Перспективы использования чугунов в условиях коррозионно-механического изнашивания

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧУГУНОВ В УСЛОВИЯХ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ

PROSPECTS FOR THE USE OF CAST IRON IN CONDITIONS OF CORROSION AND MECHANICAL WEAR

Ольховская Т.В.

В работе представлен анализ условий работы рабочих органов целлюлозно-бумажной промышленности и приведен обзор материалов, используемых для их изготовления. Также описываются чугуны, которые могут быть использованы в этих условиях.

This paper presents an analysis of the conditions of work of the working bodies of the pulp and paper industry and provides an overview of the materials used for their manufacture. Also describes the irons, which can be used in these conditions.

1. Объект исследования

Объектами настоящего исследования являются материалы, работа которых происходит одновременно в условиях коррозии и механического изнашивания. Ярким примером таких условий работы являются рабочие органы машин целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП). Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий, сопровождающихся химическим или электрохимическим взаимодействием металла со средой. В результате такого воздействия двух факторов на поверхности металла происходят взаимосвязанные явления, активирующие процессы упругопластического деформирования, химических и электрохимических реакций. Интенсивность изнашивания будет зависеть от большого числа факторов: активности коррозионной среды, физико-химических свойств материалов, величин и характера нагружения и т.д. В процессе эксплуатации рабочие поверхности деталей машин и аппаратов испытывают постоянное или циклическое воздействие агрессивной среды при одновременном внешнем механическом нагружении, что приводит к разрушению поверхности металла с постоянным изменением размеров и формы детали. Разнообразие условий эксплуатации обусловливает различные виды изнашивания рабочих поверхностей деталей машин и аппаратов. Для оборудования ЦБП характерными видами изнашивания (ГОСТ 27674-88) являются абразивное, коррозионно-механическое, гидроабразивное, гидроэрозионное и кави-тационное.

К наиболее распространенному виду коррозионно-механического изнашивания относят прежде всего разрушение металлов при трении в коррозионной среде, которое происходит при одновременном воздействии на поверхность металла коррозионной среды и сил трения. Особенно интенсивно этот процесс протекает на рабочих поверхностях роторных и винтовых питателей установок для непрерывной варки целлюлозы, на поверхности валов, цапф и защитных втулок насосов, формующих и сушильных цилиндров, барабанов и валов пресс-патов, бумагоделательных машин и на другом оборудовании.

2. Обзор материалов деталей рабочих органов ЦБП.

На склонность к образованию коррозионных трещин оказывают существенное влияние концентрация и характер коррозионной среды, ее давление и температура, физико-химические свойства металла, величина и характер распределения растягивающих напряжений и т.п. В ЦБП коррозионное растрескивание малоуглеродистых и низколегированных сталей наблюдается в щелочных растворах, особенно при температурах более 40-45° С. В этом случае растрескивание происходит при высоком уровне растягивающих напряжений, близком к пределу текучести. В сварных соединениях трещины образуются чаще всего в зоне максимальных остаточных напряжений, в дефектах формы шва и в околошовной зоне, т.е. в тех местах, где имеется структурно-химическая неоднородность и неоднородность упругопластической деформации.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали подвергаются наиболее часто транскристаллитному коррозионному растрескиванию в хлоросодержащих средах при повышенных температурах (свыше 60° С), что является характерным для многих аппаратов ЦБП.

Коррозионное растрескивание и коррозионную усталость связывают с процессом электрохимической коррозии и с факторами механического и адсорбционного снижения прочности металлов в агрессивных средах. У этих процессов много общего, однако при циклическом нагружении имеет место постоянное разрушение защитной оксидной пленки и более интенсивное перемешивание коррозионной среды, что интенсифицирует протекание процессов коррозионной усталости.

Наиболее действенным способом повышения работоспособности оборудования, эксплуатирующегося в агрессивных средах, является применение специальных коррозионностойких материалов. В целлюлозно-бумажной промышленности для этих целей используются высоколегированные стали, никелевые сплавы, титан и его сплавы.

Коррозионностойкая хромоникилевая аустенитная сталь марки 12Х18Н10Т и ее аналоги отечественного и зарубежного производства, например, стали АШ-304 (США), SIS-2333 (Швеция) и другие, применяются для изготовления трубопроводов, пропарочных камер, теплообменной аппаратуры и других узлов и деталей, работающих в щелочных, нейтральных, слабокислых агрессивных средах. Эта сталь хорошо противостоит коррозионному разрушению во многих средах сульфат целлюлозного производства, в том числе в сдувочных парах и газах котлов и их конденсате при рН = 5-10, в среде слабого и упаренного черного щелока (рН = 12-14), в парогазовой смеси от гасителей (рН = 10-12), во вторичном паре от выпарной установки ( рН= 6-9) и в ряде других сред.

Основные недостатки этих сталей — низкая коррозионная стойкость в средах, содержащих хлор-ионы и растворы соляной и серной кислот, а также высокая склонность к межкристаллитной коррозии, особенно в зоне термиче-

ского влияния сварных соединений. Для повышения коррозионной стойкости в кислых средах применяются кислотостойкие хромоникелиевые аустенитные стали, дополнительно легированные молибденом, в том числе отечественные стали марок 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т и 08Х17Н15М3Т и подобные марки сталей зарубежного производства - Л181-316 (США), SIS-2343 (Швеция) и др. Эти стали показали высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах сульфит целлюлозного производства, в том числе в атмосфере сернистого ангидрида, в растворе сульфитной варочной кислоты (рН = 1,5-4), в сырой сульфитной кислоте (рН = 1,5-3), в крепком сульфитном щелоке (рН = 1,8-2,0), в кислом конденсате выпарных установок (рН = 2-5) и в других средах.

Подобные марки стали широко применяются в качестве плакирующего слоя биметаллических варочных котлов и других аппаратов в целлюлозном и лесохимическом производствах. В этом случае основу биметалла составляют углеродистая или низколегированная качественные стали. Наибольшее применение в качестве основы находит углеродистая сталь марки 20К, предназначенная для котлостроения и сосудов, работающих под давлением (ГОСТ 5520-79).

Плакирующий слой из коррозионностойкой стали при толщине основного металла 25-40 мм составляет 3,5-6 мм. Как показал опыт эксплуатации биметаллических котлов, плакирующий слой подвергается коррозионным разрушениям различного вида (точечной, подповерхностной, избирательной в районе сварных швов и др.). В этом случае плакирующий слой биметалла разрушается в большей степени, чем металл на деталях, полностью изготовленных из аналогичной марки стали. Особенно это проявляется у варочных котлов периодического действия, что связано не только с вероятностью появления дефектов в процессе производства биметаллического проката и выполнения технологических операций при гибке, вальцовке, сборке и сварке, но и с особенностями механических и коррозионных воздействий в процессе эксплуатации. Чаще всего это явление связывают с усилением коррозионных процессов и коррозионной усталостью в специфических условиях возникновения переменных напряжений в плакирующем слое во время пуска, работы и остановки котла, а также с повышенной концентрацией хлоридов и сульфидов в варочной среде.

В последнее время для повышения коррозионной стойкости аппаратов из биметалла используют плакирующий слой из хромоникелевых сталей с низким содержанием углерода (менее 0,03%), что значительно уменьшает интенсивность общей коррозии и повышает стойкость к межкристаллитной коррозии. К таким сталям относятся шведская 832 StR, американская 316 L и 317 L, отечественная ЭИ 844 и др.

Широкое применение в ЦБП находят сплавы на основе никеля и титана, особенно в сильноагрессивных средах, содержащих хлориды, в среде влажного хлора и т.п. Имеется положительный опыт применения в этих условиях никелевых сплавов ХН28МДТ (ОХ23Н28М3Д3Т), ХН65МВ, титановых сплавов ВТ 1-0, ВТ-5, ОТ 4-1 и т.д. Из титана изготовлены многие детали обору-

дования для отбелки целлюлозы хлорсодержащими реагентами, например, башни двуокиси хлора на Амурском ЦБК, баки для гипохлорита натрия на Туринском ЦБК, трубопроводы на Неманском ЦБК, вакуум-фильтры на Советском ЦБК и др.

Увеличение срока службы быстроизнашивающихся деталей оборудования ЦБП может быть достигнуто: заменой изношенных деталей новыми; обработкой рабочих поверхностей, разрушенных коррозией и изношенных вследствие коррозионно-механических воздействий, под ремонтные размеры; наращиванием размеров изношенных деталей, применяя неметаллические и гальванические покрытия, напыления и наплавки. Наплавка и нанесение методами металлизации защитного слоя на рабочие поверхности изношенных деталей являются ведущими и наиболее распространенными методами повышения их работоспособности и срока службы. С помощью этих методов можно производить многократное наращивание деталей практически до любых требуемых размеров.

Процессы наплавки и металлизации являются относительно простыми и могут быть осуществлены в условиях ремонтных служб целлюлозно-бумажных предприятий с применением несложного наплавочного и металли-зационного оборудования. Однако для обеспечения высокой работоспособности необходимо правильно подойти к выбору материалов, применяемых для наплавки и напыления износостойкого слоя на поверхность деталей, с учетом особенностей их эксплуатации и характера разрушения.

Для восстановления деталей целлюлозно-бумажного производства методами наплавки и напыления могут использоваться различные стали, сплавы и неметаллические материалы. Выбор конкретного типа материала должен производиться на основе анализа условий работы изделия и механизма его разрушения с учетом требуемых эксплуатационных характеристик наносимого слоя, трудоемкости восстановления, затрат на материалы и оборудование и других технико-экономических показателей.

Наиболее широкое распространение при восстановлении геометрических размеров изношенных деталей методами наплавки находят углеродистые и легированные стали. Углеродистые стали при содержании углерода не более 0,3-0,4% имеют удовлетворительные механические свойства, но низкую коррозионную стойкость. Поэтому их целесообразно применять для наплавки деталей, подвергающихся незначительным абразивным и усталостным воздействиям в условиях трения скольжения и качения при работе в некоррозионно-активных средах в процессе эксплуатации. Эти материалы могут использоваться при восстановлении валов, цапф, ходовых колес, опорных катков, ножей и т.п.

Углеродистые стали с содержанием свыше 0,4% углерода и конструкционные стали, дополнительно легированные никелем, хромом, ванадием, ниобием, вольфрамом и другими элементами-упрочнителями, обладают в наплавленном состоянии высокой твердостью и могут применяться для наплавки деталей, работающих в условиях интенсивных абразивных и абразивно -ударных воздействий в малоактивных коррозионных средах. Наиболее целе-

сообразно этими сплавами наплавлять ножи рубительных машин, гарнитуры размольных мельниц, броневых и износных листов и другие детали.

Хромистые стали обладают высокой прочностью и достаточной коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред. Их лучше применять для наплавки деталей, подвергающихся коррозионно-механическому, коррозионно-абразивному, газоабразивному, гидроабразивному и кавитационному изнашиванию.

Хромоникилевые аустенитные стали обладают высокой стойкостью против коррозии, но сравнительно низкой твердостью, поэтому их применяют для наплавки деталей, работающих в агрессивных средах при сравнительно небольших механических воздействиях (плунжеры, корпуса и крыльчатки насосов для перекачки жидкостей, не содержащих абразивных частиц, детали запорной и регулирующей арматуры и т.п.).

Высокохромистые чугуны — распространенный тип металла для наплавки деталей, подвергающихся интенсивному абразивному изнашиванию, в том числе и в агрессивных средах. Сплавы имеют высокую твердость и хрупкость, плохо воспринимают ударные нагрузки. Однако, благодаря высокому содержанию хрома они обладают хорошей коррозионной стойкостью в окислительных средах.

Никелевые и кобальтовые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость в различных средах, а также повышенные прочность и твердость. Эти сплавы хорошо противостоят изнашиванию в агрессивных средах. Сплавы на основе никеля и кобальта технологичны, могут применяться для наплавки и металлизации различными методами. Используют их для восстановления особо ответственных деталей.

Наряду с указанными сталями и сплавами при ремонте деталей машин широкое распространение находят сплавы на основе меди. Медные сплавы имеют низкий коэффициент трения в паре с другими металлами и малую склонность к схватыванию в процессе трения. Их применяют для наплавки деталей, подвергающихся изнашиванию при трении скольжения металла по металлу при незначительных коррозионных и абразивных воздействиях (например, подшипники скольжения, детали запорной арматуры, питатели и т.п.).

При работе в условиях трения скольжения, особенно при наличии смазки, детали с металлизационными покрытиями могут значительно превосходить по износостойкости наплавленные изделия. Для защиты металлизацией стальных конструкций от коррозии в атмосферных условиях и воде широко применяют алюминий, цинк и их псевдосплавы. Минимальная толщина алюминиевого покрытия, обеспечивающего длительную работоспособность конструкций в морской воде и промышленной атмосфере, составляет 100 мкм.

Наряду с металлическими материалами для придания специальных свойств рабочим поверхностям деталей (высокой износо- и коррозионностой-кости) используют различные оксиды и карбиды, наносимые газовым и плазменным напылением. Однако наибольшее распространение для ремонтных

работ с применением наплавки и напыления нашли металлические материалы.

3. Перспективы использования чугунов для деталей ЦБП.

В существующих конструкциях рабочих органов ЦБП чугуны используются в виде износостойких наплавок или самостоятельных деталей. В первом случае используют белые легированные чугуны, а во втором половинчатые или графитизированные. Для обеспечения высокой износо- и коррозионно-стойкости чугун легируют высоким содержанием хрома, никеля или кремния, в зависимости от коррозионной среды и характера нагружения.

Хром относится к самопассивирующимся металлам и при повреждении пассивной пленки оксидов хрома она легко самопроизвольно восстанавливается [5]. Коррозионная стойкость выражается в сильном торможении анодного процесса коррозии.

Как известно [1], в чугуне хром образует твердые растворы с железом, интерметаллическое соединение FeCr, ряд комплексных карбидов (&, Fe)7C3, (&, Fe)23C6, имеющих электрохимический потенциал близкий к потенциалу хромистого феррита (-0,466 В), что практически не снижает химическую стойкость сплава. С точки зрения химической стойкости, полезным является только хром, находящийся в твердом растворе. Именно оно определяет плотность пассивирующей пленки на поверхности сплава.

Первая граница химической стойкости наступает у сплавов при содержании хрома 11,8%. Высокой коррозионной стойкостью обладают чугуны при содержании хрома 12... 13%. Коррозионная стойкость хромистых чугунов зависит от соотношения хрома и углерода [6], которое определяет распределение углерода между матрицей и карбидами. Массовая доля хрома в карбидах составляет от 30 до 50% [1]. Так как большая часть углерода связывается в карбиды, содержание свободного хрома обычно не выходит за первую границу химической стойкости.

Хромистые чугуны обладают повышенной коррозионной стойкостью в запыленных газовых средах, растворах большинства органических и неорганических кислот, щелочей, солей, газах, содержащих серу. Обладают высокой стойкостью к абразивному износу.

Кремний в чугуне образует растворы в а-железе (максимальная растворимость при 20°С 15,2%) и у-железе (максимальная растворимость 2,15%), а также интерметаллиды типа FemSin (силициды). Ферросилиды имеют высокую стойкость против коррозии за счет образования пассивной оксидной пленки и гидратированных оксидов кремния, а также однородной структуры.

Кремнистые чугуны обладают высокой стойкостью практически во всех коррозионных средах, кроме фтористоводородных и фтористых соединений. Однако эти сплавы в процессе эксплуатации не допускают механические и термические удары, а также переменные и пульсирующие нагрузки. Кроме того эти чугуны обладают низкими литейными свойствами, что усложняет процесс их производства. В связи с этим в условиях коррозионно-

механического изнашивание применение кремнистых чугунов нецелесообразно.

Высоко никелевые чугуны содержат 14...32%о никеля. Чугуны являются графитизированными с пластинчатым или шаровидным графитом. Кроме никеля содержат, как правило повышенное количество кремния, марганца, хрома и меди. Основой структуры в большинстве случаев является аустенит. Такие чугуны обладают высокой жаропрочностью, износо- и коррозионной стойкостью в большинстве агрессивных сред. Фактором, сдерживающим их применение является высокая цена.

Компромиссным вариантом является низколегированный коррозионно-стойкий чугун типа ЧНХТ или ЧНХМДШ по ГОСТ 7769-82.

Такие чугуны легированы небольшими количествами никеля, хрома, молибдена и меди. В структуре содержат пластинчатый или шаровидный графит и отличаются повышенной износостойкостью в агрессивных средах. Структура матрицы таких чугунов - теплостойкий легированный перлит, обеспечивающий наряду с коррозионной стойкостью повышенную износостойкость.

Список использованных источников

1. Чугун: справочник [текст] / под. ред. А.Д. Шермана, А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991.- 576с.

2. Самсонов Г.В., Виницкий И.М. Тугоплавкие соединения: Справ. изд. - М.: Металлургия, 1976. - 560 с.

3. Свойства элементов: Справ. изд. в 2 т.: Т.1. Физические свойства. - М.: Металлургия, 1976. - 600 с.

4. Справочник по чугунному литью/ Под ред. Н.Г. Гиршовича. - Л.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

5. Клинов, И. Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы // И. Я Клинов. - М.: Машиностроение, 1976. - 468 с.

6. Довгалевский, Я.М. Чугуны с особыми свойствами// Я.М. Довгалевский. - М.: Ме-таллургиздат, 1957. -198 с.