в нитриды только у поверхности раздела металл - газ, так как по мере связывания азота в нитриды, нитридообразующие элементы поступают к поверхности раздела быстрее, чем азот диффундирует в глубь расплава. При этом образуются крупные нитриды, неравномерно расположенные в массе металла. Кроме того, при таком варианте усваивается лишь часть азота, а оставшаяся

часть переходит в молекулярное состояние и может образовывать в отливке или слитке газовые раковины.

Для наиболее быстрого протекания процесса растворения нитридообразующих элементов и для наиболее равномерного их распределения 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 осуществления предложенного способа ниже излагается технология модифицирования отливок из стали 45Л включениями нитрида титана TiN. Сталь выплавляют в индукционной тигельной печи емкостью 50 кг. После раскисления 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 проводят комплексное раскисление силикокальцием. При температуре стали в ковше 1570±10°С, измеренной термопарой погружения, производят разливку. В течение всего процесса заливки в струю стали, перегретой на 30-80°С над температурой начала кристаллизации, равномерно вводят 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 заливается контрольная отливка, в которую титан не вводится. При этом достигается максимальная идентичность условий получения контрольной отливки, что дает возможность выявить эффект модифицирования в чистом виде. Из центральной части полученных отливок весом 10 кг и с толщиной стенки 100 мм вырезают (по высоте) темплеты и образцы для изготовления микрошлифов. После шлифовки темплетов замеряют их твердость по Бринелю и затем подвергают глубокому травлению с целью выявления макроструктуры. На микрошлифах изучают размеры и раснределение нитридов титана. Эти исследования показали, что в контрольной отливке растворенный азот выделяется при затвердевании с образованием газовых раковин. В опытной отливке весь азот был связан в нитриды титана, имеюшие размеры не более 1-5 микрон и равномерно распределенные в массе металла. Форма включений - в основном ром0ическая, треугольная с отдельными игольчатыми включениями. Твердость отливки с нитридами титана повысилась на 15%. Наибольшие размеры первичных кристаллов макроструктуры в контрольной отливке составляли 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 включения TiN, полученньте

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

Предмет изобретения

1. Способ модифицирования стали и сплавов на основе железа, никеля, хрома и марганца тугоплавкими нитридами, заключающийся в насыщении расплава азотом и последующей обработке титаном, цирконием.

ураном, торием, гафнием, танталом и церием, отличающийся тем, что, с целью регулирования размеров включений, нитридообразующие элементы вводят в насыщенный азотом

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

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что натридообразующие элементы вводят в

расплав в виде частиц с размером не более 0.5 мм.