Способ модифицирования стали
STEEL MODIFICATION METHOD

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству крупногабаритных отливок из стали.
В мировой практике производства сталей неизменной является тенденция замены рядовых углеродистых сталей на экономичные ресурсосберегающие высокопрочные микролегированные стали. В настоящее время наиболее востребованным микролегирующим элементом является ванадий. Как легирующий элемент ванадий имеет следующие преимущества: высокую растворимость нитридов, образующихся в процессе легирования, в аустените; возможность получения мелкого аустенитного зерна без торможения процессов рекристаллизации; легированные ванадием стали в значительно меньшей степени подвержены горячему растрескиванию, стали имеют хорошую прочность и вязкость. Ценность ванадия, как измельчающего зерно и вызывающего дисперсионное твердение элемента, усиливается в присуствии азота.
Известен комплексный наномодификатор, содержащий, масс.%: фуллерены 0,1-27, наноразмерные копозиционные частицы карбидов металлов, выбранных из группы: кобальт, железо, никель, 1-43, наноразмерные композиционные частицы кобальта 0,2-20, наноразмерные частицы лантана 0,1-29, наноразмерные композиционные частицы вольфрама 0,5-42, наноразмерные композиционные частицы церия 0,7-33, наноразмерные композиционные частицы железа 1-41, наноразмерные композиционные частицы никеля 0,6-36, нитриды, или силициды, или бориды, или оксиды, или карбонитриды металлов остальное (патент RU 2 468 110; МПК C22C 35/00, B82B 1/00; 2012 г.).
Основным недостатком известного модификатора является его сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, что ограничивает возможности его применения.
Известен способ легирования нитридообразующими добавками, которые являются эффективными модификаторами для высокомарганцовистых сталей. В частности, при исследовании стали 110Г13Л были обнаружены карбонитриды ванадия, способствующие образованию центров кристализации. Содержание ванадия составляло 0,3–1,6 масс.%, а концентрация азота поддерживалась в пределах 0.098–1.2 масс.% (А.И. Гарост “Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали” //Литейное производство, №1(37), 2006. С. 75-83).
Однако механические характеристики модифицированной стали имеют невысокие значения, в частности относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость.
Известен способ производства стали, включающий продувку металла газообразным азотом на установке “печь-ковш” с расходом 150-1000 л/мин, с целью легирования азотом. Одновременно с продувкой производят нагрев расплава за счет электрической дуги и присаживают нитридообразующие элементы в количествах, обеспечивающих связывание растворенного азота в нитриды. Далее сталеразливочный ковш передают на установку циркуляционного вакуумирования, где расплав вакуумируют в течение 5-30 мин, используя азот в качестве транспортирующего газа с расходом 900-1600 л/мин. В конце вакуумирования в металл вводят алюминиевую и силикокальциевую проволоку в количестве, соответственно, 0,05-0,30 и 0,5-3,5 кг/т стали и продувают металл азотом через пористую пробку в днище ковша. В качестве нитридообразующих элементов можно использовать ванадий и алюминий. Содержание в металле азота, нитридообразующих элементов и кислорода может соответствовать следующим соотношениям: [N]/[A1]=0,3÷10,0, [N]/[V]=0,04÷0,50, [N]/[О]=2,0÷20,0. Вакуумирование металла желательно прекращать после окончания ввода алюминиевой и силикокальциевой проволоки (патент RU 2233339; МПК C21C 5/52, C21C 7/00; 2004 год).
К недостаткам известного способа относятся технологическая сложность, связанная с одновременным использованием “печь-ковша”, введением твердой шлакообразующей смеси, присаживанием легирующих и нитридооюбразующих добавок, а также вакуумной обработки, следует отметить очень большой расход газообразного азота (900 – 1600 л/мин).
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитный сплав ванадия или ниобия с азотом, включающий концентрат руды ванадия или ниобия, восстановитель, катализатор реакции, агент, повышающий содержания азот, агент, регулирующий температуру плавления, стабилизатор продукта и связующее, при этом восстановитель составляет от 5 до 16% от общего веса, катализатор реакции составляет от 1 до 5% от общего веса, генератор азота составляет от 5 до 25% от общего веса, модификатор температуры плавления составляет от 1 до 6% от общего веса, а стабилизатор составляет от 2 до 13 % от общего веса, связующее составляет от 4 до 12% от общего веса, остальное - ванадиевая руда или сурьмяная руда. Агентом, повышающим содержание азота, является нитрид железа, карбонизированный азот, нитрид алюминия, нитрид тантала, нитрид ванадия (патент CN 1415769; МПК С22С 1/00, C22C 35/00, C22C 38/12; 2003 год).
Недостатками известного модификатора являются сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, а также невозможность получения высокодисперсных или агломерированных частиц, что ухудшает равномерное распределение модификатора по объему расплава.
Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ модифицирования стали с использованием модификатора простого состава, обеспечивающий высокие значения механических свойств.
Поставленная задача решена в предлагаемом способе модифицирования стали, включающем естественное конвекционное перемешивание модификатора на основе нитрида ванадия и расплава, в котором в качестве модификатора на основе нитрида ванадия используют нанодисперсный порошок нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ модифицирования стали с использованием в качестве модификатора нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу.
Как уже отмечалось, ванадий является легирующим элементом, вызывающим измельчение зерна и дисперсионное твердение стали. Измельчение зерна улучшает прочность и вязкость стали, мелкодисперсные выделения увеличивают прочность за счет некоторой потери вязкости, но при измельчении зерна улучшается свариваемость стали, при этом образование нитридов ванадия способствует высокой растворимости модификатора в стали. Наличие нитридов препятствует возникновению перенапряженных участков, что уменьшает возможность зарождения трещин и их распространение. Дисперсные нитриды, равномерно распределяясь в теле зерна, тормозят движение дислокаций, прикладываемыми извне нагрузками. Выбор в качестве модификатора нанокристаллического порошка нитрида ванадия VN плакированного Ni, допускает его применение в качестве центров принудительной кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему отливки и способствующих возникновению локальных переохлажденных состояний, обеспечивающих увеличение скорости кристаллизации отливок. Наличие на поверхности нанокристаллических радиально-слоевых тугоплавких композиций металлического никеля обеспечивает в ходе его плавления и растворения удовлетворительную смачиваемость нанокристаллических частиц расплавами сталей транспортной группы. В связи с этим введение плазмохимических порошков нитрида ванадия, плакированного никелем, способствует улучшению прочностно-пластических и других характеристик, обеспечивающих бесперебойную эксплуатацию деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта, изготовленных из марок сталей транспортной группы. Существенным является содержание модификатора. Так, при содержании модификатора менее 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения При содержании модификатора более 0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах испытания. Распыление нанодисперсного порошка модификатора на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, обеспечивает за счет конвекции и естественного барботажа при розливе расплава в литейную форму.
Предлагаемый способ модифицирования стали может быть осуществлен следующим образом. В качестве модификатора используют нанодисперсный порошок VN – Ni, полученный плазмохимическим способом (патент RU 2537678), который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. После естественной конвекции и барботажа залитого в литейную форму расплава стали расплав выдерживают для кристаллизации. После кристаллизации, остывания и обрубки полученные изделия проходят термообработку в виде нормализации и закалки с отпуском, регламентированную техническими условиями, применяемыми к деталям подвижного состава рельсового транспорта с целью обеспечения удовлетворительных свойств. Механические свойства стали, полученной с использованием предлагаемого модификатора, были исследованы на системе для измерения параметров испытаний SATEC серии LX и копре маятниковом МК-15. Для фиксации стандартных то температуре и влажности окружающей среды условий испытаний использовался гигрометр психрометрический ВИТ-2. Получены результаты измерений предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости.
Предлагаемый способ модифицирования стали иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси  (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 1,5 г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 6 кг расплава стали 20 ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергалась термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.
Из термообработанной заготовки вырезались образцы для исследования механических свойств (предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах). Результаты измерений приведены в таблице (пример 1).
Пример 2. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 2г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует  0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 3,4 кг расплава стали 20ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергались термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.
Из термообработанной заготовки вырезались образцы для исследования механических свойств (предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах). Результаты измерений приведены в таблице (пример 2).
Как видно из результатов, приведенных в таблице, предлагаемый способ модифицирования стали позволяет значительно улучшить механические характеристики стали по сравнению со значениями, определяемыми ГОСТ 977-88, и значительно повысить относительное удлинение, относительное сжатие и ударную вязкость (характеристики, являющиеся определяющими при использовании стали 20ГЛ в качестве корпусов автосцепок железнодорожных вагонов) по сравнению со сталью, модифицированной нитридом ванадия.
Таблица
Результаты механических испытаний стали
№п/п
образец
Определяемые характеристики
Предел текучести, σ<sub>т</sub>, МПа
Временное сопротивление σ<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение δ, %
Относительное сжатие Ψ, %
Ударная вязкость KCU<sup>+20</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
Ударная вязкость KCU<sup>-60</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
Ударная вязкость KCV<sup>-60</sup>,Дж/см<sup>2</sup>
1
Без модификатора (в соотвтетствии с<b></b>ГОСТ 977-88 ) сталь 20 ГЛ
216
412
22
35
Не менее 49
Не менее24,5
Не менее16.7
2
Результаты испытаний высокомарганцовистой стали 110Г13Л<sup>*</sup>
396 - 481
605 - 775
6 - 22
6,8 – 23,0
0,8 – 2,1
3
С модификатором VN – Ni(пример 1)
381
462
24,5
42
8795
7378
1820
4
С модификатором VN – Ni(пример 2)
437
587
25,5
46
115102
8148
2120
*
А.И. Гарост Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали. //Литейное производство,№1(37), 2006. С. 75-83.
Таким образом, авторами предлагается способ модифицирования стали, обеспечивающий значительное улучшение механических свойств, с использованием эффективного модификатора простого состава.