RU2781935C1

RU2781935C1 - Steel modification method

Info

Publication number: RU2781935C1
Application number: RU2022118192A
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Ермаков; Ирина Викторовна Лужкова; Юлия Александровна Авдеева
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2022-10-21

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, in particular to the foundry production of large steel castings. The method includes natural convection mixing of modifier based on vanadium nitride and melt. As a modifier based on vanadium nitride, nanodispersed vanadium nitride powder clad with nickel is used, which is applied by spraying onto the inner surface of a casting mold made by the alpha-set process in an amount of 0.025–0.06 wt.% of the total mass of the melt poured into the mold.

EFFECT: invention provides improvement of mechanical properties by using an effective modifier of simple composition.

1 cl, 1 tbl, 2 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейному производству крупногабаритных отливок из стали. The invention relates to metallurgy, in particular to the foundry production of large steel castings.

В мировой практике производства сталей неизменной является тенденция замены рядовых углеродистых сталей на экономичные ресурсосберегающие высокопрочные микролегированные стали. В настоящее время наиболее востребованным микролегирующим элементом является ванадий. Как легирующий элемент ванадий имеет следующие преимущества: высокую растворимость нитридов, образующихся в процессе легирования, в аустените; возможность получения мелкого аустенитного зерна без торможения процессов рекристаллизации; легированные ванадием стали в значительно меньшей степени подвержены горячему растрескиванию, стали имеют хорошую прочность и вязкость. Ценность ванадия, как измельчающего зерно и вызывающего дисперсионное твердение элемента, усиливается в присуствии азота. In the world practice of steel production, the tendency to replace ordinary carbon steels with economical resource-saving high-strength microalloyed steels is unchanged. At present, vanadium is the most demanded microalloying element. As an alloying element, vanadium has the following advantages: high solubility of nitrides formed during alloying in austenite; the possibility of obtaining fine austenite grains without inhibition of recrystallization processes; vanadium-alloyed steels are much less susceptible to hot cracking, steels have good strength and toughness. The value of vanadium as a grain refiner and precipitation hardening element is enhanced in the presence of nitrogen.

Известен комплексный наномодификатор, содержащий, масс.%: фуллерены 0,1-27, наноразмерные копозиционные частицы карбидов металлов, выбранных из группы: кобальт, железо, никель, 1-43, наноразмерные композиционные частицы кобальта 0,2-20, наноразмерные частицы лантана 0,1-29, наноразмерные композиционные частицы вольфрама 0,5-42, наноразмерные композиционные частицы церия 0,7-33, наноразмерные композиционные частицы железа 1-41, наноразмерные композиционные частицы никеля 0,6-36, нитриды, или силициды, или бориды, или оксиды, или карбонитриды металлов остальное (патент RU 2 468 110; МПК C22C 35/00, B82B 1/00; 2012 г.).A complex nanomodifier is known containing, wt %: fullerenes 0.1-27, nanosized composite particles of metal carbides selected from the group: cobalt, iron, nickel, 1-43, nanosized composite particles of cobalt 0.2-20, nanosized particles of lanthanum 0.1-29, tungsten nanocomposite particles 0.5-42, cerium nanocomposite particles 0.7-33, iron nanocomposite particles 1-41, nickel nanocomposite particles 0.6-36, nitrides or silicides, or borides, or oxides, or carbonitrides of metals, the rest (patent RU 2 468 110; IPC C22C 35/00, B82B 1/00; 2012).

Основным недостатком известного модификатора является его сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, что ограничивает возможности его применения. The main disadvantage of the known modifier is its complex multicomponent composition associated with high labor and energy costs, causing high cost and scarcity, which limits the possibility of its application.

Известен способ легирования нитридообразующими добавками, которые являются эффективными модификаторами для высокомарганцовистых сталей. В частности, при исследовании стали 110Г13Л были обнаружены карбонитриды ванадия, способствующие образованию центров кристализации. Содержание ванадия составляло 0,3–1,6 масс.%, а концентрация азота поддерживалась в пределах 0.098–1.2 масс.% (А.И. Гарост “Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали” //Литейное производство, №1(37), 2006. С. 75-83).A known method of alloying with nitride-forming additives, which are effective modifiers for high-manganese steels. In particular, in the study of steel 110G13L, vanadium carbonitrides were found, which contribute to the formation of crystallization centers. The vanadium content was 0.3–1.6 wt.%, and the nitrogen concentration was maintained within 0.098–1.2 wt.% (A.I. Garost “Non-metallic inclusions and the formation of the structure of modified high-manganese steel” // Foundry, No. 1 ( 37), 2006, pp. 75-83).

Однако механические характеристики модифицированной стали имеют невысокие значения, в частности относительное удлинение, относительное сжатие, ударная вязкость.However, the mechanical characteristics of the modified steel have low values, in particular, relative elongation, relative compression, and impact strength.

Известен способ производства стали, включающий продувку металла газообразным азотом на установке “печь-ковш” с расходом 150-1000 л/мин, с целью легирования азотом. Одновременно с продувкой производят нагрев расплава за счет электрической дуги и присаживают нитридообразующие элементы в количествах, обеспечивающих связывание растворенного азота в нитриды. Далее сталеразливочный ковш передают на установку циркуляционного вакуумирования, где расплав вакуумируют в течение 5-30 мин, используя азот в качестве транспортирующего газа с расходом 900-1600 л/мин. В конце вакуумирования в металл вводят алюминиевую и силикокальциевую проволоку в количестве, соответственно, 0,05-0,30 и 0,5-3,5 кг/т стали и продувают металл азотом через пористую пробку в днище ковша. В качестве нитридообразующих элементов можно использовать ванадий и алюминий. Содержание в металле азота, нитридообразующих элементов и кислорода может соответствовать следующим соотношениям: [N]/[A1]=0,3÷10,0, [N]/[V]=0,04÷0,50, [N]/[О]=2,0÷20,0. Вакуумирование металла желательно прекращать после окончания ввода алюминиевой и силикокальциевой проволоки (патент RU 2233339; МПК C21C 5/52, C21C 7/00; 2004 год).A known method of steel production, including purging the metal with gaseous nitrogen in the "furnace-ladle" with a flow rate of 150-1000 l/min, for the purpose of alloying with nitrogen. Simultaneously with the purge, the melt is heated by an electric arc and nitride-forming elements are added in amounts that ensure the binding of dissolved nitrogen into nitrides. Next, the steel-pouring ladle is transferred to the circulating evacuation plant, where the melt is evacuated for 5-30 minutes, using nitrogen as a carrier gas at a flow rate of 900-1600 l/min. At the end of evacuation, aluminum and silicocalcium wire are introduced into the metal in the amount of 0.05-0.30 and 0.5-3.5 kg/t of steel, respectively, and the metal is blown with nitrogen through a porous plug in the bottom of the ladle. Vanadium and aluminum can be used as nitride-forming elements. The content of nitrogen, nitride-forming elements and oxygen in the metal can correspond to the following ratios: [N]/[A1]=0.3÷10.0, [N]/[V]=0.04÷0.50, [N]/ [O]=2.0÷20.0. It is desirable to stop the vacuuming of the metal after the completion of the introduction of aluminum and silicocalcium wire (patent RU 2233339; IPC C21C 5/52, C21C 7/00; 2004).

К недостаткам известного способа относятся технологическая сложность, связанная с одновременным использованием “печь-ковша”, введением твердой шлакообразующей смеси, присаживанием легирующих и нитридооюбразующих добавок, а также вакуумной обработки, следует отметить очень большой расход газообразного азота (900 – 1600 л/мин).The disadvantages of the known method include the technological complexity associated with the simultaneous use of a “ladle furnace”, the introduction of a solid slag-forming mixture, the addition of alloying and nitride-forming additives, as well as vacuum treatment, it should be noted a very high consumption of gaseous nitrogen (900 - 1600 l / min).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является композитный сплав ванадия или ниобия с азотом, включающий концентрат руды ванадия или ниобия, восстановитель, катализатор реакции, агент, повышающий содержания азот, агент, регулирующий температуру плавления, стабилизатор продукта и связующее, при этом восстановитель составляет от 5 до 16% от общего веса, катализатор реакции составляет от 1 до 5% от общего веса, генератор азота составляет от 5 до 25% от общего веса, модификатор температуры плавления составляет от 1 до 6% от общего веса, а стабилизатор составляет от 2 до 13 % от общего веса, связующее составляет от 4 до 12% от общего веса, остальное - ванадиевая руда или сурьмяная руда. Агентом, повышающим содержание азота, является нитрид железа, карбонизированный азот, нитрид алюминия, нитрид тантала, нитрид ванадия (патент CN 1415769; МПК С22С 1/00, C22C 35/00, C22C 38/12; 2003 год).Closest to the proposed technical solution is a composite alloy of vanadium or niobium with nitrogen, including a concentrate of vanadium or niobium ore, a reducing agent, a reaction catalyst, an agent that increases the nitrogen content, an agent that regulates the melting point, a product stabilizer and a binder, while the reducing agent is from 5 up to 16% of the total weight, the reaction catalyst is 1 to 5% of the total weight, the nitrogen generator is 5 to 25% of the total weight, the melting point modifier is 1 to 6% of the total weight, and the stabilizer is 2 to 13% of the total weight, the binder is from 4 to 12% of the total weight, the rest is vanadium ore or antimony ore. The nitrogen increasing agent is iron nitride, carbonized nitrogen, aluminum nitride, tantalum nitride, vanadium nitride (CN patent 1415769; IPC C22C 1/00, C22C 35/00, C22C 38/12; 2003).

Недостатками известного модификатора являются сложный многокомпонентный состав, связанный с большими трудовыми и энергетическими затратами, обусловливающими высокую стоимость и дефицитность, а также невозможность получения высокодисперсных или агломерированных частиц, что ухудшает равномерное распределение модификатора по объему расплава.The disadvantages of the known modifier are a complex multicomponent composition associated with high labor and energy costs, causing high cost and scarcity, as well as the impossibility of obtaining highly dispersed or agglomerated particles, which worsens the uniform distribution of the modifier over the melt volume.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ модифицирования стали с использованием модификатора простого состава, обеспечивающий высокие значения механических свойств.Thus, the authors were faced with the task of developing a method for modifying steel using a modifier of a simple composition, providing high values of mechanical properties.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе модифицирования стали, включающем естественное конвекционное перемешивание модификатора на основе нитрида ванадия и расплава, в котором в качестве модификатора на основе нитрида ванадия используют нанодисперсный порошок нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава.The problem is solved in the proposed method of modifying steel, including natural convection mixing of the modifier based on vanadium nitride and the melt, in which nanodispersed powder of vanadium nitride clad with nickel is used as a modifier based on vanadium nitride, which is applied by spraying onto the inner surface of a mold made according to the alpha-set process, in the amount of 0.025–0.06 wt.% of the total mass of the melt poured into the mold.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ модифицирования стали с использованием в качестве модификатора нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированный никелем, который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу.At present, no method is known from the patent and scientific and technical literature for modifying steel using nickel-clad nanodispersed vanadium nitride powder as a modifier, which is applied by spraying onto the inner surface of a casting mold made by the alpha-set process.

Как уже отмечалось, ванадий является легирующим элементом, вызывающим измельчение зерна и дисперсионное твердение стали. Измельчение зерна улучшает прочность и вязкость стали, мелкодисперсные выделения увеличивают прочность за счет некоторой потери вязкости, но при измельчении зерна улучшается свариваемость стали, при этом образование нитридов ванадия способствует высокой растворимости модификатора в стали. Наличие нитридов препятствует возникновению перенапряженных участков, что уменьшает возможность зарождения трещин и их распространение. Дисперсные нитриды, равномерно распределяясь в теле зерна, тормозят движение дислокаций, прикладываемыми извне нагрузками. Выбор в качестве модификатора нанокристаллического порошка нитрида ванадия VN плакированного Ni, допускает его применение в качестве центров принудительной кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему отливки и способствующих возникновению локальных переохлажденных состояний, обеспечивающих увеличение скорости кристаллизации отливок. Наличие на поверхности нанокристаллических радиально-слоевых тугоплавких композиций металлического никеля обеспечивает в ходе его плавления и растворения удовлетворительную смачиваемость нанокристаллических частиц расплавами сталей транспортной группы. В связи с этим введение плазмохимических порошков нитрида ванадия, плакированного никелем, способствует улучшению прочностно-пластических и других характеристик, обеспечивающих бесперебойную эксплуатацию деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта, изготовленных из марок сталей транспортной группы. Существенным является содержание модификатора. Так, при содержании модификатора менее 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения При содержании модификатора более 0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава ведет к снижению относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах испытания. Распыление нанодисперсного порошка модификатора на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, обеспечивает за счет конвекции и естественного барботажа при розливе расплава в литейную форму.As already noted, vanadium is an alloying element that causes grain refinement and precipitation hardening of steel. Grain refinement improves the strength and toughness of steel, fine precipitates increase strength due to some loss of toughness, but grain refinement improves the weldability of steel, while the formation of vanadium nitrides contributes to the high solubility of the modifier in steel. The presence of nitrides prevents the occurrence of overstressed areas, which reduces the possibility of crack initiation and their propagation. Dispersed nitrides, evenly distributed in the body of the grain, slow down the movement of dislocations applied from outside by loads. The choice of nanocrystalline powder of vanadium nitride VN clad with Ni as a modifier allows its use as centers of forced crystallization, uniformly distributed throughout the entire volume of the casting and contributing to the occurrence of local supercooled states, providing an increase in the rate of crystallization of castings. The presence of metallic nickel on the surface of nanocrystalline radial-layer refractory compositions during its melting and dissolution ensures satisfactory wettability of nanocrystalline particles by melts of steels of the transport group. In this regard, the introduction of plasma-chemical powders of nickel-clad vanadium nitride helps to improve the strength-plastic and other characteristics that ensure the uninterrupted operation of parts and assemblies of the rolling stock of railway transport made from steel grades of the transport group. The content of the modifier is essential. So, with a modifier content of less than 0.025 wt.% of the total mass of the melt poured into the mold, it leads to a decrease in the yield strength, tensile strength and elongation. At a modifier content of more than 0.06 wt.% of the total mass of the melt poured into the mold, it leads to a decrease relative compression and impact strength at various test temperatures. Spraying the nanodispersed powder of the modifier onto the inner surface of the mold, made by the alpha-set process, provides due to convection and natural bubbling when pouring the melt into the mold.

Предлагаемый способ модифицирования стали может быть осуществлен следующим образом. В качестве модификатора используют нанодисперсный порошок VN – Ni, полученный плазмохимическим способом (патент RU 2537678), который наносят путем распыления на внутреннюю поверхность литейной формы, изготовленной по альфа-сет процессу, в количестве 0,025–0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. После естественной конвекции и барботажа залитого в литейную форму расплава стали расплав выдерживают для кристаллизации. После кристаллизации, остывания и обрубки полученные изделия проходят термообработку в виде нормализации и закалки с отпуском, регламентированную техническими условиями, применяемыми к деталям подвижного состава рельсового транспорта с целью обеспечения удовлетворительных свойств. Механические свойства стали, полученной с использованием предлагаемого модификатора, были исследованы на системе для измерения параметров испытаний SATEC серии LX и копре маятниковом МК-15. Для фиксации стандартных то температуре и влажности окружающей среды условий испытаний использовался гигрометр психрометрический ВИТ-2. Получены результаты измерений предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости. The proposed method of modifying steel can be carried out as follows. As a modifier, nanodispersed VN-Ni powder obtained by a plasma-chemical method (patent RU 2537678) is used, which is applied by spraying onto the inner surface of a casting mold made by the alpha-set process in an amount of 0.025–0.06 wt.% of the total mass of the poured into the melt mold. After natural convection and bubbling of the melt poured into the steel mold, the melt is held for crystallization. After crystallization, cooling and trimming, the resulting products undergo heat treatment in the form of normalization and hardening with tempering, regulated by the technical conditions applicable to parts of the rolling stock of rail transport in order to ensure satisfactory properties. The mechanical properties of steel obtained using the proposed modifier were studied on a system for measuring test parameters SATEC series LX and pendulum copra MK-15. A psychrometric hygrometer VIT-2 was used to fix the standard temperature and humidity of the ambient test conditions. The results of measurements of the yield strength, tensile strength, relative elongation, relative compression and impact strength are obtained.

Предлагаемый способ модифицирования стали иллюстрируется следующими примерами. The proposed method of modifying steel is illustrated by the following examples.

Пример 1. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 1,5 г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует 0,025 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 6 кг расплава стали 20 ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергалась термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.Example 1. An experimental mold is prepared from a cold-hardening mixture (alfa-set process, without painting), by spraying using a dispenser with a spray nozzle, 1.5 g of nanodispersed vanadium nitride powder clad with nickel is applied to the inner surface of the mold, which corresponds to 0.025 wt.% of the total mass of the melt poured into the mold. 6 kg of molten steel 20 GL are poured into the mold at a temperature of 1580°C. After crystallization, cooling and trimming, the resulting workpiece was subjected to heat treatment in the form of normalization at 700°C and quenching from 750°C with tempering at 500°C.

Из термообработанной заготовки вырезались образцы для исследования механических свойств (предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах). Результаты измерений приведены в таблице (пример 1).Samples were cut from the heat-treated workpiece to study the mechanical properties (yield strength, tensile strength, relative elongation, relative compression, and impact strength at various temperatures). The measurement results are shown in the table (example 1).

Пример 2. Готовят опытную форму из холодно-твердеющей смеси (альфа-сет процесс, без покраски), путем распыления с использованием дозатора с распылительной насадкой на внутреннюю поверхность литейной формы наносят 2г нанодисперсного порошка нитрида ванадия, плакированного никелем, что соответствует 0,06 масс.% от общей массы заливаемого в литейную форму расплава. В форму заливают 3,4 кг расплава стали 20ГЛ при температуре 1580°С. После кристаллизации, остывания и обрубки полученная заготовка подвергались термообработке в виде нормализации при 700°С и закалки от 750°С с отпуском при 500°С.Example 2. An experimental mold is prepared from a cold-hardening mixture (alpha-set process, without painting), by spraying using a dispenser with a spray nozzle, 2 g of nanodispersed vanadium nitride powder clad with nickel is applied to the inner surface of the mold, which corresponds to 0.06 mass .% of the total mass of the melt poured into the mold. 3.4 kg of molten steel 20GL are poured into the mold at a temperature of 1580°C. After crystallization, cooling and trimming, the resulting workpiece was subjected to heat treatment in the form of normalization at 700°C and quenching from 750°C with tempering at 500°C.

Из термообработанной заготовки вырезались образцы для исследования механических свойств (предела текучести, временного сопротивления, относительного удлинения, относительного сжатия и ударной вязкости при различных температурах). Результаты измерений приведены в таблице (пример 2).Samples were cut from the heat-treated workpiece to study the mechanical properties (yield strength, tensile strength, relative elongation, relative compression, and impact strength at various temperatures). The measurement results are shown in the table (example 2).

Как видно из результатов, приведенных в таблице, предлагаемый способ модифицирования стали позволяет значительно улучшить механические характеристики стали по сравнению со значениями, определяемыми ГОСТ 977-88, и значительно повысить относительное удлинение, относительное сжатие и ударную вязкость (характеристики, являющиеся определяющими при использовании стали 20ГЛ в качестве корпусов автосцепок железнодорожных вагонов) по сравнению со сталью, модифицированной нитридом ванадия.As can be seen from the results shown in the table, the proposed method of modifying steel can significantly improve the mechanical characteristics of steel compared to the values determined by GOST 977-88, and significantly increase the relative elongation, relative compression and impact strength (characteristics that are decisive when using steel 20GL as cases of automatic couplers of railway cars) in comparison with steel modified with vanadium nitride.

ТаблицаTable

Результаты механических испытаний стали The results of mechanical tests of steel

№
п/пNo.
p/p образецsample Определяемые характеристикиDefined characteristics Предел текучести, σ_т, МПаYield strength, σ _t , MPa Временное сопротивление σ_в, МПаTensile strength σ _in , MPa Относительное удлинение δ, %Relative elongation δ, % Относительное сжатие Ψ, % Relative compression Ψ, % Ударная вязкость KCU⁺²⁰,
Дж/см² Impact strength KCU ⁺²⁰ ,
J / cm ² Ударная вязкость KCU^-60,
Дж/см² Impact strength KCU ^-60 ,
J / cm ² Ударная вязкость KCV^-60,
Дж/см² Impact strength KCV ^-60 ,
J / cm ² 1one Без модификатора
(в соотвтетствии с ГОСТ 977-88 ) сталь 20 ГЛNo modifier
(according to GOST 977-88) steel 20 GL 216216 412412 2222 3535 Не менее
49Not less than
49 Не менее
24,5Not less than
24.5 Не менее
16.7Not less than
16.7 22 Результаты испытаний высокомарганцовистой стали 110Г13Л^* Test results for high-manganese steel 110G13L ^* 396 - 481396 - 481 605 - 775605 - 775 6 - 226 - 22 6,8 – 23,06.8 - 23.0 0,8 – 2,10.8 - 2.1 33 С модификатором VN – Ni
(пример 1)With modifier VN - Ni
(example 1) 381381 462462 24,524.5 4242 87
9587
95 73
7873
78 18
20eighteen
twenty 4four С модификатором VN – Ni
(пример 2) With modifier VN - Ni
(example 2) 437437 587587 25,525.5 4646 115
102115
102 81
4881
48 21
2021
twenty

^*А.И. Гарост Неметаллические включения и формирование структуры модифицированной высокомарганцовистой стали. //Литейное производство,№1(37), 2006. С. 75-83. ^* A.I. Garost Non-metallic inclusions and structure formation of modified high-manganese steel. // Foundry, No. 1 (37), 2006. S. 75-83.

Таким образом, авторами предлагается способ модифицирования стали, обеспечивающий значительное улучшение механических свойств, с использованием эффективного модификатора простого состава. Thus, the authors propose a method for modifying steel, which provides a significant improvement in mechanical properties, using an effective modifier of simple composition.

Claims

A method for inoculating steel, including natural convection mixing of a modifier based on vanadium nitride and a melt, characterized in that as a modifier based on vanadium nitride, nanodispersed powder of vanadium nitride clad with nickel is used, which is applied by spraying onto the inner surface of a mold made according to alpha set to the process, in the amount of 0.025–0.06 wt. % of the total mass of the melt poured into the mold.