Сильман Г.И., ,Жаворонков Ю.В., Серпик Л.Г.,
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) является одним из сравнительно новых направлений в получении материалов и изделий. Сущность метода заключается в использовании внутренних энергетических возможностей системы путем протекания экзотермических реакций с выделением большого количества тепловой энергии, что приводит к последовательному переводу системы в новое физико-химическое состояние.
В настоящее время СВС-метод используется для синтеза тугоплавких соединений, при внепечной обработке расплавов, при ранее разработанном нами процессе получения карбидостали, представляющей собой литой твердый сплав. Дальнейшим развитием этого способа является предполагаемое нами использование СВС-смесей для получения многослойных чугунных и стальных отливок. Особенностью процесса является установка в литейной форме компактированных вставок или поверхностных слоев (облицовок) из СВС-смесей. При заливке в форму жидкого металла (чугуна или стали) во вставках или облицовках протекают СВС-реакции, приводящие к изменению их физико-химического состояния и частичному массо- и теплообмену с прилегающими слоями жидкого металла. После завершения процессов кристаллизации отливка приобретает макрогетерогенный характер. При этом обеспечивается значительное отличие химического состава, структуры и свойств металла в различных зонах отливки при сравнительно плавном переходе от одной зоны к другой.
Наиболее простым является вариант размещения СВС-слоя у поверхности отливки или в части этой поверхности. В этом случае используются специальные обмазки, наносимые на поверхность формы и содержащие компоненты СВС-смесей. Компактированные вставки размещаются как у поверхности отливки, так и во внутренних участках при фиксированном их расположении с использованием армирующего каркаса или внутри газифицируемой модели.
Расположение зон в отливке задается в зависимости от предъявляемых с ней требований. Если литая деталь должна быть износостойкой, то на ее поверхности целесообразно иметь структуру твердого сплава с большим количеством карбидов титана. Выбор титана в качестве основного активного компонента СВС-смеси обусловлен несколькими факторами: высокой твердостью и износостойкостью продуктов СВС-реакций, большим химическим сродством титана и углерода и высокой степенью экзотермичности реакций, малой растворимостью титана в основных фазах стали и чугуна и практически полном участии его в реакции карбидообразования, высокой температурой плавления карбидов титана и возможностью их образования как в виде первичных выделений, так и в составе двойной эвтектики с аустенитом.
Разработана комплексная методика анализа СВС-процессов при получении многослойных отливок из чугунов и сталей, включающая расчет химического состава СВС-смесей, анализ протекающих реакций и процессов структурообразования в разных зонах, а также тепловой расчет процессов. Теоретическая разработка базировалась на анализе системы Fe-C-Ti с построением необходимых разрезов диаграммы состояния. Расчетом определено необходимое содержание в СВС-смесях ферротитана, графита, феррохрома и порошкового магния. Такой состав смесей обеспечивает не только необходимую структуру СВС-слоя, но и рациональную структуру металла в переходных зонах.
Проведенная экспериментальная проверка показала возможность использования СВС-эффектов как в чугунных, так и в стальных отливках. В чугунных отливках толщина поверхностного СВС-слоя (с твердостью НRC 45-50) составляла 5-8 мм. С помощью термической обработки (закалки и отпуска) твердость этого слоя может быть повышена до НRC 64-67, что соответствует твердости литого твердого сплава.
Переходная зона в чугунной отливке имеет толщину от 5 до 12 мм и сдержит промежуточные структуры от чисто белой (с карбидами титана и цементитом) до половинчатых с различным содержанием карбидов и графита компактной формы. Твердость этой зоны НВ 200-240 и более. При большом удалении от СВС-вставки в основном сохраняется структура перлитного серого чугуна, но в ней появляются отдельные изолированные включения цементита.
В стальных отливках пока не достигнута необходимая локализация процессов, но показана возможность использования СВС-процессов для проведения внутриформенного легирования металла отливок.