способ получения легированного сплава из отходов производства

Формула изобретения

Способ получения легированного сплава на основе железа из отходов производства, включающий смешивание шихты, содержащей термитную смесь из порошков железной окалины и алюминия, загрузку и плавление шихты самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, отличающийся тем, что термитная смесь содержит порошок железной окалины в количестве 78-82 мас.% и порошок алюминия в количестве 18-22 мас.%, а при смешивании дополнительно вводят легированный чугун в количестве 24-26% от массы термитной смеси, карбид титана в количестве 18-20% от массы термитной смеси и борид титана в количестве 4-6% от массы термитной смеси.

Описание изобретения к патенту

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 в количестве 94-95 мас.% 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).

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 70-80 мас.%, железосодержащего порошка в количестве 10-15 мас.% и алюминиевого порошка в количестве 15-20 мас.% с получением термитной смеси, являющейся шихтой, загрузку шихты в тигель и плавление самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (патент RU 219478, МПК7 С 21 В 15/00, B 22 F 3/23).

Основным недостатком этого способа является отсутствие возможности получения сплавов железа с заранее заданными свойствами, которые можно использовать без дальнейшей термообработки, так как сплав железа, получаемый по способу, выбранному в качестве прототипа, можно применять только как шихту для последующего производства сплавов с дополнительной термообработкой из-за его низкой твердости, составляющей 10 HRC.

Предлагаемым изобретением решается задача получения легированных сплавов с заранее заданными свойствами, необходимыми в производстве инструментов для различных видов холодной обработки металла.

Для достижения этого технического результата в способе получения легированного сплава из отходов производства, включающем смешивание порошков железной окалины в количестве 78-82 мас.% и алюминия в количестве 18-22 мас.% для получения термитной смеси, загрузку и плавление шихты самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, согласно изобретению при смешивании для получения шихты вводят легированный чугун в количестве 24-26 мас.% от массы термитной смеси, карбид титана в количестве 18-20 мас.% от массы термитной смеси и борид титана в количестве 4-6 мас.% от массы термитной смеси.

Получение легированных сплавов с заранее заданными составами шихты и необходимыми свойствами обусловлено образованием в реакционной зоне при плавлении по заявляемому способу сплава ферротитана, карбидов и боридов титана и железа, оксида алюминия с твердостью до 64 HRC и высокой ковкостью, который используют как инструментальную сталь без дополнительной термообработки, которая необходима при реализации способа, выбранного в качестве прототипа. Термостойкость полученного сплава равна 38-40 HRC при нагреве до 550°С и 18-20 HRC при нагреве до 750°С.

Введение для получения шихты в термитную смесь из порошков железной окалины и алюминия легированного чугуна в количестве 24-26 мас.% от массы термитной смеси для обеспечения ковкости и термостойкости, карбида титана в количестве 18-20 мас.% от массы термитной смеси для обеспечения твердости и борида титана в количестве 4-6 мас.% от массы термитной смеси для обеспечения вязкости является оптимальным для протекания реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в режиме, необходимом для получения отливок любых конфигураций с достаточно высокими ковкостью, термостойкостью и твердостью до 64 HRC. При содержании легирующих добавок меньше указанных количеств реакция самораспространяющегося высокотемпературного синтеза протекает без получения слитка сплава с высокими значениями качественных свойств, а больше указанных - реакция не возникает или проходит не до конца.

Способ получения легированного сплава из отходов производства осуществляется следующим образом. Производят дозирование и смешивание в смесителе порошков железной окалины в количестве 78-82 мас.% и алюминия в количестве 18-22 мас.% для получения термитной смеси. При смешивании для получения шихты в качестве легирующих добавок вводят легированный чугун в количестве 24-26 мас.% от массы термитной смеси, карбид титана в количестве 18-20 мас.% от массы термитной смеси и борид титана в количестве 4-6 мас.% от массы термитной смеси.

Затем шихту загружают в форму, инициируют начало реакции горения и производят плавление шихты в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

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) и молотый легированный чугун (отходы литейного производства), дисперсность порошков которых обеспечивали просевом через сито 0,16 мм, и стандартные порошки алюминия АСД-1, карбида титана и борида 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 сборные металлические формы и инициировали реакцию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с помощью кратковременного теплового импульса. Под действием тепла химической реакции, необходимого для плавления образцов шихты, происходило ее плавление в режиме горения.

Реакция протекала бурно, с достаточными температурой и количеством тепла, чтобы вступили в реакцию легирующие добавки. Температура, 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 легированного сплава с твердостью до 64 HRC. Выход годного слитка составил 60%. Легированный сплав, изготовленный по заявленной технологии, можно использовать без дополнительной термообработки в качестве напайки или наплавки для получения штампового и режущего инструмента.

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