Способ получения легированного сплава железа из отходов производства

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению легированных сплавов железа из железосодержащих отходов производства. В смесителе смешивают порошок железной окалины в количестве 75-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 20-25 мас.% с получением термитной смеси, а в качестве легирующих добавок вводят карбид титана в количестве, равном 8-20% массы термитной смеси, молибден в количестве, равном 10-12% массы термитной смеси, и ферросилициум в количестве, равном 2-4% массы термитной смеси. Термитную смесь с легирующими добавками загружают в форму, инициируют реакцию горения и производят плавление путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Полученный сплав имеет заданный состав, высокую износостойкость в условиях ударно-абразивного износа, высокую вязкость в совокупности с высокой твердостью.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения легированных сплавов железа из железосодержащих отходов производства.

Известен способ получения сплава железа из отходов производства, включающий смешивание железной окалины в количестве 70-80 мас.%, железосодержащего порошка в количестве 10-15 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас.% с получением термитной смеси, загрузку этих компонентов в тигель и плавление сплава железа самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (патент RU 2192478, МПК ⁷ С21В 15/00, B22F 3/23).

Основным недостатком этого способа является узкая сфера использования, так как получаемый сплав железа можно применять только в качестве шихты для дальнейшего производства легированных сплавов с дополнительной термообработкой из-за его низкой твердости, составляющей 10 HRC.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения сплава железа из отходов производства, включающий получение термитной смеси путем смешивания железной окалины в количестве 75-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 20-25 мас.%, введение в термитную смесь при смешивании карбида титана в количестве 10-14% массы термитной смеси, борида титана в количестве 3-5% массы термитной смеси и хрома в количестве 4-5% массы термитной смеси, загрузку и плавление смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (патент RU 2277456, МПК ⁸ B22F 3/23, С22С 33/02, С21В 15/02).

Основным недостатком вышеописанного способа является узкая сфера использования, так как получаемый сплав можно применять только в качестве штампового инструмента с низкой стойкостью при износе и режущего инструмента исключительно при низких скоростях резания из-за низкой твердости при высоких температурах, обусловленной пониженной теплостойкостью.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения сферы использования путем обеспечения возможности получения легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами, применяемых для повышения износостойкости инструмента, в качестве материала для штампового инструмента в условиях высокого ударного и ударно-абразивного износа вследствие повышенной вязкости, обусловленной высоким содержанием остаточного аустенита, до 60%, в структуре сплава в совокупности с высокой твердостью.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения легированного сплава железа из отходов производства, включающем получение термитной смеси путем смешивания железной окалины в количестве 75-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 20-25 мас.%, введение в термитную смесь при смешивании карбида титана, загрузку и плавление смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, согласно изобретению в термитную смесь при смешивании карбид титана вводят в количестве, равном 8-20% массы термитной смеси, и дополнительно вводят молибден в количестве 10-12% массы термитной смеси и ферросилициум в количестве 2-4% массы термитной смеси.

Получение легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по заявляемому способу сплава интерметаллида с карбидами титана, молибдена, силицидами и оксида алюминия с твердостью до 50-54 HRC, который используют как штамповую сталь с высокой вязкостью и достаточной твердостью. Штамповый инструмент с высокими вязкостными свойствами работает при деформации сжатия, следовательно, повышенный остаточный аустенит при деформации превращается в мартенсит, что вызывает повышение твердости до 60-62 HRC.

Количество карбида титана, составляющее 8-20% массы термитной смеси, является оптимальным, так как при содержании карбида титана в термитной смеси менее 8% ее массы количество углерода в получаемом легированном сплаве снижается, и после термической обработки сплав не обеспечивает заданной твердости, а при содержании карбида титана в термитной смеси более 20% ее массы не поддерживается режим горения реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Содержание в легированном сплаве молибдена, составляющее 10-12% массы термитной смеси, является оптимальным, так как при содержании молибдена в шихте менее 10% ее массы не достигается необходимая вязкость получаемого легированного сплава, а при содержании молибдена в шихте более 10% ее массы реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не идет.

Количество ферросилициума, составляющее 2-4% массы термитной смеси, является оптимальным, так как при содержании в термитной смеси менее 2% ферросилициума получаемый легированный сплав не приобретает необходимую пористость, а при содержании в термитной смеси более 4% ферросилициума снижается вязкость этого сплава. Введение ферросилициума способствует более полному раскислению сплава, позволяет получить монолитный слиток, снижает образование пор, повышает выход металлической фазы до 60%.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе железной окалины в количестве 75-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 20-25 мас.% с получением термитной смеси. При смешивании в качестве легирующих добавок вводят карбид титана в количестве, равном 8-20% массы термитной смеси, молибден в количестве, равном 10-12% массы термитной смеси, и ферросилициум в количестве, равном 2-4% массы термитной смеси.

Затем термитную смесь с легирующими добавками загружают в форму. Инициируют начало реакции горения и производят плавление термитной смеси с карбидом титана, молибденом и ферросилициумом в режиме горения путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет тепла экзотермической реакции термосинтеза вышеуказанных компонентов. Образующийся в реакционной зоне легированный сплав скапливается на дне формы, а другие примеси переходят в шлак.

Пример конкретного выполнения способа получения легированного сплава железа из отходов производства.

Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения использовали молотую железную окалину, отходы кузнечного производства, дисперсность которых определяли проходом через сито 0,16 мм, порошок алюминия АСД-1, порошки карбида титана, молибдена, ферросилициума. Порошки дозировались в заданном соотношении на аналитических весах с точностью до 0,001 г, механически смешивались всухую в атмосфере воздуха в смесителе типа "пьяная бочка" партиями по 200 г в течение 4 часов. Полученные образцы шихты загружали в сборные металлические формы и инициировали реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием выделенного при горении термитной смеси тепла реакции, необходимого для плавления образцов шихты из смеси железной окалины, порошков алюминия, карбида титана, молибдена, ферросилициума происходило плавление шихты в режиме горения. Реакция горения протекала бурно с достаточными температурой и количеством тепла, чтобы вступили в реакцию легирующие добавки. Температура и скорость горения, количество выделяемой теплоты при реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза были достаточными для получения по заявляемой технологии легированного сплава. Жидкий металл опускался на дно формы. Оксид алюминия и другие примеси переходили в шлак. Получали комплексный металлический слиток сплава интерметаллида из железа, титана, молибдена и силицидов с твердостью до 50-54 HRC. Выход годного слитка составил 60%. Так можно получить сплав с содержанием углерода 1,0-1,5 мас.%, молибдена - 1,2-1,5 мас.%, кремния - 1,0-1,3 мас.%, твердостью 50-54 HRC, 60% остаточного аустенита, вязкостью 4-6 Дж/см². Легированный сплав, получаемый по заявляемой технологии, можно использовать без дополнительной термообработки как штамповую сталь для изготовления штампового инструмента, работающего при ударном и ударно-абразивном износе.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения легированного сплава железа из отходов производства обеспечивает получение сплава заданного состава с определенными свойствами, обладающего высокой твердостью в совокупности с высокой вязкостью, полноту утилизации производственных отходов, улучшение экологической обстановки и достаточно низкий расход электроэнергии вследствие отсутствия дополнительной термообработки для получения высокой твердости.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства, включающий получение термитной смеси путем смешивания железной окалины в количестве 75-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 20-25 мас.%, введение в термитную смесь при смешивании карбида титана, загрузку и плавление смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, отличающийся тем, что в термитную смесь при смешивании карбид титана вводят в количестве 8-20% массы термитной смеси и дополнительно вводят молибден в количестве 10-12% массы термитной смеси и ферросилициум в количестве 2-4% массы термитной смеси.