cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2025-1-27-40cvmet-1656Research ArticleЛитейное производствоFoundryПолучение литых лигатур с высоким содержанием Cr методами центробежной СВС-металлургииProduction of cast master alloys with high chromium content using centrifugal SHS metallurgyhttps://orcid.org/0000-0001-6685-1447КубановаА. Н.KubanovaA. N.

 

Анастасия Николаевна Кубанова – аспирант; мл. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

300026, г. Тула, пр-т Ленина, 125

Anastasiya N. Kubanova – Graduate Student; Junior Research Scientist

https://orcid.org/0000-0002-8082-4442ИкорниковД. М.IkornikovD. M.

Денис Михайлович Икорников – науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Denis M. Ikornikov – Research Scientist

https://orcid.org/0000-0001-8402-4605СанинВ. Н.SaninV. N.

Владимир Николаевич Санин – д.т.н., ст. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 8

Vladimir N. Sanin – Dr. Sci. (Eng.), Senior Research Scientist

МартыновД. А.MartynovD. A.

Дмитрий Александрович Мартынов – ген. директор

300025, г. Тула, пр-т Ленина, 102, к. 4

Dmitrу A. Martynov – General Manager

Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН; Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. ТолстогоРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of Sciences; Tula State Pedagogical University n.a. L.N. TolstoyRussian FederationИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАНРоссияMerzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science of the Russian Academy of SciencesRussian FederationООО «Центр исследований, дизайна и технологий»РоссияLLC “Research, Design and Technology Center”Russian Federation2025180320253112740Copyright © Кубанова А.Н., Икорников Д.М., Санин В.Н., Мартынов Д.А., 20252025Кубанова А.Н., Икорников Д.М., Санин В.Н., Мартынов Д.А.Kubanova A.N., Ikornikov D.M., Sanin V.N., Martynov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1656

Методами центробежной СВС-металлургии получены литые лигатуры Mo–Cr, W–Cr и Cr–Al с высоким содержанием Cr. Выполнен термодинамический анализ температуры горения и состава равновесных продуктов в зависимости от соотношения исходных компонентов смеси. На основе анализа определены оптимальные составы для проведения экспериментальных исследований. Экспериментально установлена эффективность применения функциональных добавок CaF2 (плавиковый шпат) и гексафтороалюмината натрия Na3[AlF6] (криолит) с целью снижения температуры плавления шлаковой фазы (уменьшения ее вязкости) и облегчения процесса фазоразделения при производстве литых лигатур из тугоплавких металлов методом центробежной СВС-металлургии. Анализ экспериментов показал необходимость ввода избыточного содержания MoO3 и WO3 при производстве лигатур Mo–Cr и W–Cr соответственно ввиду неполного восстановления Mo и W из их оксидов. Анализ микроструктуры полученных лигатур свидетельствует о наличии дендритной структуры, что типично для литого состояния сплавов. По результатам микроанализов (EDS), все полученные лигатуры близки к своим расчетным и целевым значениям химических составов. Микроанализ состава разных участков слитков не выявил заметных различий по составу сплава. Проведенные рентгенофазовые анализы синтезируемых лигатур показали наличие пиков твердых растворов, сформированных на основе соответствующих целевых элементов. Анализ данных химического состава, полученного с помощью метода масс-спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой, для синтезированных сплавов систем Cr–W, Cr–Mo и Cr–Al выявил их полное соответствие значениям по допустимым концентрациям как целевых элементов, так и примесных компонентов.

Cast master alloys of the Mo–Cr, W–Cr, and Cr–Al systems with high chromium content were produced using the methods of centrifugal SHS metallurgy. A thermodynamic analysis was performed to evaluate the combustion temperature and the equilibrium composition of the reaction products depending on the ratios of the initial components in the mixture. Based on this analysis, optimal compositions were identified for further experimental studies. The effectiveness of functional additives, namely calcium fluoride CaF2 (fluorspar) and sodium hexafluoroaluminate Na3[AlF6] (cryolite), was experimentally confirmed. These additives were shown to lower the melting point of the slag phase (reducing its viscosity), which facilitated phase separation during the production of cast master alloys from refractory metals using centrifugal SHS metallurgy. The experiments demonstrated the need to introduce excess amounts of MoO3 and WO3 during the production of Mo–Cr and W–Cr master alloys, respectively, due to incomplete reduction of molybdenum and tungsten from their oxides. Microstructural analysis of the obtained master alloys revealed a dendritic structure, which is typical for cast materials. EDS microanalysis showed that the chemical compositions of all synthesized alloys closely matched their calculated and target compositions. Composition analysis at different locations within the ingots revealed no significant variations in composition. X-ray phase analysis confirmed the presence of solid solution phases formed from the target elements. The results of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) confirmed that the chemical compositions of the synthesized Cr–W, Cr–Mo, and Cr–Al alloys fully comply with the permissible concentrations of both target elements and impurities.

лигатурахроммолибденвольфрамалюминийсамораспространяющийся высокотемпературный синтезцентробежная СВС-металлургияmaster alloychromiummolybdenumtungstenaluminumself-propagating high-temperature synthesiscentrifugal SHS metallurgyReferencesГольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М: МИСИС, 1999. 408 с.Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М: МИСИС, 1999. 408 с.Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Пирайнен В.Ю. Специальные материалы в машиностроении. СПб.: Химиздат, 2004. 640 с.Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Пирайнен В.Ю. Специальные материалы в машиностроении. СПб.: Химиздат, 2004. 640 с.Лякишев Н.П., Гасик М.И. Металлургия хрома. М.: Элиз, 1999. 581 с.Лякишев Н.П., Гасик М.И. Металлургия хрома. М.: Элиз, 1999. 581 с.Yukhvid V.I., Gorshkov V.A., Sanin V.N., Andreev D.E., Vdovin Yu.S. SHS metallurgy of refractory materials based on molybdenum. In: Explosive production of new materials: science, technology, business, and innovations: 14th International Symposium (Saint Petersburg, 14—18 May 2018). Ed. M.I. Alymov, O.A. Golosova. Moscow: Torus Press, 2018. Р. 294—297.Yukhvid V.I., Gorshkov V.A., Sanin V.N., Andreev D.E., Vdovin Yu.S. SHS metallurgy of refractory materials based on molybdenum. In: Explosive production of new materials: science, technology, business, and innovations: 14th International Symposium (Saint Petersburg, 14—18 May 2018). Ed. M.I. Alymov, O.A. Golosova. Moscow: Torus Press, 2018. Р. 294—297.Конструкционные сплавы хрома: Сб. науч. трудов. Отв. ред. В.И. Трефилов. Киев: Наукова думка, 1986. 216 c.Конструкционные сплавы хрома: Сб. науч. трудов. Отв. ред. В.И. Трефилов. Киев: Наукова думка, 1986. 216 c.Kolobov Yu.R., Manokhin S.S., Kudymova Yu.E., Klimenko D.N., Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E. SHS-produced cast Ni—Cr—W alloy: structural characterization and mechanical properties. In: Book of abstracts of XIV International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS-2017) (Tbilisi, Georgia, 25— 28 September 2017). 2017. Р. 230—231.Kolobov Yu.R., Manokhin S.S., Kudymova Yu.E., Klimenko D.N., Sanin V.N., Ikornikov D.M., Andreev D.E. SHS-produced cast Ni—Cr—W alloy: structural characterization and mechanical properties. In: Book of abstracts of XIV International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS-2017) (Tbilisi, Georgia, 25— 28 September 2017). 2017. Р. 230—231.Yukhvid V.I., Andreev D.E., Sanin V.N., Sachkova N.V. SHS metallurgy of composite materials based on the Nb—Si system. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018;59(1):42—49.Yukhvid V.I., Andreev D.E., Sanin V.N., Sachkova N.V. SHS metallurgy of composite materials based on the Nb—Si system. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2018;59(1):42—49.Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М., Леонтьев Л.И. Технология CВС композиционных ферросплавов. Часть I. Металлургический СВС процесс. Синтез нитридов феррованадия и феррохрома. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(5):339—347. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-339-347Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M., Leont’ev L.I. SHS technology of composition ferroalloys Part I. Metallurgical SHS process. Synthesis of ferrovanadium and ferrochromium nitrides. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(5):339—347. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-5-339-347Зиатдинов М.Х., Шатохин И.М., Леонтьев Л.И. Технология CВС композиционных ферросплавов. Часть II. Синтез нитрида ферросилиция и борида ферротитана. Известия вузов. Черная металлургия. 2018;61(7):527—535. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-7-527-535Ziatdinov M.Kh., Shatokhin I.M., Leont’ev L.I. SHS technology of composition ferroalloys Part II. Synthesis of ferrosilicon nitride and ferrotitanium boride. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2018;61(7):527—535. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/0368-0797-2018-7-527-535Ziatdinov M.Kh. Metallurgical SHS processes as a route to industrial-scale implementation: An autoreview. Internationsl Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2018;27(1):1—13. https://doi.org/10.3103/S1061386218010132Ziatdinov M.Kh. Metallurgical SHS processes as a route to industrial-scale implementation: An autoreview. Internationsl Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2018;27(1):1—13. https://doi.org/10.3103/S1061386218010132Санин В.Н., Юхвид В.И., Андреев Д.Е., Алымов М.И. Центробежная СВС-металлургия. Решение практических задач. В кн. Материалообразующие высокоэкзотермические процессы: металлотермия и горение систем термитного типа. Под общ. ред. М.И. Алымова. М.: РАН, 2021. Глава 7. С. 321—372.Санин В.Н., Юхвид В.И., Андреев Д.Е., Алымов М.И. Центробежная СВС-металлургия. Решение практических задач. В кн. Материалообразующие высокоэкзотермические процессы: металлотермия и горение систем термитного типа. Под общ. ред. М.И. Алымова. М.: РАН, 2021. Глава 7. С. 321—372.Yukhvid V.I., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Sanin V.N., Alymov M.I., Sachkova N.V., Semenova V.N., Kovalev I.D. Centrifugal SHS-metallurgy of nitrogen steels. Letters on Materials. 2018;8(4(32)):499—503.Yukhvid V.I., Ikornikov D.M., Andreev D.E., Sanin V.N., Alymov M.I., Sachkova N.V., Semenova V.N., Kovalev I.D. Centrifugal SHS-metallurgy of nitrogen steels. Letters on Materials. 2018;8(4(32)):499—503.Юхвид В.И., Горшков В.А., Санин В.Н. Получение новых керамических и композиционных материалов методами СВС-металлургии. В кн. Технологическое горение. Под общ. ред. С.М. Алдошина, М.И. Алымова. М.: ИПХФ РАН, 2018. Глава 14. C. 350—371. https://doi.org/10.31857/S9785907036383000014Юхвид В.И., Горшков В.А., Санин В.Н. Получение новых керамических и композиционных материалов методами СВС-металлургии. В кн. Технологическое горение. Под общ. ред. С.М. Алдошина, М.И. Алымова. М.: ИПХФ РАН, 2018. Глава 14. C. 350—371. https://doi.org/10.31857/S9785907036383000014Sanin V., Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast intermetallic alloys and composites based on them by combined centrifugal casting — SHS process. Open Journal of Metal. 2013;3(2B):12—24. https://doi.org/10.4236/ojmetal.2013.32A2003Sanin V., Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast intermetallic alloys and composites based on them by combined centrifugal casting — SHS process. Open Journal of Metal. 2013;3(2B):12—24. https://doi.org/10.4236/ojmetal.2013.32A2003Лякишев Н.П., Гасик М.И., Дашевский В.Я. Металлургия ферросплавов. Ч. 1. Металлургия сплавов кремния, марганци и хрома: Учеб. пос. М.: МИСИС, 2006. 117 с.Лякишев Н.П., Гасик М.И., Дашевский В.Я. Металлургия ферросплавов. Ч. 1. Металлургия сплавов кремния, марганци и хрома: Учеб. пос. М.: МИСИС, 2006. 117 с.Yukhvid V.I., Andreev D.E., Sanin V.N., Gorshkov V.A., Alymov M.I. Synthesis of cast composite materials by SHS metallurgy methods. Key Engineering Materials. 2017;(746):219—232. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.746.219Yukhvid V.I., Andreev D.E., Sanin V.N., Gorshkov V.A., Alymov M.I. Synthesis of cast composite materials by SHS metallurgy methods. Key Engineering Materials. 2017;(746):219—232. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.746.219Sanin V.N., Ikornikov D.M., Golosova O.A., Andreev D.E., Yukhvid V.I. Centrifugal SHS metallurgy of cast Co—Cr—Fe—Ni—Mn high-entropy alloys strengthened by precipitates based on Mo and Nb borides and silicides. Physical Mesomechanics. 2021;24(6):692—700. https://doi.org/10.1134/S1029959921060072Sanin V.N., Ikornikov D.M., Golosova O.A., Andreev D.E., Yukhvid V.I. Centrifugal SHS metallurgy of cast Co—Cr—Fe—Ni—Mn high-entropy alloys strengthened by precipitates based on Mo and Nb borides and silicides. Physical Mesomechanics. 2021;24(6):692—700. https://doi.org/10.1134/S1029959921060072Sanin V.N., Yukhvid V.I., Andreev D.E., Ikornikov D.M., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S. SHS of cast refractory alloys for reprocessing into micro granules used in 3D additive technologies. In: Book of abstracts of XIV International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS-2017) (Tbilisi, Georgia, 25— 28 September 2017). 2017. P. 224—226.Sanin V.N., Yukhvid V.I., Andreev D.E., Ikornikov D.M., Levashov E.A., Pogozhev Yu.S. SHS of cast refractory alloys for reprocessing into micro granules used in 3D additive technologies. In: Book of abstracts of XIV International Symposium on Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS-2017) (Tbilisi, Georgia, 25— 28 September 2017). 2017. P. 224—226.Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. М.: Металлургия, 1986. 440 с.Банных О.А., Будберг П.Б., Алисова С.П. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. М.: Металлургия, 1986. 440 с.Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1023 с.Лякишев Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1023 с.Kocherzhinskii Yu.A., Vasilenko V.I. Fusibility diagrams of the systems Mo—Nb (V, Cr), V—Nb (Cr), and Mo—V— Nb (Cr). Russian Metallurgy (Metally). 1985;(2):186—190.Kocherzhinskii Yu.A., Vasilenko V.I. Fusibility diagrams of the systems Mo—Nb (V, Cr), V—Nb (Cr), and Mo—V— Nb (Cr). Russian Metallurgy (Metally). 1985;(2):186—190.Kocherzhinskii Yu.A., Vasilenko V.I. Fusibility diagram of molybdenum—chromium. Russian Metallurgy (Metally). 1979;(4):205—207.Kocherzhinskii Yu.A., Vasilenko V.I. Fusibility diagram of molybdenum—chromium. Russian Metallurgy (Metally). 1979;(4):205—207.Nagender Naidu S.V., Sriramamurthy A.M., Rama Rao P. The Cr—W (chromium—tungsten) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1984;5(3):289—307.Nagender Naidu S.V., Sriramamurthy A.M., Rama Rao P. The Cr—W (chromium—tungsten) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 1984;5(3):289—307.Алисова С.П., Будберг П.Б., Агеев Н.В. Диаграммы состояния металлических систем. М.: ВИНИТИ, 1975. 268 с.Алисова С.П., Будберг П.Б., Агеев Н.В. Диаграммы состояния металлических систем. М.: ВИНИТИ, 1975. 268 с.Nurse R.W., Welch J.H., Majumdar A.J. The CaO—Al2O3 system in a moisture-free atmosphere. Transactions of the British Ceramic Society. 1965;64:409—418.Nurse R.W., Welch J.H., Majumdar A.J. The CaO—Al2O3 system in a moisture-free atmosphere. Transactions of the British Ceramic Society. 1965;64:409—418.Nurse R.W., Welch J.H., Majumdar A.J. The 12CaO·7Al2O3 phase in the CaO—Al2O3 system. Transactions of the British Ceramic Society. 1965;64:323—382.Nurse R.W., Welch J.H., Majumdar A.J. The 12CaO·7Al2O3 phase in the CaO—Al2O3 system. Transactions of the British Ceramic Society. 1965;64:323—382.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.