|
РЕФЕРАТПриведена краткая характеристика свойств и структуры интерметаллидов системы Fe-Al, а также результаты их получения с использованием электрошлаковой технологии.ВВЕДЕНИЕСреди перспективных интерметаллидных конструкционных материалов, обладающих уникальным комплексом физико-механических и служебных свойств, получивших распространение в последние годы [1], особое место занимают материалы на основе алюминида железа Fe3Al. Эти материалы более легкие (плотность 6,7 г/см) и значительно более дешевые, чем многие жаропрочные стали и сплавы. При их изготовлении для обеспечения заданного уровня служебных свойств в условиях высоких температур не требуется большого количества дефицитных легирующих элементов. Однако, как конструкционные материалы алюминиды железа Fe3Al все еще широко не востребованы промышленностью, из-за отсутствия относительно простой и недорогой технологии их производства, хотя имеется много публикаций об эффективности их применения.ХАРАКТЕРИСТИКА ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ СИСТЕМЫ Fe — Al.Возможность промышленного использования в качестве конструкционных материалов сплавов на основе алюминида железа, как и других интерметаллидных соединений, во многом обусловлена наличием у них при комнатной температуре (в некоторых случаях и при минусовых температурах) определенной минимальной пластичности, которая соответствует достаточному уровню их вязкости разрушения. Многими исследователями показано, что это достигается путем выбора рациональной схемы легирования, разработки эффективных технологических процессов получения и передела этих сплавов, создания композиционных материалов на их основе. При выборе рациональной схемы легирования конструкционных Fe—Al сплавов наибольшее внимание исследователей привлекают упорядоченные интерметаллидные сплавы на основе Fe3Al, отличающиеся высокой жаростойкостью, в частности в серосодержащих средах, и перспективные для применения в автомобилестроении, системах газификации угля [2,3] и др. На рис.1 представлена двухкомпонентная система Fe—Al [4]. При охлаждении сплавов с содержанием алюминия до 34 % ат от высоких температур до комнатной они приобретают структуру ?-твердого раствора. В сплавах, содержащих от 34 до 52 % ат А1, наблюдается исключительно структура типа FeAl(?2). При более высоком содержании алюминия образуются различные интерметаллидные соединения (FeAl2, Fe2Al5, FеАl3). Упорядоченная структура типа Fe3Аl(?1) образуется в сплавах, содержащих от 25 до 34 % ат А1, после медленного охлаждения. После закалки этих сплавов от температуры 600°С и выше возникает структура FeAl(?2). Процесс упорядочения характеризуется изменением ряда физических свойств, в частности, более низким значением точки Кюри, изменением периода кристаллической решетки при комнатной температуре в зависимости от содержания алюминия. При его содержании до 10 % вес период кристаллической решетки увеличивается линейно с повышением содержания легирующего элемента. Сплавы с содержанием алюминия от 10 до 20 % вес характеризуются в упорядоченном состоянии почти постоянным периодом решетки [5].  Преимуществом сплавов на основе Fe3Аl является высокая стойкость против окисления и сульфидной коррозии при потенциальной цене ниже многих нержавеющих сталей, недостатком-низкотемпературная хрупкость [6]. Причиной низкотемпературной хрупкости упорядоченных сплавов на основе Fe3Аl с содержанием алюминия более 25 % ат является насыщение их водородом, образующимся при взаимодействии алюминия с парами воды из окружающего воздуха. Введение 2...5% Сг в сплав устраняет этот недостаток. Области применения интерметаллидных сплавов на основе алюминидов железа — нагреватели (тостеры, прикуриватели, сушилки и др.), диски регенераторов автомобильных газотурбинных систем, фильтры горючего газа для газификации углей, экраны, обкладки, системы дожигания выхлопных газов автомобилей (замена нержавеющей стали 409 при изготовлении элементов выхлопной системы) и др. ПОЛУЧЕНИЕ АЛЮМИНИДОВ ЖЕЛЕЗА.При получении сплавов на основе алюминидов железа приходится преодолевать определенные трудности вследствие резкого различия в температурах плавления и испарения, а также в плотностях их компонентов. Сплавы с высоким содержанием алюминия затруднительно выплавлять в вакуумно-дуговых, электронно-лучевых и других печах, где требуется применение вакуума, из-за высокой летучести алюминия. Имеются сведения о применении для получения сплавов на основе алюминидов железа методов горячего и холодного прессования специально приготовленных порошков [7], в том числе в сочетании с механическим легированием [8] и замоноличиванием порошковой смеси методом взрыва [9]. Так, предложен способ изготовления впускных и выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания, обладающих высокой прочностью, пластичностью, термостойкостью и стойкостью против окисления [7], согласно которому смешивают исходные порошки титана, железа или никеля с 25...75 % А1 или алюминиевого сплава. Из приготовленной смеси методом горячего или холодного прессования формуют заготовки, которые подвергают штамповке до получения изделия требуемой формы и проводят реакционное спекание. Рекомендовано использовать алюминиевый сплав, содержащий более одного элемента из ряда: Сг, Мп, V, Со, Zr, Y, Mo, Nb, Hf, Та, W, Се, Nd, Si—в количестве 0,05...10 %; ряда С, N — в количестве 0,01...5 %, а также 0,001...10 % Si, 0,01...5 % В и 0,01...1 % О. Для получения композиционных материалов на основе Fе—Al сплавов используют следующие методы: горячее изостатическое прессование и спекание в вакууме [10], дуговое и плазменное распыление [11], самораспространяющийся высокотемпературный синтез [12] и др. Технология их производства очень сложна и, как правило, многостадийна, что неизбежно приводит к существенному удорожанию выпускаемой продукции и снижению эффективности ее применения, хотя и позволяет достичь в композиционном конструкционном материале более высокого качественного уровня служебных свойств по сравнению с гомогенным интерметаллидным материалом. ЭШП позволяет выплавлять слитки сплавов на основе алюминида титана самого широкого химического состава [13], и это открывает большие возможности для разработки принципиально новой технологии получения этого класса перспективных конструкционных материалов, в том числе и интерметаллических соединений системы Fe-Al.  С целью исследования принципиальной возможности получения алюминидов железа одной из относительно простых схем ЭШП, был проведен постановочный эксперемент. Для проведения экспериментальной плавки был изготовлен составной железоалюминиевый расходуемый электрод. Железная часть электрода изготавливалась из стержня стали 50, диаметром 44 и высотой рабочей части 560 мм. Алюминиевая часть электрода представляла собой прямоугольный алюминиевый блок размером мм. К железному стержню прикладывался широкой гранью алюминиевый блок и закреплялся с помощью двух болтов, также проводилась дополнительная равномерная стяжка алюминиевой проволокой (рис.2). Массовая доля алюминиевой части электрода составляла 15%, из расчёта получения сплава Fe3Al (Al 25% ат). Для переплава использовали водоохлаждаемій кристализатор диаметром 100 и высотой 450 мм, пригодный для выплавки слитков высотой до 300 мм. Переплав производили на воздухе, под флюсом АНФ-6 (70%CaF2 - 30%Al2O3), для начала процесса использовали твёрдую стартовую смесь из металлического кальция и стружки стали 50. За время около 6…7 мин процесс переплава был успешно завершён. В процессе переплава наблюдалось буйное выделение белого дыма в следствии окисления на воздухе алюминия, поэтому в ходе последующих эксперементов планируется применять различные защитные смеси. Выплавленый слиток (рис. 3) имеет высоту 70 и диаметр 100 мм. Интерес представляет собой также форма оплавленного торца электрода (рис.4). Шлак и тонкий шлаковый гарнисаж легко отделяются от слитка, который имеет гладкую боковую и донную поверхности. Предварительные исследования показали, что металл слитка достаточно однороден и в нём отсутствют грубые включения как алюминия, так и железа. Металл слитка достаточно твёрдый и плохо поддаётся механической обработке. В настоящее время ведётся подготовка образцов из металла выплавленного слитка для дальнейшего исследования. Также планируется провести следующий эксперемент по получению алюминида железа FeAl (Al 50% ат).   ВЫВОДЫТаким образом, приведённый предварительный эксперимент показал принципиальную возможность получения сплава на основе алюминида железа методом ЭШП. ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК1. Банных О.А., Поварова К.Б. Перспективы создания жаропрочных и жаростойких сплавов и интерметаллических соединений // Новые металлические материалы. – Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1989. – С.29 – 33. 2. Hunt Margaret. The promise of intermetallics // Mater. Eng. – 1990. – 107, N3. – P.36 – 39. 3. Moriss D.G., Mazmy M., Noseda C. Creep resistance in a new alloy based on Fe3Al // Scr. Met et Mater. – 1994. – 31, N2. – P. 173 – 178. 4. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. Пер. с англ. Т. 1. – 1952. – С.107. 5. Гудремон Э. Специальные стали. – М.: Гос. науч. – техн. изд – во лит. по чёр. и цв. металлургии, 1960. Т. 1 и 2. – 1638с. 6. Sikka V.K., Viswanathan S., McKaamey C.G. Development and commercialization status of Fe3Al – based intermetallic alloys // Struct. Intermetallics: Champion, Pa. Sept. 26 – 30, 1993. 7. Заявка 438832 Япония. Способ изготовления выпускных и впускных клапанов двигателей внутреннего сгорания из алюминида / Кимугая Масаки. – Заявл. 24.05.90. Опубл. 31.01.92. 8. Solid state reactivity thermal stability and structural properties of Fe – Al nanostructured intermetallic compounds / E. Bonetti, G. Scipione, S. Enzo et al // NANO’ 94: 2nd Int. Conf. Nanostruct. Mater. Stuttgart, Oct. 3 – 7, Programme and Abstr. – 1994. – P.149. 9. Jain M., Chiristman T. Synthesis, processing, deformation of bulk nanophase Fe – 28Al – 2Cr intermetallic // Acte Met. Et Mater. – 1994. – 43, N6. – P.1901 – 1911. 10. Rawers J.C. Tensile fracture iron – iron aluminide foil composites // Scr. Met. Et Mater. – 1994. – 30, N6. – P.701 – 706. 11. Lawrynowicz D.E., Lavernia E.J. Spray atomization and deposition of fiber reinforced intermetllic matrix composites // Scr. Met. Et Mater. – 1994. – 31, N9. – P. 1277 – 1281. |
| Copyright © Metallurgy Faculty |