Классификация и оптимизация сплавов ферросилиция Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Запропоновано метод розв 'язання dunaMinnux задач для стрижневих систем, при цьому стрижт вважаються пружними й такими, що пiдлягaють деформaцiям розтягнення - стискання, але не мають ваги, а маса системи зосереджена у ii вузлах. Цей mdxid орieнтовaно на активне використання ЕОМ.

The approach for solving dynamic problems for rod systems is proposed. It is assumed that rods are elastic and exposed to tension-pressure deformations. Rods are weightless but all system mass is concentrated in junction points. This approach is orientedfor active implementation using ECM.

УДК 669.017.113:669.13

Канд. техн. наук Б. Ф. Белов1, д-р техн. наук А. И. Троцан1, канд. техн. наук И. Л. Бродецкий1, П. П. Харлашин2, канд. техн. наук И. В. Паренчук3

1 Институт проблем материаловедения им. И. М. Францевича, НАН Украины, г. Киев, 2 Приазовский государственный технический университет, г. Мариуполь,

3 ООО «Уникон», г. Донецк

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ СПЛАВОВ

ФЕРРОСИЛИЦИЯ

Построена полигональная диаграмма состояния системы Fe-Si. Выполнен анализ структурно-химического состояния твердых и жидких исходных компонентов и промежуточных фаз - силицидов железа, на базе которых оптимизирован марочный состав сплавов ферросилиция для раскисления стали.

Диаграмма состояний Fe-Si относится к эвтектической системе с промежуточными химическими соединениями [1] стехиометрического состава: Fe3Si ^ ^ Fe2Si ^ Fе3Si2 (Fe5Si3) ^ FeSi ^ FeSi2. Однако условия образования интерметаллидов - температуры, область гомогенности и термическая стабильность не известны. Не установлен стехиометрический состав промежуточных фаз Fe3Si2 или Fе5Si3, FeSi2 33-2 44 - «ле-боит», интерметаллид FeSi2 называют «мнимой» фазой, приведенные четыре эвтектические фазы, состав которых находится в широком интервале концетрации (20,0-58,0) % кремния, а плавятся в узком интервале температур 1195-1240 0С (см. вставку на рис. 1).

В связи с этим становится актуальной задачей построение новой диаграммы Fe-Si с помощью разработанного авторами [2] графоаналитического метода (ПДС-метод), позволяющего выполнить анализ структурно-химического состояния (СХС-анализ) исходных компонентов и промежуточных фаз во всем интервале концентраций и температур до точки их кипения. СХС-анализ силицидов железа включает определение химического и фазового состава, температуры образования и плавления, области гомогенности твердых и жидких растворов, что позволяет выполнить оптимизацию марочного состава ферросилиция.

Полигональная диаграмма состояний (ПДС) системы Fe-Si, показанная на рис. 1, представляет собой тетраполигон в координатах состав - температура, на

ординатах которого обозначены фигуративные точки железа и кремния, отвечающие их мезо-изоморфным превращениям под влиянием температуры 0,°С) - термические критические точки или под влиянием исходных и промежуточных фаз - химические критические точки. Для железа - это термические критические точки в твердом состоянии: Ф0(200) ^ Ф1(550) ^ ^ Ф2(900) ^ Ф3(1400) ^ Ф4(1535) и Ф5(1640) ^ ^ Ф6(1800) ^ Ф7(2770) - для жидкого железа. Топологический температурный ряд экспериментально установлен для твердого [3] и жидкого [4] железа. Для кремния последовательный ряд критических точек включает: К0(350) ^ К((550) ^ К2(700) ^ К3(900) ^ ^ К4(1200) ^ К5(1420) ^ К6(1500) ^ К7(1600) ^ ^ К8(2477), где К0, К2, К4 - термические и К(, К3 -химические точки для твердого кремния; К6, К7 - термические точки для жидкого кремния; К5, К8 - точки плавления и кипения. Критические точки К0, К2, К4 отвечает структурным превращением кремния: 81 (ГЦК) ^ 81 (ромб.), 81 (ромб.) ^ 81 (ОЦК), 81 (ОЦК) ^ 81 (ГПУ) эксперементально установленные в работе [5]. Для жидкого кремния температуры структурных превращений обнаружены в работе [6]. При температурах ниже линии Ф0К0 химические реакции не происходят и исходные компоненты образуют механическую смесь.

На абсциссе диаграммы указаны все промежуточные фазы, которые условно обозначены двухзначны

© Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, И. Л. Бродецкий, П. П. Харлашин, И. В. Паренчук, 2009

Рис. 1. Полигональная диаграмма системы железо-кремний

ми числами: первая цифра отвечает стехиометричес-ким коэффициентам железа, вторая - кремния; обозначенные литерой Ф и К, соответственно.

На коноде Ф1К1 (550 °С) в узловой точке пересечения линий предельной взаимной растворимости исходных компонентов Ф02Ф и К02Ф (линии сольвуса) образуется первичная промежуточная фаза стехиометри-ческого состава Fe2Si, обозначенная на линии абсцисс цифрами 2.1 и на концентрационном поле диаграммы -2Ф. Первичная промежуточная фаза условно разделяет систему Fe-Si на две подсистемы: Fe-Fe2Si и Fe2Si-Si, в которых последовательно образуются вторичные промежуточные фазы.

Последовательный ряд промежуточных фаз в подсистеме Fe-Fe2Si включает: Fe2Si (2.1-2Ф) ^ Fe3Si (3.1-^)Fe4Si (4.1-4Ф) Fe6Si (6.1-6Ф), из которых сингулярными фазами, имеющими конгруэнтную точку плавления, являются силициды Fe2Si и Fe3Si. Остальные (Fe4Si, Fe6Si) плавятся инконгруэнтно - при нагревании распадаются и переходят в жидкость в сингулярных точках 3Ф0 и Ф4 линии ликвидуса.

Последовательный ряд промежуточных фаз в подсистеме Fe2Si-Si включает: FeSi24 (1.24-24К) ^ FeSi4 (1.4-4К) FeSi2 (1.2-Э2)FeSi (1.1-ФС) Fe3Si2 (3.2-Э^, которые плавятся инконгруэнтно, кроме эквиатомно-го силицида, и эвтектических фаз.

Прямые линии - сольвус разделяют концентрационное поле диаграммы на триангуляционные фазы, отвечающие области гомогенности твердых растворов на базе железа, кремния и промежуточных фаз. На базе железа образуются непрерывные твердые растворы Фа (область Ф0Ф12Ф) ^ Ф в (Ф1Ф23Ф) Ф у (Ф2Ф34Ф) Ф 5 (Ф3Ф46Ф) c максимальной растворимостью кремния в железе, отвечающей составу промежуточных фаз в точках 2Ф3Ф4Ф6Ф соответственно. На базе кремния образуются непрерывные твердые растворы К а (К^Ф) К в (К^ФС) К y (К2К34К) К s (К3К44К) с максимальной растворимостью железа в кремнии, равной его содержанию в химическом составе промежуточных фаз в точках 2ФФС4К 24К, соответственно.

На базе промежуточных фаз образуются как твердые, так и жидкие растворы, область гомогенности которых на диаграмме ограничены прямыми линиями сольвуса (сплошные) - предельные растворимости твердых фаз, линии ликвуса (штриховые) - предельные растворимости жидких фаз, соответственно. Твердые растворы в области гомогенности промежуточных фаз различаются на моноструктурные (М-состояния) и диструктурные (Д-состояния). М-состояния реализуются при нагреве до температур, превышающих точки образования промежуточных фаз и представляют собой одноструктурные однофазные непрерывные растворы в интервале их гомогенности до концентраций пограничных фаз, тогда как Д-состояния реализуются при охлаждении от температур ниже точки образования промежуточных фаз в результате их диспро-порционирования (распада) на исходные компоненты,

составляющие периодически повторяющиеся парные структурные элементы однофазного твердого раствора типа перлита для железоуглеродистых сплавов из структурных элементов феррита и цементита [7].

Сингулярные фазы, которые образуются в твердом состоянии и плавятся конгруэнтно в сингулярных точках линии ликвидуса, находятся в однофазных модификациях двух типов: а-низкотемпературная и р-высокотемпературная. Высокотемпературная р-модификация переходит в жидкость без разложения и существует в области гомогенности, ограниченной линиями предельных жидких растворов - штриховые линии (ликвус). Такими фазами на диаграмме являются: моносилицид железа (Бе81) в области гомогенности ФСЭ1Э2ФС0, где а-модификация (ФСЭ1Э2) и р-модификация (ФС0Э1Э2), жидкая р-фаза (ЬФС) -Ф6ФС0К7), дисилицид железа (Бе281) в области гомогенности7 (2Ф3Ф2Ф0Э1), где а- Бе281 (2Ф3ФЭ1) и р-Бе281 (2Ф03ФЭ1), жидкая р-фаза (Ь2Ф) -3Ф°2Ф°ФС°; три-силицид железа (Бе381) в области гомогенности (3Ф4Ф3Ф02Ф0) где а-Ре381(3Ф4Ф2Ф0) и р-Бе381 (3Ф04Ф2Ф0), жидкая р-фаза (ЦФ) -Ф53Ф0ФС0.

Сингулярные фазы существуют в области гомогенности однофазных жидких растворов при плавлении над линией ликвидуса и при кристаллизации образуют однофазный твердый раствор с периодическими парными структурными элементами из исходных компонентов. К таким фазам на диаграмме относятся эвтектики (Э1 и Э2) и силицид железа Бе81. Эвтектическая фаза Э1, отвечающая стехиометрическому составу химического соединения Бе3812 при эвтектической температуре 1200 °С, в жидком состоянии существует в области гомогенности Э^ (2Ф0Э1ФС0), в твердом состоянии - Э1™ (2ФЭ1ФС). Эвтектическая фаза Э2 отвечает стехиометрическому составу химического соединения Бе812 существующего в жидком в области гомогенности Э^ (ФС0Э23К) и твердом состояниях

Т

Э2 (ФСЭ24К), интерметаллид Бе814 плавится инконг-руэнтно при температурах 1250 и 1420 °С.

Ликвидус (жирная линия), проведенный через сингулярные точки Ф4 ^ 3Ф0 ^ 2Ф0 ^ Э1 ^ ФС0 ^

^ Э2 ^ К4 , ограничивает области гомогенности жидких растворов на базе сингулярных фаз: Ь3Ф ^

^ Чф ^ Э 1ж

^ ЬФС ^ ЭЖ°, существующих в ок-

рестности точек плавления выше линии ликвидуса.

Жидкость, в соответствии с феноменологической теорией строения металлургических фаз по модели гармонических структур вещества (теория МГС - фаз, [8]), представляет собой набор статических разномерных структурных элементов различной степени упорядоченности: трехмерные полиэдрические, двумерные полигональные и моно-нульмерные разупорядо-ченные структуры. Для растворов на базе жидкого

железа области гомогенности ЬфД(Ф^Ф53Ф0),

L0 (Ф5ФС°Ф6), для растворов на базе жидкого кремния области гомогенности LПД (К5К63 К), Lf (К.К7ФС°), область гомогенности идеальной жидкости - тотального раствора LpA3 находится выше линии ФбК7 до политермы Ф7К8, соединяющей точки кипения железа и кремния.

В табл. 1 приведена классификация сплавов ферросилиция, включающая химические реакции, температуры образования и плавления, состав и плотность силицидов железа, последовательный ряд которых в виде Fe ^ Fe6Si ^ Fe4Si ^ Fe3Si ^ Fe2Si ^ ^ Fe3Si2(Э1) ^-FeSi ^Fe2Si3(32) ^ FeSi2 ^ ^ FeSi4 ^ FeSi24 ^ Si позволяет оптимизировать марочный состав сплавов ферросилиция.

Существующий ГОСТ 1415-93 [10] включает концентрации сплавов в интервале 19,0-92,0 % Si, отвечающих марочному составу промышленных ферросплавов ФС20 ^ ФС25 ^ ФС45 ^ ФС65 ^

^ ФС75 ^ ФС90. На ПДС Fe-Si эти сплавы базируются на интерметаллидах Fe2Si ^ Fe3Si2 ^ FeSi2 ^ ^ FeSi4 ^ FeSi24, соответственно. Технологическая эффективность ферросплавов зависит от условий их образования и характера плавления. Сингулярные фазы с конгруэнтной точкой плавления, образующиеся в твердом состоянии, не разлагаются при длительном хранении и сохраняются в жидком состоянии. Такими сплавами на базе силицидов железа являются

ФС15 ^е^) ^ ФС20 ^е^) ^ ФС3О (Ге81). Силициды, образующиеся в жидком состоянии - эвтектические сплавы ФС25 ^е^2), ФС50 ^е812), метаста-бильны в твердом состоянии. Силициды железа с ин-конгруэнтным характером плавления: Fe6Si ^ ^ Fe4Si ^ FeSi4 ^ FeSi24, метастабильны в жидком состоянии.

Следовательно, к оптимальным составам ферросилиция относятся сплавы на базе сингулярных фаз, образующихся в твердом состоянии, которые являются стабильными фазами в области гомогенности твердых и жидких растворов.

Кроме того, оптимизация состава сплавов зависит от их технологического назначения: более плотные сплавы применяются для раскисления металлического расплава, легкие - для шлака. К первым относятся ФС5 ^ ФС10 ^ ФС15 ^ ФС2 0 ^ ФС2 5 ^ ^ ФС30 ^ ФС50 ^ ФС60, плотность которых равна 4,56-7,47 г/см3; другие сплавы: ФС65 ^ ^ ФС75 ^ ФС90 имеют плотность 2,80-4,20 г/см . Из выше приведенного ГОСТа к оптимальным сплавам ферросилиция относятся ФС20 и ФС65, образующиеся на базе сингулярных силицидов железа, тогда как в соответствие с ПДС Fе-Si этот ряд дополняется сплавами ФС15 и ФС30.

Таким образом, построенная ПДС - методом полигональная диаграмма состояний железо-кремний хорошо согласуется с известными экспериментальными

Таблица 1 - Классификация сплавов ферросилиция

№ п/п Линейные системы Промежуточные фазы

Химические реакции Стехиом етри-ческий состав Условны е обозначе ния SiFe; масс. % Fe/Si г/см 3 Температура, °с()

образования плавле ния

1 Fe-Si 2Fe+Si ^Fe2Si 3(Fe2Si)^Fe3Si+Fe3Si2 Fe2Si 2.1(2A) ФС20 20,0 4,0 6,72 550 н.д. 1300 1215

2 Fe-Fe2Si Fe+ Fe2Si ^Fe3Si 2Fe3Si ^Fe4Si+Fe2Si Fe3Si 3.1 (3Ф) ФС15 14,3 6,0 7,03 900 н.д. 1480 н.д.

3 Fe-Fe3Si Fe+ Fe3Si ^Fe4Si 3(Fe4Si)^Fe-Si +2(Fe3Si) Fe4Si 4.1(4Ф) ФС10 1 1 ,1 8,0 7,20 1150 н.д. н.д.

4 Fe-Fe4Si 2Fe+Fe4Si^Fe6Si Fe6Si ^3Fe+Fe3Si Fe6Si 6.1(6Ф) ФС5 7,7 12,0 7,47 1430 н.д. н.д.

5 Si-Fe2Si Fe2Si+ Si^2(FeSi) 4(FeSi) ^Fe3Si2 +FeSi2 FeSi 1.1 (ФС) ФС30 33,3 2,0 5,94 700 н.д. 1400 1410

6 FeSi-Fe2Si FeSi +Fe2Si^Fe3Si2 Fe3Si2 3.2(3,) ФС25 25,0 3,0 6,45 1200 1203 1200 1203

7 Si-FeSi 24Si +FeSi ^FeSi24 FeSi24oFeSi4 + 20Si FeSi24 1.24 (24K) ФС90 92,3 0,08 2,80 900 н.д. н.д.

8 FeSi-FeSi24 20(FeSi)+3(FeSi24)^ ^23(FeSi4) FeSi4 ^FeSi2+2Si FeSi4 1.4(4К) ФС65 66,7 0,50 4,20 1050 н.д. н.д.

н.д. - нет данных

данными, что позволяет с высокой достоверностью определить условия образования и природу силицидов железа с целью оптимизации марочного состава и разработки нового стандарта сплавов ферросилиция для повышения эффективности процессов раскисления при печной и внепечной обработки стали.

Перечень ссылок

1. Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем, том II / А. Е. Вол. - М. : Физмат-издат, 1962. - 725 с.

2. Белов Б. Ф. Методика построения полигональных диаграмм состояния бинарных металлургических систем / Б. Ф. Белов, А. И. Троцан, П. С. Харлашин, Ф. С. Крей-денко // Свщоцтво прав автора на твiр, ПА №2825 вщ 14.03.2000 року.

3. Каменецкая Д. С. Железо высокой степени чистоты / Д. С. Каменецкая, И. Б. Пилецкая, В. И. Ширяев // М. : Металлургия, 1978. - 248 с.

4. Филиппов Е. С. О структурном превращении в жидком железе / Е. С. Филиппов // Изв. ВУЗов, ЧМ. - 1972. -№9. - С. 110-115.

5. Куцова В. З. Структурные превращения в кремнии и их влияние на кристаллизацию силуминов / В. З. Куцова, К. И. Узлов // Теория и практика металлургии. - 1997. -№ 2. - С. 19-23.

6. Туровский Б. М. Исследование температурной зависимости вязкости расплавленного кремния / Б. М. Туровский, И. И. Иванова // Изв.АН СССР, Неорг. материалы. - 1974. - №12. - С. 2108-2111.

7. Курдюмов Г. В. Превращения в железе и стали / Г. В. Кур-дюмов, Л. М. Утевский, Р. И. Энтин. - М. : Наука. -1977. - 236 с.

8. Белов Б. Ф. Структуризация металлургических фаз в жидком и твердом состояниях / Б. Ф. Белов, А. И. Тро-цан, П. С. Харлашин // Изв. ВУЗов, ЧМ. - 2002. - №4. -С. 70-75.

9. Игнатьев В. С. Изучение свойств ферросплавов и лигатур для микролегирования и раскисления стали / В. С. Игнатьев, В. А. Вихлевщук, В. М. Черногрицкий и др. // Изв. ВУЗов, ЧМ. - 1988. - № 6. - С. 37-42.

10. Гасик М. И. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов / М. И. Гасик, Н. П. Лякишев. - М. : СП Интернет Инжиниринг,1999. - 764 с.

Одержано 06.04.2009

Побудовано полггональну д1аграму стану системи Fe-Si. Виконаний анализ структурно-хгмгчного стану твердих i ргдких вих1дних компонент1в i промгжних фаз - силщидгв зал1за, на баз1 яких оптимгзовано марочний склад сnлавiв феросилiцiю для розкислення сталi.

The polygonal diagram of Fe-Si system is structured. Analysis of structural-chemical condition for solid and fluid sourse components and intermediate phases iron-silicide on the base of which optimizing composition alloys of ferrosilicium for deoxidation steels is optimised.

УДК 539.3

Д-р техн. наук А. Д. Шамровский, Г. В. Меркотан Государственная инженерная академия, г. Запорожье

РАСПРОСТРАНЕНИЕ АНТИПЛОСКОЙ ВОЛНЫ С УЧЕТОМ

СОПРОТИВЛЕНИЯ СРЕДЫ

Рассматривается задача о распространении антиплоской упругой волны с учетом сопротивления среды. Задача решена методом асимптотико-группового анализа. Построен итерационный процесс, соответствующий прифронтовой зоне возмущения. Искомые функции представлены в виде разложения в ряд, где коэффициентами являются некоторые функции от переменной х, что позволяет эффективно исследовать распространение бегущей волны.

В работе [1] задача о распространении антиплоской упругой волны решена методом асимптотико-груп-пового анализа [2]. Здесь та же задача решается с учетом сопротивления среды. Построен итерационный процесс, соответствующий прифронтовой зоне распространяющегося возмущения. Решение уравнений производится при помощи теории инвариантно-груп-

повых свойств дифференциальных уравнений [2]. Для решения задач о распространении нестационарных упругих волн от границы полупространства предложенный метод является эффективным для исследования прифронтовых зон. Может быть использован, например, при решении задач колебания пластин и оболочек.

© А. Д. Шамровский, Г. В. Меркотан, 2009