Спосіб виробництва сталевих виробів, що містять азот і ванадій

Корисна модель відноситься до галузі машинобудування, металургії та ливарного виробництва, а саме до отримання сталевих виробів, що містять азот і ванадій. Відомі способи виробництва виробів із сталі, що містить азот і ванадій [1. Азот в металлах / В.В.Аверин, А.В.Ревякин, В.И.Федорченко и др.// М.: Металлургия, 1976.-с.224. 2. Гольштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали // М.: Металлургия, 1985. -с.408], проте в цих роботах не оптимізовані співвідношення легуючих елементів, розкислювачів і режими термічної обробки сталей, що містять азот і ванадій, це не дозволяє максимально реалізувати потенційні можливості методу нітридванадієвого зміцнення сталі. Відомо, що властивості сталевих виробів є структурно чутливими. Вони суттєво залежать від характеристик структури, яка формується при затвердінні, а також при обробці тиском, подальшому їх охолодженні та перекристалізаціях в твердому стані при термічній обробці. На процес первинної кристалізації сталевих виробів, що містять азот і ванадій, значно впливають властивості рідкого металу, які у свою чергу істотно залежать від вмісту кисню, розкислювачів, азоту і ванадію. Одночасно вказані чинники разом з теплофізичними умовами фазових перетворень здійснюють вирішальний вплив на формування вторинної структури при термічній обробці сталі [3. Бабаскин Ю.З., Шипицын С.Я., Афтандилянц Е.Г. Экономное легирование стали. - Киев: Наукова думка, 1987.-с.185]. Отже, найвищий рівень физико-механічних властивостей сталевих виробів, що вмістять азот і ванадій, може бути досягнутий, якщо регламентований вміст в розплаві розкислювачів (які мають більш високу спорідненість до азоту, ніж ванадій), азоту і ванадію, що забезпечують послідовний ефективний позитивний вплив на властивості рідкої сталі і на утворення структури на всіх етапах виробництва виробів. Відомий спосіб виробництва сталей, що містять азот, який включає розплавлення шихти, окислення домішок, розкиснення і легування, введення нітридутворюючого елемента і азоту у вигляді феросплаву в кількості 1-30кг/т, рідкоземельних металів в кількості 2-3кг/т, витримку в печі протягом 5-10хв. і обробку сілікокальцієм в процесі виливу сталі в ківш у кількості 1-1,5кг/т. [4. А. с. СРСР №990828, С21С5/52, бюл. №3, 1983]. Проте розкиснення сталі рідкоземельними металами призводить до значного підвищення вартості виробів (внаслідок високої вартості рідкоземельних металів), а також викликає заростання стаканів стопорних розливних ковшів, що призводить до додаткової операції по їх пропалюванню кисневими пальниками або до відмови від розливання стопорними ковшами, що ускладнює процес виробництва сталей, що містять азот. Відомий також спосіб виплавки конструкційної сталі, що містить азот, який включає розплавлення шихти, окислення домішок, розкиснення алюмінієм в кількості 0,2-0,4кг/т, рідкоземельними металами, сілікоцирконієм в кількості 1-2кг/т, введенні ферованадію в кількості 1,5-4кг/т, легування азотом у вигляді литого азотованого феросплаву і обробку розплаву в ковші феробором у кількості 0,2-0,3кг/т і сілікокальцієм у кількості 0,8-0,9кг/т. [5. А.с. СРСР №1047965, С21С5/52, бюл. №38, 1983]. Проте до вищевикладених недоліків розкиснення сталі рідкоземельними металами додається те, що додаткове розкиснення сілікоцирконієм призводить до утворення в сталі нітридів цирконію, які практично не розчиняються в процесі термічної обробки і, як наслідок, відсутній твердорозчинний вплив азоту, що призводить до зниження ефективності нітридванадієвого зміцнення при виробництві виробів із сталей з азотом і ванадієм. Відомий також спосіб виготовлення виливків з вуглецевих сталей, що включає виплавку сталі, модифікацію розплаву перед заливкою азотом в кількості 0,01-0,02% і ванадієм в кількості 0,07-0,10%, заливку в ливарні форми, вибивання, охолодження і термічну обробку при температурі на 30-50°С нижче за температуру повного розчинення нітридів ванадію. [6. А.с. СРСР №1057177, В22D25/00, бюл. №44, 1983]. Проте відсутність регламентованого розкиснення сталі призводить до нестабільного відтворення властивостей сталей з азотом і ванадієм, внаслідок утворення нітридів елементів розкислювачів (алюміній, титан, цирконій і ін.), які мають більшу спорідненість до азоту, ніж ванадій. Крім того, для нагріву в процесі термічної обробки до температур на 30-50°С нижче за температуру повного розчинення нітридів ванадію потрібні термічні печі з робочими температурами не нижче 1000°С, що не завжди можна здійснити в виробничих умовах. Відомий також спосіб виготовлення виливків з низьколегованих сталей, що включає виплавку сталі, модифікацію, легування перед заливкою азотом в кількості 0,012-0,018 масових % і ванадієм в кількості 0,07-0,10 масових %, заливку в ливарні форми, вибивання, охолодження і термічну обробку при температурі на 100-150°С нижче за температуру повного розчинення нітридів ванадію [7. А.с. СРСР №1696125, В22D25/00, бюл. №45, 1991 – прототип]. Проте цим способом не можна підвищити якість сталевих виробів, що містять азот і ванадій, в умовах абразивного зношування, тому що цей спосіб не дає можливість одночасно якісно розкислювати сталь і ефективно модифікувати структуру виробу в процесі його охолодження після затвердіння і термічної обробки, оскільки відсутня регламентація кількості розкислювачів і ванадію при виплавці і розливанні сталі, яка містить азот і ванадій, що може призвести до формування в структурі нітридів розкислювачів (наприклад, нітридів алюмінію замість нітридів ванадію), що негативно впливає на властивості виробів із сталей, що містять азот і ванадій. Крім того, у відомому методі не вказаний час витримки виробів в процесі термічної обробки, що не дає можливості здійснювати оптимальну термічну обробку виробів, що містять азот і ванадій, та, як наслідок, реалізувати потенційні можливості методу нітридованадієвого зміцнення. Корисної моделлю ставиться завдання підвищення абразивної зносостійкості сталевих виробів, що містять азот і ванадій. Поставлене завдання досягається тим, що у способі виробництва сталевих виробів, що вмістять азот і ванадій, який включає розплавлення шихти в печі, попереднє розкиснення, легування, визначення хімічного складу розплаву в печі, заливку зливка з подальшою обробкою тиском, або заливку ливарної форми і термічну обробку, згідно винаходу після попереднього розкиснення розплаву, легування і визначення в ньому вмісту азоту в піч додають ванадій в кількості, що більш ніж в 5,6 разів перевищує кількість азоту в розплаві в печі, перед випуском визначають вміст кисню. алюмінію і ванадію в металі в печі, в процесі зливу розплаву в ківш додають алюміній [Alк], кількість якого залежно від вмісту в розплаві кисню [Оп]. алюмінію [Аlп] і ванадію [Vп] визначається наступним співвідношенням: (1) 3,4 × [O n ] - [Alп ] < [Al к ] 112 × [O] ст . , Проте згідно експериментальних даних наведених у роботі [8. Шульте Ю.А. Производство отливок из стали. Киев-Донецк, Вища школа, 1983. -c.183] в процесі розливання рідкої сталі з ковша в зливок або ливарну форму, залежно від марки сталі, відбувається насичення розплаву киснем у кількості до 50% від його вмісту в розплаві перед випуском металу з печі. Отже ефективне розкиснення сталі алюмінієм може бути досягнуте тільки в тому разі, якщо його вміст в сталі [ Al] ст після розкиснення в печі [ Alп ] і ковші [ Alк ] визначатиметься наступним співвідношенням: [ Al]ст = [ Alп ] + [ Alк ] > 112 × [O]ст > 112 × ( [O]п + , , + [O]р ) > 112 × ( [O]п + 0,5 [O]п ) >,12 × 15 × ( [O]п > 1 7 × ( [O]п , , , (3) де [O]п - вміст кисню в розплаві в печі перед випуском; [ O] р = 0,5 [ O] п - додаткова кількість кисню, що поступає в розплав у процесі розливання від моменту випуску розплаву з печі до затвердіння в зливку або ливарній формі. Відомо [8], що алюміній має більш високу спорідненість до азоту, ніж ванадій. Тому, для уникнення утворення нітридів алюмінію (що негативно впливають на властивості сталей) необхідно весь азот зв'язати в нітриди ванадію. Утворення нітридів ванадію в затверділій сталі відбувається за наступною реакцією (4) [ V ] cт + [N] cт = [ VN] cт де [ V ] cт , [N] cт , [ VN] cт - вміст ванадію, азоту і нітридів ванадію в металі зливка або виливка, відповідно. Враховуючи атомні маси ванадію (МV=50.94) та азоту (МN=14) на 1 одиницю маси азоту в металі зливка або виливка необхідно 50.94/14 = 3,64 одиниць маси ванадію та вміст ванадію в сталі повинен бути [V]ст>3,64×[N]ст. Згідно експериментальним даним наведеним у роботі [8] в процесі розливання пі якої сталі з ковша в зливок або ливарну форму, залежно від марки сталі, відбувається насичення розплаву азотом у кількості до 40% від його вмісту в розплаві перед випуском металу з печі. Отже стехіометрична кількість ванадію необхідна для повного скріплення азоту в нітриди ванадію визначатиметься наступним співвідношенням: [V] ст > 3,64 × [N] cт > 3,64 × ([N] п + [N] p ) > 3,64 × ([N] п + + 0,4 × [N] п ) > 3,64 × 1,4 × [N] п > 5,1 × [N] п, (5) де [N]п - вміст азоту в розплаві в печі перед випуском, [N]p=0,4×[N]п - додаткова кількість азоту, що поступає в розплав в процесі розливання від моменту випуску розплаву з печі до затвердіння в зливку або ливарній формі. Враховуючи, що втрати ванадію при завантаженні його в піч, складають до 10 % (вигар, заплутування в шлаку), мінімальна кількість ванадію необхідна для повного скріплення азоту в нітриди ванадію повинна бути збільшена на 10 % і відповідати наступному співвідношенню: (6) [V] ст > 5,1 × 1,1 × [N] п = 5,6 × [N] п , Проте для максимальної реалізації потенційних можливостей методу нітридванадієвого зміцнення, при розкислюванні сталей алюмінієм необхідно регламентувати співвідношення алюмінію і ванадію в сталі, що містить азот. Нашими дослідженнями встановлено, що переважне виділення нітридів ванадію в сталі, що містить алюміній і азот, досягається при співвідношенні вмісту ванадію в сталі [V]ст до вмісту алюмінію в твердому розчині [Аl]твр більше двох: [V]ст/[Al]твр>2 (7) Враховуючи, що [Аl]твр = [Аl]ст-[Аl]св [Аl]ст=[Аl]п +[Аl]к [Аl]св - алюміній зв'язаний з киснем [Аl]св=1,7×[O]п [V]cт=0,9.[V]п, де 0,9 - коефіцієнт, що враховує 10 % втрати ванадію після завантаження його в піч. Нерівність (7) можна написати в наступному вигляді: [Аl]ст