Рассмотрено использование дезактивированных никельсодержащих катализаторов на основе Al2O3 в качестве значимого сырьевого ресурса одного из важнейших металлов – никеля. Отмечены особенности такого источника вторичного никеля, определяющие приемлемые способы переработки подобного сырья. Проведено исследование влияния флюсующих добавок на свойства расплава, содержащего предварительно подготовленные катализаторы, при условии ограничений на их перечень (известь, плавиковый шпат) с целью реализации пирометаллургического способа извлечения металла, отличающегося относительно небольшим количеством самих добавок. При использовании индукционного нагрева в сочетании с графитовым тиглем добавление близкого по массе общего количества плавикового шпата и мрамора обеспечивало получение расплава при температуре, незначительно превышающей температуру плавления никеля. При этом уровень потерь металла составлял около 2 %, что указывает на применимость данного способа в лабораторных условиях для выполнения корректного входного анализа. Предложено использовать пирометаллургический метод в промышленном масштабе с применением нагрева закрытой дугой. Для подтверждения этого вывода были проведены эксперименты с представительным (более 100 кг) количеством катализатора с помощью специально изготовленной дуговой печи. В качестве восстановителя была выбрана графитовая крошка. Необходимость электрического согласования нагрузки с источником питания привела к некоторой корректировке отношения флюсующих добавок в сторону уменьшения содержания оксида кальция. В результате серии опытов был получен никель с примесью до 5 % железа, аналогичный по составу металлу, образующемуся в графитовом тигле. Наличие железа вызвано принципиальной особенностью пирометаллургической технологии восстанавливать нестойкие соединения. Поэтому было предложено использовать такой металл для производства ферроникеля. Применение дефицитного плавикового шпата оправдывается тем, что полученный шлак может быть востребован в производстве флюсов для процесса электрошлакового переплава.

В работе представлены результаты термодинамического моделирования конвертирования медно-никелевого штейна (11,3 мас.% Ni + Cu + Co; 61,5 мас.% Fe; 25,9 мас.% S) совместной плавки окисленной никелевой и сульфидной медной руд. Расчеты проводились в приближении идеальных молекулярных растворов с использованием программного комплекса HSC Chemistry («Outotec Research Oy», Финляндия). Показана возможность выделения файнштейна, конвертерного шлака и газовой фазы. Оценки условных констант равновесия обменных реакций между файнштейном и шлаком (K_Ni/Fe = 0,004÷0,005, K _Co/Fe = 0,056÷0,099) близки к идеальным значениям. С применением методики математического планирования эксперимента проведена статистическая обработка данных. В качестве изучаемых факторов были выбраны температура конвертирования (t = 1100÷1300 °C) и индекс полноты окисления железа и серы (q = 0,9÷1,0), определяющий расход воздуха и флюса (SiO₂). Полученные математические модели процесса использованы для его оптимизации. Показано, что наилучшие показатели конвертирования могут быть достигнуты при t = 1150 °С и q = 0,950: файнштейн будет содержать 70,7 мас.% Ni + Cu + Co. При выходе 8,74 % от массы шихты извлечение в файнштейн никеля, меди и кобальта составит 67,9, 97,9 и 9,1 мас.% соответственно. Предполагаемые расходы воздуха (145,1 м³ (при нормальных условиях) на 100 кг штейна) и SiO₂ (34,4 кг на 100 кг штейна), а также выход шлака (89,1 % от массы шихты) близки к практическим нормативным данным. Результаты исследования подтверждают возможность рентабельной переработки бедных медно-никелевых штейнов и после экспериментальной проверки могут быть использованы при разработке схем автоматизации конвертерных отделений действующих и проектируемых производств.

Для изучения влияния кислотности электролита, типа используемых катодов и величин потенциалов на показатели процесса электролиза провели электрохимическое восстановление водорода (иона гидроксония) на катодах из цинка, алюминия и меди из кислых водных растворов, содержащих серную кислоту (0,09, 0,18 и 0,36 моль/л). Исследования осуществляли на потенциостате с использованием трехэлектродной ячейки в условиях интенсивного перемешивания электролита магнитной мешалкой. На начальной стадии электролиз проводили в следующих режимах: потенциодинамические измерения при скорости развертки 1 мВ/с в области потенциалов Е = –(700÷850) мВ на медном и алюминиевом катодах и Е = –(1000÷1150) мВ на цинковом электроде. В этих условиях были рассчитаны параметры разряда гидроксония на каждом из них: тафелевский наклон, кажущиеся коэффициенты переноса и токи обмена. Рассмотрены зависимости указанных параметров от кислотности электролита. Получены средние величины стационарных потенциалов, которые, как и кажущийся ток обмена, заметно зависели от материала катода: –923,1 мВ (цинковый катод), +36,1 мВ (медный) и –603,7 мВ (алюминиевый) (AgCl/Ag)). Показано влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на все рассмотренные кинетические параметры. Определен порядок реакции с добавками ПАВ и без них. На следующем этапе проведено сравнение электрохимических параметров разряда гидроксония только на медном электроде. Показано, что электрохимические показатели значительно зависят от области катодных потенциалов, в которой они определяются, и от применяемых методов их расчета. Отмечено, что процесс протекает в области смешанной кинетики. С уменьшением поляризации электрода изменяется механизм процесса разряда водорода, при этом доля электрохимической кинетики будет возрастать в области смешанной кинетики. Предполагаем, что полученные результаты также могут иметь практическую значимость для технологии электролиза цинка. Таким образом, полученные в работе данные по электрохимическим параметрам разряда водорода в широкой области потенциалов на катодах, изготовленных из разных металлов, а также по влиянию кислотности электролита на поведение ПАВ в процессе электролиза позволят расширить знания о технологии электролиза цинка.

Проведена термодинамическая оценка влияния легирующих элементов (Si, Mg, Cu, Ti) на процессы фазообразования при получении и жидкофазной переработке литых алюмоматричных композиционных материалов с экзогенным армированием (Al–SiC, Al–B₄C). Показано, что без подавления формирования карбидов Al–Si–C и Al₄C₃ в диапазоне концентраций углерода от 0 до 4,5 мас.% равновесный фазовый состав композитов системы Al–SiC в твердом состоянии при температурах от 423 до 575 °C лежит в 3-фазной области (Al) + Si + Al₄SiC₄, а ниже 423 °C тройной карбид Al₄SiC₄ заменяется соединением Al₈SiC₇. В системах Al–SiC–Cu и Al–B₄C–Cu фазы SiC и B₄C стабильны во всем интервале кристаллизации и не взаимодействуют с алюминием или медью. В системе Al–SiC–Mg кристаллизация композитов, содержащих более 0,58 масс.% магния, заканчивается в 4-фазной области (Al) + Al₃Mg₂ + SiC + Mg₂Si. В системе Al–SiC–Ti завершение кристаллизации фиксируется в 3-фазной области (Al) + Al₃Ti + SiC. В системе Al–B₄C после подавления формирования фазы Al₄C₃ при отклонении от концентраций элементов, обеспечивающих 10 об.% B₄C, в сторону увеличения бора образуются бориды алюминия, а в сторону его снижения – свободный углерод. В равновесных условиях при концентрации кремния до 0,67 мас.% кристаллизация системы Al–B₄C–Si заканчивается в 4-фазной области (Al) + B₄C + AlB₁₂ + Al₈SiC₇, а при более высоком содержании кремния – в области (Al) + Si + AlB₁₂ + Al₈SiC₇. В системе Al–B₄C–Ti при содержании титана менее 0,42 мас.% кристаллизация завершается в 3-фазной области (Al) + TiB₂ + B₄C.

Исследован механизм процесса глубокой вытяжки тонкостенной заготовки в штампе с конической матрицей с определением предельного состояния формообразования, наступающего в момент отрыва дна в радиусной части пуансона, когда напряжения в меридиональном направлении достигают своего максимального значения. Это условие определено уменьшением размеров кромки заготовки на стадии замедленного упрочнения материала и уменьшения площади фланца заготовки, являющихся основными факторами, препятствующими процессу. Оно позволяет установить критерий, с помощью которого определяется предельный коэффициент вытяжки (отношение диаметра заготовки к диаметру детали), а именно, равенство меридиональных напряжений в зоне радиусного закругления пуансона и предела прочности материала. Установлено влияние прочностных свойств материала заготовки, трения и конусности матрицы на предельный коэффициент вытяжки. Выявлено, что изменение пластических и прочностных свойств жаропрочного медного сплава БрХ08 (пределов прочности и текучести) не влияет на величину констант упрочнения материала и практически не отражается на предельном коэффициенте вытяжки. Проведены комплексные исследования, включающие теоретический анализ и моделирование в программном продукте ANSYS/ LS-DYNA с исходными данными для заготовки толщиной 1,35 мм и диаметром 100 мм из материала БрХ08. Представлены этапы компьютерного моделирования с указанием основных параметров процесса, таких как модель и механические характеристики материала заготовки, тип элементов, кинематические нагрузки, условия контактного взаимодействия элементов между собой и т.д. Результаты моделирования процесса подтвердили теоретические выводы, необходимые для реализации процесса без дефектов детали.

В данной работе представлены сравнительные исследования структурных и механических свойств нового β-Ti-сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr, подвергнутого традиционной холодной ротационной ковке и равноканальному угловому прессованию (РКУП) при температуре 250 °С. Основной фазой в исходном закаленном состоянии, после ковки и РКУП-обработки является ОЦК-β-фаза. Уширение рентгеновских линий β-фазы и данные ПЭМ свидетельствуют об измельчении структуры и повышении концентрации дефектов решетки после деформационных обработок. В исходном состоянии сплав имеет временнóе сопротивление при растяжении около 700 МПа, условный предел текучести 450 МПа и относительное удлинение до разрушения ~30 %. В результате ковки временнóе сопротивление и условный предел текучести сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr повышаются до 1230 и 950 МПа, а после РКУП – до 1280 и 1270 МПа соответственно, а также снижается относительное удлинение до 6 %. Значительное увеличение прочностных характеристик сплава Ti–10Mo–8Nb–6Zr, подверженного РКУП, делает его более перспективным для применения в медицине.

В настоящее время широко развивается аддитивное производство, включающее набор технологий изготовления изделий сложной формы с требуемым комплексом свойств. Большинство из них связаны с получением изделия путем плавления и сплавления частиц металлического порошка за счет лазерного излучения. Обладая превосходными литейными свойствами, эвтектические алюминиевые сплавы систем Al–Ca, Al–Ce, Al–La и Al–Ni могут быть перспективны для применения в аддитивных технологиях. Однако в литературе крайне мало информации о влиянии лазерной обработки на подобные структуры. В связи с этим в работе исследовали влияние лазерного излучения на структуру и механические свойства образцов из эвтектических составов, мас.%: Al–8%Ca, Al–10%La, Al–10%Ce и Al–6%Ni. Для этого осуществляли сплошную лазерную модификацию их поверхностей. Степень упрочнения оценивали с помощью измерения микротвердости модифицированной поверхности. Установлены механизмы разрушения образцов при испытании на растяжение. Показано, что в структуре модифицированной поверхности образцов всех четырех сплавов распределение второго компонента становится более однородным по сравнению со структурой основного металла. В образце Al–8%Ca наблюдался наибольший упрочняющий эффект, который, однако, способствует охрупчиванию при растяжении. Тем не менее модифицированный сплав Al–8%Ca представляет интерес из-за его повышенной твердости и, возможно, повышенной износостойкости. Напротив, лазерная модификация поверхностей образцов Al–10%Ce, Al–10%La и Al–6%Ni обеспечивает меньший упрочняющий эффект, но способствует повышению их прочности при растяжении с формированием вязкого или смешанного вязкохрупкого излома. Полученные результаты подтверждают перспективность использования сплавов систем Al–Ca, Al–Ce, Al–La и Al–Ni в аддитивном производстве.

Проведенные исследования по модифицирующему воздействию на поверхность твердого сплава, поверхностному легированию и химико-термической обработке металла, термодиффузионному насыщению и вакуумному ионно-плазменному напылению показали изменение шероховатости его поверхности и эксплуатационных свойств. Для оценки поведения различных групп твердых сплавов в процессе нагрева в различных средах использовали величину шероховатости. Образцами служили штабики размером 5× 5× 35 мм и четырехгранные пластины 15,8×15,8 мм твердых сплавов ВК8 и Т14К8. Измерение параметров шероховатости поверхности осуществляли на профилометре, реализующем контактный (щуповой) метод. Полученные значения шероховатости были проанализированы в системе Microsoft Excel в расчете на интегральный процент и построены гистограммы. Исследование влияния среды нагрева на шероховатость поверхности проводили как на штабиках, так и на пластинах (с отверстиями и без них), используя расплав «насыщающий элемент – буферное вещество» (50–100 % BaCl₂). В качестве насыщающего элемента (25 %) применяли желтую кровяную соль K₄(Fe(CN)₆) и буру Na₂B₄O₇. Непосредственно на изделиях (после оценки влияния среды нагрева на шероховатость) определяли микротвердость и износ при резании. Выявлено, что нагрев твердых сплавов ВК8 и Т14К8 в различных средах увеличивает шероховатость и уменьшает износ при резании до 2 раз. Структуру исходных материалов до и после нагрева в различных расплавах изучали на растровом электронном микроскопе JCM-6000 («Jeol Ltd.», Япония) при увеличении 1000–3000 крат. Пластины в исходном состоянии и после нагрева в различных расплавах подвергали стойкостным испытаниям на токарно-винторезном станке модели 1А616 путем торцевого точения осевой заготовки из стали марки ОС (близкой по структуре и свойствам к Ст45) размером 210 ×1650 мм из непрерывно-литого металла (ГОСТ 4728-2010). Результаты рентгеноструктурного анализа твердого сплава ВК8 после нагрева в различных средах не выявили изменение фазового состава. Наряду с этим наблюдалось незначительное изменение параметров тонкой структуры карбидной фазы сплава: произошло небольшое увеличение микронапряжений с одновременным уменьшением блоков мозаики.