Способ легирования отливок
CASTING ALLOYING METHOD

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам легирования отливок, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в условиях избыточного давления газовой среды. Данное изобретение может быть использовано для производства легированных отливок, карбидосталей, композиционных отливок из металлических сплавов.
Из уровня техники известен способ получения легированного сплава железа, включающий получение термитной смеси путем смешивания порошка оксида железа в количестве 75-80% (масс.) и алюминия в количестве 20-25% (масс). При смешивании в нее дополнительно вводят легирующие элементы - карбид титана, в количестве 10-14% массы термитной смеси, борид титана, в количестве 3-5% массы термитной смеси, и хром, в количестве 4-5% массы термитной смеси. Полученную смесь загружают в форму, инициируют реакцию и осуществляют плавление смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (Патент РФ №2295424, МПК B22F 3/23, С22С 33/02, С21В 15/02, 20.03.2007). Недостатком данного способа является низкая экзотермичность смеси, вследствие значительного количества инертных добавок (карбид титана, борид титана), что ухудшает полноту прохождения высокотемпературного синтеза. Кроме того, при проведении синтеза в условиях атмосферного давления может происходить разбрызгивание образующегося расплава выходящими газами.
Из уровня техники известен способ выплавки стали, легированной азотом, включающий приготовление термитной смеси порошков оксидов железа, хрома и марганца, нитридов или азотированных ферросплавов, легирующих элементов и алюминия, взятых в соотношениях, необходимых для получения стали заданного состава с локальным воспламенением смеси, обеспечением самопроизвольного горения в атмосфере газообразного азота с давлением более 1 атм (Патент РФ №2446215, МПК С21В 15/02, B22F 3/23, 27.03.2012). Недостатком данного способа является сложность приготовления реакционной смеси с равномерным распределением компонентов, что в значительной степени влияет на прохождение синтеза и, как следствие, на однородность слитка.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения сплава, включающий раздельное приготовление двух или более различных по составу и прочности оксидов металлов смесей с восстановителем и неметаллом, локальное воспламенение одной из смесей с последующим воспламенением образовавшимся расплавом других смесей под давлением газообразной среды до образования сплава необходимого состава (Патент РФ №2469816, МПК B22F 3/23, 20.12.2012). Недостатком данного способа является трудность контролирования протекающих реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза каждой из последовательно воспламеняемых расплавом смесей, что приводит к сложности получения сплава заданного состава.
Все это снижает универсальность известного способа.
Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.
Повышение универсальности способа выражается в том, что он позволяет производить легирование отливок, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) на стадии их формообразования. Применение способа позволяет получать отливки с заданными характеристиками в зависимости от требований - объемнолегированные, отливки с легированными поверхностями, композиционные отливки, содержащие в объеме керамические, металлокерамические включения.
Способ осуществляется следующим образом.
В плавильный тигель, изготовленный из огнеупорных материалов, снабженный отверстием в донной части, помещают экзотермическую смесь требуемого состава, предварительно прикрыв отверстие в днище алюминиевой пластинкой с уплотнением смеси. Введение легирующих добавок в кристаллизатор осуществляют различными способами, в зависимости от требуемого технического результата. Для формирования легированного слоя на наружной поверхности отливок способ предусматривает нанесение легирующих добавок в виде краски, пасты или пудры на внутреннюю поверхность кристаллизатора (изложницы или литейной формы) слоем не менее 0,1 мм. Получение легированного слоя на требуемых наружных поверхностях отливки осуществляется при нанесении легирующих добавок на внутреннюю поверхность кристаллизатора частично. Для получения объемнолегированных отливок способ предусматривает фиксирование легирующих добавок или их смесей в объеме кристаллизатора путем заполнения его объема порошкообразными легирующими добавками частично или полностью. Для объемного легирования и получения композиционных отливок способ предусматривает установку в кристаллизатор пористых металлических или керамических тел. С целью получения объемнолегированных отливок с более равномерным распределением легирующих добавок способ допускает фиксирование в объеме кристаллизатора легирующих добавок в виде металлической сетки, проволоки и стружки. Также для этой цели способ предусматривает установку в кристаллизатор моделей из пенополистирола с введенными в их объем легирующими добавками любым доступным способом, либо заполнение объема кристаллизатора предварительно вспененными гранулами пенополистирола с нанесенными на их поверхность легирующими добавками. Для обеспечения комплекса свойств отливкам способ допускает использовать легирующие добавки в различных сочетаниях. С целью обеспечения различных условий кристаллизации, а также для изготовления композиционных и биметаллических отливок способ предусматривает изготовление кристаллизатора из металлических, металлокерамических и керамических материалов. Для ламинарного заполнения объема кристаллизатора расплавом способ допускает изготавливать кристаллизатор с сифонным и L-образным подводом расплава. Для получения отливок с требуемыми габаритами и размерами способ предусматривает изготовление кристаллизаторов различной конфигурации.
После введения в кристаллизатор легирующих добавок его устанавливают в реактор. Над кристаллизатором устанавливают плавильный тигель, заполненный экзотермической смесью. Отверстие в донной части тигля предварительно прикрывают алюминиевой пластинкой. Реактор с установленным плавильным тиглем и кристаллизатором герметизируют, заполняют газовой средой до давления, превышающего атмосферное. Воспламенение экзотермической смеси осуществляют локально при помощи разогретой вольфрамовой спирали. После инициирования реакции горения образуется расплав, который прожигает алюминиевую пластинку и струей стекает в кристаллизатор. Находящиеся в кристаллизаторе легирующие добавки, либо их смеси вступают во взаимодействие со струей горячего расплава, результатом которого является формирование легированных зон и, как следствие, получение легированной отливки.
Для модифицирования и легирования отливок порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями способ предусматривает применение инжектора, осуществляющего подачу порошкообразных добавок в расплав при сливе металла в кристаллизатор (изложницу или литейную форму).
Способ осуществляется следующим образом.
В плавильный тигель, изготовленный из огнеупорных материалов, снабженный отверстием в донной части, помещают экзотермическую смесь требуемого состава, предварительно прикрыв отверстие в днище алюминиевой пластинкой с уплотнением смеси. Непосредственно под плавильный тигель, без зазора, устанавливают инжектор в виде трубы, диаметр которой превышает диаметр отверстия в донной части плавильного тигля, длина составляет не менее двух ее диаметров, снабженный трубкой, диаметр которой подбирается из условий организации объемной подачи порошков модификаторов, легирующих добавок или их смесей, один из концов которой входит во внутренний диаметр трубы под плавильный тигель, а другой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями, крупность которых составляет не менее 1 нм, при этом данный сосуд не выходит за габариты реакционной камеры.
Диаметр и длина трубы подбираются таким образом, чтобы при протекании расплава из плавильного тигля в кристаллизатор в ней создавалось разряжение. Для этой цели необходимо, чтобы диаметр трубы превосходил диаметр отверстия в донной части плавильного тигля. Порошкообразные добавки размещают в емкости, которая не выходит за габариты реакционной камеры для создания равенства давлений. Подачу порошкообразных добавок осуществляют по трубке, один из концов которой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными добавками, а другой входит во внутренний диаметр трубы непосредственно под плавильный тигель. В данной зоне при протекании струи расплава из плавильного тигля в кристаллизатор создается разряжение, благодаря которому порошкообразные добавки увлекаются потоком расплава. Длина трубы, установленной под плавильным тиглем должна составлять не менее двух ее диаметров. Данное условие способствует организации наиболее лучшей подачи порошкообразных добавок и их взаимодействию со струей расплава до слива в кристаллизатор, что позволяет обеспечить более равномерное объемное легирование. Для осуществления одновременной подачи нескольких порошкообразных добавок, способ допускает установку нескольких трубок, одним концом соединенных с емкостями, заполненными порошкообразными добавками, другими - входящими во внутренний диаметр трубы, установленной под плавильным тиглем. Диаметр трубки подбирается из условий организации объемной подачи порошкообразных добавок.
После заполнения емкости порошкообразными добавками производят последовательную установку данных узлов в реакционную камеру. Над кристаллизатором устанавливают плавильный тигель, заполненный экзотермической смесью. Отверстие в донной части тигля предварительно прикрывают алюминиевой пластинкой. Непосредственно под плавильным тиглем без зазора устанавливают инжектор в виде трубы, снабженной трубкой, соединенной с емкостью, заполненной порошкообразными добавками. Реакционную камеру с установленными плавильным тиглем, инжектором и кристаллизатором герметизируют, заполняют газовой средой до давления, превышающего атмосферное. Воспламенение экзотермической смеси осуществляют локально при помощи разогретой вольфрамовой спирали. После инициирования реакции горения образуется расплав, который прожигает алюминиевую пластинку и струей стекает в кристаллизатор. Струя расплава при протекании из плавильного тигля в кристаллизатор создает разряжение, благодаря которому порошкообразные добавки из емкости по трубке поступают в струю металла и увлекаются ею в кристаллизатор, в результате чего обеспечивается объемное модифицирование или легирование отливки.
Для модифицирования и легирования отливок порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями способ предусматривает применение эжектора, осуществляющего подачу порошкообразных добавок в расплав при сливе металла в кристаллизатор (изложницу или литейную форму).
Способ осуществляется следующим образом.
В плавильный тигель, изготовленный из огнеупорных материалов, снабженный отверстием в донной части, помещают экзотермическую смесь требуемого состава, предварительно прикрыв отверстие в днище алюминиевой пластинкой с уплотнением смеси. Непосредственно под плавильный тигель устанавливают эжектор, снабженный электромагнитным клапаном и устройством его включения, представляющим собой трубу, диаметр которой превышает диаметр отверстия в донной части плавильного тигля, длина составляет не менее двух ее диаметров, снабженный трубкой, диаметр которой подбирается из условий организации объемной подачи порошков модификаторов, легирующих добавок или их смесей, один конец которой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями, находящимся под давлением, превышающим давление в реакционной камере, а другой входит во внутренний диаметр трубы таким образом, чтобы порошкообразные добавки попадали в струю расплава при сливе металла в кристаллизатор (изложницу или литейную форму).
Порошкообразные добавки помещают в емкость, соединенную с трубкой, снабженной электромагнитным клапаном и устройством его включения, после чего емкость герметизируют и создают давление, превышающее давление в реакционной камере. Подачу порошкообразных добавок осуществляют по трубке, один из концов которой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными добавками, а другой входит во внутренний диаметр трубы непосредственно под плавильный тигель. В данной зоне при протекании струи расплава из плавильного тигля в кристаллизатор создается разряжение и при включении электромагнитного клапана обеспечиваются наиболее оптимальные условия подачи порошкообразных добавок в поток расплава. Длина трубы, установленной под плавильным тиглем должна составлять не менее двух ее диаметров. Данное условие способствует организации наиболее лучшей подачи порошкообразных добавок и их взаимодействию со струей расплава до слива в кристаллизатор, что позволяет обеспечить более равномерное объемное легирование. Для осуществления одновременной подачи нескольких порошкообразных добавок способ допускает установку нескольких трубок, одним концом соединенных с емкостями, заполненными порошкообразными добавками, другими - входящими во внутренний диаметр трубы, установленной под плавильным тиглем. Диаметр трубки подбирается из условий организации объемной подачи порошкообразных добавок.
Для упрощения обслуживания способ допускает вынос не менее одной емкости, заполненной порошкообразными добавками за габариты реакционной камеры. Электромагнитный клапан и устройство его включения позволяет организовать подачу порошкообразных добавок из емкости, находящейся под давлением, превышающим давление в реакционной камере, в струю расплава в требуемый момент времени.
После заполнения емкости порошкообразными добавками производят последовательную установку данных узлов в реакционную камеру. Над кристаллизатором устанавливают плавильный тигель, заполненный экзотермической смесью. Отверстие в донной части тигля предварительно прикрывают алюминиевой пластинкой. Непосредственно под плавильным тиглем устанавливают эжектор, снабженный электромагнитным клапаном и устройством его включения, представляющим собой трубу, снабженную трубкой, один конец которой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными добавками. Реакционную камеру с установленными плавильным тиглем, эжектором и кристаллизатором герметизируют, заполняют газовой средой до давления, превышающего атмосферное. Для подачи порошкообразных добавок емкость герметизируют и создают в ней давление, превышающее давление в реакционной камере. Воспламенение экзотермической смеси осуществляют локально при помощи разогретой вольфрамовой спирали. После инициирования реакции горения образуется расплав, который прожигает алюминиевую пластинку и струей стекает в кристаллизатор. После инициирования синтеза включают электромагнитный клапан, при этом порошкообразные добавки из емкости поступают по трубке в струю расплава и увлекаются ею в кристаллизатор, в результате чего обеспечивается объемное модифицирование или легирование отливки.
По окончании горения производят выдержку 10-20 минут, сброс давления, разгерметизацию реактора и выгрузку полученных продуктов. Отливка представляет собой слиток сплава, в верхней части которого присутствует легкоотделяемый шлак, образующийся в результате горения экзотермической смеси.
Для получения плотных слитков металлов и сплавов способ предусматривает проведение процесса в реакционной камере при давлении ниже атмосферного.
Способ осуществляется следующим образом.
В плавильный тигель, изготовленный из огнеупорных материалов, снабженный отверстием в донной части, помещают экзотермическую смесь требуемого состава, предварительно прикрыв отверстие в днище алюминиевой пластинкой с уплотнением смеси. Над кристаллизатором устанавливают плавильный тигель, заполненный экзотермической смесью. Отверстие в донной части тигля предварительно прикрывают алюминиевой пластинкой. Реактор с установленным плавильным тиглем и кристаллизатором герметизируют, вакуумируют, создавая в нем разряжение. В зависимости от глубины разряжения способ допускает применение различных способов его осуществления (вакуумирование при помощи водокольцевых вакуумных насосов, применение форвакуумных насосов, вакуумирование инжектором и др.).
Для легирования отливок способ допускает вводить в объем кристаллизатора модификаторы, легирующие элементы, соединения или их смеси любым доступным способом (засыпка кристаллизатора порошкообразными добавками, установка в его объем добавок в виде прутков, сетки, проволоки, пористых тел и др.). Для поверхностного легирования отливок способ допускает нанесение модификаторов, легирующих элементов, соединений или их смесей в виде паст и красок на внутреннюю поверхность кристаллизатора.
Для модифицирования и легирования отливок порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями, способ предусматривает применение эжектора, осуществляющего подачу порошкообразных добавок в расплав при сливе металла в кристаллизатор (изложницу или литейную форму). Для этого под плавильный тигель устанавливают эжектор, снабженный электромагнитным клапаном и устройством его включения, представляющим собой трубу, диаметр которой превышает диаметр отверстия в донной части плавильного тигля, длина составляет не менее двух ее диаметров, снабженный трубкой, диаметр которой подбирается из условий организации объемной подачи порошков модификаторов, легирующих добавок или их смесей, один конец которой соединен с емкостью, заполненной порошкообразными модификаторами, легирующими элементами, соединениями или их смесями, находящимся под давлением, равным, либо превышающим атмосферное, а другой входит во внутренний диаметр трубы таким образом, чтобы порошкообразные добавки попадали в струю расплава при сливе металла в кристаллизатор (изложницу или литейную форму).
Поскольку процесс протекает при разряжении в реакционной камере, то атмосферного давления в емкости с порошкообразными добавками достаточно для организации их подачи в струю расплава. С целью организации подачи в струю расплава более значительного количества порошкообразных модификаторов и легирующих добавок, способ допускает нагнетать в емкость, заполненную данными добавками давление, превышающее атмосферное.
Воспламенение экзотермической смеси осуществляют локально при помощи разогретой вольфрамовой спирали. После инициирования реакции горения образуется расплав, который прожигает алюминиевую пластинку и струей стекает в кристаллизатор. Созданное разряжение в реакционной камере способствует получению плотных слитков. Введенные в кристаллизатор либо в струю расплава при помощи эжектора модифицирующие и легирующие добавки вступают в физико-химическое взаимодействие с расплавом, обеспечивая формирование легированных зон и, как следствие, получение легированной отливки.
Примеры конкретного применения.
2
3
2
3
2
3
Пример 1. В качестве экзотермической смеси готовили термитную смесь оксида железа (FeO) и порошка алюминия (Аl) из порошкообразных составляющих. Состав смеси соответствовал стехиометрическим соотношением компонентов, необходимых для протекания реакции восстановления железа из его оксида (FeO). Смесь засыпали в плавильный цилиндрический тигель и уплотняли. Отверстие в днище тигля предварительно прикрывали алюминиевой пластинкой. В качестве кристаллизатора применяли цилиндр из спеченного магнезита, на внутреннюю поверхность которого предварительно нанесли легирующую добавку - хром в виде пасты, толщиной ~2 мм. После установки кристаллизатора и плавильного тигля с экзотермической смесью в реактор, его герметизировали и заполняли аргоном до давления 5,0 МПа. Воспламенение смеси проводили через запальную смесь, состоящую из порошка алюмо-магниевого сплава с селитрой, путем локального нагрева вольфрамовой спиралью. После инициирования реакции горения образуется расплав железа, который прожигает алюминиевую пластину и стекает в кристаллизатор. Горячий расплав взаимодействует с хромом, нанесенным на внутреннюю поверхность кристаллизатора. После окончания горения (~10 с) производили выдержку 10-15 мин, после чего сбрасывали давление, разгерметизировали реактор и извлекали продукты синтеза. Продуктом синтеза является слиток металла, на поверхности которого находится легкоотделяемый шлак, образующийся в результате синтеза. Полученная отливка в объеме содержала железо с незначительным количеством углерода (~0,07%), появление которого является следствием его присутствия в исходных шихтовых материалах, точнее в FeO. Состав наружной поверхности отливки, входившей в контакт с легирующим покрытием кристаллизатора, представляет собой твердый раствор хрома в железе с содержанием хрома 12-14%, глубина слоя колеблется в пределах 2-3 мм.
2
Пример 2. То же, что в примере 1, только в качестве легирующего покрытия, наносимого на внутреннюю поверхность кристаллизатора, применяли пасту, содержащую ферробор ФБ 17. Фазовый состав легированной поверхности отливок показал наличие боридов железа FeB и FeB, что повысило твердость легированного поверхностного слоя до 69-70 HRC, глубина слоя составила 3,0-3,5 мм. Увеличение глубины слоя в отливке, по сравнению с толщиной пасты, наносимой на внутреннюю поверхность кристаллизатора (~2 мм), вызвано процессами диффузии и массопереноса легирующих элементов, реализующихся в процессе кристаллизации отливки.
Пример 3. То же, что в примере 1, только легирующей добавкой служила композиция ферротитан (с содержанием титана 80%) с углеродом. Соотношения компонентов отбирали согласно стехиометрии реакции получения карбида титана. Легирующую композицию в виде краски наносили на предварительно вспененные гранулы пенополистирола размером 4-6 мм, слоем 0,6-0,8 мм. Просушенные гранулы помещали в объем кристаллизатора на 2/3 его высоты. Полученные отливки содержали включения карбида титана с твердостью 70-72 HRC. Взаимодействие расплава с углеродом легирующей композиции и пенополистиролом и продуктами его деструкции привело к увеличению содержания углерода в основном металле до 0,4-0,5%.
Пример 4. То же, что в примере 1, только в качестве кристаллизатора использовали цилиндр из стали 40X13 с нанесенным на внутреннюю поверхность легирующим покрытием в виде краски, содержащей порошкообразный никель, слоем 1 мм. Процесс проводили по схеме, описанной в примере 1, только в качестве инертного газа применяли азот, а давление в реакторе нагнетали на уровне 10 МПа. Полученные биметаллические отливки содержали в объеме железо с содержанием углерода ~0,07% и азота 0,4-0,5%, а наружная поверхность соответствовала марке стали 40X13. Отливки также содержали переходный слой, обогащенный никелем, что обеспечивает более качественное сцепление двух металлических материалов.
Пример 5. В качестве экзотермической смеси использовали оксид меди (CuO), алюминий и магний, взятые в соотношениях, необходимых для восстановления меди. В кристаллизатор добавляли предварительно вспененные гранулы пенополистирола размером 4-6 мм с нанесенным на их поверхность легирующим покрытием, содержащим углерод, слоем 2 мм. Процесс осуществляли по схеме, описанной в примере 1, только в качестве инертного газа использовали азот, а давление в реакторе создавали на уровне 10 МПа. Полученные отливки содержали в качестве основы медь с примесями алюминия и магния, при этом содержали распределенные в объеме включения углерода.
Пример 6. То же, что в примере 1, только легирование осуществляли при помощи инжектора. В качестве инжектора использовали трубу диаметром 20 мм и длиной 50 мм, в верхней части которой находится фиксированная трубка диаметром 6 мм. Один из концов данной трубки входит в верхнюю часть трубы, другой соединен с емкостью, заполненной порошкообразным хромом, фракцией 0,1 мм. Экзотермическую смесь засыпали в плавильный цилиндрический тигель и уплотняли. Отверстие в днище тигля, диаметром 10 мм, предварительно прикрывали алюминиевой пластинкой. В качестве кристаллизатора применяли цилиндр из спеченного магнезита. В реакционную камеру осуществляли последовательную установку кристаллизатора и плавильного тигля с экзотермической смесью, под которым без зазора фиксирован инжектор. Емкость, в которую помещали порошкообразный хром, не выходила за габариты реактора. После сборки реактор герметизировали и заполняли аргоном до давления 5,0 МПа. Воспламенение смеси проводили через запальную смесь, состоящую из порошка алюмо-магниевого сплава с селитрой, путем локального нагрева вольфрамовой спиралью. После инициирования реакции горения образуется расплав железа, который прожигает алюминиевую пластину и стекает в кристаллизатор. Во время течения потока расплава в инжекторе создается разряжение, благодаря которому порошкообразный хром из емкости по трубке подается в трубу, где происходит его взаимодействие с расплавом и дальнейшее его течение в кристаллизатор. После окончания горения (~10 с) производили выдержку 10-15 мин, после чего сбрасывали давление, разгерметизировали реактор и извлекали продукты синтеза. Продуктом синтеза является слиток металла, на поверхности которого находится легкоотделяемый шлак, образующийся в результате синтеза. Полученная отливка в объеме содержала хром, в количестве 6-8%.
Пример 7. То же, что в примере 1, только легирование осуществляли при помощи эжектора. В качестве эжектора, снабженного электромагнитным клапаном и устройством его включения, использовали трубу диаметром 20 мм и длиной 50 мм, в верхней части которой находится фиксированная трубка диаметром 6 мм. Один из концов данной трубки входит в верхнюю часть трубы, другой соединен с емкостью, заполненной порошкообразным хромом, фракцией 0,1 мм. Экзотермическую смесь засыпали в плавильный цилиндрический тигель и уплотняли. Отверстие в днище тигля, диаметром 10 мм предварительно прикрывали алюминиевой пластинкой. В качестве кристаллизатора применяли цилиндр из спеченного магнезита. В реакционную камеру осуществляли последовательную установку кристаллизатора и плавильного тигля с экзотермической смесью, под которым фиксирован эжектор. Емкость, заполненную порошкообразным хромом, выносили за габариты реакционной камеры, герметизировали и заполняли аргоном до давления 12 МПа. После сборки реактор герметизировали и заполняли аргоном до давления 10 МПа. Воспламенение смеси проводили через запальную смесь, состоящую из порошка алюмо-магниевого сплава с селитрой, путем локального нагрева вольфрамовой спиралью. Электромагнитный клапан эжектора включали с задержкой 2 с после воспламенения смеси. Во время течения потока жидкого металла порошкообразный хром, после включения электромагнитного клапана, из емкости по трубке подается в струю расплава, где происходит его взаимодействие с расплавом и дальнейшее его течение в кристаллизатор. После окончания горения (~10 с) производили выдержку 10-15 мин, после чего сбрасывали давление, разгерметизировали реактор и извлекали продукты синтеза. Продуктом синтеза является слиток металла, на поверхности которого находится легкоотделяемый шлак, образующийся в результате синтеза. Полученная отливка в объеме содержала хром, в количестве 8-10%.