Влияние центробежной перегрузки на распределение тугоплавких упрочняющих частиц в расплаве. Разработка состава исходной шихты и методики центробежного литья изделий из материалов на основе железа с градиентным распределением частиц карбидов и оксидов.
Аннотация к работе
В лаборатории физики металлов ИТА НАН Беларуси были проведены эксперименты по получению отливок образцов феррохрома с расчетной концентрацией хрома 40% (образец №1) и образцов сплава составов Fe-Cr-Ni-С (образец №2) и Fe-Cr-Ni-Ti-C (образец №3) с использованием порошкового шлама ОКП. вместо окиси хрома. Фактический и расчетный химсостав этих образцов приведен в таблице 1 (концентрацию углерода не определяли). Из приведенных численных данных можно сделать следующие выводы: Фактическая концентрация хрома в феррохроме (образец №1) близка к оптимальной концентрации, полученной по технологии [1,2] при этом требуются добавки селитры, извести, избыточное количество алюминия и подогрев шихты до 350ОС, а по нашей технологии [3,5,6] - только центробежная перегрузка. Сплавы для наплавки (образец №2) и для литья (образец №3) имели состав, близкий составам, полученным нами с использованием чистой окиси хрома, дополнительное легирование молибденом из шлама (более 0,6%) может только повысить износостойкость этих сплавов. Образцы подвергали термообработке и с помощью рентгеноструктурного анализа [3] (Рисунок 1). определяли структурный тип кристаллической решетки частиц, составляющих образец, т.е. его фазовый состав.В результате проведенных исследований установлено: Порошковый шлам из отходов кожевенного производства можно использовать вместо окиси хрома при синтезе феррохрома и износостойких сплавов методом СВС-литья с центробежными нагрузками. Применение центробежных нагрузок позволяет снизить себестоимость феррохрома и износостойких материалов в результате использовании шлама ОКП.
Введение
Для многих стран, в том числе и для Беларуси, актуальна проблема утилизации отходов кожевенного производства. Наиболее опасными из них являются хромосодержащие отходы - твердые и шламообразные. И если твердые отходы (обрезки кожи) используются для производства волокнистых материалов, то шламообразные полностью направляются в накопители. На полигонах кожевенных предприятий Беларуси скопились тысячи тонн таких отходов [1]. На Бобруйском кожевенном комбинате сконструирована установка для сушки и пиролиза осадков сточных вод (кек хромовый). Продуктом переработки отходов в этой установке является пылевидный порошок, содержащий до 82% Cr2O3, окислы других металлов и сажистый углерод. В лаборатории БНТУ разработано две технологии переработки шлама ОКП - углетермическая и металлотермическая [1,2].
1. Экспериментальные результаты и обсуждение
В лаборатории физики металлов ИТА НАН Беларуси были проведены эксперименты по получению отливок образцов феррохрома с расчетной концентрацией хрома 40% (образец №1) и образцов сплава составов Fe-Cr-Ni-С (образец №2) и Fe-Cr-Ni-Ti-C (образец №3) с использованием порошкового шлама ОКП. вместо окиси хрома. Диаметр образцов составлял 28 мм, высота - 18 мм, литье проводили при перегрузке n = 400 (т.е. ускорение было равно 400g). Фактический и расчетный химсостав этих образцов приведен в таблице 1 (концентрацию углерода не определяли). Состав исходной шихты рассчитывали с учетом того, что в шламе в среднем содержится 82% Cr2O3 [1,2]. Из приведенных численных данных можно сделать следующие выводы: Фактическая концентрация хрома в феррохроме (образец №1) близка к оптимальной концентрации, полученной по технологии [1,2] при этом требуются добавки селитры, извести, избыточное количество алюминия и подогрев шихты до 350ОС, а по нашей технологии [3,5,6] - только центробежная перегрузка.
Сплавы для наплавки (образец №2) и для литья (образец №3) имели состав, близкий составам, полученным нами с использованием чистой окиси хрома, дополнительное легирование молибденом из шлама (более 0,6%) может только повысить износостойкость этих сплавов.
Табл.1. Состав образцов, синтезированных с использованием шлама из отходов кожевенного производства (весовые проценты)
Расчетный и фактический состав образцов №п/п Элемент
Al Si P S Cr Mo Ni Ti
1 расчет 0 0 0 0 40 0 0 0
1 факт 2,12 0,93 0,07 0,086 28,14 0,91 0 0
2 расчет 0 0 0 0 12 0 4,5 0
2 факт 5,63 0,93 0,03 0,012 9,92 0,61 5,8 0
3 расчет 0 0 0 0 12 0 5 3,5
3 факт 3,07 0,65 0,024 0,02 9,57 0,69 6,99 1,2
Образцы подвергали термообработке и с помощью рентгеноструктурного анализа [3] (Рисунок 1). определяли структурный тип кристаллической решетки частиц, составляющих образец, т.е. его фазовый состав. Сопоставительный анализ показал, что фазовый состав исследованных образцов аналогичен фазовому составу образцов, полученным с использованием чистой окиси хрома. В литом состоянии присутствуют как низкотемпературная фаза a - Fe, так и высокотемпературная фаза g - Fe, причем a - фаза присутствует в виде перлита [5].
Рис.1. Рентгенограммы образца в литом состоянии и после термообработки
Методом гомологических пар [4] вычислено, что содержание аустенита (g - фазы) в литом состоянии равно приблизительно 68%. В закаленном состоянии имеется только g - фаза, а после отпуска - a - фаза и слабо заметные линии карбида хрома. Линий карбида титана обнаружить не удалось даже при съемке с большой статистикой, что возможно связано с малым размером кристаллов и содержанием в фазе TIC легких элементов.
При полировке вертикального сечения образца №3 на поверхности проявляются мелкие зерна с металлическим блеском (Рисунок 2).
Рис.2. Участок сечения образца с наплавкой состава Fe-Cr-Ni-Ti-C
Изображения группы зерен в отраженных электронах и в характеристическом излучении TIKA (Рисунок 3) показывают, что в области зерен концентрация титана значительно выше, чем в окружающем сплаве, то есть это кристаллы карбида титана TIC. Распределение этих частиц по высоте образца имеет градиентный характер вследствие действия центробежной силы [3, 5, 6]. Чтобы проверить взаимосвязь химического состава отдельных частей образца и их механических свойств, этот образец разрезали на электроэрозионном станке на тонкие слои, перпендикулярные направлению градиента концентрации частиц карбида титана. Затем провели серию испытаний полученных металлических пластинок на истирание на машине трения. В качестве контртела использовали наждачную бумагу Waterproof X, SIC, P60 с абразивным зерном размером 240 мкм. Результаты испытаний (Рисунок 4) позволяют сделать вывод, что повышенное содержание карбидов титана в матрице Fe-Cr-Ni приводит к повышению износостойкости.
Рис.3. Изображение частиц карбида титана в отраженных электронах и в характеристическом излучении Ti K?
Рис.4. Износостойкость образцов, вырезанных из одного слитка и имеющих различные концентрации частиц карбида титана. Срез №1 содержит 1,3% Ti, срез №2 - 9,2% Ti, срез №3 - 14,5% Ti. Испытания проводились при давлении на образец P = 14,7 КПА
Рентгенографическое исследование срезов слитка до испытаний на износ и после них свидетельствует, что на первой стадии - стадии приработки - происходит перераспределение фазового состава сплава: уменьшается количество фазы ??-Fe и увеличивается количество фазы ?-Fe, причем в большей степени это происходит на срезе №3, содержащем более высокую концентрацию частиц карбида титана. Дальнейший износ происходит без изменения фазового состава.
Таким образом, порошок шлама ОКП можно использовать в металлургическом производстве, как для получения феррохрома, так и для выплавки хромистых сплавов. Получаемые при этом шлаки содержат незначительное количество окиси хрома в виде безопасных стекловидных спеков.
С целью формирования градиента распределения керамических частиц (окиси алюминия) в системе {(окись алюминия) - (сплав железо-хром-никель-углерод)} параметры процесса подбирали таким образом, чтобы переходная зона была не менее 10 миллиметров. Это позволило получить материал с прочной металлической матрицей, и еще более прочными упрочняющими дисперсными частицами оксидов (Рисунок 5).
Рис.5. Электронное изображение сечения слитка сплава Fe-Cr-Ni-C диаметром 15мм и длиной 45мм, с частицами Al2O3 в качестве упрочняющей фазы
Методом микрорентгеноспектрального анализа получено распределение железа и алюминия по высоте слитка (Рисунок 6). О концентрации оксидной фазы судили по сигналу от атомов Al.
В поверхностной зоне глубиной 10 миллиметров концентрация Al2O3 изменяется от 80 до 4-5 процентов [6]. Глубже 10 миллиметров алюминий, скорее всего, присутствует в металлической форме, как компонент металлического сплава, т.е. это новый вид градиентного материала. Разработанная методика позволяет синтезировать градиентные материалы с различными составами матрицы и упрочняющих частиц.
Рис.6. Результаты микрорентгеноспектрального анализа поверхности сечения слитка сплава Fe-Cr-Ni-C, содержащего частицы Al2O3 в качестве упрочняющей фазы
Вывод
В результате проведенных исследований установлено: Порошковый шлам из отходов кожевенного производства можно использовать вместо окиси хрома при синтезе феррохрома и износостойких сплавов методом СВС-литья с центробежными нагрузками.
Применение центробежных нагрузок позволяет снизить себестоимость феррохрома и износостойких материалов в результате использовании шлама ОКП.
Износостойкость синтезированных материалов состава Fe-Cr-Ni-Ti-C обусловлена высокой твердостью (более 6 ГПА) и достаточной пластичностью основы, содержащей много остаточного аустенита (более 60%).
В прочную матрицу внедрены тугоплавкие сверхтвердые частицы карбида титана, повышение концентрации частиц карбида приводит к увеличению износостойкости материала.
Изменяя технологические параметры процесса синтеза, можно создавать градиент концентрации частиц карбида, увеличивая их количество на поверхности, которая наиболее подвержена износу.
Разработанная методика позволяет синтезировать другие композиционные материалы, в частности композицию из металлического сплава и керамических частиц: {(окись алюминия) - (сплав железо-хром-никель-углерод)}, причем концентрация керамических частиц носит градиентный характер и плавно изменяется в 20 раз на участке размером 10 миллиметров. литье тугоплавкий шихта центробежный
Список литературы
Получение железо-хромистого сплава с использованием отходов кожевенного и машиностроительного производства / Н.А. Свидунович [и др.] Литье и металлургия. - 2004. - №1. - С.104-106.
Оптимизация технологического процесса получения феррохрома из отходов кожевенного производства / О.С. Комаров [и др.] // Литье и металлургия. - 2004. - №1. - С.91-93.
Клубович, В.В. СВС-литье градиентных материалов / В.В.Клубович, В.В.Рубаник, В.Г.Самолетов // XLI Научно-техническая конференция преподавателей и студентов университета: сборник научных трудов, Витебск 16 апреля 2008 г. / ВГТУ МО Беларуси. - Витебск: ВГТУ. - 2008. - С. 56 - 58.
Миркин Л.И. Рентгеноструктурный контроль машиностроительных материалов: справочник / Л.И.Миркин. - Москва: Машиностроение. - 1979. - С. 134.
Клубович, В.В. Получение градиентных материалов методом СВС в центрифуге / В.В.Клубович, В.В.Рубаник, В.Г.Самолетов // XVIII Петербургские чтения по проблемам прочности и роста кристаллов: сборник научных трудов, Санкт-Петербург 21-24 октября 2008 г. / ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН. - Санкт-Петербург: СПГУ - 2008. - Т. II. - С. 248 - 250.
Клубович, В.В. Способ получения градиентных материалов методом СВС в центрифуге. / В.В.Клубович, В.В.Рубаник, В.Г.Самолетов Международная научно-техническая конференция «Инновации в машиностроении»: сборник научных трудов, ОИМ НАН Беларуси, Минск 30 31 октября 2008 г. / ОИМ НАН Беларуси; под общ. ред. М.С.Высоцкого. - Минск: ОИМ. - 2008. - С. 392 - 395.