Технические науки/1. Металлургия

Жигуц Ю.Ю.¹, Чернега Д.Ф.², Левдар Е.Е.¹

¹ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Україна

²Національний технічний університет України «КПІ», Україна

СИНТЕЗ ТЕРМІТНИЙ СУДНОБУДІВНИХ СТАЛЕЙ

Термітні реакції відомі вже понад століття і використовуються для виготовлення феросплавів, розігріву екзотермічних ливарних додатків в технологіях ливарного виробництва [1]. Використання термітних реакцій для синтезу, відкриває широкі можливості отримання литих чорних сплавів будь-якого хімічного складу і структури.

На сьогодні покращення властивостей матеріалів досягають, переважно, використанням традиційних технологій отримання та наступною термічною, хіміко-термічною та іншими способами обробки. Але їх висока енергоємність, необхідність поєднання декількох технологічних етапів, дотримання екологічних вимог приводять до потреби пошуку інших шляхів надання необхідних властивостей матеріалам та синтезу нових матеріалів, інколи, з унікальними властивостями, які дають змогу уникнути наведених недоліків.

Аналіз літературних даних показав, що одним з перспективних шляхів для покращення технологічних та службових властивостей матеріалів, розширення їх функціонального призначення є створення матеріалів із композитною структурою, отриманою за допомогою металотермії. На користь термітних сплавів свідчать і переваги термітних процесів, а саме, їх автономність, відсутність потреби у джерелах електроенергії, простота і дешевизна технологічного обладнання, висока продуктивність процесу (час проведення синтезу триває у залежності від маси і об’єму металотермітної шихти від декількох десятків секунд до декількох хвилин) [2, 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.).

Одним з авторів протягом тривалого часу розроблялися конструкції металотермічних реакторів (в тому числі засновані на гіроскопічному принципі), які можна використовувати при дотриманні високих стандартів до безпеки праці на рухомих залізничних платформах ремонтних поїздів, у майстернях плавальних баз, в умовах річкових та морських суден при бортовій і кільовій качках [4].

Таким чином при виготовленні з метою ремонту суднобудівних фасонних деталей з термітних сталей марок 08ГДНФЛ, 13ХНАФТЛ та 12ДН1МФЛ є всі можливості використовувати термітні методи, які останнім часом знаходять все більше розповсюдження.

Методика проведення термітного синтезу достатньо проста. З вихідних порошкових матеріалів – інгредієнтів хімічної реакції компонують металотермічну шихту. Залізна окалина проходить попереднє просушування при 150–200°С, а при потребі і прожарювання при 350–400°С. Компоненти шихти з герметичних контейнерів після перемішування і зважування розміщуються у металотермічному реакторі. Хімічний склад шихти встановлювався у три етапи [5]. На першому – проводився розрахунок складу у відповідності до стехіометричного співвідношення компонентів реакції відновлення заліза і окислення алюмінію. На другому етапі встановлювався вміст у шихті лігатури необхідної для отримання хімічного складу термітних суднобудівних сталей, аналогів промисловим маркам 08ГДНФЛ, 13ХНАФТЛ та 12ДН1МФЛ. Третій етап компонування шихти полягав у врахування коефіцієнтів засвоєння компонентів шихти, які виявлені були експериментальним шляхом [2].

В результаті проведення експериментальних термітних плавлень з масою шихти 150-600 г були отримані фасонні зливки, що піддали наступному дослідженню. Встановлювались хімічних склад, механічні та технологічні властивості синтезованих сплавів.

Результати порівняльного аналізу хімічного складу термітних суднобудівних і промислових сплавів (табл. 1) показали незначне зменшення вмісту важковідновлюваних елементів – Мо і W, що викликано послідовною поетапною взаємодії оксидів шихти з алюмінієм.

Таблиця 1

Хімічний склад сталі для виливків

Марка сталі	Склад елементів, %
	С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Сu	Mo, Ti, W, B
				не більше
08ГЦФНЛ	0,10	0,6-1,0	0,15-0,40	0,035	0,035	≤0,3	1,15-1,55	0,8-1,2	0,10 V
Термітний аналог 08ГДНФЛ	0,10	0,7	0,25	0,030	0,30	0,3	1,45	1,1	0,10 V
13ХНАФТЛ	≤0,16	0,4-0,9	0,30-0,42	0,030	0,030	0,15-0,40	1,2-1,6	0,65-0,9	0,04-0,10 Ti, 0,06-0,12 V
Термітний аналог 13ХНАФТЛ	0,12	0,5	0,41	0,030	0,030	0,35	1,4	0,70	0,05 Ti, 0,11 V
12ДН1МФЛ	0,10-0,15	0,30-0,55	0,20-0,42	0,035	0,035	≤0,30	1,8-2,2	1,2-1,5	0,08-0,15 V
Термітний аналог 12ДН1МФЛ	0,11	0,41	0,35	0,030	0,030	0,30	1,9	1,3	0,11 V

Механічні властивості термітних суднобудівних сталей (табл. 2) у середньому на 7-9 % кращі ніж промислові аналоги, що, очевидно, пов’язано із дорозкисленням сплаву алюмінієм з металотермічної шихти.

Таблиця 2

Механічні властивості термітної сталі

№ п/п	Марка термітного аналога сталі	Температура, °С		δт	δв	δ	ψ	аН, МПа
		гартування	відпуску	МПа		%
1	08ГДНФЛ	930-970	590-650	350	450	18	18	50
2	13ХНДФТЛ	900-920	530-560	400	500	18	30	50
3	12ДН1МФЛ	880-910	520-630	650	800	12	20	20

Дослідження технологічних властивостей термітних суднобудівних сталей показали, що при отриманні фасонних виливків значення вільної усадки знаходиться у межах 1,8-2,1 %. Встановлено, що суттєвим недоліком термітних сталей є їх невелика рідкотекучість у всьому діапазоні температур заливки. Це обмежує геометричну форму і товщини стінок виливків з суднобудівних термітних сталей. При малих температурах заливки, всі вказані марки термітних сталей мало схильні до утворення гарячих тріщин. При великих температурах заливки найменшу схильність до утворення тріщин має сталь 08ГДНФЛ.

Дослідження зварюваності вказаних марок термітних сталей дозволить значно розширити діапазон деталей виготовлених з термічного сплаву.

Висновки. 1. Встановлено склади шихт для синтезу термітних суднобудівних сталей марок 08ГДНФЛ, 13ХНАФТЛ та 12ДН1МФЛ та розроблено методику приготування металотермічної суміші. 2. Досліджено хімічний склад, механічні властивості та деякі технологічні властивості термітних суднобудівних сталей. Показано, що механічні властивості термітних сталей кращі, ніж у промислових аналогів. 3. Вказано перспективні напрямки продовження дослідження для проведення металотермічного зварювання суднобудівних сталей.

Література:

1. Золковер М.З. Фасонное литье из термитной стали /Золковер М.З., Гридунов А.С., Быльницкий-Бируля С.О. ― М.: Дориздат, ― 1950. ― 48 с.

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

3. 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.

4. Патент України на корисну модель № 9847 МПК: В22 С9/00 Металотермічний реактор/ Ю.Ю.Жигуц, Ю.Ю.Скиба, І.І.Крайняй. Опубл. 15.01.2007. − Бюл. №1.

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