ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Обрабатывающие производственные процессы в той или иной степени связаны с получением отходов металлообработки в виде металлической стружки. Развитие технологий утилизации и переработки отходов машиностроительного производства является востребованным решением как в целях ресурсосбережения, так и с экологической точки зрения. Среди множества традиционных подходов к проблеме вторичного использования металлической стружки наиболее интересным может быть способ использования стружки как одного из компонентов в порошковом материале. Целью работы является анализ возможности использования отходов металлообработки стальных заготовок из стали 45 (металлическая стружка) в порошковых композициях на основе титана и алюминия не только как источник железа, но и как возможный источник оксида Fe₂O₃. Внимание к оксиду было уделено с точки зрения инициирования в порошковой смеси на основе титана и алюминия реакций восстановления с образованием оксидной фазы Al₂O₃ для получения металломатричного композита. Методы исследования: для использования в порошковых композициях с титановым и алюминиевым порошками стальная стружка от обработки заготовок из стали 45 была дополнительно окислена в воде и измельчена в вибромельнице до средних размеров частиц 300 мкм. Измельченную и окисленную стружку смешивали с порошками титана и алюминия в различных пропорциях, чтобы изучить ее взаимодействие с этими порошковыми компонентами. Полученные смеси прессовали в виде цилиндрических образцов и спекали в вакуумной печи при температуре 1000 °С. Фазовый состав и микроструктуру исследовали с помощью рентгеновского дифрактометра XRD-6000 с CuK_α-излучением и оптического микроскопа AXIOVERT-200MAT. Результаты и обсуждения. Показано, что после фрезерной обработки без использования СОЖ стружка из стали 45 не аккумулировала заметный объем оксидов железа, что потребовало дополнительных окислительных процедур. Рассмотрено взаимодействие измельченной окисленной стружки с компонентами порошковых смесей, показано ее влияние на объемные изменения прессовок и структурообразование металломатричных композитов. Результаты оптической металлографии и рентгеноструктурного анализа (РСА) спеченных порошковых композиций с использованием окисленной измельченной стружки стали 45 позволили дать оценку протекающим процессам структурообразования в зависимости от сочетания взаимодействующих компонентов, их взаимному влиянию и перспективам получения композитов с дисперсной оксидной фазой.

1. Дьяконов О.М. Комплексная переработка стружки и металлосодержащих шламов. – Минск: Технология, 2012. – 262 с.

2. Дьяконов О.М. Исследование физико-химических и механических свойств стальной и чугунной стружки // Литье и металлургия. – 2009. – № 4 (53). – С. 161–173.

3. Дьяконов О.М. Получение металлургических брикетов на основе стружко-порошковых композиций горячим прессованием // Литье и металлургия. – 2011. – № 4 (63). – С. 129–137.

4. Переработка стружки черных металлов / С.Л. Ровин, Л.Е. Ровин, Т.М. Заяц, О.М. Валицкая // Литье и металлургия. – 2017. – № 4 (89). – С. 94–101.

5. Ровин С.Л., Калиниченко А.С., Ровин Л.Е. Возвращение дисперсных металлоотходов в производство // Литье и металлургия. – 2019. – № 1. – С. 45–48.

6. Ровин С.Л., Валицкая О.М. Тепловая обработка чугунной стружки // Литье и металлургия. – 2007. – № 3. – С. 86–89.

7. Логинов Ю.Н., Загиров Н.Н., Иванов Е.В. Оценка уровня упрочнения стружки из алюминиевого сплава, предназначенной для последующей обработки давлением // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 1. – С. 45–55. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.1-45-55.

8. Опыт утилизации металлической стружки / Д.М. Кукуй, И.В. Емельянович, В.П. Петровский, Л.Е. Ровин, С.Л. Ровин // Литье и металлургия. – 2009. – № 1. – С. 47–50.

9. Яценко И.В., Самборук А.Р., Кузнец Е.А. Получение композита TiC+Al₂O₃+ AlFe из гранулированной шихты методом СВС // Современные материалы, техника и технологии. – 2016. – № 3 (6). – С. 149–153.

10. Energy efficiency during conventional and novel sintering processes: the case of Ti–Al₂O₃–TiC composites / C. Musa, R. Licheri, A.M. Locci, R. Orru, G. Cao, M.A. Rodriguez, L. Jaworska // Journal of Cleaner Production. – 2009. – Vol. 17. – P. 877–882.

11. Технология получения композиционного материала на основе многофункциональной оксидной керамики / В.А. Оковитый, Ф.И. Пантелеенко, Т.Л. Талако, А.Ф. Пантелеенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2 (67). – С. 39–45. – DOI: 10.17212/1994-6309-2015-2-39-45.

12. Dispersion characteristics, microstructural evolution and sintering behaviour of Al₂O₃-Ti6Al4V composites fabricated by spark plasma sintering / O.A. Moses, C.T. Edmond, T.T. Precious, L.S. Sipho, O.S. Ranti, O.P. Apata // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18, pt. 7. – P. 3791–3797. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.317.

13. Spark plasma sintering of Al-Ti-Al₂O₃ composite / S.R. Oke, O.E. Falodun, B.G. Motsa, O.O. Ige, P.A. Olubambi // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18, pt. 7. – P. 3946–3951. – DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.335.

14. Temperature distribution at steady state under constant current discharge in spark sintering process of Ti and Al₂O₃ powders / K. Matsugi, H. Kuramoto, T. Hatayama, O. Yanagisawa // Journal of Materials Processing Technology. – 2004. – Vol. 146. – P. 274–281. – DOI: 10.1016/S0924-0136(02)01039-7.

15. Влияние химического состава матрицы на структуру и свойства монолитных СВС-композитов / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Т.М. Быкова, Е.И. Сенаева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 124–138. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-124-138.

16. Sharifitabar M., Khaki J.V., Sabzevar M.H. Fabrication of Fe–TiC–Al₂O₃ composites on the surface of steel using a TiO₂–Al–C–Fe combustion reaction induced by gas tungsten arc cladding // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2016. – Vol. 23, N 2. – P. 193–204.

17. Bayraktar E., Katundi D. Development of a new aluminium matrix composite reinforced with iron oxide (Fe₃O₄) // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. – 2010. – Vol. 38, N 1. – P. 7–14.

18. Dadbakhsh S., Hao L. In situ formation of particle reinforced Al matrix composite by selective laser melting of Al/Fe₂O₃ powder mixture // Advanced Engineering Materials. – 2012. – Vol. 14, N 1–2. – P. 45–48. – DOI: 10.1002/adem.201100151.

19. Поверхностное легирование титана алюминием с использованием метода вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей / И.А. Батаев, Д.В. Лазуренко, М.Г. Голковский, И.С. Лаптев, И.K. Чакин, И.С. Иванчик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 1 (74). – С. 51–60.

20. Formation of phases in reactively sintered TiAl₃ alloy / A. Skolaková, P. Salvetr, J. Leitner, T. Lovasi, P. Novak // Molecules. – 2020. – Vol. 25. – P. 1912. – DOI: 10.3390/molecules25081912.

21. Филимонов В.Ю., Логинова М.В. Формирование фазового состава в системе Ti-3Al на этапе вторичного структурообразования при синтезе в режиме теплового взрыва // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 311, № 2. – C. 116–119.

22. Kinetic and thermodynamic description of intermediary phases formation in Ti-Al system during reactive sintering / A. Skolakova, J. Leitner, P. Salvetr, P. Novak, D. Deduytsche, J. Kopecek, C. Detavernier, D. Vojtech // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 230. – P. 122–130. – DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.03.062.

23. Дудина Д.В. Электроискровое спекание смесей металлических порошков и композитов c металлическими матрицами: особенности формирования структуры и свойства спеченных материалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 2 (75). – С. 45–54. – DOI: 10.17212/1994-6309-2017-2-45-54.

24. Kostov A., Friedrich B., Zivkovic D. Thermodynamic calculations in alloys Ti-Al, Ti-Fe, Al-Fe and Ti-Al-Fe // Journal of Mining and Metallurgy. – 2008. – Vol. 44 B. – P. 49–61. – DOI: 10.2298/jmmb0801049k.

25. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. Т. 1: справочник / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.