Серый чугун СЧ-20 и силумин, модифицированный щелочноземельными и редкоземельными металлами

В настоящее время чугун и алюминий, как конструкционные материалы, продолжают сохранять за собой ведущее место. Это объясняется тем, что эти материалы наряду с традиционными областями их применения в металлургии и машиностроения все больше применяются для отливки деталей сложной конфигурации и высокой конструкционной прочности.

Улучшения качества чугунных и алюминиевых отливок достигается различными техническими приемами, наиболее распространёнными из которых, является модифицирование различными добавками. Модифицированием достигают повышение прочности и пластичности за счет изменения формы основных структурных составляющих чугуна и литейных алюминиевых сплавов. В чугунах при этом устраняются отбел в сечении тонких отливок, межденд-рнтный графит, анизотрапия свойств за счет выравнивания структуры. В отдельных случаях модифицированием удается повисит жаропрочность и жаростойкость чугунов, коррозионную стойкость алюминиевых сплавов. Все это дает возможность в отдельных случаях заменить отливками из серого чугуна высоколегированные чугуны, а отливками из алюминиевых сплавов чугуна и некоторых видов стали [1−4].

Модифицирование осуществляется в миксерах, либо в ковше, что в большинство случаев не требует специального оборудования.

За последний 20−25 лет значительно возрос интерес исследователей разных стран к щелочноземельным (ЩЗМ) и редкоземельным металлам (РЗМ) в связи с тем, что эти элементы являются эффективными глобуляризаторами графита в чугунах и кремния в силуминах. Комплексное модифицирование этими металлами позволяет получить чугун не уступающей по свойствам магниевому.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Цель работы заключается в разработке технологии производства трубопроводной арматуры (задвижек) из модифицированного щзм РЗМ вторичных алюминиевых сплавов и серого чугуна марки СЧ20.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— изучены физико-механические и коррозионные свойства, росго-устойчивость и жаростойкость серого чугуна СЧ-20, модифицированного совместно ЩЗМ и.

РЗМ;

— установлено модифицирующее влияние бария, стронция, сурьмы, на структуру и свойства вторичных литейных алюминие-во-кремниевых сплавов, как материала для трубопроводной арматуры и демпфирующих изделий;

— показана связь между модифицирующим эффектом проявляемым указанными металлами и улучшением коррозионно-электрохимических свойств силуминов:

— на основе теоретических и экспериментальных исследований установлены возможность использования модифицированных литейных алюминиевых сплавов в трубопроводном арматуростроении для литья корпусов и других узлов, задвижек на Душанбинском арматурном заводе им. С.Орджоникидзе.

Научная новизна. Установлен механизм и кинетика высокотемпературного окисления силуминов модифицированных барием, стронцием и сурьмой, их коррозионно-электрохимическое поведение в среде электролита.

3% -ного ЫаС1. Расшифрован фазовый состав продуктов коррозии сплавов. Установлена взаимосвязь между модифицированием и их акустодемпфирующими свойствами.

Практическая значимость работы состоит в;

— разработке состава оптимальномодифицированных барием, стронцием, сурьмой вторичных силуминов, применительно для литья корпусов задвижек на Душанбинском арматурном заводе им. С. Орджоникидзе;

— установлении возможности улучшения коррозионной стойкости, ростоустойчивости и жаростойкости серого чугуна СЧ-20, при модифицировании совместными добавками РЗМ и ЩЗМ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены нщ 2-ом Съезде литейщиков Российской Федерации (г.Москва, 2001 г.), 5-ом собрании металловедов России (10−13 сентября, 2001 г.), на Республиканской конференции «Новейшие достижения в области химии» (г.Душанбе 26−27 ноября 2001 г.) и на научно-практическом семинаре «Пути эффектного внедрения достижений и разработок учёных Таджикистана в промышленности» (г.Душанбе, 28−30 июня 2001 г.).

Публикации^ По результатам исследований опубликованы 8 научных статей и 2 тезиса докладов.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, посвящённых обзору литературы, технике эксперимента и экспериментальным исследованиям, а также выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на. т страницах машинописного текста, включая 28 таблиц, 33 рисунков и 105 наименований библиографических ссылок.

ВЫВОДЫ.

1. Исследовано влияние совместных добавок РЗМ и ЩЗМ на коррозионную стойкость в среде 40% -ной серной кислоте, росгоустойчивость и жаростойкость серного чугуна СЧ20. Показано, что добавки РЗМ более эффективно улучшают коррозионную стойкость, чем ЩЗМ. Среди исследованных групп РЗМ добавки иттрия, церия и лантана способствуют улучшению ростоустойчивости и жаростойкости, что объясняется глубоким раскисляющим и глобуляризующим действием этих элементов на графитовую составляющую стрзктуры чугуна.

2. Методом термогравиметрии установлены кинетические и энергетические параметры процесса высокотемпературного окисления промышленных силуминов марок АК7, АК9 и АК12, модифицированных барием, стронцием и сурьмой. Определены температурная и концентрационная зависимость скорости окисления. Показано, что малые добавки модификатора незначительно увеличивают скорость окисления жидких сплавов. Окисление всех сплавов протекает по параболическому закону.

3. 11отенциодинамическим методом со скоростью развёртки потенциала 1−20 мВ/с изучены электрохимические характеристики промышленных силуминов марок АК7, АК9 и АК12, модифицированных барием, стронцием и сурьмой, в среде ного раствора NaCl. Установлена взаимосвязь между степенью модифицированности структуры (алюминиево-кремниевой составляющей структуры) и скоростью коррозии сплавов. Показано, что добавки модификаторов в пределах 0,01−0,1% (по массе) способствуют улучшению коррозионной стойкости, о чём свидетельствуют уменьшение токовых показателей коррозии и сдвиг потенциала коррозии, в более положительную область. Увеличение концентрации модификатора способствует росту величин плотностей токов полной пассивации и коррозии, а также уменьшению протяжённости пассивной области на потенциодинамических кривых.

4.Методами РФА и И К. спектроскопии идентифицированы (разовые составляющие продуктов коррозии исследованных сплавов. Определены их роль в процессе окисления. Уст апов-лено, что основными продуктами высокотемпературной коррозии промышленных силуминов модифицированных барием и стронцием являются фазы: (Х-А^Оз, А^Юб, 8Ю И ВаО, а сплавов модифицированных сурьмой, это: аА^Оз, АЬйЬО^ И.

А128Ю5.

5.Разработаны техническая и технологическая документация на производство опытной партии алюминиевых задвижек из модифицированных вторичных литейных алюминиевых сплавов на Душанбинском арматурном заводе им. С.Орджоникидзе. Стендовыми испытаниями показано, что алюминиевые задвижки в 4−4,5 раза гидропрочны и легче по весу, чем чугунные. Перевод производства на алюминиевые задвижки, вместо чугунных, сулит значительный экономический эффект за счёт: уменьшение веса изделий, упрощения технологии плавки (уход от использования кокса и вагранки), продлении срока службы режущего инструмента, улучшении экологической обстановки и т. д.

Расчёты свидетельствуют, что экономический эффект от внедрения технологического цикла производства алюминиевых задвижек вместо чугунных на ДАЗ им. С. Орджоникидзе составляет 100 тыс. долларов США на 100 тыс. шт. изделий.