ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. При металлургическом производстве кремния образуются отходы, которые скапливаются в отвалах, нанося вред окружающей среде. Утилизация и переработка твердых отходов кремниевого производства особенно важны, так как они содержат особые химические соединения (диоксид кремния, карбид кремния, углеродные нанотрубки), которые возможно использовать в других отраслях промышленности, что принесет большую экономическую ценность. Учитывая возможности по извлечению этих полезных компонентов из отходов кремниевого производства, необходимо довести технологии их переработки до стадии широкого практического применения. Поэтому разработка специальной технологии переработки отходов с получением полезного продукта в виде композиции диоксида и карбида кремния остается актуальной проблемой. Цель работы: исследование формирования морфологической формы графита при введении наномодификаторов из отходов кремниевого производства. В работе исследованы образцы серого чугуна после модифицирования комбинированным модификатором, полученным из отходов кремниевого производства. Методами исследования являются механические испытания на статистическое растяжение, анализ химического состава и металлографические исследования. Результаты и обсуждение. Выявлено повышение механических свойств серого чугуна на 30–50 % после модифицирования комбинированным модификатором по сравнению с образцами-свидетелями. Морфология графита – важный параметр, влияющий на свойства чугуна. Установлено, что в процессе модифицирования изменяется морфология графита с пластинчатой на вермикулярную. Образцы серого чугуна с вермикулярной формой графита имеют высокие значения прочности по сравнению с образцами из серого чугуна с пластинчатой формой графита. Представленные результаты подтверждают перспективность развиваемого подхода, направленного на получение новых классов модификаторов и изделий из серого чугуна с высоким комплексом механических свойств.

1. Evaluation of the effect of modifier composition with nanostructured additives on grey cast iron properties / V.V. Kondrat’ev, A.E. Balanovskii, N.A. Ivanov, V.A. Ershov, M.V. Kornyakov // Metallurgist. – 2014. – Vol. 58. – P. 377–387. – DOI: 10.1007/s11015-014-9919-x.

2. Исследования и разработка рецептуры наномодифицированного чугуна для ниппелей анодов алюминиевых электролизеров / В.В. Кондратьев, А.О. Мехнин, Н.А. Иванов, Ю.В. Богданов, В.А. Ершов // Металлург. – 2012. – № 1. – С. 69–71.

3. Новые технологические решения по переработке отходов кремниевого и алюминиевого производств / В.В. Кондратьев, Н.В. Немчинова, Н.А. Иванов, В.А. Ершов, И.А. Сысоев // Металлург. – 2013. – № 5. – С. 92–95.

4. Евсеев Н.В., Тютрин А.А., Пастухов М.П. Гранулирование пылевых отходов кремниевого производства для возврата в технологический процесс // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2019. – Т. 23, № 4. – С. 805–815. – DOI: 10.21285/1814-3520-2019-4-805-815.

5. Бабков В.В., Габитов А.И., Сахибгареев P.P. Аморфный микрокремнезем в процессах структурообразования и упрочнения цементного камня // Башкирский химический журнал. – 2007. – Т. 17, № 3. – С. 206–210.

6. AlTawaiha H., Alhomaidat F., Eljufout T. A review of the effect of nano-silica on the mechanical and durability properties of cementitious composites // Infrastructures. – 2023. – Vol. 8 (9). – P. 132. – DOI: 10.3390/infrastructures8090132.

7. Карлина А.И. Технология переработки пыли газоочистки призводства кремния в модифицирующие нанодобавки для чугунов: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.07 / Карлина Антонина Игоревна; Институт металлургии УрО РАН. – Екатеринбург, 2019. – 24 с.

8. Reexamination of crystal growth theory of graphite in iron-carbon alloys / D.M. Stefanescu, G. Alonso, P. Larrañaga, E. De la Fuente, R. Suarez // Acta Materialia. – 2017. – Vol. 139. – P. 109–121. – DOI: 10.1016/j.actamat.2017.08.004.

9. Three-stage model for nucleation of graphite in grey cast iron / I. Riposan, M. Chisamera, S. Stan, C. Hartung, D. White // Materials Science and Technology. – 2010. – Vol. 26 (12). – P. 1439–1447. – DOI: 10.1179/026708309X12495548508626.

10. Stefan E., Riposan I., Chisamera M. Application of thermal analysis in solidification pattern control of La-inoculated grey cast irons // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. – 2019. – Vol. 138. – P. 2491–2503. – DOI: 10.1007/s10973-019-08714-7.

11. Effects of inoculation on structure characteristics of high silicon ductile cast irons in thin wall castings / I. Riposan, E. Stefan, S. Stan, N.R. Pana, M. Chisamera // Metals. – 2020. – Vol. 10 (8). – P. 1091. – DOI: 10.3390/met10081091.

12. Riposan I., Skaland T. Modification and inoculation of cast iron // Cast Iron Science and Technology. – ASM International, 2017. – P. 160–176. – (ASM Handbook; vol. 1A). – DOI: 10.31399/asm.hb.v01a.a0006315.

13. Graphite compactness degree and nodularity of high-Si ductile iron produced via permanent mold versus sand mold casting / D.-E. Anca, I. Stan, I. Riposan, S. Stan // Materials. – 2022. – Vol. 15. – P. 2712. – DOI: 10.3390/ma15082712.

14. Sommerfeld A., Tonn B. Theory of graphite nucleation in lamellar graphite cast iron // International Journal of Metalcasting. – 2009. – Vol. 3. – P. 39–47. – DOI: 10.1007/BF03355457.

15. Double D.D., Hellawell A. The nucleation and growth of graphite–the modification of cast iron // Acta Metallurgica et Materialia. – 1995. – Vol. 43 (6). – P. 2435–2442. – DOI: 10.1016/0956-7151(94)00416-1.

16. Growth of large-area graphene films from metal–carbon melts / S. Amini, J. Garay, G. Liu, A.A. Balandin, R. Abbaschian // Journal of Applied Physics. – 2010. – Vol. 108 (9). – P. 094321. – DOI: 10.1063/1.3498815.

17. Growth of graphene and graphite nanocrystals from a molten phase / S. Amini, H. Kalaantari, J. Garay, A.A. Balandin, R. Abbaschian // Journal of Materials Science. – 2011. – Vol. 46 (19). – P. 6255–6263. – DOI: 10.1007/s10853-011-5432-9.

18. On the crystallization of graphite from liquid Iron-carbon-silicon melts / D.M. Stefanescu, G. Alonso, P. Larrañaga, E. De la Fuente, R. Suárez // Acta Materialia. – 2016. – Vol. 107. – P. 102–126. – DOI: 10.1016/j.actamat.2016.01.047.

19. Formation of complex nuclei in graphite nodules of cast iron / J. Qing, S. Lekakh, M. Xu, D. Field // Carbon. – 2021. – Vol. 171. – P. 276–288. – DOI: 10.1016/j.carbon.2020.08.022.

20. Theuwissen K., Lacaze J., Laffont L. Structure of graphite precipitates in cast iron // Carbon. – 2016. – Vol. 96. – P. 1120–1128. – DOI: 10.1016/j.carbon.2015.10.066.

21. Amini S., Abbaschian R. Nucleation and growth kinetics of graphene layers from a molten phase // Carbon. – 2013. – Vol. 51. – P. 110–123. – DOI: 10.1016/j.carbon.2012.08.019.

22. ASTM A247-67(1998)e1. Standard test method for evaluating the microstructure of graphite in iron castings. – West Conshohocken, PA: ASTM International, 1967.

23. DIN EN ISO 945-1–2019. Микроструктура литейного чугуна. Ч. 1. Классификация графита с применением визуального анализа. – 40 c.

24. ГОСТ 3443–87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры: взамен ГОСТ 3443–77: введ. 01.07.88: переизд. февр. 2003 г. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 42 с.

25. ISO 16112:2006. Compacted (vermicular) graphite cast irons – Classifications. – Switzerland: International Organization for Standardization, 2006. – 23 p.

26. König M. Literature review of microstructure formation in compacted graphite iron // International Journal of Cast Metals Research. – 2010. – Vol. 23 (3). – P. 185–192. – DOI: 10.1179/136404609X12535244328378.

27. König M., Wessén M. Influence of alloying elements on microstructure and mechanical properties of CGI // International Journal of Cast Metals Research. – 2010. – Vol. 23 (2). – P. 97–110. – DOI: 10.1179/136404609X12505973098972.

28. Stefanescu D.M., Alonso G., Suarez R. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 221. – DOI: 10.3390/met10020221.

29. Lacaze J., Castro-Roman M.J. Comment on Stefanescu, D.M.; Alonso, G.; Suarez, R. Recent developments in understanding nucleation and crystallization of spheroidal graphite in iron-carbon-silicon alloys. Metals 2020, 10, 221 // Metals. – 2020. – Vol. 10 (4). – P. 471. – DOI: 10.3390/met10040471.

30. Damage mechanism and fatigue strength prediction of compacted graphite iron with different microstructures / Y. Chen, J.C. Pang, S.X. Li, C.L. Zou, Z.F. Zhang // International Journal of Fatigue. – 2022. – Vol. 164. – P. 107126. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.107126.

31. Влияние модифицирования ультрадисперсными порошками оксидов тугоплавких металлов и криолита на структуру, механические свойства и разрушение чугуна СЧ25 / А.П. Зыкова, Д.В. Лычагин, А.В. Чумаевский, И.А. Курзина, М.Ю. Новомейский // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2014. – Vol. 57 (11). – С. 37–42. – DOI: 10.17073/0368-0797-2014-11-37-42.

32. Улучшение свойств серого чугуна кремнийдиоксид и углеродными наноструктурами / В.В. Кондратьев, Н.А. Иванов, А.Е. Балановский, Н.Н. Иванчик, А.И. Карлина // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. – 2016. – Т. 9 (5). – С. 671–685. – DOI: 10.17516/1999-494X-2016-9-5-671-685.

33. Оценка влияния состава модификатора с наноструктурными добавками на свойства серого чугуна / В.В. Кондратьев, А.Е. Балановский, Н.А. Иванов, В.А. Ершов, М.В. Корняков // Металлург. – 2014. – № 5. – С. 48–56.

34. Болдырев Д.А., Чайкин В.А., Чайкин A.B. Применение смесевых комплексных модификаторов с кальций-стронциевым карбонатом при получении отливок деталей легкового автомобиля из высокопрочного и серого чугунов // Литейщик России. – 2010. – № 1. – С. 21–26.

35. Svidró P., Diószegi A. On problems of volume change measurements in lamellar cast iron // International Journal of Cast Metals Research. – 2014. – Vol. 27 (1). – P. 26–37. – DOI: 10.1179/1743133613Y.0000000075.

36. Cao M., Baxevanakis K.P., Silberschmidt V.V. Effect of graphite morphology on the thermomechanical performance of compacted graphite iron // Metals. – 2023. – Vol. 13. – P. 473. – DOI: 10.3390/met13030473.

37. Integrated system of thermal/dimensional analysis for quality control of metallic melt and ductile iron casting solidification / S. Stan, M. Chisamera, I. Riposan, L. Neacsu, A.M. Cojocaru, I. Stan // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2018. – Vol. 27. – P. 5187–5196. – DOI: 10.1007/s11665-018-3303-0.

38. Xijun D., Peiyue Z., Qifu L. Structure and formation of vermicular graphite // MRS Online Proceedings Library. – 1984. – Vol. 34. – P. 141–150. – DOI: 10.1557/PROC-34-141.

39. Stefanescu D.M., Suarez R., Kim S.B. 90 years of thermal analysis as a control tool in the melting of cast iron // China Foundry. – 2020. – Vol. 17. – P. 69–84. – DOI: 10.1007/s41230-020-0039-x.

40. Effect of the type of inoculant on the shrinkage porosity of high-silicon SG iron / G. Alonso, D.M. Stefanescu, J. Sanchez, G. Zarrabeitia, R. Suarez // International Journal of Metalcasting. – 2022. – Vol. 16. – P. 106–118. – DOI: 10.1007/s40962-021-00605-8.

41. Влияние нанопорошков тугоплавких соединений на свойства серого чугуна / А.Н. Черепанов, В.О. Дроздов, В.К. Манолов, В.А. Полубояров // Тяжелое машиностроение. – 2012. – № 8. – С. 8–11.

42. Повышение качества чугунных отливок с помощью нанопорошков / Г.Г. Крушенко, И.С. Ямских, А.А. Бонченков, А.С. Мишин // Металлургия машиностроения. – 2002. – № 2 (9). – С. 20–21.

43. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126 (1). – P. 012016. – DOI: 10.1088/1757-899x/126/1/012016.

44. Research on the possibility of lowering the manufacturing accuracy of cycloid transmission wheels with intermediate rolling elements and a free cage / E.A. Efremenkov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, M.V. Grechneva, A.V. Olisov, A.D. Ens // Applied Sciences. – 2022. – Vol. 12 (1). – P. 5. – DOI: 10.3390/app12010005.

45. Martyushev N.V., Skeeba V.Yu. The method of quantitative automatic metallographic analysis // Journal of Physics: Conference Series. – 2017. – Vol. 803 (1). – P. 012094. – DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012094.

46. Skeeba V.Yu., Ivancivsky V.V. Reliability of quality forecast for hybrid metal-working machinery // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2018. – Vol. 194 (2). – P. 022037. – DOI: 10.1088/1755-1315/194/2/022037.

47. Defining efficient modes range for plasma spraying coatings / E.A. Zverev, V.Yu. Skeeba, P.Yu. Skeeba, I.V. Khlebova // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. – 2017. – Vol. 87 (8). – P. 082061. – DOI: 10.1088/1755-1315/87/8/082061.

48. Скиба В.Ю. Гибридное технологическое оборудование: повышение эффективности ранних стадий проектирования комплексированных металлообрабатывающих станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 62–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-62-83.

49. Исследование процесса автоматического управления сменой полярности тока в условиях гибридной технологии электрохимической обработки коррозионностойких сталей / М.А. Борисов, Д.В. Лобанов, А.С. Янюшкин, В.Ю. Скиба // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 1. – С. 6–15. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.1-6-15.

50. Influence of welding regimes on structure and properties of steel 12KH18N10T weld metal in different spatial positions / R.A. Mamadaliev, P.V. Bakhmatov, N.V. Martyushev, V.Yu. Skeeba, A.I. Karlina // Metallurgist. – 2022. – Vol. 65 (11–12). – P. 1255–1264. – DOI: 10.1007/s11015-022-01271-9.