Способ получения легированного сплава железа из отходов производства

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения легированных сплавов железа из железосодержащих отходов. Смешивают 75-80 мас.% железной окалины и 20-25 мас.% алюминиевого порошка с получением термитной смеси, при этом дополнительно вводят карбид титана - 10-12% массы термитной смеси, молибден - 5-10% массы термитной смеси, диборид титана - 3-5% массы термитной смеси и силикобариевую лигатуру ФС65Ва₄ - 2-3% массы термитной смеси. Смесь порошков загружают в форму, инициируют реакцию горения и осуществляют самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Полученный сплав имеет заданный состав, высокую теплостойкость и может работать на высоких скоростях резания вследствие повышенной твердости при высоких температурах.

 

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, МПК7 С21В 15/00, В22F 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 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. При температуре 750° полученный сплав имеет твердость до 36 HRC (патент RU 2277456, МПК8 В22F 3/23, С22С 33/02, С21В 15/02).

Основным недостатком вышеописанного способа является узкая сфера использования, так как получаемый сплав железа можно применять только в качестве штампового инструмента 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 теплостойкости инструмента, в качестве материала для штампового инструмента и режущего инструмента при высоких скоростях резания вследствие повышенной твердости при высоких температурах, обусловленной высокой теплостойкостью.

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 10-12% массы термитной смеси и дополнительно вводят молибден в количестве 5-10% массы термитной смеси, диборид титана в количестве 3-5% массы термитной смеси и силикобариевую лигатуру ФС65Ва₄ в количестве 2-3% 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 и боридами железа, титана, молибдена, хрома и оксида алюминия с твердостью до 67-69 HRC, который используют как быстрорежущую сталь без дополнительной термообработки для обеспечения высокой твердости, что необходимо при реализации способа, выбранного в качестве прототипа. Режущие свойства не уступают быстрорежущей стали Р6М5 при скорости резания 55 м/мин.

Введение при смешивании заявляемых легирующих добавок повышает скорость горения и температуру реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, увеличивает количество тепла, жидкотекучесть, что позволяет получить слитки любых конфигураций с твердостью до 67-69 HRC.

Количество карбида титана, составляющее 10-12% массы термитной смеси, является оптимальным, так как при содержании карбида титана в термитной смеси менее 10% реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза протекает без повышения скорости и температуры горения и количества выделяемого тепла, а при содержании карбида титана в термитной смеси более 12% реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза затухает.

Содержание в легированном сплаве молибдена, составляющее 5-10% массы термитной смеси, и диборида титана, составляющее 3-5% массы термитной смеси, являются оптимальными, так как выделяемое термитной смесью количество теплоты достаточно для их полного расплава. Таким образом, введение молибдена и диборида титана позволяют повысить теплостойкость и, следовательно, твердость получаемого легированного сплава. При температуре 750° полученный сплав имеет твердость до 56 HRC. При меньшем содержании в сплаве каждого из этих легирующих элементов не достигается необходимая твердость, а при большем - реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза затухает.

Количество силикобариевой лигатуры ФС65 Ва4 (ТУ 14-5-160-84), содержащей, мас.%: железо 25-30; кремний 65-67%; барий 4-4,5%, составляющее 2-3% массы термитной смеси, является оптимальным, так как выделяемое термитной смесью количество теплоты достаточно для его полного расплава. При меньшем содержании в сплаве этого легирующего элемента не достигается необходимая пористость, а при большем - шихта полностью не проплавляется. Введение силикобариевой лигатуры ФС65Ва₄ обеспечивает более полное раскисление сплава, способствует получению монолитного слитка, снижает образование пор, повышает процент выхода 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 10-12% массы термитной смеси, молибден в количестве, равном 5-10% массы термитной смеси, диборид титана в количестве, равном 3-5% массы термитной смеси, и силикобариевую лигатуру ФС65Ва₄ в количестве, равном 2-3% массы термитной смеси.

Затем термитную смесь и легирующие добавки загружают в форму. Инициируют начало реакции горения и проводят плавление термитной смеси с карбидом титана, молибденом, диборидом титана и силикобариевой лигатурой в режиме горения путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза за счет тепла химической 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, диборида титана и силикобариевой лигатуры ФС65 Ва4 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 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, диборида титана и силикобариевой лигатуры, 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, и молибдена с их карбидами и боридами твердостью до 67-69 HRC. Выход годного слитка составил 60%. Легированный сплав, изготовленный по заявляемой технологии, можно использовать без дополнительной термообработки как быстрорежущую сталь для изготовления режущего инструмента.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения легированного сплава железа из отходов производства обеспечивает получение сплава заданного состава с определенными свойствами, обладающего высокой твердостью при повышенных температурах, 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 10-12% массы термитной смеси и дополнительно вводят молибден в количестве 5-10% массы термитной смеси, диборид титана в количестве 3-5% массы термитной смеси и силикобариевую лигатуру ФС65Ва₄ в количестве 2-3% массы термитной смеси.