МОДИФИКАТОР
MODIFIER

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к составам модификаторов используемых в процессе получения отливок для улучшения свойств хромоникелевых дисперсионнотвердеющих сталей, применяемых для изготовления инструмента, работающего в условиях интенсивного износа при высоких температурах, например инструмента горячего деформирования различного назначения.
Известен комплексный модификатор для стали [RU №2319775 от 20.03.2008], содержащий углерод, кремний, марганец, азот, хром, ниобий, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, молибден, медь, магний при следующем соотношении компонентов, масс.%:
углерод
0,3-0,5;
кремний
5,0-10,0;
марганец
15,0-20,0;
никель
5,0-10,0;
азот
0,1-0,2;
хром
40,0-50,0;
ниобий
3,0-5,0;
молибден
3,0-5,0;
медь
3,0-5,0;
магний
0,5-1,5;
железо
остальное.
Недостатком этого модификатора является низкая износостойкость литого металла, которая обусловлена высоким объемом карбонитридных фаз в структуре, приводящих к его охрупчиванию.
Известна смесь для модифицирования чугуна (SU 1323602 от 15.07.87г.) и повышения его износосстойкости содержащая, масс. %:
Алюминий
15-25;
Нитрид бора
2,5-7,5;
Нитрид титана
15-30;
Железо
остальное.
Однако при использовании этой модифицирующей смеси в процессе получения отливок из хромоникелевых сталей  создается неблагоприятный пироэффект, обусловливающий низкую усвояемость расплавом легирующих элементов и твердость получаемого металла относительно невелика, что не позволяет использовать его для деталей, работающих в условиях интенсивного износа.
Наиболее близким по технической сущности является модификатор [RU №2337167 от 27.10.2008], предназначенный для измельчения дендритной структуры жаропрочных сплавов, вводимый в виде брикета, содержащий равномерно распределенные частицы никеля, молибдена и хрома при следующем соотношении  компонентов, в масс. %:
Хром
60-70;
Частицы молибдена
20-25;
Никель
остальное.
Недостатком этого модификатора является невысокая твердость и теплостойкость модифицированного литого металла, вследствие отсутствия в нем высокопрочных тугоплавких соединений, что не позволяет использовать такой металл для изготовления инструмента горячего деформирования.
Целью данного изобретения является увеличение твердости и теплостойкости несклонного к хрупкому разрушению металла отливок из хромоникелевых дисперсионнотвердеющих сталей, что обеспечивает повышение их износостойкости в условиях работы и при повышенных температурах.
Поставленная цель достигается тем, что модификатор, содержащий порошки молибдена, хрома, никеля дополнительно содержит нитрид бора при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Молибден
10-20;
Хром
20-40;
Никель
остальное;
Нитрид бора
10-25.
пл
пл
При вводе модификатора в расплавленный металл хром, имеющий относительно низкую температуру плавления (Т = 1875 °С) расплавляется и твердые частицы молибдена (Т = 2620 °С) не расплавляющиеся в реальных условиях плавки, смачиваются концентрированной по хрому жидкостью. Это обеспечивает благоприятные условия для взаимодействия инокуляторов – частиц молибдена с элементом активатором – хромом. Изоморфность кристаллических решеток молибдена и хрома, благоприятный размерный фактор и небольшая разница в электроотрицательности обеспечивают полную взаимную растворимость этих металлов. Вследствие этого адсорбирующиеся на поверхности частиц молибдена хром, а так же его соединения с примесными элементами (углерода, азота), изменяют поверхностные свойства частиц в отношении зародышеобразования, активируют инокулятор, обеспечивая  измельчение дендритной структуры литого металла.
Дополнительное введение нитрида бора в количестве 10-25 масс.% усиливает эффект модифицирования за счет увеличения количества центров кристаллизации в стали, повышает твердость и теплостойкость, что оказывает решающее влияние на достижение цели изобретения. При концентрации нитрида бора менее 10 масс.% его влияние на твердость и теплостойкость металла незначительно, а при увеличении его более25 масс.% ухудшается стабильность модифицирования и снижаются упруго-пластические свойства литого металла.
пл
Никель в предлагаемом модификаторе, как и в известном, используется в качестве нейтральной добавки. Это обусловлено тем, что он входит в основу модифицируемых сталей и, кроме того, обладает хорошей прессуемостью, имеет сравнительную низкую температуру плавления(Т = 1453 °С), что обеспечивает быстрое распределение модификатора в обрабатываемом расплаве.
2
Модификатор готовят путем прессования смеси из порошкообразных компонентов в брикеты при давлении 10…15 т/см. В качестве компонентов используют порошки никеля по ГОСТу 9722-97, молибдена по ТУ 48-19-316-92, 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 слитков из стали Н8Х6М3СТЮ.
Расплав накапливали в плавильной емкости электрошлаковым способом. После окончания процесса накопления, в расплав вводили модификатор в количестве 0,3 масс. %. Температура расплава при модифицировании 1900 °С. Для обеспечения равномерности распределения добавок в расплаве модификатор вводили за 3-5 минут до слива металла в изложницу.
Упрочнение термической обработкой (старение) проводили на режиме, включающем нагрев металла до температуры 550 °С и выдержку в течение 2 ч.
Дюрометрические исследования проводили на образцах металла после отливки, старения и отпуска. Твердость металла измеряли по методу Роквелла на приборе ТК-2.
Испытания в условиях изнашивания пар металл-металл осуществляли при трении скольжения без смазки по схеме палец-вращающийся диск (контртело), с твердостью 59 HRC на машине трения УМТ-2168.
Теплостойкость исследуемых составов оценивали по снижению твердости металла в результате отпуска при температуре 800 °С в течение 4 часов.
Испытания на склонность состаренного наплавленного металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара0,1 кДж. За ударостойкость принимали количество ударов до появления первой трещины.
Для количественной оценки воздействия модифицирующих элементов на свойства литого металла было изготовлено семь отливок: 2, 3, 4 и 5 предлагаемые составы, 1 и 6 составы с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы, 7 – состав прототипа (табл.)
Номера составов
Состав модификатора, масс. %
Твердость HRC
Износостойкостьг/м пути⋅10<sup>-5</sup>
Коэффициент теплостойкости
Ударостойкость
Никель
Молибден
Хром
Нитрид бора
Отливки
После старения
После отпуска при 800 °С
Прототип
15
25
60
-
36
49
26
21,6
0,53
87
Предлагаемый:
1
75
5
15
5
37
51
36
16,45
0,70
84
2
60
10
20
10
39
53
42
13,36
0,79
81
3
45
15
30
15
41
56
45
11,56
0,80
76
4
20
20
40
20
42
58
49
7,26
0,84
70
5
15
20
40
25
44
59
51
5,32
0,86
58
6
5
25
40
30
47
61
53
4,88
0,86
36
3
3
2
Как видно из таблицы, наилучшими свойствами обладает металл отливок составов 2, 3, 4 и 5. Данные составы позволяют получать металл отливки, который в исходном состоянии обладает твердостью 39-44 HRC, что обеспечивает удовлетворительную обрабатываемость его режущим инструментом, без проведения операции отжига. Твердость металла этих составов после выдержки при температуре 800 °С в течение 4 часов по сравнению с твердостью после старения снижается с 53-59 HRC до 42-51 HRC, в то время как у прототипа, имеет место более значительное падение твердости с 49-26 HRC. При этом количество ударов до появления первой трещины, характеризующее хрупкость такого металла довольно велико и находится в пределах 58-81. В целом данные составы позволяют получить металл, превосходящий металл, полученный с использованием модификатора прототипа по теплостойкости в 1,49-1,62 раза, а по износостойкости при трении металла о металл в 1,61-4,1. Такие свойства металла можно объяснить тем, что он представляет собой композиционную структуру, состоящую из многокомпонентных боридных фаз на основе Fe, Cr, Mo, расположенных в виде каркаса между кристаллами мартенсита, с прослойками небольшого количества аустенита, упрочненного нитридными и интерметаллидными соединениями TiN, AlN, CrN, NiTi, NiAl и FeМо обладающих высокой микротвердостью и термической стабильностью. Металл, полученный с использованием предложенных составов модификатора характеризуется отсутствием трещин, пор, высокой теплостойкостью и твердостью, при сохранении пластических свойств на достаточно высоком уровне, что позволяет значительно повысить износостойкость изготовленного из него инструмента горячего деформирования, например, прокатных валков, работающего в условиях длительного температурно-силового воздействия.