Способ получения булатной стали (его варианты) Советский патент 1993 года по МПК C22C33/02 

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению булатных сталей.

Целью изобретения является получение булатной стали с характерной макро- и микроструктурой.

Сущность способа заключается в том, что в контейнер послойно засыпают поро- „ шок оксида железа и смесь порошков оксида железа и белого заэвтектического чугуна. Содержание чугунного порошка в смеси составляет 50-80%. Толщина засыпаемых слоев может изменяться от 0,1 до 2 мм. Соотношение между толщинами слоев подбирается так, чтобы общее содержание углерода составляло 1,2-2,0%. характерное для булатных сталей. При содержании порошка чугуна в смеси менее 50% не удается получить характерную для булата микроструктуру, так как общее содержание углерода не обеспечивает образование достаточного количества цементитных частиц после термообработки, а при содержании чугуна более 80% при дальнейшей обработке давлением происходит растрескивание заготовок из-за низкой деформируемости высокоуглеродистых слоев.

После засыпки заготовки подвергают отжигу в среде восстановительного газа при 650-850°С в течение 30-120 мин. В процессе отжига происходит восстановление оксида железа и.спекание заготовки. При температуре отжига 650°С заготовки не спекаются в процессе восстановления, а при температурах свыше 850°С происходит интенсивное растворение карбидных частиц и перераспределение углерода между высокоуглеродистыми и низкоуглеродистыми слоями, что не позволяет получить микро- и макроструктуру, характерную для булатных сталей,

После спекания заготовки подвергаются обработке давлением, в частности ковке, при 800-900°С..При меньших температурах деформации заготовки обладают недостаточной пластичностью, а при температурах свыше 900°С распределение углерода между слоями за счзт диффузии происходит за несколько минут и не удается сформировать характерную макро- и микроструктуру.

Ё

Для формирования микроструктуры, характерной для булатных сталей, заготовки подвергают термической обработке, заключающейся в нагреве до 740-790°С с последующим охлаждением в масле. Нижний предел температуры нагрева обусловлен температурой фазового превращения, а при температурах выше 790°С происходит растворение цементных частиц и последующее

выделение цементита по границам зерен,

что не соответствует микроструктуре булатных сталей. При нагреве в указанном интервале в заготовке происходит частичное перераспределение углерода за счет диффузии углерода из высокоуглеродистого в низкоуглеродистый слой до содержания 0,7-0,8%. Одновременно в высокоуглеродистых слоях происходят процессы сфероиди- зации цементных частиц.

Поставленная цель может быть достиг- нута другим способом.

Сущность второго способа заключается втом,что в контейнер послойно засыпаются порошок низкоуглеродистого железа и смесь порошков заэвтектического белого чугуна и низкоуглеродистого железа. Содержание чугунного порошка в смеси составляет 60-90%. Толщина слоев может изменяться от 0,1 до 2 мм. Соотношение между толщинами слоев подбирается так, чтобы общее содержание углерода составляло 1,2-2,0%, характерное для булатных сталей. При содержании чугуна в смеси менее 50% не удается получить характерную для булата микроструктуру, так как общее содержание углерода не обеспечивает образования достаточного количества цемен- титных частиц после термообработки, а при содержании чугуна более 90% в процессе последующей обработки давлением проис- ходит расслоение и растрескивание заготовок из-за плохой прессуемости высокоуглеродистых слоев.

После засыпки контейнер нагревают в защитной атмосфере (аргон, вакуум и т.д.) до температуры 800-900°С и подвергают горячему прессованию. При меньших температурах нагрева заготовки обладают большой пористостью из-за плохой прессу- емости чугунного порошка, а при температурах свыше 900°С распределение углерода между слоями за счет диффузии происходит за несколько минут и не удается сформировать характерную для булатных сталей мак- ро- и микроструктуру. Усилие горячего прессования и степень деформации должны обеспечивать получение беспористой заготовки и желаемую толщину слоев Горячее прессование можно заменить ковкой

0

5

0

5 0 5 0

5 0 5

Для получения микроструктуры, присущей булатным сталям, заготовки подвергают термической обработке, заключающейся в нагреве до 740-790°С с последующим охлаждением в масле. Нижний предел температуры нагрева обусловлен температурой фазового превращения, а при температуре выше 790°С происходит интенсивное растворение цементитных частиц и не удается получить характерную для булатных сталей микроструктуру. При нагреве в указанном интервале углерод из высокоуглеродистого слоя диффундирует в низкоуглеродистый слой, насыщая его до содержания углерода 0,7-0,8%. Одновременно в высокоуглеродистых слоях происходит сфероидизация цементитных частиц.

Объединение двух вариантов в одну заявку обусловлено достижением одной цели - получения булатной стали с характерной макро- и микроструктурой.

Решений с признаками, сходными с заявляемыми, кроме аналогов, авторами не обнаружено.

Примеры конкретного осуществления:По 1 варианту:

В контейнер послойно засыпали порошок оксида железа (Ре20з) с размером частиц 20-25 мкм и смесь порошков оксида железа и белого заэвтектического чугуна (С 5,0%; Si - 0,15%;Мп 0,23%). Содержание чугуна в смеси составляло 70%. Дисперсность чугунного порошка - 80-110 мкм. Толщина засыпаемых слоев: оксидных - 0,8-1,0 мм, чугунных - 0,3-0,5 мм.

После засыпки заготовку спекали в среде водорода в течение 45 мин при 750°С. Полученную заготовку подвергали пластической деформации (ковке) при 820°С, Сте- пень деформации - 80%. Термообработку осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры 760°С, охлаждение в масле. Заготовку подвергали шлифованию в продольном и поперечном направлениях (относительно направления деформации). Химический состав полученной стали следующий: С 1,86%; Si 0,05%; Мп 0,09%. Результаты исследования приведены в табл. 1. По 2 варианту:

В контейнер послойно засыпали низко- углеродистый железный порошок марки ПЖ1-М с размером частиц 80-120 мкм и смесь порошков низкоуглеродистого железа и белого заэвтектического чугуна (С 5,0%; Si 0,15%; Mn 0,23%). Содержание чугуна в смеси составляло 85%, дисперсность чугунного порошка - 80-110 мкм Толщиназасыпаемыхслоев:

низкоуглеродистых 0,5 мм. высокоуглеродистых - 0,3 мм. После формования заготовку нагревали в среде аргона до 830°С и подвергали динамическому горячему прессованию. Степень деформации составляла 70%. Термообработку осуществляли по следующему режиму: нагрев до температуры 760°С, охлаждение в масле. Макро- и микроструктура полученного материала аналогична макро- и микроструктуре материала, полученного по первому способу, Химический состав следующий: С 1,95%; SI 0,12%; Мп 0.18%. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Предлагаемые способы позволяют получить булатную сталь с характерной микро- и макроструктурой (булатный узор), отличаются простотой и могут быть легко реализо- ваны в производственных условиях, Использование указанных композиций позволяет значительно повысить износостойкость изделий.

Формула изобретения 1. Способ получения булатной стали, включающий формирование структурной неоднородности и последующую обработку

Результаты исследования булатной стали,

давлением, о т л и ч а ю щ и и с ч юм что с целью получения характерной млкро и мик роструктуры, структурную неоднородность формируют путем послойной засыпки по

рошков оксида железа и 50-80 мае % белого заэвтектоидного чугуна, заготовки выдерживают в среде восстановительного газа при 650-850°С, обработку давлением осуществляют при 800-900°С, после чего проводят термообработку при 740-790°С с последующим охлаждением в масле.

2. Способ получения булатной стали, включающий формирование структурной неоднородности и последующую обработку

давлением, отличающийся тем, что, с целью получения характерной макро- и микроструктуры, неоднородность формируют путем послойной засыпки порошков низко- углеродистого железа и 70-90 мас.% белого

заэвтектического чугуна, перед обработкой давлением заготовку нагревают в защитной атмосфере до 800-900°С, обработку давлением осуществляют путем горячего прессования, после чего проводят термообработку

при 740-790°С с последующим охлаждением в масле.

Таблица ченной по варианту 1

Первый вариант включает послойную засыпку порошков оксида железа и смеси порошков оксида железа с чугуном, спекание в восстановительной атмосфере при 650-850°С, последующую обработку давле нием при 800-900°Q и термическую обработку при нагреве до 740-790°С и охлаждение в масле. Второй вариант получения булатной стали включает послойную засыпку порошков железа и смеси железа с чугуном, спекание в защитной атмосфере при 800-900°С и термическую обработку путем нагрева до 740-790°С с охлаждением в масле. 2 табл.

Результаты исследования булатной стали, полученной по варианту 2

Таблица 2