Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом
The structural and chemical state of thermite alloy layer formation on the basis of chromium and on the basis of iron on a steel substrate received by means of self-propagating high-temperature synthesis is analyzed. High-temperature self-propagating synthesis covers a strong exothermic reaction of...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Physico-technological Institute of Metals and Alloys
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/135 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Metal and Casting of Ukraine |
| Download file: |  |
Institution
Metal and Casting of Ukraine| _version_ | 1871465380415799296 |
|---|---|
| author | Скідін, І.Е. Бєлов, Б.Ф. Воденнікова, О.С. Воденніков, С.А. Саітгареєв, Л.Н. Бабошко, Д.Ю. |
| author_facet | Скідін, І.Е. Бєлов, Б.Ф. Воденнікова, О.С. Воденніков, С.А. Саітгареєв, Л.Н. Бабошко, Д.Ю. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "І.Е. Скідін",
"institution": "Криворізький національний університет"
},
{
"author": "Б.Ф. Бєлов",
"institution": "Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України"
},
{
"author": "О.С. Воденнікова",
"institution": "Запорізький національний університет"
},
{
"author": "С.А. Воденніков",
"institution": "Національний університет «Запорізька політехніка»"
},
{
"author": "Л.Н. Саітгареєв",
"institution": "Криворізький національний університет"
},
{
"author": "Д.Ю. Бабошко",
"institution": "Криворізький національний університет"
}
] |
| author_sort | Скідін, І.Е. |
| baseUrl_str | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-22T13:37:39Z |
| description | The structural and chemical state of thermite alloy layer formation on the basis of chromium and on the basis of iron on a steel substrate received by means of self-propagating high-temperature synthesis is analyzed. High-temperature self-propagating synthesis covers a strong exothermic reaction of the mixture, i.e. combustion reaction; the process is characterized by high temperature (≈ 3000 °C) and high rate of propagation of the combustion front (0.5–15 cm/s). As a result of high-temperature self-propagating synthesis, iron is reduced from oxides and the fine components of the charge are melted.
Based on the stochastic analysis of the material balance of structural and chemical reactions of the initial components of the charge (steel scale, aluminum powder, carburetor for carburization, iron powder or chromium powder) the mechanism of formation of metal, slag and gas phases under alumina and thermo self-propagating high-temperature synthesis is presented. It is approved that in the process of forming thermite alloy layer on a steel substrate by high-temperature aluminothermy self-propagating synthesis, nonmetallic inclusions, so-called corundum centers, which are the product of the reaction of iron oxide with aluminum, are formed in the structure of the termite alloy, chromium and iron carbides. This statement was confirmed by metallographic studies of samples of termite alloy based on iron and samples of termite alloy based on chromium, which showed that the macrostructure of the formed layer is represented by a ferrite and perlite matrix content, cemented or iron-chromium cementite in the amount of 83.0 % and nonmetallic inclusion in the form of alumina in the amount of 17.0 %. It was found that the microhardness of the samples from the formed layer of thermite alloy obtained from the mixture based on chromium is 1.3 times higher than the microhardness of the samples obtained from the mixture based on iron. |
| first_indexed | 2026-03-12T15:50:43Z |
| format | Article |
| fulltext |
69ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
Застосування самопоширюваного високотемпе-
ратурного синтезу (СВС) [2–4] для отримання рідкого
термітного сплаву поступово стає все більш перспек-
тивним та може стати економічно доцільною техно-
логією виробництва біметалевих виливків. Особлива
увага приділяється механізму формування структури
та утворення продуктів в самопоширюваних терміт-
них реакціях [5–7]. Для отримання щільного СВС-
матеріалу з високими фізико-механічними характе-
В
ступ. На сьогодні алюмінотермічний процес,
який реалізується при горінні термітної суміші по-
рошків алюмінію та оксиду заліза і призводить до
отримання так званого термітного заліза, широ-
ко використовується при зварюванні рейок, сталевих
труб, металевих конструкцій, для отримання литого
металу, лігатур, феросплавів, вогнетривів, виправ-
ленні дефектів лиття, нанесення зносостійких по-
криттів і для інших цілей [1].
ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020, № 4 (323), хх-хх
УДК 669.018:621.791.92:543:669.719
І.Е. Скідін1, ст. викладач, e-mail: skidina1979@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-3247-473X
Б.Ф. Бєлов2, канд. техн. наук, e-mail: belosvet100@mail.ru
О.С. Воденнікова3, канд. техн. наук, доц., e-mail: oksana_vodennikova@ukr.net, https://orcid.org/0000-0003-0496-5435
С.А. Воденніков4, д-р техн. наук, проф., e-mail: s_vodennikov@i.ua, https://orcid.org/0000-0002-5563-5244
Л.Н. Саітгареєв1, канд. техн. наук, доц., e-mail: saitgareev.levan@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-6841-3202
Д.Ю. Бабошко1, канд. техн. наук, ст. викладач, e-mail: metall.babochko@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2332-4721
1Криворізький національний університет (Кривий Ріг, Україна)
2Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України (Київ, Україна)
3Запорізький національний університет (Запоріжжя, Україна)
4Національний університет «Запорізька політехніка» (Запоріжжя, Україна)
Аналіз структурно-хімічного стану формування шару
термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним
високотемпературним синтезом
Проаналізовано структурно-хімічний стан формування шару термітного сплаву на основі хрому та на основі за-
ліза на сталевій підкладці, отриманого за допомогою самопоширюваного високотемпературного синтезу. Само-
поширюваний високотемпературний синтез полягає у протіканні сильної екзотермічної реакції (реакції горіння)
суміші, процес характеризується високою температурою (≈ 3000 °С) і великою швидкістю поширення фронту
горіння (0,5–15 см/с). В результаті самопоширюваного високотемпературного синтезу відбувається відновлення
заліза з оксидів і розплавлення тонкодисперсних компонентів шихти.
На основі стохастичного аналізу матеріального балансу хімічних реакцій вихідних компонентів шихти (сталевої
окалини, порошку алюмінію, карбюризатора для навуглецювання, залізного порошку або порошку хрому) пред-
ставлено механізм утворення металевої, шлакової та газової фаз при самопоширюваному високотемпературно-
му синтезі.
Показано, що в процесі формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високо-
температурним синтезом, в структурі термітного сплаву утворюються неметалеві включення (так звані корундові
центри, які є продуктом реакції оксиду заліза з алюмінієм), які створюють ефект інокулюючого модифікування
термітного сплаву та впливають на зародження карбідів хрому та карбідів заліза. Дане твердження знайшло під-
твердження в металографічних дослідженнях зразків термітного сплаву на основі заліза та зразків термітного
сплаву на основі хрому, які показали, що макроструктура сформованого шару представлена ферито-перлітною
матрицею, що містить цементит або залізо-хромовий цементит у кількості 83,0 % і неметалеві включення у ви-
гляді глинозему у кількості 17,0 %.
Встановлено, що мікротвердість зразків із сформованого шару термітного сплаву, отриманого з шихти на основі
хрому, в 1,3 рази вище ніж мікротвердість зразків, отриманих з шихти на основі заліза.
Ключові слова: самопоширюваний високотемпературний синтез, алюмотермічні реакції, сформований шар,
структурно-хімічний стан, термітний сплав.
https://doi.org/10.15407/scin15.04.005
70 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
тів шихти (табл. 1): сталеву окалину, порошок алюмі-
нію марки ПА-2 (ГОСТ 6058-73), порошок заліза мар-
ки ПЖРВ 2.300.28 (ГОСТ 9849-86), порошок хрому
марки ПХА (ГОСТ 14-00186482-051-2005) та карбю-
ризатор для навуглецювання у вигляді модифікатора
марки МК91А.
Хімічний склад вихідних компонентів шихти та
продуктів алюмотермічних реакцій визначали за до-
помогою спектрального аналізу.
Металографічні дослідження зразків шихти на
основі хрому (шихта № 2) з травленням та без трав-
лення проводили на оптичному горизонтальному
мікроскопі марки МІМ-8. На нетравлених шліфах ди-
ференційовано мікротвердомером ПМТ-3 відповідно
до методу Брінелля (ГОСТ 9450-75) визначили мікро-
твердість зразків з шихти № 1 та шихти № 2.
У якості сталевої підкладки (основи) використову-
вали прокат товстолистовий з вуглецевої сталі марки
СтЗсп.
Результати дослідження. При відсутності екс-
периментальних даних про форму існування алю-
мінію і вуглецю в сформованому шарі термітного
сплаву розглянуто наступний з можливих (імовірних)
послідовний порядок реалізації структурно-хімічних
реакцій:
6(Fe2O3)ш + 6(Al)ш → 6FeМе + 3(Al2O3)шл + 3(Fe2O3)шл. (2)
При відомому складі в шихті № 1 окалини (100 кг)
і алюмінію (30 кг), що відповідає 56,7 кг глинозему в
шлаку (Al2O3)шл, в якому міститься 26,71 кг кисню, тоді
як в окалині знаходиться 30,0 кг кисню і 70,0 кг заліза.
Отже, залишок кисню в кількості 3,3 кг свідчить про
надмірну кількість в шлаку 11,0 кг (Fe2O3)шл, який до-
датково відновлюється вуглецем за реакцією:
3(Fe2O3)шл + 13(C)ш → 2(Fe3C)Me + 2(C)шл + 9СО ↑. (3)
При заданій кількості окалини 11,0 кг в шлаку і
вуглецю 8,9 кг в шихті утворюється 8,25 кг цементи-
ту (Fe3C)Me і 5,8 кг СО ↑, на які витрачається вугле-
цю в кількості 0,55 кг на Fe3C і 2,5 кг на CО, в сумі
3,05 кг. Вуглець залишковий шихти (5,85 кг) перехо-
дить в шлак, який розчиняється в металі і випарову-
ється за реакцією:
2(С)шл → (С)Ме + (С)газ. (4)
В отриманому шарі сплаву міститься 4,41 кг вугле-
цю, отже, за реакцією (4) з урахуванням вуглецю в
ристиками необхідно враховувати закономірності
горіння реакційної суміші, формування хімічного і
фазового складів кінцевого продукту, режим криста-
лізації сплаву [8].
Важливим завданням СВС-процесу є отримання
структури термітних сплавів з карбідами металів. Ме-
тод ґрунтується на використанні теплоти від реакції
горіння алюмотермітної суміші для розплавлення по-
рошків шихти з легуючими елементами і отримання
рівнорозподіленої структури на основі карбідів мета-
лів. З основних двох елементів структури – карбідів і
металевої основи утворюється висока зносостійкість
та міцність сплавів, що визначаються характеристи-
ками головного структурного елементу – карбіду.
Постановка проблеми. Відомо, що ефективність
СВС-процесу для утворення зносостійкої поверхні на
деталях сталевих виробів при нанесенні термітного
сплаву залежить від його структурно-хімічного стану.
Однак механізм утворення зміцнюючих фаз мало до-
сліджений і залишається дискусійним питанням.
При організації процесу синтезу сплавів викорис-
товуються «класичні» термітні реакції, що засновані
на окисленні алюмінію і відновленні заліза [9]:
Fe3O4 + Al → Fe + Al2O3. (1)
Для здійснення реакції між алюмінієм і оксидом
заліза шихта повинна бути нагріта до температури
1573–1633 К [10].
На прикладі горіння залізо-алюмінієвого терміт-
ного сплаву у роботі [11] розглянуто термодинаміку
реакції, що протікає, та встановлено закономірності
горіння термітного сплаву.
Тому в підтвердження теорії утворення в структурі
термітного сплаву неметалевих включень (корундо-
вих центрів), які впливають на зародження карбідів
металів, при технології отримання синтезованого
металу, на сьогодні особливо актуальне проведення
аналізу матеріального балансу структурно-хімічних
реакцій утворення оксидних та карбідних фаз [12] в
структурі сформованого шару металу залежно від
складу компонентів шихти при СВС-процесі.
Мета роботи. Проведення стохастичного аналі-
зу структурно-хімічних реакцій утворення оксидних та
карбідних фаз в структурі сформованого шару тер-
мітного сплаву залежно від складу компонентів ших-
ти при СВС-процесі.
Об’єкт та методика дослідження. Для форму-
вання шару термітного сплаву на сталевій підкладці
при СВС-процесі використовували у якості компонен-
Таблиця 1
Вихідний склад компонентів шихти
Склад шихтових матеріалів, кг
Fe2O3 Fe Cr Al C Σ
Шихта № 1 100,0 45,6 – 30,0 8,9 184,5
Шихта № 2 100,0 – 16,6 30,0 6,3 152,9
71ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
цементиті в метал переходить 3,85 кг і 2,0 кг вино-
ситься в атмосферу. Вуглець в металі утворює додат-
ково цементит за реакцією:
3(Fe)Me + (C)Me → (Fe3C)Me. (5)
Вуглець згідно з реакцією (5) в кількості 3,85 кг від-
повідає утворенню цементиту в кількості 57,85 кг, в
якому міститься 54,0 кг заліза.
Вміст заліза в сталевий окалині становить 70,0 кг,
з яких відповідно до реакції (2) в шлак переходить
7,7 кг Fe з 11,0 кг Fe2O3, отже, металевого заліза утво-
рюється 62,3 кг (Fe)Me. Загальна кількість заліза ста-
новить 70,0 (Fe2O3)ш + 45,6 (Fe)ш = 115,6 кг.
Глинозем з шлаку частково переходить в метал
згідно з реакцією:
3(Al2O3)шл → (Al2O3)Me + 2(Al2O3)шл. (6)
В отриманому шарі сплаву міститься 8,81 кг алюмінію,
що відповідає 16,7 кг глинозему в металі (Al2O3)Me і 40,0 кг
(Al2O3)шл при утворенні 56,7 кг загального глинозему.
Сумарна реакція Σ(2+6), яка визначає загальний
матеріальний баланс процесу формування шару тер-
мітного сплаву, має вигляд:
Σ(2+6): 6(Fe2O3)ш + 6(Al)ш + 13(С)ш + (Fe)ш →
→ 9(СО) ↑ + (С) ↑ + (Fe) ↑ + FeМе +
+ 3(Fe3С)Ме + (Al2O3)Me + 2(Al2O3)шл. (7)
Маса шихтових матеріалів становить (кг):
Мш = 100,0 (окалина) + 45,6 (залізний порошок) +
+ 30,0 (алюмінієвий порошок) + 8,9 (карбюризатор) =
= 184,5 кг.
Маса отриманого шару Мме ≈ 98,0 кг містить (кг):
15,2FeМе + 66,1(Fe3С)Ме + 16,7(Al2O3)Me.
Маса металевого заліза МFe = 15,2 кг визначається
зі співвідношення:
98,0 - (66,1Fe3С + 16,7Al2O3) = 15,2 кг.
Маса заліза в газовій фазі становить:
М(Fe)газ = 115,6 - (15,2FeМе + 61,7Fe з Fe3С) = 38,7 кг.
Маса газової фази становить:
Мгаз = 5,8СО + 2,0С + 38,7 Fe = 46,5 кг.
Ваговий склад продуктів процесу формування ша-
ру термітного сплаву включає суму маси шлаку, маси
газової фази та маси отриманого шару:
40,0 кг + 46,5 кг + 98,0 = 184,5 кг.
Хімічний склад отриманого шару за експеримен-
тальними даними містить:
9,0 % (8,8 кг)Al + 4,5 % (4,4 кг)C + залишок 86,5 %
(84,8 кг).
Залишок включає металеве залізо в кількості
15,2 кг Fe + 61,7Fe (Fe3С) = 76,9 кг (78,5 %), решта
84,8 - 76,9 = 7,9 кг (8,0 %) є нев'язкою за рахунок не-
врахованих домішок шихтових матеріалів.
Ваговий склад шихтових матеріалів визначає мі-
кроструктуру сформованого шару, що складається
з ферито-перлітної матриці (83,0 %) з включеннями
глинозему (17,0 %).
При використанні шихти на основі хрому (шихта
№ 2) наведено ряд структурно-хімічних реакцій для
шихти на основі заліза (шихта № 1), доповнений ре-
акцією утворення карбідів хрому:
2(Cr)Ме + (C)Ме → (Cr2C)Ме. (8)
Стабільними фазами є хімічні сполуки при кратних
співвідношеннях стехіометричних коефіцієнтів [13].
Це відноситься і до карбідів хрому. Згідно з даними
роботи [14], відомі карбіди хрому з дробовими сте-
хіометричними коефіцієнтами Cr23C6 (94,3/5,7) % і
Cr2C3 (91,0/9,0) % є твердими розчинами на базі Cr4C
(94,5/5,5) % і Cr2C (89,7/10,3) % відповідно.
В отриманому шарі утворюється комплексна кар-
бідна фаза згідно з реакцією:
FeМе + 3(Fe3С)Ме + (Cr2C)Ме → Fe10Cr2C2 → 2(Fe5CrC), (9)
яка містить, %мас.: 78,7Fe + 14,6Cr + 6,7С, що відпо-
відає складу цементиту, легованого хромом [15].
Розподіл хімічних елементів шихтових матеріалів
визначається за викладеною методикою з матеріаль-
ного балансу сумарної реакції (9):
Σ (7 + 8): 6(Fe2O3)ш + 6(Al)ш + 2(Cr)ш + 14(С)ш →
→ 9(СО) ↑ + (С) ↑ + (Cr) ↑ + (Fe) ↑ + FeМе +
+ 3(Fe3С)Ме + (Cr2C)Ме + (Al2O3)Me + (Al2O3)ш. (10)
Матеріальний баланс реакції (10) включає:
Мш = 100,0(Fe2O3) + 30,0(Al) + 16,6(Cr) + 6,3(С) =
= 152,9 кг.
Мме = 20,8(Fe) + 18,0(Fe3С) + 18,3(Cr2C) +
+ 11,8(Al2O3) = 68,9 кг.
Мшл = 44,9 кг (Al2O3).
Мгаз = 5,75(СО) + 0,75(С) + 32,3(Fe) + 0,3(Cr) =
= 39,1 кг.
ΣМ = Мме + Мшл + Мгаз = 68,9 + 44,9 + 39,1 = 152,9 =
= Мш.
Обговорення результатів. Експериментальні
та розрахункові дані про склад і кількість продуктів
алюмотермічної реакції при формуванні шару тер-
мітного сплаву на сталевій підкладці представлено
в табл. 2 та 3. Розподіл продуктів алюмотермічних
реакцій за складовими фазами представлено в
табл. 4.
Спектральний аналіз шихти на основі хрому (ших-
та № 2) показав, що отриманий шар містить, %мас.:
9,0Al + 23,6Cr + 4,5С + інше, що відповідає складу
зносостійкого хромистого чавуну (ЗЧХ).
72 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Таблиця 2
Експериментальні дані про склад і кількість продуктів алюмотермічних реакцій в металевій фазі
Шихта
Металева фаза
кг %мас.
Fe Fe3C Cr2C Al2O3 ∑ Fe Cr Al C Залишок ∑
Шихта № 1 15,2 66,1 – 16,7 98,0 78,5 – 9,0 4,5 8,0 100,0
Шихта № 2 20,8 18,0 18,3 11,8 68,9 54,6 23,6 9,0 4,5 8,3 100,0
Таблиця 3
Розрахункові дані про склад і кількість продуктів алюмотермічних реакцій в газовій та шлаковій
фазах
Шихта
Шлакова фаза, кг Газова фаза, кг
Al2O3 СО С Cr Fe ∑
Шихта № 1 40,0 5,8 2,0 – 38,7 46,5
Шихта № 2 44,9 5,75 0,75 0,30 32,3 39,1
Таблиця 4
Розподіл продуктів алюмотермічних реакцій за складовими фазами
Шихта
Склад продуктів, %мас.
металева фаза шлакова фаза газова фаза
Шихта № 1 53,0 21,8 25,3
Шихта № 2 45,0 29,4 25,6
Таблиця 5
Мікротвердість зразків сформованого шару термітного сплаву
Шихта Мікротвердість сформованого шару, МПа
Шихта № 1 –
зразок № 1 6260
зразок № 2 6050
зразок № 3 6010
Шихта № 2 –
зразок № 1 7740
зразок № 2 7765
Макроструктура шару термітного сплаву на основі хрому при СВС-процесі: а – зразок без травлення; б – зразок з травленням
73ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Дослідження мікротвердості сформованого шару
термітного сплаву показали на перевищення зна-
чення мікротвердості отриманого шару для шихти
на основі хрому в 1,3 рази в порівнянні з шихтою на
основі заліза (табл. 5). Причому у зразках № 2 та
№ 3 шихти на основі хрому мікротвердість отрима-
ного шару була менше ніж у зразку № 1. Різниця
твердості в досліджуваних зразках пояснюється від-
мінною швидкістю кристалізації сформованого шару
термітного сплаву.
Металографічні дослідження підтвердили, що ма-
кроструктура сформованого шару шихти на основі
хрому (шихта № 2) вміщує неметалеві включення у
вигляді корунду (продукту реакції оксиду заліза з алю-
мінієм) (рисунок) та складається з ферито-перлітної
матриці з включеннями цементиту, легованої хромом
у кількості 83,0 %, і неметалевих включень глинозему
у кількості 17,0 %. Неметалеві включення створюють
ефект інокулюючого модифікування термітного спла-
ву та сприяють утворенню карбідів хрому.
Висновки
1. Представлено механізм утворення металевої,
шлакової й газової фаз при СВС-процесі на основі
стохастичного аналізу матеріального балансу хіміч-
них реакцій вихідних компонентів шихти.
2. Встановлено, що зміцнюючими фазами сфор-
мованого шару залежно від складу шихти є:
– для шихти на основі заліза – карбід заліза (це-
ментит) у кількості 83 % та глинозем (корунд) у кіль-
кості 17,0 %;
– для шихти на основі хрому – легований хро-
мом цементит у кількості 52,9 % (містить 78,7 % Fe +
+ 14,6 % Cr + 6,7 % С) та глинозем у кількості 17,0 %.
3. Показано, що макроструктура сформованого
шару термітного сплаву представлена ферито-пер-
літною матрицею, що містить цементит або залізо-
хромистий цементит у кількості 83,0 % і неметалеві
включення (глинозем) у кількості 17,0 %.
4. Встановлено, що мікротвердість зразків із сфор-
мованого шару термітного сплаву, отриманого з ших-
ти на основі хрому, в 1,3 рази вище ніж мікротвердість
зразків, отриманих з шихти на основі заліза.
Надійшла 28.09.2020
1. Яценко В.В. Горение гранулированной железоалюминиевой термитной смеси при получении железа и его композита
с карбидом титана: дис. ... канд. техн. наук: 01.04.17 / Сам. гос. техн. ун-т. Самара, 2011. 187 с.
2. Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпера-
турного синтеза материалов; под науч. редакцией В.Н. Анциферова. М.: Машиностроение-1, 2007. 568 с.
3. Новиков Н.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося вы-
сокотемпературного синтеза. В сб.: Процессы горения в химической технологии и металлургии. Черноголовка: ИС-
МАН, 1975. С. 174–188.
4. Концепция развития СВС как области научно-технического прогресса: Мержанов А.Г. (ред.). Черноголовка: Террито-
рия, 2003. 368 с.
5. Orru’ R., Simoncini B., Carta D., Cao G. On the mechanism of structure and product formation in self-propagating thermite
reactions. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1997. Vol. 6. P. 15–27.
6. Orru’ R., Simoncini B., Virdis P.F., Cao G. Self-propagating thermite reactions: effect of alumina and silica in the starting
mixture on the structure of the final products. Metallurgical Science & Technology. 1997. Vol. 15. No. 1. P. 31–38.
7. Orru’ R., Simoncini B., Virdis P.F., Cao G. Mechanism of structure formation in self-propagating thermite reactions: the case of
alumina as diluent. Chemical Engineering Communication. 1998. Vol. 163. P. 23–36.
8. Евтушенко А.Т. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез инструментальной стали. Известия Томско-
го политехнического института. 2008. Т. 313. № 3. С. 100–104.
9. Жигуц Ю.Ю., Похмурський В.І., Скиба Ю.Ю., Легета Я.П. Матеріали синтезовані металотермією і СВС-процесами. На-
уковий вісник Ужгородського університету. Серія Фізика. 2004. Випуск 16. С. 93–103.
10. Малкин Б.В., Воробьев А.А. Термитная сварка. Москва: Издательство Министерства жилищно-коммунального хозяй-
ства РСФСР, 1963. 104 с.
11. Яценко В.В., Амосов А.П., Самборук А.Р. Термодинамические исследования горения железоалюминиевого термита.
Вестник Самарского государственного технического университета. Сер. физ-мат. науки. 2011. № 2. С. 121–126.
12. Белов Б.Ф., Троцан А.И., Карликова Я.П. Структурно-химические основы процессов рафинирования железоуглероди-
стых расплавов: монография. Мариуполь: ПГТУ, 2018. 184 c.
13. Рэмсден Э.Н. Начала современной химии. Пер. с англ., Ленинград: Химия, 1989. 784 с.
14. Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3 т.: Т. 1.; под общ. ред. Н.П. Ляки-
шева. М.: Машиностроение, 1996. 992 с. ISBN 5-217-02688-Х.
15. Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе
железа: справочное издание. М.: Металлургия, 1986. 440 с.
ЛІТЕРАТУРА
74 ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
1. Yatsenko, V.V. (2011). Combustion of granular iron-aluminum thermite mixture in the production of iron and its composite with
titanium carbide. Candidate’s thesis. Samara State Technical University, Samara, Russian Federation, 187 p. [in Russian].
2. Amosov, A.P., Borovinskaya, I.P., Merzhanov, A.G. (2007). Powder technology of self-propagating high-temperature synthesis
of materials. Antsiferova, V.N. (Eds.). Moscow: Mashinostroenie-1, 568 p. [in Russian].
3. Novikov, N.P., Borovinskaya, I.P., Merzhanov A.G. (1975). Thermodynamic analysis of reactions of self-propagating high-
temperature synthesis. In collection: Combustion processes in chemical technology and metallurgy. Chernogolovka: ISMAN,
pp. 174–188 [in Russian].
4. Merzhanov, A.G. (Eds.). (2003). The concept of SHS development as an area of scientific and technological progress.
Chernogolovka: Territoriya, 368 p. [in Russian].
5. Orru’, R., Simoncini, B., Carta, D., Cao, G. (1997). On the mechanism of structure and product formation in self-propagating
thermite reactions. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, vol. 6, pp. 15–27.
6. Orru’, R., Simoncini, B., Virdis, P.F., Cao, G. (1997). Self-propagating thermite reactions: effect of alumina and silica in the
starting mixture on the structure of the final products. Metallurgical Science & Technology, vol. 15, no. 1, pp. 31–38.
7. Orru’, R., Simoncini, B., Virdis, P.F., Cao, G. (1998). Mechanism of structure formation in self-propagating thermite reactions:
the case of alumina as diluent. Chemical Engineering Communication, vol. 163, pp. 23–36.
8. Evtushenko, A.T. (2008). Self-propagating high-temperature synthesis of tool steel. Bulletin of the Tomsk Polytechnic Institute,
vol. 313, no. 3, pp. 100–104 [in Russian].
9. Zhiguts, Yu.Yu., Pokhmursky, V.I, Skiba, Yu.Yu., Legeta Ya.P. (2004). Materials synthesized by metallothermy and SHS
processes. Scientific Bulletin of Uzhhorod University. Ser. Physics, iss. 16, pp. 93–103 [in Ukrainian].
10. Malkin, B.V., Vorobiev, A.A. (1963). Termite welding. Moscow: Publishing House of the Ministry of Communal Services of the
RSFSR, 104 p. [in Russian].
11. Yatsenko, V.V., Amosov, A.P., Samboruk, A.R. (2011). Thermodynamic studies of the combustion of iron-aluminum termite.
Bulletin of Samara State Technical University. Ser. phys-mat. science, no. 2, рр. 121–126 [in Russian].
12. Belov, B.F., Trotsan, A.I., Karlikova, Ya.P. (2018). Structurally chemical foundations of refining processes for iron-carbon melts:
monograph. Mariupol: PGTU, 184 p. [in Russian].
13. Remsden, E.N. (1989). The beginnings of modern chemistry. Transl. from English. Leningrad: Chemistry, 784 p. [in Russian].
14. Lyakishev, N.P. (Eds.). (1996). State diagrams of double metal systems: reference book: in 3 volumes, vol. 1. Moscow:
Mashinostroenie, 992 p. [in Russian].
15. Bannykh, O.A., Budberg, P.B., Alisova, S.P. et al. (1986). Diagrams of state of double and multi-component systems based on
iron: reference edition. Moscow: Metallurgiya, 440 p. [in Russian].
REFERENCES
Received 28.09.2020
75ISSN 2077-1304. Met. lit'e Ukr., vol. 28, 2020. № 4 (323)
СПЕЦІАЛЬНІ МЕТОДИ ЛИТТЯ
Summary I.Е. Skidin1, Senior Lecturer, e-mail: skidina1979@gmail.com,
https://orcid.org/0000-0003-3247-473X
B.F. Belov2, PhD (Engin.), e-mail: belosvet100@mail.ru
О.S. Vodennikova3, PhD (Engin.), Associate Professor,
e-mail: oksana_vodennikova@ukr.net, https://orcid.org/0000-0003-0496-5435
S.А. Vodennikov4, Dr. Sci. (Engin.), Professor, e-mail: s_vodennikov@i.ua,
https://orcid.org/0000-0002-5563-5244
L.N. Saithareiev1, PhD (Engin.), Associate Professor,
e-mail: saitgareev.levan@gmail.com, https://orcid.org/0000-0002-6841-3202
D.Yu. Baboshko1, PhD (Engin.), Senior Lecturer,
e-mail: metall.babochko@gmail.com, https://orcid.org/0000-0003-2332-4721
1Kryvyi Rih National University (Kryvyi Rih, Ukraine)
2Institut for Problems in Material Science of I.M. Frantsevich of the NAS of
Ukraine (Kyiv, Ukraine)
3Zaporizhzhia National University (Zaporizhzhia, Ukraine)
4Zaporizhzhia Polytechnic National University (Zaporizhzhia, Ukraine)
Analysis of the structural and chemical state of thermite alloy layer formation on a steel
substrate by self-propagating high-temperature synthesis
The structural and chemical state of thermite alloy layer formation on the basis of chromium and on the basis of iron on a steel
substrate received by means of self-propagating high-temperature synthesis is analyzed. High-temperature self-propagating
synthesis covers a strong exothermic reaction of the mixture, i.e. combustion reaction; the process is characterized by high
temperature (≈ 3000 °C) and high rate of propagation of the combustion front (0.5–15 cm/s). As a result of high-temperature
self-propagating synthesis, iron is reduced from oxides and the fine components of the charge are melted.
Based on the stochastic analysis of the material balance of structural and chemical reactions of the initial components of the
charge (steel scale, aluminum powder, carburetor for carburization, iron powder or chromium powder) the mechanism of for-
mation of metal, slag and gas phases under alumina and thermo self-propagating high-temperature synthesis is presented.
It is approved that in the process of forming thermite alloy layer on a steel substrate by high-temperature aluminothermy
self-propagating synthesis, nonmetallic inclusions, so-called corundum centers, which are the product of the reaction of iron
oxide with aluminum, are formed in the structure of the termite alloy, chromium and iron carbides. This statement was con-
firmed by metallographic studies of samples of termite alloy based on iron and samples of termite alloy based on chromium,
which showed that the macrostructure of the formed layer is represented by a ferrite and perlite matrix content, cemented or
iron-chromium cementite in the amount of 83.0 % and nonmetallic inclusion in the form of alumina in the amount of 17.0 %.
It was found that the microhardness of the samples from the formed layer of thermite alloy obtained from the mixture based on
chromium is 1.3 times higher than the microhardness of the samples obtained from the mixture based on iron.
Self-propagating high-temperature synthesis, aluminothermic reactions, formed layer, struc-
tural-chemical state, thermite alloy.Keywords
|
| id | oai:oai.metalsandcasting.com:article-135 |
| institution | Metal and Casting of Ukraine |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-23T01:01:07Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Physico-technological Institute of Metals and Alloys |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwmetalsandcastingcom/65/eb47d8515165b84561453186c31c0465.pdf |
| spelling | oai:oai.metalsandcasting.com:article-1352026-07-22T13:37:39Z Analysis of the structural and chemical state of thermite alloy layer formation on a steel substrate by self-propagating high-temperature synthesis Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом Скідін, І.Е. Бєлов, Б.Ф. Воденнікова, О.С. Воденніков, С.А. Саітгареєв, Л.Н. Бабошко, Д.Ю. self-propagating high-temperature synthesis aluminothermic reactions formed layer structural-chemical state thermite alloy самопоширюваний високотемпературний синтез алюмотермічні реакції сформований шар структурно-хімічний стан термітний сплав The structural and chemical state of thermite alloy layer formation on the basis of chromium and on the basis of iron on a steel substrate received by means of self-propagating high-temperature synthesis is analyzed. High-temperature self-propagating synthesis covers a strong exothermic reaction of the mixture, i.e. combustion reaction; the process is characterized by high temperature (≈ 3000 °C) and high rate of propagation of the combustion front (0.5–15 cm/s). As a result of high-temperature self-propagating synthesis, iron is reduced from oxides and the fine components of the charge are melted. Based on the stochastic analysis of the material balance of structural and chemical reactions of the initial components of the charge (steel scale, aluminum powder, carburetor for carburization, iron powder or chromium powder) the mechanism of formation of metal, slag and gas phases under alumina and thermo self-propagating high-temperature synthesis is presented. It is approved that in the process of forming thermite alloy layer on a steel substrate by high-temperature aluminothermy self-propagating synthesis, nonmetallic inclusions, so-called corundum centers, which are the product of the reaction of iron oxide with aluminum, are formed in the structure of the termite alloy, chromium and iron carbides. This statement was confirmed by metallographic studies of samples of termite alloy based on iron and samples of termite alloy based on chromium, which showed that the macrostructure of the formed layer is represented by a ferrite and perlite matrix content, cemented or iron-chromium cementite in the amount of 83.0 % and nonmetallic inclusion in the form of alumina in the amount of 17.0 %. It was found that the microhardness of the samples from the formed layer of thermite alloy obtained from the mixture based on chromium is 1.3 times higher than the microhardness of the samples obtained from the mixture based on iron. Проаналізовано структурно-хімічний стан формування шару термітного сплаву на основі хрому та на основі заліза на сталевій підкладці, отриманого за допомогою самопоширюваного високотемпературного синтезу. Самопоширюваний високотемпературний синтез полягає у протіканні сильної екзотермічної реакції (реакції горіння) суміші, процес характеризується високою температурою (≈ 3000 °С) і великою швидкістю поширення фронту горіння (0,5–15 см/с). В результаті самопоширюваного високотемпературного синтезу відбувається відновлення заліза з оксидів і розплавлення тонкодисперсних компонентів шихти. На основі стохастичного аналізу матеріального балансу хімічних реакцій вихідних компонентів шихти (сталевої окалини, порошку алюмінію, карбюризатора для навуглецювання, залізного порошку або порошку хрому) представлено механізм утворення металевої, шлакової та газової фаз при самопоширюваному високотемпературному синтезі. Показано, що в процесі формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом, в структурі термітного сплаву утворюються неметалеві включення (так звані корундові центри, які є продуктом реакції оксиду заліза з алюмінієм), які створюють ефект інокулюючого модифікування термітного сплаву та впливають на зародження карбідів хрому та карбідів заліза. Дане твердження знайшло підтвердження в металографічних дослідженнях зразків термітного сплаву на основі заліза та зразків термітного сплаву на основі хрому, які показали, що макроструктура сформованого шару представлена ферито-перлітною матрицею, що містить цементит або залізо-хромовий цементит у кількості 83,0 % і неметалеві включення у вигляді глинозему у кількості 17,0 %. Встановлено, що мікротвердість зразків із сформованого шару термітного сплаву, отриманого з шихти на основі хрому, в 1,3 рази вище ніж мікротвердість зразків, отриманих з шихти на основі заліза. Physico-technological Institute of Metals and Alloys 2023-06-15 Article Article Рецензована Стаття application/pdf https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/135 Metal and Casting of Ukraine; Vol. 28 No. 4 (2020): Metal and Casting of Ukraine Метал та лиття України ; Том 28 № 4 (2020): Метал та лиття України 2706-5529 2077-1304 uk https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/135/136 Авторське право (c) 2023 І.Е. Скідін, Б.Ф. Бєлов, О.С. Воденнікова, С.А. Воденніков, Л.Н. Саітгареєв, Д.Ю. Бабошко https://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
| spellingShingle | самопоширюваний високотемпературний синтез алюмотермічні реакції сформований шар структурно-хімічний стан термітний сплав Скідін, І.Е. Бєлов, Б.Ф. Воденнікова, О.С. Воденніков, С.А. Саітгареєв, Л.Н. Бабошко, Д.Ю. Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title | Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title_alt | Analysis of the structural and chemical state of thermite alloy layer formation on a steel substrate by self-propagating high-temperature synthesis |
| title_full | Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title_fullStr | Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title_full_unstemmed | Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title_short | Аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| title_sort | аналіз структурно-хімічного стану формування шару термітного сплаву на сталевій підкладці самопоширюваним високотемпературним синтезом |
| topic | самопоширюваний високотемпературний синтез алюмотермічні реакції сформований шар структурно-хімічний стан термітний сплав |
| topic_facet | self-propagating high-temperature synthesis aluminothermic reactions formed layer structural-chemical state thermite alloy самопоширюваний високотемпературний синтез алюмотермічні реакції сформований шар структурно-хімічний стан термітний сплав |
| url | https://www.metalsandcasting.com/index.php/mcu/article/view/135 |
| work_keys_str_mv | AT skídíníe analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT bêlovbf analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT vodenníkovaos analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT vodenníkovsa analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT saítgareêvln analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT baboškodû analysisofthestructuralandchemicalstateofthermitealloylayerformationonasteelsubstratebyselfpropagatinghightemperaturesynthesis AT skídíníe analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom AT bêlovbf analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom AT vodenníkovaos analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom AT vodenníkovsa analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom AT saítgareêvln analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom AT baboškodû analízstrukturnohímíčnogostanuformuvannâšarutermítnogosplavunastalevíjpídkladcísamopoširûvanimvisokotemperaturnimsintezom |