Спосіб диспергування структури і покращення физико-механічних і експлуатаційних властивостей сталей

Спосіб диспергування структури і покращення фізико-механічних і експлуатаційних властивостей сталей, що включає вібраційну обробку рідкого і тверднучого металу, який відрізняється тим, що сталі в процесі виплавки чи розливання модифікують азотом від 0,009 до 0,020 (мас. част., %) і мікролегують ванадієм від 0,08 до 0,12 (мас. част., %). (19) (21) u200912652 (22) 07.12.2009 (24) 12.07.2010 (46) 12.07.2010, Бюл.№ 13, 2010 р. (72) ШИПИЦИН СЕРГІЙ ЯКОВИЧ, КОРОЛЕНКО ДМИТРО МИКОЛАЙОВИЧ, ЗОЛОТАР НІНА ЯКІВНА, КОРОЛЕНКО ВАЛЕНТИНА ПЕТРІВНА, БАБАСКІН ЮРІЙ ЗАХАРОВИЧ (73) ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТА 3 Поставлена задача вирішена тим, що запропонований спосіб диспергування структури і покращення механічних властивостей сталей шляхом вібраційної обробки рідкого і тверднучого металу, передбачає те, що сталі в процесі виплавки, чи розливання модифікуються азотом (від 0,009 до 0,020 мас. част., %) і мікролегуються ванадієм (від 0,08 до 0,12 мас. част., %). Запропонований спосіб дозволяє суттєво підвищити ефективність впливу на диспергування структури і покращення властивостей сталей як вібраційної обробки, так і модифікування азотом. Підвищення ефективності диспергування первинної (дендритної) структури пов'язана із слідуючими факторами: - збільшення на стадії зниження величини градієнта температури расплава теплопередачі від перегрітих об'ємів до границі твердіння металу внаслідок формування і наступної дисипації вихорів мікроциркуляції, які генеруються в пристіночній зоні розплаву за рахунок наявності там здвигових пульсуючих (періодичних) течій; - створення умов для переохолодження розплаву і збільшення швидкості зародження центрів кристалізації перед границею твердіння під дією періодичного хвильового стискання і розрідження. Цьому сприяє гетерогенізація, тобто утворення кластерних угруповувань в розплаві при модифікуванні азотом; - зменшення при вібраційній обробці в'язкості і міжфазного поверхневого натяжіння розплаву, що ускорює переміщення атомів із рідкої в тверду фазу при формуванні центрів кристалізації; - виникнення зародків твердої фази за рахунок сил в'язкого тертя розплаву, що вібрується, із кристалами, що зростають. Підвищення ефективності покращення механічних властивостей сталей при застосуванні запропонованої корисної моделі пов'язано із наступними причинами: - диспергування дендритної структури; - зменшення забрудненості неметалевими включенями і зміна їх форми з плівкової на глобулярну; - зернограничне зміцнення при диспергуванні вторинних структур; - додаткове дисперсійне нітридванадієве зміцнення; - зменшення мікрохімічної і структурної неоднорідності металу. Інтервали модифікування азотом і мікролегування ванадієм приведені у табл. 1. Якщо ми виберемо вміст азоту і ванадію менше запропонованого, не відбудеться ефект ні модифікування азотом, ні дисперсійного зміцнення. При більшому вмісту азоту і ванадію різко збільшується рівноважна температура розчинення, видалення нітридів ванадію. При термічній обробці не відбувається їх 51165 4 визначений ступінь розчинення, що призводить до зниження їх пластичності та в'язкості металу. Спосіб реалізується наступним чином: Сталі виплавляли в печі опору в алундових тиглях, в яких метал і твердів. Азот вводили феррохромом азотованим марок ФХН100А и ФХН100Б (ГОСТ 4757-91), а ванадій вводили феррованадієм марки з масовою долей ванадію 43% (ГОСТ 27130-94). Після розплавлення сталей тигель з розплавом встановлювали в контейнер-термос, який забезпечував умови твердіння металу близькі до реальних для великотонажних виливків. Вібраційну обробку розплаву в процесі його твердіння виконували на установках, які забезпечували вібрацію горизонтально-колової і вертикальноосьової дії. Параметри вібраційної обробки, тобто, амплітуду та чистоту визначали експериментальним шляхом. Приклад конкретного виконання. Сталі масою 1,5кг виплавляли в печі опору в алундових тиглях, в яких метал і твердів. Температура розплаву перед охолодженням для всіх експериментів складала 1650°С±5°С. В табл.1 наведено хімічні склади дослідних сталей з різним температурним інтервалом твердіння ( B) і різним ступенем легування, зокрема, близької до колісної вуглецевої сталі 50Г з ( B) 120  C ,  трубної сталі 09Г2С з ( B ) 35 C і балонної легованої сталі 30ХМ з ТТВ=65°С. Після розплавлення сталей тигель з розплавом встановлювали в контейнер-термос, який забезпечував умови твердіння металу близькі до реальних для великотонажних виливків і металургійних зливків. Вібраційну обробку розплаву в процесі його твердіння виконували на установках, які забезпечували вібрацію горизонтально-колової і вертикально-осьової дії. Параметри вібраційної обробки розплаву при вібрації горизонтально-колової дії проводили при частоті 17Гц та амплітудою 1 кутовий градус у горизонтальній складовій та 1мм у вертикальній складовій, а вібрацію вертикально-осьової дії проводили при частоті 25Гц та з амплітудою 1мм у вертикальній складовій. Вібраційна обробка починалось з моменту встановлення контейнера-термоса на установки вібраційної обробки і закінчувалась після повного твердіння металу в зливках, яке фіксувалась термічним аналізом тверднучого металу. В табл.2 наведені дані по параметрах дендритної структури, а в табл.3 - механічні властивості сталей з різними способами обробки. 5 51165 6 Таблиця 1 Хімічний склад сталей Марка сталі 50Г 50Г+N+V 09Г2С 09Г2C+N+V 30ХМ 30XM+N+V С 0,48 0,49 0,09 0,08 0,33 0,35 Si 0,77 0,76 0,68 0,72 0,20 0,26 Mn 1,08 1,05 1,48 1,50 0,45 0,46 Масова частка елемента, % Cr V Mo 0,11 0,11 1,00 0,21 1,06 0,11 0,22 N 0009 0019 0,020 S 0,05 0,05 0,004 0,006 0,024 0,021 P 0,012 0,013 0,024 0,018 0,020 0,022 Таблиця 2 Параметри дендритної структури сталей 50Л та 50АФЛ Спосіб обробки Марка сталі Без обробки Модифікування азотом Згідно з прототипом (Способ вибрационной обработки кристаллизующегося металла и устройство для его осуществления: патент РФ 2087251) Горизонтально-колова вібрація Вертикально-вісьова вібрація Згідно з способом, що заявляється Вібрація+модифікування N+V Горизонтально-колова вібрація Вертикально-вісьова вібрація 50ГЛ 50ГАФЛ Середня ширина зони стовбчастих дендритів 0,90 R 0,40 R 50ГЛ 50ГЛ 0,06 R 0,05 R 0,60 0,67 50ГАФЛ 50ГАФЛ нема 0,03 R 0,25 0,29 Міжгілкові від стані,мм 0,98 0,71 Примітка: R - радіус зливка Таблиця 3 Механічні властивості сталей Спосіб обробки Марка сталі Без обробки Модифікування азот + ванадій в т МПа KCU, Дж/см2 % 50Г 09Г2С 30ХМ 50ГАФ 09Г2САФ 30ХМАФ 1120 405 860 1240 590 1020 970 390 790 1140 490 920 10,4 34,0 9,5 11,6 32,0 8,7 25,0 19,0 31,2 33,5 75,0 31,5 >250 80 >250 77 50 09 2C 30 XM 1170 580 1060 485 9,0 33,0 25,0 72,0 180 970 880 12,0 43,0 71 50Г 1276 1254 13,1 25,0 Згідно з прототипом (Способ вибрационной оброботки кристаллизующегося металла и устройство для его осуществления: патент РФ 2087251) Горизонтально-колова рація Вертикально-вісьова ція вібвібра 7 51165 8 Продовження таблиці 3 Спосіб обробки Марка сталі в т МПа KCU, Дж/см2 % Згідно з способом, що заявляється Вібрація+модифікування N+V Горизонтально-колова вібрація Вертикально-вісьова вібрація 50 АФ 09Г 2САФ 1330 650 1260 530 8,0 31,0 23,5 55,0 >250 30 ХМАФ 1090 1050 10,8 28,0 68 50ГАФ 1434 1368 16,2 33,5 Примітки: 1) Зразки виготовлені з гарячекованих прутків 2) Режими термічної обробки сталей наведені в табл.4 Таблиця 4 Режими термічної обробки сталей Температура, °С Марка сталі гартування 840 950 без т/о без т/о 890 950 50Г 50ГАФ 09Г2С 09Г2САФ 30ХМ 30ХМАФ Із наведених даних видно, що як і у випадку впливу на формування первинної (дендритної) структури, так і у випадку впливу на механічні властивості максимальний позитивний ефект має спосіб за пропонованим винаходом, тобто одночасне застосування вібраційної обробки і модифіку Комп’ютерна верстка А. Крулевський відпуск 550 550 без т/о без т/о 580 630 вання сталей азотом з ванадієм. Таким чином, запропонований спосіб дає змогу одержати новий технологічний ефект, виражений у підвищенні ступеню диспергування структури сталей та покращенні їх фізико-механічних та експлуатаційних властивостей. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601