CC BY
28
7. Чайковська, Є.Є.Функціонування енергетичних систем на рівні прийняття рішень [Текст] / Є.Є. Чайковська // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. — 2012. — №5/8(59). — С.4—6.
8. Чайковська, Є.Є. Енергозберігаючі технології на рівні прийняття рішень [Текст] / Є.Є.Чайковська // Вісник Національного технічного університету “ХШ”. Серія ” Нові рішення в сучасних технологіях ”. - Харків, 2012. -№33. - С.103—108.
9. Чайковська, Є.Є. Підтримка функціонування біопаливних установок [Текст] / Є.Є.Чайковська, К.О. Кустов // ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий. - 2012. — №2/10(56). — С.41—44.
10. Чайковська, Є.Є. Інтелектуальна система управління теплонасосним енергопостачанням [Текст] / В.В. Стефанюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту. - 2011. — №5. — С. 76—83.
---------------------□ □-------------------------
В результаті проведених теоретичних та експериментальних робіт встановлені склад шихти і хімічний склад синтезованих термітних графітованих сталей. Виявлено вплив металотермічного методу на хімічний склад термітних сталей, мікроструктуру і їх фазовий склад. При компонуванні шихти для синтезу вказаних марок графітованих сталей запропоновано використовувати вторинні відходи металорізального та термічного виробництв
Ключові слова: металотермія, терміт, синтез, властивості, критичні точки, мікроструктура, графітовані сталі
□----------------------------------------□
В результате проведенных теоретических и экспериментальных работ установлены состав шихты и химический состав синтезированных термитных гра-фитизированных сталей. Выявлено влияние металлотермического метода на химический состав термитных сталей, микроструктуру и их фазовый состав. При компоновке шихты для синтеза указанных марок графитизированных сталей предложено использовать вторичные отходы металлорежущего и термического производств
Ключевые слова: металлотермия, термит, синтез, свойства, критические точки, микроструктура, графитизированные стали ---------------------□ □-------------------------
УДК 620.22; 669.017
ТЕХНОЛОГІЯ
СИНТЕЗУ
ТЕРМІТНИХ
ГРАФІТОВАНИХ
СТАЛЕЙ
Ю . Ю . Ж и гу ц
Доктор технічних наук, професор Кафедра технології машинобудування Ужгородський національний університет вул. Підгірна, 46, м. Ужгород, Україна, 88000 Е-mail: yuzhiguts@gmail.com В. Ф. Лазар Кандидат технічних наук, доцент кафедри Кафедра інформаційних технологій Мукачівський державний університет вул. Ужгородська, 26, м. Мукачево, Україна, 88000 Е-mail: yuzhiguts@gmail.com
1. Вступ
В практиці виготовлення заготовок і деталей машин останнім часом все частіше використовують мета-лотермічні методи. Це зумовлено, в першу чергу, широкими можливостями їх застосування і перевагами при використанні у спеціальних умовах. До таких можливостей відносять як технології металотермічного виплавляння розплаву та подальшого його застосування для отримання виливків, термітного зварювання, наплавлення поверхонь, так і використання розплаву у технологіях термітних ливарних додатків високого температурного градієнту для обігріву ливарних додатків екзотермічними сумішами [1 — 8].
Переваги металотермічних технологій відомі з початку ХХ сторіччя, коли перші дослідники почали отримувати залізо в результаті алюмінотермічної взаємодії залізної окалини з порошковим алюмінієм. До цих переваг відносять синтез матеріалів без використання крупних промислових джерел електроенергії, без складного ливарного обладнання, можливість
швидкого переходу від дослідних робіт до промислових технологій, не в останню чергу звертає увагу на себе і використання для металотермічного синтезу матеріалів вторинних ресурсів (залізної окалини, млива алюмінієвої стружки, відсіву та пилу з фільтрів ливарних і термічних цехів, млива недопалених частин графітових електродів з дугових сталеплавильних печей та ін.) [1, 2]. Одночасно відомо, що для виготовлення штампів, ножів, сепараторів підшипників, колінчастих валів, зубчастих коліс, гальмівних колодок та інших деталей як правило використовують графітовані промислові сталі.
2. Мета роботи
Встановити можливість отримування графітованих термітних сталей, дослідити їх мікроструктуру, фізико-механічні, технологічні і службові властивості та виявити можливість заміни промислових графітованих сталей термітними сталями.
© Ю.
3. Постановка проблеми і задач дослідження
Застосування металотермічних методів для синтезу графітованих сталей ставить науково-технічну задачу пов’язану із розробленням технології синтезу, дослідженням впливу металотермічної технології на синтезовану сталь та виявлення властивостей і особливостей термітної графітованої сталі.
4. Вихідні матеріали, методика приготування металотермічної шихти
Матеріали використані для компонування металотермічної суміші: ферохром ФХ65-7А ГОСТ 4757079; силікомарганець СМн26 ГОСТ 4756-77; феросиліцій ФС65Ал3,5 ГОСТ 1415-78; порошок алюмінієвий марок ПА-3 - ПА-4 ГОСТ 6058-73 та просіяне мливо алюмінієвої стружки; феромарганець ФМн70 ГОСТ 4761-80 та ін. лігатура; залізна окалина (ковальського і прокатного виробництв) з середнім хімічним складом (% за масою): 0,05 С; 0,10-0,35 Sі;
0,10-0,35 Мп; 0,01-0,03 S; 0,01-0,03 Р; 40-50 Fе20з; 50-60 FеО та ін.
Для визначення маси металевого зливка і виходу металу з шихти були проведені мікроплавлення при масі шихти 350 г у металотермічному реакторі діаметром 100 мм з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Ініціювання процесу горіння проводилося титановим запалом.
Шихта попередньо розраховувалася за стехіометричним співвідношенням компонентів реакції, а у наступному враховували засвоєння окремих компонентів реакції за допомогою коефіцієнтів [9]. Наступний етап полягав у корекції складу шихти за рахунок внесення відповідних феродомішків (феромарганцю, ферохрому та ін.), які дозволяють синтезувати необхідний хімічний склад сплаву. Для регулювання температури горіння у склад шихти вводили також інертні домішки.
Порошкову шихту попередньо просушували при температурі 150-180°С, перемішували і ущільнювати, а після цього розміщували у верхню камеру металотер-мічного двокамерного реактора [10].
Після плавлення відділяли сплав від шлаку та встановлювали величину виходу сплаву з шихти, досліджували синтезований зливок.
5. Методика термохімічних розрахунків та теоретичні дослідження
Після встановлення складу шихти за стехіометричними коефіцієнтами хімічної реакції та корекції її коефіцієнтами засвоєння компонентів шихти, проводили розрахунок адіабатичної температури горіння [9]. При проведенні розрахунків за існуючими методиками не враховували сублімацію алюмінію, що дає несуттєву похибку встановлення адіабатичної температури (Та) та теплоти утворення продуктів реакції ^). Враховували, що Та повинна для всіх реакцій бути вище температури плавлення (Тпл) продуктів реакції. Розрахунок Та не враховує тепловтрати у процесі горіння, а також повноту перетворен-
ня реагентів у продукти реакції. У спрощеній схемі розрахунку Та визначали без врахування точних значень теплоємностей, а тепловий ефект встановлювали при середній температурі (2500 К).
При відповідних значеннях ентальпій продукту горіння Та розраховували за формулою:
О - L-ДН(Т )
Т — т + —__________\ пл
а пл ,
рідк
де С та L - відповідно теплоємність і теплота продукту горіння.
Помилка, пов’язана з екстраполяцією, оцінюється у сто градусів.
6. Результати експериментальних досліджень
План експериментальних досліджень передбачав встановлення фізичних властивостей, синтезованих за допомогою розроблених складів металотермічних шихт матеріалів, а у подальшому дослідження механічних властивостей фасонних виливків з графітованих сталей та встановлення їх технологічних властивостей і мікроструктури.
Графітована сталь - це вуглецева або малолего-вана сталь з вмістом вуглецю понад 1%, в якій частина вуглецю виділилася у вигляді графіту. Графіт у сталі впливає на механічні властивості, насамперед зменшуючи пластичність і в’язкість сталі, але при цьому покращуються антифрикційні, зносостійкі та інші властивості. Як і для промислових сталей, головним легуючим елементом для термітних графітованих сталей служить кремній. Крім цього в термітну сталь вводять алюміній, мідь і нікель. Такі легуючі елементи як вольфрам і молібден роздрібнюють структуру сталі
і зменшують анізотропію властивостей. Легування хромом призводить до збільшення зносостійкості та прогартованості термітних сталей.
Досліджували термітні аналоги промислових марок сталей ЭИ293, ЭИ336, ЭИ366 для яких встановлено критичні точки Ас1=740...810°С та Аг1=670...720°С. Після металотермічного плавлення термітні сталі піддавали термічній обробці у два етапи: на першому етапі при температурі 850-900°С на протязі 2-4 годин виникав розпад вторинного цементиту, на другому етапі при температурі 780-800°С при повільному охолодженні утворювалася структура ферит+графіт.
Якщо обмежитись тільки одним етапом термообробки, то при повільному охолодженні отримується структура графітованої термітної сталі, що складається з перліту (або сорбіту) і графіту.
Повільне охолодження у фетерованому магнезитом та попередньо нагрітому металотермічному реакторі [10] забезпечує майже повне розчинення вторинного цементиту, який розташовується у структурі термітної сталі у вигляді сітки або окремих голок. Сама ж структура термітних графітованих сталей складається з перліту, фериту, точкового графіту та незначної кількості відокремлених частинок вторинного цементиту. Співвідношення за об’ємом між перлітом і феритом у залежності від марки сталі складає від 40 до 60% для ЭИ293 та 55 до 45% для ЭИ336. Для марки
ЭИ293 вихідна структура перліт+графіт, для ЭИ336 -ферит+графіт, а для ЭИ366 - перліт+графіт.
Склад металотермічної шихти для синтезу терм ітної графітованої сталі та хімічний склад синтезованої сталі показано в табл. 1 та 2.
Таблиця 1
Склад металотермічної шихти для синтезу термітної графітованої сталі
Термітна сталь, аналог промислової С Si Си Ті Мп № Сг
ЭИ293 2,5-2,7 0,9-1,0 - - 0,4-0,5 0,3 0,15
ЭИ336 2,5-2,7 0,9-1,0 0,5-0,6 - 0,4-0,5 0,3 0,15
ЭИ366 2,3-2,4 0,9-1,0 - 0,3-0,4 0,4-0,5 0,3 0,15
ня всього 0,148 при роботі з латунню Л80 та 0,021 - при роботі з бронзою ОЦС 5-5-5.
Встановлення технологічних властивостей
для термітних графітованих сталей показало, що рідкотекучість для кокільної и-подібної проби Самаріна-Нехендзі складає 130-170 мм, лінійна усадка 2-2,2%, при цьому спостерігається мала схильність сталі до утворення гарячих і холодних тріщин.
Термітна графітована сталь порівняно непогано обробляється різанням (точінням), особливо при швидкостях різання 150-200 м/хв.
В результаті дослідження графітованих термітних сталей можна зробити загальний висновок, що вони успішно можуть заміняти промислові марки графітованих сталей.
О-і
Таблиця 2
Хімічний склад термітної графітованої сталі
МПа 300
Термітна сталь, аналог проми- слової С Si Си Ті Мп № Сг S р
ЭИ293 1,5-1,6 0,8-0,9 - - 0,3-0,4 0,2 0,1 0,030 0,030
ЭИ336 1,5-1,6 0,8-0,9 0,4-0,5 - 0,3-0,4 0,2 0,1 0,030 0,030
ЭИ366 1,35-1,40 0,8-0,9 - 0,2-0,3 0,3-0,4 0,2 0,1 0,030 0,030
250
200
\ 3
104
105
10"
N
Дослідження фізичних властивостей термітних сталей виявило, що питома маса графітованої
термітної сталі до графітизації знаходилася у межах
(7,6-7,7)х103 кг/м3, а після (7,40-7,5)х103 кг/м3, електричний опір 0,27-0,28 мкОм-м, а магнітна індукція 14500-15300 Гс.
Механічні властивості
термітної графітованої сталі показані у табл. 3, 4. Одночасно в табл. 3 приведено
для порівняння механічні властивості промислової сталі 50. Встановлено, що грани-
ця витривалості графітованої термітної сталі більша ніж ковкого чавуну. Залежність границі витривалості термітної графітованої сталі від кількості циклів навантаження показана на рис. 1. Графітована термітна сталь має підвищену
Рис. 1. Залежність границі витривалості термітної графітованої сталі при симетричному циклі навантажень (о-і) від кількості циклів навантаження ^): 1 — ЭИ293;
2 - ЭИ336; 3 - ЭИ366
Таблиця 3
Механічні властивості термітної графітованої сталі ЭИ293
Марка матеріалу Форма графіту Границя міцності на розтяг (ств), МПа Границя текучості (ат), МПа О —Т , % Ов Відносна пластичність, (б), МПа Твердість (НВ) Модуль Юнга (Е), кг/мм2
Термітна графітована сталь Точко- ва 850-880 690-700 79,5-81 8-9 250-265 19800
Промислова графітована сталь Точко- ва 850 670 79 6 255 19700
Сталь 50 - 520-640 340 58 18-22 140-170 21000
зносостійкість, яка знаходиться на одному р івні з зносостійкістю сталей Гатфільда (110Г12Л та 110Г13Л) та малі значення коефіцієнта тертя. Так, коефіцієнт тертя при роботі графітованих сталей зі сталлю та оливою при питомому тиску 300 МПа для термітного аналога ЭИ293 складає 0,03-0,049 і його значен-
Таблиця 4
Механічні властивості фасонного литва з термітної графітованої сталі
Вид фасонного литва ств, МПа стт, МПа б, % Відносне звуження, (V), % НВ Ударна в’язкість1 (ан), МПа Границя витривалості при симетричному циклі навантажень (ст-1), МПа
Виливок ступінчастого валу 870-1300 600-700 8-15 12-28,0 230-270 9-14 34,71 24,22
Литво загального призначення 640-730 460-500 18-23 - 190-230 5-8 -
1Зразки без надрізу.
2Зразок з У-подібним надрізом.
7. Висновки
1. Розроблено склади металотермічних шихт для синтезу термітних графітованих сталей марок ЭИ293, ЭИ336 і ЭИ366.
2. Встановлено особливості хімічного складу синтезованих графітованих термітних сталей.
3. Виявлено феритоперлітну структуру з точковим графітом і незначною кількістю вторин-
ного цементиту в синтезованих графітованих термітних сталях.
4. Досліджено фізичні (питома маса, електричний опір, модуль Юнга, магнітна індукція), механічні (ав, ат, б, НВ, ан, а-1), технологічні (оброблюваність різанням, рідкотекучість, лінійну усадку та ін.) та службові (границю витривалості, коефіцієнт тертя та ін.) властивості термітних сталей марок ЭИ293, ЭИ336 і ЭИ366.
Література
1. Жигуц, Ю. Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами [Текст] / Ю. Ю. Жигуц. — Ужгород : Ґражда, 2008. — 276 с.
2. Жигуц, Ю. Ресурсозберігаюча технологія термітного зварювання сталевих деталей [Текст] / Ю. Жигуц, В. Лазар // Вісник ТДТУ. — 2009. — Т. 14, № 4. — С. 94—98.
3. Жигуц, Ю. Ю. Технология производства термитного высокопрочного чугуна [Текст] / Ю. Ю.Жигуц, В. Ф. Лазар, Л. І. Косюк // Міжн. збірн. наук. праць. «Прогресивні технології і системи машинобудування. «Донецький нац. техн. ун-тет». — 2012. — № 1,2 (43). — С. 142—147.
4. Чернега, Д. Ф. Использование термитных высоколегированных сталей для питания отливок [Текст] / Д. Ф. Чернега, Й. Й. Лучко, Ю. Ю. Жигуц // “ Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. Збірник наук. праць. — 2012. — № 9. — С. 279—285.
5. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітної хромонікелевої сталі Х18Н9Т [Текст] : Mateгialy IX miedzynaгodowej naukowi-pгaktycznej коп£егепф „Kluczowe aspekty naukowej dzialalnosci”. V. 16. ТесЬп^пе паикь— Ргеетуй: №ика і studia, 2013. — С. 3—5.
6. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітних кавітаційностійких сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Восточно-европейский журнал передовых технологий. Прикладная физика и материаловедение. — 2013. — №1/5 (61). — С. 4—6.
7. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітної сталі 35Л [Текст]/ Ю. Ю. Жигуц //“Механіка і фізика руйнування будівельних матеріалів та конструкцій”. Збірник наук. праць. — 2012. — № 9. — С. 215—221.
8. Жигуц, Ю. Ю. Технологія отримання термітних суднобудівних сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. Збірник наукових праць. — 2012. — № 3 (28). — С. 283—286.
9. Жигуц, Ю. Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу [Текст] / Ю. Жигуц, В. Широков // Машинознавство. — 2005. — № 4. — С. 48—50.
10. Металотермічний реактор [Текст] : пат. 20045 Україна: МПК В22С9/00 / Жигуц Ю.Ю., Скиба Ю.Ю., Крайняй І.І ; заявник
і патентовласник Ужгородский національний університет. — № и200606530. заяв. 13.06.06; опубл. 15.01.07, Бюл. №1. — 6 с.
Ці
