Разработка технологии получения железоалюминиевых сплавов
|
Актуальность работы. Жаростойкие сплавы и стали в промышленности имеют очень широкую сферу применения. Все конструкции, трубопроводы, узлы и детали машин, работающие при высоких температурах, изготовляются именно из такого типа сталей. За последние годы в производстве специальных жаростойких сталей и чугунов достигнуты значительные успехи, но сплавы, обладающие высокой жаростойкостью, содержащие в своем составе дорогостоящие легирующие элементы, по-прежнему дефицитны. По этой причине не всегда экономически рационально использование дорогостоящих жаростойких материалов в промышленности для изготовления ненагруженных или малонагруженных изделий.
Необходимо обратить внимание на чугуны и стали, легированные недефицитным и относительно недорогим алюминием, так как они обладают высокой жаростойкостью. Но простой и экономичной технологии их получения на сегодняшний день пока нет. Процесс совместного сплавления железа и алюминия для получения стабильного конечного сплава с высокими служебными свойствами технологически дорог, сложен и не стабилен из-за высокой активности алюминия.
Промышленности нужен экономичный, получаемый из недорогого недефицитного сырья железоалюминиевый конструкционный жаростойкий сплав, близкий по своим служебным свойствам с хромоникелевыми сталями. Такими материалами могут быть специальные конструкционные железоалюминиевые жаростойкие сплавы, полученные путем легирования недефицитным алюминием. Разработка технологии получения недорогих жаростойких железоалюминиевых сплавов, обладающих высокими служебными свойствами, имеет, по нашему мнению, актуальное значение. При востребованности таких сплавов промышленностью, металлургические заводы на основе разработанных технологий, способны их выплавлять.
Целью работы является разработка технологии получения недорогих углеродистых и низкоуглеродистых жаростойких железоалюминиевых сплавов, не содержащих хром и никель и обладающих высокой жаростойкостью. В качестве шихты вместо хрома и никеля могли бы использоваться относительно недорогие лом алюминия, чугуна и низкоуглеродистой стали, а технология их выплавки не была бы менее затратной, чем для хромоникелевых сплавов. Задачи, поставленные в соответствии с целью:
• анализ литературных и патентных данных о существующих на сегодняшний день технологиях выплавки железоалюминиевых сплавов;
• проведение термодинамических расчетов и анализ температурной зависимости изменения фазового состава в системе Fe-Al-C при содержании алюминия от 10,0 до 30,0 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %;
• исследование структуры железоалюминиевых сплавов (лигатур) и их связь со структурой и составом шихтовых материалов и технологическим режимом выплавки;
• определение жаростойкости низкоуглеродистого конструкционного железоалюминиевого сплава в зависимости от вводимых в него модифицирующих элементов, а также его структуры;
• проведение опытно-промышленных испытаний разработанных технологий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• показана зависимость конечной структуры железоалюминиевой лигатуры, содержащей 30 мас. % Al, от скорости её охлаждения, анализ которой позволил подобрать лигатуру для алюминиевых чугунов;
• исследована и показана наследственная связь структуры вводимой быстро охлажденной легирующей добавки ФА-30 с гомогенностью структуры конечного металла путем исследования кинематической вязкости его расплавов;
• получены новые данные о влиянии введения в низкоуглеродистый железоалюминиевый расплав титана в пределах от 0,8 до 1,1 мас. % и циркония в пределах от 0,1 до 0,2 мас. % на его жаростойкость, что позволило повысить жаростойкость конечного металла в сравнении с рядовой хромоникелевой жаростойкой сталью 20Х23Н18 при выдержке 200 часов и при температуре 1000 °С в 2,5 раза (с 0,02 мг/см2ч. до 0,006 мг/см2ч.).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что на основе исследования свойств и структур углеродистого и низкоуглеродистого железоалюминиевых жаростойких сплавов:
• разработана новая технология выплавки алюминиевого чугуна с улучшенными служебными свойствами, что подтверждено патентом РФ № 2590772 «Способ получения алюминиевого чугуна»;
• разработана новая технология выплавки железоалюминиевого сплава, обладающего повышенной жаростойкостью.
Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания. Технологии опробованы в промышленном масштабе на чугунолитейном заводе ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НИН «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач с помощью программного комплекса «HSC-6.1» были проведены термодинамические расчеты в системе Fe-Al-С с целью определения температурных зависимостей возможного фазового состава. Для анализа структу- рообразования в расплаве жидкого металла была использована установка по измерению кинематической вязкости расплавов методом крутильных колебаний. Для изучения фазового состава и структуры твердого металла производилось методы РСФА и РСМА. Ири исследовании по методу РСФА применялся рентгеновский дифрактометр «XRD 7000С SHIMADSU» с автоматическим программным управлением в отфильтрованном монохроматизированном Cu Ка- излучении. Для исследования по методу РСМА использовался электронный микроскоп Philips SIM 535, оснащенный системой проведения РСМА Genesis 2000. Механические свойства образцов были определены на универсальной разрывной машине Zwick BT1-FRO050THW.A1K с усилием 50 кН со скоростью перемещения захватов 2 мм/мин. согласно ГОСТ 1497-84. Определение твердости по Роквеллу (HRC) проведены на образцах согласно ГОСТ 9013-59. Исследование жаростойкости проведены по ГОСТу 6130-71.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Термодинамические расчеты температурных зависимостей фазового состава системы Fe-Al-C от температуры при содержании алюминия от 10 до 30 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %, позволившие теоретически подобрать и обосновать рациональный состав сплавов системы Fe-Al.
2. Результаты металлографических исследований образцов Fe-Al сплавов, показывающие влияние различных факторов на их структурные составляющие.
3. Результаты исследований политерм кинематической вязкости расплавов чугуна, показавшие возможность получения однородного состояния жидкого металла при высоких температурах.
4. Разработанные и испытанные в промышленных условиях технологии выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалюминиевого сплава с повышенной жаростойкостью.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим массивом экспериментальных данных о структуре и фазовом составе железоалюминиевых сплавов, что позволяет сделать обоснованные выводы. Применение современных методов РСФА и РСМА, вискозиметрии, а также определение жаростойкости сплавов, послужили основой для разработки технологии получения жаростойких железоалюминиевых сплавов. Такие технологии уже опробованы в промышленном масштабе на металлургическом предприятии ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО Н1П1 «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийской московской конференции «Металл Экспо» (Москва, 2013 г.), Совещании ЦКП «Урал-М» Института металлургии УрО РАН с элементами школы молодых ученых (Екатеринбург, 2013, 2014, 2015 г.г.), Научно-технической конференции, посвященной 110- летию со дня рождения К.К. Чуприна ФГУП ВИАМ «Современные литые жаропрочные и специальные сплавы, технологии их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток ГТД» (Москва, 2014 и 2016 г.г.), Международном форуме «Крым Hi-Tech 2014, Современные технологии и материалы» (Севастополь, 2014 г.), XIV Российской конференции «Строение и свойства металлических шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2015 г.), 74-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2016 г.), V международной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УПИ-УрФУ В.С. Кортова «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ- 2018» (Екатеринбург, 2018 г.), V Дальневосточной научной конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого тела и прогрессивные технологии в машиностроении». ФГБОУ ВО «КнАГУ» (Комсомольск-на-Амуре, 2018 г.), Научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018 г.).
Личный вклад автора состоит в том, что соискатель принимал непосредственное участие в анализе литературных и патентных данных о состоянии вопроса по заданной теме и постановке задач исследования. Участвовал в экспериментах по получению опытных данных по вязкости расплавленного металла и их обработке. Проводил лабораторные опыты по выплавке образцов и разработке основ новой технологии. Принимал участие в подготовке образцов для изучения их структуры и обработке результатов. Участвовал в подготовке публикаций по работе и написании заявки на изобретение. Организовал и участвовал в проведении опытнопромышленных испытаний новых технологий.
Публикации. По результатам работы опубликовано 20 статей, из них 6 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, из которых 3 статьи индексированы в базе данных Scopus, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура диссертационной работы: работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка терминов, определений и сокращений, списка использованных литературных источников и 5-ти приложений. Диссертация изложена на 138 листах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 35 рисунков, 4 формулы и 112 источников.
Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ №11-08-12078-офи-м «Разработка рационального состава и научных основ технологии производства многокомпонентных жаростойких железоалюминиевых сплавов», в рамках государственного бюджетного задания по прикладным научным исследованиям по теме № 4А-А16-116021210142-7 «Структурные, физико-химические и механические свойства алюминиевых и медных сплавов и композитов конструкционного и электротехнического назначения». Раздел 5. «Исследование и разработка технологии получения нового жаростойкого сплава с высоким содержанием алюминия для эксплуатации при повышенных температурах».
При выполнении работы также осуществлялась финансовая поддержка программой ОХНМ РАН №2 «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов» проект №12-Т-3-1017 «Разработка научных основ технологии получения и выбор рациональных составов сплавов на основе железа».
Большая благодарность за помощь в процессе подготовки и проведения работы сотрудникам ИМЕТ УрО РАН ст.н.сотр., к.т.н. И.В. Некрасову, ст.н.сотр., к.т.н. С.Ю. Мельчакову, ст.н.сотр., к.х.н. Л.А. Овчинниковой, н.с. В.П. Ермаковой, вед.инж. В.Г. Смирновой, техникам Ю.А. Потаповой и А.В. Зонову. Также ст.н.сотр., УрФУ им. Б.Н. Ельцина, к.т.н. В.В. Конашкову...
Необходимо обратить внимание на чугуны и стали, легированные недефицитным и относительно недорогим алюминием, так как они обладают высокой жаростойкостью. Но простой и экономичной технологии их получения на сегодняшний день пока нет. Процесс совместного сплавления железа и алюминия для получения стабильного конечного сплава с высокими служебными свойствами технологически дорог, сложен и не стабилен из-за высокой активности алюминия.
Промышленности нужен экономичный, получаемый из недорогого недефицитного сырья железоалюминиевый конструкционный жаростойкий сплав, близкий по своим служебным свойствам с хромоникелевыми сталями. Такими материалами могут быть специальные конструкционные железоалюминиевые жаростойкие сплавы, полученные путем легирования недефицитным алюминием. Разработка технологии получения недорогих жаростойких железоалюминиевых сплавов, обладающих высокими служебными свойствами, имеет, по нашему мнению, актуальное значение. При востребованности таких сплавов промышленностью, металлургические заводы на основе разработанных технологий, способны их выплавлять.
Целью работы является разработка технологии получения недорогих углеродистых и низкоуглеродистых жаростойких железоалюминиевых сплавов, не содержащих хром и никель и обладающих высокой жаростойкостью. В качестве шихты вместо хрома и никеля могли бы использоваться относительно недорогие лом алюминия, чугуна и низкоуглеродистой стали, а технология их выплавки не была бы менее затратной, чем для хромоникелевых сплавов. Задачи, поставленные в соответствии с целью:
• анализ литературных и патентных данных о существующих на сегодняшний день технологиях выплавки железоалюминиевых сплавов;
• проведение термодинамических расчетов и анализ температурной зависимости изменения фазового состава в системе Fe-Al-C при содержании алюминия от 10,0 до 30,0 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %;
• исследование структуры железоалюминиевых сплавов (лигатур) и их связь со структурой и составом шихтовых материалов и технологическим режимом выплавки;
• определение жаростойкости низкоуглеродистого конструкционного железоалюминиевого сплава в зависимости от вводимых в него модифицирующих элементов, а также его структуры;
• проведение опытно-промышленных испытаний разработанных технологий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• показана зависимость конечной структуры железоалюминиевой лигатуры, содержащей 30 мас. % Al, от скорости её охлаждения, анализ которой позволил подобрать лигатуру для алюминиевых чугунов;
• исследована и показана наследственная связь структуры вводимой быстро охлажденной легирующей добавки ФА-30 с гомогенностью структуры конечного металла путем исследования кинематической вязкости его расплавов;
• получены новые данные о влиянии введения в низкоуглеродистый железоалюминиевый расплав титана в пределах от 0,8 до 1,1 мас. % и циркония в пределах от 0,1 до 0,2 мас. % на его жаростойкость, что позволило повысить жаростойкость конечного металла в сравнении с рядовой хромоникелевой жаростойкой сталью 20Х23Н18 при выдержке 200 часов и при температуре 1000 °С в 2,5 раза (с 0,02 мг/см2ч. до 0,006 мг/см2ч.).
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что на основе исследования свойств и структур углеродистого и низкоуглеродистого железоалюминиевых жаростойких сплавов:
• разработана новая технология выплавки алюминиевого чугуна с улучшенными служебными свойствами, что подтверждено патентом РФ № 2590772 «Способ получения алюминиевого чугуна»;
• разработана новая технология выплавки железоалюминиевого сплава, обладающего повышенной жаростойкостью.
Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания. Технологии опробованы в промышленном масштабе на чугунолитейном заводе ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО НИН «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач с помощью программного комплекса «HSC-6.1» были проведены термодинамические расчеты в системе Fe-Al-С с целью определения температурных зависимостей возможного фазового состава. Для анализа структу- рообразования в расплаве жидкого металла была использована установка по измерению кинематической вязкости расплавов методом крутильных колебаний. Для изучения фазового состава и структуры твердого металла производилось методы РСФА и РСМА. Ири исследовании по методу РСФА применялся рентгеновский дифрактометр «XRD 7000С SHIMADSU» с автоматическим программным управлением в отфильтрованном монохроматизированном Cu Ка- излучении. Для исследования по методу РСМА использовался электронный микроскоп Philips SIM 535, оснащенный системой проведения РСМА Genesis 2000. Механические свойства образцов были определены на универсальной разрывной машине Zwick BT1-FRO050THW.A1K с усилием 50 кН со скоростью перемещения захватов 2 мм/мин. согласно ГОСТ 1497-84. Определение твердости по Роквеллу (HRC) проведены на образцах согласно ГОСТ 9013-59. Исследование жаростойкости проведены по ГОСТу 6130-71.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
1. Термодинамические расчеты температурных зависимостей фазового состава системы Fe-Al-C от температуры при содержании алюминия от 10 до 30 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. %, позволившие теоретически подобрать и обосновать рациональный состав сплавов системы Fe-Al.
2. Результаты металлографических исследований образцов Fe-Al сплавов, показывающие влияние различных факторов на их структурные составляющие.
3. Результаты исследований политерм кинематической вязкости расплавов чугуна, показавшие возможность получения однородного состояния жидкого металла при высоких температурах.
4. Разработанные и испытанные в промышленных условиях технологии выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалюминиевого сплава с повышенной жаростойкостью.
Достоверность полученных результатов подтверждается большим массивом экспериментальных данных о структуре и фазовом составе железоалюминиевых сплавов, что позволяет сделать обоснованные выводы. Применение современных методов РСФА и РСМА, вискозиметрии, а также определение жаростойкости сплавов, послужили основой для разработки технологии получения жаростойких железоалюминиевых сплавов. Такие технологии уже опробованы в промышленном масштабе на металлургическом предприятии ООО «Литейное производство УБМ» (г. В.Серьги) и сталелитейном заводе ООО Н1П1 «Альфа-Мет» (г. Екатеринбург), что подтверждается соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Всероссийской московской конференции «Металл Экспо» (Москва, 2013 г.), Совещании ЦКП «Урал-М» Института металлургии УрО РАН с элементами школы молодых ученых (Екатеринбург, 2013, 2014, 2015 г.г.), Научно-технической конференции, посвященной 110- летию со дня рождения К.К. Чуприна ФГУП ВИАМ «Современные литые жаропрочные и специальные сплавы, технологии их выплавки и литья монокристаллических рабочих лопаток ГТД» (Москва, 2014 и 2016 г.г.), Международном форуме «Крым Hi-Tech 2014, Современные технологии и материалы» (Севастополь, 2014 г.), XIV Российской конференции «Строение и свойства металлических шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2015 г.), 74-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2016 г.), V международной научной конференции, посвященной памяти Почетного профессора УПИ-УрФУ В.С. Кортова «Физика. Технологии. Инновации. ФТИ- 2018» (Екатеринбург, 2018 г.), V Дальневосточной научной конференции с международным участием «Фундаментальные и прикладные задачи механики деформируемого тела и прогрессивные технологии в машиностроении». ФГБОУ ВО «КнАГУ» (Комсомольск-на-Амуре, 2018 г.), Научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ» (Екатеринбург, 2018 г.).
Личный вклад автора состоит в том, что соискатель принимал непосредственное участие в анализе литературных и патентных данных о состоянии вопроса по заданной теме и постановке задач исследования. Участвовал в экспериментах по получению опытных данных по вязкости расплавленного металла и их обработке. Проводил лабораторные опыты по выплавке образцов и разработке основ новой технологии. Принимал участие в подготовке образцов для изучения их структуры и обработке результатов. Участвовал в подготовке публикаций по работе и написании заявки на изобретение. Организовал и участвовал в проведении опытнопромышленных испытаний новых технологий.
Публикации. По результатам работы опубликовано 20 статей, из них 6 статей в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК, из которых 3 статьи индексированы в базе данных Scopus, получен 1 патент РФ на изобретение.
Структура диссертационной работы: работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка терминов, определений и сокращений, списка использованных литературных источников и 5-ти приложений. Диссертация изложена на 138 листах машинописного текста, содержит 20 таблиц, 35 рисунков, 4 формулы и 112 источников.
Диссертационная работа выполнена при поддержке РФФИ №11-08-12078-офи-м «Разработка рационального состава и научных основ технологии производства многокомпонентных жаростойких железоалюминиевых сплавов», в рамках государственного бюджетного задания по прикладным научным исследованиям по теме № 4А-А16-116021210142-7 «Структурные, физико-химические и механические свойства алюминиевых и медных сплавов и композитов конструкционного и электротехнического назначения». Раздел 5. «Исследование и разработка технологии получения нового жаростойкого сплава с высоким содержанием алюминия для эксплуатации при повышенных температурах».
При выполнении работы также осуществлялась финансовая поддержка программой ОХНМ РАН №2 «Создание новых металлических, керамических, стекло-, полимерных и композиционных материалов» проект №12-Т-3-1017 «Разработка научных основ технологии получения и выбор рациональных составов сплавов на основе железа».
Большая благодарность за помощь в процессе подготовки и проведения работы сотрудникам ИМЕТ УрО РАН ст.н.сотр., к.т.н. И.В. Некрасову, ст.н.сотр., к.т.н. С.Ю. Мельчакову, ст.н.сотр., к.х.н. Л.А. Овчинниковой, н.с. В.П. Ермаковой, вед.инж. В.Г. Смирновой, техникам Ю.А. Потаповой и А.В. Зонову. Также ст.н.сотр., УрФУ им. Б.Н. Ельцина, к.т.н. В.В. Конашкову...
1. С помощью программного комплекса «П8С-6.1» были проведены термодинамические расчеты температурных зависимостей фазового состава в системе Бе-А1-С, позволившие теоретически определить условия образования и существования при высоких температурах фазы БезА1Сх и свободного углерода, присутствие которых в железоалюминиевых сплавах нежелательно. Термодинамическая оценка влияния содержания алюминия от 10,0 до 30,0 мас. % и углерода от 0,1 до 3,0 мас. % на фазовый состав системы Бе-А1-0 при различных температурах показывает, что температура образования двойного карбида (фазы БезА1Сх) с увеличением содержания А1 смещается в более высокую область. При содержании 10,0 масс. % А1 и 1,0 мас. % С точка образования находится примерно на уровне 750 °С, а при содержании 30,0 масс. % А1 и 3,0 мас. % С уже около 900 °С. Такая же зависимость наблюдается и при увеличении содержания углерода от 0,1 до 3,0 мас. % при постоянном содержании алюминия около 20,0 мас. %. В этом случае область образования двойного карбида смещается от 550 °С до 900 °С. Также расчеты показывают, что возможно появление свободного углерода в железоалюминиевом сплаве при его содержании более 2,0 мас. % и при содержании более 20,0 мас. % алюминия. Такие содержание можно считать условно критическими. Сказанное выше возможно может объяснить связь снижения количества двойного карбида БезА1Сх с быстрым снижением температуры расплава. К сожалению, данная программа не позволяет прогнозировать состав матрицы из- за недостатка термодинамических данных в отношении интерметаллидных соединений.
2. Металлографические исследования быстро охлажденных образцов Бе-А1 лигатур показали, что их структура зависит от скорости охлаждения. Оценка роли содержания А1 в быстро охлаждённых сплавах показала, что размер данной фазы уменьшается от 108 мкм (70,0 мас. % А1) до 11,5 мкм (25,0 мас. % А1). На основании анализа этих данных, было установлено, что оптимальное содержание А1 в алюминиевом чугуне составляет от 20,0 до 25,0 мас. %.
3. Исследование кинематической вязкости Бе-А1 расплавов показало, что быстрее и при более низкой температуре становится однородным металл, полученный легированием чугуна быстро охлажденной лигатурой ФА-30, а зона гомогенности расплава согласно политермам вязкости находится в интервале 1470-1766 оС. Это в значительной степени гарантирует получение однородной структуры твердого металла. Для прочностных свойств предпочтительней является микроструктура сплава, полученного легированием чугуна быстро охлажденной лигатурой, в котором количество твердой и хрупкой фазы двойного карбида БезА1Сх наименьшее. Данное исследование позволило разработать технологию выплавки алюминиевого чугуна, которая защищена патентом РФ № 2590772 С1 «Способ получения алюминиевого чугуна».
4. Полученные новые данные помогли разработать новую технологию получения алюминиевого чугуна с измельчённой структурой и меньшим количеством карбидной фазы. Это возможно, по нашему мнению, когда расплавление исходного чугуна осуществляют с добавлением быстро охлажденной алюмосодержащей лигатуры и кальцийсодержащего шлакообразующего материала. Это возможно, когда в качестве алюмосодержащей лигатуры используется быстро охлажденный ферроалюминий марки ФА-30 в количестве, обеспечивающем содержание в готовом чугуне от 20 до 25 мас. % Al и от 1,0 до 2,0 мас. % С. Разработанная технология выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна позволила получить металл, сопоставимый по служебным свойствам с алюминиевым чугуном с шаровидным графитом ЧЮ22Ш, с меньшими материальными и энергозатратами. Получен патент РФ. Проведены опытнопромышленные испытания технологии.
5. Показано, что сплав, содержащий около 14,0 мас. % Al, имеет повышенную твердость и прочность на растяжение благодаря более мелкому и более равноосному зерну. Твердость матрицы и карбидной фазы при увеличении содержания алюминия в сплаве от 12,0 до 16,0 мас. % повышается. От хрупкого излома можно избавиться путем снижения содержания в сплавах количества хрупкой карбидной фазы и получением более мелкого и ревностного зерна, что достигается содержание в сплаве около 14,0 мас. % Al.
6. Установлено влияние состава разных промышленных шлаков на структуру и свойства малоуглеродистых железоалюминиевых сплавов. Подобран состав легкоплавкого покрывного шлака, мас. %: 23,0 СаО; 50,0 S1O2; 16,0 AI2O3 и 11,0 MgO с учётом особенностей технологии индукционной плавки.
7. Показано, что совместное модифицирование титаном и цирконием в пределах 0,91,1 мас. % и 0,1-0,2 мас. % соответственно улучшает механические свойства исследованных сплавов, повышает их жаростойкость, превышающую жаростойкость известной стали 20Х23Н18 (ГОСТ-5632-2014 «Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные») более чем в 3 раза. Определено, что стоимость материалов и самого производства ниже стоимости выплавки жаростойкой стали марки 20Х23Н18, т.к. при этом используются недорогие и доступные шихтовые материалы в виде алюминиевого и стального лома без использования дорогих хрома и никеля. Например, в условиях предприятия «Альфа-Мет» себестоимость выплавки жаростойкого низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава в ценах начала 2019 года составила 43,9 тыс. руб./т. (Приложение Д). Это примерно в четыре раза ниже себестоимости 1 тонны жаростойкой стали 20Х23Н18 применительно к экономическим условиям в период выполнения работы.
8. На основании проведенных исследований разработаны технологии выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалюминиевого сплава с повышенной жаростойкостью. Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания, подтвержденные актами.
2. Металлографические исследования быстро охлажденных образцов Бе-А1 лигатур показали, что их структура зависит от скорости охлаждения. Оценка роли содержания А1 в быстро охлаждённых сплавах показала, что размер данной фазы уменьшается от 108 мкм (70,0 мас. % А1) до 11,5 мкм (25,0 мас. % А1). На основании анализа этих данных, было установлено, что оптимальное содержание А1 в алюминиевом чугуне составляет от 20,0 до 25,0 мас. %.
3. Исследование кинематической вязкости Бе-А1 расплавов показало, что быстрее и при более низкой температуре становится однородным металл, полученный легированием чугуна быстро охлажденной лигатурой ФА-30, а зона гомогенности расплава согласно политермам вязкости находится в интервале 1470-1766 оС. Это в значительной степени гарантирует получение однородной структуры твердого металла. Для прочностных свойств предпочтительней является микроструктура сплава, полученного легированием чугуна быстро охлажденной лигатурой, в котором количество твердой и хрупкой фазы двойного карбида БезА1Сх наименьшее. Данное исследование позволило разработать технологию выплавки алюминиевого чугуна, которая защищена патентом РФ № 2590772 С1 «Способ получения алюминиевого чугуна».
4. Полученные новые данные помогли разработать новую технологию получения алюминиевого чугуна с измельчённой структурой и меньшим количеством карбидной фазы. Это возможно, по нашему мнению, когда расплавление исходного чугуна осуществляют с добавлением быстро охлажденной алюмосодержащей лигатуры и кальцийсодержащего шлакообразующего материала. Это возможно, когда в качестве алюмосодержащей лигатуры используется быстро охлажденный ферроалюминий марки ФА-30 в количестве, обеспечивающем содержание в готовом чугуне от 20 до 25 мас. % Al и от 1,0 до 2,0 мас. % С. Разработанная технология выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна позволила получить металл, сопоставимый по служебным свойствам с алюминиевым чугуном с шаровидным графитом ЧЮ22Ш, с меньшими материальными и энергозатратами. Получен патент РФ. Проведены опытнопромышленные испытания технологии.
5. Показано, что сплав, содержащий около 14,0 мас. % Al, имеет повышенную твердость и прочность на растяжение благодаря более мелкому и более равноосному зерну. Твердость матрицы и карбидной фазы при увеличении содержания алюминия в сплаве от 12,0 до 16,0 мас. % повышается. От хрупкого излома можно избавиться путем снижения содержания в сплавах количества хрупкой карбидной фазы и получением более мелкого и ревностного зерна, что достигается содержание в сплаве около 14,0 мас. % Al.
6. Установлено влияние состава разных промышленных шлаков на структуру и свойства малоуглеродистых железоалюминиевых сплавов. Подобран состав легкоплавкого покрывного шлака, мас. %: 23,0 СаО; 50,0 S1O2; 16,0 AI2O3 и 11,0 MgO с учётом особенностей технологии индукционной плавки.
7. Показано, что совместное модифицирование титаном и цирконием в пределах 0,91,1 мас. % и 0,1-0,2 мас. % соответственно улучшает механические свойства исследованных сплавов, повышает их жаростойкость, превышающую жаростойкость известной стали 20Х23Н18 (ГОСТ-5632-2014 «Легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные») более чем в 3 раза. Определено, что стоимость материалов и самого производства ниже стоимости выплавки жаростойкой стали марки 20Х23Н18, т.к. при этом используются недорогие и доступные шихтовые материалы в виде алюминиевого и стального лома без использования дорогих хрома и никеля. Например, в условиях предприятия «Альфа-Мет» себестоимость выплавки жаростойкого низкоуглеродистого железоалюминиевого сплава в ценах начала 2019 года составила 43,9 тыс. руб./т. (Приложение Д). Это примерно в четыре раза ниже себестоимости 1 тонны жаростойкой стали 20Х23Н18 применительно к экономическим условиям в период выполнения работы.
8. На основании проведенных исследований разработаны технологии выплавки жаростойкого алюминиевого чугуна с улучшенными механическими свойствами и низкоуглеродистого жаростойкого конструкционного железоалюминиевого сплава с повышенной жаростойкостью. Разработанные технологии прошли опытно-промышленные испытания, подтвержденные актами.
