[1]Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейному производству, и может быть использовано для получения литых высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов.
[2]Из уровня техники известно, что с целью измельчения структуры и повышения механических свойств литых деталей в процессе плавки или при заливке в формы в расплав вводят специальные добавки (модификаторы), которые обеспечивают формирование мелкокристаллического строения отливки. Модификаторы обычно вводят в пределах сотых или десятых долей процента от массы расплава.
[3]В последнее время в качестве модификаторов находят применение ультрадисперсные порошки и нанопорошки химических соединений, которые представляют собой сверхмелкозернистые кристаллические образования. Данные соединения обладают уникальными физико-химическими и механическими свойствами, существенно отличающимися от свойств материалов того же химического состава, но более крупных структур.
[4]Модифицирование расплавов такими модификаторами позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий, получаемых из отливок.
[5]Известен способ модифицирования стали нитридами, включающий расплавление шихты, введение в расплав ферросплава, содержащего нитриды ниобия, раскисление и разливку стали, причем совместно с нитридами ниобия дополнительно вводят нитриды циркония при соотношении в ферросплаве Zr:Nb 1:10-20, причем ферросплав вводят в виде порошка с размером частиц 0,5-3,0 мм непосредственно после раскисления стали (см. опубликованная заявка №94037421, кл. C21C 5/52, 1996 г.).
[6]В результате анализа известного способа необходимо отметить, что использование в качестве модификаторов нитридов циркония с размерами частиц 0,5-3,0 мм не позволяет получить равномерно распределенную мелкозернистую структуру отливок, что отрицательно сказывается на свойствах литых деталей.
[7]Известен способ получения монокристальных отливок преимущественно из жаропрочных никелевых сплавов, включающий приготовление расплава, модифицирование его смесью порошков тугоплавкого соединения и одного из металлов, образующих с ним устойчивые химические соединения, в количестве не более 0,1% от массы обрабатываемого расплава, заливку расплава в литейную форму, нагретую до температуры выше температуры ликвидуса сплава, и направленную кристаллизацию, причем модифицирование расплава смесью порошков ведут в количестве не менее 0,03% от массы обрабатываемого расплава, затем его закристаллизовывают, получая шихтовую заготовку, вновь нагревают до 1500-1740°C и проводят дополнительное модифицирование той же смесью порошков в количестве 0,01 0,1% от массы обрабатываемого расплава, после чего доводят температуру расплава до 1650-1750°C и перед заливкой в литейную форму выдерживают 0,5-10,0 мин, при этом в качестве порошков тугоплавкого соединения используют карбиды, и/или нитриды, и/или карбонитриды, и/или оксикарбонитриды титана или ниобия.
[8]Патент РФ №2068317, кл. B22D 27/04, 1994 г. - наиболее близкий аналог.
[9]В результате анализа известного способа необходимо отметить, что он весьма сложен в осуществлении и не позволяет получить отливки высокого качества вследствие неравномерного распределения модификаторов по объему отливки.
[10]Техническим результатом заявленного изобретения является усовершенствование способа модифицирования сталей и сплавов, позволяющего получать отливки с заданными высокими механическими свойствами за счет использования определенных модификаторов и формирования равномерного распределения их в объеме расплава и сохранение полученных свойств при высоких температурах.
[11]Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в способе модифицирования жаропрочного сплава на никелевой основе, включающем получение расплава металла или сплава в плавильном агрегате, выпуск его в ковш, ввод в расплав модификаторов, новым является то, что в качестве модификаторов используют нанопорошки карбонитрида титана и карбида вольфрама в равных долях в диапазоне 5-10 вес.%, которые смешивают с порошков никелевой матрицы, после чего смесь компактируют и вводят в расплав перед окончанием плавки или в струю расплава при его выпуске в количестве 0,03-0,45% от массы расплава.
[12]Сущность заявленного способа поясняется приложенными к материалам заявки материалами, на которых:
[13]на фиг.1 - компактированные модификаторы;
[14]на фиг.2 - дендритная структура литого сплава ЖС3-ДК после его модифицирования;
[15]на фиг.3 - макроструктура сечения отливок, (вверху - отливка без модификаторов (№2), внизу - отливка с модификаторами (№1), (а) - сечение отливок; (б) - цельные отливки;
[16]на фиг.4 - электронная сканирующая микроскопия литого сплава ЖС3-ДК после травления реактивом Марбле. Ячеистая структура матрицы и карбидное включение;
[17]таблица - результаты сравнения структур немодифицированной и модифицированной отливок, представленных на фиг.3.
[18]Способ осуществляют следующим образом
[19]Для осуществления способа первоначально подготавливают модификаторы, которые подают в расплав в компактированном виде (фиг.1).
[20]Модификаторы компактируют путем вакуумного спекания или холодного прессования. Перед компактированием готовится смесь порошков матричного металла и нанопорошков модификаторов, в которой количество последних находится в равных долях в диапазоне 5-10% вес. В качестве матричного порошка используется порошок никеля марки НПЭ с размером частиц 10-50 мкм.
[21]В качестве модификаторов используют ультрадисперсные порошки и нанопорошки, полученные методом плазмохимического синтеза, а именно, карбид вольфрама (WC) и карбонитрид титана (TixCyNz).
[22]Применение карбонитрида титана и карбида вольфрама в смеси с никелевой матрицей обеспечивает высокий модифицирующий эффект при низкой стоимости сырья.
[23]Применение модификаторов в компактированном виде обусловлено тем, что частицы нанопорошков с размерами менее 60-70 нм легко слипаются, их окисление начинается при сравнительно низких температурах, а также они плохо смачиваются жидким металлом. Несмотря на высокую плотность (от 1380 кг/м3) нанопорошки легко образуют в воздухе пылевидную взвесь, которая при определенных условиях самовозгорается и взрывается. Все это делает нежелательным введение модификаторов в расплавы в виде нанопорошков.
[24]Осуществляют расплавление шихты в сталеплавильном агрегате. Ведут плавку с соответствии с технологическим процессом плавки. При выпуске расплава или перед окончанием плавки (за 3-7 минут до ее окончания) соответственно в струю выпускаемого расплава или расплав в компактированном виде вводят модификаторы - кабонитрид титана и карбид вольфрама в равных долях в количестве 0,03…0,45% от массы расплава.
[25]Как показали эксперименты, введение в расплав модификаторов в количестве 0,03-0,45% от массы расплава приводит к существенному изменению как получаемой структуры, так и морфологии и топографии карбидной фазы. При этом происходит резкое измельчение макрозерна, устраняется столбчатость зерен и разнозернистость. Дендритная структура литого металла (фиг.2) тонкая и однородная по сечению слитка. Карбиды в жаропрочных сплавах типа ЖС3-ДК приобретают компактную равноосную форму и равномерно распределены по объему зерна.
[26]При увеличении количества модификатора выше указанного верхнего предела макрозерно измельчается, увеличивается общая протяженность границ зерен, снижается граничная концентрация элементов-упрочнителей границ зерен и, в итоге, жаропрочность отливки может снижаться.
[27]При уменьшении количества модификаторов менее 0,03% резко снижается модифицирующий эффект.
[28]Сущность заявленного способа будет далее понятна из приведенного ниже примера.
[29]Были проведены пробные плавки материала - сплава ЖС3-ДК с модификатором и без модификатора.
[30]Загружали шихту в тигель. Загрузку шихты в тигель производили в следующей последовательности. На дно тигля укладывали никель (50-60% от взвешенного расчетного количества), вольфрам, молибден, хром, кобальт, остальной никель.
[31]Упакованные в алюминиевую фольгу (углерод, титановую губку, алюминий, лигатуру никель-бор, мишметалл, нанолигатуру) помещали в дозатор, подвешивая их в указанной последовательности снизу вверх.
[32]Плавку вели при разряжении 10-3 мм рт.ст. и максимальной для конкретной загрузки мощности.
[33]Во время плавки включали подогрев форм в камере до температуры 500-700°C.
[34]После полного расплавления загруженной в тигель шихты расплав нагревали до температуры 1590-1650°C и проводили рафинирование. После этого на зеркало металла присаживали углерод и выдерживали расплав.
[35]Доводили температуру расплава до 1450-1500°C (замер температуры производили оптическим пирометром) и присаживали титан. Выдерживали расплав.
[36]При температуре расплава 1450-1490°C присаживали алюминий, выдерживали расплав.
[37]Доводили температуру расплава до 1550-1570°C и вводили из дозатора лигатуру никель-бор и мишметалл. Выдерживали расплав в течение 3-5 мин, после чего сливали расплав в форму.
[38]В принципе, это стандартный технологический процесс получения данного сплава.
[39]Для получения модифицированного материала все действия осуществляли аналогично описанному выше. Дополнительно, после выдержки расплава при его разливке в струю расплава вводили модификаторы в количестве 0,23% от массы расплава в виде прессованных таблеток.
[40]После окончания разливки отключали нагрев. Выдержка кокилей (форм) в вакууме составляла 2 часа. Исследовали полученные отливки.
[41]Результаты микроструктурного исследования показали, что основные фазы в структуре сплава ЖС3-ДК-карбиды и γ-фаза. В немодифицированном сплаве включения карбидов в виде каркасов располагаются преимущественно по границам зерен и имеют большую протяженность. Карбиды подобной морфологии оказывают отрицательное влияние на свойства сталей и сплавов. В результате модифицирования карбиды приобретают компактную полиэдрическую форму и равномерно распределены по объему зерна.
[42]В таблице и на фиг.3 представлены в сравнении структура немодифицированного и модифицированного сплава.
[43]Сравнением структур модифицированной (1) и немодифицированной (2) отливок, представленных на фиг.3, установлено:
[44]- размер зерна в отливке с модификаторами (1) меньше, чем у серийной отливки по всем исследуемым зонам (таблица);
[45]- макроструктура модифицированной отливки плотная, литейные дефекты отсутствуют.
[46]Подтверждением эффекта модифицирования сплава ЖС3-ДК введением модификаторов TiC+WC и WC+Ti(CN) является более высокий уровень прочностных свойств материала модифицированных отливок по сравнению с немодифицированными.
[47]При испытании полученных материалов установлено повышение механических характеристик материала модифицированных отливок. Так, введение модификаторов (WC+TiCN), в количестве 0,45% от металлозавалки повысило предел прочности отливки на 15%, относительное удлинение на 138%, ударную вязкость на 100% по сравнению с соответствующими характеристиками немодифицированных отливок.
[48]На фиг.4 представлена сканирующая электронная микроскопия литого модифицированного сплава ЖС3-ДК. Отчетливо видно ячеистое строение матрицы с расположенными в ней углублениями, имеющими форму, близкую к квадрату, с размерами ячейки менее чем 500х500 нм, из чего можно сделать вывод, что данные частицы являются γ'-фазой типа (Ni,Co)3, когерентно связанной с матрицей.
[49]Таким образом, введение модификаторов в металл или сплав не приводит к изменению химического состава отливок сплава ЖС3-ДК. Прочностные и пластические характеристики в результате введения в расплав модификаторов возрастают.
[50]| Таблица |
| № отливки | Размер зерна, балл |
| Обод (сечение толщиной 2 мм) | Лопатка (сечение толщиной 5 мм) | Диск (сечение толщиной 20 мм) | Ступица (сечение толщиной 30 мм) |
| 1 | 3 | 4 | 5 | 5 |
| 2 | 5 | 6 | 7 | 7 |
