способ получения легированного сплава железа из отходов производства

Формула изобретения

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства, включающий смешивание железной окалины в количестве 70-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас.% с получением термитной смеси, загрузку и плавление термитной смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, отличающийся тем, что в полученную термитную смесь при смешивании вводят карбид титана в количестве 10-12% массы термитной смеси, диборид хрома в количестве 3-5% массы термитной смеси, хром в количестве 5-10% массы термитной смеси и силикобариевую лигатуру ФС65Ва₄ в количестве 2-3% массы термитной смеси.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ получения сплава железа в высокотемпературной индукционной печи путем загрузки передельного чугуна, стального и чугунного лома, возврата собственного производства, 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).

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

Наиболее близким по технической сущности достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является 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).

Основными недостатками описанного способа являются узкая сфера использования и повышенные затраты на его реализацию, 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 для повышения стойкости режущего инструмента, в качестве материала для изготовления резцов, и снижения затрат на производство этих сплавов.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения легированного сплава железа из отходов производства, включающем получение термитной смеси путем смешивания железной окалины в количестве 70-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас.%, загрузку и плавление смеси самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, согласно изобретению в термитную смесь при смешивании вводят карбид титана в количестве 10-12% массы термитной смеси, диборид хрома в количестве 3-5% массы термитной смеси, хром в количестве 5-10% массы термитной смеси и силикобариевую лигатуру ФС65 Ва₄ 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 и хрома, и оксида алюминия с твердостью до 67-69 HRC, который используют как сталь для изготовления режущего инструмента без дополнительной термообработки для обеспечения высокой твердости, что необходимо при реализации способа, выбранного в качестве прототипа. Кроме того, происходит приваривание сплава к подложке, что исключает припайку и дает возможность использовать этот сплав для ремонта инструмента.

Введение при смешивании заявляемых легирующих добавок повышает скорость горения и температуру реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, увеличивает количество тепла, жидкотекучесть, что позволяет получить отливки 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% ее массы 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% ее массы реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не интенсифицируется.

Количество диборида хрома, составляющее 3-5% массы термитной смеси, и количество хрома, составляющее 5-10% массы термитной смеси, являются оптимальными, потому что выделяемое термитной смесью количество теплоты достаточно для их полного расплава; хром повышает твердость получаемого сплава, способствует гомогенизации сплава, то есть структура становится более однородной, так как хром ускоряет и активизирует синтез. При меньшем содержании в сплаве каждого из этих легирующих элементов не достигается необходимая твердость, а при большем - шихта полностью не проплавляется, что не позволяет обеспечить монолитную структуру слитка.

Количество силикобариевой лигатуры ФС65Ва₄ (ТУ 14-5-160-84), содержащей, мас%: железо 25-30; кремний 65-67%; барий 4,0-4,5%, составляющее 2-3% массы термитной смеси, является оптимальным, так как выделяемое термитной смесью количество теплоты достаточно для его полного расплав; введение силикобариевой лигатуры способствует более полному раскислению сплава, получению монолитного слитка, снижает образование пор, повышает процент выхода металлической фазы до 60%. При меньшем чем 2% массы термитной смеси содержании силикобариевой лигатуры не достигается необходимая пористость получаемого сплава, а при большем чем 3% массы термитной смеси содержании силикобариевой лигатуры шихта полностью не проплавляется.

Способ получения легированного сплава железа из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе железной окалины в количестве 70-80 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас% с получением термитной смеси. При смешивании в качестве легирующих добавок вводят карбид титана в количестве, равном 10-12% массы термитной смеси, диборид хрома в количестве, равном 3-5% массы термитной смеси, хром в количестве, равном 5-10% 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 производят плавление термитной смеси с карбидом титана, диборидомхрома, хромом и силикобариевой лигатурой 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 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, диборида хрома, хрома и силикобариевой лигатуры ФС65Ва₄ 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, диборида хрома, хрома 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 хрома 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 для получения 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 и снижает стоимость готовой продукции вследствие отсутствия дополнительной термообработки для получения высокой твердости.