Технические науки/1. Механика

Жигуц Ю.Ю., Полажинець А.І.

ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Україна

СИНТЕЗ ТЕРМІТНИХ КАВІТАЦІЙНОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ

Відомо, що в промисловості для виготовлення лопаток турбін й інших деталей, що працюють у рідинах при високих частотах обертання ротора розроблено окремий клас сталей. Найчастіше з ц цього класу використовують сталь 30Х10Г10, яка відрізняється високими характеристиками в умовах кавітаційної ерозії та інших варіантів мікроударного зношування. Використання ж металотермічних методів синтезу матеріалів для отримання кавітаційностійкої сталі, дозволяє не тільки виготовляти виливки, але і використовувати синтезований матеріал для термітного зварювання, ремонту і відновлення розмірів зношених поверхонь [1, 2]. Металотермічні методи мають цілий ряд переваг, а саме високу продуктивність процесу, зручність й універсальність оснащення, відсутність потреби у джерелах електроенергії та можливість застосування при терміновому отримуванні сплаву (час синтезу триває всього 30…60 секунд). Поєднання металотермічного способу отримання сталі і відомі вже властивості кавітаційностійкої сталі 30Х10Г10 поставило наукове завдання – дослідити можливість отримувати якісну кавітаційностійку сталь металотермічним способом із застосуванням зручного дешевого обладнання, розроблення відповідного складу шихти, а також встановлення фізико-механічних і службових властивостей та особливостей синтезованого сплаву.

Матеріали і методика проведення експерименту. При взаємодії алюмінію з оксидами металів виділяється багато тепла, внаслідок цього температура суміші-реагента сягає 2500⁰С. Найпоширеніший залiзоалюмiнiєвий терміт, який містить залізну окалину або збагачену залізну руду та порошок алюмінію) використовують для зварювання та при відливанні деталей. Інколи до складу тepмiту вводять легуючі присадки i флюси [1]. Механізм алюмінотермічної взаємодії головним чином описаний у роботах [1, 2].

Для визначення маси металевого зливка на першому етапі дослідження провели мікроплавлення при масі шихти 250…300 г з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Ініціювання процесу горіння проводили спеціальним термітним сірником. Використані матеріали: сажа ацетиленова (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80), порошок алюмінієвий ПА-3…ПА-4 ГОСТ 6058-73, просіяне мливо алюмінієвої стружки та ін. Порошкову шихту просушували, перемішували і розміщували у внутрішній камері металотермічного реактора. Здешевлювали собівартість виготовлення шихти, замінивши алюмінієвий порошок на мливо алюмінієвої стружки. Корекція хімічного складу шихти виконувалася за результатами аналізу синтезованого сплаву.

Експериментальна частина. Сталь 30Х10Г10 – аналог термітної сталі вміщує 0,26…0,44% С; 9,5…12% Cr; 7…11% Mn; 0,04% Si і 0,03% P. При синтезі термітної легованої сталі замість ферохрому для підвищення температури металотермічної реакції та для покращення шлаковідділення використовували оксиди хрому (Cr₂O₃ та CrO₆).

Після синтезу термітної сталі вдалося дослідити мікроструктуру та механічні властивості термітної сталі 30Х10Г10, які вказані в табл. 1 та 2.

Таблиця 1

Механічні властивості термітної сталі 30Х10Г10

№ з/п	Охолодження після аустенізації при 1100°С	σв	σт	δ	ψ	ан, МПа
		МПа		%
1	У воді	700-1000	370-490	11-16	14-18	130-250
2	На повітрі	610-670	360-420	7-12	11-17	60-90

Цю сталь можна також використовувати для проведення термітного зварювання при ремонті або наплавленні. В умовах мікроударних, кавітаційних навантажень термітна сталь 30Х10Г10 наклепується значно більше аустенітної сталі Х18Н10 і тому відрізняється значно більшою зносостійкістю. Додаткове легування всієї сталі нікелем призводить до стабілізації аустеніту, зменшує її схильність до наклепування і зносостійкості в умовах мікроударного впливу.

Таблиця 2

Вплив швидкості охолодження після аустенізації на ударну в’язкість, твердість та мікроструктуру термітної сталі 30Х10Г10

№ з/п	Охолодження з 1100°С	ан, МПа	НВ	Структура
1	У воді	15,7	230	Легований аустеніт
2	У оливі	11,2	200
3	На повітрі	10,3	164	Легований аустеніт+легований ферит+карбіди
4	Разом з піччю	8,8	210

Термітне зварювання і наплавлення необхідно проводити з врахуванням випалювання легуючих елементів у зоні зварювання. Сама ж термітна сталь 30Х10Г10 має задовільну зварюваність. У зв’язку з підвищенням схильності термітної сталі до наклепування її механічна обробка ускладнення. Встановлено також, що термітна сталь 30Х10Г10 має високу рідкотекучість, значно більшу ніж у литої вуглецевої сталі (приблизно в два рази), що вказано у табл. 3.

Таблиця 3

Рідкотекучість термітної сталі 30Х10Г10

№ з/п	Температура рідкої сталі, °С	Показник рідкотекучості, мм
		30Х10Г10	У8
1	1430	435	-
2	1450	520	-
3	1500	680	300
4	1550	760	570

Одночасно виявлено для неї підвищену лінійну усадку (2-3%) та схильність до утворення гарячих тріщин. Останнє особливо суттєво починає проявлятися при збільшеному вмісті вуглецю, сірки або фосфору.

Для підвищення стійкості футерівки і формувальних матеріалів потрібно при проведенні металотермічного синтезу використовувати лужне середовище, що одночасно дозволяє запобігти зневуглецьовуванню, зменшенню вмісту марганцю і збільшенню кремнію.

Як вже відмічалося, оброблюваність термітної сталі різанням невисока у зв’язку з наклепуванням внаслідок дії різального інструменту, тому обробку її необхідно проводити за допомогою твердосплавного різального інструменту.

Висновки: 1. Встановлено мікроструктуру та механічні властивості термітної сталі 30Х10Г10. 2. Розроблено технологію термітного синтезу сталі 30Х10Г10 та визначено хімічних склад шихти для синтезу вказаної сталі. 3. Виявлені технологічні властивості сталі та її особливості, а саме зварюваність, ливарні властивості та оброблюваність різанням.

Література:

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

2. Жигуц Ю. Ресурсозберігаюча технологія термітного зварювання сталевих деталей/ Жигуц Ю., Лазар В. Вісник ТДТУ. — 2009. — Том 14. — № 4. — С. 94-98.

3. Жигуц Ю.Ю. Синтез термітних суднобудівних сталей/ Жигуц Ю.Ю., Чернега Д.Ф., Левдар Е.Е. Materiály VII mezіnárodni védecko-praktická konf. “Vĕdecky pokrok na prelomu tysyachalety”. Dil 15. Technické vĕdy: — Praha. Publishing House “Education and Science” s.r.o. 2011. — C. 43-45.