Використання електрошлакової технології для виробництва конструкційних матеріалів на основі алюмінідів заліза.

О.А. Троянський – професор кафедри «Електрометалургії» ДонНТУ, к.т.н., А.Д. Рябцев – професор кафедри «Електрометалургії» ДонНТУ, д.т.н., М.М. Галян – аспірант ДонНТУ, Решетов Ю.В. – студент ДонНТУ.

Донецький національний технічний університет, Україна

    yurikmtl@rambler.ru   

Головна сторінка   Магістерська робота   Корисні посилання

Показана принципова можливість отримання якісних злитків на основі алюмінідів заліза за допомогою камерного електрошлакового переплаву складених електродів, що витрачаються, під кальцій місткими флюсами, у контрольованій атмосфері.

Сплави на основі алюмінідів заліза новий клас особливолегких перспективних конструкційних матеріалів, призначених для роботи при температурах – 630-680°С, перевищуючих робочі температури експлуатації титанових суперсплавів (<600°С). Сплави на основі алюмінідів заліза FeAl (28%масAl) і Fe3Al (16%масAl), характеризуються низькою вартістю, хорошим опором корозії і окисленню, стійкістю в сульфідних середовищах і зносу [1].

Сплави на основі алюмінідів заліза знаходять застосування в автомобілебудуванні як замінники неіржавіючої сталі в системі вихлопу [2], як матеріал для дисків регенераторів автомобільних газотурбінних систем [3], також перспективні для виробництва окремих вузлів і дисків газових турбін, працюючих при температурах 630—680°С [4], як матеріали для роликів (транспортного рольганга) для передачі гарячекатанної сталевої смуги. Також матеріали на основі алюмінідів заліза FeAl знаходять застосування у якості резистивних нагрівальних елементів, оскільки вони - немагнітні, володіють достатньою міцністю, пластичністю і питомим опором на 50–100% вище ніж що є у продажу матеріали для нагрівальних елементів [5]. Крім того, вироби на основі алюмінідів заліза можуть бути використані там, де високий вміст таких токсичних елементів як хром і нікель не допустимий, як це має місце в біомедичній технології, харчовій промисловості.

Застосування з'єднань алюмінідів заліза в чистому вигляді обмежено їх низькою пластичністю і крихкістю на повітрі при кімнатній температурі. Проте, існують декілька способів для боротьби з даними недоліками. Це управління розміром і формою зерна, використовування легуючих елементів, таких як наприклад, хром для Fe3Al і бір для FeAl, а також використовування оксидних або мідних покриттів [6]. Ці розробки підвищують вірогідність того, що монолітні матеріали на основі алюмінідів заліза можуть бути більш широко використані як конструкційний матеріал.

У якості альтернативи, відмінна корозійна і окислювальна стійкість алюмінідів заліза дозволяє їх застосовувати як покриття [7]. Також відомий спосіб наплавлення рідкого алюмініду заліза на поверхню різних виробів, таких як наприклад ролики прохідних металургійних печей, за допомогою електрошлакової технології [8].

Відомі способи отримання сплавів на основі алюмінідів заліза методами гарячого і холодного пресування порошків [9,10,11], а також дуговою і плазмовою розпиленістю [12]. Також одним з перспективних методів виробництва алюмінідів заліза є процес Exo-MeltTM [13], з використанням екзотермічної теплоти реакції між алюмінієм і іншими елементами, для зменшення споживання зовнішньої потужності в перебігу процесу плавлення. Проте приведені способи багатостадійні і складні, що приводить до дорожчання продукції і зниження ефективності її застосування.

У літературі є відомості і про отримання алюмінідів заліза з приміненням методів спецелектрометалургії. Так, в роботі [14] запропонован і опробуван спосіб виробництва сплаву на основі алюмініду заліза по двохстадійній схемі: виплавка електродів, що витрачаються, на основі складу Fe3Al із сталевого скрапу і технічно чистого алюмінію у вакуумно-індукційній печі і подальша переплавка їх методом класичної електрошлакової переплавки. Отримані по комбінованій схемі злитки містили алюмінію 16%мас, вуглецю 0,014-0,5%мас, а також в їх складі практично не було водню, яким неминуче насищався метал в ході індукційної плавки на повітрі. Отримане поліпшення механічних властивостей злитків з [C] 0,14%мас автори імовірно пояснили рівномірним розподілом в них включень Fe3AlС, а також щільною і дрібнозернистою структурою злитка.

Електрошлакова технологія із застосування легуючих електродів супутників розроблена в ДонНТУ [15], дозволяє одержувати достатньо широку гамму складнолегованих сплавів, що відкриває можливості для отримання матеріалів на основі алюмінідів заліза з необхідним комплексом властивостей, шляхом підбору необхідних теплових і електричних умов процесу, в ході якого відбувається не тільки рафінування, але й легування. Так в даній роботі приведений результати досліджень присвячених вивченню можливості отримання злитків на основі алюмінідів заліза методами електрошлакового переплаву складових електродів, що витрачаються, під флюсом системи CaF2-Ca в камерній печі.

Камерний електрошлаковий переплав поєднує можливості захисту електрода і плавильного простору інертним газом і використовування шлаків, що містять метал, забезпечуючих глибоко розкислююче активно рафінуюче середовище [16].

Основу електродів, що витрачаються, складали катані прути діаметром 45 мм із сталі 50. До них, для введення в злиток алюмінію в стехіометричном співвідношенні, кріпили за допомогою болтів і сталевого дроту алюмінієві прутки перетином 70 і 27,4 мм2. Масова частка алюмінієвої частини в електродах склала 17%мас і 32%мас (з розрахунку отримання складів на основі інтерметалідів Fe3Al і FeAl).

Електрошлаковий переплав електродів проводили на установці А-550, переобладнаній в камерну піч ЕШП, в контрольованій атмосфері аргону, у водоохолоджувані кристалізатори діаметром 100 і 130мм. Для наведення шлаку застосовували технологію «твердого» старту. Флюс складали з фтористого кальція марки ОСЧ 5-2 (основа) і металевого кальцію .

З отриманих злитків виготовляли шліфи, які досліджували на оптичному мікроскопі Neophot-2 і растровому електронному мікроскопі JEOL JSM–T3000, визначаючи при цьому і локальну хімічну неоднорідність за допомогою рентгеноспектрального аналізу.

Хімічний аналіз стружки з різних точок злитка проводили тітриметричним комплексонометричним (комплексон III) методом. Мікротвердість виміряли мікротвердомером ПМТ-3, вдавлюючи алмазну піраміду при різних навантаженнях.

Отримана макроструктура злитка Fe3Al мала характерну для ЕШП спрямованість, щільну, без видимих дефектів. Хімічний аналіз показав, що в злитку Fe3Al в середньому вміст алюмінію складає 14%мас,а в злитку FeAl – 29%мас. Оцінені статистично середні значення мікротвердості добре узгоджуються з опублікованими раніше даними [17].

Мікроструктури, виявлені растровою електронною мікроскопією, представлені на рис.1., вони свідчать про те, що злиток Fe3Al, має двофазну структуру, яка складається з матриці і другої фази у вигляді округлих гіллястих включень, товщина їх в середньому 50 мкм. Розташовуються включення рівномірно по всьому злитку (рис.1а). Другу фазу ідентифікували як перовскіт Fe3AlC. Злиток FeAl має однофазну дендритну структуру (рис.1 б).

Дослідження металу на локальну хімічну неоднорідність в характеристичному випромінюванні Al-k і Fe-k свідчить про рівномірний розподіл в злитку алюмінію і заліза (рис.2). Таким чином, приведені результати досліджень свідчать про можливість отримання злитків сплавів на основі інтерметалідів системи залізо–алюміній в камерних електрошлакових печах.

а                                                     б

Рис. 1. Результати растрової електронної мікроскопії злитків КЕШП: а- злиток Fe3Al, б- злиток FeAl, х500

а                                                     б

в                                                     г

Рис. 2 Результати аналізу на локальну хімічну неоднорідність зразків злитків КЕШП: а – в характеристичному випромінюванні Al-k (злиток Fe3Al), би – в характеристичному випромінюванні Fe-k (злиток Fe3Al), в – в характеристичному випромінюванні Al-k (злиток FeAl), г– в характеристичному випромінюванні Fe-k (злиток FeAl), х1500