СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛЬНОЙ ДРОБИ Российский патент 2006 года по МПК B22F9/08 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению стальной дроби путем распыления железоуглеродистых расплавов.

Наиболее часто применяют способ получения дроби диспергированием железоуглеродистых расплавов водой или воздухом в воду [Получение и применение металлической дроби / Затуловский С.С., Мудрук Л.А. - М.: Металлургия. 1988-183 с.].

Недостатком способа диспергирования железоуглеродистого расплава воздухом является повышенная окисленность и пористость дроби фракций менее 800 мкм и большая доля частиц неправильной формы во фракциях более 2000 мкм.

Недостатком способа диспергирования железоуглеродистого расплава водой низкого давления при получении дроби является большая доля крупных частиц, а при диспергировании водой высокого давления большая часть мелких частиц имеет неправильную форму.

Ближайшим аналогом по технической сущности является способ получения металлического порошка (патент SU 1765986 А1, авторы Г.Г.Залазинский, Т.Л.Щенникова и др.), в котором после плавления металла и перегрева расплава на 150-200° над температурой плавления, в форсуночный узел подают одновременно воду и воздух, что позволяет регулировать условия охлаждения частиц за счет изменения давления энергоносителей и их соотношения.

Недостатком рассмотренных выше способов является необходимость при получении улучшенной дроби введения перед операцией отпуска дроби операции закалки. Введение операции закалки существенно (в 1.5-2 раза) увеличивает стоимость дроби за счет повышения энергозатрат на нагрев до температуры закалки (800-900°С) в инертной среде.

Задачей данного изобретения является снижение энергозатрат и себестоимости в 1.5-2 раза за счет сокращения дорогостоящей операции (нагрев под закалку в инертной среде) при получении улучшенной дроби.

Технический результат настоящего изобретения выражается в получении после отпуска при температуре 300-400°С частиц дроби с микроструктурой бейнита и отпущенного мартенсита, что в 1,5-2 раза повышает количество циклов использования дроби.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения стальной дроби, включающем диспергирование железоуглеродистого расплава водой и воздухом и термообработку полученных частиц, согласно изобретению, диспергирование железоуглеродистого расплава осуществляют в среду закалки - воду, с получением частиц заданного среднего размера и охлаждение частиц до встречи со средой закладки до 800-850°С, при этом охлаждение частиц до указанной температуры осуществляется за период времени:

τ=0.172d_cp+0.165,

где: τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, сек; d_cp - средний размер частиц, мм, 0.165 - const.

Сущность заявленного способа состоит в следующем.

После плавления металла и перегрева железоуглеродистого расплава над температурой плавления на 150-200°С в форсуночный узел, выполненный с возможностью одновременной подачи в него воды и воздуха, подают оба энергоносителя с давлением, обеспечивающим заданный скоростной напор в области диспергирования струи металла, вытекающей из металлоприемника. При заданном скоростном напоре энергоносителей образуется спектр частиц с заданным средним размером, который определяет время их полета до встречи со средой закладки (водой) и скорость их охлаждения до температуры 800-850°С. Время полета частиц до встречи со средой закалки регулируется уровнем воды в бассейне и наклоном форсуночного узла (монография Г.Г.Залазинского, Т.Л.Щенниковой. Теоретические основы металлургии железных порошков. Екатеринбург: УрО РАН. 2004. С.96-97).

Полученную стальную дробь подвергают отпуску при температуре 300-400°С в течение 2-2.5 ч.

Изобретение осуществляется следующим образом. Для форсунки щелевого типа, выполненной с возможностью одновременной подачи в нее двух энергоносителей (воды и воздуха), определили влияние давления энергоносителей на средний размер образующихся частиц. Экспериментально установлено, что время охлаждения (τ, с) до температуры 800-850°С частиц и их средний размер (d_cp, мм) связаны между собой выражением

τ=0.172d_ср+0.165,

где 0.165 - const.

По времени охлаждения определили расстояние, которое они должны пролететь, чтобы их температура составляла 800-850°С до встречи со средой закалки (таблица 1)

Таблица 1Р, МПа0.400.250.200.15d_cp, мм0.51.01.52.0τ_охл, с0.250.340.420.50S, м6.506.466.456.37

Из таблицы видно, что для частиц со средними размерами от 0.5 до 2 мм при содержании углерода 0.4-0.6 мас.% это расстояние составляет от 6.3 до 6.5 м.

Способ испытан в опытно-промышленных условиях на участке получения дроби. Железоуглеродистый расплав с содержанием углерода 0.4-0.6 мас.% готовили в индукционной печи. Перегревали металл до температуры 1580-1620°С, подавали заданное давление энергоносителей в диапазоне 0.15-0.4 МПа. Расстояние полета частиц меняли от 2 м до 10 м. При уровне воды (Н) в бассейне относительно форсунки H₁=1.5 м (см. чертеж) расстояние в зависимости от угла ее наклона при α₁=45° составило 2.12 м и при α₂=13.3° составило 6.4 м. Для удлинения траектории полета частиц до 10 м уровень воды в бассейне опустили до Н₂=2 м. При давлении 0.15 МПа угол наклона форсунки α₃=0°, при давлении 0.4 МПа α₃=11.5°. Время полета частиц и их температура до встречи со средой закалки представлены в таблице 2.

Таблица 2
Время полета и температура частиц до закалки в водуРасстояние, м2.126.410Давление, МПа0.400.150.400.150.400.15Время полета частиц, с:      d=0.5 мм0.15 0.25 0.30 d=2 мм 0.30 0.50 0.60Температура частиц, °С10901010840820710670

После отбора проб стальной дроби проведено исследование свойств дроби до и после отпуска при температуре 350°С в течение 2 часов в вакууме (таблица 3).

Таблица 3
Свойства дроби до и после отпускаЗакалена с расстояния, м2.126.410d_cp, мм0.52.00.52.00.52.0Твердость, HV-671.5-748-801Плотность, г/см³6.776.987.577.466.376.27Микроструктура до отпускакрупнозернистая структура сталивидман-штеттовая структура сталимелкоигольчатый мартенситмелкоигольчатый мартенситмелкоигольчатый мартенситмелкоигольчатый мартенситпосле отпускаотпущенный мартенситотпущенный мартенсит, остаточный аустенитмелкоигольчатый отпущенный мартенсит, бейнитмелкоигольчатый отпущенный мартенсит, бейнитмелкоигольчатый отпущенный мартенситмелкоигольчатый отпущенный мартенситИзносостойкость α, %      до отпуска-35-50-30после отпуска-55-90-58

Из таблицы 3 видно, что наилучшими характеристиками по качеству, отвечающими улучшенной дроби марки ДСЛУ, соответствует стальная дробь, закаленная в воду на расстоянии 6.4 м после отпуска при температуре 350°С.

Предложенный способ позволяет при получении улучшенной дроби сократить дорогостоящую операцию (нагрев под закалку в инертной среде) и существенно снизить энергозатраты при одновременном снижении себестоимости в 1.5-2 раза.

Изобретение может быть использовано в порошковой металлургии для получения стальной дроби путем диспергирования железоуглеродистых расплавов. Сущность способа состоит в следующем. После плавления расплава и перегрева его над температурой плавления на 150-200°С в форсуночный узел, выполненный с возможностью одновременной подачи воды и воздуха, подают энергоносители с давлением, обеспечивающим получение частиц с заданным средним размером, который зависит от эффективного скоростного напора в области диспергирования струи металла. Для заданного таким образом среднего размера частиц и содержания углерода в расплаве от 0,4 до 0,6 мас.% обеспечиваются требуемые траектория и время полета частиц таким образом, чтобы средняя температура их при встрече со средой закалки составляла 800-850°С, при этом охлаждение частиц до этой температуры осуществляется в период: τ=0,172d_cp.+0,165, где τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, сек; d_cp. - средний размер частиц, мм; 0,165 - const. Полученную стальную дробь подвергают отпуску при температуре 300-400°С для получения микроструктуры, отвечающей улучшенной дроби марки ДСЛУ. Предложенный способ позволяет при получении улучшенной дроби сократить дорогостоящую операцию (нагрев под закалку в инертной среде) и существенно снизить энергозатраты при одновременном снижении себестоимости в 1,5-2 раза. 3 табл.

Способ получения стальной дроби, включающий диспергирование железоуглеродистого расплава водой и воздухом с получением частиц заданного среднего размера и последующую их термообработку, отличающийся тем, что диспергирование железоуглеродистого расплава осуществляют в среду закалки - воду, причем частицы до встречи со средой закалки охлаждают до температуры 800-850°С за период времени

τ=0,172d_cp+0,165,

где τ - время полета частиц до встречи со средой закалки, с;

d_cp - средний размер частиц, мм;

0,165 - const.