Эрозионная стойкость графитизированной стали в агрессивной среде при повышенных температурах

УДК 669.112.247.6

И. В. Акимов, В. А. Савченко, А. Ю. Яковлев

ЭРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ ГРАФИТИЗИРОВАННОЙ СТАЛИ В АГРЕССИВНОЙ СРЕДЕ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ

ТЕМПЕРАТУРАХ

В работе проведено исследование влияния химического состава графитизированных сталей на скорость термоэрозионного разрушения. В1полнен анализ микромеханизма эрозионного разрушения графитизированных сталей и серого чугуна, указаны основные факторы, влияющие на процесс разрушения.

Графитизированные чугуны (серые и высокопрочные) находят применение для деталей, работающих в условиях агрессивных сред при повышенных температурах: изложницы для разливки черных и цветных металлов, кокили, детали печной арматуры и др. Благодаря наличию значительного количества (7......12 % объемн.) графитной

фазы в структуре, чугуны обладают рядом ценных свойств, которые обусловливают их применение в этой области. По сравнению с металлической матрицей графит имеет более высокую теплопроводность (феррит - 71......80, перлит - 50, цементит -

37, графит - 268 Вт/мК) и меньшую смачиваемость жидкими расплавами, что способствует повышению теплопроводности сплава, уменьшению термических напряжений и снижению скорости химического взаимодействия на поверхности раздела чугун-расплав.

Работа стеклоформующего инструмента является одним из примеров работы деталей в условиях агрессивных сред при повышенных температурах. Здесь в качестве агрессивной среды выступает расплав стекла. При этом температура в зоне контакта с рабочей поверхностью инструмента достигает 700 °С. Основной объем деталей стекло-форм изготовляется из чугуна. В то же время, причиной выхода из строя до 80 % чугунных деталей стеклоформующего инструмента является износ вследствие термохимической эрозии, что связано с наличием большого количества графитной фазы в структуре [1]. В связи с этим обращают на себя внимание графитизированные стали, в которых содержание графита в 2-3 раза меньше, чем в чугу-нах.

Ограниченное применение графитизированных сталей, как конструкционного материала, в том числе и в условиях агрессивных сред в какой-то мере связано с недостаточностью данных об их способности сопротивляться эрозионному разрушению. Данная работа была направлена на восполнение этого пробела: исследовали влияние химического состава на структуру и эрозионную стойкость гра-фитизированной стали в расплаве жидкого стекла при температуре 1000......1100 °С. Объектом исследова-

ния служили стали с базовым составом: 1,55......1,65

% С; 0,18......0,22 %Мп; 0,03......0,07 %Сг;

0,025......0,030 %Б и 0,032......0,04 %Р, в которых

содержание легирующих элементов изменялось согласно табл. 1.

Стали выплавляли в 60-ти килограммовой индукционной печи с основной футеровкой и разливали в сухие песчано-глинистые формы, обеспечившие получение цилиндрических слитков диметром 50-60 мм.

Таблица 1 - Изменение содержания легирующих элементов

Металлографический анализ полученных сплавов в литом состоянии показал разнородность микроструктур в зависимости от химического состава и, главным образом, от содержания кремния. Так, в сталях с низким содержанием кремния в литом состоянии наблюдалась структура, типичная для заэвтектоидных сталей, представленная фазами перлита и вторичного цементита. В сталях с повышенным уровнем кремния (2,49......2,57 %) структура была представлена перлитом с пластинчатым графитом в ферритной оторочке.

Полученные образцы подвергали графитизиру-ющему отжигу по режиму, применяющемуся для отжига белых чугунов на ковкие. Как показал металлографический анализ, при содержании кремния 0,96 % графит отжига имел форму близкую к

© И. В. Акимов, В. А. Савченко, А. Ю. Яковлев 2006 г.

- 0219яшВестникяИвигателестроенияя1 4/т006

133

шаровидной (рис. 1 а), металлическая матрица при этом была представлена ферритной и перлитной фазами. При 1,74 % кремния образовался менее компактный хлопьевидный графит отжига (рис. 1, б), металлическая матрица при этом также была представлена фазами перлита и феррита. При содержании кремния 2,57 % графит имел пластинчатую форму (рис. 1, в).

мальный износ имели стали с компактным и хлопьевидным графитом в структуре, максимальной скоростью эрозионного износа обладали стали с повышенным содержанием кремния и пластинчатым графитом в структуре.

Исследование поверхности контакта материал - стекломасса образцов с компактным (рис. 2, а), хлопьевидным (рис. 2, б) и пластинчатым графитом (рис. 2, в) показало, что во всех случаях эрозия происходит преимущественно по включениям графита. Это можно объяснить тем, что графитовые включения более легко, по сравнению с металлической матрицей, механически разрушаются и окисляются, то есть они играют роль своеобразных каналов, по которым разрушительные процессы проникают вглубь металла. Сдерживающим фактором проникновения окислительных агентов внутрь сплава является форма включений.

/ V * ч

V

ч

г-

г\

Рис. 1. Типичные структуры графитизированных сталей с различным содержанием кремния

Для проведения эксперимента использовалась установка, описанная в работе [2], позволяющая осуществлять с частотой 3 с-1 попеременный контакт образца размерами 10х10х20 с расплавом стекла и с воздухом в течение 2-х часов. О способности материала сопротивляться воздействию расплавленного стекла судили по скорости потери массы металла, которую определяли согласно [2].

В результате проведения испытаний оказалось что скорость эрозионного износа стали варьировала от 15,3 г/м2час до 31,8 г/м2час. Причем мини-

Рис. 2. Микромеханизм эрозионного разрушения графитизированных сталей

Интенсивный эрозионный износ сталей с повышенным содержанием кремния объясняется, прежде всего, наличием графитовых включений пластинчатой формы (см. рис. 2, в). Имея большую про-

а

а

б

б

в

в

тяженность, они давали возможность беспрепятственного проникновения окислительных агентов в глубь металла. Это же, в свою очередь, приводило к эрозии металлической матрицы по границам включений, при этом высокая скорость эрозионного износа была связана, главным образом, с отделением и "вымыванием" в стекломассу частей металлической матрицы, окруженных графитовыми включениями и окисным слоем.

В данной работе также было проведено исследование эрозионного разрушения серого чугуна, который в данное время используется в качестве конструкционного материала для изготовления стек-лоформ [1]. Испытывали серый чугун состава: 3,5

% углерода; 1,76......2,18 % кремния; 0,17......0,35

% марганца; 0,02......0,03 % серы; 0,02 % фосфора. Испытания проводились в таких же условиях и на том же оборудовании, что и графитизированные стали. Скорость эрозионного разрушения данного материала составила 31,8 г/м2час. Снимок поверхности чугуна подверженной эрозионному разрушению приведен на рис. 3. Из приведенного снимка видно, что проникновение процесса разрушения в глубь металла происходит по графитовым включениям.

г

I

'М

^ I

Рис. 3. Разрушение поверхности серого чугуна (угловая часть образца), х200

Сравнивая механизмы разрушения графитизи-рованных сталей и чугуна можно сделать вывод, что на эрозионные процессы оказывает влияние прежде всего форма графитовых включений. Пластинчатая форма включений в наибольшей степени способствует проникновению процессов разрушения в поверхностные слои металла.

Так как именно графитная фаза (количество и форма включений) влияет на скорость эрозионного разрушения материала, то справедливо говорить, что графитизированная сталь, имеющая в своей структуре компактные включения графита, -перспективный конструкционный материал для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивных сред и повышенных температур.

Список литературы

1. Волчок И.П., Колотилкин О.Б., Шейко С.П. Конструкционные материалы для стеклоформую-щего инструмента. - Запорожье: Издательский центр "Павел", 1997. - 294 с.

2. А.с. 1128148 СССР, МКИ 001Ы 3/60. Установ -ка для исследования термостойкости образцов / И.П. Волчок, О.Б. Колотилкин, (СССР). - № 3615089 / 25-28; Заявлено 01.07.83; Опубл. 07.12.84, Бюл. № 45. - С. 128-129.

3. Бобро Ю.Г. Жаростойкие и ростоустойчивые чугуны М.; К.: Машгиз, 1960. - 170с.

4. Александров Н.Н., Клочнев Н.И. Технология получения и свойства жаростойких чугунов. -М.: Машиностроение, 1964. - 171 с.

5. Малышев Г.П. Исследование и разработка сплава, стойкого в среде анодных газов алюминиевых электролизеров: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Запорожье, ЗМИ, 1989. - 20 с.

Поступила в редакцию 27.06.2006 г.

Уробот1 проведено досл1дження впливу х1м1чного складу граф1тизованих сталей на швидксть термоероз1йного руйнування. Виконано анал1з м1кромехан1зму ероз1йного руй-нування граф1тизованих сталей та срого чавуну, вказано на головн1 чинники, яю вплива-ють на процеси руйнування.

Investigation of the influence of a chemical composition of graphitized steels on rate of thermochemical erosion has been conducted in the work. Analysis of the micromechanism of graphitized steels and grey cast iron has been carried out, the main factors that affect the process of destruction have been specified.

—Отй 9яшВестникяИвигателестроенияя1 4/mD06

- 135 -