Азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза

Реферат

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам комплексных азотсодержащих лигатур, предназначенных для легирования и модифицирования сталей и чугунов.

Известны составы азотсодержащих лигатур [1, 2 и 3], недостатком которых является ограниченная область их использования. Известные составы относятся к азотированным ферросплавам, содержащих недостаточное количество легирующих компонентов, необходимых для получения качественных лигатур для комплексного легирования сталей и чугунов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) состава (мас.%): ванадий 20-40, марганец 5-20, азот 8-12, кремний 10-30, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,5-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, барий 0,1-1,5, железо - остальное [4].

Недостатки известной лигатуры - в ограниченности ее использования для комплексного легирования сплавов, связанных с подбором составляющих компонентов, с технологическими характеристиками (недостаточная плотность, пористость и степень поглощения азота), а также с эксплуатационными показателями (неполное усвоение химических элементов лигатуры при выплавке сплавов и повышенный расход лигатуры).

В связи с этим представляется целесообразным получение азотсодержащей лигатуры для комплексного легирования, существенно расширяющего возможности легирования марочного состава конструкционных сталей, а также чугунов, за счет высоких технологических и эксплуатационных характеристик лигатуры, полученной с использованием метода СВС.

Задача решается тем, что в известную лигатуру, содержащую ванадий, марганец, азот, кремний, углерод, алюминий, ниобий, кальций, хром и железо, дополнительно вводят титан, а компоненты взяты в соотношении (мас.%): ванадий 2-18, марганец 0,5-4,0, азот 8-12, кремний 10-30, углерод 0,1-2,5, алюминий 0,1-1,5, ниобий 0,1-5,0, кальций 0,1-1,5, хром 0,5-5,0, титан 0,1-5,0, железо - остальное.

В лигатуре нового состава интервал содержания марганца ниже нижнего предела по сравнению с известной лигатурой.

Содержание азота и ванадия установлено экспериментально из расчета необходимого количества его для образования стабильных нитридных фаз с ванадием, титаном, ниобием, алюминием и метастабильных нитридных фаз с марганцем, хромом, кальцием, что уменьшает вероятность содержания избыточного, не связанного азота в твердом растворе и отрицательного влияния его на технологические свойства лигатуры (пористость, плотность, износостойкость, ликвация).

Предельное содержание ванадия, ниобия и титана определены также с учетом процесса образования комплексных карбонитридов ванадия, ниобия и титана VTiNb (CN) переменного состава, которые существенно влияют на технологические и эксплуатационные характеристики лигатуры. В процессе выплавки сталей и чугунов с использованием лигатуры, их прокатки и термообработки в структуре металла выделяется необходимое и достаточное количество дисперсных карбонитритных фаз, предопределяющих размер аустенитного и действительного зерна и необходимый комплекс прочностных и пластических свойств.

Содержание марганца и хрома в заявленных количествах повышают устойчивость аустенита (за счет расширения γ-области) при нагреве и кристаллизации расплава лигатуры, что в широких температурных диапазонах позволяет регулировать технологический процесс получения лигатуры заданного состава и качества для легирования конкретного состава стали или чугуна.

Количественное содержание углерода, кремния и алюминия усиливают достижение поставленной задачи - получение высококачественной лигатуры с использованием метода СВС.

Заявленный состав лигатуры позволяет расширить возможность и сортамент сталей для их комплексного легирования при производстве низколегированных и конструкционных легированных сталей и чугунов. Кроме этого лигатура может быть использована при производстве фасонных отливок.

Из анализа вышеизложенного следует, что заявленная азотосодержащая лигатура отличается от известной количественным содержанием марганца и качественно новым существенным признаком - содержанием титана.

Кроме этого, для создания благоприятных условий для процесса карбидо- и нитридообразования с выделением дисперсных фаз V (CN), Nb (CN), Ti (CN) или их комплексов установлено оптимальное содержание суммы ванадий, ниобий, титан в пределах 3,0-25%.

Таким образом, заявленный состав азотосодержащей лигатуры соответствует критерию изобретения по "новизне".

При исследовании заявленного состава азотосодержащей лигатуры по научно-технической и патентной литературе не выявлены источники, содержащие новые существенные признаки, их сочетание, по функциональному назначению и достигаемому положительному результату, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Примеры выполнения

Лигатуру предлагаемого состава выплавляли в реакторе емкостью 20 литров методом СВС. Для получения лигатуры использовали следующие материалы, кг:

Феррониобий	0,5
Силикохром	7,5
Силикокальций	7,5
Феррованадий	5,0
Ферротитан	0,5
Порошок алюминия	1,5

Технологическая линия производства азотосодержащей лигатуры включает объединение в единую технологическую цепочку следующего оборудования: дробилки, пневматического измельчителя, классификатора и пылеотделителя, бункеров хранения и расхода, СВС - реактора и компрессорного оборудования.

Исходные материалы измельчали в порошок с размером частиц не более 0,05 мм, смешивали и обрабатывали азотом. Готовую смесь засыпали в тигель в количестве

20 кг.

Тигель помещали в реактор, рабочий объем которого герметизировали и заполняли азотом чистотой 98% при давлении 2×10⁶ Па.

При помощи нихромовой спирали и навески зажигающей смеси (теплоносителей) шихту воспламеняли. После воспламенения азотирование происходит в самоподдерживающем (за счет тепла реакции образования нитридов) режиме послойного горения при температуре 1 450°С в течение 0,15 часа. Давление в реакторе поддерживали 1,8-2,2×10⁶ Па. Далее, продукт в течение 2 часов оставляли в реакторе в атмосфере азота с остыванием до 250-300°С, затем давление сбрасывали, разгерметизировали реактор, продукт извлекали из реактора.

Полученная таким образом азотированная лигатура заявленного состава (таблицы 1 и 2) представляет собой плотный оплавленный брикет без следов пористости и ликвационных образований.

Микроструктурный, химический и рентгеноструктурный анализы подтверждают однородность сплава лигатуры по сечению брикета, высокую степень поглощения азота при производстве лигатуры методом СВС. Благодаря высокой прочности и износостойкости полностью исключается выкрашивание, измельчение и пылеобразование новых составов лигатуры при ее упаковке, транспортировке и в процессе легирования сталей и чугунов.

Азотосодержащая лигатура нового состава использована для выплавки конструкционных сталей различного марочного состава и назначения (таблица 3).

Использование азотосодержащей лигатуры при производстве сталей обеспечивает:

- экономичный расход лигатуры, с высоким усвоением химических элементов (табл.2);

- стабильные механические свойства и химический состав;

- малую склонность к росту зерна аустенита и мелкозернистость (№10-12 балл.);

- высокий уровень сопротивления хрупкому разрушению.

Благоприятное сочетание прочности, пластичности и низкой склонности к хрупким разрушениям указанных выше составов сталей, связанные с сочетанием легирующих ингредиентов, содержащихся в новой азотосодержащей лигатуре, а также в значительной степени с характером формирования и выделения в процессе технологии изготовления лигатуры и сталей дисперсной карбонитридной фазы (VNbTi) CN переменного состава, частицы которой влияют на процессы кристаллизации, рекристаллизации, увеличивают сопротивление отпускной хрупкости, измельчают структурные составляющие сплавов.

Производство азотосодержащей лигатуры заявленного состава реализуется с использованием известных сырьевых материалов, в том числе техногенных образований и существующего металлургического оборудования, и не требует дополнительных капитальных затрат.

Источники информации

1. А.С. №589276

2. А.С. №594204

3. А.С. №1177374

4. А.С. №1744138

Таблица 1
	Химический состав азотосодержащей лигатуры, мас.%
Состав №п/п	С	Si	Mn	Nb	V	Ti	Cr	Al	Ca	N	Fe
1	3.0	9,0	0,6	0,3	1,5	6,0	2,5	0,5	1,0	8,0	ост.
2	2,5	10,0	0,5	0,5	2,0	5,0	3,0	0,6	1,2	9,5	ост.
3	2,5	15,0	1,0	2,5	10,0	2,0	1,0	0,5	0,1	10,0	ост.
4	3,2	25,0	2,0	4,0	18,0	0,5	3,0	0,7	1,5	8,5	ост.
5	2,8	30,0	3,0	5,0	19,0	0,1	2,4	0,5	0,9	11,0	ост.
6*	2,5	10,0	7,5	3,0	20,0	-	4,1	0,8	1,1	8,5	ост.
* Известный состав дополнительно содержит: барий - 0,5%.

Таблица 3
Назначение сталей, выплавленных с использованием лигатуры.	Свойства стали
	Предел прочности, σВ, МПа	Ударная вязкость, КСU, МДж/м2
Стали для деталей машиностроения: высоконагруженные, детали тракторных двигателей, шатуны, коленвалы, балансиры и т.д.	не менее 1240	не менее 1,1
Стали для установок при насосном и штанговом способах добычи нефти, применяемые без специальной термической обработки: валы, штоки, штанги	не менее 880	не менее 0,5
Стали для бурового инструмента: пики бетонолома, буровые штанги станков и кареток	не менее 1800	не менее 0,7
Стали для деталей крепежа: телевизионных установок, мостов, в т.ч. с применением гидропрессования	не менее 1600	не менее 0,5
не менее 2000	не менее 0,5
Стали для литых деталей режущих органов землеройной техники: зубья ковшей роторных экскаваторов, наконечники рыхлителей бульдозеров	не менее 1650	не менее

1. Азотсодержащая лигатура, полученная методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), содержащая ванадий, марганец, азот, кремний, углерод, алюминий, ниобий, кальций, хром и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ванадий	2,0-18,0
марганец	0,5-4,0
азот	8,0-12,0
кремний	10,0-30,0
углерод	0,1-2,5
алюминий	0,1-1,5
ниобий	0,1-5,0
кальций	0,1-1,5
хром	0,5-5,0
титан	0,1-5,0
железо	остальное

2. Азотсодержащая лигатура по п.1, отличающаяся тем, что суммарное содержание ванадия, ниобия и титана составляет 3,0-25,0 мас.%.