RU2434964C1 - Alloy for steel micro-alloying - Google Patents
Alloy for steel micro-alloying Download PDFInfo
- Publication number
- RU2434964C1 RU2434964C1 RU2010106957/02A RU2010106957A RU2434964C1 RU 2434964 C1 RU2434964 C1 RU 2434964C1 RU 2010106957/02 A RU2010106957/02 A RU 2010106957/02A RU 2010106957 A RU2010106957 A RU 2010106957A RU 2434964 C1 RU2434964 C1 RU 2434964C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alloy
- silicon
- vanadium
- nitrogen
- iron
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 81
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 81
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 37
- 238000005275 alloying Methods 0.000 title description 11
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 96
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 52
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 43
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 29
- SKKMWRVAJNPLFY-UHFFFAOYSA-N azanylidynevanadium Chemical compound [V]#N SKKMWRVAJNPLFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N iron silicon Chemical compound [Si].[Fe] XWHPIFXRKKHEKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 10
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 10
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si].[Si] SBEQWOXEGHQIMW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 5
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract description 15
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 12
- 230000008018 melting Effects 0.000 abstract description 11
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 5
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 abstract 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 7
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 7
- 239000000161 steel melt Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229910000628 Ferrovanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- PNXOJQQRXBVKEX-UHFFFAOYSA-N iron vanadium Chemical compound [V].[Fe] PNXOJQQRXBVKEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000640 Fe alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 2
- 229910001337 iron nitride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 6-oxabicyclo[3.2.1]oct-3-en-7-one Chemical compound C1C2C(=O)OC1C=CC2 TVEXGJYMHHTVKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000922 High-strength low-alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000756 V alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[V+5].[V+5] XHCLAFWTIXFWPH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AODYOXABMUVFPE-UHFFFAOYSA-N [V].[Fe].[Si] Chemical compound [V].[Fe].[Si] AODYOXABMUVFPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000002075 main ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000011214 refractory ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000009628 steelmaking Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009182 swimming Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- -1 vanadium nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910001935 vanadium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Treatment Of Steel In Its Molten State (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Soft Magnetic Materials (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к металлургии, а именно к сплавам черных металлов, и конкретно касается ферросплавов, содержащих ванадий, азот и кремний и предназначенных для микролегирования стали ванадием и азотом.The invention relates to metallurgy, in particular to ferrous alloys, and specifically relates to ferroalloys containing vanadium, nitrogen and silicon and intended for microalloying steel with vanadium and nitrogen.
Предшествующий уровень техникиState of the art
В настоящее время в большом количестве выплавляются различные марки сталей, повышение механических характеристик которых достигается совместным легированием микродобавками ванадия и азота. Нитридванадиевое микролегирование применяют при производстве машиностроительных сталей, сталей для строительства, рельсовых сталей и многих других марок сталей. Азот и ванадий, выделяющиеся в стальном прокате в виде мельчайших нитридных и карбонитридных наночастиц, улучшают весь комплекс свойств металла: прочность и пластичность, хладостойкость и свариваемость и др. Важным является то, что такое улучшение достигается за счет минимальных расходов на микролегирование.At present, various grades of steel are smelted in large quantities, an increase in the mechanical characteristics of which is achieved by the joint alloying of vanadium and nitrogen with microadditives. Nitrid vanadium microalloying is used in the production of machine-building steels, steel for construction, rail steels and many other steel grades. Nitrogen and vanadium, which are released in the rolled metal in the form of the smallest nitride and carbonitride nanoparticles, improve the whole complex of metal properties: strength and ductility, cold resistance and weldability, etc. It is important that such an improvement is achieved due to the minimum microalloying costs.
В современном сталеплавильном производстве используют два типа лигатур, содержащих ванадий и азот. К первому типу относятся лигатуры, получаемые углетермическим восстановлением оксидов ванадия в вакуумных печах с последующим азотированием образующихся спеков (Например, patent 3334992 USA. Vanadium Containing Addition Agent and Process for Producing Same. 1967. См. также патенты США №№3857695, 4040814 и 4394161).In modern steelmaking, two types of ligatures are used containing vanadium and nitrogen. The first type includes ligatures obtained by carbon thermal reduction of vanadium oxides in vacuum furnaces followed by nitriding of the resulting cakes (For example, patent 3334992 USA. Vanadium Containing Addition Agent and Process for Producing Same. 1967. See also US patents Nos. 3857695, 4040814 and 4394161 )
Полученные таким образом сплавы сравнительно недороги, содержание азота в них может достигать больших значений. Однако высокая температура плавления карбонитрида ванадия (свыше 2400°С) и низкая плотность сплавов (менее 3 г/см3) ограничивают их использование вследствие большой продолжительности растворения спеков в стали и низкой степени усвоения не только азота, но и ванадия.The alloys thus obtained are relatively inexpensive; the nitrogen content in them can reach large values. However, the high melting point of vanadium carbonitride (over 2400 ° C) and the low density of alloys (less than 3 g / cm 3 ) limit their use due to the long dissolution of cakes in steel and the low degree of assimilation of not only nitrogen, but also vanadium.
Основу другого типа азотсодержащих ванадиевых сплавов составляет феррованадий. Получают азотированный феррованадий высокотемпературным твердофазным спеканием порошков исходного сплава в атмосфере азота. Плотность спеченного азотированного феррованадия несколько выше плотности карбонитридной лигатуры. Однако из-за невысокой прочности спеков и большого количества мелкой фракции, образующейся при дроблении, степень усвоения ванадия и азота остается низкой - менее 64% (авторское свидетельство 638626 СССР. Сплав для легирования стали. М., Кл. С22С 35/00. Опубл. 25.12.1978).The basis of another type of nitrogen-containing vanadium alloys is ferrovanadium. Nitrogenated ferrovanadium is obtained by high-temperature solid-phase sintering of the powders of the initial alloy in a nitrogen atmosphere. The density of sintered nitrided ferrovanadium is slightly higher than the density of carbonitride ligature. However, due to the low strength of the cakes and the large amount of fines formed during crushing, the degree of assimilation of vanadium and nitrogen remains low - less than 64% (copyright certificate 638626 of the USSR. Alloy for steel alloying. M., Cl. C22C 35/00. Publ. 12/25/1978).
Наиболее близким по достигаемому результату является техническое решение по авторскому свидетельству №1713948 СССР "Лигатура для аустенитных сталей", которое выбрано в качестве прототипа. Авторами изобретения-прототипа предлагается сплав, основными компонентами которого являются ванадий (2-30%), кремний (15-50%) и азот (10-25%). Кроме того, лигатура дополнительно может содержать алюминий (0,2-8,0%), хром (0,2-2,0%), марганец (1,0-5,0%), углерод (0,1-1,0%) и титан (0,5-10,0%). В сплаве-прототипе за счет большого содержания кремния и дополнительного введения титана и алюминия в количестве 5-15% удается достичь высокой концентрации азота - до 25%. Такой сплав эффективен при выплавке сталей с высокой концентрацией азота, в частности аустенитных нержавеющих, в которых максимальное содержание азота (до 0,64%) сочетается с относительно низкой концентрацией ванадия (соотношение V:N может изменяться в пределах 0,08-3,0). Вместе с тем для сплава-прототипа характерна низкая плотность (~4,0 г/см3), что приводит к невысокой степени усвоения азота (71-89%). Однако главным является то, что при помощи сплава-прототипа невозможно выплавлять стали с микродобавками азота и ванадия. Отличительной чертой таких сталей является то, что в них соотношение V:N находится в пределах от ~4:1 до 8:1. Т.е. количество ванадия в металле должно более чем в четыре раза превышать концентрацию азота.The closest to the achieved result is the technical solution according to copyright certificate No. 1713948 of the USSR "Ligature for austenitic steels", which is selected as a prototype. The authors of the prototype invention propose an alloy, the main components of which are vanadium (2-30%), silicon (15-50%) and nitrogen (10-25%). In addition, the ligature may additionally contain aluminum (0.2-8.0%), chromium (0.2-2.0%), manganese (1.0-5.0%), carbon (0.1-1 , 0%) and titanium (0.5-10.0%). In the prototype alloy, due to the high silicon content and the additional introduction of titanium and aluminum in an amount of 5-15%, it is possible to achieve a high nitrogen concentration - up to 25%. Such an alloy is effective in the smelting of steels with a high concentration of nitrogen, in particular austenitic stainless, in which the maximum nitrogen content (up to 0.64%) is combined with a relatively low concentration of vanadium (V: N ratio can vary between 0.08-3.0 ) However, the prototype alloy is characterized by a low density (~ 4.0 g / cm 3 ), which leads to a low degree of assimilation of nitrogen (71-89%). However, the main thing is that using a prototype alloy it is impossible to melt steel with microadditives of nitrogen and vanadium. A distinctive feature of such steels is that in them the V: N ratio is in the range from ~ 4: 1 to 8: 1. Those. the amount of vanadium in the metal should be more than four times the concentration of nitrogen.
Таким образом, анализ сплавов-аналогов предлагаемого изобретения и сплава-прототипа, основу которых составляет ванадий-кремний-железистый сплав, показывает, что ни один из них не обеспечивает высокую степень усвоения азота и ванадия расплавом при минимальном удельном расходе самого сплава и не позволяет выплавлять стали с микродобавками азота и ванадия с оптимальным их соотношением и гарантированным получением узких концентрационных пределов без дополнительной корректировки металла иными азот- и/или ванадийсодержащими лигатурами.Thus, the analysis of the analog alloys of the present invention and the prototype alloy, the basis of which is vanadium-silicon-ferrous alloy, shows that none of them provides a high degree of assimilation of nitrogen and vanadium by the melt with a minimum specific consumption of the alloy itself and does not allow melt steel with microadditives of nitrogen and vanadium with their optimum ratio and guaranteed obtaining narrow concentration limits without additional adjustment of the metal by other nitrogen and / or vanadium-containing ligatures.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
В основу предлагаемого к рассмотрению изобретения положено решение задачи создания такого азотсодержащего сплава для микролегирования стали, который позволял бы выплавлять все марки стали с микродобавками азота и ванадия при минимальном расходе самого сплава и предельно высокой степенью усвоения стальным расплавом как азота, так и ванадия.The invention proposed for consideration is based on the solution of the problem of creating such a nitrogen-containing alloy for microalloying steel, which would make it possible to smel all steel grades with microadditives of nitrogen and vanadium with a minimum consumption of the alloy itself and an extremely high degree of assimilation of both nitrogen and vanadium by the steel melt.
Задача решается тем, что предлагается сплав для микролегирования стали, содержащий ванадий, азот, кремний и железо, который имеет двухкомпонентную композиционную структуру, одним компонентом которого является нитрид ванадия, а другим - железокремниевый сплав. При этом в упомянутом нитриде ванадия массовое соотношение ванадия к азоту находится в пределах от 3,7:1 до 6,0:1, а в железокремниевом сплаве массовое соотношение железа к кремнию в пределах от 120:1 до 3:1. Сам предлагаемый композиционный сплав имеет плотность в пределах 4,2-6,9 г/см3, общую пористость 1,0-28,0%, прочность на сжатие от 2 до 192 МПа при следующем массовом соотношении компонентов:The problem is solved in that an alloy is proposed for microalloying steel, containing vanadium, nitrogen, silicon and iron, which has a two-component compositional structure, one component of which is vanadium nitride and the other is a silicon-silicon alloy. Moreover, in the said vanadium nitride, the mass ratio of vanadium to nitrogen is in the range from 3.7: 1 to 6.0: 1, and in the iron-silicon alloy, the mass ratio of iron to silicon is in the range from 120: 1 to 3: 1. The proposed composite alloy itself has a density in the range of 4.2-6.9 g / cm 3 , the total porosity of 1.0-28.0%, compressive strength from 2 to 192 MPa in the following mass ratio of components:
Причем в наилучших вариантах предлагаемого технического решения железокремниевый сплав дополнительно содержит кальций и/или алюминий в количестве 0,5-9,5 мас.% при массовом соотношении железа к кремнию в пределах от 90:1 до 6:1.Moreover, in the best variants of the proposed technical solution, the silicon-silicon alloy additionally contains calcium and / or aluminum in an amount of 0.5-9.5 wt.% With a mass ratio of iron to silicon ranging from 90: 1 to 6: 1.
В оптимальных вариантах предлагаемого изобретения железокремниевый компонент сплава для микролегирования стали дополнительно содержит медь, никель и/или марганец в количестве 0,8-8,0%.In optimal embodiments of the invention, the iron-silicon component of the alloy for microalloying steel additionally contains copper, nickel and / or manganese in an amount of 0.8-8.0%.
В предлагаемом изобретении решается задача создания азотсодержащих легирующих сплавов на основе ванадий-кремний-железистого сплава, сочетающих казалось бы взаимоисключающие свойства. С одной стороны, предлагаемый сплав должен иметь максимальную плотность, минимальную пористость и высокую прочность. С другой стороны, этот же сплав должен содержать максимальное количество азота. Кроме того, предлагаемый сплав для достижения высокой степени усвоения азота должен хорошо растворяться в стальном расплаве, а для этого он должен иметь низкую температуру плавления.The present invention solves the problem of creating nitrogen-containing alloying alloys based on vanadium-silicon-iron alloy, combining seemingly mutually exclusive properties. On the one hand, the proposed alloy should have a maximum density, minimum porosity and high strength. On the other hand, this same alloy should contain the maximum amount of nitrogen. In addition, the proposed alloy to achieve a high degree of assimilation of nitrogen must dissolve well in the steel melt, and for this it must have a low melting point.
Весьма неожиданно решить задачу удалось путем создания сплава с двухкомпонентной структурой. Одним компонентом такого композиционного сплава является нитрид ванадия с формулой VN, а другим - железокремниевый сплав. Здесь первый компонент является основным, ибо он собственно и есть источник азота и ванадия, а второй компонент играет вспомогательную роль и служит своеобразной связной, ответственной преимущественно за достижение высокой плотности и прочности. Кроме того, дополнительной ролью компонента-связки является обеспечение быстрого растворения всего сплава в жидком металле.Very unexpectedly, the problem was solved by creating an alloy with a two-component structure. One component of such a composite alloy is vanadium nitride with the formula VN, and the other is a silicon-silicon alloy. Here, the first component is the main one, because it is actually a source of nitrogen and vanadium, and the second component plays an auxiliary role and serves as a kind of coherent, mainly responsible for achieving high density and strength. In addition, an additional role of the binder component is to ensure the rapid dissolution of the entire alloy in a liquid metal.
Опытным путем было найдено, что высокое и стабильное усвоение азота сталью достигается при массовом соотношении ванадия к азоту в нитридванадиевом компоненте сплава, лежащем в пределах от 3,7:1 до 6,0:1. Рентгенофазовый анализ таких сплавов показал, что нитриды в них представлены исключительно в виде мононитрида ванадия δ-VNx, где "х" изменяется в пределах от 0,68 до 0,95. Нитриды железа (Fe4N, Fe2N) и кремния (Si3N4) практически отсутствуют. Нитриды железа термически неустойчивы, поэтому наличие их в азотсодержащих лигатурах всегда приводит к нестабильному усвоению азота расплавом. Нитрид кремния является тугоплавким керамическим соединением, трудно растворимым в стальном расплаве, поэтому содержание его в железокремниевом сплаве должно быть минимальным. Использование легирующего сплава на основе другого устойчивого нитрида ванадия V3N нецелесообразно. Во-первых, в нем много меньше азота по сравнению с мононитридом ванадия (9,2-10,5% и 16,1-21,5% соответственно). Кроме того, низший нитрид ванадия имеет меньшую плотность (5,9 г/см3 по сравнению с 6,1 г/см3 для VN), а синтез его более сложный технологический процесс. При массовом соотношении ванадия к азоту, превышающем 6,0:1, снижается концентрация азота в предлагаемом сплаве для легирования стали, а при том же соотношении меньше чем 3,7:1 становится затруднительным получение двухкомпонентного материала без образования других нитридов.It was experimentally found that high and stable assimilation of nitrogen by steel is achieved with a mass ratio of vanadium to nitrogen in the nitride-vanadium component of the alloy, lying in the range from 3.7: 1 to 6.0: 1. X-ray phase analysis of such alloys showed that the nitrides in them are represented exclusively in the form of vanadium mononitride δ-VNx, where "x" varies from 0.68 to 0.95. Iron nitrides (Fe 4 N, Fe 2 N) and silicon (Si 3 N 4 ) are practically absent. Iron nitrides are thermally unstable, therefore, their presence in nitrogen-containing ligatures always leads to unstable assimilation of nitrogen by the melt. Silicon nitride is a refractory ceramic compound, it is difficult to dissolve in steel melt, therefore, its content in the iron-silicon alloy should be minimal. The use of an alloying alloy based on another stable vanadium nitride V 3 N is impractical. Firstly, it has much less nitrogen compared to vanadium mononitride (9.2-10.5% and 16.1-21.5%, respectively). In addition, lower vanadium nitride has a lower density (5.9 g / cm 3 compared with 6.1 g / cm 3 for VN), and its synthesis is a more complex process. When the mass ratio of vanadium to nitrogen in excess of 6.0: 1, the nitrogen concentration in the proposed alloy for alloying steel decreases, and with the same ratio of less than 3.7: 1, it becomes difficult to obtain a two-component material without the formation of other nitrides.
В качестве компонента-связки в предлагаемом техническом решении выбран железокремниевый сплав, в котором соотношение ингредиентов лежит в пределах от 120:1 до 3:1. Выбор железа здесь вполне очевиден. Во-первых, он совместим со всеми марками стали и имеет высокую плотность в твердом состоянии (~7,89 г/см3). Во-вторых, жидкое железо хорошо смачивает нитрид ванадия и может служить для него эффективной связкой. Вторым ингредиентом сплава-связки является кремний, элемент, который содержится практически во всех марках сталей, упрочняемых нитридами и/или карбонитридами ванадия. Кроме того, кремний, образуя с железом легкоплавкие соединения с температурой плавления ~1200°С, снижает температуру плавления как железокремниевого сплава, так и всей композиции в целом. Кремний повышает твердость железа, упрочняя тем самым целиком весь композиционный сплав. Предлагаемый композиционный сплав для легирования стали содержит нитридванадиевый компонент в количестве от 40 до 90 мас.%. Такой выбор обусловлен, во-первых, сохранением в продукте одновременно и высокого содержания азота (~7,0-18,0%) и ванадия (~33,0-75,0%). Минимальное содержание нитрида ванадия (40%) и его максимальное значение (90%) найдено опытным путем. Первая величина обеспечивает минимальные концентрации азота и ванадия в сплаве для того, чтобы расход его при легировании стали был низким и экономически оправданным. Верхняя граница по концентрации обеспечивает необходимый уровень плотности для достижения высокой степени усвоения азота расплавом.As a bundle component in the proposed technical solution, an iron-silicon alloy is selected in which the ratio of ingredients lies in the range from 120: 1 to 3: 1. The choice of iron here is quite obvious. Firstly, it is compatible with all steel grades and has a high density in the solid state (~ 7.89 g / cm 3 ). Secondly, liquid iron moistens vanadium nitride well and can serve as an effective binder for it. The second ingredient in the binder alloy is silicon, an element that is found in almost all grades of steel, hardened with vanadium nitrides and / or carbonitrides. In addition, silicon, forming low-melting compounds with iron with a melting point of ~ 1200 ° C, lowers the melting point of both the iron-silicon alloy and the composition as a whole. Silicon increases the hardness of iron, thereby strengthening the entire composite alloy. The proposed composite alloy for alloying steel contains a nitride-vanadium component in an amount of from 40 to 90 wt.%. This choice is due, firstly, to the preservation in the product of both high nitrogen content (~ 7.0-18.0%) and vanadium (~ 33.0-75.0%). The minimum content of vanadium nitride (40%) and its maximum value (90%) were found experimentally. The first value provides the minimum concentration of nitrogen and vanadium in the alloy so that its consumption during alloying of steel is low and economically viable. The upper concentration limit provides the necessary level of density to achieve a high degree of assimilation of nitrogen by the melt.
В рассматриваемом техническом решении композиционный сплав имеет плотность от 4,2 до 6,9 г/см3. Экспериментальными плавками было найдено, что при плотности сплава менее 4,2 г/см3 начинается заметное снижение степени усвоения азота, а при очень большой плотности (свыше 6,9 г/см3) замедляется процесс растворения сплава в жидкой стали.In the considered technical solution, the composite alloy has a density of from 4.2 to 6.9 g / cm 3 . It was found by experimental swimming trunks that when the density of the alloy is less than 4.2 g / cm 3 , a noticeable decrease in the degree of assimilation of nitrogen begins, and at a very high density (over 6.9 g / cm 3 ), the process of dissolution of the alloy in liquid steel slows down.
Предлагаемый сплав имеет пористость в пределах от 1,0 до 28,0. Пористость меньше 1,0% очень сложно достичь технически, а при пористости свыше 28% начинает сказываться снижение плотности и уменьшается степень усвоения азота сталью. Сохранение небольшой оптимальной пористости способствует более быстрому растворению сплава в расплаве стали.The proposed alloy has a porosity ranging from 1.0 to 28.0. Porosity of less than 1.0% is very difficult to achieve technically, and with porosity of more than 28%, a decrease in density begins to affect and the degree of nitrogen absorption by steel decreases. Maintaining a small optimal porosity contributes to a more rapid dissolution of the alloy in the steel melt.
Прочность рассматриваемого в настоящем техническом решении композиционного сплава находится в пределах от 2 до 192 МПа. Опытным путем было определено, что минимальная прочность предлагаемого сплава должна быть более 2 МПа. Этот уровень прочности в сочетании с композиционной структурой сплава и минимальной его пористостью исключает образование порошкообразной фракции при дроблении. Что исключительно важно не только с технико-экономической точки зрения, но и с экологической. Ибо некоторые соединения ванадия в мелкодисперсном виде весьма опасны. Верхняя граница по прочности выбрана по технологическим причинам, так как при большей прочности композиционного сплава возникают существенные проблемы при его дроблении с целью получения кусков оптимального размера.The strength of the composite alloy considered in this technical solution is in the range from 2 to 192 MPa. Empirically, it was determined that the minimum strength of the proposed alloy should be more than 2 MPa. This level of strength in combination with the composite structure of the alloy and its minimum porosity precludes the formation of a powdery fraction during crushing. Which is extremely important not only from a technical and economic point of view, but also from an environmental point of view. For some compounds of vanadium in fine form are very dangerous. The upper limit on strength is selected for technological reasons, since with greater strength of the composite alloy, significant problems arise when it is crushed in order to obtain pieces of the optimal size.
В предпочтительных вариантах предлагаемого технического решения железокремниевый компонент сплава дополнительно содержит кальций и/или алюминий в количестве 0,5-9,5%. Эти металлы приводят к дополнительному снижению температуры плавления железокремниевого сплава-связки и способствуют тем самым ускоренному растворению всей композиции в стальном расплаве. Причем положительный эффект от введения кальция и алюминия достигается как при их раздельном использовании, так и при совместном. Минимальное количество, при котором проявляется положительное влияние кальция и алюминия, составляет 0,5%. При содержании выбранных элементов свыше 9,5% снижается плотность сплава, приводящая к уменьшению степени усвоения азота и ванадия. Кроме того, кальций и алюминий, обладая большим сродством к кислороду, защищают ванадий от окисления, способствуя повышению степени его усвоения.In preferred embodiments of the proposed technical solution, the iron-silicon component of the alloy additionally contains calcium and / or aluminum in an amount of 0.5-9.5%. These metals lead to an additional decrease in the melting temperature of the iron-silicon alloy-binder and thereby contribute to the accelerated dissolution of the entire composition in a steel melt. Moreover, the positive effect of the introduction of calcium and aluminum is achieved both when they are used separately, and when combined. The minimum amount at which the positive effect of calcium and aluminum is manifested is 0.5%. When the content of the selected elements is more than 9.5%, the density of the alloy decreases, leading to a decrease in the degree of assimilation of nitrogen and vanadium. In addition, calcium and aluminum, having a high affinity for oxygen, protect vanadium from oxidation, helping to increase its absorption.
В оптимальных вариантах предлагаемого изобретения железокремниевый компонент композиционного сплава дополнительно содержит медь, никель и/или марганец в количестве 0,8-8,0 мас.%. Выбранные металлы, имея высокую плотность и сравнительно низкую температуру плавления, приводят к увеличению плотности, не повышая при этом температуры плавления железокремниевого сплава-связки. Опытным путем было определено, что минимальное количество, при котором проявляется положительное влияние выбранных металлов, составляет 0,8 мас.%. Если же их концентрация превышает 8,0 мас.%, то нарушается оптимальный баланс между нитридом ванадия и железокремниевой связкой.In optimal embodiments of the invention, the iron-silicon component of the composite alloy further comprises copper, nickel and / or manganese in an amount of 0.8-8.0 wt.%. The selected metals, having a high density and a relatively low melting point, lead to an increase in density without increasing the melting temperature of the iron-silicon alloy-binder. It was experimentally determined that the minimum amount at which the positive effect of the selected metals is manifested is 0.8 wt.%. If their concentration exceeds 8.0 wt.%, The optimal balance between the vanadium nitride and the silicon-silicon bond is violated.
Железокремниевый сплав-связка может включать до 4 мас.% нитрида кремния. Небольшая добавка нитрида кремния позволяет несколько увеличить общее содержание азота в сплаве и одновременно повысить его прочность.The silicon-silicon alloy-binder may include up to 4 wt.% Silicon nitride. A small addition of silicon nitride allows you to slightly increase the total nitrogen content in the alloy and at the same time increase its strength.
Таким образом, достижение высокой плотности сплава для легирования стали при сохранении хорошей его растворимости при условии использования в качестве основного компонента мононитрида ванадия оказалось не простой и не вполне очевидной задачей. Основная трудность здесь заключается в высокой температуре плавления нитрида ванадия. Для стехиометрического соединения она составляет 2340°С и, хотя в области гомогенности температура плавления может снижаться до ~2260°С (для VN0.7), все же остается очень большой величиной. Растворение тугоплавких лигатур с высокой плотностью всегда доставляет металлургам значительные проблемы ввиду большой продолжительности процесса. Решить задачу неожиданно удалось путем создания сплава с композиционной структурой, в котором тугоплавкая матрица состоит из связанных меж собой мельчайших частиц нитрида ванадия с характерным размером, не превышающим 0,5 мм. Объемная доля такой тугоплавкой нитридванадиевой матрицы составляет от ~50 до 93%. Легкоплавкой связкой служит железокремниевый сплав, температура плавления которой ~1200°С. Благодаря такой композиционной структуре предлагаемого сплава стальной расплав как бы не замечает тугоплавкости нитрида ванадия, так как активное растворение идет за счет легкоплавкой связки. Здесь важную роль играет то, что и тугоплавкий нитридванадиевый компонент, и легкоплавкий компонент-связка исключительно равномерно распределены по объему. Максимальное отклонение в концентрации какого-либо основного ингредиента сплава (V, N, Si, Fe) по объему от среднего значения не превышает 1,5%.Thus, achieving a high density of the alloy for alloying steel while maintaining its good solubility, provided that vanadium mononitride is used as the main component, was not a simple and not entirely obvious task. The main difficulty here is the high melting point of vanadium nitride. For a stoichiometric compound, it is 2340 ° С and, although in the region of homogeneity the melting temperature can drop to ~ 2260 ° С (for VN 0.7 ), it still remains a very large value. The dissolution of refractory ligatures with high density always causes significant problems for metallurgists due to the long duration of the process. Unexpectedly, the problem was solved by creating an alloy with a composite structure, in which a refractory matrix consists of interconnected tiny particles of vanadium nitride with a characteristic size not exceeding 0.5 mm. The volume fraction of such a refractory nitride-vanadium matrix is from ~ 50 to 93%. A low-melting binder is an iron-silicon alloy, the melting point of which is ~ 1200 ° C. Due to such a composite structure of the proposed alloy, the steel melt does not seem to notice the refractoriness of vanadium nitride, since active dissolution is due to the low-melting binder. An important role is played by the fact that both the refractory nitride-vanadium component and the low-melting component-binder are extremely uniformly distributed throughout the volume. The maximum deviation in the concentration of any of the main ingredients of the alloy (V, N, Si, Fe) in volume from the average does not exceed 1.5%.
Сырьем для получения предлагаемого сплава для легирования стали могут быть различные сплавы, основу которых составляют ванадий, кремний и железо. Такие сплавы, полученные в промышленных условиях по известным в настоящее время технологиям, всегда содержат примеси. При разработке предлагаемого сплава было найдено, что суммарное количество примесей не должно превышать 4,5 мас.%. В качестве примесей могут быть С, S, Р, Cr и др. Важно, чтобы их суммарное количество не превышало максимального значения. В этом случае влияние их на основные характеристики сплава будет несущественным.The raw materials for the proposed alloy for alloying steel can be various alloys, the basis of which are vanadium, silicon and iron. Such alloys obtained under industrial conditions by currently known technologies always contain impurities. When developing the proposed alloy, it was found that the total amount of impurities should not exceed 4.5 wt.%. As impurities can be C, S, P, Cr, etc. It is important that their total amount does not exceed the maximum value. In this case, their influence on the main characteristics of the alloy will be insignificant.
Лучший вариант осуществления изобретенияThe best embodiment of the invention
Предлагаемый сплав был испытан при выплавке высокопрочной низколегированной стали марки 10ГАФДП. По техническим условиям на металл он должен содержать 0,05-0,07% V и 0,01-0,02% N. Сталь выплавляли в индукционной лабораторной печи. Результаты проведенных испытаний представлены в таблице. Здесь же для сравнения приведены данные по испытанию сплава-прототипа (примеры 6-8). При испытаниях количество введенного сплава рассчитывали из условия введения в сталь 0,07% ванадия. Для того чтобы результаты испытаний сплава-прототипа можно было сравнить с испытаниями предлагаемого сплава, они были пересчитаны на расход сплава, эквивалентный введению также 0,07% V (прототип, результаты испытаний №№2-4, табл.2 и 3). Важно отметить следующий немаловажный результат испытаний. При введении в стальной расплав 0,07% V с помощью предлагаемого сплава одновременно вводится 0,011-0,019% N, а посредством сплава-прототипа 0,023-0,87% азота, в то время как в марочном составе испытуемой стали должно быть 0,01-0,02% N. Следовательно, сплав-прототип не обеспечивает одновременного достижения в стали заданных концентраций ванадия и азота. Таким образом, применение сплава-прототипа оказалось не только экономически менее эффективным, но и неприемлемым с технологической точки зрения ввиду невозможности получения состава конкретной марки стали. Из таблицы видно, что если расход сплава-прототипа в зависимости от состава составляет 2,31-35,0 кг на 1 тонну стали, то расход предлагаемого сплава много меньше от 0,98 до 2,1 кг на 1 тонну стали. Таким образом, применение предлагаемого сплава фактически в ~2,5-15 раз позволяет снизить расход легирующего материала.The proposed alloy was tested in the smelting of high-strength low-alloy steel grade 10GAFFDP. According to the technical conditions for the metal, it should contain 0.05-0.07% V and 0.01-0.02% N. Steel was smelted in an induction laboratory furnace. The results of the tests are presented in the table. Here, for comparison, data are presented on the test alloy prototype (examples 6-8). During testing, the amount of alloy introduced was calculated from the conditions for introducing 0.07% vanadium into the steel. So that the test results of the prototype alloy can be compared with the tests of the proposed alloy, they were recalculated for the alloy consumption equivalent to the introduction of 0.07% V (prototype, test results Nos. 2-4, Tables 2 and 3). It is important to note the following important test result. When 0.07% V is introduced into the steel melt using the proposed alloy, 0.011-0.019% N is simultaneously introduced, and through the prototype alloy 0.023-0.87% nitrogen, while the grade of the steel to be tested should contain 0.01- 0.02% N. Therefore, the prototype alloy does not simultaneously achieve specified concentrations of vanadium and nitrogen in steel. Thus, the use of the prototype alloy was not only economically less efficient, but also unacceptable from a technological point of view due to the impossibility of obtaining the composition of a particular steel grade. The table shows that if the consumption of the prototype alloy, depending on the composition, is 2.31-35.0 kg per 1 ton of steel, then the consumption of the proposed alloy is much less from 0.98 to 2.1 kg per 1 ton of steel. Thus, the use of the proposed alloy is actually ~ 2.5-15 times can reduce the consumption of alloying material.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предлагаемый сплав может быть использован для совместного микролегирования стали ванадием и азотом.The proposed alloy can be used for joint microalloying of steel with vanadium and nitrogen.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106957/02A RU2434964C1 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Alloy for steel micro-alloying |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010106957/02A RU2434964C1 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Alloy for steel micro-alloying |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010106957A RU2010106957A (en) | 2011-08-27 |
| RU2434964C1 true RU2434964C1 (en) | 2011-11-27 |
Family
ID=44756414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010106957/02A RU2434964C1 (en) | 2010-02-24 | 2010-02-24 | Alloy for steel micro-alloying |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2434964C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023224512A1 (en) * | 2022-05-20 | 2023-11-23 | Дкмт Плас Лтд, Частная Компания | Iron-carbon melt modifier and method of manufacturing same |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112226664A (en) * | 2020-09-04 | 2021-01-15 | 中色（宁夏）东方集团有限公司 | Preparation method of nitrided ferrovanadium |
| CN113337775A (en) * | 2021-06-09 | 2021-09-03 | 河北诺凡新材料科技有限公司 | High-nitrogen silicon vanadium iron alloy and production method thereof |
| CN113621848A (en) * | 2021-08-05 | 2021-11-09 | 陕西中钒昌盛新材料科技有限公司 | Preparation method of high-nitrogen vanadium-nitrogen alloy |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3304175A (en) * | 1964-07-14 | 1967-02-14 | Shieldalloy Corp | Nitrogen-containing alloy and its preparation |
| GB1180349A (en) * | 1967-05-19 | 1970-02-04 | Elektrometallurgie Gmbh | A Sintered, Nitrogen-Containing Steel Master Alloy |
| SU638626A1 (en) * | 1977-03-01 | 1978-12-25 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Специальных Сталей,Сплавов И Ферросплавов | Master alloy |
| SU1713948A1 (en) * | 1988-05-17 | 1992-02-23 | Производственное объединение "Уралмаш" | Alloying additive for austenite steels |
| SU1744138A1 (en) * | 1989-04-27 | 1992-06-30 | Уральский научно-исследовательский институт черных металлов | Nitrogen containing alloying additive for steels and a high strength steel |
-
2010
- 2010-02-24 RU RU2010106957/02A patent/RU2434964C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3304175A (en) * | 1964-07-14 | 1967-02-14 | Shieldalloy Corp | Nitrogen-containing alloy and its preparation |
| GB1180349A (en) * | 1967-05-19 | 1970-02-04 | Elektrometallurgie Gmbh | A Sintered, Nitrogen-Containing Steel Master Alloy |
| SU638626A1 (en) * | 1977-03-01 | 1978-12-25 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Специальных Сталей,Сплавов И Ферросплавов | Master alloy |
| SU1713948A1 (en) * | 1988-05-17 | 1992-02-23 | Производственное объединение "Уралмаш" | Alloying additive for austenite steels |
| SU1744138A1 (en) * | 1989-04-27 | 1992-06-30 | Уральский научно-исследовательский институт черных металлов | Nitrogen containing alloying additive for steels and a high strength steel |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023224512A1 (en) * | 2022-05-20 | 2023-11-23 | Дкмт Плас Лтд, Частная Компания | Iron-carbon melt modifier and method of manufacturing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010106957A (en) | 2011-08-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7618499B2 (en) | Fe-base in-situ composite alloys comprising amorphous phase | |
| CN101403070B (en) | High-tension heavy steel plate with excellent base metal tenacity for soldering | |
| EP3732307B1 (en) | Cast iron inoculant and method for production of cast iron inoculant | |
| RU2434964C1 (en) | Alloy for steel micro-alloying | |
| KR102061839B1 (en) | Neutron absorption material and method for manufacturing the same | |
| Zhang et al. | Mechanical properties of Fe–Mo–Mn–Si–C sintered steels | |
| WO2014091604A1 (en) | Steel material for welding | |
| RU2412271C2 (en) | Alloy for alloy addition of steel | |
| JPWO2001027342A1 (en) | Steel for welded structures with HAZ toughness that is not dependent on heat input and its manufacturing method | |
| RU2545856C2 (en) | High-strength cryogenic austenite weldable structural steel and steel obtainment method | |
| CN101736208A (en) | Rare-earth low-nickel austenitic stainless steel | |
| RU2341578C2 (en) | Method of receiving of nitrogen-bearing alloy for steel alloying and nitrogen-bearing alloy for steel alloying | |
| RU2374354C1 (en) | Composite steel for electromagnetic weapon | |
| US8795587B2 (en) | ‘Kazakhstanskiy’ alloy for steel deoxidation and alloying | |
| RU2385948C2 (en) | Method of receiving of stainless austenitic steel | |
| JPS60152661A (en) | Bi-containing austenitic stainless free-cutting steel for food equipment | |
| Samal et al. | Austenitic stainless steels with enhanced mechanical strength | |
| RU2191845C1 (en) | Stainless steel | |
| CN1995407A (en) | Trace carbon Al-Mn-Fe alloy and its preparing process | |
| RU2135620C1 (en) | Alloying composition | |
| RU2239669C1 (en) | Steel and cast iron additive (options) | |
| RU2434061C1 (en) | Agglomerate for treatment of vanadium containing iron in converter | |
| JP4177404B2 (en) | Si-killed steel wire rod and spring with excellent fatigue characteristics | |
| SU1196408A1 (en) | Maraging steel | |
| SU1611972A1 (en) | Cast iron |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210611 |