способ приготовления металлических расплавов

Формула изобретения

1. Способ приготовления металлического расплава, включающий загрузку шихты в плавильную печь, расплавление шихты, дозагрузку шихты, легирование, раскисление и модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений, отличающийся тем, что предварительно на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты создают слой тугоплавких соединений, толщиной не более 0,1 мкм и производят модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений в процессе дозагрузки шихты, легирования и раскисления расплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве тугоплавких соединений используют оксиды, нитриды, бориды, карбиды и карбонитриды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве легирующих элементов, раскислителей и части шихты используют фольгу, стружку, листовую обрезь, бытовые металлические упаковки, дроби и пудры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты слоя тугоплавких соединений, толщиной не более 0,1 мкм, их подвергают электрохимической или термохимической или диффузионной металлизации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при приготовлении металлического расплава для литейного производства и непрерывного литья

Известный способ приготовления расплава металла для изготовления отливок включает: загрузку шихты в плавильную печь, расплавление ее, подшихтовку, легирование, раскисление и модифицирование расплава (Технологии литейного производства. Справочник. М.: Машиностроение, 1989 г., стр.300).

Механические свойства получаемых отливок значительно ниже, чем у деформированного металла из-за пористости литья, химической неоднородности структуры, крупного первичного зерна.

Известен способ приготовления металлического расплава, согласно которому для улучшения структуры литого металла и повышения механических свойств по сравнению с требованиями ГОСТ на литье, модифицирование металлического расплава производят ультрадисперсными (менее 0,1 мкм) порошками наночастицами в количестве 0,004-0,05% по массе (Сабуров В.П., Корнилов А.А. (Модифицирование сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. Материалы семинара совещания исполнителей программы "Сибирь" СО РАН. Новосибирск, 1988, стр.14).

Известный способ модифицирования расплавов предусматривает:

- плазмохимический синтез ультрадисперсных порошков (УДП);

- дегазацию частиц порошка, механоактивацию и плакирование их;

- подготовку УДП для введения в расплав (расфасовку и упаковку дозы в герметичный пакет с нейтральной атмосферой);

- введение дозы УДП в расплав под струю, при сливе его из плавильной печи в разливочный ковш.

Недостатком способа приготовления металлического расплава с модифицированием ультрадисперсными порошками является сложность их получения, дороговизна, сложность введения порошков в расплав металла, нестабильность результатов из-за всплывания порошков при введении.

Целью предлагаемого изобретения является снижение стоимости модификатора, упрощение его получения (изготовления) и введения в расплав.

Поставленная цель достигается тем, что в способе приготовления металлического расплава, включающего загрузку шихты в плавильную печь, расплавление шихты, дозагрузку шихты, легирование, раскисление и модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений, предварительно на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты создают слой тугоплавких соединений толщиной не более 0,1 мкм и производят модифицирование расплава наночастицами тугоплавких соединений в процессе дозагрузки шихты, легирования и раскисления расплава В качестве тугоплавких соединений используют оксиды, нитриды, бориды, карбиды и карбонитриды.

В качестве легирующих элементов, раскислителей и части шихты используют фольгу, стружку, листовую обрезь, бытовые металлические упаковки, дроби и пудры.

Для образования на поверхности легирующих элементов, раскислителей и части шихты слоя тугоплавких соединений толщиной не более 1 мкм их подвергают электрохимической или термохимической обработке или диффузионной металлизации.

Это позволяет устранить специальную дорогостоящую малопроизводительную операцию изготовления ультрадисперсных порошков, упростить операцию ввода наночастиц в расплав металла и обеспечить условия крупномасштабного практического применения наночастиц и нанотехнологий в промышленности при изготовлении отливок.

Поскольку алюминий и его сплавы образуют на воздухе пленку из Al₂О₃ толщиной 10 нанометров (нм), в отдельных случаях его используют в виде фольги, пудры или стружки (спрессованной), листовых отходов без увеличения слоя окислов.

Слой Al₂О₃ на сырье из алюминия и его сплавов, например на фольге, наращивают до 100 нм при пропускании ее через электролит в режиме микроплазменного оксидирования (то же относится к получению TiO₂ на титане).

При термохимической обработке отходов, механической обработке стружки (алюминиевой, стальной, титановой) получают нанослои до 100 нм из карбидов, нитридов, карбонитридов с большой производительностью в виде TiN, AlN, BN, Cr₂N, TiCN, Mo₂N и др.

При диффузионной металлизации (газовом борировании) на поверхности стружки, в т.ч. чугунной, получают нанослои FeB, Fe₂В.

При введении в расплав металла легирующих элементов в виде брикетированной стружки из алюминиевого сплава с тугоплавкими нанослоями из Al₂О₃ происходит следующий процесс.

Алюминиевый сплав имеет коэффициент линейного расширения и предел прочности на растяжение большие, чем у Al₂O₃. Переход сплава в жидкое состояние сопровождается мгновенным увеличением объема и давления в жидкой фазе. Атомы металла при этом занимают неупорядоченное хаотическое расположение. В образующиеся в нанослое микротрещины внедряется жидкая фаза (детергент), создающая "расклинивающее" давление, что способствует разрушению тонкого слоя Al₂ О₃ на наночастицы (имеет место эффект Ребиндера).

Образовавшиеся в легированном расплаве частицы ультрамалых размеров обуславливают высокие скорости зародышеобразования и соответственно высокодисперсную структуру и, в конечном итоге, - высокие механические свойства металла отливок. Вопрос снижения жидкотекучести модифицированных расплавов решается использованием для изготовления отливок способа литья выжиманием с кристаллизацией под давлением (ЛВКД).

Пример 1.

Расплав на основе никеля ХН70ВМЮТЛ для литья лопаток газовых турбин приготавливают следующим образом. Состав сплава:

С 0,10÷0,16%; Si÷ 0,60; Mn 0.5; Cr 14.0÷16,0; Ni - основа; Мо 3,0÷5,0; Fe 3.0; W 4,0÷6,0; Ti 1,0÷1,4; Al 1,7÷2,2; В 0,01.

Плавку ведут по известным режимам. Наночастицы вводят в расплав при легировании его титаном.

Подготовку легирующих элементов производят следующим образом. Титановую стружку толщиной ˜0,5 мм нагревают в защитной атмосфере до 850°С, а затем производят в течение нескольких секунд либо азотирование для получения слоя TiN, толщиной 100 нм, либо цианирование (наиболее предпочтительно) для получения нанослоя TiCN такой же толщины. Готовую стружку брикетируют.

При легировании расплава титаном одновременно производят модифицирование его наночастицами TiN или TiCN (0,004÷0,006% по массе).

Пример 2.

Расплав из жаростойкой стали 20Х13 для литья арматуры крекинг-установок приготавливают следующим образом. Состав стали:

С 0,16÷0,24%; Si 0,70; Mn 0,3÷0,6; Cr 12÷14; Ni 0,50; Fe - основа.

Плавку ведут по известным режимам, 10% шихты вводят в расплав в виде стружки этой стали.

Стружку предварительно азотируют при температуре 600÷700°С для получения нанослоя из Cr₂N толщиной не более 100 нм. Готовую стружку в виде брикета подшихтовывают в расплав стали.

При подшихтовке стали азотированной стружкой одновременно производят модифицирование его наночастицами Cr₂N (˜0,02% по массе).

Пример 3.

Расплав из алюминиевого высокопрочного чугуна ЧЮ22Ш приготавливают следующим образом. Состав чугуна:

С 1,6÷2.5%; Si 1,0÷2,0; Al 19,0÷25,0; Mn 0,8; Fe - ее основа.

В расплав чугуна вводят 22% от веса всей металлозавалки брикетированную алюминиевую стружку, которую до брикетирования азотируют в течение короткого времени при температуре 500÷520°С для образования на поверхности тугоплавкого нанослоя AlN толщиной до 100 нм. При вводе в расплав шихты для легирования производят одновременно модифицирование его наночастицами AlN (˜0,025% по массе).

Пример 4.

Расплав из стали 30ХТСЛ приготавливают следующим образом. Состав стали:

С 0,28÷0,38%; Si 0,50÷0,75; Mn 0,9÷1,2; Cr 0,5÷0,8; Fe - основа. Плавку сплава ведут по известным режимам, а раскисление расплава стали производят алюминиевой фольгой, свернутой в рулон (150 г на 100 кг шихты), которую предварительно пропускают через электролит для увеличения слоя Al₂O₃ с 10 нм до 100 нм в режиме микроплазменного оксидирования.

При раскислении стали алюминиевой фольгой, одновременно производят модифицирование ее наночастицами Al ₂O₃

Использование изобретения позволяет исключить из процесса приготовления качественных расплавов дорогой трудоемкий нетехнологичный процесс изготовления и использования ультрадисперсных порошков и обеспечить широкомасштабное внедрение предлагаемой нанотехнологии в машиностроении и металлургии с получением значительного экономического эффекта за счет повышения механических свойств литого материала, осуществить эффективно утилизацию металлических производственных и бытовых отходов.