СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛИ Российский патент 2015 года по МПК C22C38/00 B82Y40/00 

Настоящее изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении быстрорежущей стали из отходов изношенного режущего инструмента.

Вторичная переработка отходов на машиностроительных предприятиях представляет большой экономический интерес, так как заводы при изготовлении режущего инструмента используют быстрорежущую сталь, выплавляемую на собственном производстве, и тем самым значительно сокращают расходы на закупку быстрорежущей стали, содержащей такие дорогостоящие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, хром и др.

Из существующего уровня техники известен способ легирования стали при выплавке быстрорежущей стали методом переплава отходов этой стали, например, [Поволоцкий Д.Я., Рощин В.Е., Рысс М.А., Строганов А.И., Ярцев М.А. Электрометаллургия стали и ферросплавов. - М.: Металлургия, 1974 г., глава 19, стр.271-276].

Поскольку при переплаве отходов быстрорежущей стали происходит частичное выгорание легирующих элементов, то для получения той или иной марки стали, производится корректировка химического состава расплава путем введения в него недостающих количеств легирующих элементов, таких как вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, хром и др., в виде небольших кусков ферросплавов.

Однако при таком способе введения в расплав стали легирующих элементов создается неравномерное их распределение в объеме расплава, что способствует образованию в слитке карбидной неоднородности. Изготовленный из такой стали режущий инструмент вследствие неоднородного распределения карбидов легирующих элементов, прежде всего вольфрама, молибдена и ванадия, будет иметь недостаточную прочность и износостойкость и, как следствие, уменьшенный период стойкости. Это связано как со снижением предела прочности при изгибе, так и с выкрашиванием крупных карбидов, попавших на режущую кромку инструмента и имеющих размер, сопоставимый с ее радиусом округления.

Горячая деформация отливок позволяет улучшить распределение карбидов, но не обеспечивает полного устранения карбидной неоднородности.

Так, обработка заготовок для изготовления инструмента методом трехкратного осаживания и обкатки при ручной ковке может улучшить карбидную неоднородность не более, чем на два балла.

Для определения необходимого количества производится экспресс-анализ расплава с целью определения степени угара легирующих элементов. Учитывая, что экспресс-анализ производится в условиях реального производства, есть опасность получения образца с химсоставом, не соответствующим среднему химсоставу расплава. В связи с этим есть риск введения недостаточного количества легирующих элементов на основе проведенного экспресс-анализа. Между тем известно, что при открытом переплаве быстрорежущих сталей угар отдельных легирующих элементов составляет: W 2-3%, V 5-10%, Мо 0,1-2%, Со 0,1-2%, Cr 5-10% (в процентах от массы необходимого по марочному составу содержания легирующего элемента) [Крупный слиток. Смирнов А.Н., Макуров С.Л., Сафонов В.М., Цупрун А.Ю. Монография. - Донецк: Донецкий Национальный Технический Университет, 2009 г., 278 с., стр.36].

Задачей предлагаемого способа легирования стали является устранение неравномерного распределения легирующих элементов в объеме расплава, способствующего образованию в слитке повышенной карбидной неоднородности и обеспечение необходимого марочного состава стали. При этом в процессе подготовки и введения легирующих элементов необходимо иметь возможность производить все необходимые технологические операции без потерь.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе легирования стали, согласно которому отходы изношенного режущего инструмента из быстрорежущей стали расплавляют в индукционной тигельной печи с последующим введением в расплав недостающих легирующих элементов на основе соединений или вольфрама, и/или ванадия, и/или молибдена, и/или кобальта, и/или хрома, согласно изобретению указанные легирующие элементы представляют собой наноструктурированные порошки, подготовленные раздельно в количествах, необходимых для обеспечения марочного состава переплавляемой стали, смешанные до образования равномерной смеси, а затем - компактированные в гранулы размером 1,5-3 мм, вводимые затем в расплав. При этом необходимо производить компактирование наноструктурированных порошков легирующих элементов до получения плотности 65-70% от теоретической. Использование гранул указанных размера и плотности позволяет обеспечить, во-первых, достаточную их массу, чтобы избежать потерь легирующих элементов вследствие их выноса из рабочей зоны под воздействием воздушных потоков, возникающих над зеркалом расплава, а во-вторых, межоперационные перемещения без разрушения и повреждений гранул легирующих элементов. При компактировании гранул с плотностью выше 75% или использовании гранул размеров свыше 3,5 мм возможна неблагоприятная кинетика процесса перераспределения частиц наноструктурированного порошка в расплаве.

Для обеспечения требуемого марочного состава стали (см. табл.1. Состав быстрорежущих сталей по ГОСТ 19265-73) легирующие элементы необходимо добавлять в расплав в количествах, обеспечивающих марочный состав, но не менее: W 2%, V 5%, Мо 0,2%, Со 0,2%, Cr 5% (в процентах от массы необходимого по марочному составу содержания легирующего элемента).

Таблица 1 Состав быстрорежущих сталей по ГОСТ 19265-73 Марка стали Мас. % углерода марганца кремния хрома вольфрама ванадия кобальта молибдена Р18 0,73-0,83 0,20-0,50 0,20-0,50 3,80-4,40 17,00-18,50 1,00-1,40 Не более 0,50 Не более 1,00 Р6М5 0,82-0,90 0,20-0,50 0,20-0,50 3,80-4,40 5,50-6,50 1,70-2,10 Не более 0,50 4,80-5,30 Р6М5К5 0,86-0,94 0,20-0,50 0,20-0,50 3,80-4,30 5,70-6,70 1,70-2,10 4,70-5,20 4,80-5,30 Р9М4К8 1,00-1,10 0,20-0,50 0,20-0,50 3,00-3,60 8,50-9,50 2,30-2,70 7,50-8,50 3,80-4,30

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является возможность получения однородной, мелкозернистой структуры стали с равномерно распределенными мелкими карбидами. Эта сталь обладает высокой прочностью, ударной вязкостью и пластичностью, что позволяет повысить работоспособность режущего инструмента на 20-30%.

Способ легирования стали при получении быстрорежущей стали из отходов изношенного режущего инструмента и штамповой оснастки, осуществляется следующим образом:

- отсортированные по маркам стали (например, Р6М5, Р6М5К5, Р18 и др.) отходы инструмента загружаются в индукционную тигельную печь и расплавляются;

- из расплава отбирается проба и производится химический анализ стали;

- на основании проведенного химанализа выбирается количество легирующих элементов, которое должно обеспечить марочный состав, но не менее: W 2%, V 5%, Мо 0,2%, Со 0,2%, Cr 5% (в процентах от массы необходимого по марочному составу содержания легирующего элемента);

- каждый из недостающих для получения той или иной марки стали химических элементов, подготавливают в виде наноструктурированного порошка в количестве, необходимом для обеспечения марочного состава переплавляемой стали, затем подготовленные наноструктурированные порошки смешивают до образования равномерной смеси, полученную смесь компактируют в гранулы размером 1,5-3 мм, которые затем вводят в расплав.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при получении быстрорежущей стали из отходов изношенного режущего инструмента. В способе осуществляют расплавление отходов в индукционной тигельной печи с последующим проведением химанализа полученного расплава и введением в расплав недостающих легирующих элементов в виде соединений вольфрама, и/или ванадия, и/или молибдена, и/или кобальта, и/или хрома для обеспечения марочного состава стали. Указанные легирующие элементы готовят раздельно в виде наноструктурированных порошков в количествах, необходимых для обеспечения марочного состава переплавляемой стали, затем смешивают до образования равномерной смеси, компактируют в гранулы размером 1,5-3 мм, которые затем вводят в расплав. Изобретение позволяет повысить работоспособность режущего инструмента на 20-30% за счет возможности получения однородной, мелкозернистой структуры с равномерно распределенными мелкими карбидами, обеспечивающей высокую прочность, ударную вязкость и пластичность стали. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения быстрорежущей стали из отходов изношенного режущего инструмента и штамповой оснастки, включающий расплавление отходов в индукционной тигельной печи с последующим проведением химанализа полученного расплава и введением в расплав недостающих легирующих элементов в виде соединений вольфрама, и/или ванадия, и/или молибдена, и/или кобальта, и/или хрома для обеспечения марочного состава стали, отличающийся тем, что указанные легирующие элементы готовят раздельно в виде наноструктурированных порошков в количествах, необходимых для обеспечения марочного состава переплавляемой стали, затем смешивают до образования равномерной смеси, компактируют в гранулы размером 1,5-3 мм, которые затем вводят в расплав.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанные легирующие элементы добавляют в расплав в количествах, обеспечивающих марочный состав стали, причем не менее: W 2%, V 5%, Мо 0,2%, Со 0,2%, Cr 5%, в процентах от массы необходимого по марочному составу содержания легирующего элемента.