Features of the structure formation of sintered powder materials using waste metal processing of steel workpieces

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Manufacturing processes, to one degree or another, are associated with the metal waste production in the form of metal chips. The development of technologies for recycling of waste from mechanical facilities is a popular solution both from the resource saving and from an environmental points of view. Among many traditional approaches to the problem of recycling metal chips, the most interesting may be the method of using chips as one of the components in a powder material. The aim of this work is to analyze the possibility of using metalworking wastes from steel 45 (metal chips) in powder compositions based on titanium and aluminum not only as a source of iron, but also as a possible source of Fe2O3 oxide. Attention to the oxide was paid in terms of initiating reduction reactions in the powder mixture based on titanium and aluminum with the formation of the Al2O3 oxide phase to obtain a metal matrix composite. Research methods: steel chips after processing workpieces from steel 45 were additionally oxidized in water and crushed in a vibrating mill to an average particle size of 300 μm for use in powder compositions with titanium and aluminum powders. Grinded and oxidized chips were mixed with titanium and aluminum powders in various proportions in order to study its interaction with these powder components. The obtained mixtures were pressed in the form of cylindrical samples and sintered in a vacuum furnace at a temperature of 1,000 °C. The phase composition and microstructure were studied using an XRD-6000 X-ray diffractometer with CuKα – radiation and an AXIOVERT-200MAT optical microscope. Results and discussions. It is shown that after milling without coolant, steel 45 chips did not accumulate a noticeable amount of iron oxides, which required additional oxidizing procedures. The interaction of grinded oxidized chips with the components of powder mixtures is considered, and its effect on volumetric changes in compacts and structure formation of metal-matrix composites is shown. The results of optical metallography and X-ray diffraction analysis (XRD) of sintered powder compositions using oxidized ground chips of steel 45 made it possible to evaluate the ongoing processes of structure formation depending on the combination of interacting components, its mutual influence, and the prospects for obtaining composites with a dispersed oxide phase.

About the authors

E. N. Korosteleva

Email: elenak@ispms.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Prospekt Akademicheskii, 2/4, Tomsk, 634055, Russian Federation, elenak@ispms.ru

I. O. Nikolaev

Email: rmkast97@gmail.com
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Prospekt Akademicheskii, 2/4, Tomsk, 634055, Russian Federation, rmkast97@gmail.com

V. V. Korzhova

Email: vicvic5@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Prospekt Akademicheskii, 2/4, Tomsk, 634055, Russian Federation, vicvic5@mail.ru

References

  1. Дьяконов О.М. Комплексная переработка стружки и металлосодержащих шламов. – Минск: Технология, 2012. – 262 с.
  2. Дьяконов О.М. Исследование физико-химических и механических свойств стальной и чугунной стружки // Литье и металлургия. – 2009. – № 4 (53). – С. 161–173.
  3. Дьяконов О.М. Получение металлургических брикетов на основе стружко-порошковых композиций горячим прессованием // Литье и металлургия. – 2011. – № 4 (63). – С. 129–137.
  4. Переработка стружки черных металлов / С.Л. Ровин, Л.Е. Ровин, Т.М. Заяц, О.М. Валицкая // Литье и металлургия. – 2017. – № 4 (89). – С. 94–101.
  5. Ровин С.Л., Калиниченко А.С., Ровин Л.Е. Возвращение дисперсных металлоотходов в производство // Литье и металлургия. – 2019. – № 1. – С. 45–48.
  6. Ровин С.Л., Валицкая О.М. Тепловая обработка чугунной стружки // Литье и металлургия. – 2007. – № 3. – С. 86–89.
  7. Логинов Ю.Н., Загиров Н.Н., Иванов Е.В. Оценка уровня упрочнения стружки из алюминиевого сплава, предназначенной для последующей обработки давлением // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 1. – С. 45–55. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.1-45-55.
  8. Опыт утилизации металлической стружки / Д.М. Кукуй, И.В. Емельянович, В.П. Петровский, Л.Е. Ровин, С.Л. Ровин // Литье и металлургия. – 2009. – № 1. – С. 47–50.
  9. Яценко И.В., Самборук А.Р., Кузнец Е.А. Получение композита TiC+Al2O3+ AlFe из гранулированной шихты методом СВС // Современные материалы, техника и технологии. – 2016. – № 3 (6). – С. 149–153.
  10. Energy efficiency during conventional and novel sintering processes: the case of Ti–Al2O3–TiC composites / C. Musa, R. Licheri, A.M. Locci, R. Orru, G. Cao, M.A. Rodriguez, L. Jaworska // Journal of Cleaner Production. – 2009. – Vol. 17. – P. 877–882.
  11. Технология получения композиционного материала на основе многофункциональной оксидной керамики / В.А. Оковитый, Ф.И. Пантелеенко, Т.Л. Талако, А.Ф. Пантелеенко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 2 (67). – С. 39–45. – doi: 10.17212/1994-6309-2015-2-39-45.
  12. Dispersion characteristics, microstructural evolution and sintering behaviour of Al2O3-Ti6Al4V composites fabricated by spark plasma sintering / O.A. Moses, C.T. Edmond, T.T. Precious, L.S. Sipho, O.S. Ranti, O.P. Apata // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18, pt. 7. – P. 3791–3797. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.07.317.
  13. Spark plasma sintering of Al-Ti-Al2O3 composite / S.R. Oke, O.E. Falodun, B.G. Motsa, O.O. Ige, P.A. Olubambi // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18, pt. 7. – P. 3946–3951. – doi: 10.1016/j.matpr.2019.07.335.
  14. Temperature distribution at steady state under constant current discharge in spark sintering process of Ti and Al2O3 powders / K. Matsugi, H. Kuramoto, T. Hatayama, O. Yanagisawa // Journal of Materials Processing Technology. – 2004. – Vol. 146. – P. 274–281. – doi: 10.1016/S0924-0136(02)01039-7.
  15. Влияние химического состава матрицы на структуру и свойства монолитных СВС-композитов / Н.Б. Пугачева, Ю.В. Николин, Т.М. Быкова, Е.И. Сенаева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 124–138. – doi: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-124-138.
  16. Sharifitabar M., Khaki J.V., Sabzevar M.H. Fabrication of Fe–TiC–Al2O3 composites on the surface of steel using a TiO2–Al–C–Fe combustion reaction induced by gas tungsten arc cladding // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2016. – Vol. 23, N 2. – P. 193–204.
  17. Bayraktar E., Katundi D. Development of a new aluminium matrix composite reinforced with iron oxide (Fe3O4) // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. – 2010. – Vol. 38, N 1. – P. 7–14.
  18. Dadbakhsh S., Hao L. In situ formation of particle reinforced Al matrix composite by selective laser melting of Al/Fe2O3 powder mixture // Advanced Engineering Materials. – 2012. – Vol. 14, N 1–2. – P. 45–48. – doi: 10.1002/adem.201100151.
  19. Поверхностное легирование титана алюминием с использованием метода вневакуумной электронно-лучевой наплавки порошковых смесей / И.А. Батаев, Д.В. Лазуренко, М.Г. Голковский, И.С. Лаптев, И.K. Чакин, И.С. Иванчик // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 1 (74). – С. 51–60.
  20. Formation of phases in reactively sintered TiAl3 alloy / A. Skolaková, P. Salvetr, J. Leitner, T. Lovasi, P. Novak // Molecules. – 2020. – Vol. 25. – P. 1912. – doi: 10.3390/molecules25081912.
  21. Филимонов В.Ю., Логинова М.В. Формирование фазового состава в системе Ti-3Al на этапе вторичного структурообразования при синтезе в режиме теплового взрыва // Известия Томского политехнического университета. – 2007. – Т. 311, № 2. – C. 116–119.
  22. Kinetic and thermodynamic description of intermediary phases formation in Ti-Al system during reactive sintering / A. Skolakova, J. Leitner, P. Salvetr, P. Novak, D. Deduytsche, J. Kopecek, C. Detavernier, D. Vojtech // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – Vol. 230. – P. 122–130. – doi: 10.1016/j.matchemphys.2019.03.062.
  23. Дудина Д.В. Электроискровое спекание смесей металлических порошков и композитов c металлическими матрицами: особенности формирования структуры и свойства спеченных материалов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2017. – № 2 (75). – С. 45–54. – doi: 10.17212/1994-6309-2017-2-45-54.
  24. Kostov A., Friedrich B., Zivkovic D. Thermodynamic calculations in alloys Ti-Al, Ti-Fe, Al-Fe and Ti-Al-Fe // Journal of Mining and Metallurgy. – 2008. – Vol. 44 B. – P. 49–61. – doi: 10.2298/jmmb0801049k.
  25. Диаграммы состояния двойных металлических систем. В 3 т. Т. 1: справочник / под общ. ред. Н.П. Лякишева. – М.: Машиностроение, 1996. – 992 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).