powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2023-2-5-13powder-783Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsРоль примесей в изменении фазового состава в системе Al–Fe–C при спеканииThe impact of impurities on the Al–Fe–C system phase composition changes during sinteringhttps://orcid.org/0000-0002-4363-3604КоростелеваЕ. Н.KorostelevaE. N.

Елена Николаевна Коростелева – кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИФПМ СО РАН.

634055, Томск, Академический пр-т, 2/46

Elena N. Korosteleva – Cand. Sci. (Eng.), Senior Research Scientist.

2/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055

anna-knyazeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9765-7695КнязеваА. Г.KnyazevaA. G.

Анна Георгиевна Князева – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ИФПМ СО РАН.

634055, Томск, Академический пр-т, 2/46

Anna G. Knyazeva – Dr. Sci. (Phys.­Math.), Professor, Chief Research Scientist, ISPMS SB RAS.

2/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055

anna-knyazeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5312-2496АнисимоваМ. А.AnisimovaM. A.

Мария Александровна Анисимова – кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИФПМ СО РАН.

634055, Томск, Академический пр-т, 2/46

Maria A. Anisimova – Cand. Sci. (Phys.­Math.), Junior Research Scientist, ISPMS SB RAS.

2/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055

anmariia@ispms.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4529-6477НиколаевИ. О.NikolaevI. O.

Иван Олегович Николаев – инженер ИФПМ СО РАН.

634055, Томск, Академический пр-т, 2/46

Ivan O. Nikolaev – Engineer, ISPMS SB RAS.

2/4 Akademicheskii Prosp., Tomsk 634055

rmkast97@gmail.comИнститут физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАНРоссияInstitute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202305062023172513Copyright © НИТУ "МИСИС", 20232023НИТУ "МИСИС"НИТУ "МИСИС"https://powder.misis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://powder.misis.ru/jour/article/view/783

Эффективное использование материальных ресурсов заставляет активнее обращать внимание на отходы производства с целью не только простой их утилизации, но и их использования в качестве источника некоторых элементов и как компонентов порошковых материалов. Стальная стружка – сложный многокомпонентный материал на основе железа. Наличие примеси, например углерода, может оказывать влияние на диффузионное взаимодействие смеси стружки с порошком другого металла. В данной работе рассмотрен один из возможных вариантов диффузионного взаимодействия алюминия и стальной стружки в условиях вакуумного спекания с регулируемым нагревом. После спекания был проведен микроанализ структуры и определен фазовый состав продуктов взаимодействия. Выявлено, что в процессе спекания формируется многофазная структура, в которой не менее 30 % объема занимает алюминид железа FeAl. Несмотря на достаточно высокие температуры, фиксируются остатки алюминия и железа. Среди причин неполного превращения могут быть тугоплавкие продукты взаимодействия, тормозящие диффузию, а также примеси, влияющие на величину и направленность диффузионных потоков. Для подтверждения важной роли примесей в кинетике диффузионного взаимодействия рассмотрены модельные задачи роста интерметаллидной фазы между частицей плоской или сферической формы с окружающим ее алюминием. Учитывается появление перекрестных диффузионных потоков в области растущей фазы и, возможно, влияние примеси на концентрационный предел существования новой фазы. Найдены приближенные аналитические решения, которые позволяют проанализировать динамику роста области, занимаемой растущей фазой, в зависимости от параметров модели.

Manufacturing waste can be not only recycled but also utilized as a source of chemical elements and as a component of powder materials. Steel swarf are a complex multicomponent material with a high iron content, while impurities such as carbon can affect the diffusion interaction in the chip and metal powder mixture. In this study, we investigate the diffusion interaction between aluminum and steel swarf using temperature-controlled vacuum sintering. We analyzed the resulting mixture’s microstructure and phase composition, and observed that sintering creates a multiphase structure in which FeAl iron aluminide occupies at least 30 vol. %. Despite the high sintering temperature, we also observed residual aluminum and iron. Incomplete transformation may result form refractory products that inhibit diffusion or impurities that influence the magnitude and direction of the diffusion fluxes. To confirm the impurities’ role in the diffusion interaction kinetics, we developed simulation models of the intermetallic phase growth for a flat and spherical particle embedded in aluminum. The model consider cross-diffusion fluxes in the emerging phase regions and possible effects of impurities on the concentration limit for the new phase’s existence. We derived approximate analytical solutions to analyze the emerging phase growth trends under various model parameters.

металлическая стружкареакционное спеканиедиффузионное взаимодействиеинтерметаллидная фазаэкспериментмоделированиеmetal swarfreaction sinteringdiffusion interactionintermetallide phasetestssimulationИсследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда и субсидии администрации Томской области, грант № 22-13-20031, https://rscf.ru/project/22-13-20031/This study is supported by the Russian Science Foundation and the Tomsk Oblast Administration, Grant No. 22-13-20031, https://rscf.ru/project/22-13-20031/ReferencesРовин С.Л., Калиниченко А.С., Ровин Л.Е. Возвращение дисперсных металлоотходов в производство. Литье и металлургия. 2019;(1):45–48. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-1-45-48Rovin S.L., Kalinichenko A.S., Rovin L.E. The return of the dispersed metal waste into production. Litiyo i metallurgiya. 2019;(1):45–48. (In Russ.). https://doi.org/10.21122/1683-6065-2019-1-45-48Chang J.I., Lin J.J., Huang J.S., Chang Y.M. Recycling oil and steel from grinding swarf. Resources, Conservation and Recycling. 2006;49(2):191–201. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2006.03.014Chang J.I., Lin J.J., Huang J.S., Chang Y.M. Recycling oil and steel from grinding swarf. Resources, Conservation and Recycling. 2006;49(2):191–201. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2006.03.014Дьяконов О.М. Получение металлургических брикетов на основе стружко-порошковых композиций горячим прессованием. Литье и металлургия. 2011;(4):129–137.Djakonov O.M. Production of metallurgical briquettes on the basis of chips-powder compositions by hot press molding. Litiyo i metallurgiya. 2011;(4):129–137. (In Russ.).Andersson A., Gullberg A., Kullerstedt A., Sandberg E., Andersson M., Ahmed H., Sundqvist-Ökvist L., Björkman B. A holistic and experimentally-based view on recycling of off-gas dust within the integrated steel plant. Metals. 2018;8(10):760. https://doi.org/10.3390/met8100760Andersson A., Gullberg A., Kullerstedt A., Sandberg E., Andersson M., Ahmed H., Sundqvist-Ökvist L., Björkman B. A holistic and experimentally-based view on recycling of off-gas dust within the integrated steel plant. Metals. 2018;8(10):760. https://doi.org/10.3390/met8100760Ровин С.Л., Ровин Л.Е., Заяц Т.М., Валицкая О.М. Переработка стружки черных металлов. Литье и металлургия. 2017;89(4):94–101. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-4-94-101Rovin S.L., Rovin L.E., Zayac T.M., Valickaya O.M. Recycling of ferrous metal shavings. Litiyo i metallurgiya. 2017;89(4):94–101. (In Russ.). https://doi.org/10.21122/1683-6065-2017-4-94-101Hankel J., Jager S., Weber S. Development of a recycling strategy for grinding sludge using supersolidus liquid phase sintering. Journal of Cleaner Production. 2020;263:121501. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121501Hankel J., Jager S., Weber S. Development of a recycling strategy for grinding sludge using supersolidus liquid phase sintering. Journal of Cleaner Production. 2020;263:121501. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121501Дьяконов О.М. Исследование физико-химических и механических свойств стальной и чугунной стружки. Литье и металлургия. 2009;(4):161–173.Dyakonov O.M. Investigation of physicochemical and mechanical characteristics of steel and cast iron chips. Litiyo i metallurgiya. 2009;(4):161–173. (In Russ.).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;23(1):45–55.Loginov Yu.N., Zagirov N.N., Ivanov E.V. Evaluation of the level of hardening of aluminum alloy chips intended for subsequent pressure treatment. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2021;23(1):45–55. (In Russ.).Mahmooda K., Ul Haq Syed W., Pinkerton A.J. Innovative reconsolidation of carbon steel machining swarf by laser metal deposition. Optics and Lasers in Engineering. 2011;49(2):240–247. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2010.09.014Mahmooda K., Ul Haq Syed W., Pinkerton A.J. Innovative reconsolidation of carbon steel machining swarf by laser metal deposition. Optics and Lasers in Engineering. 2011;49(2):240–247. https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2010.09.014Gnatko M., Li C., Arnold A., Freidrich B. Purification of aluminium cast alloy melts through precipitation of Fe-containing intermetallic compounds. Metals. 2018;8(10):796. https://doi.org/10.3390/met8100796Gnatko M., Li C., Arnold A., Freidrich B. Purification of aluminium cast alloy melts through precipitation of Fe-containing intermetallic compounds. Metals. 2018;8(10):796. https://doi.org/10.3390/met8100796Shahid R.N., Scudino S. Strengthening of Al–Fe3Al composites by the generation of harmonic structures. Scientific Reports. 2018;8:6484. https://doi.org/10.1038/s41598-018-24824-yShahid R.N., Scudino S. Strengthening of Al–Fe3Al composites by the generation of harmonic structures. Scientific Reports. 2018;8:6484. https://doi.org/10.1038/s41598-018-24824-yTomida S., Nakata K. Fe–Al composite layers on aluminum alloy formed by laser surface alloying with iron powder. Surface and Coatings Technology. 2003;174-175:559–563. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(03)00698-4Tomida S., Nakata K. Fe–Al composite layers on aluminum alloy formed by laser surface alloying with iron powder. Surface and Coatings Technology. 2003;174-175:559–563. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(03)00698-4Minamino Y., Koizumi Y., Tsuji N., Hirohata N., Mizuuchi K., Ohkanda Y. Microstructures and mechanical properties of bulk nanocrystalline Fe–Al–C alloys made by mechanically alloying with subsequent spark plasma sintering. Science and Technology of Advanced Materials. 2004;5(1-2):133–143. https://doi.org/10.1016/j.stam.2003.11.004Minamino Y., Koizumi Y., Tsuji N., Hirohata N., Mizuuchi K., Ohkanda Y. Microstructures and mechanical properties of bulk nanocrystalline Fe–Al–C alloys made by mechanically alloying with subsequent spark plasma sintering. Science and Technology of Advanced Materials. 2004;5(1-2):133–143. https://doi.org/10.1016/j.stam.2003.11.004Najafi A., Movahedi M., Yarandi A.S. Properties–microstructure relationship in Al–Fe in situ composite produced by friction stir processing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2019;233(10):1955–1965. https://doi.org/10.1177/1464420718803752Najafi A., Movahedi M., Yarandi A.S. Properties–microstructure relationship in Al–Fe in situ composite produced by friction stir processing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2019;233(10):1955–1965. https://doi.org/10.1177/1464420718803752Kopec M., Jóźwiak S., Kowalewski Z. Fe–Al based composite reinforced with ultra-fine Al2O3 oxides for high temperature applications. Journal of Theoretical and Applied mechanics. 2021;59(3):509–513. https://doi.org/10.15632/jtam-pl/138322Kopec M., Jóźwiak S., Kowalewski Z. Fe–Al based composite reinforced with ultra-fine Al2O3 oxides for high temperature applications. Journal of Theoretical and Applied mechanics. 2021;59(3):509–513. https://doi.org/10.15632/jtam-pl/138322Kostov A., Friedrich B., Zivković D. Thermodynamic calculations in alloys Ti–Al, Ti–Fe, Al–Fe and Ti–Al–Fe. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2008;44(1):49–61. https://doi.org/10.2298/JMMB0801049KKostov A., Friedrich B., Zivković D. Thermodynamic calculations in alloys Ti–Al, Ti–Fe, Al–Fe and Ti–Al–Fe. Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2008;44(1):49–61. https://doi.org/10.2298/JMMB0801049KДиаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 1 / Под ред. Н.П. Лякишева. М: Машиностроение, 1996. 991 с.Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник. В 3 т. Т. 1 / Под ред. Н.П. Лякишева. М: Машиностроение, 1996. 991 с.Jäger S., Weber S. Upcycling strategy of grinding swarf by super solidus liquid phase sintering. Procedia CIRP. 2020;90:546–551. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.01.079Jäger S., Weber S. Upcycling strategy of grinding swarf by super solidus liquid phase sintering. Procedia CIRP. 2020;90:546–551. https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.01.079Wierzba B. Phase competition in ternary Ti–Ni–Al system. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2016;454:110–116. https://doi.org/10.1016/j.physa.2016.02.068Wierzba B. Phase competition in ternary Ti–Ni–Al system. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2016;454:110–116. https://doi.org/10.1016/j.physa.2016.02.068Ji Y., Abernathy H.W., Chen L.-Q. Thermodynamic models of multicomponent nonstoichiometric solution phases using internal process order parameters. Acta Materialia. 2022;223:117462. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117462Ji Y., Abernathy H.W., Chen L.-Q. Thermodynamic models of multicomponent nonstoichiometric solution phases using internal process order parameters. Acta Materialia. 2022;223:117462. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117462Knyazeva A.G. Difusion following the vacancy mechanism in materials with large number of internal surfaces. Chemistry for Sustainable Development. 2005;13(2): 233–242.Knyazeva A.G. Difusion following the vacancy mechanism in materials with large number of internal surfaces. Chemistry for Sustainable Development. 2005;13(2): 233–242.Belova I.V., Murch G.E. Analysis of interdiffusion data in multicomponent alloys to extract fundamental diffusion information. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2006;27(6): 629–637. https://doi.org/10.1007/BF02736565Belova I.V., Murch G.E. Analysis of interdiffusion data in multicomponent alloys to extract fundamental diffusion information. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2006;27(6): 629–637. https://doi.org/10.1007/BF02736565Svoboda J., Fischer F.D., Abart R. Modeling of diffusional phase transformation in multi-component systems with stoichiometric phases. Acta Materialia. 2010;58(8):2905–2911. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.01.019Svoboda J., Fischer F.D., Abart R. Modeling of diffusional phase transformation in multi-component systems with stoichiometric phases. Acta Materialia. 2010;58(8):2905–2911. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2010.01.019

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