Композиции на основе нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, для модифицирования серых чугунов и стали 110Г13Л

Сплавы на основе железа (стали и чугуны) в настоящее время являются основными конструкционными материалами, которые обеспечивают высо- кий уровень механических и технологических свойств наряду с относительно низкой стоимостью. Увеличение эксплуатационных характеристик (прочно- сти при разрыве, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и, в конечном итоге, срока службы) чугунов и сталей является актуальной зада- чей. Качество отливок из чугунов и сталей зависит от многих технологиче- ских параметров, которые оказывают влияние на процессы кристаллизации расплава (температура заливки, формовочная смесь, химический состав, объ- ѐм отливки, перегрев металла при выплавке и др.). Повысить качество отли- вок, не меняя технологию выплавки и заливки металла в формы, можно, если научиться управлять процессом кристаллизации. В лабораториях выращены бездефектные кристаллы железа с пределом прочности при растяжении более 1000 кгс/мм2 (прочность углеродистой стали – 40 кгс/мм2). Попытки повы- сить механические свойства путем создания монокристалла не оправданы, поэтому приходится идти обратным путем – влиять на процесс кристаллиза- ции, чтобы получить множество мелких кристаллов (зерен), что также позво- ляет достигнуть высоких механических свойств [1]. Зависимость прочност- ных характеристик от размера зерна описана законом Холла-Петча [2, 3]. Со- гласно этому закону увеличение твердости материала происходит при уменьшении среднего размера зерна в 3…5 раз, а при дальнейшем уменьше- нии среднего размера зерна больше, чем в 10 раз, происходит увеличение пластичности. Влиять на процессы кристаллизации расплавов чугуна и стали (изменять размеры зерен металлов, менять форму, размер и распределение графитовых включений) можно введением малых добавок веществ (модифи- каторов), химически не взаимодействующих с матрицей. Применение моди- фикаторов для повышения скорости кристаллизации, снижения структурной
7
неоднородности отливок имеет хорошие перспективы. К тому же в отличие от легирования, модифицирование не требует большого количества дорого- стоящих добавок и, соответственно, незначительно повышает конечную сто- имость продукции.
Несмотря на большое количество модификаторов, предлагаемых на рынке, проблема получения модификаторов на основе тугоплавких ультра- дисперсных частиц, смачиваемых расплавом и равномерно распределенных в металлической матрице, и проблема получения стабильных результатов при модифицировании являются объектом пристального внимания многих иссле- дователей. Механохимия может существенно облегчить путь к достижению положительного результата. При обработке материала в высокоэнергетиче- ских активаторах планетарного типа происходит не только его измельчение, но и активация; кроме этого, частицы порошков можно дополнительно пла- кировать необходимым материалом и получать модификаторы, хорошо сма- чиваемые расплавами.
Кроме этого, механическая активация (МА) может оказывать влияние на различные процессы синтеза.
Исследование влияния МА на инициирование и прохождение процесса самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), получение тугоплавких ультрадисперсных порошков, нанокомпозиций модификаторов на их основе и материалов с улучшенными служебными характеристиками (прочностью, коррозионной стойкостью, износостойкостью и т. д.) является актуальной задачей.
Цель работы: Создание эффективных композиций модификаторов для чугуна и стали на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана, по- лученных комбинированным методом – самораспространяющимся высоко- температурным синтезом в сочетании с предварительной механической акти- вацией.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи: 8

1) получение нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС;
2) исследование влияния механической активации смеси вольфрам– титан–сажа на инициирование и прохождение процесса СВС;
3) исследование влияния состава исходной смеси на фазовый состав и выход конечных продуктов процесса СВС; определение минимального коли- чества титана для прохождения СВС в системе «вольфрам-титан-сажа»;
4) получение модификаторов на основе нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана с металлами-протекторами (железо, медь, ни- кель, хром, цирконий) с использованием МА;
5) исследование процессов модифицирования чугунов и сталей этими модификаторами, сравнение эффективности с другими модификаторами по- добного класса действия;
6) исследование влияния различных технологических факторов на процесс модифицирования серого чугуна (конструкция, объем литейных форм, способ введения модификаторов и другие).
Научная новизна работы.
1. Методом СВС в сочетании с предварительной МА получена смесь нанодисперсных порошков карбидов вольфрама (WC, W2C) и титана (TiC). Для СВ-синтеза карбидов вольфрама был использован СВ-синтез карбида ти- тана в системе вольфрам–титан–сажа.
2. Определены условия получения WC и W2C и/или их смеси в систе- ме W–Ti–C.
3. Получена смесь с максимальным содержанием карбидов вольфрама (в пересчете на WC) в количестве 80%.
4. С использованием МА получены модификаторы на основе смеси карбидов вольфрама и титана с металлами-протекторами.
5. Исследованы процессы внутриформенного модифицирования се- рых чугунов марок от СЧ15 до СЧ30 и стали 110Г13Л.
9

6. Исследовано влияние технологических параметров (конструкция, объем литейных форм, способ введения модификаторов) на эксплуатацион- ные характеристики серого чугуна.
7. Получен патент РФ No 2508249 «Способ получения нанодисперс- ных порошков карбидов вольфрама и титана методом СВС». БИ No 6, 27.02.14.
Основные положения, представленные к защите.
1. Комбинированный способ получения смеси нанодисперсных по- рошков карбидов вольфрама и титана (процесс СВС в сочетании с механиче- ской активацией) и эффективных модификаторов на их основе.
2. Исследование влияния модификаторов на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана на эксплуатационные характеристики серых чугунов.
3. Исследование влияния модификаторов на основе нанодисперсных карбидов вольфрама и титана на эксплуатационные характеристики стали 110Г13Л.
Практическая значимость работы.
1. Разработан экономичный метод получения нанодисперсных порош- ков карбидов вольфрама и титана и эффективных модификаторов на их осно- ве для обработки чугунов и сталей.
2. На примере модифицирования серых чугунов и стали 110Г13Л по- казана эффективность данных модификаторов по сравнению с другими того же класса действия.
Чугун: предел прочности при растяжении увеличивается на 20…29 %;
относительная коррозионная стойкость в соляной кислоте – до 40…45%, причем в толстых отливках – до 59%; относительная износостойкость – до 69%.
Сталь (110Г13Л): временное сопротивление разрыву увеличивается на 18%; относительное удлинение на 40%; размер зерна уменьшается в 5,5…6,8 раз.
10

3. Передана лицензия в КНР «Получение смеси карбидов вольфрама и титана методом СВС и подготовка модификатора для обработки железоугле- родистых расплавов (чугунов) при внутриформенном модифицировании». Оказана помощь в передаче результатов китайской стороне.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертационной рабо- те, обсуждались на следующих конференциях: III Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы естественных и математических наук», 4 марта 2013г., Новосибирск; 15-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения по-
крытий и ремонта: теория и практика», 16-19 апреля 2013 г., Санкт- Петербург; IV International Conference Fundamental Bases of Mechanochemical Technologies , 25-28 June 2013, Novosibirsk, Russia; V Международный кон- гресс и выставка «Цветные металлы – 2013», 3-6 сентября 2013 г., Красно- ярск; II Всероссийская конференция с международным участием «Горячие точки химии твердого тела: механизмы твердофазных процессов», 25-28 ок- тября 2015 г., Новосибирск; VII Международный конгресс и выставка «Цвет- ные металлы и минералы – 2015», 14-17 сентября 2015 г., Красноярск; VIII Международный Конгресс и Выставка «Цветные металлы и Минералы – 2016», 12-16 сентября 2016 г., Красноярск.
Опытные плавки и испытания образцов и изделий из чугуна и стали проводились на предприятиях России и Китая: ООО «Центролит-С» (г. Но- восибирск), ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» (г. Новокузнецк), Институт научно- технического сотрудничества города Линьи (КНР).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 26 печат- ных работах, в том числе в 8 научных статьях, входящих в перечень рецензи- руемых научных журналов ВАК, и в 18 работах, опубликованных в других изданиях.
Личный вклад автора заключается в обсуждении и постановке задач исследования, в подготовке и проведении экспериментов по получению нанодисперсных порошков карбидов вольфрама и титана, модификаторов на
11

их основе; в проведении экспериментов по модифицированию; в изготовле- нии и исследовании образцов чугунов и сталей; анализе полученных резуль- татов, в оформлении рукописей печатных работ.
Связь работы с Государственными программами и НИР. Работа вы- полнена при поддержке федеральной целевой научно-технической програм- мы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка способа получения многофункционального реагента- модификатора на основе порошков тугоплавких соединений для обработки
железоуглеродистых расплавов» (ГК от 18 октября 2011 г. No 16.513.11.3131); гранта РФФИ 11-08-00814; заказного проекта СО РАН No 12; контрактов No 150429-1 и No 150429-2 от 29.04.2015 г. «Получение смеси карбидов воль- фрама и титана методом СВС и подготовка модификатора для обработки же- лезоуглеродистых расплавов (чугунов) при внутриформенном модифициро- вании».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Ма- териал работы изложен на 161 странице, включая 31 рисунок, 22 таблицы и 2 приложения, список использованных источников включает 205 наименова- ний.