Введение к работе
Актуальность проблемы. На сегодняшний день стали, микролегированные бором, представлены широкой гаммой металла самого различного назначения. Это и хорошо зарекомендовавшие себя машиностроительные стали высокой прокаливаемости для производства крепежа, строительных конструкций, изнашивающихся частей сельскохозяйственной и дорожной техники, а также новые стали, такие как высокопрочные трубные (Х80-Х120), IF, TRIP и мартенситные стали для изготовления ответственных узлов автомобиля и другие. Содержание бора в борсодержащих сталях варьируется в пределах 0,0008...0,0030 % (здесь и далее - массовые доли процентов). Причем, высокие эксплуатационные характеристики как традиционных, так и новых микролегированных сталей достигаются только за счет растворенного бора. Поэтому, получение в стали заданных количеств растворенного бора в узких концентрационных пределах остается в настоящее время одной из актуальнейших задач в технологии производства борсодержащих сталей.
Трудности с борным микролегированием связаны, во-первых, с высоким химическим сродством бора к кислороду и азоту (он легко окисляется и связывается в нитрид бора в стальном расплаве), а во-вторых, с тем, что в большинстве случаев требуется обеспечить очень малое содержание растворённого бора в стали в узких пределах. Многолетняя практика применения для микролегирования стали стандартного ферробора показала, что он не обеспечивает стабильных результатов даже при специальной технологии раскисления и деазотации стали. Более эффективны в применении комплексные борсодержащие лигатуры, одновременно включающие наряду с бором сильные раскисляющие и деазотирую-щие элементы. Однако в России такие сплавы не выпускаются, за рубежом освоено производство комплексных сплавов для микролегирования стали бором, таких как Grainal, Bats и др. Из-за специфики традиционных плавильных технологий производства они характеризуются низким содержанием бора и дороговизной, поэтому их применение зачастую становится экономически невыгодным.
Эффективной технологией производства легирующих сплавов для борного микролегирования стали может стать метод самораспрастраняющегося высокотемпературного синтеза (СВС), позволяющий получать материалы с новым сочетанием эксплуатационных свойств. Применение композиционных борсодержащих лигатур, полученных СВС-методом, поможет решить проблему стабильного получения в стали малых количеств бора, в узких пределах, что особенно актуально, в связи с необходимостью выплавки современных сталей для труб, автомобилестроения, строительства и др. отраслей экономики.
Целью работы является разработка технологии получения композиционных борсодержащих лигатур для микролегирования стали на основе СВС-метода.
В соответствии с целью в работе поставлены и решались следующие задачи: - анализ современного состояния и тенденций развития технологий выплавки сталей, микролегированных бором, а также способов производства борсодержа-
щих легирующих сплавов, применяемых для их производства;
теоретическое обоснование и проведение расчётов для оценки возможности получения СВС-методом композиционных лигатур на основе системы Ti-B-Fe и других борсодержащих систем;
экспериментальные исследования по определению закономерностей горения борсодержащих легирующих сплавов в лабораторных условиях на установке «Бомба постоянного давления» (БПД) и в промышленном СВС-вакуум реакторе объёмом 0,15 м3;
разработка промышленной СВС-технологии получения комплексных борсодержащих легирующих сплавов;
проведение испытаний новых композиционных борсодержащих лигатур при выплавке сталей, микролегированных бором.
Объект исследования - композиционные борсодержащие лигатуры для микролегирования стали на основе системы Ti-B-Fe и других борсодержащих систем, полученные с помощью СВС-метода.
Предмет исследования - синтез и технологические особенности производства композиционных борсодержащих лигатур СВС-методом в лабораторных и промышленных условиях. На основании проведённых исследований на защиту выносятся:
результаты реализации СВС-процесса в системе «металлический компонент -борид» при использовании в качестве источника бора различных борсодержащих материалов, выпускаемых промышленностью;
результаты экспериментальных исследований закономерностей горения смесей металлических компонентов (Ті, FeTi, FeSi и др.) с разнообразными борсодер-жащими материалами (FeB, SiB6, В4С и др.) в лабораторных условиях и промышленном реакторе;
результаты исследований фазового состава и микроструктуры комплексных борсодержащих лигатур для микролегирования стали;
новая установка для реализации СВС-процесса в режиме безгазового горения -промышленный СВС-вакуум реактор;
промышленная СВС-технология получения композиционных борсодержащих легирующих материалов;
- результаты промышленных испытаний новых композиционных борсодержа
щих лигатур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые показано, что СВ-синтез в смесях борсодержащих и металлических порошков, при использовании в качестве борсодержащих компонентов таких соединений, как: FeB, В4С, SiB6, А1В2 и др., происходит по механизму безгазового горения; при этом главным проявлением «безгазовости» процесса является отсутствие зависимости скорости горения от давления.
Показано, что СВ-синтез в рассматриваемых системах происходит за счет экзотермических реакций образования боридов титана.
Обнаружена экстремальная зависимость скорости горения исследуемых смесей от исходной плотности образцов. Первоначально, с ростом исходной плот-
ности образцов, скорость синтеза увеличивается до определённого максимума. Однако, ещё большее возрастание плотности приводит к снижению скорости горения, что наиболее вероятно связано с опережающим ростом теплопотерь из зоны горения.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны составы новых комплексных борсодержащих лигатур для микролегирования стали. Предложен способ получения таких лигатур, основанный на синтезе горением смесей порошков борсодержащих и металлических компонентов в инертной среде. Разработана специальная конструкция СВС-вакуум реактора объёмом 0,15 м3 для промышленного получения композиционных борсодержащих лигатур. Определён технологический регламент и разработана технологическая линия по производству комплексных борсодержащих лигатур для микролегирования стали. Разработана порошковая проволока с наполнителем «Борид ферротитана» (ТУ 0866-018-21600649-2008); технология её производства освоена на ОАО «ММК-МЕТИЗ». Новый легирующий сплав борид ферротитана испытан при выплавке стали 40Г1Р в условиях ОАО «ММК».
Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на 65-ой и 67-ой научно-технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ» (Магнитогорск, 2006 г., 2008 г.), 3-ем Конгрессе металлургов Урала (Челябинск, 2008 г.), 10-ом Международном конгрессе сталеплавильщиков, (Магнитогорск, 2008 г.). Новые композиционные борсодержащие лигатуры были продемонстрированы на 15-ой Международной выставке «Металл-Экспо» в г. Москве (ноябрь, 2009 г.), за их разработку автору работы в составе коллектива разработчиков была присвоена серебряная медаль участника выставки. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в т.ч. 5 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 2 патента на изобретения. Исследования, положенные в основу диссертации, были удостоены гранта «У.М.Н.И.К» и проводились в рамках его программы (2007-2009 гг.).
Структура и объём. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и библиографического списка литературных источников. Объём диссертации - 113 стр. машинописного текста, в том числе 32 рис., 26 табл., библиографический список включает 106 наименований.
