CC BY
8РАЗДЕЛ 5. МЕТАЛЛУРГИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 669
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ПУТЕМ СИНТЕЗА СВС
А.Т. Евтушенко, Р.В. Шевченко
В наше время многие промышленные заводы испытывают трудности в приобретении инструментальных сталей и сплавов из-за высокой стоимости. В связи с этим актуальным является поиск способов получения таких сталей на заводах методами, не требующими больших денежных вложений, используя современные технологии, позволяющие кроме того утилизацию отходов промышленного производства.
Ключевые слова: химические системы Менделеева, добавленные в шихту; СВС - синтез, самораспространяющийся высокотемпературный синтез; фронт горения - легирующие элементы; смеси порошков; шихта - состав.
Актуальной задачей нашего времени является развитие новых технологических процессов, основными чертами которых являются ограниченное число операций, обеспечивающих выход готовых материалов с использованием отходов производства.
Процессом, обладающим значительным технологическим потенциалом, является открытый академиком А.Г. Мержановым и его научной школой, самораспространяющийся высокотемпературный синтез - СВС.
В основе метода лежит реакция экзотермического взаимодействия двух или нескольких химических элементов, соединений, протекающая в режиме направленного горения.
В АлтГТУ Евстигнеевым В.В. и его сотрудниками была проделана работа по восстановлению железа из отходов кузнечного производства - окалины.
Процесс заключался в том, что порошок окалины смешивался с алюминием, инициировался процесс СВС с получением слитка железа.
Задача наших исследований состояла в том, чтобы путем синтеза СВС процесса из окалины получать инструментальную сталь (с соответствующими легирующими добавками).
Эксперименты проводили в лабораторных условиях. Порошок окалины смешивался с алюминием, сушился и засыпался в реактор. Реакторами служили металлические трубы различного диаметра и высотой до 200 мм.
Первые исследования с разработкой технологии СВС синтеза проводили с добавлением в шихту ТЮ, зажигание осуществляли путем короткого замыкания спирали из мед-
ной проволоки через трансформатор.
Процесс горения происходит за 5-12 секунд, горение сопровождалось во взрывном режиме с сильным разбросом расплава, из-за образования газов. Происходило выгорание шихты с выходом небольшой массы слитка до 30 % от массы шихты и большим количеством пор и раковин [1-3].
Поэтому первой задачей было уменьшить выгорание и избавиться от пор.
Чтобы уменьшить разбрызгивание поверхность шихты покрывали слоем кислого флюса (АНФ-6) слоем 3-5 мм. Разбрызгивание уменьшалось, и увеличивался выход металлической фазы до 60 % от массы шихты.
Однако лучший результат по выходу металлической фазы был получен при накладывании на реактор грузов сразу после инициирования СВС процесса. Величина груза зависела от массы шихты. При таком протекании процесса выход металлической фазы составлял до 80 % от массы шихты [4].
Для подавления образования газовых пор и раковин в шихту добавляли раскисли-тель РеБ1 в количестве 2-3 % от массы шихты, меньшее количество не влияет на процесс, а более 3 % замедляет процесс СВС. Кремний повышает температуру горения смеси и влечет за собой увеличение объема жидкой фазы. Кроме того, ферросилиций раскисляет получающуюся металлическую фазу за счет связывания кремния с кислородом, что приводит к уменьшению пор [5, 6].
Во время СВС процесса в волне горения смесь исходных реагентов претерпевает ряд физических и химических превращений. При
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СТАЛИ ИЗ ОТХОДОВ ПРОИЗВОДСТВА
ПУТЕМ СИНТЕЗА СВС
этом в зоне прогрева после плавления исходного окисла (MeOx), образуется сплошная среда, в которой распределены капли А1 и частицы ТС. Во время химического превращения капли и частицы взаимодействуют, протекают обменные реакции. Углерод из карбида титана переходит в жидкий раствор. Происходит кар-бидизация металла на реакции: Me + C = MeC. Или возможна другая реакция:
MeOx + Al ^ Me + Al2O3 ТЮ + А ^ TiAl + C MeOx + С ^ Ме + СО Ме + С ^ МеС
В результате образуются три конденсированных продукта МеС, А12О3 + ^А1, а также газ СО [7, 8].
Процесс формирования структуры осуществляется при жидкофазном состоянии, поэтому большое значение имеет смачиваемость ТЮ металлическими компонентами. Структура и свойства улучшаются с приближением к нулю краевого угла смачивания ТЮ с железом. Краевой угол смачивания ТЮ компонентами зависит от температуры атмосферы, состава шихты. С увеличением температуры угол смачивания снижается.
С увеличением в шихте карбида титана от 10 до 20 % массы показывает изменение содержания углерода в сплаве от 0,4 до 0,7 % (таблица 1) и увеличение твердости.
Таблица 1 - Механические свойства сплава в зависимости от содержания ТЮ в шихте
№ Механические свойства
% ТЮ в шихте % С в сплаве ИКС КС, Дж/см
1 5 0,2 12 10
2 10 0,4 48 4
3 15 0,6 58 2
4 20 0,7 60 0,5
Положительное влияние на твердость сталей проявляется при содержании 10-15 % ТЮ. Добавление в шихту 20 % ТЮ резко снижает вязкость. При большем количестве ТЮ
(более 20 %) синтез не происходит [9, 10].
В результате высокой скорости охлаждения происходит самозакалка сплава из жидкого состояния, образуется структура мартенсита (рисунок 1).
Рисунок 1 - Микроструктура сплава (с 20 % ТЮ)
Рентгеноструктурный анализ сплавов с добавлением ТЮ не показывает следов Т в сплаве (рисунок 2).
Рисунок 2 - Рентгенограмма сплавов с добавлением карбида титана
Проведенные исследования механических свойств получаемой стали с 0,6 % С (15 % ТЮ) показали, что сталь ведет себя также, как и обыкновенная углеродистая сталь (таблица 2) [6, 11].
Таблица 2 - Твердость СВС - сплава
Состав шихты После СВС Отпуск, °С
ИКС КС ИКС КС ИК КС
80 % Ре2О3 + 20 % А! + 15 % ТЮ 58 0,5 52 2 44 4
Закалка и отпуск этой стали повторяют результаты стали с 0,6 % С. ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2 2016 203
А.Т. ЕВТУШЕНКО, Р.В. ШЕВЧЕНКО
ВЫВОДЫ
1. Для получения стали методом СВС синтеза из отходов производства состав шихты должен быть:
80 % Fe2O3 + 20 % Al + 15-20 % TiC.
2. Повышение давления в реакторе ускоряет разделение металл-шлак, способствует более полному выходу металлической фазы до 80 %.
3. Введение в шихту до 2 % FeSi обеспечивает раскисление сплава, уменьшает образование пор, повышает выход металлической фазы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Cochepin, B. Nanocrystalline TiC combustion -synthesized from nanostructured reactans and TiC diluent / B. Cochepin, S. Dubois, V. Gauther, M. F. Beaufort, D. Vrel, J. P. Bonnet // VIII International Sympho-sium on Self - Propogating Heigh Temperature Synthesis, Italy, 21-24 june, 2005, Abstracts Book. P. 28-30.
2. Dargar, S. In - situ densification of shs composites from nanoreactans / S. Dargar, L. Groven, I. Chaudhuri, J. Puszynski // VIII International Sympho-sium on Self - Propogating Heigh Temperature Synthesis, Italy, 21-24 june, 2005, Abstracts Book. P. 31-33.
3. Евстигнеев, В. В. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Современные проблемы / В. В. Евстигнеев // Ползуновский вестник. - 2005. - № 4-1. - С. 21-35.
4. Батаев, А. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение : учебник / А. А. Батаев, В. А. Батаев. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2002. - 384 с.
5. Мержанов, А. Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика / А. Г. Мержанов. - Черноголовка : ИСМАН, 2002. -234 с.
6. Евтушенко, А. Т. Определение компонентного состава шихты в самораспространяющемся высокотемпературном синтезе интерметаллических соединений / А. Т. Евтушенко, О. А. Лебедева, С. С. Торбунов // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2005. - № 6. - С. 30-32.
7. Кипарисов, С. С. Карбид титана: получение, свойства, применение / С. С. Кипарисов, Ю. В. Левин-ская, А. П. Петров. - Москва : Металлургия, 1987. -218 с.
8. Шиганова, Л. А. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез микро- и нанопорош-ков нитридов титана, хрома, молибдена и вольфрама с применением азида натрия и галогенов : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Шиганова, Л. А. -Самара, 2010. - 24 с.
9. Левашов, Е. А. Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза / Е. А. Левашов [и др.]. -М. : БИНОМ, 1999. - 176 с.
10. Мержанов, А. Г. Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов / А. Г. Мержанов // Успехи химии. -2003. - Т. 72, № 4. - С. 323-345.
11. Амосов, А. П. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов : учебное пособие / А. П. Амосов, И. П. Боровинская, А. Г. Мержанов. - М. : Машиностроение, 2007. - 568 с.
Евтушенко А.Т., к.т.н., проф. АлтГТУ им. И.И. Ползунова, тел.: 8(3852) 29-07-39.
Шевченко Р.В., магистрант, каф. МАПП АлтГТУ им. И.И. Ползунова, e-mail: r. shevchenko. 92@mail.ru.
