CC BY
35
на заметку металлургу
Из рисунка видно, что положительное влияние FeO имеет неясно выраженный экстремум. Его наличие связано с тем, что при слишком низкой концентрации шлак не обладает достаточной окислительной способностью, а при слишком высоких происходит разбавление CaO, образующего более прочные соединения, особенно при повышении температуры металла от начала к концу плавки.
Таким образом, разработанный алгоритм программы «ПроДСП» позволяет проводить прогноз состояния шлака в заданный момент времени и оптимизировать шлаковый режим плавки. Возможности системы позволяют количественно изучать влияние на процесс дефосфорации основности шлака, температуры, содержания оксида железа, кальция, магния.
21 прикладные научные разработки
УДК 620.22; 669.017
синтез термітних хромокремнистих сталей
Жигуц Юрий Юрійович, доктор технічних наук, професор кафедри
Кафедра технології машинобудування, ДВНЗ «Ужгородський національний університет», вул. Підгірна, 46, м. Ужгород, Україна, 88000 Контактний тел.: +38 (0312) 67-17-00 Е-mail: yuzhiguts@gmail.com
У результаті проведених теоретичних та експериментальних робіт встановлено можливість синтезу хромокремнистих сталей металотермією. Виявлено вплив металотермічного методу синтезу на мікроструктуру і фазовий склад термітних сталей. Встановлені для синтезованих термітних аналогів промислових марок хромокремнистих сталей 4Х10С2Н та 3Х13Н7С2 механічні, технологічні та службові властивості. Встановлено для термітних сильхромів залежність механічних властивостей від температури в діапазоні 20—800 °С.
Ключові слова: металотермія, терміт, синтез, властивості мікроструктура, хромокремнисті сталі.
В результате проведенных теоретических и экспериментальных работ установлена возможность синтеза хромокремниевых сталей металлотермией. Выявлено влияние металлотермического метода синтеза на микроструктуру и фазовый состав термитных сталей. Установлены для синтезированных термитных аналогов промышленных марок хромокремниевых сталей 4Х10С2Н и 3Х13Н7С2 механические, технологические и служебные свойства. Установлены для термитных сильхромов зависимость механических свойств от температуры в диапазоне 20—800 °С.
Ключевые слова: металлотермия, термит, синтез, свойства, микроструктура, хромокремниевые стали.
1. Вступ
Відомо, що промислові хромокремнієві сталі, так звані сильхроми, найчастіше використовують для виготовлення клапанів поршневих двигунів, дизелів, а також як жароміцний матеріал теплообмінників для підігріву повітря, рекуператорів, колосникових решіток та ін. [1].
Одночасно, останнім часом все частіше починають застосовуватися металотермічні методи синтезу матеріалів у зв’язку із суттєвими їх перевагами. Це, насамперед, автономність технологіч-
ного процесу, його незалежність від складного ливарного обладнання і потужних джерел електроенергії, висока продуктивність процесу і малий час, необхідний для синтезу, короткий період на впровадження технологій синтезу у виробництво та ін. [2—8].
2. Мета роботи
Встановити можливість синтезу сильхромів ме-талотермічним способом та дослідити властивості синтезованих термітних сильхромів.
5/1 (65) 2013
3. Вихідні матеріали і методика приготування екзотермічної суміші
Для компонування металотермічної шихти були використані матеріали: порошок алюмінію марок ПА-3-ПА-4 ГОСТ 6058-73 (або просіяне мливо алюмінієвої стружки), хром металевий ГОСТ 5905-79; ферохром ФХ65-7А ГОСТ 47570-79; силікокальцій С40Л10 ГОСТ 4762-71; силікомарганець СМн26 ГОСТ 4756-77; феросиліцій ФС65Ал3,5 ГОСТ 1415-78; феромарганець ФМн70 ГОСТ 4761-80; сажа ацетиленова (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80); порошок титановий хімічний ПТХ-1, ПТХ-2 ТУ 48-10-78-83; порошок хрому ПХ-1, ПХ-2 ТУ 14-1-14-77-75; залізна окалина (ковальського і прокатного виробництв) з середнім хімічним складом (% за масою): 0,05 С;
0,10—0,35 Si; 0,10—0,35 Мп; 0,01—0,03 S; 0,01—0,03 Р; 40—50 Fe2O3; 50—60 FeO.
Порошкова шихта просушувалася при температурі 150—180 °С, змішувалася, а після цього розміщувалася і ущільнювалася у металотерміч-ному реакторі діаметром 80 мм [9] з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Для визначення маси металевого зливка і виходу сплаву з шихти були проведені мікроплавлен-ня. Ініціювання процесу горіння виконувалося спеціальним титановим запалом виготовленим з титанового порошку.
Для покращення шлаковідділення у шихту при отриманні залізовуглецевих сплавів додавався польовий шпат (СаF2).
Для проведення досліджень використовувалися порошкові інгредієнти металотермічних шихт, частка з яких виготовлялася з відходів ливарного, ковальського та металорізального виробництв (залізна окалина, просіяне мливо графітових електродів, мливо алюмінієвої стружки та ін.). Шихта попередньо розраховувалася за стехіометричним співвідношенням компонентів реакції [10], а у подальшому враховувалося засвоєння окремих компонентів реакції за допомогою відповідних коефіцієнтів.
Після процесу синтезу відділяли сплав від шлаку, оцінюючи структуру шлаку, і проводили контрольне зважування та встановлення величини виходу металу з шихти, досліджувався синтезований зливок.
4. Теоретичні основи синтезу
Після встановлення складу шихти за стехіометричними коефіцієнтами хімічної реакції та корекції її коефіцієнтами засвоєння компонентів шихти проводили розрахунок адіабатичної температури горіння металотермічної реакції (Та) та теплового ефекту реакції (йр) [10]. При проведенні розрахунків з встановлення адіабатичної
температури горіння шихти за існуючими методиками не враховували сублімацію алюмінію, що дає незначну похибку встановлення Та та йр. Температури реагування суміші повинні бути із врахуванням тепловідводу достатні для плавлення складових реакції і її продуктів ( Гпл(Ре0) = 1640 К;
Тпл(ре304) = 1810 К; Т(А1) = 830 К; Тпл(Ре) = 1800 К;
Т(аі203) = 2 3 2 0 К).
Розрахунок Та зрозуміло не враховує тепловтрати у процесі горіння, а також повноту перетворення реагентів у продукти реакції.
Враховуючи умову розрахунку, що все тепло витрачається на нагрівання шихти, тобто ентальпії вихідних і кінцевих продуктів одинакові, знаходимо:
тп
£ (Н (Та ) - Н (Т>))і = й, (1)
де Т0 — початкова температура шихти; Q — тепловий ефект реакції; Н(Та) та Н(Т0) — ентальпії при температурах Та і Т0; т — кількість продуктів реакції.
У складніших рівняннях при утворенні більше ніж трьох продуктів реакції Та встановлюється за формулою:
Т Q-XHг(TПЛl)-£Lг + ^Сгр -Тпл. (2)
Та Xі С 1
^ Сі рідк
де Сі та Lj — теплоємність і теплоти плавлення продуктів реакції відповідно.
Зрозуміло, що, з причин відсутності повної таблиці даних залежностей С від Т при високих температурах [2, 10], проводилася екстраполяція значень у відповідності із запропонованими висновками та залежністю:
Ств(Тпл) = 7п ■ k (Дж/моль ■ град), (3)
де k — перехідний коефіцієнт від кал до Дж; Ств(Тпл) — теплоємність продукту при температурі плавлення; п — число атомів у молекулі утвореного продукту.
Зазначимо, що у змодельованій задачі термодинамічна модель втрати тепла враховує макро-кінетичною теорією горіння при якій
Т = Тпл + Q - 1^СШ(Тіл) , (4)
Срідк
де Q та L — відповідно теплота утворення і теплота продукту; Q — тепловий ефект реакції; ДН(Тпл) — різниця ентальпій вихідних і кінцевих продуктів; Срідк — теплоємність рідкого продукту незалежно від температури.
Помилку, пов’язану із екстраполяцією, оцінюють в сто градусів.
на заметку металлургу
5. Експериментальні роботи
У термітних сильхромів значний вміст кремнію призводить до збільшення області фериту та зменшення аустеніту на діаграмі стану Це сприяє тому що навіть для середньовуглецевих сталей вже при вмісті понад 6 % хрому утворюються напівферитні сталі, а із збільшенням вмісту кремнію феритні сталі. Нажаль, феритні термітні сталі дуже схильні до зростання зерен при високих температурах, що напряму пов’язано з їх високою крихкістю і, як наслідок, непридатністю їх до обробки тиском.
Мікроструктурне дослідження одної з синтезованих термітних сталей, а саме, аналога промислової марки 4Х9С2, виявило мартенситну структуру. Відомо, що при металотермічному синтезу матеріалів виникають високі швидкості охолодження, що і призводить до утворення мартенситної структури. Дослідження встановило для термітних сильхромів критичні точки А з і Лст, які знаходяться на рівні 1000 °С.
При використанні для футерування реактору магнезиту та зменшення тепловідводу і уповільнення швидкості охолодження сплаву за рахунок цього в інтервалі температур 450—600 °С починають інтенсивно виділяти комплексні карбіди типу цементиту (Бе, Мп)зС та ін., а це надає сплаву значної крихкості і суттєво зменшує ударну в’язкість.
Одне із завдань дослідження було встановлення механічних властивостей термітних сильхромів та їх залежності від температури. Результати дослідження показано на рис. 1, 2.
а б
Рис. 1. Залежність границі міцності на розтяг (св), умовної границі текучості при допуску на пластичну деформацію 0,2 % (сог) та границі повзучості (сі3о,
4 5 > • ’ • •
Сю та Сю) термітних сильхромів від температури:
а — для термітного аналога сталі 4Х10С2М;
б — для термітного аналога сталі ЗХ13Н7С2
Характерною особливістю термітних сильхромів, аналогів промислових сталей 4Х10С2Н та ЗХ13Н7С2, є те, що ці сталі з підвищенням температури швидко втрачають міцність (<зв), умовну границю текучості при допуску на пластичну деформацію 0,2 % (ао.г), границю витривалої міц-
ності (с30, с40та с50) та відносне видовження (8), а відносне звуження (у), ударна в’язкість (ан) виявляють при підвищенні температури складну залежність, показану на рис. 2.
а б
рис. 2. Залежність відносних пластичності (8) і звуження (у) та ударної в'язкості (ан) термітних сильхромів від температури: а — для термітного аналога сталі 4Х10С2М; б — для термітного аналога сталі 3Х13Н7С2
У продовження дослідження термітних сильхромів встановлена залежність границі витривалої міцності о20 при зростанні температури. Так Оіо для термітного аналога сталі 4Х10С2М при 900 °С складає 32 МПа (рис. 3).
рис. 3. Зміна витривалої міцності (сю) при зростанні температури
Обидві марки термітних сильхромів після гартування мають твердість у межах 50—55 HRC.
Аналіз отриманих експериментальних даних підтверджує, що високий вміст хрому в термітній сталі, аналогу промислової марки 3Х13Н7С2, має більшу стійкість проти окислення при високих температурах, а при збільшенні вуглецю і нікелю у своєму складі — вищу жаростійкість порівняно з промисловою сталлю 4Х9С2 та все ж гіршу ніж у аустенітних сталей.
У процесі охолодження термітні сильхроми виявляють лінійну усадку 51—58 мкм на кожні 25 мм довжини, або 2,0—2,3 %. За коефіцієнтом лінійного розширення ці сталі займають проміжкові
5/1 (65) 2013
положення між аустенітними і мартенситними сталями.
Таким чином можна обґрунтовано стверджувати, що синтезовані термітні сильхроми не гірші від промислових сильхромів за основними властивостями (ов, о0,2, о30, о40 та g50, ан, §, y).
В запропонованій роботі:
1. Встановлена можливість синтезувати металотермією термітні сильхроми.
2. Досліджена структура та основні фазові складові синтезованих термітних сильхромів, анало-
гів промислових марок 4Х10С2М та 13Х13Н7С2. Особливістю досліджених термітних сплавів була наявність мартенситної структури та комплексних карбідів типу (Fe, Mn)C3.
3. Встановлено для термітних сильхромів механічні властивості та їх залежність від температури в діапазоні 20—800 °С.
4. Виявлені основні залежності службових властивостей термітних сильхромів від температури, а також встановлені дані з стійкості їх проти окислення при високих температурах порівняно з промисловими сталями інших класів. Виявлено вплив легуючих елементів на жароміцність термітних сильхромів.
6. Висновки
література
1. Солнцев, Ю. П. Материаловедение [Текст] / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин. — М. : Химиздат, 2007. — 784 с.
2. Жигуц, Ю. Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами [Текст] / Ю. Ю. Жигуц. — Ужгород : Ґражда, 2008. — 276 с.
3. Лякишева, Н. П. Алюминотермия [Текст] / Н. П. Лякишева; под ред. Н. П. Лякишева. — М. : Металлургия, 1987. — 422 с.
4. Дударчик, Г. Т. Применение прибылей с высоким температурным градиентом при производстве стальных оливок [Текст] / Г. Т. Дударчик, В. В. Тарасов, В. А. Новохацкий // Литейное производство. — 1987. — № 4. — С. 32—33.
5. Вольпе, Б. М. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез дисперсных алюминиев, никеля и защитные покрытия на их основе [Текст] / Б. М. Вольпе, В. В. Евстигнеев // Физика и химия обработки материалов. — 1996. — № 1. — С. 50—54.
6. Жуков, А. А. Новые расчетные методы анализа систем Fe-C-Cr и Fe-C-Mn в эвтектическом диапазоне [Текст] / А. А. Жуков, Е. П. Шилина, Т. Ф. Архипова. — CALPHAD, 1989. — Т. 1. — С. 23.
7. Лазаренко, В. В. Перспективы металлотермии в получении тугоплавких металлов и их соединений (магний, титан, редкие металлы, полупроводники) [Текст] / В. В. Лазаренко, А. П. Паршин, В. В. Шаталов // Цветные металлы. — 1999. — № 5. — С. 81—84.
8. Серба, В. И. Новые возможности внепечной металлотермии [Текст] / В. И. Серба, Б. М. Фрейдин, Ю. В. Кузьмич, И. Г. Колесникова // Техника машиностроения. — 2003. — № 1. — С. 30—43.
9. Металотермічний реактор [Текст] : пат. 20045 Україна: МПК В22С9/00 / Жигуц Ю. Ю., Скиба Ю. Ю., Крайняй І. І.; заявник і патентовласник Ужгородский національний університет. — № u200606530. Заяв. 13.06.06; опубл. 15.01.07, Бюл. № 1. — 6 с.
10. Жигуц, Ю. Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу [Текст] / Ю. Жигуц, В. Широков // Машинознавство. — 2005. — № 4. — С. 48—50.
Abstract. The present paper shows the basic solutions of the problem of obtaining chrome-silicon steels examines the use of thermite steels, the benefits of combining thermite steels with metallotermic methods of getting materials. The advantages of metallotermic synthesis methods include: autonomy of processes, independence of energy sources and simplicity of equipment, high-performance process and easy transition from experimental research to industrial production. The need to develop the technology of synthesis thermite chrome-silicon steels, as a result of aluminothermic reactions and establishment of technological features of synthesis to it led. At the first phase of the study of chemical composition of the synthesized chrome-silicon steels is determined. In continuation of studies of microstructure, mechanical and technological tests were performed. Technological features of the synthesis process and the impact of components exothermic reaction were revealed. The result of comprehensive research was the development of fusion technology thermite chrome-silicon steel «3Х13Н7С2» and «4Х9С2», setting of the charge for the synthesis of the specified steels, revealing the microstructure and mechanical properties of thermite steels, the research of service properties of steel and effects on the steels of individual alloying elements are investigated. In addition, the author has set the limits and boundaries of creep for thermite steels and their dependence on temperature.
Keywords: metallothermy, thermite, synthesis, properties, microstructure, chrome-silicon steels.
