RU2103380C1

RU2103380C1 - Method for production of damascus steel

Info

Publication number: RU2103380C1
Application number: RU96116118A
Authority: RU
Inventors: Алексей Евгеньевич Балуев
Original assignee: Алексей Евгеньевич Балуев
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-01-27

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: method includes charging into furnace crucible of carbon steel with lowest content of impurities, for instance, armco iron, and heating and melting. After carbonization of melt with graphite, melt is subjected to refining and two-stage cooling which is carried out in furnace together with crucible. In this case, at the first stage slow cooling of melt is accomplished up to full crystallization of metal, and at the second stage, accelerated cooling is effected, for instance, with open furnace. EFFECT: higher efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для производства булатной стали. The invention relates to metallurgy and can be used for the production of damask steel.

Известно, что необходимым условием для образования булатного узора, видимого на поверхности стали невооруженным глазом, должно быть получение аустенитного зерна размером более 500 мкм, которое окружено по границам карбидной сеткой [1]. Там же отмечается, что такое зерно получается при медленном охлаждении слитка после кристаллизации. Однако, как известно, при медленном охлаждении железоуглеродистых сплавов происходит полный или частичный распад карбидов железа (цементита), так называемая графитизация, это влечет за собой ухудшение механических свойств стали. It is known that a prerequisite for the formation of a damask pattern, visible on the surface of the steel with the naked eye, should be to obtain austenitic grain larger than 500 microns in size, which is surrounded at the borders by a carbide network [1]. It is also noted there that such a grain is obtained by slow cooling of the ingot after crystallization. However, as you know, with slow cooling of iron-carbon alloys, complete or partial decomposition of iron carbides (cementite) occurs, the so-called graphitization, this entails a deterioration in the mechanical properties of steel.

Из общих представлений о кристаллизации металла известно, что чем меньше расплав содержит примесей и меньше скорость его охлаждения, тем больше величина закристаллизовавшегося зерна. Таким образом, известно, что условиями получения крупного зерна аустенита может служить чистота от примесей исходных шихтовых материалов, рафинирование металлического расплава и замедленная скорость кристаллизации расплава, а условием предотвращения распада цементита может служить ускоренное охлаждение слитка после его кристаллизации. From general ideas about crystallization of a metal, it is known that the less the melt contains impurities and the lower its cooling rate, the greater the size of the crystallized grain. Thus, it is known that the conditions for obtaining coarse austenite grains can serve as purity from impurities of the initial charge materials, refining of the metal melt and a slowed crystallization rate of the melt, and accelerated cooling of the ingot after its crystallization can serve as a condition for preventing the decomposition of cementite.

Известны способы изготовления булатной стали за счет получения композиционных слитков, состоящих из науглероженных частиц железа, пропитанных чугуном. В результате последующей деформации слитка получается булатный узор [2,3] . Как показывает опыт, в этом случае структура науглероженных частиц железа имеет неравномерный состав по углероду, а области чугуна слишком отличаются по размерам друг от друга. Это приводит к понижению механических свойств данных сталей. Known methods for the manufacture of damask steel by producing composite ingots consisting of carbonized iron particles impregnated with cast iron. As a result of subsequent deformation of the ingot, a damask pattern is obtained [2,3]. As experience shows, in this case, the structure of carbonized iron particles has an uneven composition in carbon, and the areas of cast iron are too different in size from each other. This leads to a decrease in the mechanical properties of these steels.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления булатной стали, включающий загрузку в тигель лома углеродистой стали, расплавление стали, науглероживание ее графитом до содержания 1,6%, разливку стали в слитки и двухступенчатое охлаждение слитков: сначала до 900-1000^oC со скоростью 15-80 ^o/мин, а по достижении этой температуры - со скоростью 200-300 ^o/мин [4] . Однако, как давно известно из теории кристаллизации, за счет разливки стали в слитке получается структура, состоящая из трех зон: наружная мелкозернистая, за ней идет зона столбчатых кристаллов и, наконец, зона равноосных кристаллов. Таким образом, структура по сечению слитка неравномерна и зерна размером более 500 мкм могут образоваться только в центральной части слитка. Из этого следует, что булатная структура может получаться не по всему сечению слитка и то, только при очень чистом от примесей расплаве. Лом же углеродистой стали по своему определению не может обеспечить необходимой чистоты расплава без применения дополнительного рафинирования, так как углеродистая сталь содержит постоянные примеси: марганца до 1%, кремния до 0,4% и др.Closest to the invention is a method of manufacturing damask steel, comprising loading carbon steel scrap into a crucible, melting the steel, carbonizing it with graphite to a content of 1.6%, casting the steel into ingots and two-stage cooling of the ingots: first to 900-1000 ^o C at a speed of 15 -80 ^o / min, and upon reaching this temperature - with a speed of 200-300 ^o / min [4]. However, as it has long been known from the theory of crystallization, a structure consisting of three zones is obtained by casting steel in an ingot: the outer one is fine-grained, followed by the zone of columnar crystals and, finally, the zone of equiaxed crystals. Thus, the structure over the cross section of the ingot is uneven and grains larger than 500 μm can only form in the central part of the ingot. From this it follows that the damask structure can be obtained not over the entire cross section of the ingot and that only with a very clean melt from impurities. Scrap carbon steel, by its definition, cannot provide the necessary purity of the melt without the use of additional refining, since carbon steel contains constant impurities: manganese up to 1%, silicon up to 0.4%, etc.

Кроме того, на первой ступени охлаждения при скорости кристаллизации 15-80 ^o/мин аустенитное зерно не успевает вырасти до размеров более 500 мкм, а на второй ступени охлаждения при скорости 200-300 ^o/мин в слитках с содержанием углерода более 1,6% могут образоваться термические трещины.In addition, at the first stage of cooling at a crystallization rate of 15-80 ^o / min, the austenitic grain does not have time to grow to sizes greater than 500 microns, and at the second stage of cooling at a speed of 200-300 ^o / min in ingots with a carbon content of more than 1.6% thermal cracks may form.

Цель изобретения - создание равномерной литой структуры с размерами зерен от 500 мкм и выше, которые при ковке слитка вытягиваются по направлению ковки, переплетаются между собой и образуют, таким образом, булатную структуру, видимую на поверхности стали невооруженным глазом после ее соответствующего травления; кроме того, предлагаемым способом получают ковкие железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2% и более. The purpose of the invention is the creation of a uniform cast structure with grain sizes from 500 μm and above, which during forging of the ingot are elongated in the direction of forging, intertwined and thus form a damask structure visible on the steel surface with the naked eye after its corresponding etching; in addition, the proposed method produces malleable iron-carbon alloys with a carbon content of up to 2% or more.

Решение поставленной задачи достигается тем, что выплавляют в тигле углеродистую сталь с минимальным содержанием примесей: для этого в исходной шихте используют наиболее чистые от примесей материалы, например, армко-железо; после науглероживания расплава графитом производят рафинирование расплава, например, применяя флюс, затем охлаждают расплав вместе с печью в том же тигле, в котором производилась плавка: на первой ступени замедленно, например, с закрытой крышкой печи до полной кристаллизации металла, а на второй ступени ускоренно, например, с открытой крышкой печи. Температуру кристаллизации определяют одним из известных методов, например термическим анализом. При этом на первой ступени скорость охлаждения поддерживается менее 15 ^o/мин, что способствует формированию зерна аустенита с поперечным размером более 500 мкм, а на второй ступени, за счет ускорения охлаждения закристаллизовавшегося слитка, предотвращается графитизация цементита.The solution of this problem is achieved by the fact that carbon steel is melted in the crucible with a minimum content of impurities: for this, the materials that are the most pure from impurities, for example, armco-iron, are used in the initial charge; after carbonization of the melt with graphite, the melt is refined, for example, using flux, then the melt is cooled together with the furnace in the same crucible in which the melting was performed: in the first stage it is slowed down, for example, with the furnace lid closed until the metal crystallizes completely, and in the second stage it is accelerated , for example, with an open oven lid. The crystallization temperature is determined by one of the known methods, for example by thermal analysis. Moreover, in the first stage, the cooling rate is maintained less than 15 ^o / min, which contributes to the formation of austenite grain with a transverse size of more than 500 μm, and in the second stage, due to the acceleration of cooling of the crystallized ingot, the graphitization of cementite is prevented.

Пример. В огнеупорный тигель загружают армко-железо 10 кг. После расплавления металл науглероживают графитом до концентрации 2,0%. Затем расплав рафинируют, добавляя в жидкий металл флюс. После этого охлаждают закрытую печь вместе с тиглем до температуры 1150^oC. Затем печь открывают и продолжают охлаждать с открытой крышкой до комнатной температуры. В заключение вынимают тигель и извлекают из него готовый слиток.Example. Armco iron 10 kg is loaded into a refractory crucible. After melting, the metal is carbonized with graphite to a concentration of 2.0%. Then the melt is refined by adding flux to the liquid metal. After that, the closed furnace is cooled together with the crucible to a temperature of 1150 ^o C. Then the furnace is opened and cooling is continued with the lid open to room temperature. In conclusion, take out the crucible and remove the finished ingot from it.

В результате микроструктура слитка представляет из себя зерна перлита с размерами в поперечнике от 0,5 до 1 мм, которые окружены дискретной цементитной сеткой с крупными включениями первичного цементита (фиг.1, 50-кратное увеличение). При последующей ковке цементитные включения вытягиваются в направлении деформации, образуя красивый булатный узор (фиг.2, 3-кратное увеличение). Соответствующая термообработка позволяет придать булатной стали комплекс высоких механических свойств: упругость лучших пружинных сталей при прочности и твердости инструментальных сталей, используемых для обработки металлов, а крупные карбидные включения придают булатной стали высокую износостойкость. As a result, the microstructure of the ingot is perlite grains with sizes across from 0.5 to 1 mm, which are surrounded by a discrete cementite network with large inclusions of primary cementite (Fig. 1, a 50-fold increase). During subsequent forging, cementite inclusions are stretched in the direction of deformation, forming a beautiful damask pattern (figure 2, 3-fold increase). Appropriate heat treatment makes it possible to give damask steel a complex of high mechanical properties: the elasticity of the best spring steels with the strength and hardness of tool steels used for metal processing, and large carbide inclusions give damask steel high wear resistance.

Claims

1. A method of manufacturing damask steel, including loading the mixture into the crucible, heating and melting it, carburizing the melt with graphite and two-stage metal cooling: at the first stage it is slowed down, at the second stage it is accelerated, characterized in that carbon steel, which is the cleanest of impurities, is used as the mixture , for example, armco iron, after the carburization of the melt, it is refined, for example, using flux, and two-stage cooling of the metal is carried out in the furnace together with the crucible, and the first stage is cooled blow to complete crystallization of the metal.

2. The method according to p. 1, characterized in that in the first stage, the cooling is carried out with a closed furnace, and in the second with an open furnace.