Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2003, № 12

М Г Г У 

К. И. ШАХОВА 
НЮ. ЧЕРНЕЮ В 

МАТЕРИАЛЫ АЛЯ ГОРНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ 

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ 

МАТЕРИАЛОВ С ОСОБЫМИ 

СВОЙСТВАМИ 

МОСКВА 

И ЗЛА 
7 

московского ГОСУДАРСТВЕННОГО 

ГаРНОГО 
УНИВЕРСИТЕТА 

2 0 0 3 

УДК 622:621 
ББК 33:34.4 
Ш32 

Шахова КМ., Чернегов Н.Ю. 

Ш 32 
Материалы для горного машиностроения. Вып. 2. Технологии получения материалов с особыми свойствами: Отдельные 
статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. — 
2003. —№ 12. — 59 с. — М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2003. 

Приведены технологии получения материалов с особыми свойствами: низколегированных сталей, порошковых ультрадисперсных 
композиций, материалов, полученных высокотемпературным самораспространяющимся синтезом. 

Для инженеров машиностроительных и металлургических специальностей. Может быть полезна для студентов и аспирантов этих 
специальностей. 

УДК 622:621 
ББК 33:34.4 

ISSN 0236-1493 
© К.И. Шахова, Н.Ю. Чернегов, 2003 
© Издательство Ml 1 У, 2003 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 2003 

1. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ 
ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ 

Современное мировое развитие черной металлургии 
идет по пути перехода на производство высококачественной 
стали, что дает возможность снизить материалоемкость 
оборудования при сохранении и улучшении их прочностных 
характеристик. 

В основе получения качественных сталей лежат процессы 
глубокого обогащения руд. В принципе, железную руду тем 
или иным способом обогащения можно получить достаточно 
чистой по окиси кремния и другим элементам. Часто такой 
результат оказывается экономически неоправданным и при 
обогащении останавливаются на глубине обогащения 65—68 
%. Дальнейшее снижение примесей происходит уже в процессе переделов. 

Одновременно существует достаточное количество железорудных месторождений, содержание железа в которых в 
процессе обогащения при приемлемых затратах может быть 
повышено до 70—71 % и даже несколько выше причем достигается высока степень чистоты обогащенной руды. 

Таких месторождений достаточное количество: Оленегорское на Кольском полуострове, Стойлинское, Лебединское 
и др. Еще не начата отработка некоторых месторождений 
Курской магнитной аномалии, огромные запасы легкообогатимых руд таких месторождений как Чаро-Токкинской провинции в Якутии, Бакльское в Восточных Саянах и др. 

Получение высокообогащенной руду с низким содержанием вредных для производства сталей элементов позволит 
выплавлять стали высокого качества. 

Использование коксодоменной технологии, в принципе 
не пригодно для получения нового поколения сталей. Применение прямого восстановления железа неизбежно связано с 
коренной реконструкцией металлургических заводов и, вероятно, обойдется дороже, чем строительство новых заводов. 

3 

Поэтому рациональным способом повышения качества 
сталей является использование новых легирующих элементов, 
чему не мешает их относительная дороговизна, так как она 
окупается снижение удельного расхода легирующих элементов и повышением качества получаемых марок стали. 

Низкое содержание легирующих элементов в стали является следствием комплексного легирования с заменой традиционных элементов редкоземельными. 

При использовании этих элементов необходимое упрочнение достигается микропропорциями их введения в основной металл. 

Кроме легирование эти элементы осуществляют измельчение зерна и модифицирование. Эти процессы также повышают конструктивную прочность сталей. 

К настоящему времени известны эффективные технологии легирования ниобием, реже танталом. Одно из крупнейших месторождений тантал-ниобатов — Томторское, открытое на территории республики Саха, хотя значительная часть 
его запасов недостаточно разведана и изучена 

Введение ниобия в конструкционные цементуемые взамен 
молибдена дает хорошие результаты для деталей работающих 
как в условиях контактных нагрузок, так и при динамическом 
нагружении, что характерно для бурового оборудования. 

Использование ванадия для повышения конструктивной 
прочности является перспективным. Ванадий является одним 
из наиболее эффективных легирующих элементов, который 
вводится не только в конструкционные, но и в инструментальные стали. 

Наличие в конструкционной стали 0,1 % V улучшает его 
механические свойства, снижает отпускную хрупкость и делает эту сталь технологичной при термической обработке. 

Как карбидообразующий элемент он образует равномерно распределенные дисперсные карбиды, что способствует 
измельчению зерна и препятствует его росту при последующих операциях термической обработки. Растворяясь в феррите ванадий повышает его предел текучести, а измельчение 
зерна —пластичность. Кроме того, образование дисперсных 
карбидов повышает твердость при сохранении высокого сопротивления ударным нагрузкам и износостойкость. 

4 

Использование таких элементов как Ti, Nb, V позволяет 
повышать качество малоуглеродистых цементуемых, свариваемых сталей, а также среднеуглеродистых конструкционных улучшаемых сталей. 

2. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ 

Значительная экономия материала из-за снижения объемов механической обработки вследствие, получения изделия 
окончательной формы и размеров, сокращение отходов при 
использовании порошковой металлургии делает актуальным 
применение этого процесса при производства деталей. Потери производства порошковой металлургии составляют 1—5 
% , потери при использовании литых и деформируемых заготовок могут доходить до 80 %. 

Использование порошковой технологии изготовления 
деталей включает формирование изделия заданных формы и 
размеров с последующим спеканием или спекаем и термической обработкой. Спекание проводится при температуре ниже температуры плавления самого легкоплавкого элемента 
порошковой смеси. 

Основными элементами технологии порошковой металлургии являются следующие процессы: 

• получение и подготовка исходных порошковых материалов, которые могут представлять чистые металлы или их 
сплавы, металлические соединения, соединения металлов с 
неметаллами и другие химические соединения; 

• формообразование изделия прессованием из подготовленной шихты его необходимой формы и размеров; 

• спекание и термическая обработка для создания окончательных физико-механических свойств; 

• при производстве могут встречаться совмещение операций прессования и спекания, пропитка пористого брикета 
расплавом и другая обработка изделий. 

Однако основа технологии — применение порошковой 
шихты и спекание остаются неизменными. Эта технология 
представляет широкие возможности для создания материалов 
с особыми специальными свойствами, которые нельзя полу
5 

чить, применяя другие известные методы промышленного изготовления. 

Технология порошковой металлургии позволяет получать псевдо сплавы их таких элементов, как медь-вольфрам, 
серебро-вольфрам, которые широко используются как электропроводные материалы обладающие высокой электоэррозионной стойкостью, что делает их незаменимыми для электроконтактных изделий. 

Получение твердых сплавов невозможно без применения 
порошковой технологии. Высокие режущие и породоразрушающие свойства этих сплавов являются результатом сочетания в одном материале твердых и прочных карбидов с пластичным кобальтом. 

Таблица 1.1 

Методы получения 
Материалы 

Me 

Обработка металлов резанием 

Дробление и размол в шаровых, 
вибрационных 
и 
молотковых 
мельницах 

Размол в вихревых мельницах 

Распыление расплавленного металла сжатым газом или дробление струи лопатками вращающегося диска 

Грануляция (литье в воду) 

ханические 

Сталь, латунь, 
бронза, 
малокремнистый чугун и т.п. 

Fe, Fe—Ni, 
Fe—Al, 
Fe—Cr, Ni 
Ti, 
Fe—Si, Mn, Cr, Si и др. 

Fe, Fe—Ni, Си, сталь, Al и др. 

Fe, Си, Ag, Ni, Al, Pb, Sn, Zn, стали и 
различные сплавы с невысокой температурой плавления. 

Fe, Си, Ag, Pb, Sn, Zn. 

Физик 

Восстановление окислов и солей 

Электролиз водных растворов 

Электролиз расплавленных сред 

Диссоциация карбонилов 

Конденсация 

Электроэрозия 

Межкристаллическая коррозия 

о-химические 

Fe, Ni, Co, W, Mo, Си, Cr, Fe—Ni, Fe— 
Ni—Mo, Ni—Си, Ti, V, Та. Zr, Nb, Re, 
различные сплавы и тугоплавкие соединения. 

Fe, Ni, Си, Pb, Zn, Fe—Ni, 
Fe—Ni— 
Mo, Ag. 

Та, Nb, Th, Be, Zr, Ti 

Fe, Ni, Co, Fe - N i , W, Mo 

Zn 

Любые металлы и сплавы 

Нержавеющая сталь, Fe—Ni, сплавы 

6 

К основным достоинствам металлокерамической технологии можно отнести в первую очередь следующие: 

1. Изготовление большинства тугоплавких металлов и 
соединений, псевдосплавов, пористых материалов возможно 
только методом порошковой металлургии. 

2. Значительная экономия металла в связи с возможностью прессования изделий с окончательными размерами, не 
нуждающихся или почти не нуждающихся в последующей механической обработке, отходы металлокерамического производства составляют всего 1—5 %, потери же металла при 
обычных методах изготовления могут доходить до 80 %. 

3. Возможность получения материалов высокой чистоты, 
ибо металлокерамическая технология не привносит , в отличие от литья, никаких загрязнений в изготавливаемый металл. 

4. Металлокерамическая технология по своему характеру 
несложна, и основные операции создания порошковых изделий не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала. 

Основные методы получения порошков и используемые 
для этого материалы приведены в табл. 1.1. 

3. САМОРАСПРОСТРАНЯЮЩИЙСЯ 
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИНТЕЗ 

Перспективной технологией получения новых материалов является технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. 

В любом веществе атомы соединены между собой связями, определяющими внутреннюю энергию вещества. Если 
при химической реакции между веществами возникает энергия, то она может выделяться в виде тепла. В этом случае идет 
экзотерическая реакция. Горение относится к экзотерическим 
реакциям особого типа. Главное отличие этой реакции самоускорение, причем неуклонно нарастающее. 

В качестве окислителя в этих реакциях чаще всего используется кислород, но могут быть использованы хлор или 
фтор. Реакции идут с большим перепадом концентрации вещества, температуры, а иногда и давления в пространстве. 

7 

Окисление сопровождается дроблением горючего, переходом его в газовую фазу в виде капель и частиц. Даже в металл отер мических реакциях, например, в хорошо известных 
термитных смесях алюминия и окиси железа, как промежуточный продукт выделяется газ и субокислы алюминия. Имеет место газовое горение. 

Некоторые ученые, А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская, 
В.М. Шапиро пытались добиться безкислородного газового 
горения. 

Этот процесс проводили в герметическом объеме и атмосфере азота. Первые опыты относились к системе Ti—В. 
Спрессованную смесь порошков этих веществ удалось зажечь 
лишь при очень высокой температуре. В процессе сгорания 
образец не распался, но изменил цвет, приобрел твердость и 
прочность. Он резал стекло, так как образовалось соединение 
TiB2, более твердое, чем корунд. Таким образом безкислородное горение обеспечило синтез нового вещества — TiB2. 

В одном из экспериментов сгоревший образец оказался 
тяжелее первичного, хотя горел в замкнутом объеме, заполненном азотом. Анализ показал присутствие азота в сгоревшем продукте. Азот, который раньше при горении взрывчатых веществ и пороха всегда использовался как инертный газ 
для создания давления газовой среды, обеспечил новый тип 
горения, стал реагентом, химическим реактивом, обеспечившим получение сверхтвердых соединений, называемых нитридами. 

С описанных опытов берет свое начало СВС — самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Многие соединения и до СВС готовили методами печного синтеза. И 
бывали случаи, когда взрывом разносило печку. Было понятно, что работают со смесями, имеющими запас химической 
энергии, что взрыв связан с быстрым выделением тепла. По 
терминологии классической теории горение, это тепловой 
взрыв. Чтобы избежать неприятностей, уменьшали температуру смеси и массу шихты, что сильно снижало эффективность технологии. Между тем организовать технологический 
процесс по другой схеме, использовать даровое тепловыделение, то есть придумать СВС — не догадывались. 

В кристалле взаимодействие атомов столь велико, что не 
приходится даже говорить о том, чтобы они изменили свое 
8 

место в кристаллической решетке. Максимум возможного — 
тепловые колебания около равновесия. А для того, чт,обы 
произошла химическая реакция, атомы веществ — реагентов 
должны как минимум вплотную подойти друг к другу. Механизм, с помощью которого они могут это сделать, давно и 
хорошо известен — диффузия чужеродных атомов в твердое 
тело. Если плотно прижать пластинки свинца и серебра, то 
через несколько часов некоторые атомы серебра проникнут в 
свинец. 

Можно ускорить процесс, повысив температуру. Тепло 
заставляет атомы активнее вступать во взаимодействие, на 
этом основан печной синтез соединений из реагентов в твердой фазе. 

Среди большого количества разнообразных твердофазных реакций очень интересны крайне медленные, например, 
между танталом, ниобием, молибденом, с одной стороны, и 
углеродом, бором, с другой стороны. Их отличие в том, что 
они автотормозящиеся. При контакте тантала с бором, например, когда оба находятся в твердом состоянии, в месте их 
контакта возникает твердый же диффузионный барьер, мешающий атомам одного вещества проникать в другое и наоборот. Скорость химической реакции падает, и в ряде случаев она затухает уже на начальных стадиях. 

Но оказывается, что в определенных условиях диффузионные барьеры могут быть легко преодолены, после чего 
крайне медленные процессы протекают чрезвычайно быстро 
— за доли секунды. Такое бывает, если, к примеру, берут реагенты в смеси тонких порошков. У каждой порошкообразной 
частицы имеется своя поверхность, благодаря чему площадь 
взаимодействия в порошке в тысячи раз превышает площадь 
взаимодействия таких же по массе сплошных твердых кусков, 
то же случается, если посылают на небольшой участок короткий, но мощный тепловой импульс. Он нагревает участок до 
очень высоких температур, достаточных для пробуждения активности. Образующееся соединение обладает меньшей внутренней энергией кристаллической решетки по сравнению с 
веществами, вступающими в контакт. Выделенный в виде тепла избыток энергии прогревает соседние слои смеси, где все 
повторяется. В таком самораспространяющемся процессе хи
9 

мическая реакция ограничена зоной глубокого прогрева, самопроизвольно движущейся по смеси реагентов благодаря 
выделению и передаче тепла. Появляется бегущая волна — 
типичная волна горения. Это и есть СВС. Синтез нового соединения служит и причиной, и следствием процесса — он 
возможен лишь при высокой температуре, но температура 
поднимается благодаря синтезу. 

В газе диффузия идет чрезвычайно быстро, атомы активны, легко перемещаются и легко вступают в реакцию. В СВС 
в ряде случаев горение не сопровождается ни плавлением реагентов, ни переходом их в газ. От начала и до конца все вещества (и исходные, и промежуточные, и конечные) находятся в 
твердом состоянии. Отсюда и образное название — «твердое 
пламя». Возможность чисто твердофазного горения, без усиливающего действия жидких и газообразных веществ, ранее 
была неизвестна и даже не предполагалась. 

Открытие СВС коренным образом изменило существующие представления, позволило понять механизм интенсификации реакций в твердой фазе, протекающий с автоторможением. Сложилась теория безгазового горения — новый крупный раздел современной науки о горении. 

Стало реальным резко убыстрить образование тугоплавких соединений из таких малоактивных компонентов, как молибден, ванадий, кремний, бор и пр. Перечень всех элементов, 
способных к горению в обнаруженном режиме, очень велик, а 
число их сочетаний поистине огромно, предел там, где реакция не выделяет тепла или, наоборот, поглощает его. Но на 
долю СВС остается великое множество вариаций. К системе 
реагентов, составленной из простых элементов таблиц Менделеева, в последнее время прибавились соединения, с одной 
стороны, из элементов, с другой — из сложных веществ 
(окислов, сплавов). Иногда компонентов бывает четыре, 
пять. Теоретически количество соединений, которые могут 
быть получены с помощью СВС, возрастает многократно. 

Осуществлен СВС в смесях порошков окислов металлов. 
Здесь-то, казалось бы, чему гореть? Все компоненты уже 
окислены. Между тем оказалось, что при СВС идет образование сложного окисла новой структуры из простых. Тепла выделяется мало, однако вполне достаточно для поддержания 
медленного, но неуклонно распространяющегося процесса. 

10