Научная статья на тему 'Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали'

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали Текст научной статьи по специальности «Металлургия»

CC BY
1207
148
Поделиться
Ключевые слова
СПЛАВЫ ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТИ / САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ / ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА / ТЕРМИТНАЯ СМЕСЬ / ПОРОШКИ / КАРБИД ТИТАНА

Аннотация научной статьи по металлургии, автор научной работы — Евтушенко Алексей Трофимович

Исследован процесс создания сплава высокой твердости с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при горении термитной смеси из порошков окалины и алюминия и порошка карбида титана. Оценено влияние массовой доли порошка карбида титана и добавок порошков диборида титана, молибдена и легированного чугуна а также дисперсности шихты и режима термической обработки на процесс горения, химический состав, структуру и твердость получаемого сплава.

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Евтушенко Алексей Трофимович,

Self-propagating high-temperature synthesis of tool steel

The process of developing alloy of high hardness with the help of self-propagating high-temperature synthesis at combustion of thermite of cinder and aluminum powders and carbide titanium powder has been studied. The influence of mass fraction of carbide titanium powder and admixtures of powders of titanium boride, molybdenum and alloyed cast iron as well as batch dispersion and thermal treatment mode on combustion process, chemical composition, structure and hardness of the obtained alloy was estimated.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Демьнов Б.Ф., Векман А.В., Старостенков М.Д. Ориентационная зависимость энергии границ зерен наклона в алюминии // Известия вузов. Физика. - 2002. - Т. 44. - № 8. - Приложение.

- С. 88-94.

2. Шишкин Ю.М. Методы машинного моделирования в теории дефектов кристаллов // Дефекты в кристаллах и их моделирование на ЭВМ. - Л.: Наука, 1980. - С. 77-99.

3. Van der Merwe J.H. On the stresses and energies associated with intercrystalline boundaries // Proc. Phys. Soc. - 1950. - V. A63. -P. 616-637.

4. Бокштейн Б.С., Копецкий Ч.В., Швиндлерман Л.С. Термодинамика и кинетика границ зерен в металлах. - М.: Металлургия, 1986. - 224 с.

5. Орлов А.Н., Перевезенцев В.Н., Рыбин В.В. Границы зерен в металлах. - М.: Металлургия, 1980. - 154 с.

6. Вул Б.М., Заварицкая Э.И. Двухмерные электронные явления в бикристаллах германия при гелиевых температурах // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1979. -Т. 76. - Вып. 3. - С. 1089-1099.

Поступила 14.11.2006 г.

После переработок окончательный вариант поступил 20.02.2008г.

УДК 669.046.53

САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СТАЛИ

А.Т. Евтушенко

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул E-mail: sle@agtu.secna.ru

Исследован процесс создания сплава высокой твердости с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза при горении термитной смеси из порошков окалины и алюминия и порошка карбида титана. Оценено влияние массовой доли порошка карбида титана и добавок порошков диборида титана, молибдена и легированного чугуна а также дисперсности шихты и режима термической обработки на процесс горения, химический состав, структуру и твердость получаемого сплава.

Ключевые слова:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Сплавы высокой твердости, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, термическая обработка, термитная смесь, порошки, карбид титана.

Самораспространяющийся выс окотемператур -ный синтез (СВС) материалов с высокими механическими и физическими свойствами исследован вплоть до получения и испытаний металлообрабатывающих инструментов в ИСМАН (пос. Черноголовка) под руководством академика А.Г. Мержанова [1]. Полученные результаты позволили выявить факторы, управляющие СВС-процессом, и предложить приемы для создания оптимальных условий синтеза продуктов с заданным химическим и физическим составом. В указанной монографии А.Г. Мержанов отметил также перспективные направления применения СВС-технологий, в том числе по утилизации отходов производства и для получения СВС-материалов на основе железа и его соединений. Именно поэтому за основу СВС-мате-риалов нами были взяты отходы кузнечного и литейного производств - железная окалина, алюминий и легированный чугун.

Известно [2], что поставить окислы неблагородных металлов в условия восстановимости, пользуясь только физическими условиями, практически невозможно, поэтому используют химический реагент, сродство которого к кислороду боль-

ше, чем у восстановляемого металла. Таким восстановителем по отношению к железу является алюминий. Основным легирующим элементом выбран карбид титана из-за его относительной доступности и таких свойств, как твердость и износостойкость в сочетании с хорошими механическими свойствами стали, которые дают возможность проводить термическую обработку. Для получения искомых физических и технологических характеристик использовали порошки хрома, молибдена, кремния и легированного чугуна марки ПС 14-60.

Опыты проводили с порошками двух фракций -до 63 и 160 мкм, с дополнительной термообработкой - отпуском до 600 °С в течение 1 и 8 ч и закалкой при 950 °С. Термитную смесь составили порошки оксида железа (окалины) в количестве 80 мас. % и алюминия - 20 мас. %. Микроструктура полученной стали с карбидом титана в количестве15 мас. % термитной смеси представлена на рис. 1.

Структура сплава после СВС представляет собой эвтектику с наличием дендритной составляющей, а также зернистых включений, кристаллизованных в округлые образования. В некоторых областях от этих образований по радиальным на-

правляющим вырастают дендриты. Это свидетельствует о том, что частицы исходного порошка являются центрами кристаллизации расплава. Дендриты, выросшие в иных областях расплава, имеют различные углы представленной ориентации. На рис. 1 видны дендриты, выросшие из центра кристаллизации.

По дендритному параметру а можно определить интегральную скорость охлаждения расплава в процессе его кристаллизации. Величины а=0,03...0,12 мм соответствуют скорости охлаждения Кохл=105 °С/с, необходимой для мартенситного превращения [3].

Рис. 1. Дендритная микроструктура инструментальной стали

В результате самозакалки сплава из жидкого состояния с такой высокой скоростью охлаждения формируется структура мартенситного типа, рис. 2 [3].

Рис. 2. Мартенситная микроструктура инструментальной стали, твердость НЯС 63

Важной характеристикой СВС-процесса являются термограммы. Эффективные комплексные методы контроля и регистрации теплофизических температурно-скоростных характеристик продолжают оставаться актуальными при физических исследованиях динамики развития и механизмов образования продуктов СВС. Ускорение темпов развития номенклатуры изделий, выполненных на основе композиционных и интерметаллических соединений, диктует рост оснащенности техноло-

гическими средствами контроля исследовательских лабораторий и промышленных производств. Применение высокоинформативных средств диагностики дает исследователям возможность перевода неуправляемых или слабоуправляемых термохимических реакций в разряд управляемых.

Для исследования взаимосвязей различных воздействий на теплофизические процессы синтеза возможно применение регистраторов динамических оптических полей - пирометров, выполненных на дискретных и многоэлементных фотоприемниках, работающих в режиме прямого детектирования или в режиме накопления заряда. Главной особенностью таких устройств является бескон-тактность и малая инерционность измерений, в отличие от контактных температурных датчиков, что способствует проведению тепловизионного контроля быстропротекающих высокоэнергетических процессов, с повышенной точностью.

Для регистрации температуры фронта горения в СВС-процессе в АлтГТУ разработан быстродействующий измеритель скорости и температуры. Он позволяет проводить измерения времяпролетным методом интегральных и локальных скоростей, оценивать интегральное температурное распределение в двух точках, измерять температуру фронта горения с коррекцией на коэффициент перекрытия, определять среднюю скорость распространения волны горения СВ-синтеза смеси дисперсных материалов, а также измерять температурную динамику реакции высокоэнергетических смесей [4].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для проведения эксперимента исходная шихта (смесь Fe2O3, А1 и НС) помещалась в стальную оснастку, имеющую прямоугольное отверстие для установки в нем держателей кварцевого стекла, через которое регистрируется яркостная температура поверхности шихты, либо исходную шихту помещают в кварцевый стакан. Процесс СВС инструментальной стали наблюдался в виде факела с разбрызгивающимися каплями расплава, одновременно с этим производилась запись и оцифровка данных о тепловой структуре процесса синтеза.

На рис. 3 представлены термограммы СВС-процесса, полученные двухканальным яр-костным микропирометром, работающим в соответствии с тарировочным уравнением

^ °С=189,344761п(Л+118,37311),

где N - номер градации аналого-цифрового преобразователя (0<Ж4096).

Из полученных термограмм видно, что температура в процессе взаимодействия имеет явно нестационарный характер, периоды роста сменяются периодами стабилизации и даже снижения, так как реакционная ячейка в процессе синтеза проходит ряд превращений. Экзотермические участки сменяют участки с эндотермическим соединением элементов.

Взаимодействие в системе ^е203, А1, НС) осуществляется по следующему механизму: под дей-

ствием теплового импульса происходит плавление алюминия и его дальнейшее растекание по каналам капиллярной среды дисперсных компонентов, одновременно с растеканием начинается растворение Fe2O3 и насыщение им раствора до достижения температуры начала процесса СВС. Максимальная температура слабо зависит от начальной температуры смеси и состава. За счет экзотермичности процесса растворения происходит повышение температуры раствора, что, в свою очередь, приводит к увеличению растворимости карбида титана в расплав термита вплоть до достижения перитектиче-ской температуры. Этот процесс сопровождается началом зарождения в растворе частиц фазы FeTiC. После достижения перитектической температуры в растворе наблюдается эндотермический распад выпавших ранее в расплаве зародышей фазы А12О3. Данный процесс объясняет падение температуры на термограммах. В дальнейшем процесс образования зародышей указанной фазы является главным и определяет ход температурного профиля волны горения вплоть до достижения критической концентрации зародышей.

Рис. 3. Термограммы реакции СВС инструментальной стали в двух точках (расстояние между каналами на поверхности шихты - 0,015 м)

Полученную сталь подвергли термической обработке и получили следующие результаты (табл. 1):

Таблица 1. Твердость (Н/^С) СВС-сплава системы Fe2O3-Al-TiC* в зависимости от температуры отпуска

TiC, мас. % термита Твердость НКС

Закалка ** Отпуск до 550 Отпуск до 750

5 12 - -

10 48 12 -

15 56 25 10

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

20 60 36 14

*Fe2O3 - 80 мас. % и А1 - 20 мас. % образуют термитную смесь (термит).

**Закалка производилась сразу после окончания СВС-процесса

На химический состав стали влияет также размер фракции порошка и режим охлаждения (табл. 2).

В термитную смесь вводили, помимо карбида титана, диборид титана и молибден, что привело к

увеличению твердости стали без дополнительной термической обработки (табл. 3).

Таблица 2. Содержание углерода и титана (%) в СВС-сплаве Fe2O3-Al-TiC-^5 мас. % термита в зависимости от режима охлаждения и среднего диаметра фракции порошка

Элементы Режим охлаждения Диаметр частиц порошка, мкм

На воздухе В воде <160 <63

С, % 1,65 1,42 1,42 0,96

T, % 0,38 0,28 0,28 0,24

Химический анализ сплавов проводился на установке Foundry Master 01F003

Таблица 3. Влияние диборида титана Шг и молибдена на твердость СВС-сплава Fe2O3-Al-TiC+добавки/ мас. % термита

Содержание TiC, мас. % Твердость сплава, HRC

TiB2 5 %+Mo5 % TÍB210 % Mo 10 %

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

10 48 58 44

15 56 62 55

Вместо карбида титана использовали порошок легированного чугуна (сормайта) и вводили молибден и ферросилиций. Химический состав сталей представлен табл. 4.

Таблица 4. Химический состав сталей

Сплавы, содержащие Добавки Содержание химических элементов в сплаве, %

C Si Cr Ti Al Mo

ТС 15 % 0,7 0,46 0,02 0,16 0,45 0,005

ТС 15 % + 2 % РеБ1 0,83 1,35 0,02 0,38 0,6 0,005

ТС 10 % + Мо 10 % + РеБ1 2 % 1,47 1,6 0,05 0,38 0,98 1,5

Сормайт 15 % + РеБ1 2 % 0,76 0,48 1,3 0,008 0,023 0,005

Приведенная таблица показывает, что введение молибдена увеличивает содержание углерода в сплаве, а использование сормайта вместо карбида титана приводит к значительному выгоранию углерода и хрома. В табл. 5 представлены значения твердости сталей с добавками после термической обработки.

Таблица 5. Влияние термической обработки на твердость сплавов (% термитной смеси)

Тип сплава* Режим термической обработки HRC

ТС 15%+РеБ1 2 % После СВС 63...64

ТС 15%+РеБ1 2 % СВС + закалка 65...67

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ТС 15%+Мо 5 % СВС 50.51

ТС 15%+Мо 5 % СВС+ закалка 61.64

ТС 15%+Мо 5 % Отпуск 600 С, 1 ч 58.59

Сормайт15 % После СВС 63.64

Сормайт15 % СВС+ закалка 65.67

*мас. %

Из табл. 5 видно, что:

твердость полученного СВС-сплава в результате закалки увеличивается незначительно;

• у сплавов с молибденом наблюдается высокая

теплостойкость (отпуск при 600 °С в течении 1 ч

снижает твердость до 58...59 HRC).

Для стали с Мо сразу после СВС твердость составила HRC 50...51, а механические испытания дали следующие результаты:

• предел прочности при сжатии ств=2300 МПа,

• предел текучести стт=1800 МПа,

• ударная вязкость на образцах без надреза

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

КС=3...4 Дж/см2.

Для инструментальных сталей характеристики пластичности, как правило, не указываются.

Плотность стали с Мо составила 8,3 г/см3, пористость - 0,06.

Высокотемпературный синтез инструментальной стали не требует сложного оборудования, внешне прост и нагляден, но в силу высоких температур и сложных физико-химических превращений исходных реагентов является нелинейным и труднодоступным для прямых экспериментальных исследований процессом. Для понимания структуры и динамики процессов СВС наиболее эффективным методом является математические моделирование [1], но и такой подход должен содержать достаточно полный экспериментальный материал, что по указанным раньше причинам весьма затруднительно. Так как нас интересуют конечные свойства СВС-материала, то ограничимся только исследованием химического состава и физико-механических свойств полученной стали. Одностадийное получение твердых сплавов в СВС-технологии является сложной макроскопической задачей, включающей рассмотрение таких процессов, как теплообмен, массоперенос, фазообразование и т. п.

Для получения плотного СВС-материала с высокими физико-механическими характеристиками необходимо учитывать закономерности горения реакционной смеси, формирования химического и фазового составов конечного продукта, режим кристаллизации сплава. В нашем исследовании стоит задача формирования инструментальной стали на основе оксида железа и карбида титана с легирующими добавками. Так как наши сплавы содержат по крайней мере два металла и неметаллы, то в результате кристаллизации могут образовываться так называемые смешанные кристаллические решетки, в которых легирующие элементы участвуют в виде как атомов внедрения, так и атомов замещения, то есть образуют соответствующие твердые растворы. Рентгенографический анализ структуры сплава на установке «Дрон-2» показал, что кристаллическая решетка сплава Fe2O3-A1-TiC имеет кубическую структуру с параметром 2,875326 нм. Дальнейшие исследования и позволят получить информацию о строении сплава и его поведение в процессах нагрева, плавления и затвердения, а распределение дислокаций позволит связать структуру сплавов с их механическими свойствами.

В СВС выделяют три основные стадии: горение, фазоразделение и охлаждение продуктов горения. В нашем случае в начале зоны химического превращения капли и частицы взаимодействуют с исходным окислом:

Fe2O3+2A1^2Fe+A12O3.

Карбид титана включается в экзотермическую реакцию горения с выделением углерода, который вступает в реакцию химического соединения с железом, и оксидами алюминия и железа: A12O3+5C^2A1C+3CO, Me+C^Me-C.

Такая модель доказывается тем, что в процессе СВС образуется интенсивно выделяющийся с разбрызгиванием металлических капель расплава газ и двухфазный расплав, в котором окислы металла-восстановителя образуют сплошную среду, а капли «металлической фазы» распределены в ней.

Однако, в СВС-процессах при реакциях синтеза из элементов температура горения не превышает температуру плавления тугоплавкого продукта, хотя и близка к ней. Фактически СВС-процесс нагревает вещество до температуры плавления, но химической энергии не хватает для того, чтобы расплавить продукт (рис. 2). Это обстоятельство и стимулировало новое направление исследований -СВС-процессы с дополнительными источниками энергии. Один путь - внешний подвод энергии (печной джоулевый или высокочастотный нагрев исходных образцов перед горением). Второй путь -введение внутренних (химических) источников тепла. Для этого составляются многокомпонентные высокоэнергетические смеси, образующие при горении целевой продукт и развивающие очень высокую температуру. Одним из вариантов такого процесса является введение в шихту Мо, &, Si и др.

Таким образом, элемент-горючее, необходимый для протекания СВС-процесса, образуется в результате вспомогательной металлотермической реакции. Обе реакции экзотермические. В рамках рассмотренной схемы образуются два конденсированных продукта: Ме-С и A12O3, а также газ - СО. Такая схема объясняет также большое выгорание углерода, особенно при включении в шихту легированного чугуна.

Прекращение фазоразделения наступает либо в момент полного выхода капель в «металлический» слиток из расплава, либо в момент кристаллизации окисной фазы (неполное фазоразделение). В последнем случае образуется пористый материал.

Выводы

1. Горение происходит при добавлении в шихту, представляющую термитную смесь и состоящую из 80 % - Fe2O3 и 20 % - A1, легирующих добавок только до 20 % термитной смеси.

2. Введение в шихту карбида титана увеличивает твердость сплава с 28 до 63 HRC (т. е. на 125 %), не повышая ее теплостойкость.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. Способ охлаждения сплава после СВС-процес-са незначительно влияет на ее твердость и состав.

4. Высокая скорость охлаждения сплава в СВС-процессе формирует структуру мартенситного типа.

5. Заметное влияние на процесс горения оказывает размер частиц порошка: При меньших по диСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Мержанов А.Г Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: теория и практика. - Черноголовка: ИСМАН, 2002. - 234 с.

2. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

3. Комбинированные электротехнологии нанесения защитных покрытий. Современные технологии. Т 6 / Под ред. В.С. Чередниченко, В.Г. Радченко. - Новосибирск: Изд-во НГУ, 2004.

- 179 с.

аметру частицах (до 63 мкм) горение становится ровным, скорость горения увеличивается.

6. Введение боридов в сплав (2,5 мас. % термита) увеличивает его твердость на 6... 10 HRC (до 70 HRC).

7. Молибден снижает твердость сплава, но значительно увеличивает его вязкость и теплостойкость.

4. Гумиров М.А., Евтушенко А.Т., Торбунов С.С., Абед Д.Х. Пирометрия СВ-синтеза инструментальной стали // Ползунов-ский Вестник Алтайского государственного университета. -2005. - № 4. - С. 110.

Поступила 14.11.2006 г.

После переработок окончательный вариант поступил 20.02.2008 г.

УДК 536.46

ПОЛУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ИЗ ОТХОДОВ МАШИНОСТРОЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СИНТЕЗА

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В.В. Бразовский, Г.М. Кашкаров, О.А. Лебедева, Н.П. Тубалов

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул Е-таУ: altaikompozit@mail.ru

На основе анализа возможных путей утилизации отходов предложена комплексная энергосберегающая технология переработки металлических порошков и оксидов в пористые фильтры для очистки различных растворов от взвешенных частиц дисперсностью от 30 до 500 мкм.

Ключевые слова:

Пористый фильтр, технология утилизации отходов, травильные растворы, металлические порошки, оксид алюминия, порошок меди.

На предприятиях машиностроительного профиля широко применяются технологии травления металлов растворами кислот и щелочей. В результате образуется большое количество отходов порошкообразных металлов: ^, &, Fe, Ca и их оксидов, а также загрязняются травильные растворы. В зависимости от технологической мощности производства количество отходов по каждому компоненту может достигать 12...15 т/г.

Утилизация таких отходов затруднена вследствие значительного угара при плавке и экономически невыгодна. С учетом изложенного, в данной работе предлагаются: технология выделения и кондиционирования отходов (медного и других порошков); передвижная установка для перекачки и осветления травильных растворов с целью их повторного использования и увеличения срока службы; технология получения пористого фильтра из отходов производства для передвижной установки; технология утилизации конденсированного порошка меди.

Для утилизации отходов предлагается комплексная энергосберегающая технология переработки металлических порошков и оксидов в пористые изделия различного назначения: фильтры для масел; фильтры для очистки различных растворов от взвешенных частиц дисперсностью от 30 до 500 мкм и больше; катализаторы - нейтрализаторы отработавших газов на промышленных предприятиях и в двигателях внутреннего сгорания.

Конструкция изделий может быть различная: плоские диски, цилиндры, стаканы, конусы и тому подобное.

Существует несколько конструкций фильтров для отделения механических включений из жидкой среды. Например, известны фильтры с применением фильтровальных тканей из природных и синтетических волокон (ГОСТ 26-14-2005-77). Недостатком таких фильтров является быстрая засоряемость, недостаточная прочность, невысокая температуро-стойкость в пределах 210...240 °С. Тканевые фильтры