Журнал «РАСПЛАВЫ» №5, сентябрь – октябрь 2024

Бошканец Д.А., Сергеенко С.Н.

Свойства холоднодеформированных порошковых материалов 12Х18Н10Т и AlSi10Mg, полученных селективным лазерным сплавлением

DOI: 10.31857/S0235010624050011

В статье рассмотрена комбинированная технология, сочетающая селективное лазерное сплавление (SLM) и продольную прокатку порошковых материалов 12Х18Н10Т и AlSilOMg. Цель работы — экспериментально установить закономер­ности влияния обработки давлением на механические характеристики получен­ных SLM материалов, а именно на твердость и изгибную прочность. Подготовлен литературный обзор, основываясь на информации из которого изготовлена партия тестовых образцов из порошков нержавеющей стали 12Х18Н10Т и алюминиевого сплава AlSi10Mg. Произведена обработка давлением полученных образцов по тех­нологии продольной прокатки. Оценка высотной деформации образцов из спла­ва 12Х18Н10Т проводилась с помощью истинной (логарифмической) высотной деформации. Морфология исходных материалов исследовалась при помощи элек­тронного микроскопа. Механические свойства материалов оценивались по твер­дости HRB и изгибной прочности. Дополнительно были проанализированы результаты испытаний на радиальное сжатие кольцевых образцов, изготовленных при аналогичных технологических параметрах. По итогам анализа установлена зависимость между напряжением и деформацией, где для AlSi10Mg наблюдается плавное изменение формы под приложением нагрузки, а для 12Х18Н10Т — нали­чие критического напряжения, при достижении которого наблюдается увеличение динамики деформации. Растровая электронная микроскопия изломов материала AlSi10Mg показала более однородную структуру прокатанного образца по срав­нению с образцом в исходном состоянии. Это является свидетельством положи­тельного влияния обработки давлением (в определенных пределах) на плотность материала AlSi10Mg, полученного методом SLM. По итогам исследования сфор­мулирована и подтверждена результатами экспериментов гипотеза о взаимозави­симости высотной деформации и твердости холоднодеформированного материала 12Х18Н10Т, полученного SLM. Установлен предел изгибной прочности порошко­вого материала AlSi10Mg и зафиксированы максимальные изгибные нагрузки для сплава 12Х18Н10Т. Показаны зависимости между напряжением и деформацией материалов при радиальном сжатии и изгибе. Установлено, что продольная про­катка порошкового материала 12Х18Н10Т способствует снижению сопротивления изгибной силе, но при этом повышаются твердость и упругие свойства.

Ключевые слова: порошковая металлургия, селективное лазерное сплавление, обработка давлением, прокатка

Воронцов В.Б., Першин В.К.

Формирование локального структурного порядка в расплаве алюминия перед кристаллизацией

DOI: 10.31857/S0235010624050028

Представлены результаты Фурье-анализа спектров акустической эмиссии (АЭ) в области частот 20—200 кГц, возникающих при понижении температуры расплава алюминия от 860 до 660°С. Обсуждается связь акустических сигналов с процессами структурных преобразований в расплаве c изменением температуры.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, расплав, кристаллизация, алюминий, спектральный анализ

Бабенко А.А., Уполовникова А.Г., Кель И.Н., Шартдинов Р.Р.

Оценка десульфурирующей способности борсодержащих шлаков восстановительного периода АКР процесса

DOI: 10.31857/S0235010624050033

Основным промышленным способом получения нержавеющей стали на теку­щий момент является выплавка ее в агрегате аргонокислородного рафиниро­вания. В работе приведены результаты термодинамического моделирования процесса десульфурации низкоуглеродистого полупродукта нержавеющей стали во время восстановительного периода аргонокислородного рафиниро­вания путем обработки его борсодержащими шлаками. Применение в каче­стве флюсующего материала оксида бора взамен плавикого шпата позволяет снизить нагрузку на окружающую среду и уменьшить вязкость формируемых шлаков. При помощи симплекс решетчатого метода планирования экспе­римента построена матрица, содержащая 16 составов оксидной системы CHO-SiO₂-(3-6%)B₂O₃-12%Cr₂O₃-3%A1₂O₃-8%MgO переменной основно­сти 1.0-2.5. На основе обобщения результатов термодинамического модели­рования построены аппроксимирующие математические модели в виде приве­денного полинома третьей степени. Адекватность моделей проверена по трем контрольным точкам, не входящим в матрицу планирования эксперимента с помощью t-критерия при уровне значимости 0,01. Результаты математиче­ского моделирования представлены графически в виде диаграмм зависимости равновесного распределения серы от состава шлака при температурах 1600 и 1700°С. Построенные диаграммы позволили количественно оценить вли­яние температуры, основности и содержания оксида бора на коэффициент равновесного межфазного распределение серы. Установлено, что повышение основности шлака с 1.0 до 2.5 в рассматриваемом диапазоне содержания окси­да бора (3.0-6.0%) улучшает процесс десульфурации металла, обеспечивая рост равновесного коэффициента межфазного распределения серы с 0,1 до 5,0-7,0 при температурах 1700 и 1600°С. Показано, что процесс десульфурации метал­ла в шлаках с низкой основностью 1,05-1,15 сопровождается незначительным снижением содержания серы в металле. При этом концентрация оксида бора практически не оказывает отрицательного влияния на процесс десульфура­ции металла. Шлаки с повышенной до 2,0-2,5 основностью обладают более благоприятными рафинирующими свойствами. Концентрация серы в металле при их формировании снижается с 0,015 до 0,007-0,008%.

Ключевые слова: термодинамическое моделирование, сера, равновесное межфазное распределение, нержавеющая сталь, аргонокислородное рафинирование, вос­становительный период

Бабенко А.А., Шартдинов Р.Р., Уполовникова А.Г., Сметанников А.Н.

Влияние оксида бора и основности на вязкость и температуру начала кристаллизации шлаков системы CaO-SiO₂– B2O₃-12%Cr₂O₃-3%Al₂O3-8%MgO

DOI: 10.31857/S0235010624050047

Бурный рост потребности в нержавеющей стали и, соответственно, ее произ­водства, произошедший во второй половине XX века и не прекращающийся по сегодняшний день, делает необходимым проведение исследований свойств оксидных систем, которые поспособствуют совершенствованию техноло­гий металлургического производства такой стали, поэтому в данной работе с использованием метода симплексных решеток планирования эксперимента и вибрационной вискозиметрии проведено исследование влияния основности и содержания оксида бора на вязкость и температуру начала кристаллизации шлаков оксидной системы CHO-SiO₂-B₂O₃-12%Cr₂O₃-3%A1₂O₃-8%MgO, формируемых в восстановительный период процесса производства низкоугле­родистой нержавеющей стали методом аргоно-кислородного рафинирования (АКР-процесс), который на текущий момент является основным способом производства коррозионно-стойкой стали. Ввод оксида бора в шлаки аргоно­кислородного рафинирования является возможным вариантом решения про­блемы нестабильности физических свойств шлаков по ходу плавки, вызванной летучестью фторидов плавикового шпата, традиционно применяемого в каче­стве флюса – разжижителя, и соблюдения ужесточающихся экологических требований за счет исключения образования ядовитых соединений фтора. По результатам экспериментальных исследований вязкости шлаков изучае­мой оксидной системы в зависимости от химического состава и температуры построены аппроксимирующие математические моделей в виде приведенного полинома третьей степени. Графически результаты математического моделиро­вания представлены в виде диаграмм «состав – свойство», которые позволяют количественно определить влияние температуры и химического состава иссле­дуемых шлаков на вязкость и их состава на температуру начала кристаллизации. Отмечено, что при 1600 и 1650°С увеличение содержания оксида бора в шлаке с 3 до 6% благоприятно сказывается на жидкоподвижности формируемых шлаков в диапазоне основности 1.0-2.5. Например, увеличение концентрации оксида бора с 3 до 6% обеспечивает снижение вязкости шлаков с 2.0 до 0.5 ПаХ при температуре 1600°С и с 0.4 до 0.3 ПаХ при температуре 1650°С в области повы­шенной до 2.0-2.5 основности.

Ключевые слова: АКР-процесс, нержавеющая сталь, восстановительный период, шлак, оксиды бора и хрома, вязкость, температура начала кристаллизации

Косенков Д.В., Сагадеев В.В.

Излучательная способность технических кадмия и цинка

DOI: 10.31857/S0235010624050057

Представлены результаты экспериментального исследования нормальной инте­гральной и нормальной спектральной излучательной способности технических кадмия и цинка. Выбор объектов исследования был обусловлен отсутствием литературных данных по излучательной способности этих металлов в открытой печати. Измерения проведены абсолютным радиационным способом в атмос­фере инертного газа. Получены результаты изменения интенсивности нормаль­ной интегральной излучательной способности в зависимости от температуры с фиксацией броска в области фазового перехода. Нормальная спектральная излучательная способность твердых полированных металлов в области плав­ления исследована от 0.26 до 10.6 urn. Проведен вычислительный эксперимент по приближениям Фута и Друде.

Ключевые слова: излучательная способность, кадмий, цинк, твердая полирован­ная фаза, жидкая фаза, область фазового перехода

Танутров И.Н., Свиридова М.Н.

Физико-химические свойства расплавов Na₂SO₄-CaSO₄

DOI: 10.31857/S0235010624050066

Цель работы заключалась в исследовании свойств расплавов системы Na₂SO₄– CaSO₄, которые наилучшим образом подходят для практического применения в металлургии, например, для улучшения работы промышленных печей. Кроме того, сведения о свойствах этой системы представляют интерес и для приклад­ной химии расплавленных солей, например, для очистки газов, металлических и керамических поверхностей конструкционных элементов. Свойства расплавов двойных систем сульфатов, необходимых для выбора параметров применения, изучено недостаточно. Наиболее важными для практики являются плотность, поверхностное натяжение и динамическая вязкость. В работе использованы современные экспериментальные методы исследований: максимального дав­ления в пузырьке аргона, выдуваемого в расплаве через капилляр, для опреде­ления плотности и поверхностного натяжения, и вибрационный метод – для динамической вязкости. Температурный и концентрационный интервалы изме­рений составили соответственно 1050-1200°С и 0-60 мол. %. Для всего изучен­ного интервала составов расплавов получены линейные зависимости плотности и поверхностного натяжения от температуры. Динамическая вязкость подчиняет­ся экспоненциальной зависимости. В результате статистической обработки экспе­риментальных данных выведены общие уравнения политерм плотности, поверх­ностного натяжения и вязкости. Анализ результатов экспериментов показал, что величины плотности, поверхностного натяжения и вязкости имеют отклонения от аддитивности, что отражает изменение строения расплавов сульфат натрия – сульфат кальция с ростом концентрации CaSO₄. Сравнение полученных экспери­ментальных данных с уже известными для двойных карбонатных расплавов указа­ли на изменения в строении расплавов, в частности, образование в объеме, кроме катионов Na⁺ и Ca²⁺ и аниона SO₄^2-, комплексных анионов [NaSO₄]^– преимуще­ственно на поверхности и [Ca(SO₄)]^n– преимущественно в объеме.

Ключевые слова: сульфат натрия, сульфат кальция, расплав, состав, температура, плотность, поверхностное натяжение, динамическая вязкость

Куандыков А.Б., Быков П.О., Чайкин В.А., Суюндиков М.М., Жунусов А.К., Салина В.А., Кулумбаев Н.К. 

Термодинамическое моделирование процессов очистки первичного алюминия от примесей ванадия

DOI: 10.31857/S0235010624050071

В данной статье рассмотрено взаимодействие химических элементов в трех­компонентной системе Al-V-B. Ванадий снижает электропроводность в пер­вичном алюминии, что требует его снижения при электролизе алюминия до значений менее 0.02%. С целью снижения концентрации примесей ванадия были проведены термодинамические расчеты реакций разделения металличе­ской фазы алюминия и примесей интерметаллидов ванадия за счет использо­вания борсодержащего флюса. Расчет термодинамических параметров прово­дился в HSC Chemistry 9.0. для соединений AlB₂ и VB₂, химической реакции AlB₂ + V = VB₂ + Al в пределах рабочих температур электролиза и литья первич­ного алюминия 650-950°С и условий погружения борсодержащего флюса в рас­плав на глубину ковша 0.5, 1.0, 1.5 и 2 м, т.е. в пределах давлений 102.39-148.99 кПа. Термодинамический анализ показал, что значения энергии Гиббса (ДС_Т) во всем диапазоне рабочих температур процесса электролиза и литья первич­ного алюминия для VB₂ значительно ниже, чем AlB₂, следовательно, они будут образовываться преимущественно в данном температурном диапазоне. Порядок стабильности также предполагает, что ванадий может быть легко удален из рас­плавов алюминия путем добавления бора. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможном протекании химических реакций очистки первич­ного алюминия от примесей ванадия за счет добавок бора.

Ключевые слова: алюминий, ванадий, термодинамическое моделирование, флюс, борная кислота, рафинирование

Филатов А.А.

Потенциостатический электролиз фторидных расплавов с добавками оксида циркония

DOI: 10.31857/S0235010624050081

В настоящее время существенно возрастает спрос на сплавы и материалы на основе циркония, в связи с их высокой термической и коррозионной стой­костью в сочетании с механической прочностью. Существующие технологии получения циркония и его сплавов осложнены высокой температурой про­цесса, либо трудоемкостью и многостадийностью, что существенно повышает себестоимость целевого материала вплоть до потери рентабельности процесса. Более рентабельным представляется электрохимический синтез циркония и его сплавов в расплавах на основе фторидов, с использованием оксидов циркония в качестве основного металлсодержащего расходного компонента. В данной работе была проведена серия электролизных испытаний с целью осаждения сплава A1-Zr при потенциале 1.6 В, на графитовом и молибденовых катодах. Согласно ранее полученным результатам, при наличии ZrO₂ в рас­плаве KF-A1F₃-A1₂O₃ на катодной ветви вольтамперограмм появляются пло­щадка и пик разряда электроактивных ионов при потенциалах —1.4 и —1.7 В, ZrI и ZrII, соответственно. Аналогичные отклики проявляются на вольфраме при потенциалах —1.3 и —1.6 В, соответственно, а в области потенциалов —1.9 В имеется четкий пик (A1) электровосстановления ионов алюминия. В резуль­тате потенциостатического электролиза было установлено, что графитовый анод расходовался, а на катоде сформировался достаточно хорошо сцеплен­ный осадок. Часть катодного осадка была механически отделена от катода для анализа его химического и фазового состава. На основании результатов рентгенофазового анализа было установлено, что катодный осадок, состоит преимущественно из соединений A1₃Zr и алюминия с примесями молибдена, состава A1₁₂Mo, что согласуется с известными представлениями об образова­нии интерметаллидных соединений при взаимодействии алюминия с други­ми металлами. В аналогичных условиях был проведен электролиз расплава на графитовом катоде. На основании микрофотографии поперечного среза катода, было установлено, что в процессе электролиза на границе раздела фаз электрод-электролит, сформировался слой осадка, содержащего одновременно цирконий и алюминий.

Ключевые слова: цирконий, оксид, расплав, фториды, KF—A1F₃, электролиз, электрохимия

Леонова А.М., Леонова Н.М., Минченко Л.М., Суздальцев А.В. 

Электроосаждение волокон кремния из расплава KI—KF—KCl—K₂SiF₆ для литий-ионных источников тока

DOI: 10.31857/S0235010624050098

Возможность использования анодов на основе кремния в литий-ионных источ­никах тока активно исследуется благодаря повышенной емкости кремния по литию. В работе сообщается о получении субмикронных волокон кремния на стеклоуглероде в расплаве KI-KF-KCl-K₂SiF₆ при температуре 720°С. Для этого методом циклической вольтамперометрии определены параметры электроосаждения кремния в виде волокон, в условиях гальваностатического электролиза получены экспериментальные партии упорядоченных волокон кремния средним диаметром от 0.1 до 0.3 мкм и с использованием полученных волокон кремния изготовлены анодные полуэлементы литий-ионных источни­ков тока и изучено их электрохимическое поведение при многократном литиро- вании и делитировании. При помощи вольтамперных исследований отмечено, что заряд и разряд анода на основе полученных волокон кремния происходит при потенциалах от 0.2 до 0.05 В и от 0.2 до 0.5 В, соответственно. Выполнено цикли­рование электроосажденных волокон кремния в составе анодных полуэлементов литий-ионных источников тока. В зависимости от тока заряда разрядная емкость составила от 200 до 500 мАч/г при Кулоновской эффективности 98-100%. Также выполнено многократное циклирование образца литий-ионного источника тока с литиевым противоэлектродом. В ходе 800 циклирований током 0.5С разрядная емкость образца снизилась с 165 до 65 мАч/г. При помощи сканирующей элек­тронной микроскопии показано объемное расширение волокон кремния в ходе многократного циклирования.

Ключевые слова: кремний, расплавленные соли, электроосаждение, волокна, литирование, литий-ионный источник тока

Быков А.С., Олейник К.И.

Оценка энтальпии смешения расплавов системы Sn-Ag-Cu при 1423 К по данным о свойствах бинарных подсистем с использованием геометрических моделей растворов

DOI: 10.31857/S0235010624050101

В статье рассматривается оценка энтальпии смешения Д//_||||Х расплавов тройной системы Sn-Ag-Cu при температуре 1423 К по полученным нами ранее кало­риметрическим данным о тепловых эффектах смешения бинарных подсистем Ag-Cu, Ag-Sn и Cu-Sn. Для выполнения оценки ДН^ были привлечены геоме­трические модели Тоор’а, Kohler^ и Muggianu, в каждой из которых бинарные данные совместно обрабатываются по определенной математической процедуре. Результаты расчетов по указанным моделям представлены концентрационными зависимостями Д//_||||Х тройной системы в форме 3D поверхностей, проекций этих поверхностей на плоскость концентрационного треугольника, а также изотерм, построенных для отдельных квазибинарных сечений. Обнаружено, что модели­рование по Kohler’y и Muggianu дает незначительно различающиеся результаты, тогда как в модели Toop’n величины теплоты смешения тройных составов заметно сдвинуты в отрицательную (экзотермическую) область. Из научной литературы известно, что правильный выбор геометрической модели зависит от принадлеж­ности изучаемой тройной системы к «симметричному» или «асимметричному» типу. Форма имеющихся изотерм ДН_тХ бинарных подсистем указывает на то, что система Sn-Ag-Cu является «асимметричной». Результаты, полученные с помо­щью модели Toop’n, признаны наиболее корректными, как как именно эта модель рекомендуется в литературе для описания «асимметричных» систем. Отмечены общая ограниченность всех геометрических моделей, учитывающих только двой­ные межчастичные взаимодействия, и целесообразность дополнительных экс­периментальных исследований образования трехкомпонентных расплавов для выявления возможного вклада тройных взаимодействий в энтальпию смешения.

Ключевые слова: термодинамические свойства, энтальпия смешения, распла­вы Ag-Cu-Sn, субрегулярный раствор, модель Toop’n, модель Kohler, модель Muggianu

Зайкову Юрию Павловичу — 75 лет

Смоленскому Валерию Владимировичу — 75 лет