corel ventura - untitled · 2014-01-05 · От редколлегии В последние два...

СОДЕРЖАНИЕЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯФедоровский Б. Б., Медовар Л. Б., Стовпченко А. П., Журавель В. М.,Саенко В. Я., Зайцев В. А., Смолярко В. Б., Лебедь В. А. О новом способеЭШП крупногабаритных полых слитков ...................................................... 3

Скрипник С. В. Получение крупногабаритных тонкостенных отливоксложной формы с применением электрошлаковой тигельной плавки и литьяпо газифицируемым моделям ...................................................................... 7

ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ПРОЦЕССЫТригуб Н. П., Аснис Е. А., Березос В. А., Северин А. Ю., Пискун Н. В.,Статкевич И. И. Получение сплавов интерметаллида системы TiAlс добавками бора и лантана способом ЭЛПЕ ............................................... 10

Мушегян В. О. Математическое моделирование электронно-лучевой плавкимолибдена ................................................................................................ 13

Аснис Е. А., Лесной А. Б., Пискун Н. В. Рафинирование монокристалловкремния при выращивании их способом электронно-лучевой бестигельнойзонной плавки .......................................................................................... 17

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯШаповалов В. А., Биктагиров Ф. К., Бурнашев В. Р., Никитенко Ю. А.Плазменно-дуговой переплав заготовки, скомпактированной из стружкистали ЭП609-Ш ........................................................................................ 21

Жиров Д. М. Применение плазменно-дугового жидкофазного восстановленияметаллов газами для переработки комплексного сырья ................................. 24

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИКостин В. А., Статкевич И. И., Аснис Е. А., Григоренко Г. М.,Лакомский В. В., Пискун Н. В., Козин Р. В., Березос В. А.Фрактографические исследования сплава Ti—Al-(ЛЭ) после зоннойперекристаллизации .................................................................................. 28

Лакомский В. В., Помарин Ю. М., Григоренко Г. М., Козин Р. В.Механизм азотирования жидкого металла, покрытого шлаком, азотомиз газовой фазы ........................................................................................ 31

Малашенко И. С., Ровков В. А., Куренкова В. В., Белявин А. Ф.,Федотов Д. А., Сычев В. К. Увеличение циклической долговечностимонокристаллических лопаток из сплава ЖС36ВИ путем дробеструйнойобработки их хвостовиков микрошариками .................................................. 34

ЭЛЕКТРОМЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ И ФЕРРОСПЛАВОВГригоренко Г. М., Грыцкив Я. П., Чубов Л. Н., Грыцкив А. Я. Анализжелезорудного концентрата методом ЭСА-ИСП ........................................... 43

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫМаксюта И. И., Квасницкая Ю. Г., Лашнева В. В. Технологическиепроцессы получения высокорафинированных медицинских сплавов накобальто-хромовой основе .......................................................................... 46

Григоренко Г. М., Пузрин Л. Г., Полещук М. А., Пузрин А. Л.Биметаллические материалы и изделия, изготовляемые способомвысокотемпературной некапиллярной пайки ................................................ 51

РЕЦЕНЗИИ И НАУЧНЫЕ ДИСКУССИИРецензия на монографию М. И. Гасика, М. М. Гасика «Электротермиякремния (физикохимия и технология)» ....................................................... 58

ИНФОРМАЦИЯСессия научного совета по новым материалам при комитете по естественнымнаукам международной ассоциации академий наук ....................................... 59

VI Всеукраинская научно-техническая конференция молодых ученых испециалистов «Сварка и родственные технологии» ....................................... 61

Информация о 12-й Всемирной конференции «Тi-2011» ................................ 63

© НАН Украины, ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, МА «Сварка», 2011

№ 3 (104)2011

Международный научно-теоретический и производственный журнал

Издается с января 1985 г.

Учредители: Национальная академия наук Украины Институт электросварки им. Е. О. Патона Международная ассоциация «Сварка» Выходит 4 раза в год

РЕДАКЦИОННАЯКОЛЛЕГИЯ:

Главный редактор Б. Е. Патон

М. И. Гасик,Г. М. Григоренко

(зам. гл. ред.),Д. М. Дяченко (отв. секр.),

М. Л. Жадкевич,В. И. Лакомский, Л. Б. Медовар,Б. А. Мовчан, А. Н. Петрунько,А. С. Письменный, Н. П. Тригуб,А. А. Троянский, А. И. Устинов,

В. А. Шаповалов

МЕЖДУНАРОДНЫЙРЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ:

Д. Аблизер (Франция)Г. М. Григоренко (Украина)

А. А. Ильин (Россия)Б. Короушич (Словения)С. Ф. Медина (Испания)А. Митчелл (Канада)Б. Е. Патон (Украина)Ц. В. Рашев (Болгария)Ж. Фокт (Франция)

Е. Х. Шахпазов (Россия)Т. Эль Гаммаль (Германия)

Адрес редакции:

Украина, 03680, г. Киев-150,ул. Боженко, 11

Институт электросваркиим. Е. О. Патона НАН УкраиныТел./факс: (38044) 200 82 77;

200 54 84Тел.: (38044) 205 22 07

E-mail: [email protected]://www.nas.gov.ua/pwj

Редактор: В. И. Котляр

Электронная верстка:Д. М. Дяченко,

Л. Н. Герасименко

Свидетельствоо государственной регистрации

КВ 6185 от 31.05.2002

Журнал входит в переченьутвержденных ВАК Украины

изданий для публикации трудовсоискателей ученых степеней

При перепечатке материаловссылка на журнал обязательна.За содержание рекламных

материалов редакция журналаответственности не несет.

Издатель: Международная ассоциация «Сварка»

CONTENTSELECTROSLAG TECHNOLOGYFedorovsky B.B., Medovar L.B., Stovpchenko A.P., ZhuravelV.M., Saenko V.Ya., Zaitsev V.A., Smolyarko V.B., Lebed V.A.About new method of ESR of large-size hollow ingots .............................. 3Scripnik S.V. Producing of large-size thin-walled intricate castingsusing electroslag crucible melting and flask full-form casting ................... 9

ELECTRON BEAM PROCESSESTrigub N.P., Asnis E.A., Berezos V.A., Severin A.Yu., PiskunN.V., Statkevich I.I. Producing of intermetallic alloys of TiAlsystem with boron and lanthanum additions using the EBCHMmethod ................................................................................................. 10Mushegyan V. O. Mathematical modeling of electron beammelting of molybdenum ......................................................................... 13Asnis E.A., Lesnoy A.B., Piskun N.V. Refining of silicon singlecrystals in their growing by the method of electron beamcrucibleless zonal melting ...................................................................... 17

PLASMA-ARC TECHNOLOGYShapovalov V.A., Biktagirov F.K., Burnashev V.R., NikitenkoYu.A. Plasma-arc remelting of billet, compacted of EP609-Sh steelchips ..................................................................................................... 21Zhirov D.M. Application of plasma-arc liquid-phase reduction ofmetals by gases for recycling of complex raw materials .......................... 24

GENERAL PROBLEMS OF METALLURGYKostin V.A. , Statkevich I.I., Asnis E.A., Grigorenko G.M.,Lakomsky V.V., Piskun N.V., Kozin R.V.,Berezos V.A.Fractographic examinations of Ti—Al-(LE) alloy after zonalrecrystallization ...................................................................................... 28Lakomsky V.V., Pomarin Yu.M., Grigorenko G.M., Kozin R.V.Mechanism of nitriding of molten metal, covered with slag, bynitrogen from the gas phase .................................................................. 31Malashenko I.S., Rovkov V.A., Kurenkova V.V., Belyavin A.F.,Fedotov D.A., Sychev V.K. Increase in cyclic life of single crystalblades of alloy ZhS36VI using shot-blasting treatment of theirstems with microballs ............................................................................ 34

ELECTROMETALLURGY OF STEEL AND FERROALLOYSGrigorenko G.M., Grytskiv Ya.P., Chubov L.N., Grytskiv A.Ya.Analysis of iron ore concentrate by ESA-ISP method .............................. 43

NEW MATERIALSMaksyuta I.I., Kvasnitkaya Yu.G., lashneva V.V. Technologicalprocesses of producing highly-refined medical alloys oncobalt-chromium base ........................................................................... 46Grigorenko G.M., Puzrin L.G., Poleshchuk M.A., Puzrin A.L.Bimetal materials and products manufactured by the method ofhigh-temperature non-capillary brazing .................................................. 51

REVIEWS AND SCIENTIFIC DISCUSSIONSReview of monograph of Gasik M.I., Gasik M.M. «Electrothermicsof silicon (physics- chemistry and technology)» ...................................... 58

INFORMATIONSession of Scientific Council on New Materials at the Committee onNatural Sciences of the International Association of Academies ofSciences ............................................................................................... 59VI All-Ukrainian Scientific-Technical Conference of young scientistsand specialists «Welding and allied technologies» ................................... 61Information about the 12th World Conference «Ti-2011» ......................... 63

№ 3 (104)2011

International Scientific-Theoretical and Production Journal

Published since January, 1985

Founders: The National Academy of Sciences of Ukraine The E. O. Paton Electric Welding Institute International Association «Welding» Is published 4 times a year

© NAS of Ukraine, The E. O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine, International Association «Welding», 2011

EDITORIAL BOARD:

Editor-in-Chief B. E. Paton

M. I. Gasik,G. М. Grigorenko (vice-chief ed.),D. М. Dyachenko (exec. secr.),М. L. Zhadkevich, V. I. Lakomsky,

L. B. Меdоvаr, B. А. Моvchan,А. N. Petrunko, A. S. Pismenny,N. P. Тrigub, A. A. Troyansky,A. I. Ustinov, V. A. Shapovalov

THE INTERNATIONALEDITORIAL COUNCIL:

D. Ablitzer (France)G. М. Grigorenko (Ukraine)

A. A. Iljin (Russia)B. Кoroushich (Slovenia)

S. F. Мedina (Spain)А. Мitchell (Canada)B. E. Paton (Ukraine)

Ts. V. Rаshеv (Bulgaria)J. Foct (France)

E. H. Shahpazov (Russia)Т. El Gаmmаl (Germany)

Address:

The E. O. Paton ElectricWelding Institute

of the NAS of Ukraine,11, Bozhenko str., 03680,

Kyiv, UkraineTel./fax: (38044) 200 82 77;

200 54 84Tel.: (38044) 205 22 07

E-mail: [email protected]://www.nas.gov.ua/pwj

Editor: V. I. Kotlyar

Electron galley:D. М. Dyachenko, L. N. Gerasimenko

State Registration CertificateKV 6185 of 31.05.2002

All rights reserved.This publication and each of thearticles contained here in are

protected by copyright

Permission to reproduce materialcontained in this journal must be

obtained in writing from the Publisher

Publisher: International Association «Welding»

SOVREMENNAYAELEKTROMETALLURGIYA

(Electrometallurgy Today)

«Sovremennaya Elektrometallurgiya» journal is published in English under the title of «Advances in Electrometallurgy»

by Camdridge International Science Publishing

От редколлегии

В последние два три-года наблюдается бум сообщений об освоении технологиипроизводства крупных полых слитков преимущественно в компаниях, работающихв заготовительном производстве энергетического машиностроения. Так, заявилиоб освоении 140...220-тонных полых слитков металлурги двух всемирно известныхфирм «АREVA» (Франция ) и «Sheffield Forgemasters» (Англия). Начал работыв этом направлении гигант отечественного тяжелого и энергетического машинос-троения краматорский «Энергомашспецсталь». Аналогичные работы финанси-руются государством в Китае. В этой связи напомним, что пионерами производ-ства тяжелых полых слитков являются известнейшие японские фирмы «Kobelco»и «Japan Steel Works» (JSW), а в Украине специалистами ИЭС им. Е. О. ПатонаНАН Украины и ПО «Ждановтяжмаш» (ныне «Азовмаш») полый 120-тонныйслиток освоен более 25 лет назад. Опыт применения ЭШП в получении полыхслитков свидетельствует о несомненных преимуществах ЭШП полых слитков,в сравнении с окрытой выплавкой. Редколлегия планирует продолжить публи-кацию материалов по этой тематике и приглашает своих постоянных читателейи авторов к обсуждению данной проблемы.

УДК 669.117.6

О НОВОМ СПОСОБЕ ЭШПКРУПНОГАБАРИТНЫХ ПОЛЫХ СЛИТКОВ

Б. Б. Федоровский, Л. Б. Медовар, А. П. Стовпченко,В. М. Журавель, В. Я. Саенко, В. А. Зайцев,

В. Б. Смолярко, В. А. Лебедь

Рассмотрены перспективы получения крупных полых слитков ЭШП. Оценена возможность выплавки полых слитковпо двухконтурной схеме ЭШП ДС с применением токоведущего и нетоковедущего дорна. Приведено сравнениеразличных схем получения полых слитков ЭШП. Показана возможность выплавки полых слитков со сменой элек-тродов по ходу переплава.

Prospects for producing large-size hollow ESR ingots are considered. The possibility of melting hollow ingots bytwo-circuit diagram (ESR TC) using current-carrying and non-current-carrying mandrel is estimated. Comparison ofdifferent diagrams of producing hollow ESR ingots was made. The opportunity of melting hollow ingots with a changeof electrodes during remelting is shown.

Ключ е вы е с л о в а : электрошлаковый переплав; двух-контурная схема питания; токоведущий кристаллизатор;полый слиток; токоведущий дорн

Применение электрошлакового переплава (ЭШП)для получения полых слитков реализовано в ИЭСим. Е.О. Патона НАН Украины много лет назад.Его традиционные технологии успешно применяют-

ся и сегодня в промышленности [1, 2]. При значи-тельном многообразии существуют два основныхспособа ЭШП полых слитков. Первый реализуютс применением так называемый прошивки привстречном движении расходуемого электрода и на-плавляемого слитка с прямой электрической схемойподключения электрода.

© Б. Б. ФЕДОРОВСКИЙ, Л. Б. МЕДОВАР, А. П. СТОВПЧЕНКО, В. М. ЖУРАВЕЛЬ, В. Я. САЕНКО, В. А. ЗАЙЦЕВ, В. Б. СМОЛЯРКО, В. А. ЛЕБЕДЬ, 2011

3

Второй способ получил большее распростране-ние и основан на применении бифилярной электри-ческой схемы подключения, как правило, 6…8 рас-ходуемых электродов.

В силу вполне понятных технически причинЭШП полых слитков до последнего времени при-меняли преимущественно для изготовления объек-тов военного назначения. Масса слитков достигалапримерно 20 т, длина – 5…6 м. Несмотря на вы-сокие значения физико-механических свойств лито-го металла ЭШП, сопоставимые с таковыми дефор-мированного металла, полые слитки ЭШП в основ-ном используют после деформации [3, 4].

Сегодня интерес к технологии производства по-лых слитков опять усилился. Вызвано это стрем-лением к максимальной экономичности. Тради-ционные технологии производства всевозможныхобечаек, сосудов, толстостенных труб базируютсяпреимущественно на ковке их из сплошных кузнеч-ных слитков с весьма низким выходом годного.

Некоторые сравнительные данные об эффектив-ности применения полых слитков приведены в таб-лице, основанной на данных отечественных заводовтяжелого машиностроения и на экспертных оценках.

С учетом потенциальных возможностей ЭШПнеобходимо, на наш взгляд, вернуться к обсужде-нию перспектив и преимуществ ЭШП в производ-стве полых слитков значительно больших габаритов

и массы, нежели ранее. Авторы полагают, что тех-нически и экономически может быть эффективнойвыплавка полых слитков ЭШП массой примерно300 т. Возможности получения полых слитков такоймассы и принципы создания соответствующего обо-рудования на основе технологии ЭШП с прямой пере-работкой жидкого металла без расходуемых электро-дов опубликованы ранее в работах [5, 6].

Вместе с тем, в связи с необходимостью приме-нения ЭШП в защитной атмосфере для целого рядавысоколегированных сталей и сплавов следуетиметь возможность получения крупногабаритныхполых слитков ЭШП путем стандартного переплаварасходуемых электродов.

При производстве крупногабаритных сплошныхслитков ЭШП обычно применяют смену электродовпо ходу переплава. Это позволяет значительноуменьшить длину расходуемых электродов и высо-ту печи.

Для выплавки полых слитков длиной более3…4 м, как свидетельствует практика, применениепрошивки невозможно.

При многоэлектродной бифилярной схеме реа-лизовать коэффициент заполнении более 0,5 прак-тически очень сложно, поэтому требуется исполь-зовать очень длинные электроды.

Так, на недавно построенной концерном «Энер-гомаш» (Россия, г. Белгород) уникальной печи

Выход годного металла (ВГМ)* при производстве полой заготовки прошивкой из слитка сплошного металла и и его эконо-мия при выплавке полого слитка ЭШП

Наименование деталиМасса

поковки, т

Параметры сплошного слитка под прошивку

Диаметр, мм Длина или высота,мм

Масса слитка, т ВГМ, %наружный внутренний

Вал 173,0 2710 1300 9410 290,0 59,66

Гидровал 128,0 2180 800 9150 190,0 67,37

Кольцо упорное 88,0 5530 4390 1210 130,0 67,69

Валок опорный 1800×3400 110,0 1890 — 8270/3480(бочка валка)

182,0 60,44

Траверса цилиндра 136,5 4680 1970 1190 190,0 71,84

Плита 2×35,0 2950 2450 4650 124,5 56,22

Труба 23,0 1020 690 6500 32,7 70,33

Окончание таблицы

Наименование детали

Параметры полого слитка ЭШП**

Экономия металлапри выплавкеполого слиткаЭШП, т/%

Диаметр, мм Длина или высота,мм

Масса слитка, тнаружный внутренний

Вал 2800 950 4200 185 105/36

Гидровал 2900 700 2800 140 50/26

Кольцо упорное 2800 950 2200 95 35/27

Валок опорный 1800×3400 2300 — 3500 115 67/37

Траверса цилиндра 3200 850 2400 140 50/26

Плита 2450 850 2300 75 49,5/40,0

Труба 1050 690 6500 25 7,7/27,0*Расчетное значение, включающее допуски на потери при ковке и полученное исходя из реального многолетнего производственногоопыта.**Экспертные данные.

4

ЭШП планируют выплавлять полые слитки диамет-ром до 1 м и длиной до 10 м (см. 2-ю страницуобложки журнала) [7]. Таким образом, сплавляе-мая часть расходуемых электродов должна состав-

лять около 20 м. Вполне очевидно, что прямое при-менение известных решений в данном случае при-водит к неоправданному усложнению и печи, и тех-нологии.

Рис. 1. Схема ЭШП ДС полых слитков в токоподводящем кристаллизаторе с использованием жидкого металла и токоведущегодорна (а), а также расходуемых электродов и нетоковедущего дорна (б)

Рис. 2. Регистрограммы электрических параметров плавок по схемам рис. 1 с использованием жидкого металла и токоведущегодорна (а), а также расходуемых электродов и нетоковедущего дорна (б): 1 – мощность; 2 – напряжение; 3 – ток; 4 – скоростьвытяжки; 5 – напряжение на электродах; 6 – напряжение на кристаллизаторе; 7 – ток на электроде; 8 – имитация; l – длина

5

Нами сделана попытка реализовать процессЭШП полых слитков со сменой электродов по ходупереплава.

Суть нового способа заключается в использо-вании подвижного токоведущего кристаллизатора,в который переплавляют расходуемые электродыпо двухконтурной схеме, так называемый процессЭШП ДС. Это дает возможность производить сменурасходуемых электродов без опасности зажатиядорна при усадке металла или нарушения форми-рования слитка. В свою очередь, смена электродовпо ходу плавки позволяет получать длинномерныезаготовки при сравнительно невысокой колоннепечи, имеющей небольшую грузоподъемность.

Принципиальные схемы предлагаемых новыхспособов ЭШП полых слитков приведены на рис. 1.

Опытные плавки выполняли в кристаллизаторес внутренним диаметром 350 мм. При этом наруж-ные диаметры токоведущего и нетоковедущего дор-нов были одинаковыми и составляли 114 мм.

Общая мощность на шлаковой ванне при реали-зации обеих схем составляла 450…500 кВ⋅А. В слу-чае плавки по схеме рис. 1, а эта мощность распре-делялась между кристаллизатором и дорном как(300…340):(140…160) кВ⋅А.

В опытах оценивали стабильность процесса,симметричность металлической ванны, качествовнутренней и наружной поверхности слитков, а так-же имитировали смену расходуемых электродов пу-тем кратковременного их отключения и извлеченияиз шлаковой ванны.

Результаты этих исследований показали (рис. 2),что стабильность процесса в обоих случаях удов-летворительная при несколько лучшей в случаеиспользования схемы рис. 1, а. Отключение расхо-дуемых электродов и извлечение их из шлаковойванны на 5 мин не привело к нарушению стабиль-ности процесса, и после последующего погруженияэлектродов в шлак плавка продолжалась в том жережиме (126…131 мин плавки – рис. 2, б).

Макроструктура полученных слитков была плот-ной и однородной. Поры отсутствовали. Структурацентральной части слитков характеризовалась на-

личием зоны столбчатых кристаллов и отсутствиемликвационных дефектов (рис. 3, а). Изменения вструктуре слитка в зоне, имитирующей смену элек-тродов (отмечена линией профиля жидкометалли-ческой ванны), не выявлены.

Симметричность металлической ванны оценива-лась по расположению линии встречи кристаллов,видимой на головной поверхности слитка (рис. 3, б).Как видно из рисунка, расположение этой линииадекватно расположению таковой на продольноммакротемплете полого слитка.

Следует отметить, что схема рис. 1, а также имеетбольшие потенциальные возможности для управле-ния формой металлической ванны при условии не-зависимого регулирования электрической мощности(например, при использовании двух источников пита-ния) в цепях кристаллизатора и дорна.

Таким образом, результаты проведенных иссле-дований показали принципиальную возможностьэлектрошлаковой выплавки длинномерных полыхслитков высокого качества с применением сменырасходуемых электродов.

1. Патон Б.Е., Медовар Б.И., Бойко Г.А. / Электрошлако-вое литье. – Киев: Наук. думка, 1981. – 192 с.

2. Жадкевич М.Л., Шевцов В.Л., Пузрин Л.Г. Электрошла-ковое литье полых слитков и заготовок в промышленномпроизводстве // Современ. электрометаллургия. –2008. – Вып. 3. – С. 7—14.

3. Morizot C., Witzke S. An application of hollow ESR ingots// Proc. of the Intern. sym. on electroslag remelting tech-nology and equipment (May 15—17, 2001, Kyiv, Ukrai-ne). – Kyiv, 2001. – P. 131—134.

4. К вопросу выплавки тонкостенных полых электрошлако-вых слитков / Б.И. Медовар, В.М. Баглай, Б.Б. Федо-ровский и др. // Спец. электрометаллургия. – 1974. –Вып. 26. – С. 13—17.

5. Medovar L.B., Tsykulenko A.K., Saenko V.Ya. et al. NewElectroslag Technologies // Proc. of the International sym.on electroslag remelting technology and equipment (May15—17, 2001, Kyiv, Ukraine). – Kyiv, 2001. – P. 49—60.

6. Патон Б.Е., Медовар Б.И. 40 лет ЭШП: есть ли перс-пектива? (в порядке обсуждения) // Сталь. – 1998. –Вып. 11. – С. 24—27.

7. http://www.energomash.ru/2011/01/27/filial-gruppy-yenergomash-g-volgodonsk.html

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев

ЧП «Элмет-Рол», Киев

Поступила в редакцию 20.07.2011

Рис. 3. Макроструктура полого слитка,выплавленного с имитацией сменыэлектродов: а – форма металлическойванны; б – расположение линии встречикристаллов на головной поверхностислитка

6

УДК 669.117.56

ПОЛУЧЕНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХТОНКОСТЕННЫХ ОТЛИВОК СЛОЖНОЙ ФОРМЫ

С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ ТИГЕЛЬНОЙПЛАВКИ И ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ

С. В. Скрипник

Представлена технологическая схема совмещения процессов электрошлаковой тигельной плавки и литья в опокипо газифицируемыми моделями. На примере получения тонкостенной отливки с развитой поверхностью из жаро-прочной стали 20Х20Н14Г2А показаны большие возможности совмещения рассматриваемых процессов. Преиму-щества данной ресурсосберегающей технологии заключаются в ее мобильности, высоком качестве и экономичности.Разработанная технология может быть использована для единичного и мелкосерийного производств.

The technological diagram of combination of processes of crucible melting and flask full-form casting is presented. Onthe example of producing thin-walled castings with a developed surface from the heat-resistant steel 20Kh20N14G2Athe great challenges in combining the processes being considered are shown. Advantages of the present resources-savingtechnology consist in its mobility, high quality and economy. The developed technology can be used for single andsmall-batch production.

Ключ е вы е с л о в а : крупногабаритная тонкостеннаяотливка; электрошлаковая тигельная плавка; жаропрочныйсплав; литье по газифицированным моделям; опока; вакууми-рование

Поддоны из жаропрочной стали открытой выплав-ки работают в термических печах при высокой тем-пературе (700…1100 °С) с частой сменой темпера-турного режима. В этих условиях требования к ка-честву заготовок поддонов очень высоки. В то жевремя из-за сложной геометрической формы и боль-шого разнообразия конфигурации этих изделий за-ливку металла обычно производят в наиболее прос-тые в изготовлении песчано-глинистые формы, чтоне способствует достижению высокого качества.

Изготовление металлических форм (кокилей)для таких сложных по форме изделий весьма тру-доемко и дорого, а в некоторых случаях и невоз-можно. Улучшить качество жаропрочных поддонови одновременно повысить мобильность их произ-водства можно путем рафинирования жидкого ме-талла от неметаллических включений, газов и вред-ных примесей в процессе электрошлаковой тигель-ной плавки (ЭШТП) [1, 2], а затем использованиялитья в опоки по газифицируемыми моделями(ЛГМ) [3—5].

Электрошлаковая тигельная плавка с литьем вкокиль в виду своей высокой эффективности полу-чила распространение на ряде машиностроитель-ных заводов. В некоторых случаях сдерживающим

фактором ее распространения является сложностьи дороговизна металлических кокилей.

ЛГМ является прогрессивным способом, позво-ляющим получать отливки с точностью, равной та-ковой литья выплавляемых моделей при уровне зат-рат, сопоставимом с литьем в песчано-глинистыеформы.

Кроме того, этот способ позволяет уменьшитьзатраты на оборудование, сократить количествотехнологических операций, использовать недоро-гую оснастку. Благодаря применению в качествеформовочного материала оборотного кварцевогопеска и упрочнения формы вакуумом исключаетсяпотребность в стержнях и оборудовании для их из-готовления.

Цель данной работы заключается в исследо-вании возможности получения тонкостенных высо-кокачественных поддонов сложной конфигурациииз высоколегированной стали по технологии ЭШТПсовместно с ЛГМ.

Работы производили в электрошлаковой тигель-ной печи, снабженной футерованным тиглем и опо-ками с сухим кварцевым песком, на одном из ма-шиностроительных заводов.

В качестве исходного материала использовалиотработанные поддоны из жаропрочной стали мар-ки 20Х20Н14Г2А сложной решетчатой формы с тол-щиной боковых стенок и ребер 12 мм, массой 120 кг.

© С. В. СКРИПНИК, 2011

7

Из частей отработанных поддонов получили расхо-дуемые электроды путем их сборки (сварки).

Для накопления требуемой порции жидкого ме-талла осуществляли электрошлаковый переплаврасходуемых электродов в футерованном магнези-товым кирпичом тигле под флюсом АН-295. Такойвыбор флюса обусловлен его приемлемой темпера-турой плавления (1400…1420 °С) и содержаниемминимального количества (11…17 %) химическиагрессивного (по отношению к магнезиту) фторис-того кальция.

Процесс ЛГМ состоит из двух основных стадий(рис. 1). В первой на основе заданного чертежаизделия производили расчленение его на простей-шие элементы. В зависимости от выбранного поло-жения модели в опоке принимали конструкцию не-обходимой литниково-питающей системы с рассре-доточенным подводом металла к модели.

Для вырезки из полистироловой плиты элемен-тов изделия применяли нихромовую проволоку ди-аметром 0,5 мм, через которую пропускали ток в3…5 А, регулируемый с помощью трансформатора.Такая проволока пригодна для вырезки очень мел-ких контуров. Ее температура достигает 250…400 °С.Модель выполняли с учетом усадки металла на2,4…2,5 %, припуска на механическую обработкупосадочных мест, технологических уклонов, необ-ходимых для направленного затвердевания и пита-ния (рис. 2, а).

Сборку элементов производили при помощиклея. Для улучшения чистоты поверхности отливкигазифицируемую модель покрывали слоем проти-вопригарной краски. Окрашивали модель в один

слой специальными красками путем окунания в ван-ну. Сушили окрашенную модель в камере при тем-пературе 40…60 °С в течение 2…3 ч. Окрашиваниемодели способствует предохранению отливки отпригара и повышению прочности. Толщина покры-тия составляла 1…2 мм.

Вторая стадия включала установку модели вопоку, заполнение опоки сухим песком, виброуп-лотнение, вакуумирование и заливку.

Полученную модель помещали в вертикальномположении (рис. 2, б) в опоку, оборудованную сис-темой для подключения вакуума. Затем установлен-ную на виброплите опоку заполняли постепенно за-сыпкой сухим песком во время вибрации либо пос-лойно. Толщина начального слоя сухого песка (по-душка) до установки модели составляла 50 мм. Пос-ле виброуплотнения песка опоку покрывали поли-этиленовой пленкой.

Опоку специальной конструкции подвергаливакуумированию до заливки металла, в процессезаливки и в период затвердевания. Заливку элект-рошлакового металла производили после скачива-ния шлака, участвующего в переплаве, непосредст-венно в полистирольный стояк.

Горячий металл выжигает (газифицирует) по-листирол и занимает его место. Выделяющиеся газы

Рис. 2. Модели заготовки поддона (а) и заготовки с литниково-питающей системой (б)

Рис. 1. Схема подготовки и литья заготовки поддона

8

отсасываются через слой краски в песок, а затем ввакуумную систему. Металл точно повторяет формуполистирольной модели.

Время охлаждения отливки в опоке составляло20…25 мин. После охлаждения отливки опоку по-ворачивали на специальном стенде-кантователе на180°. Отливка (рис. 3) и песок обычно легко уда-ляются из опоки. После ее извлечения литниковаясистема обрезается. Деталь пескоструится от остат-ков пенополистирола и антипригарной краски.

Полученная заготовка поддона из жаропрочнойстали 20Х20Н14Г2А решетчатой конструкции с ос-новной толщиной ребер 12 мм имела габаритныеразмеры 610 1000 142 мм, массу 125 кг (рис. 4).

Испытание опытных заготовок поддонов в про-изводственных условиях (рис. 5) показали их стой-кость выше, чем у серийных поддонов, отлитых впесчано-глинистых формах, на 50…60 %.

Таким образом, разработанная технология мо-жет быть использована для получения единичныхи мелкосерийных изделий. При средне- и крупно-серийном производстве применяют модели, полу-ченные из пенополистирола мелких гранул фрак-цией от 0,3 до 0,9 мм способом прессования в обыч-ных пресс-формах.

Совместное использование процессов ЭШТП иЛГМ обеспечивает мобильность производства, вы-сокие качество и технико-экономические показате-ли изделий ответственного назначения и сложнойконфигурации.

1. Патон Б. Е., Медовар Б. И., Бойко Г. А. Электрошлако-вое литье. – Киев: Наук. думка, 1981. – 192 с.

2. Электрошлаковая тигельная плавка и разливка металла /Б. И. Медовар, В. Л. Шевцов, В. Л. Мартын и др. –Киев: Наук. думка, 1988. – 216 с.

3. Шуляк В. С., Шинский О. И., Валегура А. И. Техноло-гические и экономические аспекты литья по выжигаемыммоделям. – Киев: Ин-т пробл. литья АН УССР, 1991. –С. 2—24.

4. Шинский О. И. Механизм формирования качества отли-вок, полученных по газифицированным моделям // Ли-тейн. пр-во. – 1991. – № 1. – С. 4—7.

5. Шуляк В. С., Рыбаков С. А., Григорян К. А. Произ-водство отливок по газифицируемым моделям. – М.: Ме-таллургия, 2001. – 324 с.

НТУУ «Киевский политехнический институт»

Поступила 10.06.2011

Рис. 4. Вид на поддоны после очистки и механической обработки

Рис. 5. Поддоны с заготовками штампуемых деталей перед по-садкой в термическую печь

Рис. 3. Заготовка после извлечения из опоки

9

УДК 669.187.826

ПОЛУЧЕНИЕ СПЛАВОВ ИНТЕРМЕТАЛЛИДАСИСТЕМЫ TiAl С ДОБАВКАМИ БОРА

И ЛАНТАНА СПОСОБОМ ЭЛПЕ

Н. П. Тригуб, Е. А. Аснис, В. А. Березос,А. Ю. Северин, Н. В. Пискун, И. И. Статкевич

Разработана технология электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью интерметаллида TiAl с введениемв него в процессе плавки бора и лантана из гексаборида лантана. Изучены микроструктура и фрактография полу-ченных слитков.

Разработана технология электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью интерметаллида TiAl с введениемв него в процессе плавки бора и лантана из гексаборида лантана. Изучены микроструктура и фрактография полу-ченных слитков.

Ключ е вы е с л о в а : интерметаллид системы TiAl;электронно-лучевая плавка; гексаборид лантана; металло-графические исследования

Для развития современной техники требуется созданиематериалов, способных эффективно работать в усло-виях длительного циклического воздействия высоко-температурных агрессивных сред. Большой резерв по-вышения значений эксплуатационных характеристикконструкций заключается в создании сплавов интер-металлидных соединений с высоким уровнем жарос-тойкости и термической стабильности, а также в усо-вершенствовании технологии их получения.

Титановые сплавы на основе упорядоченных ин-терметаллидных соединений TiAl и Ti3Al являютсяважным классом конструкционных сплавов с уни-кальным набором физических и механическихсвойств. Они характеризуются повышенной жаро-прочностью, низкой плотностью, высоким модулемупругости и хорошим сопротивлением окислению винтервале температур 550…850 °С [1], поэтому яв-ляются перспективными жаропрочными материала-ми для применения в аэрокосмической технике иэнергетическом машиностроении.

В состав интерметаллида TiAl входит титан (око-ло 50 %), а также легирующие элементы (ниобий,церий, хром, ванадий и др.), характеризующиесявысокой химической активностью к газам и приме-сям при повышенных температурах, в результате

чего необходимо проводить процесс плавки в за-щитной атмосфере или в условиях вакуума.

Способ электронно-лучевой плавки (ЭЛП) ин-терметаллидов систем TiAl и Ti3Al является весьмаперспективным, позволяющим обеспечивать высо-кую степень удаления вредных примесей (рис. 1).Применение промежуточной емкости при электрон-но-лучевой плавке способствует рафинированию,усреднению химического состава и удалению вклю-чений высокой и низкой плотности [2]. Процесс по-лучения слитков γ-алюминида титана способом элек-тронно-лучевой плавки подробно описан в работе [3].

Низкая пластичность (менее 1 %) при комнат-ных температурах [4] значительно усложняет тех-нологическую обработку интерметаллидных спла-вов и является основным препятствием на пути кширокому применению их в промышленности. Внастоящее время ведутся работы по определениюлегирующих элементов для сплавов на основе ин-терметаллидных соединений TiAl и Ti3Al, способ-ствующих увеличению их пластичности.

Для улучшения пластических свойств интерметал-лидов системы TiAl в качестве легирующего элементавводят небольшое количество (от 0,1 до 0,5 мас. %)бора, который повышает температуру перехода в од-нофазную α-область и снижает температуру переходаиз однофазной α- в двухфазную α+β-область, т. е.действует как β-стабилизирующий элемент [5].

© Н. П. ТРИГУБ, Е. А. АСНИС, В. А. БЕРЕЗОС, А. Ю. СЕВЕРИН, Н. В. ПИСКУН, И. И. СТАТКЕВИЧ, 2011

10

При электронно-лучевой плавке затруднительновводить бор в выплавляемый интерметаллид TiAl,поскольку под воздействием электронно-лучевогонагрева при расплавлении бора, имеющего высокуюупругость пара при плавлении, происходит егосильное испарение, а также распыление и унос час-тиц при его введении в шихту виде порошка. Поэ-тому для этой цели применили гексаборид лантанаLaB6, имеющий значительно меньшую упругостьпара при плавлении, чем бор, и уменьшающий егоиспарение.

Кроме того, таким образом можно вводить всплав лантан, что также способствует повышениюпластичности выплавленного интерметаллида пригорячей деформации [6].

Цель работы заключалась в проведении иссле-дований и разработке технологии получения слит-ков интерметаллидного сплава Ti—28 %Al—X(X—Nb,Zr, Cr) с дополнительным легированием бором илантаном при электронно-лучевой плавке с проме-жуточной емкостью (ЭЛПЕ).

Опытные плавки слитков диаметром 165 мм ин-терметалида TiAl проводили на установке УЭ-208М.Переплавляли шихту титанового сплава ВТ1-0, тех-нически чистого алюминия, электролитическогохрома, ниобия и циркония. Гексаборид лантана вво-дили в шихту в виде цилиндрических прессовок,полученных прессованием порошка LaB6 в специ-альной пресс-форме. Готовые прессовки гексабори-да лантана помещали между тугоплавкими компо-нентами шихты с тем, чтобы избежать прямого воз-действия на них электронно-лучевого нагрева и воз-можности испарения. При подготовке шихты леги-рующие элементы с высокой упругостью пара (хром иалюминий) шихтовали с учетом потерь на испарение.

После загрузки шихты установку вакуумирова-ли. В начале шихту сплавляли в промежуточнуюемкость, а затем жидкий металл периодически сли-вали в медный водоохлаждаемый кристаллизатор(рис. 1) до получения слитка необходимой высоты.

На рис. 2 представлен выплавленный слиток.С использованием метода химического анализа

исследовали состав интерметаллида TiAl. Отборпроб производили вдоль слитка на глубине 10 ммот поверхности, а в радиальном направлении (по-перек слитка) – на радиусах 70, 50 и 30 мм. Ис-следовали три зоны – верхнюю, нижнюю и сере-дину слитка. Содержание лантана определяли в техже зонах способом спектрального анализа. Резуль-таты химического анализа интерметаллида TiAl, ле-гированного дополнительно бором и лантаном,представлены в таблице.

Исследовали микроструктуры слитков с добав-ками бора и лантана (рис. 3, а) и без них (рис. 3, б).

Как правило, микроструктура интерметаллид-ных сплавов на основе γ-TiAl + α2-Ti3Al характери-зуется вытянутыми колониями пластинчатых струк-тур, от длины которых и расстояния между нимизависят пластические свойства интерметаллидов, атакже зарождение и развитие трещин в этом мате-риале в процессе его охлаждения.

Микроструктура слитков TiAl, не содержащихбор, состоит из (γ+α2) пластинчатих колоний с вы-делениями β-фазы, но значительно более крупнымизернами с длиной ламелей 40 мкм и расстояниеммежду ними 5,7 мкм.

Химический состав интерметаллида TiAl

№ пробыМассовая доля элементов, %

Al Nb Zr Cr Ti

1 30,2 10,89 2,99 3,01 55,8

2 28,3 11,26 3,07 2,87 55,6

3 28,8 11,85 3,22 2,87 55,7

Примечания: 1. Исследования проводили в ИЭС им. Е. О. Патона под руководством канд. хим. наук С. С. Огняника.2. В состав интерметаллида TiAl каждой пробы дополнительно входило 0,1 B и 0,01 La.

Рис. 1. Процесс плавки интерметалида TiAl

Рис. 2. Слиток интерметаллида TiAl после двойного переплава

11

Добавление в сплав небольшого количества бораспособствует уменьшению размера колоний (длиныламелей и расстояния между ними). При кристал-лизации он образует мелкодисперсные бориды(преимущественно TiB2 [5, 7]), которые могут какизмельчать микроструктуру слитка, так и эффек-тивно сдерживать рост зерен при нагреве в α-облас-ти, особенно после горячей деформации.

Исследование микроструктуры полученного слит-ка показало, что она является типичной для литогосплава интерметаллида и состоит из мелких зерен спластинчатыми колониями (γ+α2) со средней длинойламелей 25 мкм и расстоянием между ними 2,7 мкм,светлых слоев β-фазы и темных участков γ-зерен, рас-положенных вдоль границ колоний. Количественныймикрорентгеноспектральный анализ показал, чтосветлые области обогащены ниобием, который явля-ется β-стабилизатором. Можно предположить, чтовыявленная светлая фаза является β-фазой.

Проведенные металлографические исследова-ния показали, что введение 0,1 мас. % бора в сплавспособствует уменьшению длины ламелей пластин-чатых колоний и расстояния между ними примернов 2 раза. Кроме того, на электронном сканирующеммикроскопе JOEL выполнены фрактографическиеисследования образцов интерметаллида TiAl без бо-ра и с добавками бора, которые показали, что вобразцах интерметаллида, содержащего бор, изломимеет чешуйчатую структуру с гребешками отрыва,характерными для вязкой составляющей. В изло-мах же образцов без бора обнаружен выраженный

транскристаллитный ручеистый излом по механиз-му скола, характерного для хрупкого разрушения.

На рис. 4 представлены фрактограммы изломовобразцов в сплаве интерметаллида ТiAl с бором илантаном (рис. 4, а) и без них (рис. 4, б).

Таким образом, разработанная технология иопытные плавки слитков интерметаллида системыTiAl способом ЭЛПЕ, а также проведенные метал-лографические исследования показали перспектив-ность использования данного способа для получе-ния качественных слитков алюминидов титана, ле-гированных бором и лантаном.

1. Иванов В. И., Ясинский К. К. Эффективность примене-ния жаропрочных сплавов на основе интерметаллидовTi3Al и TiAl для работы при температурах 600…800°С вавиакосмической технике // Технология легких сплавов. –1996. – № 3.

2. Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электронно-лучевая плавка тугоплавких и высокореакционных метал-лов. – Киев: Наук. думка, 2008. – 311 с.

3. Жук Г. В., Тригуб Н. П., Замков В. Н. Получение слит-ков γ-алюминида титана способом ЭЛПЕ // Современ.электрометаллургия. – 2003. – № 4. – С. 20—22.

4. Пластическая и сверхпластическая деформация сплавовна основе Ti3Al / С. И. Михайлов, С. Г. Глазунов, Г. А. Пав-лов и др. // Авиац. пр-сть. – 1991. – № 4. – С. 37—39.

5. Новые подходы к разработке сплавов на основе фаз γ-TiAl+ α2-Ti3Al / Р. М. Имаев, В. М. Имаев, Т. Г. Хисматул-лин и др. // Физика металлов и металловедение. –2006. – 102, № 1. – С. 114—122.

6. Структура и некоторые свойства литых сплавов на осно-ве TiAl, легированных V, Nb, Ta, Hf, Zr / К. Б. Поваро-ва, О. А. Банных, И. В. Буров и др. // Металлы. –1998. – № 3. – С. 31—40.

7. Савицкий Е. М., Терехова В. Ф. Металловедение редко-земельных материалов. – М.: Наука, 1975. – С. 270.



Рис. 3. Микроструктуры ( 500) сплава интерметаллида TiAl, легированного бором и лантаном (а) и без них (б)

Рис. 4. Фрактограммы ( 220) изломов интерметаллида TiAl, легированного бором и лантаном (a) и без них (б)

12

УДК 669.187.526:51.001.57

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ МОЛИБДЕНА

В. О. Мушегян

Созданы математическая модель и расчетная программа для определения режимов плавки молибденовых слитковв водоохлаждаемый кристаллизатор. На основе экспериментальных данных определены коэффициенты уравненийзадачи теплопереноса. Модель позволяет оптимизировать процесс электронно-лучевой плавки с промежуточнойемкостью (ЭЛПЕ) молибдена с применением периферийного обогрева слитка в кристаллизаторе.

Mathematical model and calculation program were developed for determination of conditions of molybdenum ingotsmelting into a water-cooled mould. Basing on the experimental data, the coefficients of equations of heat transferproblem were determined. The model allows optimizing the process EBCHM of molybdenum by using the peripheryheating of ingot in the mould.

Ключ е вы е с л о в а : молибден; слиток; электронно-лу-чевой переплав; математическая модель; теплопередача;тепловое состояние слитка

Электронно-лучевая плавка (ЭЛП) является однимиз перспективных способов получения слитков ту-гоплавких металлов, в частности молибдена.

Данный металлургический процесс характери-зуется следующими преимуществами:

переплав проводится в вакууме, что исключаетконтакт металла с химически активной атмосферой,предотвращая загрязнение переплавляемого мате-риала;

наличие развитой свободной поверхности рас-плава, подверженной длительной выдержке в про-межуточной емкости и в кристаллизаторе, способ-ствует протеканию процессов испарения и дега-зации;

применение электронно-лучевого источника на-грева позволяет за счет сканирования поверхностилучом гибко управлять распределением тепловогопотока с локальным сосредоточением вблизи стенкикристаллизатора для поддержания цилиндрической

формы металлической ванны, обеспечивающей бла-гоприятные условия формирования поверхностислитка;

равномерное распеределение теплового потока вцентральной части зеркала ванны для образованияплоского фронта кристаллизации с заданным уров-нем аксиальных градиентов температур по высотеванны жидкого металла создает условия, при кото-рых затвердевающий металл характеризуется вы-сокой однородностью физических свойств [1].

В ИЭС им. Патона НАНУ проводятся работыпо совершенствованию технологии ЭЛП молибдена.Анализ свойств опытных слитков показал, что припереплаве молибдена в вакууме примерно 1⋅10—2 Пас применением промежуточной емкости обеспечива-ется снижение массовой доли примесей (таблица),а механические свойства материала улучшаются(рис. 1).

Приведенные экспериментальные данные даютколичественные оценки уровня свойств, достигае-мых при ЭЛП молибдена. Наряду с этим представ-ляет интерес исследование возможностей улуч-

Химический состав слитков молибдена при ЭЛПЕ и исходного сырья [2]

Вид продукциииМассовая доля элементов,%

C S Fe Cu O N

Молибден металлический в виде спеченных брикетов(TSh 64-15126592-02:2008)

0,1 0,01 0,5 0,01 1,0 —

Молибден металлический в виде спеченных брикетов(по результатам анализа)

0,005 0,001 0,2 0,01 0,2 0,03

Слитки ЭЛПЕ диаметрами 70 и 100 мм 0,002 <0,001 0,007 <0,001 0,0005 0,002

© В. О. МУШЕГЯН, 2011

13

шения качественных и количественных показателейпереплавляемого материала. Наличие этой инфор-мации позволит оценить рациональный диапазонтехнологических параметров при ЭЛП слитков мо-либдена.

Получение требуемых данных ограничено необ-ходимостью проведения дорогостоящих и трудоем-ких натурных экспериментов, дающих недостаточ-ную информацию о параметрах затвердевания пере-плавляемого материала.

Для оптимизации процесса получения данныхрациональнее вместе использовать имеющиеся ре-зультаты экспериментов и возможности методов ма-тематического моделирования физических процес-сов, протекающих при ЭЛП молибдена.

В связи с этим основная задача данной статьизаключалась в формулировке математической моде-ли, позволяющей исследовать процессы теплообме-на и затвердевания при ЭЛП молибдена, оценитьколичественные и качественные показатели какпараметров режима переплава, так и условий за-твердевания переплавляемого материала.

Технологическая схема ЭЛП цилиндрическогослитка с использованием промежуточной емкостипредставлена на рис. 2.

Формулировка математической модели затвер-девания металла в цилиндрическом кристаллизато-ре предполагает осевую симметрию тепловых про-цессов, в связи с чем трехмерная задача была све-дена к решению двухмерной в цилиндрических ко-ординатах (рис. 3).

С учетом принятых допущений осевой симмет-рии теплового поля тепловое состояние слитка приЭЛП молибдена описывается следующим уравне-нием [4]:

∂W

∂t =

1r

∂

∂r ⎛⎜⎝rλ(T)

∂T

∂r

⎞⎟⎠ +

∂

∂z +

⎛⎜⎝λ(T)

∂T

∂z

⎞⎟⎠,

(1)

где W = W(T) – энтальпия; λ(T) – эффективныйкоэффициент теплопроводности, приближенно учи-тывающий конвективный перенос тепла в жидкойванне металла.

Коэффициент λ(T) может быть задан следую-щей зависимостью [5]:

λ(T) = ⎧⎨⎩

⎪⎪

λ(T), T ≤ TL;λ(T∗)Kλ, T > TL,

(2)

где TL – температура плавления материала; T* –верхний предел температуры табличных значений

Рис. 1. Зависимость от температуры временного сопротивлениямолибденовых трубных заготовок, полученных из слитков раз-личных плавок: 1 – ЭЛП; 2 – ЭЛПЕ с периферийным нагревомкристаллизатора [3]

Рис. 3. Схема расчетной области: Г – граница раздела жидкойи твердой фаз

Рис. 2. Технологическая схема электронно-лучевого переплавацилиндрического слитка: 1 – электронно-лучевые нагреватели;2 – переплавляемый металл; 3 – промежуточная емкость; 4 –кристаллизатор; 5 – затвердевший слиток

14

λ(T); Kλ – эмпирический коэффициент (назначаетсяисходя из имеющихся экспериментальных данных).

Уравнение (1) интегрируется в двухмерной об-ласти Ω = {0 < r R, 0 < z < H(t)}, t ∈ [0, t*] (рис. 3).Высоту слитка H(t) увеличивали дискретно, в со-ответствии с параметрами порционной заливки жид-кого металла из промежуточной емкости – на зер-кало ванны периодически добавляли изотермичес-кий слой металла с заданной температурой заливки.

Сформулируем граничные условия для краевойзадачи (1). На внешней боковой поверхности слит-ка теплообмен с проходным кристаллизатором истенками вакуумной камеры описывается выраже-нием, учитывающим контактный теплообмен за-твердевающего материала, частично прилегающегок стенке кристаллизатора, который по мере нарас-тания затвердевающей корки металла переходит втеплообмен по закону Стефана—Больцмана

λ ∂T

∂r ⎪⎪r = R

= α__

(T)(T — Tout),(3)

где α__

(T) – эффективный коэффициент теплопере-дачи от поверхности слитка к внешней среде с тем-пературой Tout (в качестве Tout могут выступать тем-пература Tout

w охлаждающей воды в кристаллизаторелибо температура стенок ваккумной камеры Tout

°C ):

α__

(T) = ⎛⎜⎝

1αC(T)

+ δC

λC +

1αW

⎞⎟⎠

—1

;

αC(T) = αIC(1 — Q) + αSt(T)Q;

αSt(T) = εσ0(T__ + T

__out)(T

__2 + T

__

out2 );

Q =

⎧

⎨

⎩

⎪

⎪

1, T ≥ TL;(T — T1)/(TL — T1), TL > T > T1;0, T ≤ T1.

.

Здесь αIC – коэффициент контактного тепло-обмена между затвердевающим металлом и стенкойкристаллизатора; αSt(T) – коэффициент лучисто-го теплообмена по закону Стефана—Больцмана меж-ду затвердевающим металлом и стенкой кристалли-затора; Т, Тout– абсолютные температуры поверх-ности слитка и внешней среды; T1 = 0,8TL – тем-пература полного отрыва поверхности слитка отстенки кристаллизатора; ε – приведенная степеньчерноты поверхностей теплообмена;

ε = ⎛⎜⎝

⎜⎜1ε1

+ S1

S2 ⎛⎜⎝1ε2

— 1⎞⎟⎠

⎞⎟⎠

⎟⎟

—1

,(4)

ε1, ε2; S1, S2 – соответственно степень черноты иплощади поверхностей теплообмена; σ0 – постоян-ная Стефана—Больцмана; δC, λC – соответственнотолщина и коэффициент теплопроводности стенкикристаллизатора; αW – коэффициент теплоотдачиот поверхности стенки кристаллизатора к охлаж-дающей воде.

За пределами кристаллизатора полагается, чтоδ1 составляет нулевую величину, а αW – бесконеч-но большую, по сравнению с αSt(T).

На донной поверхности слитка граничные условияописываются по аналогии с уравнениями (3), (4).

На свободной поверхности зеркала металличес-кой ванны результирующий тепловой поток выра-жается соотношением

λ ∂T

∂z ⎪⎪z = H(t)

= αSt(T)(T — Tuot) + qh(r, t),(5)

где qh(r, t) – удельная плотность теплового потокаэлектронно-лучевого нагрева зеркала ванны.

В начальный момент времени предполагается на-личие в полости кристаллизатора затравочного объе-ма металла с заданной температурой T0 = TL. Расчетпроводится до достижения заданной высоты слитка,соответствующей приблизительно двум его диамет-рам, при которой формируется установившееся теп-ловое состояние жидкометаллической ванны.

Для численной реализации математической мо-дели ЭЛП молибдена использовался метод конеч-ных разностей [6].

В справочнике [7] приведены исходные значе-ния физических характеристик и технологическихпараметров, входящих в описание математическоймодели формирования слитка молибдена при ЭЛП.

Сопоставление результатов, полученных в ходерасчетов при использовании контрольных ключе-вых параметров, с данными натурных эксперимен-тов на реальном технологическом объекте позволяетпровести верификацию модели [8] и определитьосредненные характеристики параметров процесса,которые не удается получить непосредственнымиизмерениями на основе косвенной информации.

Заданные технологические параметры плавки

Диаметр слитка D, cм ........................................ 70 100Перегрев заливаемого металла над TL ΔT, °С ........ 50Необходимая высота цилиндрической частижикометаллической ванны Δhr, см ....................... 0,2Высота кристаллизатора HC, см .......................... 15Конечная высота слитка Z, см ............................. 150

Контрольные данные опытных плавок ЭЛП мо-либдена, использованные для определения недостаю-щей информации о коэффициентах теплообмена бо-ковой поверхности слитка с кристаллизатором,стенками вакуумной камеры, поддоном, а такжезеркала металлической ванны со стенками вакуум-ной камеры следующие.

Заданные контрольные значениятехнологических параметров плавки

Диаметр слитка D, см ........................................ 7 10Высота порции заливаемого металла Δhz, см ......... 4,5 3,5Продолжительность паузы между заливкамиΔhz, мин ........................................................... 2Тепловая мощность центрального обогреваW1, кВт ............................................................ 20 40Тепловая мощность переферийного обогревавблизи кристаллизатора W2, кВт ......................... 40 40Соотношение радиусов центрального и перифе-рийного обогрева rW1

/R .................................... 0,8 0,7

15

Заданные контрольные условия затвердевания слитка

Диаметр слитка D, см ........................................ 7 10Глубина ванны на оси слитка (hr = 0), см ............. 0,6 0,6Высота цилиндрической части ванны(hr = R), см ....................................................... 0,2 0,2

На рис. 4 приведено рассчитанное тепловое сос-тояние слитка ЭЛП молибдена при установившейсягеометрии жидкометаллической ванны.

Осредненные значения черноты поверхностейподбирались таким образом, чтобы рассчитанныезначения кинетики температуры контрольных точекминимально отличались от экспериментальных.

Расчеты показали, что при заданных контрольныхпараметрах переплава и данных о замере температурна внутренней поверхности кристаллизатора и наповерхности поддона с помощью вольфрам-рениевыхтермопар, подключенных к регистрирующему уст-ройству КСП-4; на поверхности жидкой ванны спомощью оптического пирометра ППТ-131 «Смот-рич») в контрольных точках, осредненные значениякоэффициентов имеют следующие значения.

Рассчитанные данные

Диаметр слитка D, см ........................................ 7 10Приведенный коэффициент черноты поверхно-сти на зеркале ванны ε1 ..................................... 0,4Эффективный коэффициент частичного кон-тактного теплообмена на боковой поверхностислитка в верхней зоне кристаллизатора вцилиндрической части металлической ванны,αC, Вт/см2⋅°C ................................................... 0,2Приведенный коэффициент черноты на внешнейбоковой поверхности слитка в пределах кристал-лизатора в зоне полного отрыва от стенки крис-таллизатора eC .................................................. 0,8Приведенный коэффициент черноты на внешнейбоковой поверхности слитка ниже кристалли-затора eS .......................................................... 0,5Эффективный коэффициент теплообмена надонной поверхности слитка αB Вт/см2⋅°C ............ 0,01

Идентифицированные данные будут использо-ваны для дальнейших расчетов и оптимизации ки-нетики теплового состояния слитка молибдена приЭЛП.

Выводы

1. Разработана и программно реализована мате-матическая модель электронно-лучевой плавки мо-либдена в медный водоохлаждаемый кристаллиза-тор.

2. На примере экспериментальных плавок слит-ков молибдена диаметром 7 и 10 см доказана адек-ватность математической модели, установленыэмпирические коэффициенты основных уравненийрешаемой задачи.

1. Флеммингс М. Процессы затвердевания в вакууме. –М.: Мир, 1977. – 423 с.

2. Мушегян В. О. Электронно-лучевая плавка восстановлен-ного концентрата молибдена // Современ. электрометал-лургия. – 2009. – № 4. – С. 26—28.

3. Мушегян В. О. Электронно-лучевая плавка с промежу-точной емкостью – эффективный способ повышения ме-ханических свойств молибдена // Электрометаллур-гия. – 2010. – № 9. – С. 28—31.

4. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математичес-кой физики. – М.: Наука, 1966. – 267 с.

5. Тепловые процессы при электрошлаковом переплаве /Б. И. Медовар, В. Л. Шевцов, Г. С. Маринский и др. –Киев: Наук. думка, 1978. – 304 с.

6. Самарский А. А. Теория разностных схем. – М.: Наука,1977. – 656 с.

7. Таблицы физических величин. Справочник / Под. ред.акад. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с.

8. Марчук Г. И. Методы вычислительной математики. –М.: Наука, 1989. – 608 с.

ГП НТЦ «Патон-Армения» ИЭС им. Е. О. Патона НАН

Украины, Киев


Рис. 4. Тепловое состояние головной части слитка ЭЛП молибдена при установившейся геометрии жидкометаллической ванны(диаметр слитка 7 (а) и 100 cм (б), °С: 1 – 2630; 2 – 2617; 3 – 2600

16

УДК 669.187.826

РАФИНИРОВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ КРЕМНИЯПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ИХ

СПОСОБОМ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙБЕСТИГЕЛЬНОЙ ЗОННОЙ ПЛАВКИ

Е. А. Аснис, А. Б. Лесной, Н. В. Пискун

Приведены экспериментальные и расчетные данные о рафинировании монокристаллов кремния при выращиванииих способом электронно-лучевой бестигельной зонной плавки (ЭЛБЗП). Показано, что с помощью ЭЛБЗП удаетсяснизить концентрацию кислорода на два порядка, фосфора – на полтора, по сравнению с исходным материалом,полученным по методу Чохральского. С помощью вычислительного эксперимента исследованы закономерностиформирования концентрационного состояния получаемого монокристалла. Показано, что основными факторами,определяющими показатели рафинирования, являются процессы испарения и дегазации в вакуум.

Experimental and design data about refining of silicon single crystals in their growing by the method of electron beamcrucibleless zonal melting are presented. It is shown that with use of this method it is possible to reduce the oxygenconcentration by two orders, phosphorus - by one and a half orders as compared with that of an initial material, producedby the Czochralski method. Using the computational experiment the regularities of formation of concentrated state ofsingle crystal being produced were investigated. It is shown that the main factors determining the refining characteristicsare the processes of evaporation and degassing in vacuum.

Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевая бестигельнаязонная плавка; монокристалл кремния; рафинирование; ма-тематическая модель; вычислительный эксперимент; рас-плавленная зона; кислород; фосфор

Электронно-лучевая бестигельная зонная плавка(ЭЛБЗП) является одним из перспективных спосо-бов получения монокристаллов кремния с низкимсодержанием примесей и высоким уровнем одно-родности физических свойств.

Данный металлургический процесс характеризует-ся рядом преимуществ: переплав проводится в вакууме,что исключает загрязнение образца материалом тигля;наличие хорошо развитой свободной поверхности рас-плавленной зоны способствует протеканию процессовиспарения и дегазации; применение кольцевого элект-ронно-лучевого источника нагрева позволяет за счетсканирования поверхности лучом гибко управлятьраспределением теплового потока для образованияплоского фронта кристаллизации, обеспечивающегоформирование в объеме монокристалла высокой од-нородности физических свойств [1].

Наиболее характерными примесями для кремнияявляются кислород и фосфор [2]. Присутствие кисло-рода в образце оказывает негативное влияние на элек-трофизические характеристики кремния [3]. Фос-фор считается одним из основных легирующих ком-понентов, содержание которого должно соответст-

вовать необходимому уровню концентрации [4].Возможности уменьшения массовой доли кислоро-да и обеспечение регламентированного содержанияфосфора являются основными факторами, опреде-ляющими эффективность применения процесса зон-ной перекристаллизации для получения мо-нокристаллов кремния.

В ИЭС им. Е. О. Патона НАНУ проводятсяэксперименты по рафинированию монокристалловкремния способом ЭЛБЗП. Анализ свойств переплав-ленных образцов показал, что при проведении зоннойплавки в вакууме 2,66⋅10—3 Па (примерно 2⋅10—5 торр)обеспечивается снижение массовой доли кислородана два порядка – от 3⋅1017 до 5⋅1015 ат/см3 (изме-рения проводились методом ИК-спектроскопии),фосфора на полтора порядка – от 5,1⋅1014 до 3,4⋅1013

ат/см3 (метод электронного парамагнитного резо-нанса). Увеличение удельного электросопротивле-ния примерно в 14 раз (метод четырехзондовогоизмерения удельного электросопротивления), явля-ется комплексным показателем уровня очистки мо-нокристалла кремния, которого удается достичь сиспользованием ЭЛБЗП.

Приведенные экспериментальные данные даютколичественные оценки показателей, которых уда-ется достичь способом ЭЛБЗП. Наряду с этим пред-ставляет непосредственный интерес исследование

© Е. А. АСНИС, А. Б. ЛЕСНОЙ, Н. В. ПИСКУН, 2011

17

механизмов и закономерностей, определяющихпоказатели рафинирования. Наличие этой инфор-мации позволяет оценить возможностирафинирования кремния и рациональный диапазонтехнологических параметров ЭЛБЗП.

Возможности получения необходимых данныхограничены необходимостью проведения дорого-стоящих и трудоемких натурных экспериментов,дающих весьма ограниченную информацию о зако-номерностях формирования концентрационного сос-тояния переплавляемого материала.

Для получения необходимых данных рациональ-нее совместно использовать имеющиеся результатыэкспериментов и математическое моделирование физи-ческих процессов, протекающих при ЭЛБЗП.

Использование такого подхода позволяет сущес-твенно сократить количество натурных исследо-ваний, а также обнаружить скрытые закономер-ности протекающих процессов, что недоступно придругих методах исследования. Таким образом,основной задачей данной работы являлась разра-ботка математической модели процессов массообме-на и исследование с ее помощью возможностейрафинирования монокристаллов кремния способомЭЛБЗП.

При формулировании математической модели пред-полагалось, что в цилиндрическом образце радиу-сом R и длиной L (рис. 1) поддерживается посто-янная высота расплавленной зоны Lv, перемещае-мой вдоль образца с постоянной скоростью v такимобразом, что скорость продвижения фронта затвер-девания ξ(t) постоянна и равна скорости плавленияисходного образца с начальной концентрацией C0.

В расплаве вблизи фронта затвердевания фор-мируется диффузионный слой протяженностью δ,который обогащается ликвирующей примесью засчет продвижения фронта кристаллизации (в пре-делах диффузионного слоя перенос массы опреде-ляется диффузионным механизмом переноса). Запределами диффузионного слоя по всей высоте раc-плавленной зоны Lv полагали конвективное пере-мешивание достаточно интенсивным для полной го-могенизации расплава.

Исходя из принятых допущений концентра-ционное состояние переплавляемого образца при

ЭЛБЗП определяется кинетикой баланса массы врасплавленной зоне следующим соотношением:

V dCz

dt = (qd + qm)SR + qαSL

v;

qd = DdCdl

|l = ξ(t) + δ;

qm = v (C0 — Cz);

qα = α(Cout — Cz),

(1)

где V – объем расплавленной зоны; C – концен-трация примеси в диффузионном слое; Сz – кон-центрация примеси вблизи границы диффузионно-го слоя расплавленной зоны; t – время; qd – потокмассы, поступающей в расплавленную зону из диф-фузионного слоя; D – коэффициент диффузии;qm – поток массы, поступающей в ядро жидкойзоны за счет плавления исходного образца с кон-центрацией C0; qα – поток массы со свободнойповерхности расплавленной зоны; α – коэффи-циент поверхностного массообмена, учитывающийдегазацию (испарение) растворенного компонентав вакуум; Cout – остаточная концентрация примесив вакууме; SR, SL

v – площади соответственно попе-

речного сечения и боковой поверхности расплавлен-ной зоны.

На границе затвердевания учитывали следу-ющие условия перераспределения массы:

⎧

⎨

⎩

⎪

⎪D

dCdl

|l = ξ(t) = v(1 — k)C |l = ξ(t);

CS |l = ξ(t) = kC |l = ξ(t),

где k – коэффициент перераспределения раство-ренного компонента при переходе материала изжидкого в затвердевшее состояние; CS – концент-рация примеси в затвердевшем материале, приле-гающем к фронту кристаллизации.

Перенос массы от границы затвердевания к рас-плавленной зоне в приграничном диффузионномслое заданной протяженности описывается урав-нением диффузии

∂C∂t

= D ∂2C

∂l2, ξ(t) < l < ξ(t) + δ.

(2)

Полагали, что диффузионный массоперенос взатвердевшем материале можно не учитывать. В на-чальный момент времени образец по всей длинеимел однородный химический состав с заданнойконцентрацией C(l,0) = C0.

На основе приведенной математической моделиразработали программное обеспечение для модели-рования кинетики массообменных процессов и прог-нозирования формирования химической неодно-родности по длине образца в зависимости отфизических характеристик материала и техно-логических параметров ЭЛБЗП.

Рис. 1. Схема расчетной области

18

Для расчетов приняты следующие параметрымодели: длина образца 10 см; высота расплавленнойзоны 1 см; коэффициент диффузии компонента в рас-плаве 5⋅10—5 см2/с; протяженность диффузионногоприграничного слоя 0,2 см; коэффициент распре-деления 0,5 для кислорода, 0,035 для фосфора; зна-чения коэффициента α оценивали по эксперимен-тальным данным при определении содержания при-меси в образце до и после переплава. Результатырасчетов представлены в виде относительной кон-

центрации C = C—

⁄ C0, где C—, C0 – соответственно

истинная и исходная концентрации.Рафинирование образца при ЭЛБЗП обес-

печивается двумя процессами – перераспреде-лением растворенного компонента на фронте за-твердевания в результате различной растворимостипримеси при переходе материала из жидкого в за-твердевшее состояние и испарением (дегазацией) ввакуум со свободной поверхности расплава. Для выяв-ления доминирующего механизма рафинированияпроведены расчеты, в которых учитывались как отдель-ное, так и совместное влияние этих двух факторов.

На рис. 2 показано распределение концентрациикислорода и фосфора по длине затвердевшего учас-тка образца в зависимости от скорости переплава(δ = 0,2 см, Lv = 1 см) без учета процесса испарения(дегазации) в вакуум.

Результаты, представленные на рис. 2, показывают,что при варьировании скорости перекристаллизацииочистка кремния за счет различной растворимостипримесей в жидком и затвердевшем материале непозволяет снизить за один проход концентрациюкислорода менее чем на 0,5 порядка (0,5 C0) при су-щественной неравномерности распределенияпримесей по длине образца (0,5 … 0,9 C0), фосфора –на 0,8 порядка (0,2 C0).

Данные экспериментальных исследований сви-детельствуют о довольно равномерном распреде-лении примесей и снижении массовой доли кисло-рода на два порядка, фосфора – на полтора. Всвязи с этим выполнены расчеты для оценки про-цесса испарения (дегазации) в вакуум, которыйможет протекать с различной интенсивностью взависимости от давления остаточных газов в ваку-умной камере, высоты расплавленной зоны, пере-

Рис. 2. Влияние скорости v перекристаллизации на перераспределение примеси: а – кислород; б – фосфор; 1—5 – соответственнозначения 1⋅10

5, 1⋅10

—4, 5⋅10

—4, 1⋅10

—3, 1⋅10

—2 м/с)

Рис. 3. Концентрационное состояние жидкой зоны (а) и затвердевшего образца (б) при различных значениях коэффициентадегазации кислорода в вакуум: 1—5 – соответственно 0, 0,1⋅10

—4, 1⋅10

—3, 1⋅10

—2, 1⋅10

—1ат/см

2⋅с)

19

грева свободной поверхности над температуройликвидус и других факторов.

На рис. 3 приведена серия расчетов, демонстри-рующих снижение концентрации кислорода в рас-плавленной зоне и в затвердевшем участке образцав зависимости от различных значений коэффи-циента α.

Расчеты показали, что уменьшение массовой доликислорода на два порядка достигается при α == 0,1 ат/см2с. В этом случае обеспечивается равно-мерное распределение примесей по длине затвер-девшей части образца (рис. 3, б), за исключениемначального участка незначительной протяженно-сти. Аналогичные расчеты для фосфора показали,что снижению начальной концентрации на полторапорядка соответствует 0,5 ат/см2с.

Выводы

1. Разработана математическая модель зонной пе-рекристаллизации, позволяющая исследовать фор-мирование концентрационного состояния образцаза счет различия растворимости примесей в жидкоми затвердевшем материале, а также процессов испа-рения в вакуум.

2. Установлено, что с помощью способа ЭЛБЗПудается понизить концентрацию кислорода на двапорядка от 3⋅1017 до 5⋅1015 ат/см3, фосфора – наполтора порядка (от 5,1⋅1014 до 3,4⋅1013 ат/см3).

3. Расчетным методом показано, что за счет раз-личия растворимости примеси в твердом и жидкомматериале удается снизить за один проход концен-трацию кислорода не более чем на 0,5 порядка(0,5 C0) и на 0,8 порядка (0,2 C0) для фосфора.

4. Показано что доминирующим фактором, обес-печивающим уменьшение массовой доли кислородана два порядка, фосфора – на полтора приЭЛБЗП, являются процессы дегазации и испаренияв вакуум при наличии хорошо развитой свободнойповерхности расплавленной зоны.

5. Определены коэффициенты поверхностного мас-сообмена, учитывающие дегазацию (испарение) раст-воренного компонента при ЭЛБЗП в технологическийвакуум 2,66⋅10—3 Па (примерно 2⋅10—5 торр) – длякислорода 0,1 ат/см2⋅с, фосфора 0,5 ат/см2⋅с.

1. Компьютерное моделирование гидродинамики и теплооб-мена при выращивании монокристалла кремния методом элек-тронно-лучевой бестигельной зонной плавки / А. Е. Аснис, В.Ф. Демченко, О. Б. Лесной, С. П. Заболотин //Космічна наука і технологія. – 2002. – 8, № 5/6. –С. 112—116.

2. Курс физической химии. Т. I / Под ред. Я. И. Гера-симова. – М.: Химия, 1969. – 592 с.

3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. V.Статистическая физика. – М.: Наука, 1976. – Ч. 1. – 584 с.

4. Проблемы дегазации металлов (феноменологическаятеория) / Л. Л. Кунин, А. М. Головин, Ю. Н. Суровой,В. М. Хохрин. – М.: Наука, 1972. – 327 с.



www.vsmpo.ru21.06.2011На авиасалоне Ле Бурже, 21 июня21 июня, Париж, Ле Бурже – ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА» и Liebherr-Aerospace

Lindenberg GmbH, г. Линденберг (Германия) подписали долгосрочный контракт на поставку тита-новых штамповок для носового шасси семейства самолетов A350 XWB.

В настоящее время Корпорация ВСМПО-АВИСМА на 100 % удовлетворяет потребности Liebherr-Aerospace в титане для программы A350 XWB. Для обеих компаний подписание долгосрочногоконтракта является важным этапом в отношениях, которые начались в 2009 году, когда фирмаLiebherr-Aerospace Lindenberg GmbH выбрала ВСМПО-АВИСМА в качестве поставщика титановыхштамповок носового шасси для программы A350 XWB.

Конструкция носового шасси самолета A350 XWB является самой большой в серии шасси, когда-либо разрабатываемых и изготовляемых компанией Liebherr-Aerospace Lindenberg. Основанием длярешения об использовании титана в данной программе стало преимущество по массе, которое обес-печивает титан.

20

УДК 669.-187.58

ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ПЕРЕПЛАВ ЗАГОТОВКИ,СКОМПАКТИРОВАННОЙ ИЗ СТРУЖКИ

СТАЛИ ЭП609-Ш

В. А. Шаповалов, Ф. К. Биктагиров,В. Р. Бурнашев, Ю. А. Никитенко

Приведены результаты экспериментов по плазменно-дуговому переплаву заготовки, скомпактированной из стружкижаропрочной стали ЭП609-Ш. Определены технологические особенности переплава, получены слитки при литье визложницу и плавке в проходной кристаллизатор. Исследованы химический состав и качество полученных слитков.

The results of experiments on plasma-arc remelting of a billet, compacted of EP609-Sh heat-resistant steel chips, aregiven. The technological peculiarities of remelting were determined, ingots were produced in casting into mould andmelting into a through-passage mould. Chemical composition and quality of produced ingots were investigated.

Ключ е вы е с л о в а : компактирование стружки; плаз-менно-дуговой переплав заготовки; изложница; проходнойкристаллизатор

Для изготовления газотурбинных двигателей(ГТД), эксплуатируемых в качестве силового при-вода газоперекачивающих агрегатов, используютразличные коррозионно-стойкие стали и сплавы.На предприятии ГП НПКГ «Зоря»—«Машпроект»,специализирующемся на производстве ГТД, рото-ров компрессоров низкого давления двигателейДН80Л и ДГ90, широко применяют сталь ЭП609-Ш[1]. В случае достаточной коррозионной стойкостиона хорошо механически обрабатывается и свари-вается способами электронно-лучевой и аргоно-ду-говой сварки, что важно при сборке ротора из от-дельных деталей.

Увеличение объема производства изделий изэтой стали привело к накоплению на предприятииотходов, преимущественно в виде стружки, что выз-вало необходимость ее эффективной утилизации.

Одним из перспективных путей переработкистружки высоколегированных сталей является раз-работанная в ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украинытехнология компактирования под электрическимтоком в проходной матрице в длинномерные заго-товки [2], подвергаемые затем переплаву способамиспецэлектрометаллургии. Вторая, рафинирующаястадия, необходима для получения качественногометалла, пригодного к непосредственному исполь-зованию в производстве.

© В. А. ШАПОВАЛОВ, Ф. К. БИКТАГИРОВ, В. Р. БУРНАШЕВ, Ю. А. НИКИТЕНКО, 2011

Рис. 1. Схема плазменно-дугового переплава и литья в излож-ницу: 1 – медный водоохлаждаемый тигель; 2 – две парыплазмотронов постоянного тока; 3 – колонна с механизмом по-дачи расходуемой заготовки; 4 – расходуемая заготовка; 5 –изложница; 6 – гарнисажный слой, который образуется на по-верхности холодного тигля в процессе плавления

21

Ранее исследовали электрошлаковый переплаврасходуемой заготовки, полученной способом ком-пактрования стружки стали ЭП609-Ш [3]. В насто-ящей работе приводятся результаты другого рафини-рующего переплава спрессованной стружки – плаз-менно-дугового (ПДП). При ЭШП основным ра-финирующим компонентом является шлаковый рас-плав, и качество металла определяется массообмен-ными процессами в системе шлак—металл. Особен-ность ПДП заключается в том, что рафинированиепроисходит за счет перераспределения элементов всистеме газ—металл.

Возможность переплава металла при нормаль-ном или даже избыточном давлении в инертной ат-мосфере позволяет осуществлять ПДП заготовок сповышенной газонасыщенностью или большим со-держанием элементов с высокой упругостью парабез нарушения процесса и существенных потерь ле-гирующих в результате испарения. Высокотемпера-турный плазменно-дуговой нагрев дает возмож-ность получать слитки с хорошей поверхностью,

высоким выходом годного металла, низким содер-жанием газов и неметаллических включений.

Переплав скомпактированной заготовки произ-водили на четырехплазмотронной многофункцио-нальной печи УПП-3 [4]. Плазмотроны прямогодействия устанавливали радиально для того, чтобыплазменные струи направлялись на ванну жидкогометалла и образовывали вихревое вращение рас-плава. Уровень тока каждого плазмотрона состав-лял 350 А, напряжение – около 40 В. Плавку выпол-няли в аргоне с избыточным давлением 10…20 кПа ипостоянной циркуляцией газа, а также с обновле-нием атмосферы камеры.

Радиальное расположение четырех плазмотро-нов позволило распределять тепловую нагрузку поповерхности ванны, осуществлять ее перемешива-ние и регулировать обогрев отдельных зон ванны(особенно периферийных участков).

Важным преимуществом радиальной схемы рас-положения плазмотронов является экранированиезаготовкой излучения плазменных струй и ванны.В итоге заготовка воспринимает на себя значитель-ную долю излучения, что способствует уменьшениюэнергии, необходимой для ее плавления.

Рис. 2. Подготовка установки УПП-3 для плавки расходуемойзаготовки в проходной кристаллизатор квадратного сечения

Рис. 3. Слиток плазменно-дугового переплава 120 120 155 мм

Рис. 4. Микроструктура ( 500) слитка плазменно-дугового пе-реплава и литья в изложницу

22

В процессе плавки заготовку, закрепленную наколонне с механизмом перемещения, подавали меж-ду четырьмя плазмотронами. Входя в зону действийплазменных дуг, она оплавлялась, и металл в резуль-тате капельного переноса попадал в жидкую ванну.

Спрессованные из стружки заготовки подверга-ли двум видам переплава. Первый заключался впереплаве заготовки с накоплением жидкого метал-ла в тигле и последующем его сливе в литейнуюформу (изложницу), второй – в переплаве заго-товки в медный водоохлаждаемый проходной крис-таллизатор квадратного сечения 125 125 мм.

Схема ПДП по первому виду переплава приве-дена на рис. 1. Для осуществления второго видаПДП печь УПП-3 переоборудовали, а вместо пово-ротного тигля установили кристаллизатор (рис. 2). Вэтом случае для вытягивания слитка из кристалли-затора использовали нижний шток, на который кре-пили водоохлаждаемый поддон с зацепом типа«ласточкин хвост». Слиток фиксировался на под-доне и в процессе плазменно-дугового переплава онперемещался вместе с ним. Скорость вытягиванияслитка согласовывали со скоростью подачи заготов-ки в зону плавки. Она составила 3…4 мм/мин.

В процессе переплава на поверхности металли-ческого расплава и на боковых поверхностях слиткаобразовался небольшой слой шлака, что свидетель-ствовало о переходе неметаллических включенийиз переплавляемой заготовки в шлаковую фазу.

Плавное регулирование мощности плазмотроновдало возможность получить плотный квадратныйслиток практически без усадочной раковины (рис. 3).Общий удельный расход электроэнергии на пере-плав составил около 2,0…2,2 кВт⋅ч/кг, при про-мышленном внедрении и увеличении сечения слит-ка эти расходы могут быть уменьшены.

При визуальном осмотре поверхности слитковПДП, полученных в проходном кристаллизаторе иотлитых в изложницу, не выявлены какие-либо гру-бые дефекты типа заворотов корки, трещин, на-плывов и т.п. Макроструктура полученного металлаплотная и однородная (рис. 4, 5), поры, ликвацияи иные дефекты отсутствуют.

Химический состав металла полученных слит-ков полностью отвечает требованиям заводских тех-нических условий на сталь ЭП609—Ш. В таблицедля сравнения приведены данные химического сос-тава того же металла после ЭШП прессованных изэтой стружки заготовок [3].

Обращает внимание более низкое содержаниеуглерода и кремния в металле ПДП, по сравнениюс металлом ЭШП, а также на 20…30 % меньшее

содержание газов (кислорода, водорода и азота). Вто же время при ПДП отмечено более высокое со-держание хрома и серы. Объясняется это особен-ностями рафинирования металла и протеканиямассообменных процессов в этих видах плавки.

Таким образом, можно сделать вывод, что спо-соб плазменно-дугового переплава позволяет эф-фективно переплавлять скомпактированные заго-товки из стружки стали ЕП609-Ш с сохранениемхимического состава металла и повышением его ка-чества за счет снижения содержания в нем газов инеметаллических включений. Выбор способа пере-работки таких заготовок (ПДП, ЭШП или др.) за-висит от конкретных требований к металлу, из ко-торого изготовляют то или иное изделие.

1. Романов В. В., Коваль В. А. Применение новых материа-лов при конвертации корабельных и авиационных ГТД встационарные ГТУ // Вост.-Европ. ж-л передовых тех-нологий. – 2010. – № 3/2. – С. 4—7.

2. Пат. 79977 Україна, МПК С 22 В 1/248, B 22 F 3/12.Спосіб компактування металевої шихти / Б. Є. Патон,М. Л. Жадкевич, В. О. Шаповалов та ін. – Опубл.10.08.07; Бюл. № 12.

3. Переработка стружки жаропрочной стали ЭП609-Ш спо-собом компактирования под электрическим током с после-дующим электрошлаковым переплавом / В. А. Шапова-лов, В. Р. Бурнашев, Ф. К. Биктагиров и др. // Совре-мен. электрометаллургия. – 2009. – № 3. – С. 43—45.

4. Получение расходуемых электродов компактированиемтитановой губки под током / М. Л. Жадкевич, В. А. Ша-повалов, В. С. Константинов и др. // Там же. –2005. – № 3. – С. 64—67.



Химический состав жаропрочного сплава ЭП609-Ш

Видпереплава

Массовая доля элементов, %

C Si Mn P S Cr Mo Ni Nb V

ПДП 0,017… 0,02 0,23… 0,25 0,30… 0,35 0,025 0,02 11,2… 11,4 0,4 1,67… 1,70 0,1 0,2

ЭШП 0,084… 0,088 0,39… 0,52 0,29… 0,30 0,03 0,002 10,8… 11,0 0,4 1,61… 1,64 0,007 0,2

ТУУ—27.1—00190414-030—2004

0,05…0,09 ≤ 0,6 ≤ 0,6 ≤ 0,03 ≤ 0,02 10,5… 12,0 0,35… 0,5 1,4… 1,8 0,05… 0,15 0,15… 0,25

Рис. 5. Макроструктура поперечного сечения квадратного слиткастали ЭП609-Ш плазменно-дугового переплава в проходнойкристаллизатор

23

УДК 669.187.58

ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОГОЖИДКОФАЗНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

ГАЗАМИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ КОМПЛЕКСНОГО СЫРЬЯ

Д. М. Жиров

Рассмотрена возможность избирательного восстановления металлов из комплексного сырья различными восстано-вителями. Предложена схема получения ферроникеля из побужских окисленных никелевых руд, демонстрирующаяпреимущества использования газообразных восстановителей.

The feasibility of selective reduction of metals from complex raw materials by different reducing agents is considered.A diagram of producing ferronickel from Pobuzhsk oxide-bearing nickel ores, demonstrating the advantages of use ofgaseous reducing agents, is offered.

Ключ е вы е с л о в а : комплексное сырье; избирательноевосстановление; константа равновесия реакции; актив-ность; ферроникель; обогащенный шлак

Эффективным способом получения металлов из ок-сидных материалов, в том числе техногенных отхо-дов, является их восстановление углеродом в про-цессе плавки [1, 2]. Степень восстановления железадостигает 97, хрома – 96, никеля – 100 %. Приэтом одновременно происходит довольно полноевосстановление ряда металлов и науглероживаниепродукта. Для получения из «бедного» сырья вы-сокопроцентных ферросплавов или обогащенныхшлаков предлагается осуществлять избирательноевосстановление путем введения ограниченного ко-личества восстановителя. Примерами могут бытьпроизводство «богатого» ферроникеля из окислен-ных никелевых руд [3], титанового шлака из иль-менитового концентрата [4], передельного марган-цевого шлака с низким содержанием фосфора [5].

Водород и монооксид углерода при высоких тем-пературах уступают углероду по восстановительно-му потенциалу, однако могут использоваться дляжидкофазного восстановления как железа [6, 7], таки металлов из комплексного сырья [8, 9]. В послед-нем случае невысокая восстановительная способ-ность газов, по сравнению с углеродом, способству-ет избирательному восстановлению [9].

В ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ исследуется про-цесс плазменно-дугового жидкофазного восстанов-ления железа газообразными восстановителями изжелезорудного сырья Криворожского бассейна[10]. В экспериментах восстановителями являютсяпродукты, образовавшиеся в плазме дуги в резуль-тате пиролиза или воздушной конверсии углеводо-

родов, подаваемых в реакционное пространство вкачестве плазмообразующих газов.

В отличие от технологий, использующих в ка-честве восстановителя углерод, в данном процессе,кроме железа, восстановление других элементов, вчастности кремния, заметного развития не получи-ло, также не происходило науглероживание про-дукта. Это свидетельствует о том, что предлагаемыйпроцесс предоставляет возможность проводить из-бирательное восстановление металлов из комплек-сного сырья с получением низкоуглеродистых фер-росплавов или обогащенных шлаков.

При температуре экспериментов около 2000 К[10] для реакций восстановления железа из егомонооксида углеродом, водородом и монооксидомуглерода значение энергии Гиббса равняется соот-ветственно —136,2; +13,9 и +38,5 кДж/моль [11].В таком случае константы равновесия реакций сос-тавляют 3500; 0,43 и 0,1. Из этого следует, что прак-тически весь углерод, попадая в расплав, восста-навливает железо, в то время как водород, особенномонооксид углерода, взаимодействовуют непол-ностью.

Основной примесью, входящей в состав железо-рудного сырья, является кремний. Изменениеэнергии Гиббса при 2000 К в случае его восстанов-ления углеродом, водородом и монооксидом угле-рода составляет соответственно —2,5; +33 и+39 кДж/моль [11]. При этом константа равнове-сия равняется 1,16; 0,14 и 0,1. Таким образом, присодержании в расплаве значительного количестваоксида железа восстановление кремния и его пере-ход в металл не получают заметного развития, чтоподтвердилось лабораторными исследованиями [10].

© Д. М. ЖИРОВ, 2011

24

Изменение энергии Гиббса реакций восстанов-ления никеля углеродом, водородом и монооксидомуглерода при температуре 2000 К соответствует зна-чениям —223; —73 и —48,3 кДж/моль. При этомконстанта равновесия реакций равняется 633500; 80и 18, т. е., восстановление никеля более вероятно,чем восстановление железа [11].

Свыше 80 % разведанных мировых запасов ни-келя представляют собой окисленные руды [3, 12]с его содержанием 1…2 %. Основными компонен-тами шихты являются оксиды железа и кремния.Извлечение никеля из такой руды осуществляютдвумя группами способов. Первая представляет со-бой гидрометаллургическое выщелачивание при по-мощи серной кислоты или аммиака, вторая являетсяметаллургическими способами: электроплавка с по-лучением штейна (75 % NiS), который затем обжи-гают до NiО и восстанавливают до металлическогоникеля, или электроплавка (иногда доменная плав-ка) для получения ферроникеля. В последнем слу-чае происходит карботермическое восстановлениекак никеля, так и железа. Из-за высокой концент-рации железа в руде и низкой никеля содержаниепоследнего в ферросплаве незначительно. При этомрасход электроэнергии на переработку 1 т руды сос-тавляет около 0,8 или 80 МВт⋅ч на 1 т никеля вферросплаве при его содержании в руде примерно1 % [3, 9, 12].

Путем уменьшения количества подаваемого вос-становителя можно добиться уменьшения степениперехода железа в ферросплав. При этом при пе-реработке руды Побужских месторождений массо-вая доля никеля увеличивается от 4,5 до 29,5 %, ноуменьшается его извлечение от 93,5 до 68,8 % [3].Следует отметить, что после восстановления никеляиз расплава целесообразно получать стальной по-лупродукт в отдельном агрегате. В результате со-держание железа в остаточном шлаке снижается до11,6 %, что находится на уровне его концентрациив шлаке при производстве «бедного» ферроникеляпо традиционной схеме. Извлечение никеля в этомслучае осуществляется полностью.

В Институте металлургии УрО РАН установле-но, что при продувке рудного расплава восстанови-тельным газом можно получить металл с содержа-нием 40…60 % никеля при степени его извлечения

около 80 % [9]. Это подтверждает большую эффек-тивность избирательного восстановления газом, посравнению с углеродом.

Более детально рассмотрим возможность осу-ществления такого процесса на примере производ-ства ферроникеля из побужских окисленных нике-левых руд, состав которых следующий, %: 0,86…...0,96 Ni; 23,3…36,6 SiO2; 4,9…8,9 Al2O3;23,3…34,5 Fe3O4; 0,91…1,44 CaO; 3,93…...6,59 MgO; 1,28…7,16 Cr2O3; 0,017…0,076 S;0,021…0,061 P; 0,047…0,089 Co; 4,12…7,94 H2O;потери при прокаливании — 6,74…8,84.

Существующая схема производства ферроспла-ва на Побужском ферроникелевом комбинате пред-ставлена на рис. 1 [3, 12]. После сушки в трубчатойвращающейся печи (ТВП) никелевая руда в смесис восстановителем и известняком поступает в ТВПдля восстановительного обжига.

Эти печи изначально отапливали мазутом, носейчас переведены на смесь природного и отходя-щего из рудовосстановительной печи (РВП) газов[13, 14]. Из ТВП горячий огарок перегружается вРВП мощностью 50 МВт с шестью самоспекающи-мися электродами диаметром 1,2 м.

Полученный черновой ферроникель обычно со-держит (мас. %) до 10 Si, 3 Cr, 1,5 C, 0,4 S и 0,3 P[3]. В ковше его очищают от серы при помощи соды,а затем в конвертерах с кислой и основной футе-ровкой – от различных примесей.

При высокой степени извлечения никеля такжеинтенсивно восстанавливается железо, из-за чегопри производстве ферросплава из собственной рудысредняя концентрация никеля в нем составляла 6 %.Это послужило причиной перевода комбината наимпортную руду с содержанием никеля около 2 %,благодаря чему его концентрация в ферросплавевыросла до 20 % [13, 14].

Из-за низкого содержания оксида никеля в шла-ке для его восстановления при производстве фер-роникеля существенное значение имеет следующаяреакция [3]:

(NiO) + [Fe] = [Ni] + (FeO).

Таким образом, для восстановления никеля же-лательно иметь большую активность железа в рас-плаве. При высоких температурах эти металлы ха-рактеризуются существованием непрерывного ряда

Рис. 1. Схема производства ферроникеля на Побужском ферроникелевом комбинате

25

твердых растворов [15], и их расплав должен бытьблизок к идеальному [16]. Экспериментально по-казано наличие отрицательного отклонения систе-мы Fe—Ni от закона Рауля [3].

Кремний с железом образуют интерметаллидныефазы [15], что вызывает значительные отрицатель-ные отклонения системы Fe—Si от закона Рауля [3,16]. Снижению активности железа в расплаве спо-собствует также и углерод, поскольку происходитобразование карбидов [3, 16]. Использование газо-образных восстановителей позволяет избежать су-щественного восстановления кремния из шлака инауглероживания металла и, следовательно, обес-печить высокую активность железа в расплаве.

Повлиять на восстановление кремния из шлако-вого расплава можно введением в него оксида каль-ция, поскольку при этом образуются силикатыкальция и, как следствие, активность оксида крем-ния снижается, а оксида железа – повышается[17]. Например, при использовании газообразныхвосстановителей при прочих равных условиях бла-годаря введению СаО из железорудного сырья сте-пень извлечения железа увеличивается от 65 до 90 %,а кремния – уменьшается от 0,12 до 0,03 % [10],также повышается степень извлечения железа и ни-келя из окисленной никелевой руды [8].

Избирательное восстановление газообразнымивосстановителями позволяет не только получатьферросплав с большим содержанием никеля из«бедного» сырья, но и избегать заметного восста-новления кремния, хрома и фосфора, в результатечего отпадает необходимость производить рафини-рование продукта от этих элементов (рис. 2).

Следует отметить, что основным источником се-ры в получаемом ферроникеле является восстано-витель (чаще всего антрацит). Очевидно, благодаряиспользованию газообразного восстановителя впредлагаемом процессе не будет происходить науг-лероживание ферросплава, и он также будет болеечистым по содержанию серы. Так, в результатеплазменно-дугового жидкофазного восстановленияжелеза газами из сырья Криворожского бассейнаконцентрация углерода в продукте составляла око-ло 0,02, а серы – 0,007 мас. % [10].

В предлагаемой схеме появляется возможностьиспользования пылевидных шихтовых материалов[18, 19], вследствие чего решается вопрос утили-

зации никельсодержащей пыли без ее окомкования.Следует учесть, что из-за низкой концентрации ни-келя в руде на эффективность использования газо-образных восстановителей и производительностьпроцесса существенное влияние оказывает обеспе-чение подвода реагентов в зону восстановления. По-дача пылевидной шихты восстановительным газомв зону дуги является эффективным решением этойпроблемы.

Избирательное восстановление применяетсядля получения обогащенных шлаков. В Украинеимеются значительные запасы ильменитовых руд(FeO⋅TiO2) [20]. При производстве титана или фер-ротитана даже после обогащения в ильменитовомконцентрате содержится более 40 % оксидов железа.Для производства титановой губки необходимо по-лучение шлака, содержащего не менее 80 % оксидовтитана и не более 5 % оксидов железа [4, 21].

Обогащение шлака оксидами титана происходитза счет избирательного восстановления из ильмени-та оксидов железа в рудотермической печи. Дляэтого в шихту вводят углеродсодержащий восста-новитель, чаще всего молотый кокс.

Оксиды железа углеродом восстанавливаютсялегче, чем оксиды титана, поскольку изменениеэнергии Гиббса при 2000 К для восстановления ти-тана углеродом составляет +11,8 кДж/моль [11].

При выплавке титанового шлака для предотвра-щения перехода титана в металлическую фазу со-держание углеродсодержащего восстановителя вшихте выбирается несколько уменьшенное, по срав-нению с теоретически необходимым для полноговосстановления оксидов железа.

Согласно термодинамическим данным, восста-новление титана водородом и монооксидом углеро-да не происходит (изменение энергии Гиббса при2000 К соответственно +312 и +362 кДж/моль[11]), что дает возможность осуществлять болееглубокое обогащение шлака путем восстановленияжелеза газами.

Особый интерес вызывает переработка комплек-сного сырья, когда ценность представляют как обо-гащенный шлак, так и восстановленный металл.Примером такого сырья являются железомарганце-вые конкреции, которые наряду с железом и мар-ганцем содержат такие элементы как медь, никель,кобальт и другие. Именно благодаря высокому со-держанию примесных элементов зафиксирован за-метный интерес к разработке этих месторождений,находящихся на морском дне [5, 22].

По одному из вариантов переработки данногосырья осуществляется предварительное селектив-ное твердофазное восстановление водородом меди,никеля и кобальта (до 90 %), частично железа(60…70 %) при практически полном сохранениимарганца в виде оксидов.

Извлечение металлов происходит путем элект-роплавки продукта восстановления без введениявосстановителя. В результате получается комплек-сный сплав с суммарным содержанием меди, никеляРис. 2. Производство ферроникеля по предлагаемой схеме

26

и кобальта более 20 %, а также передельный шлакс концентрацией марганца 34…35 %. Фосфор, посравнению с марганцем, является легковосстанови-мым компонентом и практически полностью пере-ходит в металл, его содержание в шлаке составляетменее 0,015 % [5, 22].

Предлагаемая схема плазменно-дугового жидко-фазного восстановления газами позволяет прово-дить совмещенный процесс плавки железомарган-цевых конкреций и избирательное восстановлениеэлементов, имеющих низкое сродство к кислороду.Использование отходящих из плавильного прост-ранства газов для нагрева и предварительного твер-дофазного восстановления сырья повышает эффек-тивность предлагаемого процесса [10].

Из-за истощения запасов полезных ископаемыхи роста потребления редких элементов следует рас-сматривать многие полезные ископаемые Украиныкак комплексные руды [20]. Восстановительнаяплавка с использованием газообразных восстанови-телей может быть эффективным средством для пе-реработки такого сырья.

Выводы

1. Определено, что меньшая восстановительная спо-собность монооксида углерода и водорода, по срав-нению с углеродом, при их применении для изби-рательного восстановления способствует получе-нию ферросплавов и шлаков с повышенным содер-жанием заданных элементов.

2. Установлено, что использование газообраз-ных восстановителей позволяет получать продукт снизкой концентрацией примесей, благодаря чему вряде случаев можно избежать операции рафиниро-вания.

1. Григоренко Г. М., Костяков В. Н. Физико-химическиепроцессы при плазменно-дуговом переплаве оксидосодер-жащих материалов // Актуальн. пробл. современ. мате-риаловед. – Т.1. – Киев: Академпериодика, 2008. –С. 379—393.

2. Ясинська О. О. Дослідження закономірностей рідкофаз-ного відновлення металів і розробка технології виплавкиливарних сплавів з оксидовміщуючих матеріалів: Авто-реф. дис. … канд. техн. наук / ФТІМС НАНУ. – Київ,2009. – 23 с.

3. Грань Н. И., Онищин Б. П., Майзель Е. И. Электро-плавка окисленных никелевых руд. – М.: Металлургия,1971. – 248 с.

4. О применении электрошлаковой плавки для получения фер-росплавов и лигатур из минерального сырья / М. Л. Жад-кевич, Ф. К. Биктагиров, В. А. Шаповалов и др. //Соврем. электрометаллургия. – 2005. – № 1. – С. 12—16.

5. Металлургия марганца Украины / Б. Ф. Величко, В. А. Гав-рилов, М. И. Гасик и др. – Киев: Техніка, 1996. – 472 с.

6. Безкоксова металургія заліза: Підручник / В. П. Іващен-ко, О. Г. Величко, В. С. Терещенко, В. А. Чеченів. –Дніпропетровськ: РВА «Дніпро-ВАЛ», 2002. – 338 с.

7. Морфологические и химические характеристики железа,полученного плазменно-дуговым жидкофазным восстанов-лением / Д. Е. Кирпичев, А. А. Николаев, А. В. Никола-ев, Ю. В. Цветков // Сталь. – 2007. – № 9. – С. 41—44.

8. Влияние вида и степени офлюсования окисленной никеле-вой руды на развитие процессов восстановления железа иникеля / А. А. Гиммельфарб, С. Н. Дунайчук, А. В. Ре-венко, Н. М. Медведев // Плазменные процессы в ме-таллургии и технологии неорганических материалов: Тез.докл. V всесоюзн. совещ. (к 85-летию академика Н. Н. Ры-калина), г. Москва, 4—6 окт. 1988 г. – М.: Черметин-формация, 1988. – Ч. 1. – 171 с.

9. О новых решениях в переработке комплексного сырьячерной металлургии / Л. И. Леонтьев, С. К. Носов,А. А. Карпов и др. // Сталь. – 2003. – № 11. –С. 19—21.

10. Жиров Д. М. Особливості процесу плазмово-дуговогорідкофазного відновлення заліза газами: Автореф. дис. …канд. техн. наук / ІЕЗ ім. Є. О. Патона НАНУ. – Київ,2011. – 21 с.

11. Григорян В. А., Белянчиков Л. Н., Стомахин А. Я. Тео-ретические основы электросталеплавильных процессов. –М.: Металлургия, 1987. – 272 с.

12. Гасик М. И., Лякишев Н. П., Емлин Б. И. Теория и тех-нология производства ферросплавов: Учебник для ву-зов. – М.: Металлургия, 1988. – 784 с.

13. http://www.rada.com.ua/rus/catalog/14362/.14. http://krashiy.com/rus/nominations2008/?nid=40&id=1

4362&pid=1008&sd=.15. Диаграммы состояния двойных металлических систем:

Справочник. В 3 т. Т.2 / Под ред. Н. П. Лякишева. –М.: Машиностроение, 1997. – 1024 с.

16. Меджибожский М. Я. Основы термодинамики и кинетикисталеплавильных процессов. – Киев, Донецк: Вища шк.,1986. – 280 с.

17. Эллиот Д. Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимиясталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969. –252 с.

18. Исследование основных технико-экономических показате-лей производства марганцевых сплавов с применениемплазменного нагрева / К. И. Лежава, В. В. Асланикаш-вили, В. Т. Ахобадзе и др. // Пробл. спец. электроме-таллургии. – 2000. – № 4. – С. 38—44.

19. Исследование плазменных процессов переработки отходови углеродотермического восстановления высокоуглеродис-того феррохрома / О. С. Забарило, А. А. Ждановский,Г. А. Мельник и др. // Там же. – 1998. – № 4. –С. 38—48.

20. Кулиш Е. А., Комов И. Л., Покалюк В. В. Месторожде-ния руд металлов и их комплексное использование. –Киев: Ин-т геохимии окружающей среды, 2008. – 275 с.

21. Металлургия титана / В. А. Гармата, Б. С. Гуляницкий,В. Ю. Крамник и др. – М.: Металлургия, 1967. – 643 с.

22. Гасик М. И. Железомарганцевые конкреции мировогоокеана: юрисдикция, геология, геохимия, металлур-гия // Геология и полезные ископаемые мирового океа-на. – 2005. – № 1. – С. 34—50.

Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины


27

УДК 669.187.2

ФРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯСПЛАВА Ti—Al-(ЛЭ)

ПОСЛЕ ЗОННОЙ ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ

В. А. Костин, И. И. Статкевич, Е. А. Аснис,Г. М. Григоренко, В. В. Лакомский,

Н. В. Пискун, Р. В. Козин, В. А. Березос

Приведены результаты фрактографических исследований алюминида титана Ti—Al-(ЛЭ) в исходном состоянии ипосле зонной перекристаллизации.

Results of fractographic examinations of titanium aluminide Ti—Al-(LE) in initial state and after zonal recrystallizationare given.

Ключ е вы е с л о в а : интерметаллидные сплавы; алюми-нид титана; фрактографические исследования; зонная перек-ристаллизация; характер разрушения; излом

Интерметаллидные сплавы на основе алюминидовтитана благодаря высокой жаропрочности, жаро-стойкости и коррозионной стойкости являются весь-ма перспективными для использования при произ-водстве турбин авиационных двигателей и другихизделий аэрокосмической техники.

Основным недостатком указанных сплавов яв-ляется низкая пластичность при комнатной темпе-ратуре. Это значительно усложняет их технологи-ческую обработку и промышленное использование.Работы, направленные на увеличение пластичностиэтих сплавов связаны как с созданием новых спла-вов на основе алюминида титана, так и с разработ-кой различных технологических процессов, повы-шающих их пластичность [1].

Улучшить пластические характеристики литогоинтерметаллидного сплава можно путем зонной пе-рекристаллизации. Применение зонной плавки даетвозможность обеспечить направленную кристалли-зацию [2]. При правильно подобранной технологииплавки фронт кристаллизации приближается кплоскому. При этом обеспечивается более равно-мерное распределение примесей по сечению иобъему слитка, а также снижается уровень напря-

женного состояния, что должно содействовать по-вышению пластичности материала.

Фрактографические исследования проводили наобразцах интерметаллидного сплава системы TiAlследующего состава, мас. %: 46,5 Ti; 35 Al; 12,5 Nb;3 Zr; 3 Cr, полученного способом электронно-луче-вой плавки с промежуточной емкостью (ЭЛПЕ) [3].

Фрактографические исследования осуществлялина сканирующем электронном микроскопе JSM-35F,снабженном системой анализа INCA-450. Исследова-ли образцы, изготовленные способом ЭЛПЕ в исход-ном состоянии и после зонной перекристаллизации.

Исследования показали, что характер разрушенияобразцов исходного материала – смешанный. В ос-новном отмечен ярко выраженный транскристаллит-ный ручеистый излом по механизму скола, характер-ному для хрупкого разрушения (рис. 1, а).

Кроме того, на поверхности излома видны эле-менты вязкого разрушения – светлые волнистыегребни, указывающие на изменение движения тре-щины. Поскольку на эту процедуру уходит частьэнергии разрушения, то можно считать, что мате-риал в определенной степени оказывает сопротив-ление разрушению, а следовательно, содержит не-который процент пластичности.

Помимо того, в изломе обнаружены микропоры.Скол в сочетании с микропорами является харак-терным механизмом разрушения титановых α2 и

© В. А. КОСТИН, И. И. СТАТКЕВИЧ, Е. А. АСНИС, Г. М. ГРИГОРЕНКО, В. В. ЛАКОМСКИЙ, Н. В. ПИСКУН, Р. В. КОЗИН, В. А. БЕРЕЗОС, 2011

28

(γ+α2) сплавов. В однофазной области зерна, ори-ентированные осями параллельно оси действующе-го напряжения, характеризуются высокими значе-ниями напряжения, нормальными к плоскости ско-ла, и поэтому они разрушаются сколом [4]. На зернас другой ориентировкой действуют меньшие напря-жения. Такие зерна подвергаются пластической де-формации и разрушаются по вязкому механизму.

На рис. 1, б представлена картина излома дру-гого участка исходного материала. Здесь, как и нарис. 1, а, обнаружено хрупкое транскристаллитноеразрушение материала по механизму скола. На этомже образце зафиксированы и чистые протяженныеучастки, свидетельствующие о том, что трещиныидут по границе фазы.

На рис. 1, в показан еще один участок изломаисходного материала. Здесь обнаружен ряд плас-тинчатых ступенек, параллельных друг другу. Та-кая картина является типичной для хрупкого раз-рушения интерметаллида Ti3Al (α2). Эти ступенькии идут в одном направлении. Обычно при разру-шении такие пластинчатые параллельные ступенькиобразуются на игольчатых пластинках α2-фазы.

Фрактографические исследования образцов, пе-реплавленных в высокочастотном электромагнит-ном поле, показали, что поверхности изломов от-личаются от таковых исходного материала.

В изломе (рис. 2, а) появляется чешуйчатаяструктура с гребешками отрыва, характерными длявязкой составляющей. После зонного переплава визломе зафиксированы изогнутые волнистые сту-пеньки, хаотично расположенные по полю излома.Именно появление чешуйчатых ступенек в изломеспособствует развитию вязкого разрушения, чемобъясняется повышение пластичности.

Возникновение крупных гладких фасеток, по-видимому, обусловлено пластическим сдвигом.

Анализ результатов проведенных фрактографи-ческих исследований показал, что в образцах ин-терметаллида, подвергнутых зонному переплаву,отмечен смешанный характер разрушения – транс-и интеркристаллитный. В отличие от исходных образ-

Рис. 1. Поверхность различных участков излома сплава в ис-ходном состоянии; а, в – 200; б – 480

Рис. 2. Поверхность участков излома сплава после зонной пе-рекристаллизации, 200

29

цов, здесь в картине разрушения выявлены значи-тельные участки вязкой составляющей.

Кроме того, анализ результатов выполненныхфрактографических исследований показал (рис. 2, б)наличие участков, где в разных зернах характерразрушения одинаков, имеются бороздки хрупкогоразрушения с параллельным направлением, резкоменяющимся в соседнем зерне. Чем чаще меняетсянаправление разрушения, тем более пластичен ма-териал. Ветвистые ступеньки на изломах исследо-ванных образцов также свидетельствуют о пластич-ности материала.

Наличие вязкой составляющей в изломе можнотакже объяснить стабильностью α2-фазы за счет пе-ресыщенности ее ниобием, который является силь-ным стабилизатором β-фазы. Кроме того, в данномсплаве имеются и другие β-стабилизаторы, в част-ности церий и хром, способствующие образованиюβ-фазы. Наличие в сплаве этой фазы вызывает раз-витие вязкого разрушения и повышение характе-ристик пластичности [5].

Наличие участков интеркристаллитного разру-шения сплавов может быть обусловлено также вы-

делением по границам β-зерен α2-фазы различнойдисперсности [6].

С помощью анализатора INCA-450 по порогу яр-кости вычислили долю вязкой составляющей в об-разцах до зонной перекристаллизации и после нее(рис. 3).

В образцах, подвергнутых зонной перекристал-лизации, вязкая составляющая на 16 % превышалатаковую исходных образцов, полученных способомЭЛПЕ (количество вязкой составляющей материа-ла в исходном состоянии – 5,5, а после зонногопереплава – 21,6 %).

Структурные изменения, происходящие в про-цессе зонной перекристаллизации, положительновлияют на повышение пластичности при комнатнойтемпературе. При испытании на растяжение образ-цов данного сплава при 20 °С пластичность увели-чилась примерно в 3 раза (от 0,8 исходного мате-риала до 2,2 % после зонной перекристаллизации).

Выводы

1. Фрактографические исследования поверхностиизломов образцов интерметаллида показали, чтодля исходного материала характерно хрупкое тран-скристаллитное разрушение по механизму скола.

2. Установлено, что изломы образцов интерме-таллида после зонной перекристаллизации имеютсмешанный характер с преобладанием пластическо-го разрушения.

3. Определено, что зонная перекристаллизацияалюминида титана системы Ti—Al—Nb—Zr—Cr спо-собствует увеличению вязкой составляющей в изломена 16,1 %, по сравнению с исходным материалом.

1. Анаташов В. Г., Ночовная Н. А., Иванов В. И. Тенден-ция развития жаропрочных титановых сплавов для авиа-двителестроения // Технология легких сплавов. – 2002. –№ 4. – С. 72—76.

2. Зонная перекристаллизация алюминида титана / Г. М. Гри-горенко, В. В. Лакомский, И. И. Статкевич и др. // Тр.конф. «Титан в СНГ 2010» (Екатеринбург, май 2010 г.). –Екатеринбург, 2010. – С. 132—139.

3. Патон Б. Е., Тригуб Н. П., Ахонин С. В. Электронно-лучевая плавка тугоплавких и высокореакционных метал-лов. – Киев: Наук. думка, 2008. – 311 с.

4. Бочвар А. Г., Саленков В. С., Файнброн А. С. Фракто-графические исследования сплавов системы Ti—Al—Nb свысоким содержанием ниобия // Металловед. и терм.обраб. металлов. – 2008. – № 3. – С. 30—40.

5. Поварова К. Б., Банных О. А. Принципы создания конс-трукционных сплавов на основе интерметаллидов // Ма-териаловедение. – 1999. – № 2. – С. 27—32.

6. Структура и некоторые свойства литых сплавов на осно-ве TiAl, легированных V, Nb, Ta, Hf, Zr / К. Б. Поваро-ва, О. А. Банных, И. В. Буров и др. // Металлы. –1998. – № 3. – С. 31—41.



Рис. 3. Диаграммы распределения вязкой и хрупкой составля-ющих в поле образца в исходном состоянии (а) и после зоннойперекристаллизации (б); А – область всего образца; I – об-ласть хрупкой составляющей (соответственно 95,6 и 78,3 %);II – область вязкой составляющей (соответственно 5,5 и 21,6 %)

30

УДК 669.187.58

МЕХАНИЗМ АЗОТИРОВАНИЯ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА,ПОКРЫТОГО ШЛАКОМ, АЗОТОМ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ

В. В. Лакомский, Ю. М. Помарин,Г. М. Григоренко, Р. В. Козин

С учетом особенностей транспорта азота из газовой фазы к металлу через шлак предложен механизм азотированияметалла.

With account for the specifics of nitrogen transfer from a gas phase to metal through a slag, the mechanism of metalnitriding is offered.

Ключ е вы е с л о в а : азот; шлак; транспортные свой-ства; окислительный потенциал

Многие исследователи считают шлак непроницае-мым для азота. Поэтому при наличии жидкого шла-ка, используемого, например, при ЭШП, невозмож-но легировать металл азотом непосредственно изгазовой фазы. Таким образом, легировать металлазотом, по их мнению, можно только путем введе-ния в металлический расплав азотированных фер-росплавов или нитридов легирующих элементов [1, 2].Некоторые исследования свидетельствуют о воз-можности азотирования металла при ЭШП в зави-симости от создаваемых условий плавки [3].

Транспорт азота через шлак называют газопро-ницаемостью, которая определяется произведениемпредельной растворимости азота в шлаке СN и коэф-фициента диффузии азота в шлаке DN [4—6]:

ПN = CNDN.

Растворимость азота в шлаках практически всеисследователи определяли при изучении двойнойсистемы газ—шлак. Однако азотопроницаемостьвсе-таки предполагает передачу азота из газовой фа-зы через шлак металлу в тройной системе газ—шлак—металл. Такой вывод у нас появился на ос-новании результатов наших исследований раство-римости азота газовой фазы во фториде кальция инасыщения азотом металла, находящегося под сло-ем жидкого фторида.

Во фториде азот практически не растворяется,а находящийся под ним металл азотируется. Зна-чит, приведенная зависимость не совсем точно опи-сывает процесс азотопроницаемости.

При изучении тройной системы установлено, чтотранспортные свойства шлаков зависят от термоди-

намических условий, созданных не только на гра-нице раздела фаз газ—шлак, но и на границе шлак—металл. Поэтому следует учитывать не столько рас-творимость азота в шлаке, сколько движущую силувсего процесса передачи азота от газа к металлу,заключающуюся в разности значений химическогопотенциала азота в различных областях системыгаз—шлак—металл.

По-нашему мнению, проницаемость среды в ма-лой степени связана с растворимостью какого-либокомпонента в ней, поскольку растворимость – этоспособность поглощать компонент в объем фазы, а про-ницаемость заключается в способности перемещатькомпонент от одной границы раздела фаз к другой.

С целью подтверждения теоретических предпо-ложений других авторов нами проведены сравни-тельные эксперименты. Выполнили две серии пла-вок в азоте в печи сопротивления с использованиемграфитовых и оксидных тиглей.

В первой плавили шлак, а во второй – металлпод слоем шлака. Использовали фториднооксидныешлаки ЭШП и, для сравнения, оксидные смеси,приготовленные из чистых компонентов. Содержа-ние азота в шлаке и металле определяли по методуКьельдаля.

Результаты исследований показали, что содер-жание азота в шлаке в случае взаимодействия азотагазовой фазы со шлаком больше без участия метал-ла, чем в случае взаимодействия азота со шлаком вего присутствии. Следовательно, шлак в описанныхусловиях транспортирует азот из газовой фазы кметаллу, а не растворяет его в своем объеме.

Для того, чтобы иметь представление о механиз-ме транспорта азота через шлаковый расплав, не-обходимо рассмотреть строение последнего.

© В. В. ЛАКОМСКИЙ, Ю. М. ПОМАРИН, Г. М. ГРИГОРЕНКО, Р. В. КОЗИН, 2011

31

Шлаки являются растворами ионов с присут-ствующими в них свободными электронами. Такаясистема способна довольно легко перестраиваться,что вызвано процессами взаимодействия как в са-мом шлаке, так и с контактирующими фазами (га-зом, металлом и материалом тигля), и способствуетварьированию свойств шлака. При таких перест-ройках изменяется количество активного кислоро-да, находящегося в пространстве между группиров-ками комплексных соединений, и (или) заполнен-ность связей Me—O и O—O.

Кислород при этом может существовать в атомар-ном или ионизированном состоянии. Это приводит кизменению активности кислорода, т. е. окислитель-ного потенциала. Следовательно, на границах разделашлака с каждой из контактирующих фаз устанавли-вается присущее ему значение окислительного потен-циала, которое и будет определять взаимодействиекомпонентов шлака и контактирующих фаз.

Конструктивно шлаковый расплав представляетсобой набор плотно упакованных сфер (одно- илинесколькоатомных ионов). Среди них в соответс-твии с «дырочной» моделью жидкости Я. И. Френ-келя имеются постоянно передвигающиеся полости(«дырки») [7]. В них (в зависимости от размера)может размещаться растворяемый в шлаке одиноч-ный или комплексный ион. Количество «дырок»определяет уровень таких структурно-чувствитель-ных свойств шлаковых расплавов, как плотность,вязкость и поверхностное натяжение.

Если над оксидной фазой поддерживать парци-альное давление примесного компонента (азот, сераи др.) постоянным и варьировать окислительныйпотенциал в системе, то несмотря на постоянствоактивности примеси, ее растворимость может изме-няться на несколько порядков. Этим и объясняетсяхорошая растворимость азота в шлаках, выплавлен-ных в графитовых тиглях.

Движущей силой перемещения азота являетсяразность его концентраций в соответствии со сте-пенью окисленности различных слоев шлаковогорасплава. И в то же время следует отметить, чтоазот присутствует в шлаковом расплаве не как са-мостоятельный ион, а в виде соединений с катионом,отличающимся высоким сродством к азоту.

Из всех часто встречаемых компонентов шлаковможно выделить такие катионы с высоким сродс-твом к азоту, как титан, алюминий, кальций и крем-ний, а также углерод. Кремний присутствует в шла-ках в виде термодинамически прочного диоксида,участвующего в создании прочных оксидных ком-плексов. Кремний, по-видимому, не связывается сазотом, в отличие от кальция, который (при опре-деленных условиях и алюминий) может в резуль-тате обменных реакций выделяться в свободном сос-тоянии и образовывать нитридные соединения вшлаковом расплаве.

Добавляемый в шлаки при переплаве металли-ческий кальций не только раскисляет шлаковыйрасплав, но и испаряясь (вследствие высокой уп-

ругости пара), снижает окислительный потенциалгазовой фазы, способствует лучшему транспортуазота из газа в металл.

Растворение азота в шлаках подчиняется законуСивертса и, согласно теории строения шлаков каксреды с коллективизированными электронами, за-висит от степени окисленности шлака и газовой фа-зы над шлаковым расплавом:

lg(N) = kPN2

1⁄2PO2

—3⁄4

Растворенный азот находится в шлаковом рас-плаве в виде иона N3—, который связывается с ак-тивными катионами кальция или алюминия. Связиэти носят ионный характер:

3(Ca2+)+2(N3—)⇔(Ca3N2);

(Al3+)+(N3—)⇔(AlN).

Образуются эти катионы либо путем введенияуказанных металлов в расплав, либо в результатеобменных реакций, происходящих в шлаковых рас-плавах между компонентами самого шлака или кон-тактирующих фаз. Наиболее вероятным являетсяпрохождение обменных реакций во фторидно-ок-сидных шлаках, поскольку при этом образуютсялетучие фториды:

3(CaF2) + 2[Al] = 2{AlF3}+3(Ca).

Перемещается азот в шлаковом расплаве от од-ного катиона к другому, перескакивая из одной «дыр-ки» к другой тем интенсивнее, чем больше энергиивкладывается в плавку металла под шлаком.

На границе раздела шлак—металл происходятотделение иона азота от ионов активных катионови переход азота из шлака в металл:

(N3—) — 3e— = [N].

Таким образом, переход азота из шлака в металлпроисходит в соответствии с коэффициентом рас-пределения L = (N) ⁄ [N] и сопровождается накопле-нием электронов в приповерхностном слое шлака,что может приводить к переходу некоторых элемен-тов из металла в шлак, например кислорода илисеры. Попадая в шлак, они связываются с катионами,например кальция (как это описано в теории обессе-ривания металла шлаковыми расплавами):

[O] = (O2—)+2e—;

[S] = (S2—)+2e—;

(Ca2+)+(O2—) = (CaO);

(Ca2+)+(S2—) = (CaS).

Образованные в результате этих реакций соеди-нения перемещаются к границе раздела шлак—газ,где могут происходить разложение сульфидов илиобменные реакции с фторидами и образование вновь

32

свободных катионов кальция, участвующих в тран-спорте азота через шлак.

Схематически описанный механизм можно представить следующим образом:

Все металлургические процессы, протекающиепри плавке и переплаве металла с участием шлака,являются неравновесными. Поэтому они описыва-ются кинетическими зависимостями, полученными

путем преобразований математической записи зако-на Фика, т. е. являются диффузионными.

Мы попытались рассчитать приблизительныйкоэффициент массопереноса азота от газовой фазык металлу через шлак при различных способах на-

грева, для чего использовали кинетическое уравне-ние первого порядка. Результаты расчетов (табли-ца) показали, что азотирование металлов, находя-щихся под шлаком, происходит с меньшей ско-ростью, чем в случае контактирования металличес-кого расплава непосредственно с газовой фазой.

При плавке в печи сопротивлением и электрош-лаковой азотирование идет с меньшей скоростью,чем в дуговой печи. Даже в случае добавления вшлак металлического кальция при электрошлако-вой плавке скорость азотирования металла ниже,чем при дуговой плавке.

В результате настоящей работы установлено, чтопроцесс взаимодействия металла, покрытого шлако-вым расплавом, с азотом из газовой фазы не простовозможен, а происходит и его можно регулировать.

1. Исследование возможностей улучшения высокопрочной стро-ительной стали марки 16Г2АФ / Б. Е. Патон, Б. И. Медо-вар, В. Я. Саенко и др. // Пробл. спец. электрометал-лургии. – 1975. – Вып. 1. – С. 34—40.

2. Stein G., Menzel I., Dorr H. Industrial manufacture ofmassively nitrogen-alloyed steels // Steel Research. –1987. – № 1. – P. 32—38.

3. Процессы азотирования при дуговом шлаковом переплаве /Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, Г. М. Григоренко и др. //Пробл. спец. электрометаллургии. – 1991. – № 3. –С. 14—16.

4. Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теорияметаллургических процессов. – М: Металлургия,1986. – 463 с.

5. Камышов В. М., Есин О. А., Чучмарев С. К. Азотопро-ницаемость жидких шлаков // Известия вузов. Чернаяметаллургия. – 1965. – № 2. – С. 57—61.

6. Новохатский И. А. Газы в окисных расплавах. – М.:Металлургия, 1975. – 216 с.

7. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. – Л.:Наука, 1975. – 592 с.



Скорость поглощения азота металлами через шлаки

Способплавки

Металл ШлакКоэффициентмассопереноса

β, см/с

Сопротивлением Х18Н9Т 85 % CaO 1,5⋅10—4

15 % Al2O3

» » 70 % CaO3⋅10—4

15 % Al2O3

15 % TiO2

» » 30 % CaF2

2,7⋅10—455 % CaO

15 % TiO2

Электрошлаковая Х6ВФ CaF2 — 7 % Ca 2⋅10—3

Дуговая Х18Г18 15 % CaF2

2,6⋅10—352 % Al2O2

29 % CaO

2 % SiO2

» » CaF2 1,55⋅10—2

33

УДК 621.431:621.75:62-843.8:621.787

УВЕЛИЧЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИМОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛОПАТОК

ИЗ СПЛАВА ЖС36ВИ ПУТЕМ ДРОБЕСТРУЙНОЙОБРАБОТКИ ИХ ХВОСТОВИКОВ МИКРОШАРИКАМИ

И. С. Малашенко, В. А. Ровков, В. В. Куренкова, А. Ф. Белявин,Д. А. Федотов, В. К. Сычев

Рассмотрена возможность применения дробеструйной упрочняющей обработки поверхности елочного замка мо-нокристаллических лопаток из сплава ЖС36 стальными микрошариками для увеличения сопротивления усталостипри циклическом нагружении. Описаны параметры технологического процесса и показана возможность оценкиповерхностного деформационного упрочнения внешних слоев металла замка при помощи измерения микротвердостиHV. Определен уровень наведенных напряжений в окрестности зуба замка. Дробеструйная обработка позволилаповысить сопротивление усталости монокристаллических лопаток минимум на 50 МПа при резонансной частоте, аочаг усталостного разрушения при этом переместился из впадины первого зуба на поверхность пера лопатки.

The feasibility of application of shot-blasting strengthening treatment of surface of a fir-tree locking piece of single-crystalblades of alloy ZhS6 using steel microballs to increase the fatigue resistance at cyclic loading is considered. Parametersof technological process are described and possibility of estimation of surface deformational strengthening of lockingpiece metal layers using the measurements of microhardness HV is shown. The level of induced stresses in the vicinityof the locking piece teeth was determined. The shot-blasting treatment allowed increasing the fatigue resistance ofsingle-crystal blades at least by 50 MPa at resonance frequency, and the source of fatigue fracture in this case wasdisplaced from the first teeth depression to the surface of a blade airfoil.

Ключ е вы е с л о в а : дробеструйная обработка; микро-шарики; лопатка турбины; усталостные испытания; упроч-ненный слой; микротвердость; циклическая долговечность;разрушение

Введение. Надежность и долговечность деталей га-зотурбинных двигателей (ГТД) в значительной сте-пени определяются физико-механическими свойст-вами поверхностного слоя. Для повышения сопро-тивления усталости деталей, подверженных цикли-ческому или вибрационному нагружению, широкоиспользуют поверхностное пластическое деформи-рование (ППД) металлическими или стекляннымишариками диаметром 35…300 мкм [1—4]. Обработ-ка микрошариками обеспечивает упрочнение поверх-ности практически любых деталей с острыми кром-ками (Rа < 0,1 мм), канавками, проточками лаби-ринтных уплотнений, изделий с резьбами и т. д. Наобрабатываемой поверхности создаются максималь-ные сжимающие остаточные напряжения, при этомобразуется наклепанный слой определенных глу-бины и степени деформации.

Упрочнение поверхности микрошариками(УМШ) не нарушает геометрии деталей и тормозитразвитие процессов усталости, вызванных повреж-

дениями, связанными с механической обработкой вочаге максимальных изгибных напряжений на ран-ней стадии их эксплуатации.

Назначение режимов дробеструйного упрочне-ния деталей авиационных газотурбинных двигате-лей (АГТД) микрошариками должно определятьсяв первую очередь в зависимости от формированиямикрогеометрии с заданной высотой микронеров-ностей Rz и оптимального радиуса закругления ρдна впадины, остающейся от удара микрошариком.

Согласно работе [2], глубина проникновенияпластической деформации прямо пропорциональнадиаметру используемых микрошариков и корнюквадратному скорости их полета. В наклепанномповерхностном слое возникают осевые и танген-циальные сжимающие напряжения. Вблизи грани-цы этого слоя напряжения резко уменьшаются ипереходят в растягивающие, максимум которыхрасполагается на некотором расстоянии от границынаклепанного слоя.

Поверхностное упрочнение микрошариками обе-спечивает минимальную пластическую деформа-цию металла хвостовика лопатки, изменяя эпюруостаточных напряжений по всему сечению хвос-

© И. С. МАЛАШЕНКО, В. А. РОВКОВ, В. В. КУРЕНКОВА, А. Ф. БЕЛЯВИН, Д. А. ФЕДОТОВ, В. К. СЫЧЕВ, 2011

34

товика. При УМШ деталей из различных никеле-вых сплавов структурное состояние металла и со-держание углерода определяют кинетику измене-ния остаточных напряжений по толщине слоя [3].Обработка микрошариками обеспечивает лучшиепоказатели сопротивления усталости пера лопаткикомпрессоров. Так, предел выносливости в этомслучае возрастает примерно на 12 % на базе испы-таний 2⋅107 цикл.

В монографии [4] сопоставляются результатыиспытаний на усталость лопаток турбин высокогодавления (ТВД), замковые соединения которых вы-полнены различными способами (фрезерованиемили глубинным шлифованием). При шлифовании(в отличие от фрезерования) формируется регуляр-ный рельеф с меньшей шероховатостью, но с болеевыраженными микровпадинами и выступами. Ста-билизировать параметры поверхностного слоя зам-ковой части и повысить предел выносливости уда-ется за счет ППД хвостовиков в результате обра-ботки микрошариками.

Процесс ППД микрошариками управляем приобеспечении заданной степени наклепа и уровня де-формации. Применяемые на практике методы не-разрушающего контроля не дают достоверной ин-формации о глубине наклепанного слоя и степенинаклепа [5]. Вместе с тем метод измерения микро-твердости поверхностных слоев замка дает удовлет-ворительные результаты относительно характерапластической деформации металла хвостовика [6].Для прогнозирования поведения деталей в рабочихусловиях необходимо знать свойства этого слоя сцелью оптимизации поверхностного деформацион-ного упрочнения внешних слоев металла замков иоценки циклической долговечности лопаток.

В задачу настоящего исследования входила от-работка технологического процесса ППД поверх-ности фрагментов монокристаллических лопаток изсплава ЖС36ВИ путем их обработки струей микро-шариков для повышения предела выносливости ме-талла елочного замка, увеличения долговечности инадежности эксплуатации детали в целом.Материалы исследования. При дробеструйном

упрочнении елочного замка лопаток турбин не тре-буется достижения минимальной шероховатости.Высота микронеровностей Rz допускается, согласноработе [1], не более 2,5 мкм. Поскольку конструк-ция елочного замка характеризуется повышеннойжесткостью, применяют интенсивные режимы дро-беструйной обработки.

Предварительно дробеструйную пневмодинами-ческую установку с соплами различного сечения та-рировали для определения интенсивности обра-ботки поверхности микрошариками путем опреде-ления уровня прогиба пластин Алмена* при фик-сированном времени обработки 3 мин. Когда прогибплоского образца в результате ППД начинает изме-няться слабо, в зависимости от времени обработки,

наступает момент «насыщения», т. е. кристалличес-кая решетка металла перестает воспринимать под-водимую кинетическую энергию микрошариков.Этот период (2…3 мин) интенсивной обработкиуказывает на необходимость прекращения процессаУМШ. Давление струи микрошариков может изме-няться в 1,5…2,0 раза и определяется опытнымпутем.

Главными параметрами процесса упрочнениялопаток являются продолжительность наклепа еди-ницы площади детали при ее вращении в потокемикрошариков, размер последних (диаметр), ско-рость полета, определяемая диаметром сопла, отку-да истекают микрошарики, и давлением воздуха навходе в установку. От времени наклепа единицыплощади детали зависит стабильность и сплошность(«покровность») обработки, что обеспечивает рав-номерность пластической деформации анализируе-мой поверхности.

Для обработки поверхности зубьев хвостовикалопатки устанавливали в специальную оправку,вращаемую подающим штоком. Особенность распо-ложения лопатки в оснастке заключалась в том, чтопри ее вращении в потоке микрошариков угол на-клона поверхности стенок зубьев к потоку рабочеготела был максимально перпендикулярным к основ-ному направлению струи дроби (рис. 1).

Частота вращения пластины для контроля уров-ня наведенных напряжений потоком микрошари-ков, как и фрагментов хвостовика, составляла12 об/мин. Использовали микрошарики француз-ского производства марки WS070 (рис. 1, б). Си-товый анализ показал, что 80 % микрошариков име-ли диаметр 180 мкм.

Приспособление для измерения интенсивностиППД (глубины прогиба образца-свидетеля) в соот-ветствии с требованиями стандарта SAE J422 имелобазу 31,75 мм. В качестве контрольных образцовиспользовали пластины Алмена (тип «A» согласноSAE J422).

Выбор режима обработки елочного замка заклю-чался в назначении условий (параметров) истече-ния струи микрошариков из рабочего сопла, обес-печивающей необходимое упрочнение поверхност-ных слоев замка детали, которое должно гаранти-ровать максимальное сопротивление усталости ме-талла хвостовика (прикорневой части монокрис-тальной лопатки) при сохранении геометрическихпараметров и точности изготовления деталей.

Основным методом структурных исследованийсостояния приповерхностных слоев металла зубьевлопаток и изломов испытанных лопаток служилирастровая электронная микроскопия и микроанализпри помощи сканирующего микроскопа CamScan-4с энергодисперсионным анализатором ENERGY 200и программным обеспечением INCA.

Микротвердость упрочненного слоя хвостови-ков после различных режимов обработки исследо-

*Паспорт на пластины TEST STIPS «А» Metal Improvement Company, US, N.J. 07072.

35

вали на приборе «Micro-Duromat 4000E» при на-грузке 10 г.

Испытания на циклическую долговечность ис-ходных и обработанных (после УМШ) лопатокпроизводили на электродинамической установкеУВЭ-1-004, принципиальная схема которой описа-на в работе [7].Экспериментальная часть. Хвостовики моно-

кристальных рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИподвергали ППД непосредственно после установкинового сопла в рабочую камеру и его тестирования.На первом этапе исследований использовали заго-товки лопаток без нарезанного елочного замка ипосле различных штатных режимов термическойобработки сплава ЖС36 в вакууме:

гомогенизации;высокотемпературного старения при 1030 °С (4 ч);старения при 1030 и 870 °С (32 ч).Образцы из замковой части заготовки обраба-

тывали на соплах различного диаметра (рис. 1).Максимальный прогиб (140 мкм) получен при ис-пользовании сопла диаметром 7 мм. Увеличение

диаметра сопла снижало скорость истечения потокамикрошариков. Высота прогиба контрольной плас-тины снизилась от 140 до 98 и далее до 94 мкм (длясопла диаметром 13 мм). Таким образом, наиболеевысокая интенсивность насыщения поверхностипри дробеструйной обработке отмечена в интерваледиаметров расходных сечений сопел 7…10 мм.

На рис. 2 приведены результаты исследованияраспределения микротвердости по глубине послеобработки фрагментов хвостовиков потоком микро-шариков на различных режимах ППД с использо-ванием разных сопел.

Средняя микротвердость материала лопатки всостоянии после гомогенизации и старения состав-ляла HV 3500, а упрочненного слоя – HV 5500…...6000 МПа. Как правило, максимальное значениемикротвердости получали непосредственно на по-верхности или на расстоянии не более 10…15 мкмот поверхности.

Глубина распространения повышенной микро-твердости совпадает с глубиной распространениянаведенных сжимающих напряжений. С уменьше-нием диаметра сопла и увеличением скорости ис-течения микрошариков из системы микротвердостьприповерхностного слоя, т. е. степень наклепа поглубине, и глубина обработанного слоя возрастают(рис. 3).

Интенсивность дробеструйной обработки угло-вой области фрагмента хвостовика оказалась сущес-твенно выше таковой плоской поверхности фраг-мента. Глубина упрочнения плоской поверхностиобразца в результате дробеструйной обработки до-стигала 100 мкм (НV 4000 МПа), в угловой областифрагмента, моделирующей зуб, упрочнение нивели-

Рис. 2. Распределение микротвердости HV (P = 10 г) по глубинеметалла в объеме фрагментов заготовки хвостовика рабочейлопатки (сплав ЖС36ВИ после гомогенизации), подвергнутыхдробеструйной обработке в течение 6 мин на соплах различногодиаметра и на лопатке-эталоне (после УМШ у заказчика); h –расстояние от поверхности зуба хвостовика

Рис. 1. Фрагмент заготовки хвостовика рабочей лопатки ТВД (без нарезания зуба), на котором отрабатывали режимы дро-беструйного упрочнения поверхности металла елочного замка микрошариками (а) и внешний вид стальных микрошариков,используемых в установке дробеструйного упрочнения поверхности (б): 1 – ребро; 2 – пирамида; 3 – ножка

36

ровалось лишь на глубине 200 мкм, при этом отме-чено пропорциональное уменьшение НV с увеличе-нием расстояния h от поверхности.

Максимум упрочнения фрагментов был пример-но одинаковым на плоской стороне и на ребре фраг-мента хвостовика – 5800 МПа в случае минималь-ного диаметра сопла при времени обработки 6 мин.Эти данные показали, что в одних условиях ППДуровни упрочнения во впадине зуба и на его вер-шине различаются несущественно.

Максимальный уровень упрочнения фрагментав случае обработки на соплах диаметром 12…13 ммне превышал 5500 МПа на глубине около 10 мкмот поверхности. Следовательно, ППД хвостовикаможно проводить на больших диаметрах сопла ипри большем времени обработки или, что экономи-чески выгоднее, на меньшем диаметре сопла и болеекоротком времени упрочнения.

При дробеструйной обработке с использованиемсопел большего диаметра монотонное упрочнениепроисходило в поверхностном слое на глубину до100 мкм (а не 200 мкм, как в случае сопла мини-мального диаметра). Различие в эффекте упрочне-ния ребра и плоской поверхности фрагмента не за-фиксировано глубже 100 мкм. Следовательно, соп-ла диаметром 12…13 мм обеспечивают мягкий одно-родный режим поверхностного пластического де-формирования.

Уровень наведенных в результате УМШ напря-жений в хвостовиках реальных лопаток контроли-ровали измерением микротвердости приповерхно-стных слоев елочного замка на глубину до 250 мкм,т. е. до металла, не претерпевавшего наклепа.

При назначении режимов ППД (продолжитель-ности их обработки) реальных деталей в дробест-руйной установке учитывали данные прогиба кон-трольных пластин, устанавливаемых стационарно.Это время (до 30…60 с) увеличивается в π раз вслучае вращения объекта в потоке микрошариков.При уменьшении диаметра микрошариков диаметрсопла следует также уменьшать для обеспечениянужной скорости полета рабочего тела с целью уве-личения кинетической энергии отдельных шариков.

Увеличение времени обработки в два раза неспособствовало дополнительному упрочнению ме-талла замка. Рост продолжительности обработкизамка микрошариками выше порога насыщения невызвал снижения сопротивления усталости [1]. Сповышением скорости рабочей струи микрошари-ков, связанной с уменьшением диаметра сопла, рас-тет интенсивность поверхностной деформации иувеличивается глубина распространения ППД.

При постоянной скорости полета шариков сжи-мающие остаточные напряжения на поверхности из-меняются несущественно с ростом диаметра микро-шариков [1]. Поэтому некоторое изменение фрак-ционного состава дроби в процессе длительнойработы оборудования особого влияния на финаль-ные результаты технологического этапа ППД лопа-ток не оказали.

Микротвердость HV эталонной лопатки в окрес-тности зуба замка, прошедшей все стадии процессаобработки, включая ППД замка у заказчика, сос-тавляла 6000 МПа. Получено постепенное сниже-ние упрочнения по мере углубления в тело замкана расстояние 110…120 мкм, где микротвердость

Рис. 3. Микроструктура зоны пластической деформации (после УМШ в течение 6 мин на сопле среднего диаметра) у поверхности1-го зуба лопатки, прошедшей полную термообработку: а – общий вид поверхностного слоя металла; б – область пластическойдеформации; в – упрочняющая γ′-фаза в металле зуба; г – то же, на границе зоны видимой ППД и нижних слоев сплава ЖС36;а – 120; б—г – 5000

37

достигала 3700…3750 МПа. Это и есть микротвер-дость монокристаллического сплава ЖС36 послеполного цикла термообработки.

Характер изменения микротвердости приповерх-ностного слоя в участках впадины или стенки зубаодинаков, абсолютное значение НV по стенкам зубабыло чуть выше, чем во впадине.

При обработке другой реальной лопатки послеполного цикла термообработки на сопле среднего диа-метра обнаружена некоторая неоднородность в ре-зультатах измерения микротвердости в области 1-гозуба и примыкающих впадин. Время ППД составляло3 мин. Вершина зуба претерпела наиболее интенсив-ное упрочнение (на глубину до 80 мкм). При среднемзначении микротвердости внутренних объемов замка3800 МПа упрочнение поверхностных слоев хвос-товика в окрестности 1-го зуба соответствовало зна-чению микротвердости (5500±250) МПа.

Минимальное упрочнение (не более 5000 МПа)получено на стенках 1-го зуба на глубину до 50 мкм.Этот результат явился следствием отклонения углападения потока микрошариков от нормального, поотношению к поверхности стенок, формирующихзуб замка. Упрочнение поверхности впадин 1- и 2-гозубов было одинаковым и промежуточным междуупрочнением вершины зуба и его стенок. Изменениевремени обработки хвостовика (3 или 6 мин) су-щественного влияния на характер упрочнения ме-талла не оказывало.Отработка технологии ППД хвостовиков реаль-

ных рабочих лопаток. При дробеструйной обработ-ке хвостовиков реальных рабочих лопаток турбинытребовалось получить равномерную пластическуюдеформацию поверхностных слоев елочного замка(в области впадины 1-го зуба, непосредственно 1-гозуба и впадины 2-го зуба). Для этого выполнилипредварительную оценку качества ППД при раз-личных условиях размещения лопатки в потокемикрошариков. При установке лопаток в пневмо-дробеструйную установку поток шариков покрывалхвостовую часть детали с удовлетворительной одно-родностью обработки елочного замка.

Наиболее высокой интенсивности обработки по-верхности зуба микрошариками достигали на сопледиаметром 7 мм. В этом случае скорость потокамикрошариков и вкладываемая в поверхность елоч-ного замка кинетическая энергия рабочего тела бы-ли наиболее высокими.

На оборудовании заказчика получен незначи-тельный градиент упрочнения поверхности на тол-щину не более 70 мкм. Микротвердость НV глу-бинных слоев металла монокристаллической лопат-ки из сплава ЖС36ВИ после всех режимов термо-обработки составила 3500, а внешнего слоя (послеУМШ) достигала 5800 МПа. Упрочнение металлабазовой лопатки, оцениваемое по микротвердостиприповерхностных слоев, равной 5750…5250 МПа,монотонно убывало на глубину 70…60 мкм.

На основе результатов модельных экспериментовпо упрочнению елочного замка выбран двухэтапный

режим обработки хвостовиков лопаток по 2 мин вдвух различных позициях с использованием сопладиаметром 7 мм, которое позволило получить мак-симальную скорость истечения потока шариков,благодаря чему достигнута удовлетворительная ин-тенсивность упрочнения на глубину до 100…...120 мкм. Остаточные сжимающие напряженияснижались от поверхности во внутренние объемыдетали. При неизменном поверхностном упрочне-нии глубина распространения наведенных напря-жений в металл на 35…40 мкм превышала таковуюбазовой детали.

Сопло устанавливали таким образом, чтобы уголпадения потока микрошариков по отношению к бо-ковым поверхностям, формирующим зуб, составлял70°. В этом случае упрочнение (приращение твер-дости) основного металла на глубине 20 мкм отповерхности вдоль обвода зуба, стенок и впадиныбыло примерно одинаковым.

Эффективность упрочнения хвостовика лопа-ток, обработанных по описанной схеме, заметно вы-ше, чем у хвостовика базовой лопатки, обработан-ной заказчиком. Пик микротвердости у поверхностидостигал 6200 МПа. Градиент упрочнения распрос-транялся на глубину до 120 мкм, монотонно сни-жаясь через всю толщину обработанного поверхнос-тного слоя. Уровень микротвердости сплава состав-лял стабильно (3500±100) МПа.

На рис. 3 показана тонкая структура приповерх-ностных слоев металла фрагмента хвостовика заго-товки после гомогенизации и реализации процессаУМШ. Отмечена незначительная пластическая де-формация частиц γ′-фазы в матрице непосредствен-но у поверхности замка. Во внешнем поверхностномслое какие-либо инородные частицы отсутствовали.Результаты испытаний на усталость монокрис-

таллических лопаток. Сравнительные испытанияна усталость лопаток 1-й ступени турбины прово-дили на электродинамическом вибраторе УВЭ-1-004 при температуре 20 °С. Нагружение лопаткиосуществляли силами инерции при резонансныхизгибных колебаниях (основной формы). Для ис-пытания подготовили две партии лопаток:

некондиционные без дробеструйной обработкихвостовика микрошариками (после двухстадийногостарения);

после старения и дробеструйного упрочненияхвостовика по выбранному режиму (сопло диамет-ром 7 мм, в двух позициях, по 2 мин обработки вкаждой позиции).

Сравнительные испытания на усталость лопатокпроводили согласно ОСТУ 100870—77 на базе 2⋅107

цикл нагружения.Напряжения на поверхности галтельного пере-

хода у 1-го зуба хвостовика рассчитывали по ре-зультатам статической тарировки (σmax = 37,6 МПа).Динамическую тарировку проводили до уровня пе-ременных напряжений 50 МПа по тензорезистору,расположенному на поверхности спинки у корневойчасти пера, с помощью камертонного устройства

38

(тензостанция УТ-4 г). В качестве критерия разру-шения испытываемых лопаток принимали сниже-ние резонансной частоты изгибных колебаний на3…5 Гц.

Очаги возникновения усталостного разрушениялопаток, не прошедших дробеструйную обработкуелочного замка и после ППД хвостовика, показанына рис. 4.

При больших значениях долговечности (Nf == 2⋅107 цикл) и относительно низком уровне амп-литудного напряжения σа обработка хвостовиковлопаток микрошариками на пневмодинамическойустановке обеспечила повышение предела устало-сти металла на 35…40 МПа (от 50 до 90 МПа). Посравнению с лопаткой, прошедшей УМШ хвосто-вика у заказчика, сопротивление многоцикловой ус-талости лопаток после выполненной авторами дро-беструйной обработки возросло на 15 МПа на базе2⋅108 цикл (рис. 5).

Использованные технологические приемы ППДхвостовиков рабочих лопаток путем их дробеструй-ной обработки позволили повысить сопротивлениеусталости лопаток и подавить возникновение очаговусталостного разрушения в окрестности впадины 1-гозуба (рис. 6).

Размер использованных при наклепе микроша-риков, время и интенсивность обработки позволилиопределить требуемую глубину (до 150 мкм) расп-ространения сжимающих напряжений в поверхнос-тных слоях металла хвостовиков рабочих лопатокиз сплава ЖС36ВИ.Особенности разрушения рабочих лопаток пос-

ле дробеструйной обработки микрошариками. Вы-

сокая чувствительность монокристаллов к концен-траторам напряжений объясняется в работе [8] от-сутствием границ зерен, которые являются препят-ствием на пути распространения магистральной тре-щины усталости. В поликристаллических сплавахтрещина меняет направление своего распростране-ния каждый раз, когда пересекает границы зерен.Это приводит к увеличению длины траектории тре-щины усталости.

В монокристаллах с надрезом трещина устало-сти практически беспрепятственно распространяет-ся через весь образец. Поэтому монокристалличес-кая лопатка характеризуется высокой чувствитель-ностью к наличию концентраторов напряжений, на-пример дефектов (рис. 7). Это обнаружено при цик-лических испытаниях на усталость рабочих лопа-ток, когда очаг разрушения у конкретной деталивозник у литейного микродефекта на заднем торцезамка.

Согласно работе [9], существует три кристалло-графические зоны усталостного разрушения на по-верхности монокристаллов никелевых жаропроч-ных сплавов (ЖС) ЖС32, ЖС6Ф: зарождениятрещины (1), некристаллографическая зона рас-пространения трещины (2) и зона долома (3).

Зона 1 соответствует стадии образования ста-бильных полос скольжения по плоскостям, вдолькоторых и происходит рост трещины (рис. 7, б).Зона усталостного излома имеет гладкий скольныйвид и занимает до 80 % поверхности.

Распространение трещины усталости происхо-дит по плоскости октаэдра {111} в направлении[011], что соответствует обычной системе скольже-

Рис. 4. Места зарождения усталостного разрушения в пяти монокристальных рабочих лопатках турбины двигателя, не прошедшихУМШ после циклических испытаний при температуре 20 °С

39

ния в монокристаллических никелевых ЖС [9]. Наплоскости скола октаэдра видны «ручеистый» узори полосы, указывающие направление [011] расп-ространения трещины (рис. 7).

Ручеистый узор – это микродоломы, возникаю-щие при распространении трещины усталости попараллельным плоскостям, лежащим на разныхуровнях. Очаги усталостного разрушения возника-ют в определенных с кристаллографической точкизрения местах залегания карбидных частиц илимикропор на поверхности детали или под поверх-ностью, где действуют максимальные напряжения(рис. 7, в).

Согласно работе [9], для аксиальной ориентации[011] и [111] в образцах из сплавов ЖС32 и ЖС6Ф

зафиксирована ориентационная зависимость воз-никновения очагов усталостного разрушения.

Из пятнадцати экспериментальных лопаток,хвостовики которых подвергались дробеструйномуупрочнению микрошариками, отобраны пять лопа-ток, у которых дополнительно обработали микро-шариками трактовую поверхность (перо) с цельювыявления очагов разрушения при циклических ис-пытаниях. После указанной обработки уровень на-веденных напряжений на поверхности рабочих ло-паток был одинаковым.

Перо лопаток, включая поверхность бандажнойполки, обработали в стандартной сертифицирован-ной оснастке на сопле диаметром 7 мм в одной по-зиции в течение 2 мин при скорости вращения ло-патки 12 об/мин относительно оси Z. Параметрыпроцесса ППД лопаток оставались неизменными.

Уровень остаточных напряжений первого родав лопатке из сплава ЖС36ВИ оценивали путем оп-ределения параметров решетки исходного (необра-ботанного) и упрочненного микрошариками плос-ких образцов, вырезанных из хвостовой части ра-бочих лопаток [10].

Съемку образцов проводили в дискретном режи-ме на автоматизированном дифрактометре ДРОН-3(излучение Cukα

, шаг сканирования 0,03°, экспози-

ция в каждой точке 4 с, интервал углов 40…155°).Обработку дифракционных данных осуществлялиметодом полнопрофильного анализа (погрешностьв определении положения центра тяжести пика рав-нялась ±(0,001…0,005)°. Установлено, что пара-метр решетки а0 ненапряженного образца составлял0,35876, а напряженного – 0,35934 нм.

Рис. 6. Усталостные характеристики рабочих монокристалли-ческих лопаток (сплав ЖС36ВИ) после двухстадийной гомо-генизации (1), дробеструйного упрочнения хвостовика лопаток(2), дробеструйной обработки последовательно хвостовика ипера лопаток (3), дробеструйной обработки у заказчика (4)

Рис. 5. Сетка усталостных микротрещин на поверхности заднего торца (кармана) в месте впадины 1-го зуба хвостовика лопатки,не обработанной микрошариками, без ППД (σα = 60 МПа, Nf = 9,1⋅10

6 цикл): а – дендритная структура монокристаллической

лопатки; б, в – сетка усталостных трещин, возникшая на поверхности ребра заднего торца со стороны спинки; г – устье трещины;а – 32; б—г – 1000

40

На основании расчета дифрактограмм исходногои упрочненного образцов получено, что после УМШобработки по оптимизированному режиму на повер-хности плоского образца сплава ЖС36ВИ возни-кали сжимающие напряжения на уровне 750 МПа.Примерно такой же равномерный уровень сжимаю-щих напряжения был наведен на профильной по-верхности во впадинах и на контактных площадкахзубьев елочного замка рабочей лопатки.

Эпюры распределения остаточных напряженийпо первой впадине елочного замка рабочей лопаткииз сплава ЖС36ВИ после обработки микрошари-ками приведены на рис. 8. После обработки микро-шариками заказчиком на поверхности пера лопаткивозникли растягивающие остаточные напряжения(200 МПа) с глубиной распространения до 20…...30 мкм, а в более глубоких слоях, расположен-ных от поверхности на расстоянии 30…100 мкм, –остаточные напряжения сжатия.

После обработки образцов микрошариками порежимам, рассмотренным в настоящей работе, наповерхности пера лопатки имели место остаточныенапряжения сжатия с максимальным значением520…590 МПа и глубиной распространения 40…...80 мкм.

Результаты циклических испытаний, выполнен-ные в Институте проблем прочности НАНУ, обоб-щены на рис. 6, 9. В качестве критерия начала ус-талостного разрушения испытуемых лопаток при-нимали снижение резонансной частоты (2340…...2365 Гц) изгибных испытаний на 3…5 Гц.

При значении напряжения σа = 100 МПа ни водной из испытанных лопаток разрушения на базе2⋅107 цикл у впадины 1-го зуба и по ребрам заднего

торца не зафиксировано. В одной из лопаток раз-рушение произошло при 100 МПа в наиболее на-пряженной зоне на спинке в области, где клеилсядатчик. В другой лопатке трещина возникла рядомс 6-м перфорационным отверстием (считая от бан-дажной полки). В случае σа = 120 МПа разрушениееще одной лопатки произошло на выходной кромкесо стороны корыта. Лопатка выдержала полнуюбазу испытаний 2⋅107 цикл при напряжении σа =100 МПа.

Полученные результаты свидетельствуют об оп-ределенных недостатках в технологии литья моно-кристаллических лопаток, поскольку в зависимостиот изделия очаг разрушения перемещался в раз-личные точки поверхности [11]. Негативных кон-структивных особенностей в деталях в результате

Рис. 7. Усталостный излом (поверхность разрушения), возникший в теле ребра торца хвостовика, со стороны корыта лопатки(σα = 110 МПа, Nf = 6,8⋅10

6 цикл; амплитуда колебаний 320 мкм): а – общий вид излома; б – кристаллографическая зона; в –

очаг разрушения); г – зона распространения трещины; а – 40; б – 100; в – 400; г – 200

Рис. 8. Эпюры распределения остаточных напряжений на об-разцах, взятых со стороны корыта и спинки рабочих лопаток изсплава ЖС36ВИ, после обработки микрошариками у заказчикаи авторами работы: 1 – корыто; 2 – спинка; 3 – спинка(заказчик); 4 – корыто (заказчик)

41

испытаний не выявлено. Можно утверждать, чторабочие монокристаллические лопатки турбиныпосле ППД елочного замка на пневмодинамическойустановке имеют предел выносливости на базе 2⋅107,цикл знакопеременного нагружения 100…5 МПа,что в 2 раза выше, чем у исходных лопаток, неподвергавшихся УМШ.

Выводы

1. Разработана опытно-промышленная технологияповерхностного пластического деформированияхвостовиков рабочих лопаток из сплава ЖС36ВИс целью увеличения сопротивления усталости (цик-лической долговечности).

2. Процесс ППД заключается в дробеструйномупрочнении елочного замка потоком стальных мик-рошариков, который эмитируется из сопла диамет-ром 7 мм воздушным потоком под давлением нарасстоянии 300…320 мм от среза сопла. Скоростьвращения лопатки в потоке микрошариков состав-ляла 12 об/мин. Детали обрабатывали потокоммикрошариков в двух позициях.

3. Упрочнение приповерхностных слоев металлаелочного замка исследовали путем измерения мик-ротвердости HV при нагрузке 10 г в окрестностивершины, впадины и стенок зубьев. После дробес-труйной обработки хвостовиков микротвердость ба-зового сплава ЖС36ВИ равнялась 3500, а упроч-ненного приповерхностного слоя – 5800…...6000 МПа. Глубина упрочнения металла хвос-товика (наведение остаточных напряжений сжатия)составляла примерно 120…160 мкм при использо-вании сопел различного диаметра в процессе УМШ.

4. Упрочняющая обработка хвостовиков лопатокмикрошариками при долговечности Nf = 2⋅107 циклна пневмодинамической установке позволила по-высить предел усталости металла монокристальных

лопаток на 35…40 МПа (от 50 до 95 МПа). Вы-бранный режим УМШ предотвращает разрушениехвостовика лопатки по впадине 1-го зуба.

5. С помощью дифрактометрического анализаустановлено, что в результате УМШ на поверхностихвостовика лопатки из монокристаллического спла-ва ЖС36ВИ возникают сжимающие напряжения науровне 590...750 МПа.

1. Кузнецов Н. Д., Цейтлин В. Н., Волков В. Н. Техноло-гические методы повышения надежности деталей машин.Справочник. – М.: Машиностроение, 1993. – 304 с.

2. Саверин М. М. Дробеструйный наклеп. – М.: Машгиз,1955. – 312 с.

3. Рыбаков Г. М., Пудков С. И., Чернышев В. В. Оптими-зация режимов дробеструйной обработки деталей ГТД покритериям выносливости // Авиац. пром-сть. –1988. – № 4. – С. 15—16.

4. Петухов А. Н. Сопротивление усталости деталей ГТД. –М.: Машиностроение, 1993. – 240 с.

5. Кузнецов Н. Д., Плоскин Ю. В., Волков В. И. Исследо-вание глубины наклепанного слоя на поверхности деталиГТД из сплавов ХН45МВАТЮБР и ВТ9 // Авиац.пром-сть // 1989. – № 9. – С. 17—19.

6. Куренкова В. В. Особенности микроструктуры поверхно-сти елочного замка монокристальных рабочих лопаток изсплава ЖС36ВИ // Современ. электрометаллургия. –2010. – С. 38—46.

7. А. с. 105806 СССР, МПК В 23 К 1/19. Вибростенд для ус-талостных испытаний объектов / В. А. Ровков, Н. И.Жабко, Ю. А. Коломиец. – Опубл. 30.11.1983; Бюл. № 44.

8. Верин Д. Дж. Микроструктура и свойства жаропрочныхсплавов // Жаропрочные сплавы. – М.: Металлургия,1976. – С. 217—241.

9. Монокристаллы никелевых жаропрочных сплавов /Р. Е. Шалин, И. Л. Светлов, Е. Б. Качанов и др. – М.:Машиностроение, 1997. – 336 с.

10. Русаков А. А. Рентгенография металлов. – М.: Атомиз-дат, 1967. – 482 с.

11. Богуслаев В. А., Качан А. Я., Мозговой В. Ф. Финиш-ные технологии обработки деталей ГТД // Вестник дви-гателестроения. – 2009. – С. 71—75.

ИЦ «Пратт и Уитни Патон», г. Киев


Ин-т проблем прочности им. Г. С. Писаренко

НАН Украины, Киев

З-д «Авиадвигатель», г. Пермь, РФ

Поступила в редакцию 08.07.2011

Рис. 9. Места зарождения усталостного разрушения в четырех монокристальных рабочих лопатках турбины двигателя, прошедшихраздельно ППД хвостовика и пера, после циклических испытаний при температуре 20 °С

42

УДК 669.786: 621.365.2

АНАЛИЗ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО КОНЦЕНТРАТАМЕТОДОМ ЭСА-ИСП

Г. М. Григоренко, Я. П. Грыцкив,Л. Н. Чубов, А. Я. Грыцкив

Разработаны методики полного анализа химического состава железорудного концентрата методом эмиссионнойспектрометрии индуктивно связанной плазмы (ЭСА-ИСП). Показано, что созданные методики значительно сокра-щают продолжительность химического анализа сырья и обеспечивают необходимую точность результатов измерений.

Procedures have been developed for a full analysis of chemical composition of iron ore concentrate using the method ofemission spectrometry of inductively coupled plasma (ESA-ISP). It is shown that the developed procedures reducegreatly the duration of chemical analysis of raw material and provide the required accuracy of results of measurements.

Ключ е вы е с л о в а : железорудный концентрат; хими-ческий состав; метод анализа ЭСА-ИСП

Перестройка черной металлургии Украины послераспада бывшего СССР на первом этапе характе-ризовалась переориентацией рынков сбыта. Этомуспособствовали дезинтеграция и спад промышлен-ного производства в странах СНГ. Для поставокстального проката в страны дальнего зарубежья тре-бовалась международная сертификация про-дукции. Вскоре в Украине появились филиалы та-ких центров, как Тюф Рейнланд, Бюро Веритас,СЖС Украина, Алекс Стюарт и др. Эти фирмыосуществляли оформление сертификатов на экспор-тируемую продукцию как металлургического про-филя, так и других отраслей производства (сель-скохозяйственного, пищевого, фармацевтическогонаправлений). Для этого использовали аналитичес-кие возможности лабораторий ведущих предприя-тий соответствующей отрасли Украины, иногдапривлекали и зарубежные.

В дальнейшем крупные металлургические пред-приятия, ориентированные на поставки продукцииза рубеж, сертифицировали свои производства поISO, провели международную аккредитацию лабо-раторий по ISO 17025, предварительно оснастив ихсовременными эмиссионными спектрометрами ве-дущих мировых производителей.

Второй этап трансформации металлургическогопроизводства начался несколько позже и характе-ризовался переориентацией сырьевой базы метал-

лургии. Железорудные концентраты и окатыши за-рубежных производителей начали использоватьдля выплавки сталей на украинских предприятиях.В свою очередь украинские обогатительные комбина-ты стали активно продвигать свою продукцию на рын-ки развивающихся металлургических предприятийвостока. Потребовался оперативный и достаточноточный контроль химического состава железоруд-ного сырья, поставляемого по контрактам, в том числеи для определения ставок таможенных пошлин.

До настоящего времени анализ химического сос-тава железорудного сырья производили химическимиметодами согласно стандартам Украины ДСТУ ГОСТ23581.0:2008; ДСТУ ГОСТ 23581.22:2008. А это во-семнадцать отдельных нормативов на методы опре-деления примесных химических элементов или ихоксидов, два стандарта – железа оксидного и об-щего, два стандарта – влаги и химически связаннойводы, один стандарт – нерастворимых примесей.Кроме перечисленных нормативных документов, су-ществует стандарт ДСТУ ГОСТ 26482:2008 на хи-мический метод определения металлического желе-за. Очевидно, что проведение полного или дажевыборочного анализа железорудного концентра-та – процедура трудоемкая и продолжительная,требующая наличия большой химической лабора-тории, укомплектованной штатом квалифицирован-ных химиков-аналитиков.

Развитие инструментальных аналитических ме-тодов (рентгеноспектральный анализ, оптическая

© Г. М. ГРИГОРЕНКО, Я. П. ГРЫЦКИВ, Л. Н. ЧУБОВ, А. Я. ГРЫЦКИВ, 2011

43

эмиссионная спектрометрия с индуктивно связан-ной плазмой), совершенствование их приборной ба-зы позволили существенно упростить аналитичес-кие процедуры. Анализ большинства компонентовданными методами проводится в рамках одного из-мерения, что позволяет сократить длительность ана-лиза и повысить точность результатов.

Наличие в аналитической испытательной лабо-ратории ИЭС им. Е. О. Патона малогабаритногоспектрометра ICP последнего поколения (массойменее 70 кг) позволило решить задачу создания ме-тодики анализа железорудного сырья с определе-нием максимально возможного количества компо-нентов в одной измерительной процедуре с погреш-ностью не хуже требований стандартных методик.

ICP – спектрометр модели iCAP 6500 DUO(фирма «Thermo Electron Corporation») – оснащеноптической системой со скрещенной дисперсией«Эшелле-решетки» с малоугловой призмой и двой-ным наблюдением плазмы (аксиальным и радиаль-ным). Кроме того, полупроводниковый детектор ввиде двумерного массива 540 540 светочувстви-тельных элементов с диапазоном регистрируемогоспектра 166,25…847 нм и компьютерная программаприбора обеспечивают одновременное (параллель-ное) измерение до 200 аналитических линий. Этопозволяет включать в создаваемые методики ана-лиза десятки элементов и (что особенно важно) ре-гистрировать для каждого элемента по 3…4 анали-тические линии.

Последнее дает возможность проанализироватьвероятные спектральные наложения и избежатьсвязанных с ними погрешностей анализа для пробс переменным элементным составом, а также пост-роить калибровочные прямые в широком диапазонеконцентраций (в пределах 3…5 порядков).

Данная особенность имеет значение при анализесырьевых материалов, в том числе железосодержа-щих руд. Перечисленные характеристики совмест-но с использованием в измеряемых растворах внут-ренних стандартов позволяют, в конечном итоге,достичь высокой чувствительности и стабильнойвоспроизводимости результатов анализа.

Технология производства концентрата предус-матривает обогащение железорудного сырья притемпературе свыше 1000 °С. Основной компонентконцентрата Fe2O3, нагретый до 1200…1300 °С, впоследующем не растворяется даже в кипящих кис-лотах [1]. Указанное свойство существенно затруд-няет приготовление раствора из пробы концентратадля анализа его методом спектрометрии ICP.

Нами разработаны две новые методики разло-жения железорудного концентрата: способом сплав-ления с пиросульфатом лития при относительно низ-ких температурах и растворением в смеси концентри-рованных соляной, азотной и плавиковой кислот вусловиях микроволнового нагрева под давлением.

Первая из предлагаемых методик является аль-тернативой известному способу разложения веществсплавлением с пиросульфатом калия, описанному

в работе [2]. Ее преимущество заключается в воз-можности точно определять содержание калия, ко-торый, в отличие от лития, хотя и в следовых ко-личествах, но присутствует и контролируется в сос-таве руды.

Экспериментально установлено, что сплавлениес пиросульфатом лития эффективно осуществлятьпри 450 °С, в то время как для получения анало-гичного результата при разложении с солью калиянеобходимы значения температуры свыше 800 °С.

Поскольку пиросульфат лития Li2S2O7 квали-фикации реактива для анализа промышленностьюне выпускается, его получали лабораторным путемпри температуре выше 200 °С путем взаимодействиякарбоната лития с персульфатом аммония.

Методика анализа железорудного концентратас использованием первого способа получения раст-вора пробы включает три стадии: сплавление пробыс образующимся в начале процесса пиросульфатомлития, растворение плавня в смеси кислот и спектраль-ное измерение раствора на спектрометре iCAP 6500.

В экспериментах мы использовали следующуюпоследовательность процедур. Навеску размолотойруды в количестве (0,1±0,01) г смешивали в квар-цевом тигле с 10 г смеси Li2CO3 и (NH4)2S2O8, вкоторой соотношение последних составляло 1:5.Добавляли несколько капель воды для активацииреакции и нагревали на электроплите до полногоразложения образующегося карбоната аммония ииспарения воды. Затем тигель ставили в муфельнуюпечь и нагревали при 450 °С до визуально наблю-даемого прекращения образования паров сернисто-го ангидрида, свидетельствующего о полном завер-шении реакции.

После охлаждения тигля находящийся в немплавень смывали дистиллированной водой и пере-носили в стеклоуглеродный стакан, добавляли20…50 мл концентрированной HNO3 и 1…2 гNH4F⋅HF для разложения кремниевой кислоты.Раствор кипятили 10…20 мин до полного осветле-ния. Затем охлаждали до комнатной температурыи переносили в мерную полипропиленовую колбувместимостью 250 мл.

Для проведения спектрального анализа аликво-ту раствора в объеме 25 мл разбавляли в мерныхполипропиленовых колбах вместимостью 250 либо500 мл. Для определения содержания железа гото-вили отдельное разбавление исходного раствора скратностью 100 и более раз.

По второй методике растворение пробы осу-ществляли с использованием специально предназ-наченной для этих целей печи СВЧ марки Marsфирмы «CEM Corporation». Преимущества мето-дики СВЧ разложения концентрата заключаются ввозможности задавать и четко контролировать сра-зу три параметра (температуру, давление и продол-жительность процесса), варьируя мощность и времявключения генератора. Кроме того, при герметич-ных условиях микроволнового разложения исклю-чаются случайные погрешности анализа, характер-

44

ные для методик сплавления по причине вскипаниярасплава или попадания элементов, испаряющихсяиз футеровки муфеля, в тигли.

Растворение осуществляли в микроволновой печив течение 25 мин. Мощность нагрева (400…800 Вт)устанавливали таким образом, чтобы во фтороплас-товых стаканах HP-500 температура реакции плав-но поднималась до 200…210 °С. В первую очередьконтролировали реакцию по температуре, предотв-ращая возможность резкого повышения давления.

Стаканы указанной марки снабжены плотноприлегающими прижимными крышками, а такженебольшими отверстиями со сменными предохрани-тельными мембранами. При избыточном давлении(3 МПа) разрывные мембраны эффективно предохра-няют емкости от деформации и повреждения.

Условия разложения выбирали такими, чтобы содной стороны, раствор оптимально заполнял ра-бочий объем стакана, а с другой – при заданныхтемпературе и давлении гарантировалась герметич-ность системы. При выполнении указанных требо-ваний достигали полного исключения потерь ком-понентов жидкой фазы и летучих соединений.

После завершения реакции и охлаждения раст-вор из стакана переносили в полипропиленовуюмерную колбу вместимостью 50 либо 100 мл. Послеразбавления отбирали несколько аликвот требуемо-го объема, а в оставшемся растворе находили серуи фосфор. Содержание других элементов, входя-щих в состав концентратов в существенно большихколичествах, определяли путем кратного разбавле-ния отобранных аликвот. Общая концентрация ком-понентов не должна превышать 100 ppm.

Результаты элементного анализа состава кон-центратов, полученные по рассматриваемым мето-дикам анализа железорудного сырья, представленыв таблице. Как следует из полученных данных, со-держание компонентов характеризуется близкимизначениями. Несколько завышенное количество ок-сидов калия и натрия, определенное по методикесплавления, объясняется их примесью в реактивахи возможным попаданием этих элементов в тиглииз футеровки муфеля.

Разложение при нагревании кремнийсодержа-щих материалов в плавиковой кислоте сопровожда-ется активной потерей кремния в виде летучего SiF4.Установленной позитивной особенностью микро-

волнового разложения в закрытой системе под дав-лением является то, что весь кремний остается свя-занным в растворе в виде гексафторкремниевой кис-лоты [3]. Как показали результаты, за время пос-ледующей операции разбавления раствора и непос-редственного анализа указанная кислота заметно неразлагается и, как следствие, потеря кремния в видететрафторида не обнаружена.

Исходя из полученных результатов разработан-ные методики целесообразно рекомендовать дляширокого использования в химико-аналитическихлабораториях металлургических предприятий приконтроле состава железорудного сырья.

1. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Под ред. И. Л. Кну-нянца. – М.: Сов. энцикл., 1990. – Т. 2. – 131 с.

2. Анализ минерального сырья / Под ред. Ю. Н. Книпови-ча и Ю. В. Морачевского. – Л.: ГХИ, 1969. – 301 с.

3. Химическая энциклопедия: в 5 т. / Под ред. И. Л. Кну-нянца. – М.: Сов. энцикл., 1990. – Т.2. – 507 с.



Сравнительная оценка содержания компонентов в образ-цах железорудного концентрата по данным двух методиканализа

Компонент

Образец № 1 Образец № 2

Сплавлениес Li2S2O7

Микровол-новое разло-жение поддавлением

Сплавлениес Li2S2O7

Микровол-новое разло-жение поддавлением

Al2O3 0,36 0,41 0,46 0,60

CaO 0,46 0,34 0,55 0,47

Cr2O3 0,11 0,065 0,16 0,094

Fe2O3 86,7 86,6 86,6 86,7

MgO 0,58 0,64 0,84 1,10

MnO 0,044 0,031 0,050 0,039

K2O 0,19 0,068 0,20 0,15

Na2O 0,20 0,062 0,21 0,096

P2O5 0,015 0,014 0,013 0,014

SO2 — 0,010 — 0,006

SiO2 4,52 4,62 8,38 10,59

TiO2 0,046 0,077 0,055 0,113

45

УДК 669.255:669.265:4

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОЛУЧЕНИЯВЫСОКОРАФИНИРОВАННЫХ МЕДИЦИНСКИХСПЛАВОВ НА КОБАЛЬТО-ХРОМОВОЙ ОСНОВЕ

И. И. Максюта, Ю. Г. Квасницкая, В. В. Лашнева

Для получения высокорафинированных заготовок (слитков) из сплавов на основе Co—Cr и Co—Cr—Ni с повышеннымикоррозионной стойкостью и параметрами эксплуатационных характеристик, отвечающих стандартам ISO для спла-вов медицинского назначения, в Физико-технологическом институте металлов и сплавов НАН Украины опробованыновые технологические процессы с использованием совмещенного (комбинированного) вакуумно-индукционного иэлектронно-лучевого нагрева расплава в вакууме. Выбраны керамические материалы и разработана технологияполучения оболочковых форм для изготовления литых конструкций медицинского назначения с пониженным со-держанием вредных примесей, неметаллических включений и газов.

To produce highly-refined billets (ingots) of alloys on Co—Cr and Co—Cr—Ni base with an increased corrosion resistanceand parameters of service characteristics, meeting the ISO standards for alloys of medical purpose, the new technologicalprocesses using the combined vacuum-induction and electron beam heating of melt in vacuum were tested at thePhysical-and-Technological Institute of Metals and Alloys of the NAS of Ukraine. Ceramic materials were selected andtechnology of producing shells for manufacture of medical-purpose cast structures with a decreased content of harmfulimpurities, non-metallic inclusions and gases was developed.

Ключ е вы е с л о в а : медицинские биоинертные сплавы;ортопедические материалы; совмещенный вакуумно-индук-ционный и электронно-лучевый нагрев

Широко применяемые в настоящее время в меди-цине (стоматологии, ортопедии, хирургии) отечес-твенные и зарубежные сплавы на кобальто-хромо-вой основе, в том числе известный в СНГ сплавКХС, содержат суммарно не менее 85 мас. % такихэлементов, как кобальт и хром (табл. 1) [1—3]. Бла-годаря этому они имеют повышенную стойкостьпротив коррозийных повреждений не только в би-ологических средах. По данному параметру они неуступают сплавам из благородных металлов, прак-тически не взаимодействуют с сильными неоргани-ческими окислителями, такими как азотная, сернаякислоты, царская водка.

Уникальные литейные характеристики (высо-кий уровень жидкотекучести и небольшая усадкакобальтовых сплавов) обеспечивают возможностьполучения и успешной эксплуатации литых тонкос-тенных (до 0,12…0,15 мм) деталей съемных инесъемных цельнолитых конструкций медицинско-го назначения.

Основная цель представленной работы заклю-чалась в получении сплавов на кобальто-хромо-ни-келевой основе с повышенной биологической сов-местимостью не только за счет эмпирически подоб-ранных основного и дополнительного легирующегокомплексов, а также благодаря применению наи-более перспективного технологического решения –эффективного рафинирования расплава от вредныхпримесей в процессе выплавки заготовки.

Данная технология разработана специалистамиотдела электронно-лучевых технологий ФТИМСНАНУ и запатентована как способ совмещенного(комбинируемого) переплава [4]. Процесс предус-матривает совмещенный вакуумно-индукционныйпереплав (ВИП) и электронно-лучевой переплав(ЭЛП) материалов шихты при получении первич-ной заготовки. Плавки осуществляют в керамичес-ком тигле с индукционным нагревом для расплавле-ния шихты и с применением дополнительного элект-ронно-лучевого нагрева для перегрева металла (на150…200 °С) с целью диссоциации расплава от газови включений.

Выбор оптимальных температурно-временныхпараметров при проведении плавок и заливки спла-

© И. И. МАКСЮТА, Ю. Г. КВАСНИЦКАЯ, В. В. ЛАШНЕВА, 2011

46

вов, а также использование более термостабильныхогнеупорных материалов для литейной оснастки(тигли, формы, стержни) позволяют получать ли-тые заготовки и изделия усложненной геометрии(тонкостенные с внутренними полостями и мини-мальной шероховатостью) с высокой степенью ра-финирования от вредных примесей, в том числе се-ры, мышьяка, фосфора, свинца, олова, меди, вис-мута и т. д., газов (кислорода, азота, водорода), атакже неметаллических включений.

Материалы для исследований и технологическоеоборудование. Для выплавки модельных сплавовиспользовали основные шихтовые материалы: ко-бальт электролитический электродугового перепла-ва К0 либо К1 (ГОСТ 123—78), никель электроли-тический Н0 либо никель катодный маркиН1(ГОСТ 849—80), хром электролитический рафи-нированный ЭРЖ либо хром металлический Х0,молибден в штабиках технически чистый, алюми-ний марки А99 (ГОСТ 5.1405—72).

Выплавку сплавов выполняли способом ВИПпервичных шихтовых материалов в промышленнойвакуумно-индукционной печи УППФ-2, Россия(футеровка—плавленый магнезит, Tпл = 1550…...1570 °С), а также в литейной установке, смонти-рованной на базе печи УППФ-3М с дооснащениемее электронно-лучевой пушкой для проведения сов-мещенной (комбинированной) индукционной иэлектронно-лучевой плавки (ВИП+ЭЛП) [5].

В ходе экспериментов фиксировали массу ших-ты, выход годного металла, массу конденсата, осаж-даемого на стенках вакуумной камеры, экранах, ли-тейной оснастке и других элементах конструкций вплавильной камере.

Температуру измеряли как термопарой погруже-ния, так и оптическим пирометром с датчиком маркиФСК-2, РС-20 либо инфракрасным пирометромCyclopes 153. Основная цель измерений состояла вполучении данных об интегральной температурерасплава в тигле перед сливом его в литейную фор-му, а также при ЭЛП (оценка температуры в фо-кальном пятне на зеркале ванны).

Для получения заготовок использовали как ке-рамические, изготовленные по обычной промыш-ленной технологии, так и формы, полученные поусовершенствованной технологии изготовления [6].Кроме того, с целью уменьшения загрязнения ме-талла неметаллическими примесями, по сравнениюс керамическими формами, использовали специаль-но изготовленные стальные кокиля диаметрами 10и 70 мм при заливке образцов—свидетелей соответ-ственно для механических испытаний и заготовоклитых изделий.

Методика исследований. Металлографические ис-следования проводили на цилиндрических образцах—свидетелях, которые отливали вместе с заготовками.

Химический состав модельных сплавов изучалис помощью аналитической химии, спектральногоанализатора «Philips Analytical Х-ray», содержаниегазов – анализатора фирмы «Leko (США) RO-17»,TN15, RH2, CS144 (табл. 1). Исследования макро-и микроструктуры, расчет количества неметалли-ческих включений и анализ их распределения осу-ществляли методом оптической металлографии(микроскоп «Neofot-2») в обычном и поляризован-ном свете, а также с помощью электронного мик-роскопа ЕМВ-100ЛМ на одноступенчатых уголь-ных репликах с экстрагированными фазами.

Химический состав структурных элементовсплавов и керамических материалов, а также пог-раничный слой металл—керамика (так называемая«зона взаимодействия») изучали методом микро-рентгеноспектрального анализа на установке JEOL«Superprobe-733».

Шлифы для металлографических исследованийобрабатывали в следующих реактивах: 100 г HCl(500 см3), 42 г Н2SО4 (25 см

3) и 100 г СuSO4. Диф-ференцирование структурных составляющих (ин-терметаллидной, карбидной фаз) осуществлялисвежеизготовленным подогретым раствором Мура-ками: 10 г К3Fe3(CN)6, 10 г КОН + 50 см3 Н2О.

Количество неметаллических включений под-считывали с помощью оптического микроскопа приувеличении 400 на поперечных микрошлифах по 25

Т а б л и ц а 1 . Химический состав и механические характеристики типичных отечественных и зарубежных сплавов меди-цинского назначения

СплавМассовая доля элементов, % Временное сопро-

тивление, MПa(T = 20 °С)

Удлинение δ,%

Твердость HB

Cr Mo Ni Fe Другие

Vitallium 30,0 5,0 — 1,0 < 0,5C; < 0,5Si 870 1,0… 2,7 415

Platinore 26,7 5,8 2,7 2,6 0,l Pt; Mn; Si; C 810 0,9… 3,3 411

Croform 30,0 5,0 — 5,0 < 0,5C; < 0,5Si 780 4… 5 390

КХС 25… 28 4,5 3,5 0,5 < 0,25 C; < 0,5Si 630 5… 8 250 HRB

Wiron 88 24 10 Основа — 0,02 Si, Ce 740 12… 15 260

Wiron 99 22,5 9,5 » — 1,0 Si; 0,5 Ce 760 18… 26 290

Прим е ч а н и е . Основой во всех сплавах является кобальт.

47

полям зрения для двух образцов из каждой плавкипо трем зонам отливок: 1 – приповерхностная; 2 –на расстоянии радиуса цилиндрического образца;3 – центральная. Данные, полученные для каждойзоны, усреднялись.

Механические свойства (временное сопротивле-ние) определяли согласно ГОСТ 1497—84 при ком-натной температуре на цилиндрических образцахдиаметром 5 мм с начальной длиной 25 мм, относи-тельное удлинение и сужение после разрыва рас-считывали по соответствующим формулам. Твер-дость HB измеряли согласно ГОСТ 9012—59.

Микротвердость образцов определяли на мик-ротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 100 г. ТвердостьНВ изучали на твердомере ТШ-2 при нагрузке 1000 кг,диаметр шарика 5 мм, время выдержки 30 с.

Для установления функциональных взаимосвя-зей состав сплава—свойства при выборе композициисплава использовали созданный авторами банк дан-ных, в котором содержатся данные о химическомсоставе, свойствах и технологических особенностяхполучения и обработки серийных и модельныхсплавов, произведенных и внедренных в клиничес-кую практику. Согласно полученной информации,в качестве наиболее перспективной рассматривалибазовую композицию с таким составом основных ин-гредиентов, мас. %:

Cоосн—25 Сr—7 Ni—7 Mo—0,2 C,

в которую с целью улучшения технологическихсвойств вводили элементы дополнительного микро-легирующего комплекса титан+алюминий+марга-нец+кремний (< 1мас. %).

Оптимизацию состава сплавов осуществляли припомощи способа математического планирования экс-периментов путем построения матрицы планированияс крутым восхождением [7]. Изучали влияние каж-дого отдельного элемента на основной базовый ком-

плекс. Анализировали модель путем поиска сплаваиз композиции Co—Cr—Ni—Mo—Ti—Al—Mn—Si, явля-ющегося наиболее стойким к коррозионному разру-шению в физрастворе (раствор хлористого натрияв воде) и имеющего уровень механических харак-теристик (временное сопротивление и пластич-ность), соответствующий стандартам ISO для мате-риалов медицинского назначения этого класса.

Выплавка модельных сплавов и анализ особеннос-тей рафинирования. В условиях вакуумной плавкипроисходит дегазация расплавов, испарение цвет-ных металлов с повышенной упругостью пара и ра-финирование от неметаллических включений. Од-нако примеси таких цветных металлов, как, напри-мер, свинец, практически не растворяются в основесплава – кобальте [8].

В результате сниженной термодинамической ак-тивности свинец не образует химических соедине-ний с компонентами сплава и поэтому находится ватомарном виде, что очень нежелательно из-за ток-сичного действия на биологический объект. Поэто-му во время выплавки медицинских сплавов необ-ходимым условием является обеспечение таких ус-ловий обработки расплава, которые увеличиваютвероятность диссоциации и испарения биологичес-ки нежелательных примесей.

Следует принимать во внимание, что суммарноеколичество нежелательных примесей, попадающихв расплав с исходными ингредиентами при исполь-зовании даже первичных шихтовых материалов призагрузке, может составить более 1 % массы сплавов.Кроме того, в процессе выплавки изделий значи-тельное загрязнение вносится при проведении плав-ки в тиглях, изготовленных из плавленого магне-зита и муллито-корунда по обычной для серийногопроизводства технологии. Поэтому важное значе-ние для достижения эффекта рафинирования вовремя расплавления и кристаллизации заготовкиимеет разработка более термостабильных керами-ческих материалов для литейной оснастки [6].

Таким образом, воздействие электронно-лучево-го нагрева при комбинированной плавке заключа-ется в необходимости обеспечения локального пе-регрева расплава до температуры, при которой ин-тенсивнее реализуются процессы диссоциации и ис-парения газов, неметаллических включений и не-желательных примесей.

При этом перегрев всей массы расплава в тиглезаменяется локальным, что не только снижает рас-ходы электроэнергии, но и уменьшает негативноевлияние расплава на футеровку в результате болеенизкой интегральной температуры. Благодаря это-му существенно уменьшается вероятность вторич-ного загрязнения расплава в тигле керамическимиматериалами и продуктами их растворения [9, 10].

Следует отметить, что в процессе плавки с ис-пользованием комбинированного способа можновыделить три характерные стадии. На первой(10…12 мин) происходит нагрев и начало расплав-

Т а б л и ц а 2 . Состав шихты и параметры выплавки мо-дельных сплавов медицинского назначения на кобальто-хромовой основе

№ мо-дельногосплава

Состав шихты, мас.%

ПараметрыВИП,кВт/ч

ПараметрыЭЛП,кВт/ч

Массаслива,кг

1 Co (основа); 0,2 C;25,0 Cr; 2,0 Ni;

7,0 Mo; (Ti+Si)≤1

60/0,5 — 5,7

2 »» 20/0,3 24/0,2 5,4

3 Co (основа); 0,2 C;25,0 Cr; 7,0 Mo;

(Ti+Si)≤1

60/0,5 24/0,2 5,6

4 Co (основа); 0,2 C;20,0 Cr; 20,0 Ni;

20,0 Fe; (Ti+Si)≤1

60/0,6 — 5,6

5 »» 21/0,3 25/0,1 5,5

Прим е ч а н и е . Масса шихты во всех случаях составляла 6 кг,глубина вакуума – 133,3⋅10—3 Па.

48

ления шихты с интенсивной дегазацией и форми-рованием жидкометаллической ванны. По мере оп-лавления шихта в тигле уплотняется с образованиемнеглубокой жидкой ванной расплава.

На второй стадии жидкометаллическая ваннаформируется по всему объему тигля за счет полногорасплавления шихты. На этой стадии при исполь-зовании электронно-лучевого нагрева реализуетсяступенчатый подъем мощности к максимальномузначению, температура расплава приблизительнона 350…400 °С превышает температуру ликвидусасплава, достигая 1780…1820 °С, что при одновре-менном интенсивном перемешивании расплава соз-дает благоприятные условия как для испарения ле-тучих элементов, так и для дегазации и изъятиянеметаллических включений.

Третья стадия является наиболее важной с точкизрения завершения термовременной обработки рас-плава, эффективность которой является одной изсамых главных преимуществ электронно-лучевойплавки. На этой стадии осуществляется гомогени-зация расплава и его подготовка к сливанию из тиг-ля. Последняя операция допускает (при необходи-мости) легирование расплава, введение присадок длякомпенсации потерь летучих компонентов и т. д.

Следует отметить, что особенностью этой стадииявляется окончательное испарение с поверхностиванны остаточного шлака и неметаллических вклю-чений, которые, как правило, продолжают подни-маться из глубины ванны.

Состав шихты и технологические параметрыопытных плавок, выполненных ВИП и комбиниро-

ванным (совмещенным) способом, проанализиро-ванные авторами, представлены в табл. 2.

Анализ результатов исследований. Из модельныхсплавов изготовили образцы для изучения исследо-ваний структуры, свойств и коррозийной стойкости.Металлографический анализ образцов в литом сос-тоянии показал, что в фазовом отношении все ис-следованные сплавы представляют собой аустенит-ный матричный раствор на основе Co—Cr с выделе-ниями карбидных фаз, тип, морфология и объемнаядоля которых определяется прежде всего содержа-нием углерода в сплавах (рисунок).

При увеличении массовой доли углерода от 0,1до 0,3 % объем эвтектики твердый раствор—карбидM23C6 увеличивается, точечные карбиды типа МСпостепенно коагулируют, располагаясь в блоках.Количество карбидной фазы возрастает соответс-твенно от 5 до 14 мас. %.

Отметим, что для сплавов с содержанием0,1…0,3 мас. % углерода существенного повышениястойкости против коррозии без заметного сниженияпрочности достигают при легировании сплава хро-мом в интервале 17…22 мас. %.

При проведении комбинированной плавки опро-бовали ряд режимов, переменными параметрами ко-торых являлись длительность индукционного на-грева, продолжительность обработки расплаваэлектронным лучом, соотношение мощностей ин-дукционного и электронно-лучевого нагревов (табл. 2).

На начальном этапе расплавления повышалимощность вакуумно-индукционного нагрева с

Т а б л и ц а 3 . Влияние способа выплавки сплавов на содержание, топологию и морфологические особенностинеметаллических включений

№ мо-дельногосплава

Способ выплавки(двустадийный переплав)

Средний размерзерна, мкм

Содержание неме-таллических вклю-чений, об. %

Среднее количествовключений на 1 мм

2 от-

ливки (край/середина)

Средний размервключений, мкм

Среднее расстояниемежду включениями(тело зерна), мкм

1 ВИП→ВИП 163 64 6,5… 8,9 50/35 2,7…4,0 21… 16

ВИП→(ВИП+ЭЛП) 124 58 4,1… 5, 5 32/20 1,1… 2,2 24… 28

3 ВИП→ВИП 152 68 7,4…8,6 58/42 2,9…3,8 13… 10

ВИП→(ВИП+ЭЛП) 130 55 4,7…5,9 38/29 0,9… 1,8 21… 19

5 ВИП→ВИП 171 67 6,8…8,8 64/38 2,4…4,0 19… 15

ВИП→(ВИП+ЭЛП) 132 58 4,4… 6,0 41/26 1,1… 1,9 22… 20

Микроструктура сплавов (модельный сплав № 1) на кобальто-хромовой основе: а – 100; б – 500

49

целью быстрейшего оплавления шихты. Затем привыключенном индукторе запускали электроннуюпушку и проводили предварительный прогрев ваннылучом, интенсифицируя процесс диссоциации приме-сей и испарения газов.

За несколько минут до слива металла в формувключали индуктор для активизации перемешива-ния. Следует принять во внимание, что дальнейшееповышение температуры и продолжительности пе-регрева расплава с целью интенсификации процес-сов испарения и диссоциации примесей можетинициировать разрушение футеровки керамическо-го тигля при вакуумно-индукционном нагреве и уве-личить потери легирующих элементов.

После проведения металлографических иссле-дований и испытаний механических характеристикустановили, что оптимальным для всех типов мо-дельных сплавов является режим, включающий вкачестве второй стадии переплава заготовки именносовмещенный (комбинированный) переплав –(ВИП+ЭЛП).

Результаты позитивного влияния способа полу-чения отливок способом переплава (ВИП+ЭЛП) настепень загрязнения отливки неметаллическимивключениями представлены в табл. 3. Спектраль-ный химический анализ образцов показал наличиеосновных ингредиентов в границах заданного сос-тава, т. е. не произошло утраты активных элементовв результате испарения при ЭЛП. Содержание при-месей цветных металлов заметно снизилось длясплавов, выплавленных двустадийным способом:ВИП (заготовка из первичных металлических ма-териалов) → (ВИП+ЭЛП) переплав первичной за-готовки в отливку способом совмещенной плавки.

Существенным результатом двустадийного переп-лава является также снижение содержания следу-ющих газов: O2 < 0,0035; Н2 < 0,0003; N2 < 0,0049мас. %. Это ниже, чем для зарубежных сплавов ана-логичного назначения.

1. Материаловедение в стоматологии / Под ред. А. И. Ры-бакова. – М.: Медицина, 1984. – 424 с.

2. www.bego.com, www. bego.ru. Интернет-сайты фирмыBEGO (Dental), Германия.

3. Wirz J. Transfixations – Instrumentarium fur die Teilprot-hetik // Zahnarztliches Institut der Universitat Basel. –1996.

4. Пат. 55053А Украина, МПК С 21 С5/56. Способ регене-рации отходов жаропрочных сплавов с использованиемэлектронно-лучевой технологии / Ю. П. Аникин, С. В. Ла-дохин, Ю. Г. Добкина и др. – Опубл. 17.03.2003; Бюл. № 4.

5. Регенерация отходов жаропрочных сплавов способамивакуумных переплавов / Ю. Ф. Аникин, И. И. Максюта,Ю. Г. Квасницкая и др. // Процессы литья. – 2002. –№ 1. – С. 78—82.

6. Симановский В. М. Теоретические основы получения ли-тейных форм и стержней на основе модифицированнойкерамики // Там же. – 2001. – № 2. – С. 41—47.

7. Горский В. Г., Адлер Ю. П. Планирование промышлен-ных экспериментов. – М.: Металлургия, 1974. – 264 с.

8. Рафинирующие переплавы стали и сплавов в вакууме /В. А. Бояршинов, Ал. Г. Шалимов, А. И. Щербаков. –М.: Металлургия, 1979. – 303 с.

9. Superalloys waste refining at combined induction and elect-ron-beam melting / S. Ladokhin, Yu. Anikin, I. Maksyutaet al. // Proc. 6th World cong. on «Electron-beam meltingand refining» (Nevada, USA, May, 2000). – Nevada, 2000. –P. 188—195.

10.Maksyuta I., Anikin Y. Refining and recycling of the biolo-gical – inert multicomponent alloys // Proc. 6 th Worldcong. on R’2002 (Recovery, Recycling, Reintegration (Ge-neva, Switzerland, sept. 2002). – Geneva, 2000. – 6 c.

Физ.-технол. ин-т металлов и сплавов НАН Украины, Киев

Ин-т проблем материаловедения им. И. Н. Францевича

НАН Украины, Киев


www.airliquide.comПариж, 20 июня 2011 г.

Украина: долгосрочный контракт с компанией-лидером сталелитейной

промышленности

Компания «Air Liquide» подписала долгосрочный контракт на поставку технических газов с ОАО«Енакиевский металлургический завод», дочерней компанией лидера украинской сталелитейнойпромышленности группы компаний «Метинвест».

«Air Liquide» инвестирует в новую современную воздухоразделительную установку произво-дительной мощностью 1700 т кислорода, азота и аргона в сутки. Воздухоразделительная установкабудет спроектирована, построена и управляться компанией «Air Liquide». Ввод в эксплуатациюзапланирован на середину 2014 года. «Air Liquide» также будет снабжать сжиженными газамидругие отрасли промышленности страны.

Общий объем инвестиций «Air Liquide» составит около 100 млн евро. Финансирование будетосуществляться при поддержке ЕБРР (Европейский банк реконструкции и развития) . Это первыйслучай в истории, когда украинский производитель стали привлекает к сотрудничеству стороннююкомпанию для покрытия своих потребностей в технических газах.

50

УДК 669.187.2

БИМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ,ИЗГОТОВЛЯЕМЫЕ СПОСОБОМ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕКАПИЛЛЯРНОЙ ПАЙКИ

Г. М. Григоренко, Л. Г. Пузрин,М. А. Полещук, А. Л. Пузрин

Впервые дано четкое определение способа некапилярной пайки. Некапиллярные способы пайки позволяют получатьравнопрочные соединения и не ограничивают размеров соединяемых деталей. Приведены примеры разработанныхв Институте электросварки им. Е. О. Патона и успешно применяемых в производстве технологических процессови оборудования для высокотемпературной некапиллярной пайки ответственных биметаллических изделий.

For the first time a clear definition of method of non-capillary brazing was given. The non-capillary methods of brazingallow producing full strength joints and do not limit the sizes of parts being joined. Examples of technological processesand equipment for high-temperature non-capillary brazing of critical bimetal products, developed at the E.O.PatonElectric Welding Institute and used successfully in industry, are given.

Ключ е вы е с л о в а : биметаллические изделия; способыкапиллярной, некапиллярной пайки; капиллярная сила; раст-ворение оксидов; внутреннее окисление

Биметаллические изделия и материалы изготовля-ют путем соединения разнородных металлов с по-мощью многочисленных способов горячей прокат-ки, прессования, наплавки, сварки, лужения, на-пыления, химического, гальванического покрытияи пр. Это позволяет получать необходимые свойстваизделий, которых данные металлы порознь неимеют.

Применение пайки для производства биметал-лических изделий имеет ряд преимуществ, посколь-ку она обеспечивает надежное соединение, дает воз-можность сохранить в готовом изделии форму, раз-меры, свойства и структуру металла паяемых заго-товок. Этого достигают в результате того, что пайкупроизводят с общим нагревом при температуре, невызывающей необратимого изменения свойств ма-териала и формы заготовок, так как не требуетсярасплавления одного из соединяемых материалов.При изготовлении биметаллических изделий из раз-нородных металлов широко применяют капилляр-ную пайку [1].

Возможность осуществлять соединение при раз-личных значениях температуры позволяет приме-нять пайку для материалов самого широкого круга.В частности, способом высокотемпературной пайкиуспешно соединяют детали из литейных жаропрочныхникелевых сплавов, не поддающихся сварке плавле-нием из-за массового появления трещин [2].

Капиллярную пайку выполняют с помощью са-мопроизвольного заполнения припоем зазора меж-ду соединяемыми деталями. Течение припоя и егоудержание в зазоре осуществляется под действиемкапиллярной силы. При высокотемпературной пай-ке из-за растворения припоем паяемого металла ут-рачивается его способность растекаться и заполнятьзазоры глубиной свыше 40…50 мм. Кроме того, вболее глубоких зазорах припой не удерживаетсякапиллярной силой и вытекает. Поэтому капилляр-ную пайку можно использовать для изготовления би-металлических изделий лишь небольшого размера.

Прочность стыковых соединений, полученныхспособом капиллярной пайки, как правило, оказы-вается ниже таковой паяных деталей. Уменьшениеширины зазора способствует повышению прочнос-ти. Однако при слишком малых зазорах прочностьпри капиллярной пайке ухудшается и становитсянестабильной из-за появления непропаев даже у не-больших паяных образцов, применяемых лишь длямеханических испытаний [3—5]. Это также подтвер-ждает ограниченность при капиллярной пайке глу-бины проникания припоя в узкие зазоры из-за рас-творения в нем паяемого металла.

С целью значительного увеличения размеров ипрочности паяных соединений создали некапилляр-ные способы пайки, не использующие капиллярноетечение для заполнения зазора припоем. Их еще сначала 1960-х гг. начали разрабатывать в Институтеэлектросварки им. Е. О. Патона.

© Г. М. ГРИГОРЕНКО, Л. Г. ПУЗРИН, М. А. ПОЛЕЩУК, А. Л. ПУЗРИН, 2011

51

Одним из способов некапиллярной пайки, поз-волившим получать равнопрочные соединения, яв-ляется пайка под давлением (прессовая сварка—пай-ка [2]). Он позволяет без непропаев выполнять осо-бо тонкие паяные швы. Припой при этом способезаранее размещают между деталями в виде фольгиили покрытия на подлежащих соединению поверх-ностях. В процессе пайки детали сдавливают, вы-тесняя наружу излишек расплавленного припоя. Вотличие от капиллярной пайки, при этом способесмачивание соединяемых поверхностей и взаимо-действие с паяемым металлом происходит уже посленадежного заполнения зазора припоем.

Минимальная толщина припоя способствует егоболее полному взаимодействию с паяемым метал-лом, развитию процесса изотермической кристал-лизации и получению равнопрочных соединений [2, 6].Помимо повышения прочности, этот способ, в от-личие от капиллярной пайки, не регламентируетразмеры соединяемых поверхностей, которые огра-ничиваются лишь возможностями оборудованиядля нагрева и сдавливания деталей.

При другом способе некапиллярной пайки ис-пользуют более широкие зазоры, чем капиллярные.Припой размещают над зазором, он затекает в негопосле расплавления под действием собственноговеса. Смачивание стенок и взаимодействие припояс основным металлом в данном случае также про-исходит после заполнения зазора. Для удержанияприпоя зазор предварительно герметизируют свар-кой по всему наружному периметру, что позволяетсоединять детали по большой площади. Этот способне требует сдавливания, и размер соединяемых де-талей зависит лишь от возможностей оборудованиядля нагрева.

Для осуществления процесса пайки требуетсясоздать условия, обеспечивающие удаление оксид-ных пленок с поверхности припоя и стенок соеди-нительного зазора. При капиллярной пайке на воз-духе для этого на место соединения наносят флюсы,расплавляющиеся до начала плавления припоя.После расплавления припой смачивает под слоемфлюса паяемые поверхности и вытесняет флюс изсоединительного зазора. При очень малых зазорахэтот процесс не всегда завершается, что приводитк непропаям.

Высокотемпературную пайку успешно выполня-ют в печах с защитной восстановительной или нейт-ральной газовой атмосферой, а также в вакууме.До настоящего времени механизм удаления оксид-ных пленок в газовых атмосферах и вакууме недос-таточно изучен, и публикации по этому поводу со-держат различные неубедительные гипотезы.

Так, утверждение о том, что в вакууме удалениеоксидов происходит из-за их диссоциации вследс-твие низкого парциального давления кислорода, неподтверждается опытом. Необходимое для диссо-циации оксидов давление кислорода должно бытьзначительно ниже того, при котором успешно про-изводят пайку [6].

Вызывает сомнение и информация о том, чтопри пайке в восстановительной атмосфере газ про-никает в капиллярные зазоры шириной, например0,05…0,10 мм, в количестве, необходимом для пол-ного восстановления оксидов на его стенках. Отно-сительно же причин о возможности ведения пайкив нейтральной газовой среде со значительно болеевысоким, чем в вакууме, парциальным давлениемкислорода вообще никаких предположений не вы-сказывается.

В 1960-е гг. в Институте электросварки им. Е. О. Па-тона обнаружили явление, объясняющее механизмустранения оксидных пленок при высокотемпера-турной пайке сталей. Установлено, что при нагревестальных деталей до 1000…1300 °С в условиях, ис-ключающих доступ воздуха, их поверхность само-произвольно очищается от оксидов [7, 8]. Это про-исходит из-за растворения стальными деталями кис-лорода, содержащегося в оксидах, по-видимому, врезультате естественного стремления к уменьшениюсвободной энергии.

Обнаруженное явление объясняет факт устране-ния оксидных пленок не только при высокотемпе-ратурной пайке, но и сварке без расплавления, атакже при получении биметаллов способом горячейпрокатки и прессования. Есть все основания утвер-ждать, что устранение оксидной пленки с поверх-ности деталей из углеродистых, легированных и вы-соколегированных сталей происходит при их высо-котемпературной пайке в активной или нейтральнойгазовой среде, а также в вакууме не за счет воздейс-твия среды, которая лишь предотвращает доступатмосферных газов к паяемым деталям, а самопро-извольно, очевидно, путем так называемого внут-реннего окисления металла [9].

С использованием явления самопроизвольнойочистки соединяемых поверхностей от оксидныхпленок в Институте электросварки им. Е. О. Патонаразработали способ некапиллярной автовакуумнойпайки (АВП) [10], которую осуществляют путемсоздания автономного вакуума только в соедини-тельном зазоре. Для АВП зазор герметизируют попериметру с помощью дуговой сварки, предвари-тельно разместив в нем припой.

При АВП под давлением припой располагаютмежду соединяемыми поверхностями, а при пайкес затеканием припоя – над зазором в питателе, сое-диненном с зазором в его верхней части (рис. 1).

Способ АВП не требует специального оборудо-вания и используется прежде всего для пайки круп-ных стальных изделий массой, например, 20 т путемих нагрева в печах с обычной воздушной атмосферой.

Вот некоторые примеры успешного примененияИнститутом электросварки им. Е. О. Патона нека-пиллярных способов пайки. Пайку под давлениемиспользовали для весьма ответственных изделий –биметаллических роторов турбонасосных агрегатовжидкостных ракетных двигателей (роторов ТНАЖРД). Этим способом соединяли газотурбинныелопатки из литейных жаропрочных сплавов с де-

52

формируемыми сталями дисков роторов. Лопаткии диски из высоколегированных хромоникелевыхсталей и сплавов проявляют большую склонностьк трещинам в металле шва и околошовной зоны присварке плавлением. В этом случае в металле швавозникают также специфические трещины от зазо-ров между лопатками. Применение пайки под дав-лением полностью исключило образование трещин.

Процесс пайки осуществляют в вакуумных ус-тановках. Наружный край диска и комли лопатокнагревают индуктором. Давление для прижатиякомлей лопаток к диску через тонкий слой припоясоздают с помощью стального технологическогокольца, надеваемого на полки лопаток горячей по-садкой (рис. 2).

Технологическое кольцо, оставаясь при пайкехолодным, препятствует тепловому расширениюдиска с лопатками и создает необходимое для пайкидавление.

Микроструктура места соединения лопаток сдиском одного из типов роторов приведена на рис. 3.Растворение припоя в паяемом металле способству-ет образованию в соединении общих зерен.

На ряде предприятий изготовлены опытныепартии паяных роторов, которые успешно прошлиресурсные испытания на рабочих режимах, а также

Рис. 1. Схема АВП с широкими зазорами: 1 – основной металл;2 – герметизирующие сварные швы; 3 – герметичный питатель;4 – припой

Рис. 2. Диск с лопатками, собранный технологическим кольцомдля пайки под давлением

Рис. 3. Микроструктура ( 200) металла шва в роторе, получен-ном пайкой под давлением (вверху лопатка, сплав ВЛ 7-20, внизудиск, сталь ЭИ 481)

Рис. 4. Диск с лопатками после пайки (а) и горячих испытаний стрехкратной перегрузкой по максимальным оборотам (б)

53

со значительной перегрузкой по оборотам для до-ведения роторов до разрушения.

На рис. 4 показан один из таких роторов послепайки (рис. 4, а) и испытаний с трехкратной перег-рузкой по оборотам (рис. 4, б). В результате де-формации диска и вслед за этим изгиба вала прои-зошло истирание лопаток о статор. Однако при этомни разу не зафиксировано разрушений по месту со-единения лопаток с диском.

Пайку под давлением также успешно применялина МНПО «Союз» (г. Москва) для создания сос-тавных охлаждаемых газотурбинных авиационныхлопаток из литейных жаропрочных никелевыхсплавов, которые, в отличие от охлаждаемых воз-духом цельнолитых, характеризуются более высокойэффективностью охлаждения и повышенными газо-динамическими характеристиками (рис. 5) [11].

Высокая эффективность охлаждения обеспечи-вается применением более совершенной формыдефлектора, припаиваемого отдельно к спинке и ко-рытцу лопатки до их пайки вместе. Их применениев цельнолитой лопатке невозможно.

Для пайки под давлением таких биметалличес-ких лопаток создали специализированную высоко-производительную вакуумную печь карусельноготипа У925 (рис. 6) [12]. Ускоренное охлаждениепаяемых деталей обеспечивается путем их переме-щения в вакуумные камеры с холодными стенками.

Из-за интенсивного охлаждения во входнойкромке даже у цельнолитых лопаток могут возни-кать термические трещины, для предотвращениякоторых в металле паяного шва на входной кромкеотработан технологический процесс получения рав-нопрочного паяного соединения (рис. 7). Одновре-менно с некоторым конструктивным усовершенс-твованием профиля лопаток [13] это позволилообеспечить надежную работу лопаток. Изготовлен-ные пайкой под давлением два типа составных ох-лаждаемых лопаток прошли испытания на макси-

Рис. 5. Составная охлаждаемая газотурбинная авиационная ло-патка: а – схема охлаждения; б – заготовка спинки и дефлек-тора; в – заготовка корытца и дефлектора

Рис. 6. Высокопроизводительная установка У925 для пайки поддавлением в вакууме составных охлаждаемых газотурбинныхавиационных лопаток

Рис. 7. Микроструктура ( 150) паяного шва на входной кромкелопатки из сплава ВЖЛ12у

Рис. 8. Заготовка диаметром 86 13 мм, длиной 300 мм для про-катки тонкостенной биметаллической трубы диаметром 21,6 0,4 ммиз стали ЭИ 847 и железа армко, полученная с использованиемпайки под давлением

54

мальном рабочем режиме в течение двойного ресур-са без каких-либо разрушений.

Пайку под давлением применили также для по-лучения заготовок жаропрочных биметаллическихтруб. Из них с применением холодной прокаткиполучали трубы с особо тонкой стенкой для транс-портировки жидкометаллического теплоносителя.Такие трубы должны иметь внутри покрытие из чис-того железа, предотвращающее коррозионное раз-рушение расплавленным теплоносителем основногослоя из жаропрочной хромоникелевой стали.

Пайку трубных заготовок (120 300 мм) произ-водили в созданной для этого вакуумной печи синдукционным нагревом. Наружную заготовку изжаропрочной стали нагревали в индукторе до тем-пературы пайки. Затем внутрь нагретой вводилихолодную заготовку из железа с нанесенным галь-ваническим способом на ее наружную поверхностьприпоем. По мере разогрева внутренняя заготовкаприжимается к наружной, в результате чего обеспе-чивается необходимое для пайки давление [14].

На Никопольском Южнотрубном заводе, гдевнедрены в производство вакуумная печь и уста-новка для нанесения припоя, производили паяныезаготовки (рис. 8). Из них путем холодной прокат-ки изготовляли жаропрочные биметаллические тру-бы с особо тонкой стенкой (21,6 0,4 мм).

Способом некапиллярной АВП под давлениемполучали биметаллические переходные элементыдля ручной сварки на монтаже толстостенных тру-бопроводов из легированных теплоустойчивых ивысоколегированных хромоникелевых сталей [15].Эти элементы, качественно сваренные в цеховыхусловиях, дают возможность производить на мон-таже сварку только однородных сталей взамен го-раздо более сложной сварки разнородных, что зна-чительно повышает надежность соединений в тру-бопроводах высокого давления.

С использованием АВП под давлением получалибиметаллические переходники для сварки труб ди-аметром 350 мм со стенкой 50 мм из сталей 12ХМФи 10Х18Н10Т. Соединение выполняли по конусной

поверхности, расположенной под углом в 45° к оситрубы. На эту поверхность укладывали припой ввиде фольги. После сборки место соединения гер-метизировали двумя кольцевыми дуговыми швами.Заготовки сдавливали на прессе и нагревали на воз-духе индукционным способом. Полученные пере-ходники (рис. 9) после термической обработки от-личались равнопрочностью соединения.

Способ АВП с широкими зазорами успешно при-менили на ПО «Ждановтяжмаш» для изготовлениябиметаллических сосудов. Его использовали дляплакирования нержавеющей сталью обечаек толс-тостенных сосудов различного назначения [16].Для этого к внутренней поверхности цилиндричес-кой заготовки сосуда припаивали за один нагревсвернутый в обечайку нержавеющий лист пло-щадью в несколько квадратных метров (рис. 10).

Нержавеющий лист характеризуется стабильны-ми толщиной и составом, а пайка при температуре

Рис. 9. Переходный элемент (диаметр 350 50 мм) для сваркитрубы из стали 12ХМФ с трубой из стали 10Х18Н10Т, изготов-ленный АВП под давлением

Рис. 10. Обечайка толстостенного сосуда с плакировкой из нер-жавеющего листа, припаянного АВП

Рис. 11. Электрошлаковая сварка корпуса транспортного кон-тейнера ТК10 из толстостенных обечаек с припаянной нержаве-ющей футеровкой

55

его закалки способствует получению высокой кор-розионной стойкости. Перед пайкой, согласно тех-нологическому процессу, производят контрольвакуумной плотности облицовки, что гарантируетее непроницаемость в условиях агрессивной средыи дает основание считать плакирование нержавею-щей сталью массивных изделий способом АВП на-иболее качественным.

В процессе работы установлено, что после вы-сокотемпературной пайки с последующей нормали-зацией и отпуском прочностные свойства металлакорпуса не ухудшаются, а показатели его пластич-ности и вязкости повышаются. Наряду с этим по-казано, что последующая термообработка не сни-жает стойкости нержавеющей облицовки противмежкристаллитной коррозии.

Способ АВП с широкими зазорами успешно при-менили для изготовления толстостенных биметал-лических контейнеров различных типоразмеров,предназначенных для перевозки отработанного ядер-ного топлива [17]. Наиболее крупные из них (ТК10для перевозки топлива реакторов ВВЭР 1000) сва-ривали с применением электрошлаковой сварки изпяти заготовок массой около 20 т каждая (рис. 11).Заготовки имели внутренний диаметр примерно 1 м,толщину стенки 400 мм и высоту приблизительно1200 мм. Площадь паяного шва на одной заготовкесоставляла около 4 м2 и более 20 м2 на всем кон-тейнере. Поверхность металла в зоне электрошла-ковых швов наплавляли нержавеющей сталью с по-мощью дуговой сварки. Масса готового контейнера

составляла 100 т (рис. 12). Это самые массивныепаяные изделия.

В ходе плакирования нержавеющей сталью ци-линдрических обечаек сосудов отработан техноло-гический процесс получения способом АВП толсто-листового биметалла, предусматривающий пайкулистов нужного размера, собранных по схеме сим-метричного пакета, используемого для получениялистового биметалла способом горячей прокатки.

Паяный пакет не требует последующей прокаткии обеспечивает надежное соединение листов в про-цессе пайки (рис. 13).

Аналогичным путем можно изготовлять паяныезаготовки для биметаллического сортового проката,получаемого последующими прессованием или про-каткой, которые гарантируют сцепление слоев внезависимости от степени обжатия. Прочность сцеп-ления слоев металла, обеспечиваемая пайкой, в двараза превышает требования ГОСТ 10885—75 «Стальгорячекатаная толстолистовая двухслойная».

Примеры успешного применения некапилляр-ной пайки подтверждают значительное расширениеее возможностей, по сравнению с капиллярной. Не-капиллярная пайка позволяет получать равнопроч-ные соединения и практически снимает ограниченияна размеры изделий.

Для более широкого применения технологии вы-сокотемпературной некапиллярной пайки следуетпродолжить исследование особенностей данного

Рис. 12. Готовый контейнер ТК10 во время погрузки в вагон длятранспортировки

Рис. 13. Макрошлиф толстолистового биметалла, полученногоспособом АВП симметричного пакета

56

процесса. Это позволит значительно расширитьсферу ее эффективного использования.

Выводы

1. Показано, что пайка характеризуется рядом пре-имуществ при соединении разнородных материа-лов. Основным ее видом является капиллярная, ко-торая из-за специфики процесса позволяет получатьбиметаллические изделия лишь небольшого разме-ра и, как правило, неравнопрочные.

2. Установлено, что созданные в Институте элек-тросварки им. Е. О. Патона технологические про-цессы некапиллярной пайки позволяют получатьбиметаллические материалы и изделия практическинеограниченных размеров. Кроме того, некапил-лярная пайка под давлением дает возможность осу-ществлять равнопрочные соединения.

3. Примеры успешного применения Институтомэлектросварки им. Е. О. Патона различных техно-логических процессов некапиллярной пайки убеди-тельно доказывают ее преимущества перед пайкойкапиллярной.

4. Необходимо дальнейшее исследование осо-бенностей процессов, протекающих при некапил-лярной пайке, с целью расширения областей ее при-менения.

1. Лашко С. В., Лашко Н. Ф. Пайка металлов. – М.: Ма-шиностроение, 1988. – 376 с.

2. Медовар Б. И. Сварка жаропрочных аустенитных сталейи сплавов. – М.: Машиностроение, 1966. – 432 с.

3. Петрунин И. Е., Лоцманов С. Н., Николаев Г. А. Пайкаметаллов. – М.: Металлургия, 1973. – 282 с.

4. Справочник по пайке / Под ред. И. Е. Петрунина. –М.: Машиностроение, 1984. – 400 с.

5. Брукер Х. Р., Битсон Е. В. Пайка в промышленности. –М.: Оборонгиз, 1957. – 296 с.

6. Об изотермической кристаллизации при прессовой свар-ке-пайке (ПСП) жаропрочных никелевых сплавов /Б. И. Медовар, Л. Г. Пузрин, Г. А. Бойко и др. // Ис-

следования по жаропрочным сплавам: Сб. науч. ст. –М.: Изд-во АН СССР. – 1967. – С. 161—165.

7. Самопроизвольная очистка металла от окисных пленок /Б. Е. Патон, Б. И. Медовар, И. В. Кирдо и др. //Докл. АН СССР. – 1964. – 159, № 1. – С. 72—73.

8. О растворении газов воздуха в твердом металле в процес-се самопроизвольной очистки его поверхности / Б. Е. Па-тон, Б. И. Медовар, Л. Г. Пузрин и др. // Там же. –1968. – 181, № 1. – С. 70.

9. Окисление металлов и сплавов. – М.: Металлургия,1965. – 428 с.

10. Пузрин Л. Г., Бойко Г. А., Атрошенко М. Г. Автоваку-умная высокотемпературная пайка. – Киев: О-во «Зна-ние» Украинской ССР, 1975. – 18 с.

11. Фаворский О. Н., Копелев С. З. Охлаждаемые воздухомлопатки газовых турбин // Теплоэнергетика. – 1981. –№ 8. – С. 7—11.

12. Пузрин Л. Г., Пещерин Е. И., Чесноков Л. В. Высоко-производительная вакуумная печь У925 // Надежностьи качество паяных изделий. – М.: НТО «Машпром»,1982. – С. 108—109.

13. К надежности паяного шва входной кромки составной ох-лаждаемой лопатки высокотемпературной турбины /Е. А. Великоиваненко, В. В. Кравченко, В. И. Махненкои др. // Теплоэнергетика. – 1990. – № 4. – С. 52—54.

14. Бойко Г. А., Пузрин Л. Г. Новая технология сварки биме-таллических трубных заготовок, основанная на приме-нении прессовой сварки-пайки и автовакуумной сваркидавлением // Тр. конф. молодых инженеров трубнойпром-сти. – М.: – Металлургия, 1968. – С. 98—101.

15. Новые способы изготовления переходных элементов длясварки разнородных сталей / Б. И. Медовар, Л. В. Че-котило, В. Л. Артамонов и др. // Автомат. сварка. –1967. – № 10. – С. 58—62.

16. Пузрин Л. Г., Атрошенко М. Г., Алексеенко В. И. Авто-вакуумная пайка плакирующего слоя обечаек сосудов вы-сокого давления // Проектирование технологическогопроцесса пайки – основа повышения качества изделий иэффективности производства: Сб. науч. ст. – М.: ЦП НТО«Машпром», 1978. – С. 193—195.

17. Автовакуумная пайка особотолстостенных сосудов массой до100 т на ПО «Ждановтяжмаш» / Л. Г. Пузрин, М. Г. Атро-шенко, И. Г. Пещерин и др. // Проблемы сварки и спе-циальной электрометаллургии. – Киев: ИЭС им. Е. О.Патона, 1984. – С. 76—77.



Разработано в ИЭС им. Е. О. Патона

Отделом защитных покрытий института ведутся работы в области газотермического напыленияпокрытий с псевдосплавной структурой, которые характеризуются высоким уровнем износостойкихи антифрикционных свойств. С целью защиты от абразивного износа поверхности медных изделийразработана серия покрытий, наносимых способом электродуговой металлизации, структура которыхсостоит из смеси частиц меди со вторым компонентом, обеспечивающим стойкость покрытия противабразивного износа (например, NiCr, Mo, Ti и др.). Одним из объектов применения этих покрытийслужат плиты кристаллизаторов МНЛЗ. Наличие меди в структуре покрытий (примерно 50 мас. %)обеспечивает сохранение довольно высокой теплопроводности покрытия (до 200...300 Вт/м⋅град),что является важным фактором в условиях работы МНЛЗ. Толщина покрытий, наносимых для этойцели, достигает 2 мм. Исследования свойств покрытий показали, что горячая твердость покрытияCu—NiCr (при 20...400 °С) превышает твердость меди в 3 раза, прочность на разрыв составляет240 МПа. Стойкость псевдосплавных покрытий против абразивного изнашивания при 300...350 °Спревышает износостойкость чистой меди в 5...100 раз в зависимости от состава покрытия. Ведутсяработы по испытанию указанных покрытий в реальных условиях эксплуатации МНЛЗ. На псев-досплавные покрытия на основе меди и способ их нанесения получены патенты Украины № 55585и 58852.

57

РЕЦЕНЗИЯна монографию М. И. Гасика, М. М. Гасика

«ЭЛЕКТРОТЕРМИЯ КРЕМНИЯ(физикохимия и технология)»

(Днепропетровск: Национальная металлургическая академия Украины, 2011. – 487 с.)

Монография «Электротермия кремния» посвященадовольно широкому кругу вопросов, охватываю-щих актуальные проблемы физикохимии кремнияи процессов его получения, рафинирования и ис-пользования одновременно с технологиями выплав-ки и переработки кремния для различных приме-нений (в металлургии и литейном производстве, хи-мической промышленности, электротехнике и энер-гетике, в том числе для получения кремния так на-зываемой солнечной чистоты).

Авторы обобщили данные о физико-химическихсвойствах кремния (структура, физические и дру-гие свойства твердого и жидкого кремния), углеро-дистых восстановителей и кварцитов (как исходно-го сырья для получения кремния). Значительноевнимание уделено также системам кремний—кисло-род и более сложным на основе силикатных рас-плавов (шлаков), что имеет большое значение. По-путно рассмотрены процессы получения карбидакремния, который в настоящее время рассматрива-ется в качестве альтернативного пути получениячистого солнечного кремния двухстадийным про-цессом. В целом новый термодинамический анализсистемы Si—O—C, проведенный авторами, представ-ляет научный и практический интерес, поскольку впрошлом подобные расчеты выполнялись иногда сошибками, без использования минимизацииэнергии Гиббса, что не позволяло правильно оце-нить термодинамику равновесия фаз.

Что касается технологии, то здесь рассмотреныэлектротермические рудовосстановительные комп-лексы для выплавки кремния; работа печей на пос-тоянном и переменном токах; анализ состава шла-ков выплавки кремния и распределения примесейалюминия и кальция между расплавом кремния ишлаком, а также свойства графитированных элек-тродов и электродных масс для самообжигающихся

электродов. Аппара-турная и технологи-ческая схема выплавкикремния показана напримере ОАО «ЗАлК»(Украина), для кото-рой приведены данныематериального и энер-гетического балансов,структура себестоимос-ти электротермическо-го кремния.

Относительно сол-нечного кремния в мо-нографии изложены общие сведения о технологиии процессах получения хлорсиланов и кремния вы-сокой чистоты для электроники и фотоэлектричес-ких преобразователей. Отдельно рассмотрены ре-зультаты научно-экспериментальных разработок поочистке природных кварца и кварцитов от примес-ных элементов, а также способы глубокой очисткиэлектротермического кремния с целью получениякремния солнечной чистоты, минуя хлоридные, фто-ридные классические и современные технологии.

В качестве замечания можно отметить слишкомрасширенный объем сведений, относящихся к фи-зике (например, строение атомов и электронныхоболочек, теории строения расплавов, зонной те-ории полупроводников), которые можно найти и вдругой базовой справочной литературе. В заключе-ние можно рекомендовать монографию специалис-там, исследователям и студентам, занимающимсяпроцессами электротермии кремния. Монографияможет рассматриваться и как справочник по теориии технологии производства кремния.

Кай Р. Лилиус,иностранный член НАН Украины

58

СЕССИЯ НАУЧНОГО СОВЕТАПО НОВЫМ МАТЕРИАЛАМ ПРИ КОМИТЕТЕ

ПО ЕСТЕСТВЕННЫМ НАУКАММЕЖДУНАРОДНОЙ АССОЦИАЦИИ АКАДЕМИЙ НАУК

25—27 мая 2011 г. в Киеве в ИЭС им. Е. О. ПатонаНАН Украины состоялась 16-я сессия Научного со-вета по новым материалам при Комитете по естес-твенным наукам Международной ассоциации ака-демий наук (МААН). Тематика сессии – «Новыепроцессы получения и обработки конструкционныхи функциональных материалов».

В заседании Научного совета приняли участиеболее 100 ученых и специалистов в области мате-риаловедения от академий наук, вузов и предпри-ятий Беларуси, России и Украины.

25 мая прошло заседание секции совета по ма-териалам на основе полимеров, 26 мая состоялосьпленарное заседание, 27 работала новая секция«Биоматериалы и хирургия».

Открыл пленарное заседание Научного советаего председатель, президент МААН, президентНАН Украины, директор ИЭС им. Е. О. Патонаакадемик Б. Е. Патон. Он напомнил участникамсессии о том, что еще в 1964 г. президент академиинаук СССР академик М. В. Келдыш выступил синициативой создания научного совета «Новые про-цессы получения и обработки металлических мате-риалов». В этом же году академик М. В. Келдышподписал распоряжение о создании совета. Затем всферу деятельности совета включили полимерныеи керамические материалы, композиты.

В современных условиях деятельность советадолжна способствовать развитию новых направле-ний получения и обработки материалов. Серьезныедостижения получены в области создания биомате-риалов, которые применяются при трансплантациинекоторых органов человека. В связи с этим решилисоздать в совете по новым материалом секцию «Био-материалы и хирургия». Возглавить секцию предло-жено чл.-кор. НАН Украины И. С. Чекману.

Далее академик Б.Е.Патон ознакомил участниковсессии с программой и регламентом работы 16-го пле-нарного заседания, на котором заслушаны 14 док-ладов, посвященных широкому кругу проблем в об-ласти материаловедения.

Академик РАН Е. Н. Каблов (Всероссийскийнаучно-исследовательский институт авиационныхматериалов, ВИАМ-Москва, РФ) выступил с ком-плексным докладом «Перспективные полимерныекомпозиционные материалы (ПКМ) и натурные

климатические испытания. Технологические плат-формы как основной механизм формирования ин-новационной экономики».

ПКМ, как и другие композиционные материалы,являются гетерогенными материалами, состоящимииз двух или более компонентов (армирующие эле-менты и матрица), отличающиеся по химическомусоставу, структуре и имеющие ярко выраженнуюграницу раздела фаз.

Главное преимущество ПКМ заключается в том,что материал, технология и конструкция в этом слу-чае создаются одновременно, в отличие от конструк-ций из металлических сплавов. ПКМ применяют визделиях гражданской и военной авиации, косми-ческой отрасли, судостроении, топливно-энергети-ческом комплексе, автомобилестроении и других от-раслях народного хозяйства.

В ВИАМе разработаны новые эпоксидные свя-зующие для различных технологий изготовленияПКМ, выпущены комплекты нормативной и техно-логической документации, налажена поставкаопытных партий связующих и препрегов.

Для разработки, организации производства ипродвижения на рынок новых полимерных компо-зиционных материалов (связующих, наполнителей,препрегов, объемноармированных гибридных и гра-диентных материалов), технологий производства из-делий из них, в том числе способов защиты и соеди-нения с другими материалами, в России реализуютпроект технологической платформы «Новые поли-мерные композиционные материалы и технологии».

Для создания единой системы обеспечения бе-зопасной эксплуатации, повышения работоспособ-ности, увеличения межремонтных и календарныхсроков, гарантированного применения в любых по-годных и природных условиях новейших материалов,образцов вооружения, военной, специальной техникии других сложных технических систем гражданскогои оборонного комплексов подготовлен проект техно-логической платформы «Национальная сеть центровклиматических испытаний».

Созданию нового поколения химических источ-ников тока, содержащих нитевидные кристаллы ок-сидов переходных элементов, посвящен доклад«Инженерия функциональных и конструкционныхматериалов» академика РАН Ю. Д. Третьякова и

59

д-ра техн. наук Е. А. Гудилина (Факультет наук оматериалах МГУ, Москва, РФ). Новые литиевыехимические источники тока (ХИТ) отличаются ма-лой степенью саморазряда (2…10 % в месяц), хо-рошей циклируемостью (до 1000 циклов) и дли-тельным временем эксплуатации (около 5 лет). Та-кие ХИТ применяются в сотовых телефонах, компь-ютерах, спутниках, гибридных двигателях и т. д.

Д-р техн. наук Л. И. Леонтьев (Институт ме-таллургии Уральского отделения РАН) в докладе«Новые перспективные материалы и технологии ихполучения» рассказал об электрохимической тех-нологии производства металлических нанопорош-ков, технологии изготовления нанопорошков метал-лов способом термического разложения оксалатови о получении металлических порошков и дробиспособом распыления.

Разработаны конструкционные порошковые ста-ли с новым композиционным типом структуры, сос-тоящей из крупных сферических частиц железногопорошка, связанных по границам мелкозернистымипрослойками на основе нанопорошков меднонике-левых сплавов, диффузионно-насыщенных желе-зом и дисперсно-упрочненных включениями ZrO2.Новые стали по прочности и пластичности в 2…4раза превосходят аналогичные по составу, но полу-ченные из смеси обычных порошков.

Академик НАН Украины Б. А. Мовчан в док-ладе «Электронно-лучевая технология твердо- ижидкофазных медицинских субстанций с нанораз-мерной структурой» ознакомил присутствующих сосхемами и некоторыми параметрами электронно-лу-чевого испарения неорганических веществ. Показа-но, что открытые (сообщающиеся) поры размеромменее 0,1 мкм пористой неорганической матрицыобразуют эффективную систему физико-химичес-ких нанореакторов, способных при использованииопределенных технологических параметров осаж-дения металла и вещества матрицы (температурыподложки, введения газов в технологическую каме-ру, ионизации парового потока и др.), а также пос-ледующих химико-термических обработок получен-ных конденсатов управлять составом, формой, раз-мером и структурой наночастиц неорганических ма-териалов. На основе проведенных исследований соз-дана электронно-лучевая установка для производстватвердо- и жидкофазных медицинских субстанций снаночастицами неорганических материалов.

Доклад д-ра техн. наук В. М. Бузника (Инсти-тут металлургии и материаловедения им. А. А. Бай-кова РАН, Москва, РФ) посвящен проблеме при-менения фторполимеров в конструкционном ифункциональном материаловедении. Фторполиме-ры – высокомолекулярные полимерные соедине-ния, в которых водород частично или полностьюзамещен фтором. Они являются антропогеннымиматериалами и не имеют природных аналогов.

В конструкционном материаловедении фторпо-лимеры могут применяться непосредственно в ка-честве конструкционного материала, покрытий от-дельных деталей и изделий.

В функциональном материаловедении их при-меняют как электроизоляционные, оптические, ан-тиадгезионные, антипригарные, протекторные, три-бологические, фильтрационные материалы и т. д.

В настоящее время фторполимеры используютв атомной и химической промышленности, авиа-ционной и космической технике, электронике иэлектротехнике, в автомобилестроении, в строи-тельстве, медицине и т. д. Для дальнейшего прод-вижения фторполимеров в народное хозяйство вРоссии создан консорциум «Фторполимерные ма-териалы и нанотехнологии».

Д-р техн. наук В. И. Лысак (Государственныйтехнический университет, Волгоград, РФ) в докла-де «Новые пути и подходы к созданию компози-ционных металлических, металлокерамических иинтерметаллидных материалов» рассказал о компо-зиционных материалах, получаемых сваркой взры-вом. Разработаны технологии получения слоистых,армированных, дискретно-упрочненных компози-тов, композитов с интерметаллидными упрочняю-щими слоями, прессовок из порошков и наномате-риалов. Создана автоматизированная система про-ектирования металлических слоистых компози-ционных материалов, композитных деталей и уз-лов, а также технологических процессов их изго-товления сваркой взрывом.

Доклад д-р физ.-мат. наук В. Г. Гаврилюка пос-вящен исследованию водородной хрупкости метал-лов и перспективам разработки водородостойкихсталей. В сталях водородная хрупкость проявляет-ся в том случае, если атомы водорода сопровождаютдислокации. При этом с увеличением скорости де-формации температурный интервал водороднойхрупкости повышается.

Электронная концепция водородной хрупкостипозволяет предсказать влияние легирующих эле-ментов на нее, что может быть использовано дляразработки водородостойких сталей. Легированиеэлементами, расположенными слева от железа в пе-риодической таблице, может быть эффективнымдля уменьшения водородной хрупкости. Хром,кремний, марганец, молибден повышают стойкостьпротив водородной хрупкости. Влияние никеля наводородную хрупкость может быть положительнымтолько благодаря стабилизации ГЦК решетки. При по-вышении его концентрации хрупкость увеличивается.

Доклад о современных инструментах из сверх-твердых материалов в технологиях механической об-работки представил д-р техн. наук С. А. Клименко(Ин-т сверхтвердых материалов (ИСМ) им. В. Н. Ба-куля НАН Украины, Киев).

В задачи процесса механической обработки вхо-дят формирование изделия с требуемыми конфигу-рацией и размерами при высокой производитель-ности процесса, а также образование в поверхност-ном слое изделия состояния, отвечающего условиямэксплуатационного нагружения.

Инструменты, разработанные в ИСМ, эффек-тивно применяют промышленные предприятия прирешении актуальных и наиболее сложных произ-

60

водственных технологических задач обработки раз-личных материалов практически во всех отрасляхпромышленности.

С докладом «Структурообразование, наслед-ственность и свойства литой стали» выступилд-р техн. наук С. Е. Кондратюк (Физико-техно-логический институт металлов и сплавов, НАН Ук-раины, Киев). Исследования, выполненные авто-ром, показывают, что структура и свойства исход-ных шихтовых материалов влияют на металличес-кий расплав, структуру и свойства закристаллизо-вавшегося металла.

Структура стали даже после трех переплавовсохраняет признаки первичной структуры исход-ных шихтовых материалов. Полученный твердыйметалл приобретает микро- и макроструктуру, какбы переданную через расплав от структуры исход-ных шихтовых материалов, т. е. в данном случае

проявляется эффект так называемой структурнойнаследственности.

Участники сессии имели возможность в ходедискуссии обменяться мнениями о представленныхдокладах, о разработках новых материалов в своихстранах, оценить работу Научного совета по новымматериалам, высказать пожелания по ее улучше-нию. Проводимые ежегодно сессии Научного советапо новым материалам МААН позволяют сохранятьи развивать творческие связи между учеными раз-личных стран, способствуют интенсификации ин-формационного обмена между ними.

Следующую сессию Научного совета по новымматериалам МААН, посвященную разработке кон-струкционных и функциональных материалов длямедицины, запланировано провести в мае 2012 г. вИЭС им. Е. О. Патона.

И. А. Рябцев

VI Всеукраинская научно-техническая конференциямолодых ученых и специалистов

«Сварка и родственные технологии»

25-27 мая 2011 г. на территории базы отдыха «Энер-гия» (пгт Ворзель) прошла VI всеукраинская на-учно-техническая конференция молодых ученых испециалистов «Сварка и родственные технологии»,организованная Советом научной молодежи ИЭСим. Е.О. Патона НАНУ.

За десять лет уже стало доброй традицией каж-дые два года собирать молодых ученых, аспирантови студентов Украины в этом живописном месте подКиевом. Несмотря на возникшие в этом году труд-ности, связанные с организацией очередной конфе-ренции и местом ее проведения, члены организаци-онного комитета не только преодолели все пробле-мы, но и достойно провели данное мероприятие,приняв представителей 13 городов Украины, а так-же России, Польши и Сербии.

Всего в оргкомитет были поданы тезисы 195 док-ладов из семи стран, представляющих 40 научных иучебных организаций и предприятий. К началу про-ведения конференции силами ИЭС им. Е.О. Патонабыли изданы сборник тезисов докладов и программаработы.

Открыл конференцию академик НАН УкраиныГ. М. Григоренко. В своей вступительной речи онотметил, что 10-летний опыт показывает актуаль-ность проведения таких выездных заседаний. Учас-тие в конференции дает молодежи возможность до-ложить результаты своих исследований, а такжеознакомиться с работами своих коллег из другихорганизаций, обменяться опытом и обсудить перс-пективы сотрудничества.

61

Конференция проходила три дня в режиме пле-нарных заседаний, во время которых было заслушанооколо 80 докладов по следующим направлениям:

прогрессивные технологии сварки и соедине-ния материалов;

прочность, надежность и долговечность свар-ных конструкций;

технологии наплавки, нанесения покрытий иобработки поверхностей;

процессы специальной электрометаллургии новые конструкционные и функциональные

материалы; техническая диагностика и неразрушающий

контроль; автоматизация процессов сварки и родствен-

ных технологий; исследования физико-химических процессов

(термодинамика, кинетика, микроструктура, фазо-вые превращения, коррозия);

математическое моделирование и информаци-онные технологии в сварке и родственных процессах.

Работы, представленные сотрудниками ИЭС им.Е.О. Патона, посвящены как обеспечению техноло-гических условий сварки, наплавки, обработки де-талей и конструкций, так и исследованию фунда-ментальных процессов, происходящих при этих ус-ловиях. Хочется отметить хорошие и интересныевыступления молодых специалистов, впервые при-нимающих участие в конференции. Это Р.И. Клоч-ко («Универсальное оборудование для электроду-говой сварки, наплавки и плазменной резки на ос-нове цифрового синтеза технологического процес-са»), О.М. Ливицкая («Структура и свойства опыт-ных титановых сплавов системы Ti—Si—X с диспер-сионным упрочнением»).

Доклады Национального университета кораб-лестроения, г. Николаев, посвящены соединениямразнородных материалов (металл—керамика) спо-собами пайки и диффузионной сварки. Традицион-но сильные материаловедческие доклады предста-вили сотрудники Института черной металлургииим. З. И. Некрасова, г. Днепропетровск.

Значительное количество докладов по различ-ным направлениям сделали молодые ученые из Рос-сийской Федерации. Они представляли такие орга-низации, как ОАО НПО «ЦНИИТМАШ», г. Мос-ква, Юргинский технологический институт (фили-ал) Томского политехнического университета,г. Юрга, РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина,г. Москва, Сибирский федеральный университет,г. Красноярск, НИТУ МИСиС, г. Москва.

Необходимо отметить, что впервые за десять летна молодежной конференции в Ворзеле собралосьтакое количество представителей зарубежных на-учных и учебных учреждений. Кроме россиян, сдокладами выступили два сотрудника Института

сварки, г. Гливице, Польша, и представитель Инс-титута Гоша, г. Белград, Сербия.

Много работ посвящено созданию материалов сновыми свойствами. Большой интерес вызвал ком-плексный доклад студентов Национального техни-ческого университета Украины «КПИ» О. А. Виш-невецкой и В. А. Астапенкова («Биоинженериявнутрисосудистых конструкций на основе (Zr - Ti)сплава» и «Современные требования к материаламмедицинского применения»). Работу выполнилипод руководством сотрудников Института металло-физики им. Г.В. Курдюмова НАНУ. Студенты«КПИ» также на высоком научном и техническомуровне представили доклады «Лазерная точечнаясварка сплавов на основе меди» и «Влияние пара-метров процесса на образование горячих трещинпри сварке высоколегированных сталей излучениемСО2-лазера» по исследованиям, проводимым сов-местно с Отто-фон-Герике-Университетом, г. Маг-дебург, Германия.

Оживление и разнообразие в обычный ход кон-ференции внесли интересные и познавательные док-лады – презентации представителей компаний«Бинцель Украина ГмбХ» и «Фрониус Украина».

27 мая, во второй половине дня, состоялось тор-жественное закрытие конференции. Авторов луч-ших докладов наградили дипломами I, II, и III сте-пени. С заключительным словом выступил предсе-датель организационного комитета, Ученый секре-тарь ИЭС им. Е.О. Патона Л.С. Киреев. Он позд-равил участников с завершением конференции ивручил победителям памятные дипломы. ДипломомI степени награждена Ольга Кушнарева (ИЭС им.Е.О. Патона) за доклад «Структурная оптимизациямеханических свойств сварных соединений сложно-легированных алюминиево-литиевых сплавов».

Оргкомитет благодарит НТК ИЭС, профкомИЭС, Опытный завод сварочного оборудованияИЭС, Опытный завод сварочных материалов ИЭС,ООО «Бинцель Украина ГмбХ», ООО «ФрониусУкраина», ЗАО «НВО «Червона хвиля», ОАО«Запорожстеклофлюс» за спонсорскую помощь,благодаря которой стало возможным не только про-ведение конференции, но и премирование авторовлучших докладов.

От имени оргкомитета и всех участников конфе-ренции огромную благодарность хочется выразитьместному благотворительному фонду «Содружест-во сварщиков», международной ассоциации «Свар-ка», а также филиалу «Энергосервис Киевэнерго»и сотрудникам базы отдыха «Энергия» за помощьв организации и поддержку в проведении этого ме-роприятия.

С. Г. Григоренко

62

ИНФОРМАЦИЯ О 12-йВСЕМИРНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Тi-2011»

19—24 июня 2011г. в Пекине (Китай) состоялась12-я Всемирная конференция «Тi-2011». Первая та-кая конференция была проведена в Лондоне в1968 г. С тех пор их проводили в Бостоне (1972 г.),Москве (1976 г.), Киото (1980 г.), Мюнхене(1984 г.), Каннах (1988 г.), Сан Диего (1992 г.),Бирмингеме (1995 г.), Санкт-Петербурге (1999 г.),Гамбурге (2003 г.) и Киото (2007 г.).

C пленарными докладами на конференции вы-ступили представители Великобритании, США,СНГ, Японии, Германии, Франции и Китая. Со-гласно информации, полученной из всех пленарныхдокладов, титановая отрасль полностью преодолелакризис, что подтверждается непрерывно растущимиобъемами производства и ценами на титановую про-дукцию. Так, например, на рынке Китая с январяпо май 2011 г. цена губчатого титана возросла от6,1 до 11,8, титановых слитков – от 7,7 до 12,5дол. США/кг.

Особо следует отметить бурно растущий рынокКитая. В настоящее время Китай является круп-нейшим в мире производителем титана и изделийиз него. На выставке Пекин ЭКСПО, проходившейпараллельно с 12-й Мировой конференцией потитану, была представлена высококачественная ти-тановая продукция высокого передела (лист, пру-ток, трубы, проволока) более чем 40 китайскихпредприятий.

Работа конференции проходила в 12 секциях:• металлургия титана;• обработка титана давлением;• микроструктура титановых сплавов;• свойства титановых сплавов;• интерметаллиды и композиты;• изготовление узлов и изделий из титана;• литейные и порошковые технологии;• взаимодействие титана с окружающей средой;• аэрокосмическое применение титана;• применение титана в медицине;• новые рынки для титана;• применение титана в судостроении.В конференции приняли участие более 1000

участников из 33 стран, в том числе из Китая (407),Японии (102), Франции (54), США (47), Велико-британии (42), России (35), Германии (29), Авст-ралии (26), Украины (13).

Анализ всех представленных на конференциидокладов показал, что основными направленияминаучно-исследовательских работ в титановой отрас-ли является поиск путей удешевления титановойпродукции. В металлургии титана это создание но-вых, более экономически эффективных способовпроизводства губчатого титана, а также разработкаи применение технологии электронно-лучевой плав-

ки титана с промежуточной емкостью. В деформа-ционной обработке титана – разработка теории ипрактики ступенчатой изотермической прессовкидеталей сложной формы с минимальными припус-ками. При разработке новых титановых сплавов ос-новное внимание уделяют не только повышению ихэксплуатационных характеристик, но и снижениюстоимости за счет применения более дешевых леги-рующих компонентов.

Большой интерес на конференции вызвало изу-чение возможностей литейных и порошковых техно-логий для снижения стоимости изготовления изделийиз титановых сплавов, а также совершенствованиеразличных способов сварки (аргонодуговой, элект-ронно-лучевой, лазерной и др.) с целью повышенияих технико-экономической эффективности.

В связи с этим следует отметить повышенноевнимание к докладу представителей Институтаэлектросварки им. Е. О. Патона НАНУ Б. Е. Па-тона, С. В. Ахонина, В. П. Прилуцкого «Развитиетехнологий сварки титана при изготовлении свар-ных узлов и изделий».

Следует отметить, что значительное количестводокладов посвящено вопросам создания и разра-ботки технологий обработки сплавов на основе алю-минидов титана, являющихся перспективными ма-териалами для авиастроения и могущими эксплу-атироваться при повышенных температурах (до700 °С и более).

Анализ различных областей применения титанапоказал, что основными отраслями потребления ти-тановой продукции продолжают оставаться военноеи гражданское самолетостроение, а также энергети-ческое и химическое машиностроение. Например,в гражданских самолетах нового поколения (Boing787, AERBUS 350) доля титана в общей массе пла-нера и двигателей увеличилась до 15 %, а при строи-тельстве одного блока АЭС мощностью 1 ГВт тре-буется до 320 т титановых полуфабрикатов.

Наряду с этим в настоящее время отмечено уве-личение использования титана в производстве пер-спективных видов вооружений (артиллерия, воен-но-морской флот и т. д.), строительстве (например,опорные колоны расположенной в море взлетно-посадочной полосы Токийского аэропорта), изготов-лении спортивного инвентаря, а также в производ-стве имплантов, эндопротезов и другой медицин-ской техники.

Согласно решению Международного организа-ционного комитета, следующая, 13-я Всемирнаяконференция по титану пройдет в г. Сан Диего,США, в 2015 г.

С. В. Ахонин

63

ПОДПИСКА — 2012 на журнал «Современная электрометаллургия»

Украина Россия Страны дальнего зарубежья

на полугодие на год на полугодие на год на полугодие на год

160 грн 320 грн 900 руб. 1800 руб. 26 дол. США 52 дол. США

В стоимость подписки включена доставка заказной бандеролью.

Реклама публикуется наобложках и внутренних вклей-ках следующих размеров• Первая страница обложки(190 190 мм)• Вторая, третья и четвертаястраницы обложки(200 290 мм)• Первая, вторая, третья, чет-вертая страницы внутреннейобложки (200 290 мм)• Вклейка А4 (200 290 мм)• Разворот А3 (400 290 мм)• 0,5 А4 (185 130 мм)• 0,25 А4 (90 130 мм)Технические требования к рекламным материалам• Размер журнала после обрези 200 290 мм

• В рекламных макетах длятекста, логотипов и другихэлементов необходимоотступать от края модуля на5 мм с целью избежанияпотери части информацииВсе файлы в формате IРС PC• Corell Draw, версия до 10.0• Adobe Photoshop, версия до 7.0• QuarkXPress, версия до 7.0• Изображения в формате TIFF,цветовая модель CMYK,разрешение 300 dpiСтоимость рекламы и оплата• Цена договорная• По вопросам стоимости разме-щения рекламы, свободной пло-щади и сроков публикациипросьба обращаться в редакцию

• Оплата в гривнях или рубляхРФ по официальному курсу• Для организаций-резидентовУкраины цена с НДС и налогомна рекламу• Для постоянных партнеровпредусмотрена система скидок• Стоимость публикации статьина правах рекламы составляетполовину стоимости рекламнойплощади• Публикуется толькопрофильная реклама• Ответственность за содер-жание рекламных материаловнесет рекламодатель

Подписано к печати 07.07.2011. Формат 60 84/8. Офсетная печать.Усл. печ. л. 8,9. Усл. кр.-отт. 7,9. Уч.-изд. л. 9,7.Печать ООО «Фирма «Эссе». 03142, г. Киев, пр. Акад. Вернадского, 34/1.

© Современная электрометаллургия, 2011

РЕКЛАМА в журнале «Современная электрометаллургия»

Подписку на журнал «Современная электрометаллургия» можно оформить непосредственночерез редакцию или по каталогам подписных агентств «Пресса», «Идея», «Саммит», «Пресс-центр», KSS, «Блицинформ», «Меркурий» (Украина) и «Роспечать», «Пресса России»(Россия).

Контакты:тел./факс: (38044) 200-82-77; 200-54-84E-mail: [email protected]

64

corel ventura - untitled · 2014-01-05 · От редколлегии В последние два...

Documents