close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка нового коррозионно-стойкого чугуна для отливок, работающих в соляной кислоте

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Маркевич Артем Валерьевич Шифр научной специальности: 05.16.04 - литейное производство Шифр диссертационного совета: Д 212.111.01 Название организации: Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И.Носова Адрес органи
На правах рукописи
МАРКЕВИЧ Артем Валерьевич
РАЗРАБОТКА НОВОГО КОРРОЗИОННО-СТОЙКОГО ЧУГУНА
ДЛЯ ОТЛИВОК, РАБОТАЮЩИХ В СОЛЯНОЙ КИСЛОТЕ
Специальность 05.16.04 – Литейное производство
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Магнитогорск-2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Магнитогорский
государственный
технический
университет
им. Г.И. Носова».
Научный руководитель -
доктор технических наук, профессор
Вдовин Константин Николаевич.
Официальные оппоненты:
Дубровин Виталий Константинович,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), профессор кафедры Литейное
производство;
Женин Евгений Вячеславович,
кандидат технических наук, ЗАО
«КонсОМ СКС», главный инженер.
Ведущая организация -
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»,
г. Екатеринбург.
Защита состоится 13 ноября 2012 г. в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000,
г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО
«Магнитогорский
государственный
технический
университет
им. Г.И. Носова».
Автореферат разослан «28» сентября 2012 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Селиванов
Валентин Николаевич
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Около 10-12 % ежегодной мировой добычи
металла безвозвратно утрачивается в виде коррозионных потерь, что равнозначно бесполезной работе крупного металлургического комбината или
потере 1 % совокупного общественного продукта. Потери от коррозии
начали оценивать в начале двадцатого столетия.
В свою очередь, распределение коррозионных потерь в производственных секторах следующее: нефте- и газоразведка и добыча – 8,5 %, горное производство – 0,6 %, нефтепереработка – 21 %, химия, нефтехимия и
фармацевтика – 9,65 %, целлюлоза и бумага – 34 %, сельхозпроизводство
– 6,25 %, пищевая промышленность – 12 %, бытовые приборы – 8,5 % (в
общий баланс не включена электроника). Предполагаемая сумма потерь
от коррозии превышает сумму потерь от пожаров и наводнений, а также
выше суммарных потерь от землетрясений, ураганов и оползней.
Современное развитие химической промышленности и высокотемпературной техники, актуальность возникновение новых технологических
процессов, протекающих в весьма жестких агрессивных условиях, интенсификация старых производств, предъявляют к конструкционным материалам весьма серьезные требования.
Для успешного решения задач по разработке конструкций новой
техники большое значение имеет создание материалов с повышенной
коррозионной стойкостью, хотя бы для увеличения межремонтного периода. Это влияет не только на экономику, но и на саму возможность технического осуществления процесса. Разнообразие химических сред и условий работы отливок вызывает необходимость разрабатывать и осваивать новые высоко легированные сплавы и технологию их литья. Применение отливок из легированных сплавов дает возможность совершенствовать промышленные аппараты и установки непрерывного действия, повышать сроки их службы и производительность. Имеющиеся разработки
по данному виду производства разобщены и недостаточны, следовательно, эта проблема весьма актуальна.
Например, на агрегатах непрерывного травления процесс происходит при помощи кислоты, а для увеличения скорости реакции травления
металла кислоту нагревают, что приводит к повышенному износу оборудования агрегата. Ударные нагрузки, требуют от литых деталей хороших
прочностных характеристик. Применение отливок из высококремнистых
чугунов, которые обладают хорошей коррозионной стойкостью, становится абсолютно невозможным, из-за их очень низкой прочности.
Поэтому вопрос создания эффективного состава коррозионностойкого чугуна является весьма актуальным.
3
Цель работы. Разработка коррозионно-стойкого сплава для отливок, работающих в среде соляной кислоты и имеющих повышенные
прочностные характеристики.
Основное внимание было уделено решению следующих задач:
- составление базы данных коррозионно-стойких чугунов;
- установление взаимосвязей химического состава, структуры, механических и специальных свойств (коррозионной стойкости) коррозионно-стойких чугунов;
- изучение закономерностей структурообразования и свойств чугунов легированных Cr, Ti, Mo, Cu в зависимости от условий охлаждения и
выбор базовых легирующих комплексов для новых составов сплавов;
- изучение влияния легирующих добавок на структуру и свойства
коррозионно-стойкого чугуна с различным содержанием примесей с целью получения благоприятной структуры и свойств литых заготовок;
- разработка нового состава коррозионно-стойкого чугуна.
Научная новизна работы:
1. Выявлены взаимосвязи химического состава и структуры коррозионно-стойкого чугуна. Получены весовые коэффициенты влияния основных легирующих элементов на их свойства, на основе которых был
разработан новый коррозионно-стойкий чугун для отливок, работающих в
соляной кислоте.
2. Выявлены закономерности изменения литой структуры и свойств
чугунов, легированных Cr, Ti, Mo, Cu, Bi, в зависимости от скорости охлаждения в форме, которые подтвердили, что при её увеличении происходит измельчение карбидов и микро – и макроструктуры металлической
основы, что позволило выбрать окончательный химический состав нового
коррозионно-стойкого сплава.
3. Обоснована целесообразность использования добавок меди и
висмута в количестве 0,5 – 1,0 % и 0,14 – 0,16 % соответственно, для достижения чугуном повышенной прочности и коррозионной стойкости. Установлено, что висмут, не растворяется в жидком железе, растекается по
границам кристаллизующихся зерен и служит модификатором второго
рода, способствуя измельчению структуры и увеличению коррозионной
стойкости.
Практическая значимость работы. Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты позволяют получать отливки с наибольшим сроком эксплуатации в агрессивных средах. Это увеличивает
межремонтный цикл оборудования и снижает затраты на детали и ремонт.
Рекомендовано соотношение содержания легирующих элементов, обеспечивающее формирование необходимой литой структуры, а также рациональное соотношение механических и специальных (коррозионной стойкости) свойств. Предложено использование микролегирования для обработки расплава чугуна с целью получения мелкокристаллической одно-
4
родной структуры и равномерного распределения механических и специальных свойств по сечению литой заготовки. Получен новый состав коррозионно-стойкого чугуна, который испытан в промышленных условиях и
показал высокую коррозионную стойкость.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 67, 68, 69 научно - технических конференциях ГОУ ВПО «МГТУ им Г.И. Носова» в 2009, 2010, 2011
гг., на научно – технической конференции молодых специалистов ОАО
«ММК – МЕТИЗ» в 2008 г., на научно – технической конференции молодых специалистов ЗАО «МРК» ОАО «ММК» в 2008 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6
печатных работ, три из которых в рецензируемых изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, библиографического списка из 99 наименований и приложений, изложена на 126 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 37 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, а
также показана практическая значимость результатов работы.
Глава 1. Состояние вопроса
Содержит обзор проблемы и критический анализ литературных источников. Проведен анализ литературных данных о коррозионно-стойких
материалах (чугун, сталь, неметаллические материалы). Рассмотрены
факторы, влияющие на коррозионную стойкость, и стратегии выбора легирующих элементов. Анализ литературных и патентных источников позволил установить, что существующие и применяемые в настоящее время
коррозионно-стойкие материалы не в полной мере удовлетворяют современным требованиям. В условиях рыночных отношений особое значение
приобретает увеличение срока службы оборудования. Это требует разработки новых коррозионно-стойких материалов.
На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи
исследования.
Глава 2. Методики исследования
В ходе проведения работы использованы как методики, рекомендованные ГОСТ, так и оригинальные. Перечислены материалы и оборудование, применяемые при проведении лабораторных и промышленных экспериментов. Представлены методики определения механических свойств
литых заготовок и металлографического исследования образцов.
Экспериментальные сплавы для изучения структуры и свойств выплавляли в индукционной печи ИСТ-0001 с нейтральной футеровкой. По-
5
сле выплавки опытных образцов проводили раскисление расплава в тигле
и заливку его в песчано-глинистые формы (ПГФ) и кокиль. Определение
химического состава исследуемых сплавов осуществляли в центральной
заводской лаборатории ОАО «ММК» и лабораториях ЗАО «МРК» спектральным методом на спектрометрах: OBLF QSN 750 (ГОСТ 18895-97) и
OBLF GS 1000 (ГОСТ 27611-88).
Коррозионную стойкость оценивали по трем показателям: весовым
методом ГОСТ 9.908 - 85 (стандартным и ускоренным методом ГОСТ
9.911 - 89) и объемным методом по количеству выделившегося водорода.
Металлографические испытания и фотографирование микроструктуры образцов проводили по стандартным методикам на оптических микроскопах при увеличении от 100 до 1000 крат. Для травления образцов
применяли раствор 5 мл HNO3+ 50 мл HCl +50 мл H2O по ГОСТ5639-82.
Микротвердость измеряли на приборе ПМТ – 3 при нагрузке на индентор 50 Н.
Температуру заливки сплавов определяли при помощи термоизмерителя модели ТЦП-1800В, который предназначен для измерения температуры расплава металлов при помощи термопреобразователя из вольфрам-рениевых сплавов (ВР5/20; ГОСТР 8.585.2001).
Построение математических моделей проводили по стандартным
методикам и с использованием стандартных пакетов электронных таблиц
программы «EXCEL 2003 ».
Оптимизация химических составов сплавов и нахождение количественных коэффициентов влияния легирующих элементов на свойства
проводились с помощью нейросетевой программы «Модель». Оптимизацию состава нового коррозионно-стойкого чугуна осуществляли, методом
крутого восхождения.
Глава 3. Исследование структуры и свойств чугунов,
легированных Cr, Mo, Ti, и разработка нового состава коррозионностойкого чугуна
С целью придания обычным железоуглеродистым сплавам коррозионной стойкости в агрессивных средах их легируют хромом, никелем,
молибденом, кремнием, алюминием и другими элементами. Выбор легирующих элементов определяется эксплуатационными условиями конструкции, для которой предназначается сплав.
Проанализировав большое количество литературных источников,
на кафедре электрометаллургии и литейного производства ФГБОУ ВПО
«МГТУ» им. Г.И. Носова была составлена база данных коррозионностойких чугунов. Они имели различный химический состав и свойства
(твердость, коэффициент износостойкости и скорость коррозии). Эта база
данных была исследована путем нейросетевого моделирования. Определили какие химические элементы, присутствующие в чугунах, оказывают
наибольшее положительное влияние на свойства, в особенности на корро-
6
зионную стойкость. Обучение модели проходило по методу обратного
распространения ошибки.
Выяснили, что на коррозионную стойкость наибольшее влияние
оказывают такие элементы как Mo, Cr, Si, Cu, Ni, Mn, V, Ti.
С помощью нейросетевого моделирования произвели оптимизацию
и выявили оптимальное соотношение химических элементов с максимальной коррозионной стойкостью. После оптимизации получили такое
соотношение элементов, %: C (1,8 – 2,2); Si (0,4 – 0,8); Mn (0,3 – 1,5); Cr
(20 – 35); Mo (0,5 – 4,0); Ti (0,5 – 1,5). По этому химическому составу выплавили опытные образцы.
Исследования проводили для каждого типа форм (ПГФ - сырая, сухая и кокиль), проверяли: твердость (HRC, ед.), коэффициент износостойкости (Ки, ед.), скорость коррозии (Ккор, г/(м2ч)), глубину проникновения
(П, мм/год).
Сделали вывод, что наибольшее влияние на твердость и износостойкость сплавов оказывает углерод и хром, остальные элементы влияют
незначительно. Это можно объяснить тем, что именно хром и углерод
являются главными регуляторами изменений структуры матрицы и количества упрочняющей фазы. С увеличением содержания хрома и углерода
износостойкость увеличивается.
Наибольшее влияние на коррозионную стойкость оказывает хром,
что объясняется повышением сопротивляемости окислению матрицы чугунов, благодаря пассивирующему действию хрома. На снижение проницаемости наибольшее влияние оказывают молибден и титан, что объясняется стабилизацией структуры, а значит повышением коррозионной стойкости.
Чтобы не проводить большое количество экспериментов, применили метод математического планирования. Для этого был спланирован и
проведен дробный факторный эксперимент типа 25-2. В каждой точке проводили по три параллельных опыта. Количество кремния в чугуне не превышало 0,8 %.
После обработки результатов дробного факторного эксперимента,
получили адекватные математические зависимости свойств экспериментальных сплавов от химического состава и типа формы (табл. 1).
На основании полученных данных построили регрессионные уравнения коррозии в среде соляной кислоты:
Ккор а= 4.5420+0.06875C+0.007292Mn+0.00250Cr-0.001214Mo-0.003250Ti,
Ккор б= 2.0649+0.05000C+0.002917Mn+0.00467Cr+0.00286Mo-0.001500Ti,
Ккор в= 3.2827+0.000000C+0.002917Mn+0.00767Cr-0.00571Mo-0.001000Ti.
где Ккор -скорость коррозии чугуна в среде соляной кислоты, г/(м2ч);
a, б, в – сухая ПГФ, сырая ПГФ, кокиль;
Fа = 3.954824, Fб = 8.430769, Fв = 4.634483;
Fтабл= 2,57.
7
Таблица 1
Свойства экспериментальных сплавов
Свойства
№
п
/
п
ПГФ сухая
ПГФ сырая
Кокиль
Ки,
ед
Ккор,
П,
HRC
г/(м2∙ч) мм/год
HRC
Ки,
Ккор,
ед г/(м2∙ч)
П,
мм/год
Ки,
ед
Ккор,
г/(м2∙ч)
1
2,4
6,6
7,4
41,3
40,7
2,8
5,5
6,3
2,5
4,3
5,1
44,3
2
2,2
6,2
6,9
40,8
40,3
2,4
4,4
5,2
2,4
4,5
5,3
43,9
3
2,5
6,0
6,7
40,0
41,1
3,3
5,0
5,8
2,8
4,7
5,5
43,6
4
2,2
7,1
7,9
39,9
39,5
2,8
4,5
5,3
2,6
4,9
5,7
43,8
5
2,7
6,0
6,7
40,7
37,3
2,6
5,2
6,0
2,2
4,9
5,7
44,0
6
2,3
6,1
7,0
38,0
38,4
2,5
5,9
6,7
2,5
5,3
6,1
43,3
7
2,1
7,5
8,3
38,6
38,1
2,2
6,0
6,8
2,0
5,5
6,3
42,9
8
2,2
7,8
8,6
39,0
37,5
2,0
6,9
7,7
1,8
5,4
6,4
42,6
9
2,3
6,6
7,4
38,9
39,1
2,6
5,4
6,2
2,4
5,0
5,8
42,0
П,
HRC
мм/год
Статистический анализ уравнения показал, что среднеквадратичная
ошибка опыта составила 0,0072; коэффициент при факторе Х2 не значим,
т.е. 0,3…1,5 % Mn не оказывает существенного влияния на скорость коррозии; уравнение адекватно. Оптимизацию провели по методу крутого
восхождения.
Ма кр о с тр у ктур а . Полученный чугун характеризуется крупнокристаллическим изломом, который часто имеет сильно развитую зону
транскристаллизации. Будучи перлитным по своей природе, он не претерпевает превращения в твердом состоянии (за исключением превращения в
карбидной фазе, которое не оказывает влияния на величину зерна), а потому его грубая первичная кристаллизация может быть исправлена путем
термической обработки. Скорость охлаждения оказывает влияние на характер кристаллизации, но это влияние незначительно. Значительно
больший эффект измельчения зерна можно достигнуть легированием.
Анализ макроструктуры образцов после испытания на коррозионную стойкость показал, что чем плотнее и прочнее связаны продукты коррозии с основным металлом, тем выше показатель коррозионной стойко-
8
сти (4,0-5,0 г/(м2∙ч)). Растрескиваясь и оголяя основной металл, продукты
коррозии способствуют дальнейшему его разрушению под действием агрессивной среды (кислоты).
а
×500
б
×500
в
×500
Рис. 1. Микроструктура чугуна, залитого в ПГФ сухую (а): П –
79,9 %; Cr7C3 – 20,10 %; ПГФ сырую (б): П – 80 %, Cr7C3 –
18,70 %; кокиль (в): П – 80,71 %, А – 0,53 %, Cr7C3 – 18,76 %.
Анализируя микроструктуры чугунных образцов (рис.1) и их свойства (табл. 1), сделали вывод, что коррозионная стойкость, а также другие
свойства выше в образцах, залитых в кокиль. Из рисунка видно, что размер карбидов и их распределение в матрице более равномерно, чем при
литье в ПГФ.
Анализируя другие образцы, заметили, что с увеличением количества легирующих элементов из-за укрупнения структурных составляющих
(металлической основы и карбидов), коррозионная стойкость снижается.
Разность потенциалов гальвано-пары перлит карбиды, намного меньше,
чем феррит карбиды, для увеличения коррозионной стойкости в структуре
необходимо иметь перлит и карбиды.
Результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что
изменение технологических параметров литья и химического состава чугуна позволяет существенно изменить кристаллическую структуру литой
заготовки, что способствует получению хорошей коррозионной стойкости. Полученный чугун относится к ΙΙΙ группе стойкости, а для травильных ванн, роликов и ножевых проводок необходима ΙΙ группа стойкости.
Такую стойкость можно достичь, путем изменения структуры. Легирование, модифицирование, применение термической обработки делает структуру сплавов более равномерной.
9
Чтобы увеличить коррозионную стойкость полученного чугуна,
провели дополнительное исследование по легированию медью и висмутом. Из литературы известно, что висмут совместно с медью благотворно
воздействуют на структуру чугуна и способствуют повышению стойкости
в соляной кислоте.
Глава 4. Улучшение структуры и свойств чугуна с повышенной
коррозионной стойкостью и прочностью за счет обработки его медью
и основным нитратом висмута и последующей термической обработкой
Микролегирование жидкого чугуна производили технической медью (0,5 – 1,0 %) и основным нитратом висмута (0,14 – 0,16 %) перед выпуском металла.
Поскольку вводили основной нитрат висмута, помимо висмута
имели в сплаве азот (0,05 – 0,10 %), который выступил модификатором. В
высокохромистые сплавы азот вводится специально, из литературы известно, что азот является модификатором. Модифицированный азотом
чугун имеет мелкозернистое строение, при этом прочность чугуна возрастает.
После микролегирования чугун разливали по описанной методике.
У нового чугуна проверяли твердость, износостойкость как в литом состоянии, так и после испытания на коррозионную стойкость (табл. 2).
Получили наилучшие свойства у чугуна с химическим составом, %:
C (1,8 – 2,2); Cr (20 – 22); Mo (1,0 – 2,0); Ti (0,8 – 1,05); Cu (0,5 – 1,0); Bi
(0,14 – 0,16). Количество кремния, марганца и азота в опытных чугунах
находилось на постоянном уровне: Si (0,4 – 0,5 %), Mn (0,3 – 0,5 %) и N
(0,05-0,09 %). Убедились, что в таких пределах наилучшие коррозионные
свойства. В каждом эксперименте проводили по три параллельных опыта.
Структуру металла исследовали только в литом состоянии.
Таблица 2
Свойства экспериментальных сплавов при модифицировании Cu/Bi = 2/1
Свойства
№
п
К,
/ еди
п
ПГФ сухая
Ккор,
П,
г/(м2∙ч) мм/год
ПГФ сырая
HRC
Ки,
ед
Кокиль
Ккор,
П,
г/(м2∙ч) мм/год HRC
Ки,
ед
Ккор,
г/(м2∙ч)
П,
мм/год
HRC
1 2,8
4,6
5,4
42,5
3,2
4,5
5,3
43,7
2,9
2,9
3,7
44,5
2 2,5
5,2
5,9
41,9
2,8
3,4
4,2
42,7
2,8
3,2
4,0
43,9
3 3,0
5,0
5,7
40,0
3,5
4,0
4,8
42,9
3,0
3,1
3,9
44,0
4 2,5
6,1
6,9
42,0
3,2
3,5
4,3
43,0
2,9
3,5
4,3
44,2
10
В табл. 2 номера составов приведены аналогично с табл. 1, только
состав № 4, это образцы состава № 5. Исследовав полученные чугуны,
установили, что медь в сплаве находится в виде твердого раствора, но
благодаря своему положительному электрохимическому потенциалу после попадания в кислоту в виде ионов она вытравливается на поверхности
образца элементарной медью (рис. 2) и пассивирует анодные участки.
Рис. 2. Образец, легированный медью и висмутом
а
×500
б
×500
в
×500
г
×500
Рис. 3. Микроструктура легированного чугуна: а, б, в - сплав соотношением меди к висмуту 0,5/0,14 %, с содержанием углерода, %: 1,8; 2,0 и
2,2 соответственно; г - сплав с отношением меди к висмуту
1,0/0,16% и содержанием углерода 2,2 %; а, в – сырая ПГФ, б, г –
сухая ПГФ; а - П – 79,05 %, А – 1,33 %, Cr7C3 – 19,62 %; б - П –
71,99 %, А – 2,86 %, Cr7C3 – 25,15 %; в - П – 73,40 %, А – 2,08 %,
Cr7C3 – 24,52 %; г - П – 76,80 %, А – 2,77 %, Cr7C3 – 20,43 %
11
Легируя чугун медью в пределах 0,5 –1,0%, установили, что она повышает термодинамическую активность углерода, уменьшает растворимость карбидов молибдена в расплаве и аустените и снижает тем самым
критическое содержание молибдена в чугуне, обеспечивающее инверсию
микроструктуры (рис. 3).
Химический анализ продуктов коррозии, образующихся на поверхности образца, %: CrxCly (58,5); MoxCly (2,33); TixCly (4,91); CuxCly (7,54);
BixCly (0,17). Видно, что хром, молибден, титан и медь пассивировали
поверхность металла, в виде хлоридов, предотвращая дальнейшее разрушение.
Анализируя микроструктуру полученного чугуна, установили, что
висмут способствует измельчению зерна (рис. 3, 4) и за счет этого совместно с медью улучшаются коррозионные свойства. Растворимость висмута в твердом железе практически отсутствует, это приводит к выделению
растворенного в жидком железе висмута на его поверхности в виде адсорбционного слоя жидкой фазы, что препятствует дальнейшему росту
кристаллов. Висмут выступает в виде модификатора второго рода.
Присутствие висмута в чугуне измельчает зерно, повышает свойства.
Однако висмут обладает малой растворимостью в α- и γ-растворах и при
повышенных добавках образует легкоплавкую эвтектику по границам
зерен, что может резко снизить свойства чугуна. Существенное измельчение литой структуры достигается за счет совмещения двух видов модифицирования: образование в расплаве чугуна дополнительных центров
кристаллизации и ограничение роста кристаллов (рис. 4).
а
×500
б
×500
Рис. 4. Микроструктура легированного чугуна, залитого: а - сухую ПГФ
(П – 40,34 %, А – 10,12 %, Cr7C3 – 30,22 %), соотношение меди к
висмуту 0,5/0,15 %; б - кокиль (П – 41,10 %, А – 10,77 %, Cr7C3 –
30,33 %), соотношение меди к висмуту 0,5/0,15 %
12
Таблица 3
Химический состав сравниваемых чугунов*, %
Марка
чугуна
ЧС17М3
C
0,3 –
0,6
Si
Mn
Cr
16 – 18
1,0
-
Патент
1,4 –
0,4 –
0,8 –
24 –
1713966
2,5
0,9
2,0
36
Патент
0,9 –
1,5 –
0,3 –
14 –
456036
1,3
2,0
0,8
16
Mo
2,0 –
3,0
-
-
Cu
Ti
Al
B
Bi
-
-
-
-
-
1,5 –
1,0 –
2,5
2,5
-
-
-
0,1 –
0,01
2,5
– 0,3
1,0 –
2,0
-
-
Новый
1,8
Не
0,3
20
1,0 0,5
0,8
0,14
–
–
–
более
–
–
–
–
чугун
0,16
2,2
0,8
0,5
22
2,0 1,0 1,05
*Расчет шихты для выплавки образцов проводили по верхнему уровню.
Для сравнения коррозионной стойкости нового чугуна со стойкостью других аналогичных сплавов, были выплавлены три коррозионностойких состава, чугуны, которые применяются как коррозионно-стойкие
материалы. Два из них были выбраны из патентов (№ 1713966, 456036) и
один взят из ГОСТ 7769-82, как сплав, являющийся «антихлором» (табл.
3). Эти сплавы разливали по формам (сухая, сырая песчано-глинистые и
кокиль). Расчет шихты и выплавку сплава осуществляли по верхнему
пределу. Свойства сравниваемых чугунов представлены в табл. 4. Концентрация соляной кислоты 38 %. Коррозионную стойкость определяли
стандартным методом.
Коррозионная стойкость чугуна ЧС17М3 выше, чем у нового сплава, это объясняется тем, что структура ферросилида практически однофазная, исключаются короткозамкнутые гальвано-пары, но эта фаза феррит, с низкими механическими свойствами.
Износостойкость чугуна ЧС17М3 намного хуже, чем у нового чугуна, к тому же ограничения по технологии выплавки, заливки и получении отливок делают чугун ЧС17М3 мало применяемым. Прочность чугуна ЧС17М3 низкая (55 МПа), следовательно, применение для отливок,
испытывающих ударные нагрузки и нагрузки выше среднего уровня, невозможно, например ножевые проводки, опорные ролики. Микроструктуры нового чугуна с различным содержанием меди и висмута представлены на рис. 3 и 4.
13
Таблица 4
Свойства сравниваемых чугунов*
Свойства
ПГФ сухая
Чугун
ПГФ сырая
Кокиль
Ки,
Ккор,
П,
Ки,
Ккор,
П,
Ки,
Ккор,
П,
ед.
г/(м ч)
мм/год
ед.
г/(м ч)
мм/год
ед.
г/(м ч)
мм/год
ЧС17М3
1,2
0,8
1,7
1,0
0,7
1,5
-
-
-
Патент 1713966
Патент 456036
2,3
6,2
7,0
2,5
5,8
6,4
2,3
5,5
6,3
1,5
6,3
6,9
1,6
6,0
6,8
1,9
5,9
6,7
2,9
3,7
2
2
Новый чугун
2,8 4,6
5,4
3,2 4,5
5,3
2,9
*Составы образцов были выплавлены по верхнему пределу
Патент № 173966
2
Патент № 456036
Новый чугун
ЧС17М3
Рис. 5. Фотографии с поверхности образцов, сделанные бинокуляром
модели OLYMPUS SZ61
14
Коррозионная стойкость нового чугуна выше, чем у сплавов, взятых из патентов №1713966 и № 456036: 6,2 г/(м2ч), 6,3 г/(м2ч) соответственно. У нового чугуна 3,9 – 4,0 г/(м2ч). Макроструктура поверхности
образцов, сравниваемых составов, и нового чугуна представлена на рис. 5
На рис. 5 видно, что поверхность нового чугуна более однородна,
плотнее, чем у сравниваемых чугунов.
Микроструктура нового чугуна стала более мелкозернистой благодаря микролегированию.
Фазовый состав прототипного чугуна, взятого из патента №456036:
содержание феррит (76,45 %), карбид хрома Cr7C3 (23,55 %).
Фазовый состав прототипного чугуна, взятого из патента №173966:
содержание перлита (74,31 %), карбид хрома Cr7C3 (22,38 %), аустенита
(2,12 %).
Фазовый состав нового чугуна: содержание перлита (78,71%), аустенита (0,53 %), карбид хрома Cr7C3 (20,76 %).
Сделали вывод, что на коррозионную стойкость наиболее положительное влияние оказывает меньшее содержание структурных составляющих. Необходимо избегать в структуре большого количества остаточного аустенита, структура должна быть мелкозернистой, перлит + карбиды хрома. Для придания отливкам большей коррозионной стойкости, количество углерода надо выдерживать на нижнем уровне (1,8 %), а количество хрома на верхнем (22 %). Для придания отливкам большей износостойкости, количество углерода и хрома надо выдерживать на верхнем
уровне.
4.1 Термическая обработка нового чугуна
Провели термическую обработку нового чугуна для изменения
структуры и увеличения прочностных свойств и коррозионной стойкости.
Для этого применили нормализацию и низкий отпуск.
Подготовили образцы и поместили в термическую печь, нагрев до
1050 0С в течение полутора часов, затем выдержка при температуре
1050 0С в течение одного часа, затем нормальное охлаждение на воздухе.
После этого образцы подвергли низкому отпуску, нагрев до температуры
340 0С и выдержка при этой температуре четыре часа, затем охлаждение с
печкой.
Микроструктуры образцов чугуна после термической обработки
представлены на рис. 6.
Объемная доля карбидов хрома изменилась с 23,33 % до 20 %,
перлита с 76 - 78% до 78,5 – 79,5 %. Площадь включений карбидов хрома изменилась с 12,6 мкм2 до 6,96 мкм2 (рис. 6).
15
а
×500
б
×500
в
×500
Рис. 6. Микроструктура чугуна после термической обработки
(состав № 1), залитого в ПГФ сухую (а), ПГФ сырую (б),
кокиль (в)
Свойства нового чугуна после термической обработки представлены в табл. 5.
Таблица 5
Свойства нового чугуна после термической обработки
Свойства чугуна
№
п/п
ПГФ сухая
HRC,
ед
ПГФ сырая
Ккор,
П, мм/ год
г/(м2ч)
HRC,
ед
Кокиль
Ккор,
П, мм/ год
г/(м2ч)
HRC,
ед
Ккор,
П, мм/ год
г/(м2ч)
1
42,5
2,90
3,31
41,6
2,53
2,92
43,5
2,03
2,96
2
41,7
2,79
3,19
41,9
2,96
3,37
44,9
3,05
3,43
3
43,9
2,88
3,28
43,6
3,21
3,60
44,0
2,14
2,43
4
42,8
3,07
3,51
42,1
3,04
3,45
42,2
2,55
2,97
5
41,0
3,04
3,45
42,6
2,68
3,09
43,8
2,23
2,65
6
40,7
2,89
3,29
41,5
3,08
3,52
43,4
2,40
2,82
7
42,2
3,00
3,41
43,3
3,13
3,60
42,0
2,34
2,72
8
41,5
3,12
3,52
43,0
3,32
3,70
44,9
3,01
3,42
После термической обработки коррозионная стойкость увеличилась
незначительно с (2,8 – 3,2 г/(м2ч)) на (2,0 – 3,1 г/(м2ч)).
16
Структура после термической обработки стала более равномерной и
мелкозернистой.
4.2 Литейные свойства
Литейные свойства сплавов определяют качество отливок. К важнейшим литейным свойствам относится жидкотекучесть и линейная
усадка. Жидкотекучесть является эмпирическим свойством литейных
сплавов. В одинаковых временных, размерных и теплофизических условиях заливки длина заполняемого канала зависит от скорости его движения и времени образования сплошного твёрдо - жидкого каркаса, в каком–
либо сечении прерывающего поток металла.
В табл. 7 для сравнения приведены основные литейные свойства и
физические свойства нового состава чугуна.
Таблица 7
Литейные и физические свойства исследованных чугунов
№
п/
п
Химический состав исследованных
чугунов, %
Темпе- Ли- Жидкоратура, 0С
ней- текучесть
ная
, при
ЛикСоли- усад- t=14000C,
видус
дус ка, %
мм
C
Si
Mn
Cr
Mo
Ti
Cu/Bi
1
1,8
≤
0,8
0,5
20
1,0
0,8
0,5/0,14
12901295
12551260
1,90
1,94
395400
2
2,0
≤
0,8
0,5
20
1,0
0,8
0,5/0,14
12951300
12651270
1,92
1,95
420430
3
2,0
≤
0,8
0,5
20
1,0
0,8
0,5/0,14
12951300
12551260
1,95
2,03
380385
4
2,2
≤
0,8
0,5
22
1,5
1,0
1,0/0,16
12951310
12551260
2,02,05
380386
5
2,2
≤
0,8
0,5
22
1,5
1,0
1,0/0,16
13201330
12501255
2,02,10
375380
4.3 Опытно – промышленное исследование нового коррозионностойкого чугуна
На ММК в условиях ЛПЦ – 8 на травильном участке провели испытание трех литых образцов из нового коррозионностойкого чугуна. Они
были подготовлены в соответствии с ГОСТ 9.905 – 82. Перед началом
испытания были измерены их площадь и масса. Затем образцы из корро-
17
зионностойкого чугуна помещали в ванну травления отсек № 4 с самой
высокой концентрацией соляной кислоты (HCl (140 г/л)), FeCl2 (350 г/л) и
повышенной температурой раствора (80˚С). Время испытания составило
300 часов. Скорость коррозии определяли по изменению массы образца.
Значение скорости коррозии составило 2,5 г/(м2∙ч).
На основании полученных результатов новый чугун относится к II
группе стойкости (весьма стойкие) по ГОСТ 5272 - 68. Имеется акт подписанный руководством ЛПЦ – 8, что данный чугун может быть рекомендован в качестве материала для отливок с повышенной прочностью, работающих в соляной кислоте.
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
1. Исследование базы данных коррозионно-стойких чугунов, путем
нейросетевого моделирования показало, что наиболее положительное
влияние на коррозионную стойкость оказывают такие элементы, как Si,
Cr, Ti, V, Mn, Ni, Cu, Mo, W.
2. Наиболее высокая эксплуатационная стойкость наблюдается у
отливок, легированных хромом и обладающих перлитной структурой с
карбидами М7С3 и МС3, а также прочностью не ниже 350 МПа, с низкой
шероховатостью поверхности.
3. Анализ математических зависимостей, которые, описывают
взаимосвязь химического состава, структуры, механических свойств, износостойкости, коррозионной стойкости чугунов, позволил определить
весовые коэффициенты влияния и установить пределы содержания химических элементов в чугунах.
4. Установили, что тип формы и косвенно скорость охлаждения
оказывает существенное влияние на формирование структуры и свойства
данных сплавов. Наиболее высокие свойства получили у сплавов, залитых
в кокиль. Определили состав базового легирующего комплекса, %: 1,8 2,2 C; 0,3 – 0,5 Mn; 20,0 - 28,0 Cr; Si не более 0,8 %.
5. Получили математические зависимости химического состава,
структуры, коррозионной стойкости, механических свойств, износостойкости нового комплексно–легированного хромистого чугуна, залитого в
сырую, сухую песчано-глинистые формы и кокиль. На основе их определили весовые коэффициенты влияния элементов на структуру и свойства
и разработали новый состав чугуна при следующем соотношении компонентов, %: 1,8 - 2,2 C; 0,3 – 0,5 Mn; 1,0 – 2,0 Mo; 0,8 – 1,05 Ti, 0,5 – 1,0 Cu,
0,14 – 0,16 Bi. Повышенное содержание Cr 23 – 28 % не существенно
влияло на коррозионную стойкость, поэтому для нового чугуна, в целях
экономии феррохрома, установили следующие его пределы, 20 – 22 %.
6. Проведенные промышленные испытания нового коррозионностойкого чугуна на ОАО «ММК» в условиях ЛПЦ – 8 на травильном уча-
18
стке подтвердили, что стойкость его относится ко II группе (весьма стойкие) по ГОСТ 5272 – 68 и этот чугун может быть рекомендован в качестве
материала для травильных ванн (ролики, ножевые проводки).
Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах
1. Выбор чугуна и исследование его стойкости в расплавах хлоридов /
Вдовин К.Н., Маркевич А.В. // Теория и технология металлургического
производства: Межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. –
Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2007. – Вып. 7. – С 117-118.
2. Разработка нового химического состава чугуна для деталей кислотных
насосов / Маркевич А.В. // Теория и технология металлургического
производства: Межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. –
Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – Вып. 8. – С 155-157.
3. Выбор легирующего комплекса для кислотостойких чугунов / Вдовин
К.Н., Маркевич А.В. // Литейные процессы: Межрегион. сб. науч. тр. /
под ред. В.М. Колокольцева. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009.
– Вып. 7. – С 136-138.
4. Чугун для проточной части кислотного насоса / Вдовин К.Н., Маркевич
А.В. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия.2010.- № 4 .-С. 65 .
5. Повышение эксплуатационных свойств отливок из коррозионностойкого чугуна / Вдовин К.Н., Маркевич А.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова,
2010. - № 1. – С. 31 - 33 .
6. Коррозионно-стойкий чугун для отливок, работающих в соляной кислоте / Вдовин К.Н., Маркевич А.В. // Литейщик России.- 2011. - № 7. –
С 26-28.
19
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
70
Размер файла
780 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа