RU2639258C2

RU2639258C2 - Addition alloy production method for steel boronizing

Info

Publication number: RU2639258C2
Application number: RU2016109452A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Фёдорович Аулов; Рудольф Юрьевич Соловьев; Алексей Владимирович Ишков; Виктор Васильевич Иванайский; Николай Тихонович Кривочуров; Анатолий Васильевич Иванайский; Татьяна Алексеевна Еремина
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-12-20
Also published as: RU2016109452A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method contains the ingredients mixture preparing, containing the metal alloying elements, the iron and the boron compounds, and the chemical reaction initiation between them in the inert atmosphere. The mixture is prepared from the ingredient simultaneously containing the metal alloying elements and the iron in the form of the boron-treated steel specimen and the boron compounds in the form of the powder mixture, containing, wt %: boron carbide 40-90 and flux P-0.66 10÷50. The chemical reaction initiation is carried out on the surface of the mentioned specimen in the high-frequency electromagnetic field during 90-120s to the depth of the boronized layer 600-1200 mcm.

EFFECT: invention makes possible to produce the boron-containing steel with the specified chemical composition for the other elements, to simplify the dosing of the addition alloys, to calculate the melting material balance, and the boron steel melting technology.

2 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству легирующих материалов для сталей, чугунов и сплавов, и конкретно касается лигатур для борирования стали.The invention relates to metallurgy, namely to the production of alloying materials for steels, cast irons and alloys, and specifically relates to ligatures for boron steel.

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.).Boron is one of the most effective and economical alloying elements. Boron microalloying is widely used in the production of structural steels, steels for fasteners, steels for auto and tractor engineering and in other areas where a combination of high metal strength, increased hardness and wear resistance is required. To introduce boron into steel, ferroboron of various compositions is traditionally used, as well as various boron-containing ligatures, which additionally include various metals having a high deoxidizing and deazotizing ability (Al, Si, Ti, Zr, Mn, etc.).

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].Thus, there is a known method for producing aluminum-titanium-boron alloys, which includes melting aluminum, portioned introduction of a mixture of titanium with a boron-containing component into the aluminum melt, mixing the melt and casting it, which consists in preliminarily grinding titanium in the form of a titanium sponge to size 10 ÷ 15 mm, mixed with a boron-containing component in the form of potassium tetrafluoroborate, the mixture is placed in a metal container and heated to a temperature of 515 ÷ 530 ° C, then compacted with pressure until the liquid phase disappears and after pressure relief is obtained th mixture was taken out of the container [RF patent №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.Its disadvantages are that the resulting ligature has a low boron content, its segregation and has an unstable structure due to the presence of large, primary intermetallic compounds that have a needle shape, as well as due to their uneven distribution in the volume of the ligature. When modified by such a ligature during the casting of ingots of aluminum alloys, the intermetallic compounds do not dissolve and pass into the volume of the crystallizing metal, which leads to a significant deterioration in the quality of the ingots and semi-finished products made from them. In addition, the ligature obtained by this method does not allow the introduction of boron in steel due to the high exothermic effect when it is added to the molten steel in a crucible or ladle.

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.Closest to the claimed technical essence (prototype) is the method according to USSR author's certificate No. 1770434, according to which composite boron-containing alloys for alloying steels (ligatures) are obtained by burning in an inert atmosphere (protective medium) a mixture of powders of metal alloying elements selected from the Ti group, Zr, V, Nb, Cr, W, Mn with a boron-containing alloy. Moreover, such boron compounds as boron compounds such as ferroboron, nickelboron, cobaltboron, ferrochromboron and / or manganesebor containing 5 ÷ 50 wt. % boron. The prototype allows you to get ligatures for boron steel with a boron concentration of from 3.5 to 14.9%, the use of which ensures the degree of assimilation of boron by steel in the range of 91.6-98.1%. In addition, the prototype allows you to get ligatures containing both boron and one or more metals having a high affinity for nitrogen.

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.However, the disadvantage of the prototype is that a high degree of assimilation of boron is achieved only if additional deep deoxidation of the steel melt by metals having a high affinity for oxygen, such as Ca, Mg, Al, etc., which complicates the technology of smelting boron steel. The disadvantages of the prototype also include the high complexity of the method and the difficulty of obtaining using the resulting master alloys boron-containing steels with a given chemical composition for other elements, since when alloying steel in a complex metallurgical process, metals selected from the group Ti, Zr, V, Nb, Cr, W , Mn, which previously reacted with boron from boron alloys (ferroboron, nickelboron, etc.) upon receipt of the ligature, now go into steel, changing its composition and properties.

Задачей предлагаемого изобретения является создание и применение эффективной лигатуры для борирования стали.The task of the invention is the creation and use of an effective ligature for boron steel.

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. %:The problem is solved in that in a method for producing a ligature for boroning steel, comprising preparing a mixture of ingredients containing metal alloying elements, iron and boron compounds, and initiating a chemical reaction between them in an inert atmosphere, characterized in that as an ingredient containing alloying elements and iron, the steel being subjected to boronation is used in the form of a workpiece, a powder mixture containing, by weight, is used as a boron compound. %:

карбид бораboron carbide 40÷9040 ÷ 90 флюс П-0,66flux P-0.66 10÷60 10 ÷ 60

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.and a chemical reaction is carried out on the surface of the workpiece in a high-frequency electromagnetic field at a temperature of 1200 ÷ 1300 ° C for 90 ÷ 120 s to a depth of boron layer of 600 ÷ 1200 μm.

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.The technical result of the invention is the possibility of smelting using the resulting master alloy of boron-containing steels with a given chemical composition for other elements, simplifying the dosage of the ligature, calculating the material balance of the smelting and technology for smelting boron steel.

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.The invention is illustrated by figures. In FIG. 1, shows the microstructure of the boron layer on 65G steel. In FIG. 2 shows the microstructure of cast steel 65G. In FIG. 3 shows the microstructure of steel 65G, alloyed with boron using a ligature obtained by the proposed method.

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.The method includes preparing a mixture of ingredients containing metal alloying elements, iron and boron compounds, with the initiation of a chemical reaction between them in an inert atmosphere. As an ingredient containing alloying elements, steel subjected to boronation is used (steel, for the boronation of which a master alloy is made) in the form of a workpiece. As boron compounds, a powder mixture containing, by weight, is used. %: boron carbide in the range of 40 ÷ 90, flux P-0.66 in the range of 10 ÷ 60. Gumboil P-0.66 contains, by weight. %: Na ₂ B ₄ O ₇ - 30, B ₂ O ₃ - 20, CaSi ₂ - 10, welding flux AN-348A - 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.As an inert atmosphere, carbon dioxide, argon or helium is used. A chemical reaction is carried out on the surface of the workpiece in a high-frequency electromagnetic field at a temperature of 1200 ÷ 1300 ° C for 90 ÷ 120 s to a depth of boron layer of 600 ÷ 1200 μm.

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.The content of boron carbide in the mixture of 40 ÷ 90% by weight is optimal. If it is less than 40%, for example 35%, then the thickness of the borated layer and the boron content in the finished steel are significantly reduced, so it will be necessary to increase the time of boronation by 15-20% or the amount of ligature introduced. When the content of boron carbide in the charge is higher than 90%, for example 95%, there is no complete surface contact of the powder mixture with the surface of the steel billet after the charge is melted, as a result of this, boron sections uneven in thickness are formed, which does not allow obtaining the specified boron content in the finished steel.

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.The optimal boration time is determined in the range of 90 ÷ 120 s. If the time is set to less than 90 s, for example 80 s, the thickness of the borated layer decreases, which leads to a decrease in the boron content in the steel billet. If you increase the time more than the optimal 120 s, for example up to 130 s, the height of the borated layer practically does not increase, which leads to an unjustified waste of time.

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.The optimum boron temperature is defined as 1200-1300 ° C. In the case of a decrease in temperature of less than 1200 ° C, for example 1100 ° C, the activity of surface reactions decreases, as a result, the optimum depth of the borated layer is not ensured. When the temperature rises above 1300 ° C, for example 1400 ° C, the process becomes unstable due to steel melting, draining of the composition from the surface of the workpiece, a significant burnout is observed.

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.The invention is illustrated by the following example. To implement the proposed method of alloying with boron, steel 65G was used. For this purpose, blanks in the form of plates 30 × 15 × 4 mm in size in the amount of 125 pcs were cut from the rolled sheet. and a powder mixture was prepared according to the claims of various compositions.

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.Boron carbide and flux were mixed in a bicone mixer for 10 minutes. The prepared mixture was applied using a special batcher with a layer of 3 mm thick on 3 pieces of steel 65G for each composition corresponding to that shown in table 1.

Подготовленные заготовки-пластинки с шихтой помещали в однопетлевой горизонтальный индуктор, подключенный к высокочастотному генератору ЭЛСИТ-100-70/40, и осуществляли их борирование.Prepared plate blanks with a charge were placed in a single-loop horizontal inductor connected to an ELSIT-100-70 / 40 high-frequency generator, and they were borated.

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.The resulting ligature for boronation differs from the 65G steel to be alloyed only in boron content and does not contain components that clog the alloyed steel ingot (or casting) with undesirable inclusions accompanying alloying with the prototype ligature.

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).Doping with boron itself was carried out during steel melting by induction heating in a crucible made of quartz sand (92%) with the addition of fireclay clay and water (4% each).

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).The crucible was installed in a multi-loop vertical inductor. The smelting mass was 5 kg. Smelted steel 65G. When alloying used the ligature, which was obtained from the mixture No. 3 at a temperature of 1300 ° C. After removing the slag, three plates (ligature) were thrown into the molten steel before casting into the ladle. The chemical composition of steel practically did not differ from the initial composition (see table. 2), except for the boron content. Determination of the content of chemical elements in the steel was established using a micro X-ray spectral analyzer (SEM Philips SEM 515).

Из приведенной таблице видно, что количество бора увеличилось в стали в 100 раз после легирования предлагаемой лигатурой.The table above shows that the amount of boron increased in steel 100 times after alloying with the proposed alloy.

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.It should be noted that the proposed method, in contrast to the known (prototype), it is possible to obtain a ligature continuously by sequentially moving a steel billet with a charge through a loop inductor with subsequent cutting to certain measured billets.

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.The use of a ligature in the form of boron steel plates having the chemical composition of alloyed steel and differing only in boron content from it is very convenient, since there is no need to weigh it before casting steel into a ladle or directly into a crucible with molten steel. In addition, there is no need to take into account the elements introduced by the ligature in the preparation (calculation) of the material balance of the heat.

Claims

A method of producing a ligature for boroning steel, comprising preparing a mixture of ingredients containing metal alloying elements, iron and boron compounds, and initiating a chemical reaction between these ingredients in an inert atmosphere, characterized in that the mixture is prepared from an ingredient simultaneously containing metal alloying elements and iron , in the form subjected to borated steel billet and boron compounds in the form of a powder mixture containing, by weight. %: boron carbide 40 ÷ 90 and flux P-0.66 10 ÷ 60, while the initiation of a chemical reaction is carried out on the surface of the aforementioned workpiece in a high-frequency electromagnetic field for 90-120 s to a depth of the borated layer of 600-1200 μm.