Технические науки/1. Металлургия

Жигуц Ю.Ю.¹, Широков В.В.², Заболотний А.В.¹

¹ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Україна

² Українська Академія Друкарства, Україна

СИНТЕЗ ТЕРМІТНОЇ СТАЛІ МАРКИ 70Л

При роботі мостових кранів і інтенсивній їх експлуатації не рідко виникають проблеми пов’язані із ремонтом, відновленням розмірів і заварюванням окремих дефектів ходових коліс. Особливо гостро ця проблема виникає для мостових кранів великої вантажопідйомності.

Можливість ремонту крупних деталей методами металотермії завжди вимагає ретельного підходу як до синтезу термітного матеріалу, так і до встановлення його властивостей, структури, технологічних прийомів, що використовують методи термітного зварювання і відновлення. Саме ці жорсткі вимоги поставили задачу з встановлення властивостей термітної сталі марки 70Л, яка найбільш часто застосовується для виготовлення відповідальних крупних деталей, а режим їх експлуатації охоплює зони з низькими температурами, характерними для північних території, країн Скандинавії, районів Полярного кругу.

Як відомо термітні методи синтезу мають суттєві переваги, які дозволяють найефективніше їх використовувати. Це, насамперед, автономність процесу синтезу (відсутність потреби у електроенергії), простота і дешевизна технологічного обладнання, висока продуктивність (час синтезу триває від декількох секунд до декількох хвилин), можливість проводити процес синтезу у неспеціалізованих майстернях, і, навіть, у польових умовах [1-3]. Крім перерахованого, звертає на себе увагу і можливість використання при компоновці шихти відходів металообробного і термічного виробництв (залізної окалини, млива алюмінієвої стружки, млива графітових недопалених електродів, відсіву пилу легованої сталі з фільтрів у ливарних цехах та ін.).

Процес термітного синтезу полягає у компонуванні з порошкових інгредієнтів металотермічної шихти на основі реакції відновлення заліза з окалини алюмінієм. Залізна окалина проходить попереднє просушування при 150–200°С, а при потребі і прожарювання при 350–400°С. З вихідних порошкових матеріалів – інгредієнтів хімічної реакції компонують металотермічну шихту. Шихта розраховувалася у декілька етапів. Після встановлення адіабатичної температури горіння шихти (яка повинна бути більшою ніж температура розділення термітного сплаву і шлакової фази), встановлювався склад суміші за стехіометричним співвідношенням. На наступному етапі склад шихти коригувався за коефіцієнтами засвоєння компонентів.

У склад шихти вводять легуючі елементи і вуглець у виді млива недопалених графітових електродів. Після підготовки і перемішування компонентів їх розміщують у футерований металотермічний реактор.

При ініціюванні реакції термітним сірником проходить процес горіння в результаті якого утворюється високотемпературний розплав термітної сталі 70Л. Адіабатична температура горіння металотермічної шихти із врахуванням додаткових компонентів, що покращують процес синтезу (польовий шпат СаF₂, просіяне мливо скла та ін.) знаходиться у межах 1720-2100 К [4]. Рідку термітну сталь у нижній частині реактора можна використовувати для виготовлення фасонних виливків, для наплавлення або термітного зварювання [5].

В результаті проведення експериментальних вплавлень отримано 6 виливків з термітної сталі 70Л масою 50 кг.

Хімічний склад синтезованої сталі 70Л приведено у табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад термітної сталі 70Л

Марка	Склад хімічних елементів, %
	С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni
				не більше
Сталь 70Л^*	0,65-0,75	≤0,40	0,20-0,42	0,045	0,045	≤0,30	≤0,30
Термітна сталь 70Л	0,72	0,35	0,31	0,040	0,040	0,25	0,25

^*Сталь виготовлена за заводськими технічними умовами.

Результати хімічного аналізу показали незначне відхилення складу термітної сталі від промислової (табл. 1), що підтвердило правильність термохімічних розрахунків.

Механічні випробування проводили на клинових пробах вирізаних з експериментальних литих заготовок. В результаті дослідження встановлено, що механічні властивості термітної сталі 70Л (табл. 2), кращі за властивості промислової сталі на 5-9%. Очевидно це пов’язане із до розкисленням термітної сталі алюмінієм, що входить у склад шихти.

Таблиця 2

Механічні властивості термітної сталі 70Л

Марка	Товщина стінки, мм	δт	δв	δ	ψ	аНх	НВ
		МПа		%		МДж
Термітна сталь 70Л	до 100	350	600	10	18	19	250
Сталь 70Л*	до 100	280-320	470	10-12	14-17	-	280-380

*За заводським ТУ.

Встановлення ливарних властивостей термітної сталі показало, що величина вільної усадки знаходиться у межах 1,8-2,3 % у залежності від маси виливків. Виявлено також, що сталь 70Л мало схильна до утворення гарячих тріщин при перевірці за П-подібною пробою.

Окремим напрямом дослідження було задано для термітної сталі встановлення ударної в’язкості при низьких температурах (табл. 3).

Таблиця 3

Ударна в’язкість термітної сталі 70Л при низьких температурах

Температура, °С	+20	0	-20	-40	-60
ан, МДж	19	19	16	14	12

З табл. 3 видно, що ударна в’язкість термітної сталі суттєво зменшується (майже в 1,6 рази) при зниженні температури від +20° до -60°С. Аналогічні дані для промислових сталей приводять до зменшення а_н майже в 2,1 рази при абсолютній величині їх значень на 50% менших, а такі ж порівняння при 60°С – на 100% менші.

Перспективним є продовження даних досліджень при проведенні термітного зварювання і наплавлення сталі.

Висновки. 1. В результаті проведених досліджень встановлено склад металотермічної шихти для синтезу термітної сталі 70Л. 2. Встановлено хімічний склад синтезованої термітної сталі 70Л. 3. Розроблено технологію термітного синтезу сплаву і отримано виливки зі сталі 70Л. 4. Досліджено механічні і технологічні властивості термітні сталі. При цьому встановлено, що механічні властивості її на 5-9 % кращі, а ливарні властивості не гірші, ніж у промислового аналогу. 5. Досліджено ударну в’язкість термітної сталі при низьких температурах і показано, що вона на 50-100% вище ніж у одинарного сплаву. 6. Виявлено напрями перспективного дослідження термітної сталі і її найдоцільнішого застосування.

Література:

1. Жигуц Ю.Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами (монографія)/ Жигуц Ю.Ю. ― Ужгород: Ґражда, ― 2008. ― 276 с.

2. Zhiguts Yu. Special thermite cast irons/ Zhiguts Yu., Kurytnik I.// Archives of foundry engineering. Polish Academy of Sciences. ― 2008. ― N2. ― Vol. 8. ― Р. 162-166.

3. Zhiguts Yu. Špeciálna termitova liatina/ Zhiguts Yu. // Výrobné inžinierstvo. Košice. ― 2007. ― r. 6. ― N 2. ― S. 45-48.

4. Жигуц Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу/ Жигуц Ю., Широков В.//Машинознавство. ― Львів. ― 2005. ― №4. ― С. 48-50.

5. Патент України №53051 А МПК: 7В22С9/08 Спосіб термітного зварювання чавунів/ Ю.Ю.Жигуц, Ю.Ю.Скиба Опубл. 15.01.2003; − Бюл. №1.