Влияние первичной литой структуры жароизносостойких железоуглеродистых сплавов на их коррозионную стойкость

Таким образом, существующие критерии износостойкости на текущем этапе не могут применятся для достоверного прогнозирования эксплуатационных свойств и качества литых изделий.

Для формирования критериев износостойкости, наиболее полно отвечающих предъявляемым требованиям, возможно применение методов квалиметрии, когда внешние факторы, существенно влияющие на исход операции (свойства сплавов), могут принимать одно из нескольких ВОЗМОЖНЫХ СОСТОЯНИЙ 6=Шь Q2,,Qj}, Для которых известна вероятность их проявления S( Qj)=Sj.

В качестве внешних факторов Q могут выступать: химический состав сплава, содержание легирующих компонентов, наличие и механизм действия модификаторов, характеристики технологических процессов, существенно влияющие на конечный результат (например, теплофизические характеристики литейных форм и сплавов), характеристики, описывающие мак-ро- и микроструктуру сплавов, внешние характеристики, описывающие условия работы изделий, а так-

же комбинации всех перечисленных факторов.

Список литературы

1. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов / В.М. Колокольцев, Н.М. Мулявко, К.Н. Вдрвин, Е.В. Синицкий; под ред. проф. В.М. Колокольцева. Магнитогорск: МГТУ, 2004. 228 с.

2. Аналитические и инженерные критерии оценки абразивной износостойкости белых легированных чугунов / В.М. Колокольцев, Е.В. Синицкий, П.А Молочков, П.С. Лимарев, О.А. Миронов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2004. № 1.

Bibliography

1. Abrasive wear resistance of cast metals and alloys / V.M. Ko-lokoltsev, N.M. Mulyavko, K.N. Vdovin, E.V. Sinitsky; under the editorship of Professor V.M. Kolokoltsev. Magnitogorsk: MSTU, 2004. 228 p.

2. Analytical andengineering criteria ofabrasive wear resistance estimation of white alloyed cast irons / V.M. Kolokoltsev, E.V. Sinitsky, P.A. Molochkov, P.S. Limarev, O.A. Mironov // Vestnik of MSTU named after G.I. Nosov. 2004. № 1.

УДК 669.14.018.8-14:669.15-196 Колокольцев В.М., Гольцов АС., Синицкий Е.В.

ВЛИЯНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ЛИТОЙ СТРУКТУРЫ

ЖАРОИЗНОСОСТОЙКИХ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ НА ИХ КОРРОЗИОННУЮ стойкость*

В мировой практике накоплен значительный опыт применения в качестве износостойких материалов, работающих в условиях коррозионных сред, высоколегированных железоуглеродистых сплавов - сталей и чугунов.

Технологическая пульпа предприятий черной и цветной металлургии, угольной и других отраслей промышленности имеет заметную коррозионную активность. В процессе переработки сырья в оборотной воде накапливаются сульфаты, нитраты, хлориды, свободные кислоты, реагенты, улучшающие процессы измельчения и флотации. В сочетании с растворенным в воде кислородом такая пульпа оказывает разрушительное воздействие как в целом на оборудование, так и на отдельные ее части.

Разрушение металлов происходит в результате химического (химическая коррозия), электрохимического (электрохимическая коррозия) и механического воздействия внешней среды. Механическое разрушение (ис-тирание) деталей, изготовленных из сплавов, называется эрозией. Процессы коррозии и эрозии при эксплуатации деталей могут протекать одновременно, например при работе насосов [1]. Высокохромистые железоуглеродистые сплавы относятся к самопас с ив ирую-щимся кислотостойким сплавам. Из них главным обра-

* Работа выполнена в рамках Государственного контракта № 8286р/12626 от 30.06.2010 по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.»).

зом применяются высоколегированные стали, относящиеся к мартенситно-ферритному классу - 15Х13Л, 12Х17Л, ферритному классу - 15Х25ТЛ, 75Х24ТЛ, аустенитно-ферритному классу - 40Х24Н12СЛ,

35Х23Н7СЛ, аустенитному - 10Х18Н9Л, 15Х23Н18Л и др. Данные марки сталей применяются для деталей оборудования при добыче и обогащении разных руд, угля, цементного сырья, работающих в условиях высоких температур, испытывающих воздействие абразива, во многих случаях, когда абразивная масса находится в виде суспензий и износ сопровождается коррозионным воздействием.

Чем ниже pH среды и меньше содержание абразивных примесей, тем существеннее роль антикоррозионных свойств металла.

При абразивном изнашивании кварцевым песком в 30%-ных растворах фосфорной, серной и азотной кислот интенсивность изнашивания нержавеющих сталей и наплавок возрастает в 3-8 раз, углеродистой стали - в 14-80 раз [2]. Необходимый компромисс должен достигаться в зависимости от соотношения воздействия абразивного и коррозионного факторов.

Как известно, при концентрации хрома в железе свыше 12% сплав становится коррозионностойким в нейтральных, кислых и окислительных средах из-за пассивации при образовании пленки оксидов хрома. Благодаря легированию на поверхности металла образуется плотная пленка продуктов коррозии, вследствие чего металл переходит в пассивное состояние.

При легировании хромом железоуглеродистого сплава образуются специальные карбиды хрома (Бе,Сг)7С3, придающие сплаву высокую износостойкость в нейтральной среде. При образовании карбидов (Бе,Сг)23С6 концентрация хрома в твердом растворе уменьшается и коррозионная стойкость сплава снижается.

Коррозионную стойкость железоуглеродистых сплавов оценивали весовым методом по ГОСТ 9.91491. Этот метод является простым и наиболее надежным, так как непосредственно указывает на количество металла, разрушенного коррозией.

Экспериментальные сплавы для изучения структуры и свойств выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой. После выплавки опытных образцов проводили раскисление расплава в ковше и заливку его в песчано-глинистые формы (ПГФ). Испытания проводили на специальных образцах с размерами 35*35x10 мм. В качестве показателя коррозионной стойкости использовали значения глубины пораженного слоя КТ (мм/год) или Км (г/м2ч), которые связаны соотношением:

где р - плотность металла, г/см3 (табл. 1); Км - потеря массы образца, г/м2ч.

Исследуемые образцы были помещены в пробирку с коррозионной средой (концентрированная соляная кислота). Для удаления продуктов коррозии

Таблица 2

Фазовый состав металлическойосновы исследуемых сталей, %

Марка стали Феррит Аустенит (Ре,0г)зС

12Х17Л 84,57 10,28 5,15

75Х24ТЛ 89,8 2,9 7,3

40Х24Н12СЛ 10,87 82,4 6,73

3,5

Н----------1---------1---------1---------1---------

50 100 150 200 250 300

Время, ч

-♦-12X17Л -И-7&Х24ТЛ -±-4&Х24Н12СП

Рис. 1. Изменения глубины пораженного слоя сталей в литом состоянии от времени

через каждые 50 ч выдержки использовали 10%-ный раствор лимонной кислоты, нагретый до 60°С.

Первичная литая структура исследованных сталей состоит в основном из феррита или аустенита и карбидов. Данные рентгеноструктурного анализа указывают на наличие в структуре сталей карбидов (Ге,Сг)3С. Фазовый состав металлической основы представлен в табл. 2.

Исследованные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях и слабоагрессивных средах (рис. 1).

Снижение скорости коррозии происходит после 150-часовой выдержки, что обусловлено пассивирующим действием образующегося оксидного слоя, в результате чего на поверхности образцов создается тончайшая (20-30 А) защитная оксидная пленка, которая снижает доступ агрессивных реагентов к химически нестойким узлам кристаллической решетки [3].

В стали марки 40Х24Н12СЛ значение Кг равно 0,3 мм/год, что в 4,5 раза меньше коэффициента глубины пораженного слоя сталей марки 12Х17Л и 75Х24ТЛ. Это связано с большим и более устойчивым количеством аустенита, легированного никелем, имеющего большую коррозионную стойкость по сравнению с ферритом (рис. 2). Аустенигные стали имеют низкую склонность к коррозии из выбранных экспериментальных жаростойких сталей, однако они сложны по химическому составу, а также в них наблюдается большое количество сульфидных включений хрома по границам зерен (рис. 3). Эю особенно опасно при межкристал-лигной коррозии (МКК), которая проявляется в разрушении сталей по границам зерен, что приводит к резко -му снижению прочности и пластичности и может вызвать преждевременное старение отливки. Неметаллические включения дают с железом достаточную для развития процесса коррозии разность потенциалов.

В отличие от износо- и коррозионностойких сталей, в комплексно-легированных белых чугунах (КЛБЧ) кристаллизуется большое количество карбидных фаз. Чугуны чаще всего подвержены электрохимической коррозии вследствие образования микрогальванических пар между фазами, что приводит к снижению коэффициента коррозионной стойкости [3].

На кафедре ЭМ и ЛПМГТУ им. Г.И Носова проводятся обширные исследования комплексно-легированных белых чугунов (КЛБЧ), в результате которых разработаны и имеют охранный документ новые составы жароизносостойких чугунов (табл. 3).

КЛБЧ представляют собой многокомпонентные системы с целым набором структурных составляющих. Определено, что исследуемые чугуны представляют собой доэвтектические сплавы. После завершения кристаллизации во всех типах форм в них формируется структура, состоящая из избыточных дендри-тов аустенита и аустенитокарбидной эвтектики розеточного строения (рис. 4).

Во всех исследуемых образцах КЛБЧ наблюдается интенсивное окисление в первые 50 ч выдержки образцов. Эю предположительно связано как с преобладанием процесса обезуглероживания над окислением металлической матрицы, так и хемосорбцией окислителя (кислорода) на поверхности металла,

Таблица 1 Плотность сплавов

Марка сплава Плотность р, г/см3

75Х24ТЛ 7,45

40Х24Н12СЛ 7,60

12Х17Л 7,56

а б в

х500

Рис. 2. Микроструктурастали 12Х17Л (1), 75Х 24ТЛ (2), 40Х 24Н12СЛ (3) влитом состоянии, залитой в ПГФ:

а - сухую; б - сырую; в - кокиль после травления

х500

Рис. 3. Микроструктурастали 40Х24Н12СЛ, залитой в сырую ПГФ

4

а б в

х500

Рис. 4. Микроструктурачугунав литом состоянии ИЧ220Х18Г4НТ (1); ИЧХ28Н2 (2); ИЧ270Х24НТБР (3); ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ (4), залитой в ПГФ: а -сухую; б - сырую; в - кокиль после травления

Таблица 3

Фазовый состав металлической основы исследуемых чугунов, %

Марка чугуна Феррит Аустенит (Ре,Ог)2эС6 (Ре,Сг)7С3 1\1ЬС

ИЧ220Х18Г4НТ 2,86 75,66 - 21,48 -

ИЧХ 28Н2 43,24 30,57 26,2 - -

ИЧ270Х 24НТБР 13,78 71,32 - 14,59 0,31

ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ 4,35 82,1 - 12,15 1,4

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ 4,81 86,44 - 6,35 2,4

Таблица 4

Плотность сплавов

Марка сплава Плотность р, г/см3

ИЧ220Х18Г4НТ 6 СО 7,

ИЧХ 28Н2 7,47

ИЧ270Х 24НТБР 7,55

ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ 7 О 7,

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ 7 СЧ 7,

Таблица 5

Показатели коррозионной стойкости исследуемых сплавов

Марка сплава Кг, мм/год

100% НСІ 38% НСІ

12Х17Л 1,5 0,5

75Х24ТЛ 1,3 0,8

40Х24Н12СЛ 0,3 0,01

ИЧ220Х18Г4НТ 1,3 0,1

ИЧХ 28Н2 0,8 0,1

ИЧ270Х 24НТБР 0,6 0,1

ИЧ220Х18Г4Ю2БНТ 1,7 0,5

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ 1,6 0,3

когда химическая реакция преобладает над диффузией компонентов сплава. Дальнейшая выдержка приводит к затуханию скорости процессов окисления, так как образуется защитный оксидный слой, и скорость коррозионных процессов определяется преимущественно диффузией через оксидный слой металла (рис. 5).

Лучшие показатели коррозионной стойкости обнаружены у чугуна состава ИЧ270Х24НТБР с плотностью 7,55 г/см3 (табл. 4). Значения Кг равно 0,6 мм/год.

Проведенные исследования показали, что коррозионная стойкость исследуемых КЛБЧ зависит не столько от количества и размера карбидных частиц, сколько от среднего расстояния между карбидами и от состава высокоуглеродистых фаз, что способствует образованию защитного оксидного слоя (рис. 6).

Результаты исследования, представ ленные в табл. 5, демонстрируют сопоставимые коэффициенты коррозионной стойкости КЛБЧ со сталями, несмотря на различие в количестве карбидной фазы.

При низкой концентрации азотной и серной кис -лоты чугуны пассивируется легче, чем низкоуглеродистые стали, кроме стали 40Х24Н12СЛ, после 150-часовой выдержки образцов, залитых в сырую

ПГФ. В зависимости от скорости коррозии металлы и сплавы разбиты на группы по 10-балльной шкале. Исходя из значений, приведенных в работе [5], выбранные сплавы относятся к 4 группе стойкости, которая является пониженно-стойкой.

Из этих данных следует, что КЛБЧ с содержанием хрома 18% и выше имеют сопоставимые показатели коррозионной стойкости, несмотря на образования в легированных белых чугунах гальванических пар между карбидами (Ре,Сг}7С3 и металлической основой. В КЛБЧ выбран-

150 200

Время, ч

300

ИЧ220Х1ВГ4НТ ИЧ270Х25НТБР

ИЧ220Х1ВГ4Ю2Б2НТ

ИЧХ28Н2

ИЧ220Х1ВГ4Ю2ЕНТ

Рис. 5. Кинетикаокисления исследуемых чугунов

Расстояние между карбидами, мкм Рис. 6. Влияниесреднего расстояния между карбидами исследованных сплавов, запитых в сырую ПГФ, наих коррозионностойкость

59

143

67

40X24Н12СЛ

ИЧ220Х18Г4Ю2Б2НТ

ИЧ270Х24НТБР

Рис. 7. Затраты на ферросплавы для получения 1 т расплава заданной марки, тыс. руб.

ных составов образуется большое количество карбидных фаз, и эффект влияния количества, среднего рас -стояния между карбидами на коррозионную стойкость становится более ощутимым и преобладающим, несмотря на повышение способности пассивироваться.

Чугун состава ИЧ270Х24НТБР обладает максимальной износостойкостью (Ки, ед.) и твердостью (НИС) в литом состоянии. Коэффициент износостойкости ИЧ270Х25НТБР составляет 2,31 ед. при значениях твердости для сырой ПГФ 53,9 ед. НИС (табл. 6).

По результатам сравнительной оценки выбранных марок сталей и КЛБЧ установлены сопоставимые показатели коррозионной стойкости в среде соляной кислоты. Выявлена большая на 30%, чем у сталей сопротивляемость КЛБЧ истиранию за счет большей твердости и износостойкости.

Меньшая износостойкость стали, по сравнению с чугунами, объясняется тем, что меньшее содержание углерода не обеспечивает образование достаточного количества карбидов и при износе на матрицу переносится большая часть воздействия абразив ных частиц [6].

Кроме того, согласно мировым ценам на ферросплавы цена легирующего комплекса КЛБЧ, необходимого для производства 1 т расплава, более чем в 2 раза ниже в сравнении с производством исследованной высоколегированной стали (рис. 7).

Таким образом, проведенные исследования показывают эффективность замены литейных сталей на белые комплексно-легированные чугуны для изготовления отливок, работающих в условиях износа и коррозионных сред.

Список литературы

1. РиХосен, Ри Э.Х. Комплексно-легированные чугуны специального назначения. Владивосток: Дальнаука, 2000. 287 с.

2. ЦыпинИ.И. Белые износостойкиечугуны. М.: Металлургия, 1983. 176 с.

3. Бирке Н., Майер Дж. Введение в высокотемпературное окис-

Таблица6

Свойства железоуглеродистых сплавов

Марка сплава Ки, ед. Кг, мм/год HRC, ед.

ИЧ270Х 24НТБР 2,31 0,6 53,9

40Х 24Н12СЛ 1,85 0,3 10

ление металлов. М.: Металлургия, 1987. 184 с.

4. Влияние легирующих элементов на жаро- и коррозионную стойкость низкоуглеродистого белого чугуна / Э.Х. Ри, А.С. Рабзина, В.М. Колокольцев, Е.Б. Кухаренко, С.В. Дорофеев // Литейное производство. 2006. № 7. С. 5-8.

5. Специальныечугуны. Литье, термическая обработка, механические свойства: учеб. пособие / В.М. Колокольцев, Е.В. Пет -роченко, В.П. Соловьев, С.В. Цыбров; под ред. В.М. Коло-кольцева. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. 187 с.

6. Брялин М.Ф., Колокольцев В.М., Гольцов А.С. Повышение эксплуатационных свойств отливок изжароизносостойких хромомарганцевых чугунов // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. 2007. № 4. С. 22-26.

Bibliography

1. Ri Khosen, E. Kh. Ri. Complex-alloying cast irons of special purpose. Vladivostok: Dalnauka, 2000. 287 p.

2. Tsypin I.I. White wear resistance cast iron. M.: Metallurgy, 1983. 176 p.

3. Birks N., Mayer J. Introduction to high-temperature oxidation of metals. M.: Metallurgy, 1987. 184 p.

4. Influence of alloying elements on the heat-and corrosion resistance of low carbon white cast iron / E.Kh Ri, A.S. Rabzina, V.M. Kolokoltsev, E.B. Kukharenko, S.V. Dorofeev // Foundry. 2006. № 7. P. 5-8.

5. A Specially cast irons. Casting, heat treatment, mechanical properties: the manual / Kolokoltsev V.M., Petrochenko E.V., Solovev V.P., Tsybrov S.V.; Edited by V.M. Kolokoltsev. Magnitogorsk: SEI HPE Magnitogorsk State Technical University, 2009. 187 p.

6. Bryalin M.F., Kolokoltsev V.M., Goltsev A.S. The improvement of heat and wear - resisting Cr-Mn iron casting properties. Vestnik MSTU named after G.I. Nosov. 2007. № 4. P. 22-26.

УДК 621.777:621.771.22

Сидельников С.Б., Довженко Н.Н., Ворошилов Д.С., Первухин М.В., Трифоненков Л.П,

Лопатина Е.С., Баранов В.Н., Галиев Р.И.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛА И ОЦЕНКА СВОЙСТВ ОПЫТНЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ СПЛАВА СИСТЕМЫ АЬ-РЗМ, ПОЛУЧЕННЫХ СОВМЕЩЕННЫМИ МЕТОДАМИ ЛИТЬЯ И ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ

Для производства электропроводов, работающих при повышенных температурах, широко применяются сплавы алюминия с различным содержанием редкоземельных металлов (РЗМ). Технология производства длинномерных изделий из таких сплавов характеризуется высокой энерго- и трудоемкостью. При этом на различных этапах деформации металла возможно обра-

зование дефектов, которые приводят к нарушению технологического режима, что не позволяет производить такие деформированные полуфабрикаты с высокой производительностью. В то же время разработаны технологии непрерывной обработки алюминиевых сплавов, основанные на совмещении операций лигья, прокатки и прессования [1, 2], и проведены исследования