Управление структурой и свойствами литых заготовок из интерметаллидных сплавов на основе алюминидов железа

1.

Худякова Вилена Александровна
УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЛИТЫХ
ЗАГОТОВОК ИЗ ИНТЕРМЕТАЛЛИДНЫХ СПЛАВОВ НА
ОСНОВЕ АЛЮМИНИДОВ ЖЕЛЕЗА, ФОРМИРУЕМЫХ
АЛЮМОТЕРМИЕЙ
01.06.01 Математика и механика
01.02.04 Механика деформируемого твердого тела
Комсомольск-на-Амуре 2025

2.

Цель и задачи
Целью диссертационной работы является определение комплексного влияния химического состава термитных шихт и
температурных условий проведения их экзотермического переплава на реализацию возможности управления структурой и свойствами
литых заготовок из интерметаллидных сплавов на основе алюминидов железа, формируемых алюмотермией.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- провести анализ существующих перспективных и новых методов получения и практического применения железоалюминиевых
сплавов в промышленности, их преимущества и недостатки;
- анализ структур и механических и эксплуатационных свойств, характерных для наиболее востребованных и распространенных
железоалюминиевых интерметаллидных сплавов;
- определение диапазона содержания компонентов в термитных шихтах, при которых реализуется возможность формирования слитков
железоалюминиевых интерметаллидных сплавов, получаемых экзотермическим переплавом термитных шихт;
- установление влияния содержания компонентов в термитных шихтах на физические параметры экзотермического переплавного
процесса, протекающего при нормальных температурных условиях: время горения термитных шихт, температуру струи расплава, массовый
выход продуктов реакции;
- установление зависимости влияния содержания активного алюминия в термитных шихтах на свойства экспериментальных
железоалюминиевых сплавов (химический состав, структуру, значения микротвердости, прочность на сжатие, характер разрушения),
полученных в результате экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях;
- определение зависимости влияния предварительного нагрева термитных шихт и содержания в них активного алюминия на физические
параметры экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях: время горения термитных
шихт, температуру струи расплава, массовый выход продуктов реакции;
- определение зависимости влияния предварительного нагрева термитных шихт и содержания в них активного алюминия на свойства
экспериментальных железоалюминиевых сплавов (химический состав, структуру, значения микротвердости, прочность на сжатие, характер
разрушения), полученных в результате экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях;
- определение зависимости совместного влияния соотношения компонентов в термитных шихтах, предварительного нагрева термитных
шихт и огнеупорной формы на свойства экспериментальных железоалюминиевых сплавов (химический состав, структуру, значения
микротвердости, прочность на сжатие, характер разрушения), полученных в результате экзотермического переплавного процесса,
протекающего при нормальных температурных условиях.
2

3.

Основные положения
На защиту выносятся основные положения, отражающие результаты натурных испытаний,
теоретические и экспериментальные результаты, позволяющие предложить технологию формирования
литых металлоизделий из железоалюминиевых интерметаллидных сплавов, получаемых путем
экзотермического переплава термитных шихт:
- анализ структур, механических и эксплуатационных свойств, характерных для наиболее востребованных и
распространенных железоалюминиевых интерметаллидных сплавов, преимущества и недостатки современных
методов их промышленного получения и практического применения
- закономерности влияния соотношения основных компонентов в исходных термитных шихтах на физические
параметры протекания процессов их экзотермического переплава, химический состав, структуру
экспериментальных железоалюминиевых интерметаллидных сплавов, формируемых в результате такого
переплава;
- связь начальных температур термитных шихт и соотношения компонентов в них с особенностями картины
напряженно-деформированного состояния образцов экспериментальных железоалюминиевых сплавов,
сопровождающей процессы одноосного сжимающего нагружения;
- результаты экспериментального определения комплексного влияния соотношения компонентов в исходных
термитных шихтах и условий формирования образцов экспериментальных железоалюминиевых сплавов на
соотношение значений микротвердости с пределом прочности на сжатие.
3

4.

Научная новизна работы
Научная новизна работы:
- установлена зависимость влияния содержания активного алюминия в термитных шихтах в диапазоне
значений 25-65 % по массе на физические параметры экзотермического переплавного процесса, протекающего
при нормальных температурных условиях: время горения термитных шихт, температуру струи расплава, массовый
выход продуктов реакции;
- установлена зависимость влияния содержания активного алюминия в термитных шихтах в диапазоне
значений 25-65 % по массе на свойства экспериментальных железоалюминиевых сплавов (химический состав,
структуру, значения микротвердости, прочность на сжатие, характер разрушения), полученных в результате
экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях;
- установлена зависимость влияния предварительного нагрева термитных шихт до 400 0С и содержания в них
активного алюминия, принадлежащего диапазону значений 25-65 % по массе, на физические параметры
экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях: время
горения термитных шихт, температуру струи расплава, массовый выход продуктов реакции;
- установлена зависимость влияния предварительного нагрева термитных шихт до 400 0С и содержания в них
активного алюминия, принадлежащего диапазону значений 25-65 % по массе на свойства экспериментальных
железоалюминиевых сплавов (химический состав, структуру, значения микротвердости, прочность на сжатие,
характер разрушения), полученных в результате экзотермического переплавного процесса, протекающего при
нормальных температурных условиях;
- установлена зависимость совместного влияния предварительного нагрева до 400 0С термитных шихт,
содержащих активный алюминий в диапазоне значений 25-65 % по массе и выпуска расплава в огнеупорную
форму, нагреваемую до 630 0С на свойства экспериментальных железоалюминиевых сплавов (химический состав,
структуру, значения микротвердости, прочность на сжатие, характер разрушения), полученных в результате
экзотермического переплавного процесса, протекающего при нормальных температурных условиях
4

5.

Компоненты термитной шихты – отходы машиностроения и металлургии
Рис. 1 - Сравнение территорий г. Комсомольскана-Амуре и площади шлакоотвала
Рис. 2 - Компоненты термитной шихты
Территория
шлакоотвала завода
Амурсталь
Алюминиевая стружка
Окалина
5

6.

Особенности эксплуатации реактора, предназначенного для получения алюмотермитного расплава
Рис. 1 – Алюмотермитный процесс получения
железоалюминиевого сплава в углеродном
реакторе
1 – шлак;
2 – расплав;
3 – струя металла
Рис. 2 - Реактор с измененной конструкцией
Устройство графитового тигля для
получения
железосодержащего
сплава:
1 – графитовый реактор,
2 – выпускное отверстие,
3 – графитовая втулка;
4 – разовая графитовая пробка;
5 – активатор экзотермической
реакции;
6 – изложница для слива
железосодержащего расплава;
α - угол внутренней поверхности
усеченного конуса относительно
оси его симметрии, составляющий
2-15º равный углу его внешней
поверхности относительно оси
симметрии.
6

7.

Влияние содержания алюминия в термитной шихте на технологические параметры процесса получения расплава
Для определения средней скорости реакции от начала до ее полного завершения, протекающей в объеме термитной шихты Vг.т.ш.
(г/см2 с), целесообразным представляется использование следующего выражения [27]:
М
Vг.т.ш. т.ш.
S г t г .ш.
где tг.ш - время горения термитной шихты (с), Mт.ш. – масса термитной шихты (г), Sг – площадь горения (см2).
Рис. 1. Зависимости скорости горения термитных
шихт от содержания в них активного Al.
Рис.2. Сравнение зависимостей температур струи металла,
полученного алюмотермитным переплавом термитных шихт
1-без предварительного нагрева термитной шихты, 2-с предварительным нагревом до 400 °С.
Регистрацию температуры струи расплава, образующегося в результате экзотермической реакции, осуществляли при помощи
бесконтактного инфракрасного пирометра ASP Swift 350 PL
7

8.

Влияние содержания алюминия в термитной шихте на массовый выход металлической фазы
Сравнение зависимостей влияния содержания Al в термитной шихте на массу металлической фазы
железоалюминиевого сплава, полученных при различных вариантах начальных температурных условий,
предшествующих активации экзотермической реакции:1 - без предварительного подогрева термитных
шихт; 2 - с предварительным подогревом термитных шихт до 400 °С; 3 – с предварительным подогревом
термитных шихт до 400 °С и форм до 630 °С.;
.
Метод отбора проб для определения химического состава», осуществляли при помощи
энергодисперсионного рентгеновского флуоресцентного спектрометра EDX-8000
8

9.

Влияние начальных условий алюмотермического переплавного процесса на химический состав экспериментальных сплавов
Содержание Fe, Al, Mn, Si, Cu в экспериментальных железоалюминиевых сплавах от содержания Al в
исходных термитных шихтах, полученных без предварительного подогрева термитных шихт и форм.
9

10.

Влияние начальных условий алюмотермического переплавного процесса на химический состав экспериментальных сплавов
Содержание Fe, Al, Mn, Si, Cu в экспериментальных железоалюминиевых сплавах от содержания Al в исходных
термитных шихтах, полученных c предварительным подогревом термитной шихты и углеродного реактора до 400 °С
10

11.

Влияние начальных условий алюмотермического переплавного процесса на химический состав экспериментальных сплавов
Содержание Fe, Al, Mn, Si, Cu в экспериментальных железоалюминиевых сплавах от содержания Al в исходных
термитных шихтах, полученных c предварительным подогревом термитной шихты до 400 °С и формы до 630 °С
11

12.

Влияние содержания алюминия в термитной шихте на его содержание в расплаве
Сравнение зависимостей содержания Al в экспериментальных железоалюминиевых сплавах от
содержания Al в исходных термитных шихтах, полученных при различных вариантах начальных
температурных условий, предшествующих активации экзотермической реакции:
1 – без предварительного подогрева термитных шихт и форм;
2 – предварительного подогрева термитных шихт до 400 °С;
3 - предварительного подогрева термитных шихт до 400 °С и форм до 630 °С.
12

13.

Структуры полученных железоалюминиевых сплавов
25
30
Al в шихте, %
35
40
45
1
2
3
В таблице представлено сравнение структур железоалюминиевых сплавов, полученных в температурных условиях,
соответствующих вариантам 1–3: 1 – без предварительного подогрева термитных шихт и форм; 2 – с предварительным
подогревом термитных шихт до 400 ºС; 3 – с предварительным подогревом термитных шихт до 400 ºС и форм до 630 ºС.
13

14.

Структуры полученных железоалюминиевых сплавов
Al в шихте, %
50
55
56
57
58
59
60
1
2
3
В таблице представлено сравнение структур железоалюминиевых сплавов, полученных в температурных условиях,
соответствующих вариантам 1–3: 1 – без предварительного подогрева термитных шихт и форм; 2 – с предварительным
подогревом термитных шихт до 400 ºС; 3 – с предварительным подогревом термитных шихт до 400 ºС и форм до 630 ºС.
14

15.

Влияния содержания Al на плотность и диапазон значений микротвердости итоговых железоалюминиевых
сплавов
Рис. 1 - Сравнение зависимостей влияния содержания Al на
диапазон значений плотности итоговых железоалюминиевых
сплавов, полученных из термитных шихт
Рис. 2 - Сравнение зависимостей влияния содержания Al на
диапазон значений микротвердости HV итоговых
железоалюминиевых сплавов, полученных из термитных шихт.
1 – без предварительного подогрева термитных шихт и форм; 2 – с предварительным подогревом термитных шихт до 400ºС;
3 – с предварительным подогревом термитных шихт до 400 ºС и форм до 630 ºС; 4-расчетная зависимость.
Микротвердость образцов определяли согласно ГОСТ 9450-76 «Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников»
при помощи цифрового стационарного микротвердомера HVS-1000.
15

16.

Особенности деформирования итоговых железоалюминиевых сплавов при сжатии
25% Al
30% Al
35% Al
40% Al
45% Al
Экспериментальные зависимости напряжений (МПа) от деформаций (%) при вертикальном одноосном сжатии образцов из сплавов,
полученных в результате экзотермического переплава термитных шихт с различным содержанием активного алюминия по массе.
1 – без предварительного подогрева термитных шихт и форм; 2 – с предварительным подогревом термитных шихт до 400ºС; 3 – с
предварительным подогревом термитных шихт до 400 ºС и форм до 630 ºС;
Испытательный пресс ИП-2500 М-авто
16

17.

Выводы
1. В результате анализа существующих перспективных и новых методов получения и практического применения железоалюминиевых сплавов в
промышленности установлена целесообразность одностадийных вариантов формирования интерметаллических соединений Fe-Al основанная на
реализации механизмов, позволяющих сократить время пребывания Al (как легкоплавкого компонента формирующегося сплава) в жидком состоянии.
2. Анализ структур, механических и эксплуатационных свойств, характерных для наиболее востребованных и распространенных железоалюминиевых
интерметаллидных сплавов установлено негативное влияние низкой пластичности и высокой хрупкости при эксплуатации в условиях нормальных
температур, сужающая область применения Fe-Al сплавов до функциональных поверхностей. Определен недостаток сведений о практиках формирования из
железоалюминиевых сплавах цельнолитых металлоизделий.
3. Экспериментально установлено целесообразное содержание активного алюминия в термитных шихтах, принадлежащее диапазону значений 25-65
% по массе. Определено, что при меньших значения Al в термитных шихтах в результате их экзотермического переплава формируются железоуглеродистые
сплавы, а превышение содержания Al в термитных шихтах не позволяет получить гарантированное разделение металлической и шлаковой фаз продуктов
реакции.
4. В результате серии экспериментов определено, что с увеличением содержания активного алюминия в термитных шихтах с 25 до 60 % по массе
снижается скорость протекания экзотермического переплавного процесса с 1,5 до 0,2 г/(см2·с) и температура струи расплава с 1476°С до 775°С. Определена
целесообразность нагрева термитных шихт до 400°С перед активацией в них экзотермической реакции, позволяющая увеличить скорость горения таких
термитных шихт до диапазона значений 1,65 до 0,4 г/(см2·с), а температуру струи расплава до диапазона значений 1550-850°С и обеспечить
гарантированное разделение металлической и шлаковой фаз.
5. Установлено совокупное влияние роста содержания активного алюминия в термитных шихтах с 25 до 60 % по массе и 3-ъ температурных режимов
на снижение значений плотности металлической фазы с 7400 до 2600 кг/м3, что позволяет установить наличие пор в структурах экспериментальных
сплавов.
6. Получены зависимости совместного влияния роста содержания активного алюминия в термитных шихтах и температурных режимов
экзотермического получения железоалюминиевых интерметаллидных сплавов на химический состав, структуру, определяющие нисходящий характер
присутствия Fe, Mn, Si. Cu в итоговых сплавах и увеличение присутствия Al, характерные для всех 3-х температурных режимов.
7. Определено влияние роста содержания активного алюминия в термитных шихтах в диапазоне значений 25-60 % по массе и температурных режимов
на рост значений микротвердости HV (для режима 1 диапазон значений микротвердости 221-852HV; для режима 2 диапазон значений микротвердости 210911HV; для режима 3 диапазон значений микротвердости 204 - 895HV).
8. В ходе определения прочности на сжатие установлено, что образцы, полученные из термитных шихт с содержанием Аl 25-35% не разрушаются,
необратимая деформация в диапазоне напряжения 450-1700 МПа может превышать 30%. Образцы, полученные из термитных шихт содержащих 40-55% Al
разрушаются в диапазоне напряжений 73-81 МПа.
17

18.

Основные публикации по теме диссертации
Публикации в изданиях, индексируемых в базах данных:
1.
Худякова В.А. Структура и свойства слитка интерметаллидного сплава си-стемы Fe-Al, получаемого экзотермическим переплавом термитной шихты / В.А.
Худякова, С.Г. Жилин, В.В. Предеин // Металлург. – 2024. –№ 10. – C. 70-76. (WoS, Scopus, РИНЦ)
2.
Худякова В.А. Влияние нагрева термитной шихты на структуру и свойства слитка интерметаллидного сплава на основе Fe-Al, получаемого экзотер-мическим
переплавом / С.Г. Жилин, В.В. Предеин, В.А. Худякова, Н.А. Богданова // Металлург. – 2024. –№ 11. – C. 94-101. (WoS, Scopus, РИНЦ)
3.
Худякова В.А. Практические аспекты промышленного использования вы-сокопрочных интерметаллидных соединений на основе алюминидов желе-заи
перспективные направления их получения / С.Г. Жилин, В.В. Предеин, В.А. Худякова, Н.А. Богданова // Металлург. – 2024. –№ 12. – C. 99-106. (WoS, Scopus, РИНЦ)
4.
Худякова В.А. Повышение износостойкости графитового реактора, пред-назначенного для расплавления термитной шихты/ В.А. Худякова, С.Г. Жилин, В.В.
Предеин, О.Н. Комаров // Металлург. – 2024. –№ 9. – C. 70-77. (WoS, Scopus, РИНЦ)
Публикации в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК:
5.
Худякова В. А. Экспериментальное определение зависимости микротвер-дости железоалюминиевых сплавов от предварительного нагрева исход-ных шихтовых
материалов, предназначенных для алюмотермитного пере-плава / В.А. Худякова, С.Г. Жилин, В.В. Предеин, Н.А. Богданова // Вест-ник Чувашского государственного
педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. – 2024. – С. 18-31. (ВАК, РИНЦ)
Материалы конференций:
6.
Худякова В.А. Влияние предварительного нагрева термитной шихты и ре-актора на свойства получаемого железоалюминиевого сплава методом алюмотермии /
В.А. Худякова, С.Г. Жилин, В.В. Предеин, Н.А. Богданова // Вычислительные технологии и прикладная математика. Материалы III научной конференции с международным
участием. Комсомольск-на-Амуре. – 2024. – С. 364-366.
7.
Худякова В.А. Влияние факторов теплофизического воздействия алюмо-термитного процесса и конструкции реактора на его эксплуатационные параметры / В.А.
Худякова, С.Г. Жилин, В.В. Предеин, Н.А. Богданова // Химия. Экология. Урбанистика. – 2024. – С. 196-199.
8.
Худякова В.А. Получение интерметаллидных сплавов группые Fe-Al и особенности формирования их свойств / В.А. Худякова, С.Г. Жилин // Химия. Экология.
Урбанистика – 2023. – С. 101-105.
9.
Худякова В.А. Вопросы улучшения характеристик интерметаллидных сплавов типа Fe-Al / В.А. Худякова, С.Г. Жилин, О.Н. Комаров // Фунда-ментальные и
прикладные задачи механики деформируемого твердого те-ла и прогрессивные технологии в металлургии и машинострое-нии. материалы VI Дальневосточной конференции с
международным уча-стием. Комсомольск-на-Амуре, – 2022. – С. 54-60.
10.
Khudyakova V.A. Influence of technological factors on the formation of proper-ties of intermetallide Fe-Al alloys produced by alumothermal remelting of thermite barch /
V.A. Khudyakova, S.G. Zhilin, V.V. Predein, N.A. Bogdanova // International Symposium Materials and Technologies. Materials of the Inter-national Russian-Chinese Symposium.
Khabarovsk – 2024. – С. 4-6.
11.
Худякова В.А. Влияние химического состава шихтовых материалов на фи-зико-механические свойства интерметаллидных железоалюминиевых сплавов,
получаемых алюмотермией / В.А. Худякова, В.В. Предеин, С.Г. Жилин, Н.А. Богданова // XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь. – 2025. – С. 339.
12.
Худякова В.А. Влияние процесса экзотермического переплава термитных шихт на формирование структур и микротвердости бинарных железоалю-миниевых
сплавов / В.А. Худякова, С.Г. Жилин // Химия. Экология. Ур-банистика – 2025.
Патенты РФ:
13.
Пат. № 223237 РФ, Графитовый тигель для получения железосодержаще-го сплава / Жилин С.Г., Комаров О.Н., Предеин В.В., Богданова Н.А., Ху-дякова В.А.;
опубл. 08.02.2024, Бюл. 4.
14.
Пат. № 2803881 РФ, Способ получения железоалюминиевого сплава / Ко-маров О.Н., Предеин В.В., Жилин С.Г., Худякова В.А., Барсукова Н.В.,; опубл
21.09.2023, Бюл. 27.
18