Способ получения стальной дроби

Изобретение может быть использовано в порошковой металлургии для получения стальной дроби путем диспергирования железоуглеродистых расплавов. Сущность способа состоит в следующем. После плавления расплава и перегрева его над температурой плавления на 150-200°С в форсуночный узел, выполненный с возможностью одновременной подачи воды и воздуха, подают энергоносители с давлением, обеспечивающим получение частиц с заданным средним размером, который зависит от эффективного скоростного напора в области диспергирования струи металла. Для заданного таким образом среднего размера частиц и содержания углерода в расплаве от 0,4 до 0,6 мас.% обеспечиваются требуемые траектория и время полета частиц таким образом, чтобы средняя температура их при встрече со средой закалки составляла 800-850°С, при этом охлаждение частиц до этой температуры осуществляется в период: τ=0,172d_cp.+0,165, где τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, сек; d_cp. - средний размер частиц, мм; 0,165 - const. Полученную стальную дробь подвергают отпуску при температуре 300-400°С для получения микроструктуры, отвечающей улучшенной дроби марки ДСЛУ. Предложенный способ позволяет при получении улучшенной дроби сократить дорогостоящую операцию (нагрев под закалку в инертной среде) и существенно снизить энергозатраты при одновременном снижении себестоимости в 1,5-2 раза. 3 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению стальной дроби путем распыления железоуглеродистых расплавов.

Наиболее часто применяют способ получения дроби диспергированием железоуглеродистых расплавов водой или воздухом в воду [Получение и применение металлической дроби / Затуловский С.С., Мудрук Л.А. - М.: Металлургия. 1988-183 с.].

Недостатком способа диспергирования железоуглеродистого расплава воздухом является повышенная окисленность и пористость дроби фракций менее 800 мкм и большая доля частиц неправильной формы во фракциях более 2000 мкм.

Недостатком способа диспергирования железоуглеродистого расплава водой низкого давления при получении дроби является большая доля крупных частиц, а при диспергировании водой высокого давления большая часть мелких частиц имеет неправильную форму.

Ближайшим аналогом по технической сущности является способ получения металлического порошка (патент SU 1765986 А1, авторы Г.Г.Залазинский, Т.Л.Щенникова и др.), в котором после плавления металла и перегрева расплава на 150-200° над температурой плавления, в форсуночный узел подают одновременно воду и воздух, что позволяет регулировать условия охлаждения частиц за счет изменения давления энергоносителей и их соотношения.

Недостатком рассмотренных выше способов является необходимость при получении улучшенной дроби введения перед операцией отпуска дроби операции закалки. Введение операции закалки существенно (в 1.5-2 раза) увеличивает стоимость дроби за счет повышения энергозатрат на нагрев до температуры закалки (800-900°С) в инертной среде.

Задачей данного изобретения является снижение энергозатрат и себестоимости в 1.5-2 раза за счет сокращения дорогостоящей операции (нагрев под закалку в инертной среде) при получении улучшенной дроби.

Технический результат настоящего изобретения выражается в получении после отпуска при температуре 300-400°С частиц дроби с микроструктурой бейнита и отпущенного мартенсита, что в 1,5-2 раза повышает количество циклов использования дроби.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения стальной дроби, включающем диспергирование железоуглеродистого расплава водой и воздухом и термообработку полученных частиц, согласно изобретению, диспергирование железоуглеродистого расплава осуществляют в среду закалки - воду, с получением частиц заданного среднего размера и охлаждение частиц до встречи со средой закладки до 800-850°С, при этом охлаждение частиц до указанной температуры осуществляется за период времени:

τ=0.172d_cp+0.165,

где: τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, сек; d_cp - средний размер частиц, мм, 0.165 - const.

Сущность заявленного способа состоит в следующем.

После плавления металла и перегрева железоуглеродистого расплава над температурой плавления на 150-200°С в форсуночный узел, выполненный с возможностью одновременной подачи в него воды и воздуха, подают оба энергоносителя с давлением, обеспечивающим заданный скоростной напор в области диспергирования струи металла, вытекающей из металлоприемника. При заданном скоростном напоре энергоносителей образуется спектр частиц с заданным средним размером, который определяет время их полета до встречи со средой закладки (водой) и скорость их охлаждения до температуры 800-850°С. Время полета частиц до встречи со средой закалки регулируется уровнем воды в бассейне и наклоном форсуночного узла (монография Г.Г.Залазинского, Т.Л.Щенниковой. Теоретические основы металлургии железных порошков. Екатеринбург: УрО РАН. 2004. С.96-97).

Полученную стальную дробь подвергают отпуску при температуре 300-400°С в течение 2-2.5 ч.

Изобретение осуществляется следующим образом. Для форсунки щелевого типа, выполненной с возможностью одновременной подачи в нее двух энергоносителей (воды и воздуха), определили влияние давления энергоносителей на средний размер образующихся частиц. Экспериментально установлено, что время охлаждения (τ, с) до температуры 800-850°С частиц и их средний размер (d_cp, мм) связаны между собой выражением

τ=0.172d_ср+0.165,

где 0.165 - const.

По времени охлаждения определили расстояние, которое они должны пролететь, чтобы их температура составляла 800-850°С до встречи со средой закалки (таблица 1)

Таблица 1
Р, МПа	0.40	0.25	0.20	0.15
dcp, мм	0.5	1.0	1.5	2.0
τохл, с	0.25	0.34	0.42	0.50
S, м	6.50	6.46	6.45	6.37

Из таблицы видно, что для частиц со средними размерами от 0.5 до 2 мм при содержании углерода 0.4-0.6 мас.% это расстояние составляет от 6.3 до 6.5 м.

Способ испытан в опытно-промышленных условиях на участке получения дроби. Железоуглеродистый расплав с содержанием углерода 0.4-0.6 мас.% готовили в индукционной печи. Перегревали металл до температуры 1580-1620°С, подавали заданное давление энергоносителей в диапазоне 0.15-0.4 МПа. Расстояние полета частиц меняли от 2 м до 10 м. При уровне воды (Н) в бассейне относительно форсунки H₁=1.5 м (см. чертеж) расстояние в зависимости от угла ее наклона при α₁=45° составило 2.12 м и при α₂=13.3° составило 6.4 м. Для удлинения траектории полета частиц до 10 м уровень воды в бассейне опустили до Н₂=2 м. При давлении 0.15 МПа угол наклона форсунки α₃=0°, при давлении 0.4 МПа α₃=11.5°. Время полета частиц и их температура до встречи со средой закалки представлены в таблице 2.

Таблица 2 Время полета и температура частиц до закалки в воду
Расстояние, м	2.12	6.4	10
Давление, МПа	0.40	0.15	0.40	0.15	0.40	0.15
Время полета частиц, с:
d=0.5 мм	0.15		0.25		0.30
d=2 мм		0.30		0.50		0.60
Температура частиц, °С	1090	1010	840	820	710	670

После отбора проб стальной дроби проведено исследование свойств дроби до и после отпуска при температуре 350°С в течение 2 часов в вакууме (таблица 3).

Таблица 3 Свойства дроби до и после отпуска
Закалена с расстояния, м	2.12	6.4	10
dcp, мм	0.5	2.0	0.5	2.0	0.5	2.0
Твердость, HV	-	671.5	-	748	-	801
Плотность, г/см3	6.77	6.98	7.57	7.46	6.37	6.27
Микроструктура до отпуска	крупнозернистая структура стали	видман-штеттовая структура стали	мелкоигольчатый мартенсит	мелкоигольчатый мартенсит	мелкоигольчатый мартенсит	мелкоигольчатый мартенсит
после отпуска	отпущенный мартенсит	отпущенный мартенсит, остаточный аустенит	мелкоигольчатый отпущенный мартенсит, бейнит	мелкоигольчатый отпущенный мартенсит, бейнит	мелкоигольчатый отпущенный мартенсит	мелкоигольчатый отпущенный мартенсит
Износостойкость α, %
до отпуска	-	35	-	50	-	30
после отпуска	-	55	-	90	-	58

Из таблицы 3 видно, что наилучшими характеристиками по качеству, отвечающими улучшенной дроби марки ДСЛУ, соответствует стальная дробь, закаленная в воду на расстоянии 6.4 м после отпуска при температуре 350°С.

Предложенный способ позволяет при получении улучшенной дроби сократить дорогостоящую операцию (нагрев под закалку в инертной среде) и существенно снизить энергозатраты при одновременном снижении себестоимости в 1.5-2 раза.

Способ получения стальной дроби, включающий диспергирование железоуглеродистого расплава водой и воздухом с получением частиц заданного среднего размера и последующую их термообработку, отличающийся тем, что диспергирование железоуглеродистого расплава осуществляют в среду закалки - воду, причем частицы до встречи со средой закалки охлаждают до температуры 800-850°С за период времени

τ=0,172d_cp+0,165,

где τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, с;

d_cp - средний размер частиц, мм;

0,165 - const.