АЗОТСОДЕРЖАЩАЯ ЛИГАТУРА, ПОЛУЧЕННАЯ МЕТОДОМ САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА
NITROGEN CONTAINING ALLOY PRODUCED BY METHOD OF SELF PROPAGATING HIGH TEMPERATURE SYNTHESIS

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.
6
Тигель помещали в реактор, рабочий объем которого герметизировали и заполняли азотом чистотой 98% при давлении 2×10 Па.
6
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 1,8-2,2×10 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, σ<sub>В</sub>, МПа
Ударная вязкость, КСU, МДж/м<sup>2</sup>
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