Способ получения легированного сплава железа из отходов производства

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сплавов железа из железосодержащих отходов. Способ получения легированного сплава железа включает приготовление смеси порошков и самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Смешивают 74-76 мас.% железной окалины и алюминиевый порошок с получением термитной смеси. При смешивании вводят карбид титана в количестве 15-20% от массы термитной смеси. Количество алюминиевого порошка равно разности масс термитной смеси и железной окалины. Техническим результатом является повышение твердости.

 

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

Известен способ получения сплава железа в высокотемпературной индукционной печи путем загрузки передельного чугуна, стального и чугунного лома, возврата, брикетов стружки, а также ферросилиция и ферромарганца в количестве 1,0-2,5 мас.%, последующего нагрева до температуры плавления и выдержки при этой температуре (Чугун. Справочное издание / Под. ред. Л.Д.Шермана, А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991, с.143 (прототип).

Описанный способ получения сплава железа в высокотемпературной индукционной печи имеет следующие недостатки: большой расход электроэнергии из-за применения высокотемпературной печи; низкая твердость - 10 HRC - получаемого сплава железа; высокая стоимость готовой продукции; неполная утилизация отходов, так как в высокотемпературной печи не используют окалину; низкая защита окружающей среды, так как при плавлении в печах выделяется большое количество дыма и продуктов сгорания в атмосферу. Кроме того, способ получения сплава железа длителен во времени из-за больших временных затрат на процессе плавления (длительность плавления несколько часов).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ получения сплава железа из отходов производства, включающий смешивание железной окалины в количестве 74-76 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, МПК7 C 21 B 15/00, B 22 F 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.

Предлагаемым изобретением решается задача расширения сферы использования путем обеспечения возможности получения легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами, применяемых в качестве напайки для повышения стойкости ударного или режущего инструмента.

Для достижения этого технического результата в способе получения легированного сплава железа из отходов производства, включающем смешивание железной окалины в количестве 74-76 мас.% и алюминиевого порошка с получением термитной смеси, загрузку и плавление сплава железа самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, при смешивании вводят карбид титана в количестве, равном 15-20% массы термитной смеси, а алюминиевый порошок используют в количестве, равном разности масс термитной смеси и железной окалины.

Получение легированных сплавов с заранее заданными составами и необходимыми свойствами обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по заявляемому способу сплава ферротитана, карбида железа и оксида алюминия с твердостью до 55 HRC, который используют как инструментальную сталь без дополнительной термообработки для обеспечения высокой твердости, что необходимо при реализации способа, выбранного в качестве прототипа.

Количество алюминиевого порошка, равное разности масс термитной смеси железной окалины и составляющее 24-26 мас.%, является оптимальным, так как обеспечивает наиболее полное горение смеси. При использовании алюминиевого порошка в количестве менее 24 мас.% термитной смеси не происходит выделения достаточного количества тепла в реакционной зоне для проплавления сплава. Использование алюминиевого порошка в количестве более 26 мас.% термитной смеси приводит к появлению пор в металлическом слитке, то есть к отсутствию его монолитности.

Количество карбида титана, составляющее 15-20% массы термитной смеси, является оптимальным, так как повышает скорость горения, температуру реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, увеличивает количество тепла, жидкотекучесть, позволяет получить отливки любой конфигурации, например компактный металлический слиток ферротитана и карбида железа с твердостью до 55 HRC и достаточно высокой вязкостью. При содержании карбида титана менее 15% массы термитной смеси реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза протекает без повышения скорости горения, температуры и количества тепла, а при содержании карбида титана более 20% массы термитной смеси реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не возникает.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе железной окалины и алюминиевого порошка с получением термитной смеси. Железную окалину используют в количестве 74-76 мас.%, а алюминиевый порошок - в количестве, равном разности масс термитной смеси и железной окалины и составляющем 24-26 мас.%. При смешивании в качестве легирующего элемента вводят карбид титана в количестве, составляющем 15-20% массы термитной смеси. Затем термитную смесь и карбид титана загружают в форму. Инициируют начало реакции и производят плавление легированного сплава железа и титана в режиме горения путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Плавление железа и карбида титана осуществляют за счет тепла химической реакции термосинтеза вышеуказанных компонентов:

Fe₂О₃+2Аl+TiC→FeTi+FeC+Al₂O₃ (1)

Образующийся в реакционной зоне легированный сплав скапливается на дне формы, а другие примеси переходят в шлак.

Пример конкретного выполнения способа получения легированного сплава из отходов производства. Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения использовали молотую железную окалину, отходы кузнечного производства, дисперсность которой определяли проходом через сито 0,16 мм, порошок алюминия АСД-1 и порошок карбида титана с дисперсностью 0,063 мм.

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 керамические формы и инициировали реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием тепла химической реакции, необходимого для плавления образцов шихты из смеси железной окалины, порошков алюминия и карбида титана, происходило плавление легированного сплава в режиме горения.

Реакция (1) протекала бурно с достаточной температурой и количеством тепла, чтобы вступил в реакцию карбид титана. Температура, скорость горения, количество выделяемой теплоты при реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза были достаточными для получения по заявляемой технологии легированного сплава. Жидкий металл выливали в металлическую форму. Оксид алюминия и другие примеси переходили в шлак. Получали комплексный металлический слиток сплава ферротитана, карбида железа и оксида алюминия с твердостью до 55 HRC. Выход годного слитка составил 50%. Легированный сплав, изготовленный по заявляемой технологии, можно использовать без дополнительной термообработки в качестве напайки для повышения стойкости ударного или режущего инструмента.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения легированного сплава железа из отходов производства обеспечивает получение сплава заданного состава с определенными свойствами при высокой твердости, полноту утилизации производственных отходов, улучшение экологической обстановки, достаточно низкий расход электроэнергии, сокращает длительность процесса до 20-120 сек, снижает стоимость готовой продукции вследствие отсутствия дополнительной термообработки для получения высокой твердости.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства, включающий смешивание железной окалины в количестве 74-76 мас.% и алюминиевого порошка с получением термитной смеси, загрузку и плавление сплава железа самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, отличающийся тем, что при смешивании вводят карбид титана в количестве, равном 15-20% массы термитной смеси, а алюминиевый порошок используют в количестве, равном разности масс термитной смеси и железной окалины.