Исследование возможности насыщения поверхностных слоев металлов хромом из сталеплавильных шлаков

При эксплуатации изделий наибольшему воздействию, как правило, подвергаются поверхностные слои материалов. Для условий эксплуатации, при которой требуются повышенные механические свойства, детали изготавливают из высоколегированных марок стали – что существенно усложняет технологические процессы производства и увеличивает стоимость изделия. Для снижения доли объемно-легированных деталей применяются различные способы нанесения специальных покрытий на металлические изделия. Применение такого вида обработки повышает работоспособность и ресурс работы деталей и узлов машин и механизмов, изготовленных из низколегированного сортамента. При этом достигая стойкости деталей изготовленных из объемно-легированных сталей.

Насыщение поверхностного слоя стали легирующими элементами из отходов сталеплавильного производства является примером такого способа упрочнения поверхностных слоев материалов [1, 2].

На кафедре общей металлургии филиала ЮУрГУ в г. Златоусте была проведена серия экспериментов по насыщению поверхностных слоев металла различными химическими элементами, содержащимися в отходах металлургического производства – сталеплавильных шлаках [3, 4].

Образцы сталей 35, У7, У8, СЧ15 подвергались химико-термической обработке: они были засыпаны порошком шлака и выдержаны при различных температурах разные временные интервалы (табл. 1).

Для проведения эксперимента были использованы отходы сталеплавильного производства из шлаковых отвалов ОАО «Златоустовский металлургический завод». Исследование химического состава элементов шлака было проведено на электронном микроскопе JOEL JSM-6460LV (табл. 2).

Микроструктурные исследования, выполненные на микроскопе C. Zeiss Observer D1m, показали образование фазы сложного состава на всех образцах с температурой обработки более 800°С и временем выдержки 8 и более часов (рис. 1). В ходе исследований было выявлено, что толщина слоя образовавшихся включений достигает в стали 80 мкм, а в чугуне 500 мкм (рис. 2)

Микроструктура и состав включений, образовавшихся в ходе эксперимента, исследовались также на электронном микроскопе JEOL JSM-6460 LV (рис. 3). Исследование показало – включения представляют собой сложный комплекс Cr–O–Si–S–Mn–Fe (табл. 3).

Предположительно, полученные неметаллические включения представляют собой комплекс, состоящий из сульфида (марганца и железа) + оксид кремния + оксид хрома. Также в ходе исследования

Таблица 1

Режимы химико-термической обработки экспериментальных образцов

Время выдержки, ч	Температура, °С
	700	800	900	1000	1100	1200
4	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8
8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8	35, У7, У8
12	У7, У8, СЧ15	У7, У8, СЧ15	35, У7, У8, СЧ15	35, У7, У8	35, У7, У8,	35, У7, У8
24	У7, У8, СЧ15	У7, У8, СЧ15	У7, У8, СЧ15	У7, У8	У7, У8	У7, У8

Таблица 2

Химический состав шлака

Элемент	O	Mg	Al	Si	Ca	Cr	Mn	Ti	Fe	Итого
Содерж., %	29,44	4,92	3,5	7,09	32,41	7,50	0,46	11,64	3,04	100

а)

б)

а)

Рис. 1. Микроструктура образцов, подвергнутых химико-термической обработке: а – образовавшиеся включения в стали 35 (8 ч, Т = 1100 °С, х 250); б -толщина слоя включений в У7 (8 ч, Т = 1100 °С, х 250)

б)

а)

Рис. 3. Микроструктуры образцов с образовавшимися включениями: а - сталь 35 ( х 3000); б - чугун СЧ15 ( х 3000)

Рис. 2. Изучение толщины слоя образовавшихся включений: а – слой включений в стали 35 (8 ч, Т = 1100 °С, х 250); б -слой включений в СЧ15 (24 ч, Т = 900 °С, х 130)

б)

Чуманов И.В., Чуманов В.И., Аникеев А.Н., Матвеева М.А.

Исследование возможности насыщения поверхностных слоев металлов хромом из сталеплавильных шлаков было выявлено изменение в содержании хрома в поверхностных слоях металла. Химический анализ образцов до эксперимента показал отсутствие в них хрома, а исследования, проведенные на электронном микроскопе после эксперимента, подтвердили наличие хрома в поверхностных слоях металла в виде неметаллических включений. Следовательно, в результате химико-термической обработки металлов и чугуна в среде молотого металлургического шлака возможно насыщение хромом поверхностных слоев обрабатываемого металла.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки, шифр 7.2938.2011, а также при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0077.