В.К. Афанасьев (Сибирский государственный индустриальный университет)
Сибирским металлургам-физикам 50 лет

В 1958 г. в Сибирском металлургическом институте (СМИ) была открыта кафедра физики металлов. Организовал ее проф. Юрий Вячеславович Грдина. Основной задачей кафедры было и остается создание новых материалов, а также технологий их получения и обработки.

Широко известны работы проф. Ю. В. Грдины по броневой и рельсовой стали, которые внесли большой вклад в обороноспособность и народное хозяйство страны. За разработки по этой тематике он был удостоен Государственной премии СССР и награжден орденом Трудового Красного Знамени. Его именем названа одна из красивейших улиц г. Новокузнецка. Автор статьи заведует кафедрой физики металлов с 1977 г.

Научная и практическая деятельность единственной в Кузбассе кафедры физики металлов проводилась в тесном сотрудничестве с Министерством оборонной промышленности СССР (Главным управлением по металлургии и новым материалам), а также с металлургическими и машиностроительными предприятиями Сибири.

Учебные планы подготовки наших специалистов включают выполнение студентами трех курсовых работ, закладывающих основу дипломной научно-исследовательской работы. Дипломные проекты учебным планом не предусмотрены. Это означает, что студенческий коллектив привлекается к выполнению работ, имеющих важное народнохозяйственное значение. Научным направлением кафедры, принятым в 1977 г., является «Исследование общих закономерностей влияния водорода, азота и кислорода на свойства металлов и сплавов». Другими словами, при рассмотрении вопросов повышения физических, механических и химических свойств металлических сплавов ведущая роль отводится водороду, азоту и кислороду. Такое направление работ в стране имеет только наша кафедра, что позволяет ее коллективу решать задачи повышенной сложности и, часто, по общепринятому мнению, «нерешаемые».

Ниже кратко описаны наиболее значительные результаты наших работ по резкому повышению свойств железных и алюминиевых сплавов.

Доменный чугун (ДЧ). Его получение предусматривает использование водорода. Топливом для домны служат углеводороды (природный газ, сырая нефть, мазут, каменноугольная смола). Основное топливо доменной печи — кокс, содержащий ,%: 60 80 C, 0,4 0,7 S, 2 6 влаги. Кокс сгорает в горне под действием кислорода дутья, и в результате его сгорания образуются газы, необходимые для плавления чугуна и шлака. Основной реакцией горения 2C + O₂ = 2CO соответствует следующий состав газа в горне печи: 34,7% CO, 65,3% H₂. Этот газ распространяется внутрь и вверх, отдавая тепло шихтовым материалам и взаимодействуя с ними как восстановитель [1]. Таким образом, в науке о получении чугуна и стали произошел переход от полного игнорирования участия водорода в доменном процессе к признанию его роли наравне с моноокисью углерода.

На основании представлений о ведущей роли водорода в формировании свойств металлических сплавов была разработана большая серия способов обработки чугунного расплава, полностью удаляющих выделения графита и резко повышающих его свойства [2, 3]. Следует отметить, что в мировой практике до настоящего времени для удаления выделений графита в чугун вводят большое количество легирующих элементов (ЛЭ), часто десятки процентов. ДЧ без выделений графита не содержит ЛЭ, но, как и легированные белые чугуны, имеет высокие механические свойства, износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и меньшие, по сравнению с другими чугунами, коэффициенты линейного расширения и плотность [4].

Применение такого чугуна может быть самым разнообразным. Это и металлообрабатывающий инструмент (литой и деформированный), шары для помола, решетки, колосники, валки для прокатки, подины термических печей, сопла гидромониторов, билы, матрицы для прессования металлических расплавов, втулки, насосы для перекачки сред с абразивными частицами, направляющие, ролики, броневые плиты и многое другое. Установлена способность этого чугуна деформироваться без графитизации с получением качественных заготовок. Имеются результаты, указывающие на возможность получения весьма низких значений коэффициента линейного расширения при температурах испытания 50...100°C (инвары приборной техники). При получении нового чугуна легирование полностью устранено, что резко снижает его себестоимость. Поэтому, в отличие от общепринятого термина «белый» чугун (имеется ввиду переплавленный высоколегированный ДЧ), авторами предложено полученный ими без легирования чугун назвать — доменный чугун без выделений графита (ДЧБВГ).

Большое количество наших работ по получению ДЧБВГ позволяет сделать заключение, что литой и деформируемый инструментальный чугун — реальное техническое событие в ближайшее время.

В условиях ОАО «Томский инструмент» была изготовлена опытная партия слитков из передельного чугуна Кузнецкого металлургического комбината с полностью удаленным графитом. Впоследствии из этих слитков по принятой на заводе технологии была получена партия сверл большого диаметра (рис. 1). В условиях Кузнецкого машиностроительного завода (г. Новокузнецк) была изготовлена партия токарных резцов и ножей для наборных фрез. Термообработка литого инструмента позволила выявить возможность повышения твердости до 65...67 HRC. Такую твердость можно получить и в чугунах, но содержащих десятки процентов хрома, кремния, никеля и др.

Рис. 1. Сверло из доменного чугуна без выделений графита

Высокая твердость ДЧ, не содержащего дефицитных ЛЭ, указывает на перспективность работ в этом направлении и возможность организации производства режущего инструмента в Кузбассе, поскольку все необходимые материалы имеются. Это положение должно стать объектом пристального внимания в России.

В условиях Юргинского машиностроительного завода в печах разной вместимости (индукционная — 380 кг и дуговая — 5 т) переработан ДЧ от Кузнецкого металлургического комбината и Западно-сибирского металлургического комбината. Из переработанного чугуна КМК были залиты 24 крупногабаритные отливки (мультициклоны) для газоочистки Абагурской аглофабрики. Эти отливки в условиях газоочистки эксплуатировали 2,5 года. Демонтаж газоочистного устройства при текущем ремонте показал полное отсутствие нарушений их поверхности, тогда как в отливках из обычно применяемого чугуна обнаружены сквозные отверстия.

Из переработанного чугуна ЗСМК изготовлена большая партия наплавочных электродов и других деталей. Все они показали более высокие свойства, по сравнению с изготовляемыми по принятой технологии. Например, электроды из белого нелегированного чугуна применяли для наплавки стрельчатых лап изделия «Конкорд» в Новокузнецком сельском районе. Качество наплавленных слоев, полученных с помощью ДЧБВГ, гораздо выше, чем у получаемых из сплава сормайт-1 (белый чугун, содержащий 46% ЛЭ) [5]. Токарные резцы из ДЧБВГ в сыром состоянии при резании ДСП (наиболее распространенного композиционного материала для изготовления мебели) показали более высокую стойкость, по сравнению с резцами из быстрорежущей стали Р6М5.

Подробнее о свойствах и перспективах применения ДЧБВГ как нового материала многоцелевого назначения изложено в монографии В. К. Афанасьева с соавторами «Доменный чугун — металл будущего» [6].

Углеродистая сталь. Именно на ее примере изучали влияние водорода и азота, которые вводят в нее специально, как бы насильственно.

Поскольку в углеродистой стали из двух фаз (феррита и цементита) основная — цементит, то его количество, форма и характер распределения определяют все естественные свойства стали. Известно среди разных путей попадания водорода в сталь и его подчас неконтролируемое введение вместе с шихтой [7]. В связи с этим на кафедре разработаны и апробированы способы предварительной обработки шихты, специально изменяющие содержание водорода [8 14].

На разных объектах (чистом железе 008ЖР, литейной стали, чугуне, алюминиевых сплавах) установлена решающая роль водорода [15, 16]. Так, на рис. 2 в качестве примера показана микроструктура стали 20Л, приготовленной на электролитически наводороженной шихте по способу [12]. Наводороживание проводили в 20%-ной H2SO4 в течение 4 ч. Видно, что водород резко увеличивает объемную долю перлита (феррита и цементита). Такое сильное влияние на изменение соотношения структурных и фазовых составляющих указывает на перспективу еще не раскрытых возможностей повышения свойств Fe-C-сплавов.

Рис. 2а

Рис. 2б
Микроструктура стали 20Л после обычного приготовления (а) и с использованием электролитически наводороженной шихты (б); õ260

Ранее [17] были показаны некоторые достижения кафедры, подтверждающие положение о цементите, как о химическом соединении, в составе которого присутствуют, наряду с углеродом, водород и азот. Именно поэтому термоциклическая деформация 12-т слитков из стали 10кп в условиях ЗСМК (производство слябов) и последующее изготовление листа толщиной 1,2 6,0 мм на Металлургическом заводе им. Кузьмина (г. Новосибирск) позволили получить уникальные свойства. При остаточном содержании углерода 0,07% эта сталь имеет коррозионную стойкость в агрессивных средах такую же, как сталь Х18Н10Т (акт испытания с таблицей). При прекрасной штампуемости она упрочняется при закалке до HRC = 32...36, что говорит о большой перспективе получения авто- и судового листа с высокими свойствами и наименьшей стоимости.

Коррозионную стойкость образцов Ст3ПС исследовали в условиях ПО «Азот» согласно РТМ 26-01-21-68 «Методы коррозионных испытаний металлических материалов. Основные требования. Оценка результатов» (НИИХИММАШ). Условия и результаты исследований приведены в таблице.

Примечание. К_Т характеризует изменение величины скорости коррозии в результате термообработки

Новое поколение нелегированных сталей способно заменить дорогостоящие легированные различного целевого назначения. Прежде всего, это касается трубного производства, изготовления авто- и судолиста, броневого листа, сварочной проволоки, шахтного оборудования, режущего инструмента и многих других изделий.

Легкие сплавы. При работе с важнейшими металлургическими и машиностроительными предприятиями кафедра накопила значительный потенциал в создании новых легких сплавов с требуемым сочетанием физических и механических свойств. Здесь также формирование свойств рассматривали через основополагающие положения о ведущей роли водорода. В связи с этим разработаны новые способы дегазации, кристаллизации, деформации, термической и химико-термической обработки. В результате получены легкие сплавы с низким коэффициентом линейного расширения для приборной техники, поршневые, высокопрочные деформируемые с σ_E в до 800...850 МПа и многие другие [18, 19].

Подводя итог, можно сказать, что кафедра физики металлов и новых материалов развивала и развивает свою деятельность в соответствии с поставленными перед ней задачами. Перечислим основные практические разработки кафедры:

• Технологии обработки шихты, расплава, кристаллизации, позволяющие получать требуемое сочетание свойств металлических сплавов.
• Технологии дегазации металлов и сплавов, регулирующие их физические, механические и химические свойства.
• Технологии деформации труднодеформируемых и, по общим представлениям, недеформируемых сплавов [20]. Они позволяют, например, для углеродистой стали получать необычное сочетание высокой прочности и пластичности, малые потери на перемагничивание, которые обычно достигаются за счет высокого легирования.
• Создание литейных и деформируемых поршневых сплавов с необычно низким коэффициентом линейного расширения и высокими механическими свойствами.
• Технологии получения и обработки литых и деформируемых сплавов Al-30...50% Si различного целевого назначения.
• Получение самых дешевых в мире синтетических сплавов Al-Si, приготовляемых на SiO₂, а не на очень дорогом кремнии.
• Создание серии сплавов Al-Me-Н, Al-Me-H-P, Al-Me-H-N, Al-Me-H-N-P с особым сочетанием физико-механических свойств.
• Получение сверхпрочных деформируемых сплавов на основе Al-Mg с пределом прочности 800 МПа и более.
• Создание технологий обработки ДЧ, позволяющих получать белый чугун без применения традиционного легирования (до 30...50% ЛЭ).
• Создание способов переработки отходов металлургического производства (шлаков, шламов, хвостов, золы, пыли и др.).

При разработке новых сплавов в качестве основных ЛЭ применяют водород, водород и азот, водород, азот и фосфор, фтор.

Достижения кафедры экспонировались на выставках и ярмарках разного уровня в стране и за рубежом (Чехии, Китае), опубликованы в научных трудах и подтверждены большим числом авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Отмечая свое 50-летие, кафедра физики металлов и новых материалов Сибирского государственного индустриального университета (бывший Сибирский металлургический институт) уверена, что прорывные научные и практические достижения в области металлических сплавов смогут заинтересовать руководителей промышленности, поскольку эти достижения могут сыграть выдающуюся роль в решении современных острых проблем металлургии и машиностроения России.

Список литературы

1. Афанасьев В.К. О роли водорода в доменном процессе получения чугуна // Обработка металлов. — 2004. — № 4(25). — С. 15-18.
2. Афанасьев В.К., Кузнецова  Е. В., Громов  Г. Е. Применение водорода для повышения износостойкости чугуна // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. — 2004. — № 4. — С. 66-67.
3. Афанасьев В.К., Старовацкая  С. Н. О линейном расширении серого чугуна // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. — 2006. — № 8. — С. 52-53.
4. Афанасьев В.К. и др. Доменный чугун — новый материал для машиностроения // Металлургия машиностроения. — 2003. — № 5. — С. 20-22.
5. Наплавочные сплавы: учебное пособие / В. К. Афанасьев и др. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. — 247 с.
6. Афанасьев В.К. и др. Доменный чугун — металл будущего. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2005. — 343 с.
7. Гудремон Э. Специальные стали: пер. с нем. — М.: Металлургия, 1966. — Т.2. — 432 с.
8. А.с. 1135787 МПК С22С 1/02. Способ подготовки шихты для приготовления алюминиевых сплавов / В. К. Афанасьев, В. Н. Лебедев, А. Н. Прудников и др. — Заявка № 3637727/22 от 01.09.83. — Опубл. 23.01.85. — Бюл. № 3.
9. А.с 897881 МКл.³ С22С 1/02. Способ подготовки шихты для плавки алюминиевых сплавов / В. К. Афанасьев, В. Н. Лебедев, Г. Н. Спрукуль и др. — Заявка № 2910825/22 от 17.04.80. — Опубл. 15.01.82. — Бюл. № 2.
10. А.с. 615713 МКл.³ C22F 1/06. Способ обработки шихтового магния / В. К. Афанасьев, В. И. Никитин, Я. Д. Вишняков и др. — Заявка № 2457174/22 от 17.02.77.
11. А.c. 973652 МКл.³ C22C 1/02. Способ подготовки шихты для приготовления алюминиево-кремниевых сплавов / В. К. Афанасьев, Г. Т. Коровин, С. А. Строганова и др. — Заявка № 3289946/22 от 18.05.81. — Опубл. 15.11.82. — Бюл. № 42.
12. A.с. 527479 МКл.³ С22С 1/02. Способ подготовки шихты / В. К. Афанасьев, А. А. Абрамов, Н. В. Гришков и др. — Заявка № 2112249/02 от 10.03.75. — Опубл. 05.09.76. — Бюл. № 33.
13. A.с. 739122 МКл.³ С22С 1/02. Способ подготовки шихты для приготовления алюминиевых сплавов / В. К. Афанасьев, В. И. Никитин, В. А. Падалка и др. — Заявка № 3278721/22 от 05.06.80. — Опубл. 05.06.80. — Бюл. № 21.
14. Афанасьев В.К., Никитин  В. И. Структура и свойства алюминиевых сплавов в зависимости от условий подготовки шихтовых материалов // Литейное производство. — 1976. — № 4. — С. 16-17.
15. Афанасьев В.К., Лебедев  В. Н., Мельгунов  А. А. Водородная хрупкость алюминия и его сплавов. — М.: ЦНИИинформации, 1984. — 332 с.
16. Афанасьев В.К. и др. Водород и свойства сплавов алюминия с кремнием. — Абакан.: Хакасское книжное изд-во, 1998. — 187 с.
17. Афанасьев В.К. О чугуне и стали // Металлургия машиностроения. — 2002. — № 3(6). — С. 13-16.
18. Афанасьев В.К. и др. Легкие сплавы с малым тепловым расширением. — Кемерово: Кузбассвузиздат, 2000. — 373 с.
19. Афанасьев В.К. и др. Поршневые силумины. — Кемерово: Полиграф, 2005. — 162 с.
20. Афанасьев В.К. и др. Деформируемые силумины. — М.: ЦНИИинформации, 1989. — 384 с.