Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИГАТУРЫ ДЛЯ БОРИРОВАНИЯ СТАЛИ

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. %:

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.