Влияние меди и кремния на фазовые превращения в системе железо – углерод

Введение

В регионах с развитой цветной металлургией в отвалах накопилось большое количество медеплавильного шлака, содержащего преимущественно оксиды железа, кремния, кальция и алюминия. В шлаке также присутствуют в небольших количествах соединения меди, цинка, селена, мышьяка и других элементов. С учетом количества присутствующих элементов самую высокую стоимость в шлаке имеет железо. При восстановлении железа углеродом в зависимости от условий процесса получаются сплавы железо – углерод или железо –  углерод – кремний с высоким содержанием меди и серы. Высокое содержание меди, которая не удаляется традиционными методами, не позволяет использовать такой металл в «большой» металлургии. В связи с этим предлагается схема глубокой переработки медеплавильных шлаков для получения металлических мелющих тел на основе медьсодержащих сплавов железо – углерод – кремний и керамических пропантов (керамических изделий) для нефтедобывающей промышленности [1]. В настоящее время для изготовления мелющих тел из медьсодержащего материала применяются белые износостойкие эвтектические чугуны [2; 3]. Для оценки фазового и структурного состава получаемых сплавов из перерабатываемого материала шлаков требуются дополнительные знания о фазовых превращениях в системе железо – углерод в присутствии меди и кремния.

Методика исследования

Для построения диаграммы состояния железо – углерод с присутствием примесей меди и кремния был использован метод Calphad в программном комплексе ThermoCalc с базой данных TCBIN: TC Binary Solutions v1.1¹. Метод Calphad в программном комплексе ThermoCalc основывается на использовании всех доступных экспериментальных данных для вывода термодинамических функций системы, при этом термодинамические функции представлены в виде полиномов химического состава и температуры. В результате значения полиномиальных коэффициентов получаются с использованием методов численной оптимизации². Для определения фазовых превращений на диаграмме состояния железо – углерод при проведении расчетов в систему добавляли медь в количестве 0 – 1,5 % (здесь и далее мас. %) и кремний в пределах 0 – 3,5 %. При этом давление принимали равным 10⁵ Па, а температурные диапазоны определялись автоматически.

Результаты моделирования

В системе железо – углерод, как известно, формируется пять фаз, включая одну жидкую и четыре твердых фазы: феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц) и графит. Результаты расчетов показали, что присутствие примесей меди и кремния в указанных выше пределах приводит к изменению растворимости углерода в фазах системы железо – углерод. Количество меди в пределах 0 – 1,5 % незначительно снижает растворимость углерода в аустените с 2,14 до 2,0 %.

При добавлении кремния в количестве 0 – 3,5 % на вертикальном разрезе системы железо – углерод – медь (1 %) происходит понижение растворимости углерода в ГЦК решетке аустенита с 2,14 до 1,5 %. Кроме того, наблюдается расширение области существования феррита и смещение эвтектической точки до концентрации углерода 3,2 % (см. рисунок).

Заключение

Согласно проведенным расчетам, для того, чтобы получить белый износостойкий чугун с эвтектическим составом, который можно использовать для изготовления мелющих шаров с высокими эксплуатационными характеристиками, необходимо в материале переработки шлаков иметь содержание меди около 1 %, кремния около 3,5 % при содержании углерода 3,5 %.