Спосіб виробництва сталевих виробів, що містять азот і ванадій

Спосіб виробництва сталевих виробів, що містять азот і ванадій, який включає розплавлення шихти в печі, попереднє розкислення і легування розплаву в печі, визначення хімічного складу розплаву, розливання сталі в ківш, заливку розплаву сталі у виливницю, вилучення зливка з виливниці з подальшою його обробкою тиском або заливку сталевого розплаву у ливарні форми і термічну обробку утвореного виробу, який відрізняється тим, що після попереднього розкислення розплаву сталі, легування і визначення вмісту в ньому азоту, в піч додають ванадій в кількості, що перевищує більше ніж в 5,6 разів кількість азоту в розплаві сталі в печі, перед випуском його в ківш визначають вміст кисню, алюмінію і ванадію у вказаному розплаві в печі, в процесі зливу розплаву в ківш додають алюміній (Alк), кількість якого залежно від вмісту в розплаві в печі кисню (Оп), алюмінію (Аlп) і ванадію (Vп) визначають наступним співвідношенням: 3,4.(Oп) – (Alп) < (Alк) < 0,45.(Vп), а температуру нагрівання і час витримки виробу в термічній печі в процессі термічної обробки визначають за умови розчинення в аустеніті від 50 мас. % до 70 мас. % нітридів ванадію. UA (11) (21) a200502236 (22) 14.03.2005 (24) 15.09.2006 (46) 15.09.2006, Бюл. № 9, 2006 р. (72) Афтанділянц Євген Григорович, Зазимко Оксана Володимирівна, Лопатько Костянтин Георгійович (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ АГРАРНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) SU, 990 828, A, 23.01.1983 SU, 1 047 965, A, 15.10.1983 SU, 1 057 177, A, 30.11.1983 SU, 1 696 125, A1, 07.12.1991 UA, 10 414, A, 25.12.1996 UA, 10 864, A, 25.12. 1996 Заявка RU, 98123163, A, 27.09.00 RU, 2 200 198, C2, 10.03.2001 EP, 0 035 681, A1, 16.09.1981 EP, 1 035 222, A1, 13.09.00 FR, 2 774 098, A1, 30.07.1999 WO, 2004/057048, A1, 08.07.2004 US, 6 773 662, A, 10.08.2004 JP, 2003-183771, A, 03.07.2003 Шульте Ю.А. Производство отливок из стали. - К.: Вища школа, 1983, с. 137-170 Лев И.Е., Покидышев В.В. и др. Анализ азотсодержащих соединений в сплавах железа. М.: Металлургия, 1987, с. 94-101 Афтандилянц Е.Г, Бабаскин Ю.З. Влияние легирования на процессы растворения и выделенич нит C2 2 (19) 1 3 76908 4 му їх охолодженні та перекристалізаціях в твердоВ 22 D 25/00, бюл. 1983, № 44]. Проте відсутність му стані при термічній обробці. регламентованого розкислення сталі призводить На процес первинної кристалізації сталевих до нестабільного відтворення властивостей ставиробів, що містять азот і ванадій, значно впливалей з азотом і ванадієм, внаслідок утворення нітють властивості рідкого металу, які у свою чергу ридів елементів розкислювачів (алюміній, титан, істотно залежать від вмісту кисню, розкислювачів, цирконій і ін.), які мають більшу спорідненість до азоту і ванадію. Одночасно вказані чинники разом азоту, ніж ванадій. Крім того, для нагріву в процесі з теплофізичними умовами фазових перетворень термічної обробки до температур на 30-50 °С нижздійснюють вирішальний вплив на формування че за температуру повного розчинення нітридів вторинної структури при термічній обробці сталі [3. ванадію потрібні термічні печі з робочими темпеБабаскин Ю. З., Шипицын С. Я., Афтандилянц Е. ратурами не нижче 1000 "С, що не завжди можна Г. Экономное легирование стали. - Киев: Наукова здійснити в виробничих умовах. думка, 1987.- с. 185]. Отже, найвищий рівень фиВідомий також спосіб виготовлення виливків з зико-механічних властивостей сталевих виробів, низьколегованих сталей, що включає виплавку що вмістять азот і ванадій, може бути досягнутий, сталі, модифікацію, легування перед заливкою якщо регламентований вміст в розплаві розкислюазотом в кількості 0,012 - 0,018 масових % і ванавачів (які мають більш високу спорідненість до дієм в кількості 0,07 - 0,10 масових %. заливку в азоту, ніж ванадій), азоту і ванадію забезпечують ливарні форми, вибивання, охолодження і термічпослідовний ефективний позитивний вплив на ну обробку при температурі на 100 - 150 °С нижче властивості рідкої сталі і на утворення структури за температуру повного розчинення нітридів ванана всіх етапах виробництва виробів. дію [7. А.с. СРСР № 1696125, В 22 D 25/00, бюл. Відомий спосіб виробництва сталей, що міс1991, № 45 – прототип]. тять азот, який включає розплавлення шихти, окиПроте цим способом не можна підвищити слення домішок, розкислення і легування, введенякість сталевих виробів, що містять азот і ванадій, ня нітридутворюючого елемента і азоту у вигляді в умовах абразивного зношування, тому що цей феросплаву в кількості 1-30 кг/т, рідкісноземельспосіб не дає можливість одночасно якісно розкиних металів в кількості 2-3 кг/т, витримку в печі слювати сталь і ефективно модифікувати структупротягом 5 - 10 хв і обробку сілікокальцієм в прору виробу в процесі його охолодження після зацесі виливу сталі в ківш у кількості 1-1,5 кг/т. [4. твердіння і термічної обробки, оскільки відсутня А.с. СРСР № 990828, С21 С 5/52, бюл. 1983, № 3]. регламентація кількості розкислювачів і ванадію Проте розкислення сталі рідкісноземельними мепри виплавці і розливанні сталі, яка містить азот і талами призводить до значного підвищення варванадій, що може призвести до формування в тості виробів (внаслідок високої вартості рідкісноструктурі нітридів розкислювачів (наприклад, нітземельних металів), а також викликає заростання ридів алюмінію замість нітридів ванадію), що негастаканів стопорних розливних ковшів, що призвотивно впливає на властивості виробів із сталей, дить до додаткової операції по їх пропалюванню що містять азот і ванадій. Крім того, у відомому кисневими пальниками або до відмови від розлиметоді не вказаний час витримки виробів в процесі вання стопорними ковшами, що ускладнює процес термічної обробки, що не дає можливості здійснювиробництва сталей, що містять азот. вати оптимальну термічну обробку виробів, що Відомий також спосіб виплавки конструкційної містять азот і ванадій, та, як наслідок, реалізувати сталі, що містить азот, який включає розплавлення потенційні можливості методу нітридованадієвого шихти, окислення домішок, розкислення алюмінієм зміцнення. в кількості 0,2-0,4 кг/т, рідкісноземельними метаВинаходом ставиться задача підвищення аблами, сілікоцирконієм в кількості 1-2 кг/т, введенні разивної зносостійкості сталевих виробів, що місферованадію в кількості 1,5-4 кг/т, легування азотять азот і ванадій. том у вигляді литого азотованого феросплаву і Поставлена винаходом задача досягається обробку розплаву в ковші феробором у кількості тим, що у способі виробництва сталевих виробів, 0,2-0,3 кг/т і сілікокальцієм у кількості 0,8-0,9 кг/т. що вмістять азот і ванадій, який включає розплав[5. А.с. СРСР № 1047965, С21 С 5/52, бюл. 1983, лення шихти в печі, попереднє розкислення, легу№ 38]. Проте до вищевикладених недоліків розкивання, визначення хімічного складу розплаву в слення сталі рідкісноземельними металами додапечі, заливку розплаву сталі у виливницю, вилується те, що додаткове розкислення сілікоцирконічення утвореного злива з подальшою обробкою єм призводить до утворення в сталі нітридів його тиском, або заливку ливарної форми розплацирконію, які практично не розчиняються в процесі вом сталі і термічну обробку утвореного виробу, термічної обробки і, як наслідок, відсутній твердозгідно винаходу після попереднього розкислення розчинний вплив азоту, що призводить до зниженрозплаву, легування і визначення в ньому вмісту ня ефективності нітридванадієвого зміцнення при азоту в піч додають ванадій в кількості, що більш виробництві виробів із сталей з азотом і ванадієм. ніж в 5, 6 разів перевищує кількість азоту в розпВідомий також спосіб виготовлення виливків з лаві в печі, перед випуском визначають вміст кисвуглецевих сталей, що включає виплавку сталі, ню, алюмінію і ванадію в металі в печі, в процесі модифікацію розплаву перед заливкою азотом в зливу розплаву в ківш додають алюміній [A1к], кікількості 0,01 - 0,02 % і ванадієм в кількості 0,07 лькість якого залежно від вмісту в розплаві кисню 0,10 %, заливку в ливарні форми, вибивання, охо[Он], алюмінію [A1к] і ванадію [Vп] визначається лодження і термічну обробку при температурі на наступним співвідношенням: 30 - 50 °С нижче за температуру повного розчи3,4.[Oн] - [Alп] < [A1к] 5,1.1,l.[N]п = 5,6.[N]п, (6) Згідно балансу мас за рівнянням (2) і атомних Проте для максимальної реалізації потенціймас алюмінію і кисню на 1 одиницю маси кисню них можливостей методу нітридванадієвого зміц[O]ст необхідно 2.26,98/(3.16) = 1,12 одиниць маси нення, при розкислюванні сталей алюмінієм необалюмінію, отже вміст алюмінію в сталі [А1]ст повихідно регламентувати співвідношення алюмінію і нен бути [А1]ст > 1,12.[O]ст. ванадію в сталі, що містить азот. Проте згідно експериментальних даних навеНашими дослідженнями встановлено, що педених у роботі [8. Шульге Ю. А. Производство отреважне виділення нітридів ванадію в сталі, що ливок из стали. Киев-Донецк, Вища школа, 1983.містить алюміній і азот, досягається при співвідc.183] в процесі розливання рідкої сталі з ковша в ношенні вмісту ванадію в сталі [V]cт до вмісту зливок або ливарну форму, залежно від марки алюмінію в твердому розчині [А1]твр більше двох: сталі, відбувається насичення розплаву киснем у [V]ст/[А1]твр > 2, (7). кількості до 50 % від його вмісту в розплаві перед Враховуючи, що [А1]твр = [А1]ст = [А1]св випуском металу з печі. [А1]ст = [А1]п + [A1]к Отже ефективне розкислення сталі алюмінієм [А1]св - алюміній зв'язаний з киснем [А1]св = може бути досягнуте тільки в тому разі, якщо його 1,7.[О]п вміст в сталі [А1]ст після розкислення в печі [А1п] і [V]ст = 0,9.[V]п, де 0,9 - коефіцієнт, що враховує ковші [А1к] визначатиметься наступним співвідно10 % втрати ванадію після завантаження його в шенням: піч. [А1]ст = [А1п] + [А1к] > 1,12.[О]п > 1,12.([О]п+[О]р) Нерівність (7) можна написати в наступному > 1,12.([О]п + 0,5.[О]п) > 1,12.1,5.[О]п > 1,7.[О]п, (3) вигляді: де [О]п - вміст кисню в розплаві в печі перед [А1]ст < 0,45.[V]п + l,7.[O]п, (8). випуском; З умов розкислення сталі алюмінієм (нерів[О]р = 0,5.[О]п - додаткова кількість кисню, що ність 3) і переважною виділення нітридів ванадію поступає в розплав у процесі розливання від мо(нерівність 8) кількість алюмінію, яка необхідна менту випуску розплаву з печі до затвердіння в для введення в ківш, визначатиметься наступним зливку або ливарній формі. співвідношенням: Відомо [8], що алюміній має більш високу спо3,4.[О]п - [А1п] < [A1к] < 0,45.[V]п (9) рідненість до азоту, ніж ванадій. Тому, для уникПри завантаженні алюмінію в ківш у кількості нення утворення нітридів алюмінію (що негативно [A1к] 0,45.[V]п в зливках або виливках, в процесі ридів ванадію в металі зливка або виливка, відпоїх охолодження після затвердіння або термічної відно. обробки, створюватимуться передумови для пеВраховуючи атомні маси ванадію (МV = 50.94) реважного виділення нітридів алюмінію, а не вата азоту (МN = 14) на 1 одиницю маси азоту в менадію, що призводить до зниження рівня властиталі зливка або виливка необхідно 50.94/14 = 3,64 востей сталевих виробів. одиниць маси ванадію та вміст ванадію в сталі Введення ванадію в піч у кількості, що менш повинен бути [V]ст > 3,64.[N]ст. ніж в 5,6 разів перевищує кількість азоту в розплаЗгідно експериментальним даним наведеним у ві в печі призводить до неповного скріплення азоту роботі [8] в процесі розливання рідкої сталі з кові формування недостатньої кількості нітридів ваша в зливок або ливарну форму, залежно від марнадію в сталі, що знижує ефективність впливу азоки сталі, відбувається насичення розплаву азотом ту і ванадію на процес формування структури і у кількості до 40 % від його вмісту в розплаві певластивостей сталевих виробів з сталей, що місред випуском металу з печі. тять азот і ванадій. Отже стехіометрична кількість ванадію необМаксимальний вміст ванадію в сталі, що місхідна для повного скріплення азоту в нітриди ватить азот (більш ніж в 5,6 разів перевищує кільнадію визначатиметься наступним співвідношенкість азоту в розплаві в печі), обмежується умованям: ми роботи сталевих виробів, температурними [V]ст > 3,64.[N]ст. > 3,64.([N]п + [N]p) > 3,64.([N]п + режимами нагріву в процесі термічної обробки і 0,4.[N]п) > 3,64.1,4.[N]п > 5.1. [N]п, (5). може досягати декількох відсотків. де [N]п - вміст азоту в розплаві в печі перед Нами встановлено, що оптимальна дисперсвипуском, [N]p = 0,4. [N]п - додаткова кількість азоність аустеніту і структур, що формуються в проту, що поступає в розплав в процесі розливання цесі фазових перетворень при охолодженні, дося 7 76908 8 гається тоді, коли в процесі нагріву при термічній 150, які встановлювали на працюючі трактори. В обробки в аустеніті розчиняється від 50% до 70% процесі роботи тракторів вимірювали швидкість нітридів ванадію. зносу втулок (Vз = d/ ), яку визначали як частку Така кількість розчинених нітридів ванадію є від ділення зменшення діаметра втулок (Ad, мм) за оптимальною тому, що азот, розчинений в таких час роботи трактора (т, год.). кількостях в аустеніті, підвищує стійкість переохоТемпературу нагріву (tн) і час витримки ( н) залодженого аустеніту і зміщує температурний інтеготовки при нагріві в процесі нормалізації визнарвал фазових перетворень в область більш низьчали з умови отримання заданого вмісту нітридів ких температур, що призводить до диспергування ванадію в аустеніті при нагріві, що визначалося як структурних складових, а частка нітридованадієвої експериментальними [9. Анализ азотсодержащих фази, що не розчинилася, гальмує зростання зерсоединений в сплавах железа/ И. Е. Лев, В. В. Пона аустеніту при нагріві, створюючи умови для кидышев, Б. Г. Лазарев, Н. С. Мицкевич. - М.: Меформування дисперсної аустенітної структури. таллургия, 1987.- с. 120.], так і аналітичними [10. Тому оптимальні режими термічної обробки Афтандилянц Е. Г., Бабаскин Ю. З. Влияние легисталевих виробів, що містять азот і ванадій, порования на процессы растворения и выделения винні визначатися не абсолютними значеннями нітридів ванадия в аустените конструкционных температури і часу, а умовами розчинення в ауссталей. Процессы литья, № 2, 1992.-с. 55-60] метеніті від 50% до 70% нітридів ванадію. тодами фазового аналізу. Розчинення при нагріві менше 50% нітридів Результати виготовлення і випробування втуванадію призводить до присутності в структурі лок із сталі, що містить (масова частка %) С = 0,21; сталі великої кількості крупних первинних нітридів Si = 1.15; Mn = 0.92; Cr = 1.04, а також азот, ванаванадію (що виділилися в процесі охолоджування дій і алюміній, згідно відомого способу (варіант 1 після затвердіння), які є центрами перекристалізапрототип), способу, що заявляється (варіанти 2 ції при охолодженні і зміщують температурний 4), що виходить за межі способу, що заявляються інтервал фазових перетворень в область більш (варіанти 5,6), наведені в таблицях 1, 2, а оптимависоких температур. Це призводить до укрупнення льні температури нагріву і витримки заготовок в структури сталевих виробів, що погіршує її власпечі наведені на рисунку. тивості. Видно, що абразивна зносостійкість втулок, Розчинення при нагріві більше 70% нітридів виготовлених за способом, що заявляється, у 2,7 ванадію призводить до інтенсивного зростання 3,6 разів вища, ніж втулок виготовлених за відозерна аустеніту при нагріві і відповідного укрупмим способом (прототип). нення структур, які формуються при перетворенні Істотними відмінностями винаходу є: аустеніту в процесі охолодження, що також погір- завантаження ванадію в рідкий метал, що шує властивості сталевих виробів. знаходиться в печі, в кількості, що залежить від Приклад реалізації способу. вмісту в ньому азоту; В індукційній плавильній печі ІСТ-016 після ро- визначення вмісту кисню, алюмінію і ванадію зплавлення шихти розплав заздалегідь розкислюв металі в печі перед випуском; вали алюмінієм, легували кремнієм, марганцем, - розкислювання алюмінієм в ковші в кількості, хромом і азотом, визначали вміст в ньому азоту що залежить від вмісту кисню. алюмінію і ванадію [Nп], додавали ванадій, перед випуском визначали в металі в печі перед випуском; вміст кисню [Оп], алюмінію [Аlп] і ванадію [Vп] в ро- визначення температури нагріву і часу визплаві в печі, а в процесі зливу розплаву в ківш тримки виробу в термічній печі в процесі термічної додавали алюміній [Аlк]. обробки залежно від розчинення в аустеніті від Метал заливали в виливницю і брали пробу 50% до 70% нітридів ванадію. для визначення хімічного складу сталі [ДСТ 7565 Застосування запропонованого способу виро81, 12344 -78 - 12365 – 84]. Після затвердіння злибництва сталевих виробів, що вмістять азот і вавка та його кування на квадратні заготовки з рознадій, забезпечить їх абразивну зносостійкість у міром поперечного перерізу 150х150 мм, їх підда2,7 - 3,6 разів вищу, ніж прототип. вали нормалізації, після якої з заготівки виготовляли втулки ланок гусениць трактора Т 9 Комп’ютерна верстка М. Клюкін 76908 Підписне 10 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