В статье приведены исследования восстановительных процессов в модельных термодинамических системах и процессов восстановления никеля из никелевого концентрата и кобальта и никеля из кобальт-никелевого концентрата. Концентраты получены при гидрометаллургическом обогащении полиметаллических марганецсодержащих руд Кемеровской обл. – Кузбасса. Методом термодинамического моделирования с использованием программного комплекса Терра определено, что никель из оксида можно полностью восстановить в системе NiO – C при расходе углерода 0,08 кг/кг NiO и при расходе углерода 0,15 кг/кг NiO в системе NiO – Fe₂О₃ – C. Восстановление кобальта в системе СоО – С начинается при температуре около 513 К при любых расходах углерода. С дальнейшим ростом температуры процесс восстановления зависит только от расхода восстановителя. Из полученных данных термодинамического моделирования следует, что восстановление кобальта из кобальт-никелевого концентрата начинается при температуре примерно 513 К и в дальнейшем от температуры зависит незначительно. Степень извлечения кобальта возрастает с увеличением количества восстановителя при температурах до 553 К, затем остается постоянной до температуры 1473 К. Восстановление никеля протекает при температуре выше 473 К. Степень восстановления никеля слабо зависит от температуры и количества восстановителя при его расходе более 0,02 кг/кг концентрата. Проведенные лабораторные исследования показали, что в период плавления можно восстановить никель из его оксида твердым углеродом практически полностью, так как никель обладает меньшим сродством к кислороду, чем железо. Теоретичес­кие и экспериментальные исследования прямого легирования стали показали, что при восстановлении никеля и кобальта целесообразно использовать твердофазный процесс. Концентрат никеля и кобальт-никелевый концентрат при выплавке стали в электропечи желательно вводить в завалку в виде смесей, окомкованных с углеродистым восстановителем.

Работа посвящена выявлению и анализу закономерностей изменения элементного и фазового составов, дефектной субструктуры, механических (микротвердость) и трибологических (износостойкость и коэффициент трения) свойств нержавеющей высокохромистой стали, подвергнутой комплексной обработке, которая сочетает облучение в вакууме поверхностного слоя образцов интенсивным импульсным электронным пучком субмиллисекундной длительности воздействия и последующее азотирование в условиях элионного нагрева образцов. В качестве материала исследования используется высокохромистая сталь 20Х23Н18, являющаяся в исходном состоя­нии поликристаллическим агрегатом на основе γ-железа. Облучение стали импульсным электронным пучком авторы проводили на установке «СОЛО», оснащенной электронным источником с плазменным катодом на основе импульсного дугового разряда низкого давления с сеточной стабилизацией границы катодной плазмы и открытой границей анодной плазмы. Азотирование стали осуществлялось на установке «ТРИО» с размерами камеры 600×600×600 мм, дооснащенной блоком коммутации для реализации элионного (электронного и ионного) режима обработки. Азотирование проводили при температурах 723, 793 и 873 К в течение 1, 3 и 5 ч. Элионное азотирование при температурах 723 и 793 К в течение 3 ч образцов, предварительно облученных электронным пучком (при режиме 10 Дж/см², 200 мкс, 3 имп.), сопровождается формированием керамического слоя, содержащего только нитриды железа и хрома. Наиболее высокие значения износостойкости стали после элионного азотирования, превышающие износостойкость исходной стали более чем в 700 раз, наблюдаются при параметрах азотирования 793 К, 3 ч.

В настоящей работе методом проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) на подложке из сплава 5083 формируется покрытие из высокоэнтропийного сплава CoCrFeNiMn неэквиатомного состава. Авторы исследуют изменение микротвердости в зоне контакта системы покрытие – подложка. С помощью методов современного физического материаловедения проанализированы структурно-фазовое состояние, дефектная структура и элементный состав системы покрытие – подложка. Обнаружены физические механизмы, способствующие повышению твердости в зоне контакта.

В работе проведено исследование микроструктуры и фазового состава интерметаллических сплавов на основе никеля и алюминия, полученных с использованием двухпроволочного электронно-лучевого аддитивного производства (ЭЛАП). Актуальность проведенных исследований связана с широким использованием интерметаллических сплавов на основе никеля и алюминия (преиму­щественно Ni₃Al) в различных высокотемпературных приложениях и необходимостью использования современных методов производства при создании деталей машин и механизмов из этих сплавов. С помощью ЭЛАП были получены заготовки интерметаллических сплавов с разным отношением содержания основных компонентов. Изменение концентрации базовых элементов осуществлялось путем изменения соотношения скоростей подачи никелевой и алюминиевой проволок в процессе аддитивного производства в диапазоне от 1:1 до 3:1 соответственно. Результаты микроскопических исследований полученных сплавов показали, что независимо от содержания никеля полученные сплавы характеризуются крупнокристаллической структурой с размерами зерен в диапазоне 100 – 300 мкм для сплавов с соотношением компонентов 1:1 и 150 – 400 мкм для сплавов с соотношением компонентов 2:1 и 3:1. При этом сплав с равным содержанием базовых компонентов характеризуется более однородной зеренной микроструктурой по сравнению со сплавами с высоким содержанием никеля. При изменении соотношения концентрации компонентов, подаваемых в процессе аддитивного производства, можно целенаправленно управлять фазовым составом получаемой заготовки. В случае «эквиатомного» содержания в сплаве базовых компонентов формируется соединение на основе NiAl с небольшим содержанием фаз на основе интерметаллидов Ni₃Al₅ и Ni₃Al. При больших концентрациях никеля формируется интерметаллидная фаза Ni₃Al, а при соотношении компонентов 3:1 структура получаемой заготовки состоит преимущественно из фазы Ni₃Al и γ твердого раствора замещения на основе никеля. В работе продемонстрирована возможность прямого получения интерметаллических сплавов с заданным фазовым составом в процессе электронно-лучевого аддитивного производства.

Широкое применение в области тяжелого машиностроения получили стали класса прочности X70. Одним из наиболее важных вопросов при выборе стали для конструкций является ее поведение при циклических нагрузках. В научной литературе трудно найти описание поведения всех зон сварного соединения при усталости. Поэтому целью данного исследования является определение характеристик усталостной прочности сварных соединений из российского аналога стали S690QL с фиксацией параметров акустической и магнитной дефектоскопии для их применения при диагностике конструкций во время эксплуатации. В качестве объекта исследования были взяты образцы из отечественной стали класса прочности X70. Химический состав определялся с помощью оптико-эмиссионной спектрометрии. Подготовка шлифов для микроструктурного анализа проводилась по стандартной методике с травлением в нитале. Испытание на усталость проводилось на специализированном стенде. Для акустических измерений применяли акустический комплекс АИС НРК-3, в качестве информативного параметра использовался акустический параметр D. Для оценки магнитных характеристик использовался коэрцитиметр МА-412ММ. Оценивались остаточная намагниченность B_r, коэрцитивная сила H_c, отношение H_c/B_r. Наименьшее количество циклов соответствует зоне наплавленного металла. Снижение амплитуды показало значительный разбег в поведении материала в зависимости от зоны соединения. Однако кривые для зоны термического влияния (ЗТВ) и для наплавленного металла практически совпадают. При этом ЗТВ в меньшей степени отличается от основного металла, чем зона наплавленного металла. График акустического параметра по своему виду является обратным по отношению к графику магнитных характеристик. Так, для акустического параметра в зависимости от наработки имеется минимум, а для магнитных характеристик – максимум. Но для обоих графиков экстремумом является точка, соответствующая наработке 0,6.

Авторы исследовали мартенситное превращение в пористых спеченных сталях. При анализе процесса развития мартенситного превращения учтено влияние двух факторов: обеднение углеродом приповерхностных слоев пор; изменение энергетического баланса за счет релаксации напряжений превращения на свободных поверхностях пор. Исследования проводились на образцах пористых сталей с содержанием углерода 1,56 мас. %, полученных после прессования и спекания в атмосфере водорода при температуре 1200 °С смеси порошков железа ПЖРВ и графита ГК-3. Проводилась также газовая цементация при температуре 1100 °С и гомогенизация, позволяющая достигнуть указанного содержания углерода. Закалка образцов проходила в растворе поваренной соли при температуре 27 °С. Применялось предварительное подстуживание с температур А_ст до 800 °С со скоростью 62 °С/с. Рентгеноспектральный микроанализ распределения углерода выполнялся на установке CAMECA. Microsonde M.S. 46 при диаметре зонда 2 мкм. Обнаружено преимущественное образование пластин мартенсита на поверхностях пор, а также близкая к ромбоидальной форма их поперечного сечения. Полученные данные о морфологии кристаллов α′-фазы, растущих от пор, и исследования методом рентгеноспектрального микроанализа распределения углерода вдоль наиболее крупных пластин мартенсита подтверждают отсутствие каких-либо существенных изменений концентрации углерода. Как следствие, их влияние на развитие мартенситного превращения в районе пор не является ведущим. Для спеченных порис­тых сталей неустранимым фактором повышения температуры является наличие пористости в отличие от устранимого фактора неоднородности химического состава, которая обусловлена неполнотой процессов гомогенизации сплава как при спекании, так и в процессе аустенитизации, предшествующей закалке.

В России с ее протяженной сетью железных дорог более пяти лет производятся рельсы специального назначения повышенной износостойкости и контактной выносливости категории ДТ400ИК из стали с содержанием углерода более 0,8 %. На поверхности катания головки дифференцированно закаленных длинномерных рельсов из заэвтектоидной стали после длительной эксплуатации (пропущенный тоннаж 187 млн т брутто на экспериментальном кольце) методами просвечивающей электронной микроскопии выявлены морфологические составляющие структуры: пластинчатый перлит, фрагментированный перлит, разрушенный пластинчатый перлит, глобулярный перлит, полностью разрушенный перлит, субзеренная структура. Проведена количественная оценка вкладов упрочнения, обусловленных трением кристаллической решетки, твердорастворным упрочнением, упрочнением за счет перлита, упрочнением некогерентными частицами цементита, границами зерен и субграницами, дислокационной субструктурой и внутренними полями напряжений. Установлена иерархия этих механизмов и отмечено, что для поверхности скругления (выкружки) головки рельсов основным механизмом упрочнения является упрочнение некогерентными частицами, а также механизмы, обусловленные внутренними дальнодействующими (локальными) напряжениями, внутренними напряжениями сдвига («леса» дислокаций) и субструктурным упрочнением. Для поверхности катания по центральной оси головки рельсов основная роль в упрочнении принадлежит упрочнению дальнодействующими полями напряжений (особенно ее упругой компонентой), упрочнению некогерентными частицами и субструктурному упрочнению. С учетом объемных долей морфологических составляющих и их предела текучести определен аддитивный предел текучести на поверхности катания по центру головки и выкружке. Он составил 7950 и 2218 МПа для центра головки и выкружки. Представлена физическая интерпретация различия значений аддитивного предела текучести на поверхности катания головки рельсов в центре и на выкружке.

Наплавка, как и сварка, связана с нагревом металлов в широком интервале температур и последующим охлаждением нагретых зон с разными скоростями. Это приводит к сложным структурным и фазовым изменениям, имеющим определяющее значение для эксплуа­тационных свойств соединения защищаемый материал – покрытие. Строение и свойства зоны сплавления этих двух материалов зависят от степени проплавления, характера возникающих промежуточных слоев и диффузии углерода в приграничных участках. При наплавке на низкоуглеродистую сталь, в зависимости от состава наплавляемого металла, в зоне сплавления могут получаться структуры с превалирующим количеством мартенсита или аустенита в зависимости от содержания углерода. В работе исследовали структуру и механические свойства биметаллического соединения углеродистая сталь – нержавеющая сталь в зависимости от режимов электродуговой наплавки (под флюсом за один проход, в аргоне за один и два прохода). Установлено, что структурно-фазовый состав наплавленного металла – аустенит, мелкодисперсные карбиды и игольчатая составляющая. Структура наплавленного в аргоне за один проход слоя является более однородной и не содержит макродефектов. Микротвердость плавно увеличивается по глубине наплавленного слоя. В результате наплавки в аргоне за два прохода соединение имеет однородную микроструктуру, но в слое образуется большое количество микродефектов, которые в дальнейшем могут привести к образованию трещины вблизи границы сплавления. При наплавке под флюсом скорость нагрева и удельное тепловложение недостаточны, поэтому наплавочная ванна плохо перемешивается, что приводит к неоптимальной структуре и формированию термических напряжений на границе сплавления и к формированию неоднородного по структуре и микротвердости покрытия.

Методом молекулярной динамики проведено исследование формирования структуры при кристаллизации наночастиц аустенита в условиях наличия примеси углерода. Рассматривалось влияние скорости охлаждения расплава, размера частиц, концентрации атомов углерода в частице на особенности образующейся структуры при кристаллизации и температуру начала кристаллизации. Показано, что формированием нанокристаллической структуры наночастиц можно управлять путем варьирования скорости охлаждения и введения примеси углерода: при скорости охлаждения выше 10¹³ К/с в используемой модели кристаллизация не успевала произойти, при скорости ниже 5·10¹² К/с частица аустенита кристаллизовалась с образованием нанокристаллической структуры. При этом при снижении скорости охлаждения наблюдалось уменьшение плотности дефектов в конечной структуре. При скорости 5·10¹¹ К/с и менее кристаллизация частиц без углерода проходила с образованием низкоэнергетических границ зерен (с высокой плотностью сопряженных узлов: специальных границ, двойников). Температура кристаллизации при охлаждении со скоростью ниже 10¹² К/с обратно пропорцио­нальна диаметру частицы: по мере уменьшения размера частицы увеличивается доля свободной поверхности, что приводит к уменьшению вероят­ности образования кристаллических зародышей. Кроме того, температура кристаллизации увеличивается при уменьшении скорости охлаждения. Введение примеси углерода приводило к снижению температуры кристаллизации наночастиц: при наличии 10 ат. % углерода она уменьшалась примерно на 200 К для частиц разного размера. Атомы углерода часто образовывали скопления, состоящие из нескольких атомов углерода. Такие скопления искажали образующуюся кристаллическую решетку металла вокруг себя, препятствуя кристаллизации. В условиях наличия примеси углерода конечная структура кристаллизовавшихся частиц имела более высокую плотность границ зерен и других дефектов. Атомы углерода, особенно скопления из них, закреплялись преимущественно на границах зерен и тройных стыках.

В настоящее время разработке и исследованию новых материалов для деталей машин горно-металлургического комплекса методом наплавки порошковой проволокой уделяется большое внимание. Широкое распространение для наплавки сталей с высокой износостойкостью получили порошковые проволоки, в которых в качестве наполнителей используется восстановленный вольфрам в виде ферросплавов, лигатур и металлического порошка различной степени чистоты. Однако в связи с дефицитностью и высокой стоимостью вольфрама актуальной задачей является его рациональное использование. Для практического применения представляет интерес технология наплавки вольфрамсодержащей порошковой проволокой, при использовании которой достигается максимальное извлечение вольфрама в наплавленный слой за счет восстановительных процессов в дуге. С целью повышения полезного использования вольфрама заслуживают рассмотрения технологии косвенного легирования вольфрамом при наплавке под флюсом из порошковых проволок, в которых в качестве наполнителя используются, с одной стороны – оксид вольфрама, а с другой – восстановители. Можно ожидать, что при дуговом разряде в процессе наплавки могут образовываться вольфрам и (или) химические соединения вольфрама с восстановителями. В настоящей работе представлены результаты сравнительного анализа протекания термодинамических процессов восстановления оксида вольфрама углеродом, кремнием, алюминием и титаном при дуговом разряде, возникающем во время наплавки порошковыми проволоками под слоем флюса. Проведенный термодинамический анализ 41 реакции в стандартных состояниях показал, что наличие в используемой для наплавки порошковой проволоке восстановителей (углерода, кремния, алюминия, титана) будет способствовать образованию силицидов и карбидов вольфрама, а, возможно, и самого вольфрама. Определено, что лучшим состоянием для участия оксида вольфрама в реакциях в дуге является газообразное состояние WO₃(г).

В статье представлены результаты теоретического исследования напряженно-деформированного состояния системы заготовка ‒ оправка при производстве стальных полых заготовок на установке совмещенного непрерывного литья и деформации, в которой рабочие поверхности калиброванных бойков выполнены с переменным радиусом. Обоснована необходимость выполнения рабочей поверхности калиброванных бойков с переменным радиусом и приведены исходные данные для расчетов. Результаты рассматриваются по линиям объемной модели, проходящим через характерные точки очагов деформации. Авторы определили усилия при обжатии бойками стенки полой заготовки и силу вытягивания полой заготовки из кристаллизатора установки. Исследованы закономерности осевых перемещений металла и напряжений в очагах деформации при сжатии стенки полой заготовки при совмещенном процессе непрерывного литья и деформирования. Характер напряженного состояния металлической стенки полой заготовки рассмат­ривается с точки зрения повышения ее качества. Изученная методика позволяет определить напряженно-деформированное состояние оправки при изготовлении полой стальной заготовки с использованием установки непрерывного литья и деформации. Авторами представлены рекомендации для осуществления надежного захвата и обжатия калиброванными бойками полой стальной заготовки, посту­пающей из водоохлаждаемого медного кристаллизатора установки совмещенного процесса непрерывного литья и деформации.

В статье приведены результаты численного решения задачи по моделированию процесса возможного трещинообразования в оболочковой форме (ОФ) шарообразной конфигурации при заливке в нее жидкой стали и охлаждении затвердевающей отливки. Численная схема осесимметричной задачи и алгоритм решения были приведены в части 1. Трещиностойкость оценивается по величине нормальных напряжений в керамической ОФ в процессе ее совместного охлаждения с затвердевающей отливкой. При детальном анализе результатов были учтены поля перемещений, напряжений, температур как в сферической ОФ, так и в нарастающей корочке затвердевшего металла. При решении учитывалось изменение модуля сдвига материала формы от температуры, и была дана оценка этого уточнения. Задачу решали двумя способами. Первый – с постоянным модулем сдвига ОФ; второй – с модулем сдвига ОФ, зависящим от температуры. Между этими вариантами есть существенная разница в величине нормальных напряжений, возникающих в ОФ. Авторы проанализировали стойкости ОФ сферической геометрии от внешних воздействий со стороны опорного наполнителя (ОН) оболочковой формы и заливочной воронки. Была решена задача по определению контактной и свободной поверхностей на границе ОФ и ОН. Результаты решения задачи представлены графически в виде эпюр напряжений, температур по исследуемой области в разных ее сечениях и временных интервалах охлаждения ОФ и нарастающей корочки металла. Показана роль сжимающих нормальных напряжений σ₂₂, σ₃₃ на поверхности соприкосновения ОФ с жидким металлом в начальный момент охлаждения на вероятность трещинообразования в сферической форме. Уровень напряженно-деформированного состояния в сферической ОФ при охлаждении в ней стальной отливки существенно определяется зависимостью модуля сдвига ОФ от температуры.

В рамках исследования предложена методика оценки чистоты металла по неметаллическим включениям (НВ) с использованием оптико-эмиссионной спектрометрии. Для оценки содержания НВ в слябах отобраны по два столбика металла от двух слябов низколегированного металла, раскисленного алюминием. Каждый столбик поделен на семь образцов в направлении от малого радиуса непрерывнолитой заготовки к большому. На данных образцах проведены исследования по оценке загрязненности металла НВ методами количественной оптической металлографии по стандарту ASTM Е1245-03, фракционного газового анализа (ФГА) и оптико-эмиссионного спектрального PDA анализа. Исследования по стандарту ASTM Е1245-03 показали, что во всех образцах процентное соотношение содержания оксидов и сульфидов в среднем составляет 10 и 90 % соответственно. По результатам ФГА сделан вывод о том, что в пробах металла обоих слитков преобладают такие оксидные НВ, как алюминаты. Проведено сравнение результатов определения содержания кислорода в НВ, полученного методом ФГА, и количества попаданий искр (спарков) во включения при анализе методом PDA. Анализ зависимостей показал, что есть два четко выраженных распределения точек. Для проведения анализа методом PDA разработана программа, позволяющая определить количество НВ различных типов в образцах металла и рассчитать их объемную долю.

В работе определен и сформулирован подход к управлению основными режимами выплавки стального полупродукта в сверхмощных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием технологии цифровых двойников. Существующие регуляторы мощности не обладают функцией симметрирования полезных мощностей фаз и, соответственно, электрических дуг, так как они ориентированы на работу со средней величиной сигнала. Авторы предлагают использовать анализ динамических характеристик, построен­ных на мгновенных значениях входных параметров вместо действующих, как принято в большинстве реализованных устройств. Это дает возможность получить более точные данные о состоянии столба дуги и снизить количество требуемых времени и вычислительных мощностей на получение результата и формирование рекомендаций. Длительная регистрации данных при работе сверхмощной ДСП-135 показала связь постоянной составляющей напряжения дуги с окисленностью металлического расплава. Приведен пример ее использования в качестве критерия управления окислительной стадией плавки, что позволяет снизить расход электрохимичес­ких датчиков на каждую плавку в случае серийности выплавляемого металла. На основе регистрируемых данных подтверждена возможность своевременного определения неравномерности выделения дуговой мощности между электродами печи и выдачи рекомендаций по регулированию работы газогорелочных устройств для выравнивания скорости осаждения лома у электродов с меньшим выделением мощности. Авторами предложена идея использования цифровых двойников на базе моделей распределения активной мощности по зонам ванны и зависимости окисленности металла от расхода кислорода для контроля и управления электрическим режимом и режимом газового дутья на окислительной стадии процесса. Приведены упрощенные схемы этих двойников.