Матеріали, синтезовані металотермією і самопоширювальним високотемпературним синтезом

МАТЕРІАЛИ, СИНТЕЗОВАНІ МЕТАЛОТЕРМІЄЮ І СВС-ПРОЦЕСАМИ

Ю.Ю. Жигуц, канд.техн.наук, доц.

Ужгородський національний університет

У роботі розглянуто напрями застосування самопоширювального високотемпературного синтезу (СВС) і комбінованих (СВС+металотермія) процесів для синтезу литих сплавів - легованих конструкційних і нержавіючих сталей, легованих зносостійких чавунів, бронз, твердих сплавів і карбідосталей. Застосування СВС у комплексі із лазерним поверхневим зміцненням дозволяє вирішити проблему наплавлення високотвердих зміцнених шарів на поверхню сплаву. Досліджено мікроструктуру та властивості синтезованих сплавів.

Важливою проблемою у матеріалознавстві є не тільки створення нових матеріалів, але й покращання властивостей традиційних та удосконалення технологій їх виготовлення. Детальне вивчення питання дає можливість вважати, що ця проблема може частково успішно вирішуватися за рахунок використання відповідних сплавів, отриманих способом спалювання екзотермічних порошкових сумішей [1], особливо, якщо врахувати, що цей метод може успішно застосовуватися і для економії металу на заводах великосерійного і масового виробництва.

МЕТА ДОСЛІДЖЕННЯ

Метою роботи було встановлення можливості отримувати матеріали металотермічними і комбінованими способами, а також виявлення впливу способу отримання сплаву на структуру, хімічний склад і механічні властивості синтезованих сплавів. Робота спрямована на дослідження синтезованих матеріалів, а саме термітних чавунів, легованих конструкційних і нержавіючих сталей, термітних мідних сплавів - бронз, швидкорізальних сталей, твердих сплавів і карбідосталей.

МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИКА ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

При виконанні роботи були використані матеріали: сажа (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80), порошок алюмінієвий ПА-3-ПА-4 ГОСТ6058-73, залізна окалина (прокатного виробництва) із середнім хімічним складом (% за масою): 0,05 С; 0,10-0,35 Si; 0,10-0,35 Mn; 0,01-0,03 S; 0,01-0,03 Р; 40-50 Fe₂O₃; 50-60 FeO; решта - ін. Порошкова шихта просушувалася, перемішувалася, ущільнювалася і після цього розміщувалася у металотермічному тиглі, де і підпалювалася спеціальним запалом. Після завершення горіння в нижній частині реактора формується зливок, у верхній же частині за рахунок значної різниці у питомій масі продуктів реакції, збирається шлак. Для визначення маси зливка і виходу сплаву з шихти проводилися мікроплавлення масою 150-350 г у металевому футерованому тиглі. Ініціювання процесу горіння проводилося спеціальним титановим запалом, виготовленим з порошку титанового хімічного ПХ-2 ТУ 48-10-78-83.

Після встановлення складу шихти за стехіометричними коефіцієнтами хімічної реакції та корекції її коефіцієнтами засвоєння компонентів проводився розрахунок адіабатичної температури горіння металотермічної реакції.

Розроблена методика дозволяє встановити склад металотермічних шихт і розрахувати адіабатичну температуру її горіння. Головна умова процесу синтезу - необхідність отримувати фактичну температуру горіння вище температури плавлення шлаку (для - 2400 K).

При організації процесу синтезу сталей і чавунів використовуються класичні термітні реакції, що ґрунтуються на окислені алюмінію і відновленні заліза: із введенням домішків вуглецю, легуючих елементів (феродомішків) і флюсів.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

У результаті досліджень було розроблено склад шихти і здійснено отримання різних марок вуглецевих сталей у результаті алюмінотермічного відновлення залізної окалини із введенням у терміт додатково вуглецю і феросплавів. На основі спеціальних сплавів екзотермічних шихт отримано термітні сталі 20ГЛ-35ГЛ, 30ГСЛ, 32ХО6Л-40ХЛ, 20Х5МЛ (із перлітоферитною структурою) [2,3] і 20Х5ТЛ, 40Х9С2Л (із мартенситною структурою).

Практичні дані дозволили встановити, що введення більше 20% домішок у терміт приводить до припинення розділення термітного сплаву і шлаку в умовах лабораторних термітних мікроплавлень при масі шихти до 250 г.

Дані аналізу механічних властивостей дозволяють зробити висновок, що термітна сталь не поступається ливарній, а за ударною в'язкістю на 20% краща, що пов'язано із додатковим дорозкисленням і мікролегуванням алюмінієм.

Високий процентний вміст домішок і феросплавів надмірно "охолоджує" екзотермічну реакцію, і тоді розрахований склад шихти високолегованої термітної сталі не дозволяє отримати оптимальну температуру горіння екзотермічної суміші. У цьому випадку необхідно використовувати інший, відмінний від вищеописаного напрям синтезу легованих сталей. Він полягає у отриманні заданого хімічного складу сплаву не введенням певної кількості феросплавів, а складанням спеціальної екзотермічної шихти, до складу якої входять оксиди легуючих елементів (наприклад, , , , , та ін.) і залізна окалина, відновлювані алюмінієм у ході алюмінотермічного процесу. Таким чином синтезовано сталь 12Х18Н10Т на основі оксидів Fe, Ni, Cr [3].

Титан вводився у склад екзотермічної шихти не у вигляді , а у вигляді феротитану (30%), що пов'язано із поганою відновністю титану з його оксидів алюмінієм. Склад шихти: - 17_,2%; - 50%; - 6,6%; - 26,2%.

Вуглець і титан при введенні їх у металотермічну шихту переводять реакцію синтезу з класу металотермічних у клас комбінованих, тобто таких, що складаються з фази проведення металотермічної реакції і фази - СВС.

При проведенні термітних плавок за запропонованим способом необхідно врахувати "активність" елементів, які складають металотермічну шихту. Говорячи про нерівномірність розподілу елементів у зливках, отриманих алюмінотермічним відновленням оксидів, не можна не вказати на послідовність взаємодії цих оксидів із алюмінієм. У початковий період проходить відновлення таких легковідновних елементів, як Fe, Ni та ін., а важковідновні оксиди переходять у шлаковий розплав. Потім, термітний метал, що вміщує надлишковий алюміній, проходячи через шар шлаку, відновлює і важковідновні оксиди.

Так, при синтезі сталі 12Х18Н10Т, спочатку проходить відновлення оксидів нікелю і заліза, а потім хрому. Цим обумовлений недостатньо високий вміст Сr у отриманій термітній легованій сталі. Для покращання повноти відновлення всіх оксидів необхідно проводити екзотермічні плавки з більшими масами шихти.

Продовжуючи дану роботу, були проведені у дослідно-промислових умовах експерименти із використання вищеописаних складів шихт для термітних ливарних додатків виливків із легованих сталей.

При проведенні подальших експериментальних мікроплавлень синтезовано чотири типи високолегованих чавунів - ніхардів, аналогів промислових чавунів типу І, ІІ, ІІІ і спеціального. Хімічний склад отриманих термітних сплавів показаний у табл. 1, підтверджує правильність результатів розрахунку шихти [4,5]. При цьому реакція синтезу проводилася як у кокільному типі реактора, так і з графітовим облицюванням для встановлення впливу режиму тепловідводу на механічні властивості ніхардів (табл. 2).

Використання графітового тигля приводить до незначного підвищення міцності ніхарду. У цілому ж, умови мікроплавлень встановлюють настільки інтенсивний режим охолодження сплаву, що в принципі вплив облицювання реактора перестає домінувати.

Всі виливки з ніхардів не мали зовнішніх ознак усадкової раковини, розрізування виливок і макроаналіз підтвердили ці результати. Ліквації хімічного складу за об'ємом виливків не виявлено.

Таблиця 1 - Хімічний склад термітних ніхардів (% за масою)

Таблиця 2 - Механічні властивості термітних ніхардів

Синтезовані термітні зносостійкі чавуни - ніхарди, відносять до хромонікелевих мартенситних чавунів. Мікроструктурний аналіз показав, що в термітних чавунах вміст цементиту становить не менше 50%, що дає мікротвердість від 1000 до 1050 НV. Методами рентгеноструктурного аналізу в структурі цих чавунів виявлено, крім карбідів і , карбіди й ін., які забезпечують мікротвердість ~ 15 ГПа.

У легованих термітних чавунах при збільшенні вмісту марганцю [4], незважаючи на високі температури синтезу, спостерігається погіршення рідкотекучості (при збереженні лінійної усадки в межах 1,6-2,2 %) і схильності навіть при обробці шліфуванням до утворення мікротріщин. Це приводить до необхідності застосування для виливків термообробки.

Наступним кроком у цьому напрямку був синтез високоміцних чавунів на основі класичної термітної реакції. Додатковими інгредієнтами металотермічної шихти були вуглець, оксиди нікелю, хрому, молібдену, надлишковий порошкоподібний алюміній (крім залізної окалини та основного алюмінію) і магній у вигляді лігатури ЖКМК-1 [6].

Схема процесу наштовхнула на нову технологію, у якій за рахунок спеціальної двокамерної конструкції металотермічного реактора з пластинкою з алюмінієвого або титанового сплаву, вдалося провести зварювання високоміцних чавунів [7].

Доказом універсальності "комбінованих" технологій стало вирішення виробничої проблеми - синтезу високоперегрітих мідних сплавів бронз БрАЖ 10-4 та БрОЦС 5-5-5 у технології термітних ливарних додатків високого температурного градієнта [8,9].

Небезпеці надлишкового перегріву сплаву зони під додатком виливка та зміні його фізико-механічних властивостей за рахунок цього вдалося запобігти завдяки пізнішому спрацюванню металотермічного заряду (приблизно через 1-1,5 хвилини після закінчення заливки сплаву у форму), що визначило розігрів верхньої частини додатка виливка. Склад цієї металотермічної шихти для бронзи БрОЦС 5-5-5 ГОСТ 813-79 проводився за схемою та і визначався з термохімічного розрахунку: Sn - 4,19% (гранульований), а також А1 - 16,52%; CuO - 70,54% (порошковий). Адіабатична температура горіння екзотермічної суміші становила 3300 К.

Ця екзотермічна суміш належить до композицій, горіння яких генерує рідкий розплав, а той, у свою чергу, перемішуючись із сплавом у порожнині додатка, передає йому велику кількість теплоти. При цьому утворений рідкий термітний сплав повинен бути аналогічним за хімічним складом до сплаву, залитого у форму.

У дослідно-промислових умовах була апробована технологія екзотермічних додатків з високим температурним градієнтом для бронзових виливків. Два типи екзотермічних сумішей для ливарних додатків випробувані на виливкові „корпус крана” Р6.010401-Б масою 2,55 кг з БрОЦС 5-5-5 ГОСТ 613-79 та „корпус” масою 3,75 кг з бронзи Бр АЖ 10-4. Екзотермічна суміш вставлялась у порожнину додатка у вигляді металотермічного стрижня. Маса додатка виливка 0,4 кг і 0,7 кг відповідно, що дало зменшення маси додатка на 60%.

У розвиток цього напрямку вдалося успішно провести поєднання металотермічних та СВС-процесів для отримання вольфрамокобальтових твердих сплавів за схемою реакцій: і , де А, В, С - елементи синтезу; О - окислювач (кисень та ін.); АС - продукти реакції (карбіди, силіциди та ін.); ВО - шлак.

Розроблена на базі названої схеми технологія дозволила виготовити "нетрадиційним" способом, крім литих твердих сплавів типу ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК15 [10-12] (мікроструктуру одного з них показано на
рис. 1а, швидкорізальні сталі (Р9, Р6М5, Р12) та ін. сплави.

А б в

Рисунок 1 - Мікроструктура: а) твердого сплаву ВК4л; б) карбідосталі В(Р18)15л з зв'язкою у вигляді швидкорізальної сталі Р18 - 15% і карбідів вольфраму W₂C (дрібні глобулярної форми світлі включення) та WC (великі гранчасті) - 85%; в) зміцненого шару з напівоплавленими частинками TiC після комбінованого її зміцнення ЛПЗ і СВС. Травлення виконувалось ніталем, х250

Синтезовано і так звані литі "карбідосталі" - матеріал, аналог твердого вольфрамокобальтового сплаву, у структурі якого м'який і пластичний кобальт замінено на швидкорізальну сталь, мікроструктура одного з типів карбідосталі показана на рис. 1 б.

Дослідження мікроструктури та механічних властивостей отриманих сплавів дозволяють навести такі результати, наприклад, для сталі Р18: бал зерна 10, твердість НRC65, у_В=2600 МПа, теплостійкість 640 ^оС. Для синтезованих твердих сплавів дані з механічних і технологічних властивостей зведено у табл. 3.

Як відомо, особливістю технологій, що ґрунтуються на проведенні металотермічних реакції, є простота переходу від лабораторних експериментів до промислового виробництва, при цьому у великих обсягах металотермічної шихти значно полегшується проходження процесу горіння, а також покращуються його показники [13,14].

Таблиця 3 - Механічні і технологічні властивості синтезованих вольфрамокобальтових сплавів

The directions of the using selfpropagation hightemperatures syntheses (SHS) and multifunction (CHS+metalthermic) processes for syntheses cast alloy - height alloys steel for constructions and stainless steel, height alloys rugged cast iron, bronze, hard alloy and karbidostal is considered in this papers. Using SHS in complex with laser surface stronger allows solving a problem melting a height hard layers on surface of the alloy. In this work explored microstructure and characteristic synthesized alloy.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Новые методы получения высокотемпературных материалов, основанные на горении/ А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская, В.И. Юхвид и др. //Научные основы материаловедения.-М.: Наука,1981.-С. 193-206.

2. Жуков А.А., Новохацкий В.А., Жигуц Ю.Ю. Получение литых инструментальных сталей в результате горения термитных смесей//Литейное производство. - 1990. - №7. - С. 6-7.

3. Жигуц Ю.Ю. Ресорно-пружинні термітні сталі//Машинознавство. - Львів. - 2002. - №10. - С.50-52.

4. Жигуц Ю.Ю. Сірі і білі спеціальні термітні чавуни//Вісник НУ “Львівська політехніка”/Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. - Львів: Вид-во НУ “Львівська політехніка”, 2003. - № 480. -С. 148-153.

5. Жигуц Ю.Ю. Термитные нихарды, синтезированные металлотермией// Вісник СумДУ. - Суми. - 2005. - №1(73). - С. 157-161.

6. Скиба Ю.Ю., Жигуц Ю.Ю. Технологія синтезу термітних високоміцних чавунів//Вісник СумДУ. - Суми. - 2002. - №2. - С. 98-102.

7. Жигуц Ю.Ю. Патент №2001129089. Металотермічний реактор// Бюл. №1. - 2003.

8. Zhigyts Yu. Yu. Thermit smelting of copper alloys// Acta Metallurgica Slovaca. Special issue. -1999. - № 2. - Р.418-421.

9. Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю. Патент №20031212779. Екзотермічна суміш для металотермічних ливарних додатків бронзових виливків. Бюл. №9. - 2004.

10. Жигуц Ю.Ю. Синтез литых твердых сплавов//Литейное производство.- М., 1991. - № 11. - С. 5-6.

11. Жигуц Ю.Ю. Структура і властивості синтезованих твердих сплавів// Фізико-хімічна механіка матеріалів. -Львів. - 2003. -№1. -С.109-110.

12. Жигуц Ю.Ю., Похмурський В.І. Одержання твердих сплавів із застосуванням металотермії та самопоширювального високотемпературного синтезу //Матеріалознавство і мех. матеріалів: Праці наук. тов. ім. Шевченка.- 2003. - Т.9.- С. 131-137.

13. Жигуц Ю.Ю. Патент №2001106813. Екзотермічна суміш для живлення виливків з високолегованих сталей, Бюл. №9. - 2002.

14. Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю. Патент №2001106677. Екзотермічна суміш для термітних ливарних додатків, Бюл. №11. - 2002.

15. Жуков А.А., Жигуц Ю.Ю., Шилина Е.П., Мажумдар Дж. Датта. Обработка материалов ЛПЗ и СВС// Изв. ВУЗов. Черная металлургия. -М.,1998. - №5. - С.60-63.