Способ получения жаростойкого низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава
METHOD FOR OBTAINING A HEAT-RESISTANT LOW-CARBON IRON-ALUMINUM ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения литых низкоуглеродистых железоалюминиевых сплавов с повышенной жаростойкостью и измельченной структурой, и может быть использовано при массовом производстве отливок.
Железоалюминиевые сплавы широко используются в промышленности в качестве раскислителей. Принимая во внимание тот факт, что они также обладают хорошей коррозионной и жаростойкостью, стойкостью к агрессивным средам, а также меньшим, чем хромоникелевые стали, удельным весом и стоимостью, в промышленности имеется потребность в таких сплавах в качестве конструкционных материалов. Необходим способ выплавки, при котором бы не требовалось введения большого количества дорогостоящих лигатур и модификаторов, а в качестве шихтовых материалов использовались бы лом низкоуглеродистых сталей и алюминиевый лом.
Известен способ выплавки ферроалюминия (патент РФ №2215809, МПК С22С 33/04 (2000.01), опубл. 10.11.2003), включающий загрузку исходной шихты в плавильный агрегат, нагрев ее до температуры, превышающей температуру плавления сплавов алюминия, и последующее расплавление с образованием расплава, выдержку и выпуск сплава, где в качестве плавильного агрегата используют открытую канальную или тигельную индукционную печь, при этом загружают первую порцию шихты, в количестве не более 5-20% от массы всей шихты, необходимой для плавки, состоящую из отходов производства - стального и алюминиевого лома и шлакообразующих материалов, после расплавления первой порции шихты на образовавшийся жидкоподвижный защитный шлак последовательно, после расплавления очередной порции, догружают следующие порции шихты в соотношении, определяемом составом выплавляемого сплава, причем плавку проводят под слоем жидкоподвижного защитного шлака толщиной не более 50-150 мм.
Недостатком данного способа является дробление шихты на порции, не превышающие по своему весу 5-10% от веса всей шихты, что приводит к затягиванию времени выплавки и энергетическим потерям.
Также известен способ получения алюминиевого чугуна с компактными включениями графита (патент РФ №2487950, МПК С21С 1/10 (2006.01), опубл. 20.07.2013), включающий приготовление расплава чугуна, заливку расплава в металлическую форму и охлаждение расплава, где приготавливают расплав чугуна, содержащего 9,8-19,7% Al, заливку расплава осуществляют в металлическую форму, помещенную в расплав солей с температурой 950-1100°С, закристаллизовавшуюся отливку изотермически выдерживают при температуре 950-1100°С в течение 0,5-2 ч.
Недостатком данного способа является высокое содержание в сплаве углерода, которое ухудшает его прочностные свойства. Для устранения данного недостатка необходима сфероидизация включений графита. Чтобы достичь этого, производится длительная выдержка расплава в солевой ванне при высокой температуре, что ухудшает технико-экономические показатели его производства.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ получения алюминиевого чугуна (патент РФ №2590772, МПК С21С 1/10, С22С 37/04 (2006.01), опубл. 10.07.2016), включающий совместное расплавление исходного чугуна, кальцийсодержащего материала и алюмосодержащей лигатуры, при этом в качестве алюмосодержащей лигатуры используют быстро охлажденный ферроалюминий марки ФА-30, который добавляют в количестве, обеспечивающем содержание в готовом чугуне, мас. %: алюминия 20-25 и углерода 1,5-2,0, а кальцийсодержащий материал добавляют в количестве, обеспечивающем получение слоя покрывного шлака толщиной 3-5 мм, перед разливкой полученный расплав выдерживают при температуре 1570-1580°С в течение 5-10 минут.
Недостатком данного способа является необходимость использования специально подготовленного быстроохлажденного ферроалюминия и большое содержание в сплаве углерода, что снижает прочностные свойства металла и удлиняет технологический процесс.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава с повышенной жаростойкостью и улучшенными прочностными свойствами, за счет измельчения его структурных составляющих, отсутствием карбидной фазы и повышением жаростойкости защитной оксидной пленки.
2
2
3
Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе получения жаростойкого низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава, включающем расплавление железистой основы с добавлением алюмосодержащей части и получением покрывного шлака толщиной 3-5 мм, где введение в расплав алюмосодержащей части шихты и модифицирующей добавки осуществляется совместно в количестве 1-2 капсул под слой шлака, в качестве алюмосодержащей части шихты используют гранулированный алюминий либо сечку алюминия, в количестве, обеспечивающем содержание в готовом сплаве, масс. %: алюминия 12,0-16,0, углерода 0,05-0,1 и титана 0,9-1,2; в качестве модифицирующей добавки используют ферротитан ФТи-30, а в качестве шлака используют смесь, содержащую оксиды SiO, СаО, AlO и MgO.
Совместное введение в расплав алюмосодержащей части шихты и титановой модифицирующей добавки в количестве 1-2 капсул из алюминиевой фольги на штанге под слой шлака способствует лучшему усвоению металлом алюминия и титана, а также улучшает модифицирующего эффекта.
в
Введение в расплав алюмосодержащей части в виде гранулированного алюминия либо сечки алюминия, в количестве, обеспечивающем содержание в готовом сплаве, масс. %: алюминия 12,0-16,0, углерода 0,05-0,1 и титана 0,9-1,2 обеспечивает показатель временного сопротивления σ сплава на уровне 300 МПа.
2
2
3
Использование ферротитана ФТи-30, в качестве модифицирующей добавки позволяет измельчить структуру железоалюминиевого сплава и сделать зерно более равноосным. Также вхождение титана в виде окисла TiO в состав защитной пленки вместе с AlO повышает жаростойкость сплава.
2
2
3
Добавление шлакообразующего материала содержащего оксиды SiO, СаО, AlO и MgO в количестве, обеспечивает получение слоя покрывного шлака толщиной 3-5 мм, предотвращает взаимодействие расплава алюминиевого чугуна с воздухом атмосферы, существенно снижая угар алюминия. При получении слоя покрывного шлака толщиной менее 3 мм полного покрытия расплавленного металла не происходит, что приводит к повышенному угару алюминия. Получение слоя покрывного шлака толщиной более 5 мм экономически не целесообразно. Использование в качестве кальцийсодержащего материала извести и плавикового шпата позволяет получить легкоплавкий жидкоподвижный шлак, который образуется сразу после расплавления алюмосодержащей составляющей части шихты и предотвращает взаимодействие расплава алюминиевого чугуна с воздухом атмосферы и снижает угар алюминия.
в
Как известно, прочностные свойства чистых железоалюминиевых сплавов невысоки. Например, величина временного сопротивления σ составляет не более 100-150 МПа. Имеются способы повлиять на прочностные свойства данного вида сплавов [1, 2]. Но все они технологически сложны и материально затратные. Имеется возможность повлиять на свойства сплавов, изменяя их структуру путем ввода в их состав небольшого количества специальных модифицирующих добавок, например титана и циркония.
Прочность низкоуглеродистого жаростойкого железоалюминиевого сплава в зависимости от содержания в нем алюминия определялась опытным путем. Результаты измерений приведены на рис. 1. Из полученной зависимости было установлено, что оптимальной прочности выше 200 МПа соответствует содержания алюминия в сплаве 12-14 масс. % [3].
Для определения влияния на структуру Fe-Al сплавов небольших добавок титана и циркония было исследовано влияние модификаторов, химический состав которых приведен в таблице 1.
В таблице 2 приведен химический состав основного железоалюминиевого сплава без модифицирования, после модифицирования его ферротитаном, цирконием и совместно ферротитаном и цирконием.
На рисунке 2 приведена микроструктура не модифицированного и модифицированного железоалюминиевого сплава в соответствии с табл. 2.
Из анализа микроструктур не модифицированного и модифицированного железоалюминевого сплавов видно, что у модифицированного титаном сплава 3 зерно более мелкодисперсно и равноосно. Это позволило сделать предположение, что модифицирование титаном улучшает прочностные свойства низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава.
Таким образом, введение в железистую основу алюминия и титансодержащей лигатуры под слой легкоплавкого шлака, позволяет получить измельченную плотную и однородную микроструктуру сплава и соответственно улучшить его прочностные свойства и повысить жаростойкость сплава.
Кроме того, вводом титана и циркония, можно повысить жаростойкость низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава [4-6]. Опытным путем определен показатель жаростойкости четырех низкоуглеродистых железоалюминиевых сплавов, модифицированных титаном и цирконием в разных вариантах. Химический состав сплавов, исследованных на жаростойкость, приведен в таблице 3.
Исследование жаростойкости опытных сплавов проводилось по ГОСТ 6130-71 [7] путем нагрева образцов металла до температуры 1000°С со взвешиванием их после выемки из печи и охлаждения до комнатной температуры через каждые 50 часов до суммарной продолжительности 200 часов. Результаты приведены на рисунке 3.
2
Сравнение показателей жаростойкости Fe-Al сплавов и известного жаростойкого сплава 20Х23Н18 показало, что увеличение его массы (по справочным данным) и немодифицированного железоалюминиевого сплава, содержащего 13,8 мас. % Al, при окислении при 1000°С в течение 200 часов практически не отличаются и составляет 0,02 мг/с⋅ч. А все другие модифицированные Fe-Al сплавы имеют показатель жаростойкости даже выше, чем у сплава 20Х23Н18. Причем, в сплавах с более высоким содержанием алюминия (сплав 23-13,9 мас. % и сплав 22-14,6 мас. %) жаростойкость несколько выше, чем у сплава, содержащего 13,3 мас. % Al (сплав 21).
2
Наивысшую жаростойкость (0,006 мг/см⋅ч) показал Fe-Al сплав 23 (13,9 мас. % Al), который был легирован титаном совместно с цирконием. Сплавы 22 и 23 имеют сопоставимую жаростойкость. Принимая во внимание цену использованных модификаторов, практическую значимость имеет получение сплава 22, модифицированного титаном.
В таблице 4 приведены показатели жаростойкости стали 20Х23Н18 и нового заявляемого сплава при 1000°С.
2
2
3
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Расплав низкоуглеродистого жаростойкого железоалюминиевого сплава получают в основной индукционной печи. В завалку в печь дается исходный низкоуглеродистый железосодержащий материал, после расплавления, которого наводится покровной шлак толщиной 3-5 мм, содержащий окислы SiO, СаО, AlO и MgO. После достижения расплавом температуры 1570-1580°С вводится гранулированный алюминий марки А-7 и ферротитан ФТи-30 в количестве, необходимом для получения в конечном металле в мас. %: Al 12-14, С 0,9-1,2 и Ti 0,05-1,0, задаются в 1-2 капсулах из алюминиевой фольги на штанге под шлак для лучшего усвоения алюминия и титана. Далее производится изотермическая выдержка в течение 5-10 минут. После изотермической выдержки расплава металла ниже температуры 1570°С и менее 5 минут он не достигает гомогенного состояния. Изотермическая выдержка расплава металла выше температуры 1580°С и более 10 минут экономически не рациональна. После отключения печи расплав разливается в литейные формы с отсечкой покрывного шлака. Из литых заготовок металла вытачиваются образцы по ГОСТ для механических испытаний.
Заявленный способ испытан в крупнолабораторных условиях.
Пример.
Получение низкоуглеродистого жаростойкого железоалюминиевого сплава, модифицированного титаном проводились в среднечастотной индукционной печи мощностью 16 кВт и емкостью основного тигля около 10 кг по весу металла. Шихтовые материалы использовались в количестве:
1. Лом трансформаторной стали - 4,5 кг.
2. Алюминий чушковый - 0,9 кг.
3. Ферротитан ФТи-30 - 0,35 кг.
4. Шлаковая смесь: известь, корунд, магнезит, бой стекла в соотношении 2:2:1:5 - 0,18 кг.
Химический состав шихтовых материалов приведен в таблице 5.
После расплавления железистой основы производится наведение покрывного шлака из кварцита, корунда, извести и магнезита толщиной 3-5 мм. После доведения температуры расплава до 1570-1580°С производится введение в расплав алюмосодержащей части шихты и модифицирующей добавки совместно в количестве 1-2 капсул на штанге под слой шлака, где в качестве алюмосодержащей части шихты используют гранулированный алюминий либо сечку алюминия, а в качестве модифицирующей добавки используют ферротитан ФТи-30. Добавки производятся в количестве, обеспечивающем содержание в готовом сплаве, масс. %: алюминия - 12-16, углерода - 0,05-0,1 и титана 0,9-1,2.
Химический состав полученного сплава приведен в таблице 6.
После расплавления шихтовых составляющих производилась доводка расплава до температуры 1580°С и изотермическая выдержка металла в течение 5-10 мин и последующая разливка металла. Разливка производилась в песчаную форму в виде пластин размером 15×150×200 мм, одну из которых впоследствии способом гидроабразивной резки разрезали на полоски размером 15×15×150 для токарной обработки образцов для механических испытаний. Полученные образцы сплава в количестве 6 штук протачивались до необходимых по ГОСТ 1497-84 [8] размеров.
Универсальная разрывная машина Zwick BT1-FRO050THW.A1K с усилием 50 кН и скоростью перемещения захватов 2 мм/мин позволила определить временное сопротивление всех шести образцов. Результаты испытаний приведены на рисунке 4. Анализ данных показал, что величина временного сопротивления всех образцов в основном составляет 200-300 МПа.
Таким образом, можно сделать вывод, что использование титана в качестве модифицирующей добавки позволяет повысить жаростойкость низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава, а также улучшить его механические свойства.
Источники информации
1. Шешуков, О.Ю. Влияние содержания алюминия на структуру и механические свойства сплавов на основе системы Fe-Al / О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова. В.В. Катаев, Л.А. Овчинникова, М.В. Лапин, A.В. Долматов // Рациональное природопользование и передовые технологии материалов. Ежегодное научно-практическое издание. Институт металлургии УрО РАН. ЦКП «Урал-М». - Екатеринбург: Эзапринт, - 2015. С. 83-85.
2. Мельчаков, С.Ю. Способ изменения структуры литых Fe-Al сплавов путем ввода титансодержащих модификаторов. Труды научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: «ФЕРРОСПЛАВЫ» / С.Ю. Мельчаков, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, В.В. Катаев, Л.А. Маршук, И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков // ООО «Альфа Принт». Екатеринбург: - 2018. - С. 297-303.
3. Некрасов, И.В. Влияние модификаторов, содержащих Ti и Zr, на зеренную структуру литых Fe-12% Al сплавов. Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого твердого тела и прогрессивные технологии в машиностроении: материалы V Дальневосточной конференции с международным участием / И.В. Некрасов, В.Г. Смирнова, В.П. Ермакова, С.Ю. Мельчаков, В.В. Катаев, Маршук, О.Ю. Шешуков // - Комсомольск - на - Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГУ» - 2018. - С. 140-143.
4. Шешуков, О.Ю. К вопросу повышения жаростойкости материалов /О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, Л.А. Маршук, В.Г. Смирнова, В.В. Катаев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Самара: - 2012. - Т.14. - №1 - 2. С. 593-596.
5. Катаев, В.В. Разработка состава, технологии получения и исследование литого жаростойкого Fe-Al сплава / В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, B.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Конашков, Л.А. Маршук // Современные литейные высокожаропрочные и специальные сплавы, технология их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток газотурбинных двигателей: сб. докл. научно-техн. конф., посвященной 110-летию со дня рождения К.К. Чуприна - М:. ФГУП ВИАМ. - 2014. - С. 8-10.
6. Катаев В.В. Разработка состава, технологии получения и исследование литого жаростойкого Fe-Al сплава / В.В. Катаев, О.Ю. Шешуков, В.П. Ермакова, В.Г. Смирнова, В.В. Конашков, Л.А. Маршук // Новости материаловедения. Наука и техника. - М.: - 2014, - №2. - С. 4.
7. ГОСТ 6130-71. Металлы. Методы определения жаростойкости. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 13 с.
8. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытания на растяжение. - М.: Государственный комитет стандартов совета министров СССР. - 32 с.