CC BY
0
(shakirov.al@bk.ru)
Supervisor: Gavariev Renat Vilsorovich, Ph.D., Associate Professor
1) Kazan National Research Technical University
named after A.N. Tupolev - KAI, Naberezhnye Chelny, Russia
2) Moscow Polytechnic University, Moscow, Russia
OBTAINING A FINEGRAINED STRUCTURE BY APPLYING ANNEALING AND NORMALIZATION
The article discusses the processes of annealing and normalization of steels in order to reduce the grain size of the resulting products. The theoretical aspects of the issue of heat treatment of steels in order to improve the structure are considered. The advantages and disadvantages of the methods under consideration are indicated. Recommendations are given for obtaining products with a fine-grained structure, depending on the grade of steel used. Keywords: annealing, normalization, heat treatment, grain, structure
СВС-МЕТАЛЛУРГИЯ. ТЕХНОЛОГИИ СВС-ПРОПИТКИ Каракич Егор Андреевич, аспирант Амосов Александр Петрович, профессор, д.ф-м.н. Самарский государственный технический университет, Россия
В данной работе представлен обзор процессов СВС-металлургии, стадии протекания процесса. Приведены различные технологии СВС-пропитки. Рассмотрены их преимущества и недостатки. Была рассмотрена возможность использования СВС-металлотермии для получения расплава металла и самопроизвольной пропитки пористого СВС-каркаса.
Ключевые слова: Металлотермия, СВС-металлургия, порошковая металлургия.
Под металлотермическими процессами понимаются процессы получения металлов восстановлением их соединений более активными металлами, сопровождаемые выделением большого количества тепла, в связи с чем часто металлотермические процессы протекают в режиме горения.
Металлотермия стала одним из основных методов современной металлургии [1].
В СВС-металлургии для синтеза литых тугоплавких неорганических материалов используют высокоэкзотермические смеси оксидов металлов с активными восстановителями и неметаллами (смеси термитного типа), а синтез проводят под воздействием давления газа или центробежным воздействием (под перегрузкой). Схему химического превращения при горении можно записать в виде:
ОМ + В + НМ ^ ЛТМ + ОВ + Q, где ОМ — оксиды металлов (NiO, CoO, MoO3, Nb2O5 и др.), В — восстановители (Al, Ca, Mg и др.), НМ — неметаллы (C, B, Si и др.), ЛТМ — литые тугоплавкие материалы, ОВ — оксиды восстановителей (Al2O3, CaO, MgO и др.), Q — тепловой эффект химического превращения.
Продуктами горения смесей являются карбиды, бориды, силициды, оксиды металлов и композиционные материалы на их основе. Температура горения смесей может превышать температуру плавления конечных продуктов, что позволяет получать их в литом виде. Превращение исходной смеси в конечные продукты представляет собой сочетание реакций, протекающих во внепечной металлургии (металлотермии) и элементном СВС, поэтому этот вариант синтеза получил название СВС-металлургия.
СВС-металлургии основана на результатах фундаментальных исследований материалообразующих процессов горения: металлотермии и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [2]. Основным направлением промышленного использования металлотермии является производство ферросплавов и лигатур.
1.Протекание процессов СВС-металлургии
Эксперименты показали, что широкий круг смесей оксидов металлов с восстановителем и неметаллом способен гореть. Высокая температура горения смесей (до 3000-4000 °С) приводит к интенсивному газообразованию и разбросу расплава при атмосферном давлении. Повышенное давление и центробежное воздействие позволяют подавить разброс. В процессе горения происходит химическое превращение исходной смеси в продукты горения: соединения металлов с неметаллами и оксид металла-восстановителя. В зависимости от состава исходной смеси и условий эксперимента продукты могут быть литые или неплавленные.
Анализируя результаты экспериментальных исследований плавящихся систем, можно представить следующую динамику процессов при синтезе. После воспламенения исходной смеси формируется фронт горения, который распространяется по исходной смеси. В зависимости от условий горения и состава смеси фронт может быть плоским и неровным. Движение его может быть стационарным и нестационарным. Горение смеси сопровождается диспергированием вещества. За фронтом горения формируется расплав из продуктов горения, в котором оксид металла-восстановителя образует сплошную среду, а капли металлической фазы и пузырьки газа распределены в ней. Вследствие разницы в удельных весах фаз происходит их взаимное движение. Движение фаз и градиенты температуры за фронтом горения могут вызвать интенсивное конвективное движение многофазного расплава. Конвективное движение может привести к агломерации мелких и дроблению крупных металлических капель, влиять на их химический состав и процесс фазоразделения. Следует отметить, что в ситуациях, когда продуктом горения является только оксидная фаза, а металлическая отсутствует (например, при неполном восстановлении пероксидов металлов), стадия фазоразделения исключается .
Одновременно с процессом фазоразделения протекает охлаждение расплава. В зависимости от соотношения скоростей охлаждения и фазоразде-ления расслоение металлической и оксидной фаз может быть полным и частичным, при высокой скорости охлаждения расслоение отсутствует. На
заключительной стадии процесса происходит остывание кристаллической массы и фазовые переходы. В зависимости от соотношения скоростей охлаждения и фазовых переходов конечные продукты могут быть стабильными и метастабильными.
Таким образом, в процессе СВС-металлургии можно выделить три основные стадии: 1 — горение и формирование химического состава, 2 — фазоразделение в остывающем расплаве, 3 — охлаждение продуктов синтеза (кристаллизация, фазовые переходы, формирование конечной микроструктуры) [3].
Использование СВС-металлургии можно применить для получения расплава металлов, в качестве армирующей фазы сложных композитов.
2.Пропитка твердых пористых формовок
Изготовление керметов методом пропитки используют реже, чем жид-кофазное спекание. Это связано с тем, что в большинстве случаев стремятся получить структуру кермета, при которой каждая частица карбида окружена слоем металла, чтобы обеспечить повышенные показатели ударной вязкости и трещиностойкости, а такую структуру легче получить жидко-фазным спеканием, чем пропиткой. К тому же, очень часто пористый каркас композита имеет достаточно низку прочность и разрушается при заполнении пор расплавом металла. Тем не менее, в ряде случаев целесообразно использовать метод пропитки, который позволяет получать изделия сложной формы с практически нулевой пористостью, регулировать время контактирования тугоплавкого соединения с жидким металлом (сплавом) и пригоден для выпуска деталей больших серий.
Работоспособность кермета контролируется как свойствами его составляющих и их относительной концентрацией, так и прочностью их связи, а также структурой тугоплавкого каркаса, формирующегося на стадии предварительного спекания под пропитку. На этой стадии необходимо обеспечить требуемую пористость, определенный размер пор и зерен, а также прочность самого каркаса.
Одним из наиболее важных моментов в регулировании свойств керметов является управление межфазным взаимодействием. Оптимальным в смысле обеспечения прочности является термодинамически равновесная адгезия между фазами [4].
Технологические приемы, используемые при получении материалов методом пропитки, отличаются главным образом способами создания давления на жидкий металл, которое должно обеспечить заполнение пор в порошковых формовках. Качество пропитки значительно повышается со снижением времени контакта расплава с поверхностями пор. При самопроизвольной пропитке это давление создается без приложения внешних сил, только за счет капиллярных эффектов. Таким образом, существует несколько принципиально разных технологий создания композитных материалов: Пропитка без давления (самопроизвольная), вакуумная пропитка,
пропитка при нагнетаемом давлении, ультразвуковая пропитка, пропитка под воздействием магнитного поля.
При вакуумной пропитке (вакуумном всасывании) заполнение пор жидкостью происходит за счет разности между атмосферным давлением и давлением, создаваемым в порах при вакуумировании пропитываемого материала. Эта разность, естественно, не может превышать величину атмосферного давления. Пропитка, осуществляемая под воздействием перепада давлений, превышающего атмосферное, например, с помощью сжатых газов или механическим путем, называется пропиткой под давлением.
2.1.Самопроизвольная пропитка
Самопроизвольная (свободная) пропитка пористых материалов осуществляется при полном их погружении в пропитывающую жидкую фазу. Преимущество этого метода - возможность использования простой литейной оснастки и получение изделий сложной конфигурации, недостаток - наличие пор и пустот, образующихся в результате объемной усадки при кристаллизации и недостаточного заполнения порового пространства. Во всех случаях необходимым условием самопроизвольной пропитки является смачивание жидкой фазой поверхности пропитываемого материала.
Свободная пропитка редко осуществляется на воздухе из-за опасности окисления материалов. Чаще она проводится в инертной атмосфере или вакууме
Заготовка помещается в камеру, которая закрывается графитовой пробкой, на которой расположен графитовый плавильный тигель с матричным сплавом. Через отверстие в запорном плунжере в тигель подается инертный газ, включается нагрев, матричный материал расплавляется, после чего плунжер поднимается и жидкий металл поступает в камеру, пропитывая пористый каркас.
Самопроизвольную пропитку целесообразно использовать для изготовления керметов из легкоплавких материалов и сплавов.
2.2 Пропитка под давлением
Пропитка под давлением предусматривает заполнение пор жидким металлом под давлением, превышающим ~0,1 МПа. Она может осуществляться с помощью поршневых и компрессорных машин для литья под давлением. В первом случае, расплавленный металл вытесняется в форму, где находится пропитываемая заготовка, с помощью поршня, а во втором, сжатый воздух давит на поверхность расплавленного металла и гонит его в форму, в которой осуществляется пропитка. Широко применяется также пропитка под давлением инертных газов.
Для получения изделий, имеющих форму тела вращения (трубы, втулки, кольца), можно использовать центробежную пропитку. Подлежащий пропитке каркас помещают во вращающуюся форму, в которую заливают расплавленный металл. Под действием центробежных сил он отбрасывается к стенкам формы, пропитывая при этом пористую заготовку. Отсутствие
литников и выпоров, точность получаемых размеров и высокая производительность придают этому методу большую экономичность.
Пропиткой под давлением можно получать детали сложной конфигурации с толщиной стенок 1-3 мм, при этом их форма и размеры максимально приближены к заданным и часто не требуют дополнительной механической обработки.
2.3 Вакуумная пропитка
Вакуумная пропитка является разновидностью пропитки под давлением, при которой в качестве движущей силы процесса используют атмосферное давление. Вакуумирование позволяет защитить пористые каркасы от окисления и загрязнения молекулами различных газов. Кроме того, при вакуу-мировании образца при пропитывании повышается смачивание поверхности каркаса.
Метод пропитки позволяет изготавливать композиции из различных веществ, сочетая в одном материале металл с керамикой, полимерами, графитом и другими материалами и варьируя в широких пределах эксплуатационные характеристики изделий [4, 5].
2.4 Использование металлотермии в качестве источника расплава
металла
Как пример получения расплава металла при помощи металлотермии можно рассмотреть реакцию горения медной термитной смеси.
Медный термит получается при смешивании мелкодисперсных порошков оксида меди (двухвалентной) и порошков алюминия. Пропорции пожаробезопасной и достаточно технологичной смеси составляют 80% окиси меди к 20% алюминия. При поджоге данной смеси реализуется процесс 2А1 + ЗСиО = А1203 + 3Си + Q. Полученной температуры достаточно для кипения меди, из-за чего в процессе образовывается газовая фаза.
К плюсам данного способа можно отнести :
1) Высокая температура горения.
2) Образование при горении расплавленных шлаков, которые выступают в качестве защиты расплава металла от окисления.
3) Не требует для проведения специальной оснастки или оборудования.
4) Высокая устойчивость пламени, которое невозможно сбить до тех пор, пока весь состав не прореагирует.
К прочим достоинствам можно отнести достаточно малую стоимость термитных составов, а также их распространенность.
Однако, в некоторых случаях, преимущества могут выступать и недостатками, к которым можно отнести :
1) Загрязнение оксидами и шлаками получаемого композита,
2) Трудозатратная, а в некоторых случаях и невозможная, отчистка целевого композита от примесей оксидов и шлаков,
3) Большая трудность воспламенения термита (особенно в запрессованном состоянии). Для обеспечения нетрудоемкого поджога смеси необходимо использовать переходные составы [6].
Таким образом, можно отметить достаточную технологичность получения современных керметов методами СВС-пропитки расплавом металла керамического пористого каркаса. Однако, каждый из методов не лишен недостатков, таких как обязательное наличие вакуума или аморфной среды, для предотвращения окисления; достижение достаточного смачивания расплавом металла, за счет повышения скорости протекания процесса. Инновационным должен стать способ использования металлотермии для получения расплава металла и защитной среды для качественной пропитки пористых каркасов. Список литературы
1. Лякишев Н.П. Алюминотермия. М.: Металлургия, 1978. 424 с.
2. Вишняков Л.Р., Грудина Т.В., Кадыров В.Б., и др. Композиционные материалы. Справочник / Под ред. Д.М. Карпиноса. - Киев: Наукова думка, 1985. - 588 с.
3. Амосов А.П., Латухин Е.И., Умеров Э.Р. Применение процессов инфильтрации и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения керметов. Обзор. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021. Т. 27. No. 6. С. 52-75. DOI: dx.doi.org/10.17073/0021-3438-2021-6-52-75
4. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. М.: Металлургия, 1986. - 208 с.
5. Санин В.Н., Юхвид В.И. Инфильтрация расплава под действием центробежной силы в высокотемпературных слоевых системах. Неорганические материалы. 2005. Т. 41. № 2. С. 1-9.
6. Каракич Е.А. Самборук А.Р. Майдан Д.А. Термитная сварка // Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 1 (34). С. 63-67.
Karakich Egor Andreevich, Post-Graduate
Amosov Aleksandr Petrovich, Professor, Doctor of Physical and Mathematical Sciences Samara State Technical University, Samara, Russia SHS-METALLURGY. SHS-IMPREGNATION TECHNOLOGIES
Abstract: This paper presents an overview of the processes of SHS metallurgy, the stages of the process. Various technologies of SHS impregnation are presented. Their advantages and disadvantages are considered. The possibility of using SHS metallothermy to obtain a metal melt and spontaneous impregnation of a porous SHS framework was considered. Keywords: Thermite copper welding, SHS welding, powder metallurgy, aluminium powder.
