Способ получения лигатуры для борирования стали

Изобретение относится к металлургии и касается получения лигатур для борирования стали. Способ включает приготовление смеси ингредиентов, содержащих металлические легирующие элементы, железо и соединения бора, и инициирование химической реакции между ними в инертной атмосфере. Приготавливают смесь из ингредиента, одновременно содержащего металлические легирующие элементы и железо, в виде подвергнутой борированию стальной заготовки и соединений бора в виде порошковой смеси, содержащей, мас. %: карбид бора 40-90 и флюс П-0,66 10÷50, при этом инициирование химической реакции осуществляют на поверхности упомянутой заготовки в высокочастотном электромагнитном поле в течение 90-120 с на глубину борированного слоя 600-1200 мкм. Изобретение позволяет получить борсодержащую сталь с заданным химическим составом по другим элементам, упростить дозирование лигатуры, расчет материального баланса плавки и технологию выплавки борированной стали. 2 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству легирующих материалов для сталей, чугунов и сплавов, и конкретно касается лигатур для борирования стали.

Бор является одним из наиболее эффективных и экономичных легирующих элементов. Борное микролегирование широко используется при производстве конструкционных сталей, сталей для крепежа, сталей для авто- и тракторостроения и в других областях, где требуется сочетание высокой прочности металла, повышенной твердости и износостойкости. Для введения бора в сталь традиционно используют ферробор различного состава, а также различные борсодержащие лигатуры, которые дополнительно включают различные металлы, имеющие высокую раскислительную и деазотирующую способность (Al, Si, Ti, Zr, Mn и др.).

Так, известен способ получения лигатуры алюминий-титан-бор, включающий плавление алюминия, порционное введение в расплав алюминия смеси титана с борсодержащим компонентом, перемешивание расплава и его разливку, заключающийся в том, что предварительно титан в виде титановой губки измельчают до размера 10÷15 мм, смешивают с борсодержащим компонентом в виде тетрафторбората калия, смесь помещают в металлический контейнер и нагревают до температуры 515÷530°С, затем уплотняют давлением до исчезновения жидкой фазы и после снятия давления полученную смесь вынимают из контейнера [Патент РФ №2215810].

Недостатками его является то, что получаемая лигатура имеет низкое содержание бора, его ликвацию и имеет нестабильную структуру из-за наличия крупных, первичных интерметаллидов, имеющих игольчатую форму, а также из-за их неравномерного распределения в объеме лигатуры. При модифицировании такой лигатурой в процессе литья слитков из алюминиевых сплавов интерметаллиды не растворяются и переходят в объем кристаллизующегося металла, что приводит к значительному ухудшению качества слитков и изготовленных из них полуфабрикатов. Кроме того, лигатура, получаемая по этому способу, не позволяет осуществлять введение бора в стали из-за высокого экзотермического эффекта при ее добавлении к расплаву стали в тигле или ковше.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности (прототипом) является способ по авторскому свидетельству СССР №1770434, согласно которому композиционные борсодержащие сплавы для легирования сталей (лигатуры) получают горением в инертной атмосфере (защитной среде) смеси порошков металлических легирующих элементов, выбранных из группы Ti, Zr, V, Nb, Cr, W, Mn с борсодержащей лигатурой. Причем в качестве борсодержащей лигатуры используют такие соединения бора, как ферробор, никельбор, кобальтбор, феррохромбор и/или марганецбор, содержащие 5÷50 мас. % бора. Прототип позволяет получать лигатуры для борирования стали с концентрацией бора от 3,5 до 14,9%, при использовании которых обеспечивается степень усвоения бора сталью в пределах 91,6-98,1%. Кроме того, прототип позволяет получать лигатуры, содержащие одновременно бор и один или несколько металлов, имеющих высокое сродство к азоту.

Однако недостатком прототипа является то, что высокая степень усвоения бора достигается только при условии дополнительного глубокого раскисления стального расплава металлами, имеющими высокое сродство к кислороду, например Са, Mg, Al и т.п., что усложняет технологию выплавки борированной стали. К недостаткам прототипа также относится высокая трудоемкость способа и сложность получения с помощью получаемых лигатур боросодержащих сталей с заданным химическим составом по другим элементам, так как при легировании стали в сложном металлургическом процессе металлы, выбранные из группы Ti, Zr, V, Nb, Cr, W, Mn, которые ранее реагировали с бором из боросплавов (ферробор, никельбор и др.) при получении лигатуры, теперь переходят в сталь, меняя ее состав и свойства.

Задачей предлагаемого изобретения является создание и применение эффективной лигатуры для борирования стали.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения лигатуры для борирования стали, включающем приготовление смеси ингредиентов, содержащей металлические легирующие элементы, железо и соединения бора, и инициирование химической реакции между ними в инертной атмосфере, отличающийся тем, что в качестве ингредиента, содержащего легирующие элементы и железо, используется подвергаемая борированию сталь в виде заготовки, в качестве соединения бора используется порошковая смесь, содержащая, мас. %:

карбид бора	40÷90
флюс П-0,66	10÷60

а химическая реакция осуществляется на поверхности заготовки в высокочастотном электромагнитном поле при температуре 1200÷1300°С в течение 90÷120 с на глубину борированного слоя 600÷1200 мкм.

Техническим результатом изобретения является возможность выплавки с помощью получаемой лигатуры боросодержащих сталей с заданным химическим составом по другим элементам, упрощение дозирования лигатуры, расчета материального баланса плавки и технологии выплавки борированной стали.

Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1, приведена микроструктура борированного слоя на стали 65Г. На фиг. 2 приведена микроструктура литой стали 65Г. На фиг. 3 приведена микроструктура стали 65Г, легированной бором с помощью лигатуры, полученной предлагаемым способом.

Способ включает приготовление смеси ингредиентов, содержащей металлические легирующие элементы, железо и соединения бора, с инициированием химической реакции между ними в инертной атмосфере. В качестве ингредиента, содержащего легирующие элементы, используется подвергаемая борированию сталь (сталь, для борирования которой изготавливается лигатура) в виде заготовки. В качестве соединений бора используется порошковая смесь, содержащая, мас. %: карбид бора в диапазоне 40÷90, флюс П-0,66 в диапазоне 10÷60. Флюс П-0,66 содержит, мас. %: Na₂B₄O₇ - 30, B₂O₃ - 20, CaSi₂ - 10, сварочный флюс марки АН-348А - 40.

В качестве инертной атмосферы используется углекислый газ, аргон или гелий. Химическая реакция осуществляется на поверхности заготовки в высокочастотном электромагнитном поле при температуре 1200÷1300°С в течение 90÷120 с на глубину борированного слоя 600÷1200 мкм.

Содержание карбида бора в шихте 40÷90% по массе является оптимальным. Если его будет меньше, чем 40%, например 35%, то значительно снижается толщина борированного слоя и содержание бора в готовой стали, поэтому необходимо будет увеличивать время борирования на 15-20% или количество вводимой лигатуры. При содержании карбида бора в шихте выше 90%, например 95%, не происходит полного поверхностного контактирования порошковой смеси с поверхностью стальной заготовки после расплавления шихты, в результате этого образуются неравномерные по толщине борированные участки, что не позволяет получать заданное содержание бора в готовой стали.

Оптимальное время борирования определено в диапазоне 90÷120 с. В случае установления времени меньше чем 90 с, например 80 с, толщина борированного слоя уменьшается, что приводит к уменьшению содержания бора в стальной заготовке. Если увеличить время больше оптимального 120 с, например до 130 с, высота борированного слоя практически не увеличивается, что приводит к неоправданному перерасходу времени.

Оптимальная температура борирования определена как 1200-1300°С. В случае снижения температуры меньше чем 1200°С, например 1100°С, активность протекания поверхностных реакций снижается, в результате не обеспечивается оптимальная глубина борированного слоя. При увеличении температуры выше 1300°С, например 1400°С, процесс становится нестабильным из-за подплавления стали, стекания состава с поверхности заготовки, наблюдается значительный угар бора.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Для реализации предлагаемого способа легирования бором использовали сталь 65Г. Для этого из листа проката вырезали заготовки в форме пластинок размером 30×15×4 мм в количестве 125 шт. и приготовляли порошковую смесь по формуле изобретения, различного состава.

Карбид бора и флюс смешивали в биконусном смесителе в течение 10 мин. Приготовленную шихту наносили с помощью специального дозатора слоем толщиной 3 мм на пластинки из стали 65Г по 3 штуки для каждого состава, соответствующего приведенному в таблице 1.

Подготовленные заготовки-пластинки с шихтой помещали в однопетлевой горизонтальный индуктор, подключенный к высокочастотному генератору ЭЛСИТ-100-70/40, и осуществляли их борирование.

Полученная лигатура для борирования отличается от подлежащей легированию стали 65Г только содержанием бора и в своем составе не имеет компонентов, которые засоряют легируемый стальной слиток (или отливку в форме) нежелательными включениями, сопутствующими при легировании лигатурой-прототипом.

Само легирование бором осуществляли при расплавлении стали индукционным нагревом в тигле, выполненном из кварцевого песка (92%) с добавление шамотной глины и воды (по 4% каждого).

Тигель устанавливали в многопетлевой вертикальный индуктор. Масса плавки составляла 5 кг. Переплавляли сталь 65Г. При легировании использовали лигатуру, которую получили из шихты №3 при температуре 1300°С. В расплав стали после снятия шлака бросили три пластинки (лигатура) перед разливкой в ковш. Химический состав стали практически не отличался от исходного состава (см. табл. 2), кроме содержания бора. Определение содержание химических элементов в стали устанавливали с помощью микрорентгеноспектрального анализатора (РЭМ Philips SEM 515).

Из приведенной таблице видно, что количество бора увеличилось в стали в 100 раз после легирования предлагаемой лигатурой.

Необходимо отметить, что предлагаемым способом, в отличие от известного (прототипа), можно получать лигатуру непрерывно, последовательно перемещая стальную ленту-заготовку с шихтой через петлевой индуктор с последующей отрезкой на определенные мерные заготовки.

Использование лигатуры в виде борированных пластинок из стали, имеющей химический состав легируемой стали и отличающейся от нее только содержанием бора, очень удобно, так как нет необходимости ее взвешивания перед разливкой стали в ковш или непосредственно в тигель с расплавом стали. Кроме того, нет необходимости учитывать элементы, вносимые лигатурой, при составлении (расчете) материального баланса плавки.

Способ получения лигатуры для борирования стали, включающий приготовление смеси ингредиентов, содержащих металлические легирующие элементы, железо и соединения бора, и инициирование химической реакции между упомянутыми ингредиентами в инертной атмосфере, отличающийся тем, что приготовление смеси осуществляют из ингредиента, одновременно содержащего металлические легирующие элементы и железо, в виде подвергнутой борированию стальной заготовки и соединений бора в виде порошковой смеси, содержащей, мас. %: карбид бора 40÷90 и флюс П-0,66 10÷60, при этом инициирование химической реакции осуществляют на поверхности упомянутой заготовки в высокочастотном электромагнитном поле в течение 90-120 с на глубину борированного слоя, составляющего 600-1200 мкм.