Серый чугун СЧ-20 и силумин, модифицированный щелочноземельными и редкоземельными металлами тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МОДИФИЦИРОВА НИЯ ЧУГУИОГО ЛИТЬЯ И ЛИТЕЙНЫХ АЛЮМИ НИЕВЫХ СПЛАВОВ МОДИФИКАТОРАМИ, СОДЕР ЖАЩИМИ ЩЗМ И РЗМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

1.1. Производство и применение комплексных лигатур для модифици рования чугуна.

1.2. Структурообразование чугунов, содержащих редкоземельные и щёлочноземельные элементы. |

1.3. Стронцийсодержащие составы, как модификаторы силуминов и способы их получения.

1.4. Взаимодействия стронция, бария и сурьмы с алюминием и ком по центами алюминиевых сплавов.

1.5 Выводы но обзору литературы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ. МОДИФИЦИРОВАНИЯ СЕРОГО ЧУГУНА СЧ-20 КОМПЛЕКСНОЙ ЛИГАТУ РОЙ, СОДЕРЖАЩЕЙ ЩЗМ И РЗМ.

2.1. Исследование совместного влияния бария, стронция и РЗМ на физико-механические свойства серого чугуна

СЧ-20.

2.2. Исследование совместного влияния бария, стронция и РЗМ на коррозионную устойчивость серого чугуна

СЧ20.

2.3. Исследование совместного влияния ЩЗМ и РЗМ на ростоустойчивость и жаростойкость чугуна марки

СЧ20.

2.4. Метод спектрального анализа серого чугуна

СЧ 20.

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: а -А^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

1. Савицкий Е.М.Т ерехова В.Ф. Металловедение редкоземель-ных металов. М.: Наука. 1975. 252с.

2. Юнко В.Л,.Макаренко Г.Н,.Падерно Ю.Б. Тугоплавкие карбиды. Киев.: Наукова думка. 1970.

3. Эллиот Р.Г1. Структуры двойных сплавов, т.1 и т.2, М.:1. Мс галлургия. 1970.

4. Шанк Ф. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургия.1973.

5. Чугун с шаровидным графитом, обработанный редкоземельными модификаторами. Киев.: Наукова думка. 1964.

6. Гаврин А.И. и др. Бюл. ЦНИИЧМ, 1965. №16. с.31.

7. Г аврин А.И. и др. Литейное производство. 1969. №11. с.42.

8. Рысс М.А. Производство железо-кремний-магний-кальциевых лигатур. Черметинформация. 1970. серия 5. с.5.

9. Рыс М.А. В сб."Высокопрочный чугун с шаровидным графитом".Киев.: Наукова думка. 1974. с.96.

10. Ю.Левченко Ю.Н,.Лыков Н.П. Сплав для раскисления и модифицирования чугуна. Авт.свид.СССР, 3 449979-Бюлл.изоб.1974. №42.

11. И.Левченко Ю.Н,.Лыков Н.П. Модификатор, вт.свид. СССР. № 468962 Бюлл.изоб., 1975. №16.

12. Деханов Н.М,.Шульте ГО.А и др. Лигатура. Авт.свид. СССР, № 313889 Бюлл. изоб. №27.

13. A.c. 616316 (СССР). Универсальный флюс для обработки алюминиево-кремниевых сплавов/ Гоебёнкин В.С.-Опубл.в Б.И. 1978. №27.

14. A.c. 572512 (СССР). Флюс для обработки алюминиевых сплавов/Суздальцев А.В.Молчанов М.Д, Сухорукова H.A. и др. Опубл. в Б.И. 1977. №34.

15. A.c. 519526 (СССР). Универсльный флюс для обработки алюминиевых сплавов/ Потысьев В.М., Донзингер B.I L, Косинцев В.А.,Епанешникова Т.Р.- Опубл. в Б.И.1978. №5.

16. А.с.618432 (СССР). Состав для обработки сплавов алюминия с кремнием/ Ефименко В.П., Гудкевич В.Б., Горелов Е.Ф., Микуляк О.П.-Опубл. в Б.И. 1978. №29.56. Пат. 3374086 (США).57. Пат. 3374086 (США).

17. A.c. 939580 (СССР). Модификатор./.Гениев И.Н, Вахобов А.В.,Джураев Т.Д,.Железняк A.B.-Опубл.в Б.И. 1982. №24.

18. A.c. 1044652 (СССР). Модификатор для сплавов алюминия с кремнием/ Суслов М.В., Калашников Г.К., Каплуновский Ю.А, Дворецкая Г.Ф. Опубл. в Б.И. №36.60. Пат. 225534 (Франция).

19. Пат. 1437144 (Великобритания).62. Пат. 3905840 (США).

20. Пат. 1430758 (Великобритания).64. Пат. 2197074 (Франция).65. Пат. 48-12524 (Япония).

21. Г1ат. 1580282 (Великобритания).67. Пат. 55-50451 (Япония).68. Пат. 2489841 (Франция).69. Пат. 2496702 (франция).70. Пат. 2496701 (Франция).

22. Bruzzone G, Merlo F. Tht Sr-Al and Ba-Al systems/-J.Less, Nom mon Metals. 1975. v.39.№l. p.1-6 .

23. Вахобов A.B., Джураев Т.Д., Бардин B.A., Задемидко Г.А. Диаграммы состояния систем Al-Sr И 8г-РЬ//Из.АН СССР. Металлы. 1975. № 1 с. 194-197.

24. Г 'аниев И.П., Семёнова O.P., Вахобов A.B., Фазовое равновесие в сплавах системы Al-Cu-Sr, богатых алюминием//Докл. АН Тадж.ССР. 1984. т.27. № 12. с. 728-729.

25. Вигдорович В.Н., Плотников Ю.В., Вахобов A.B. Исследование фазового состава системы Ва-А1//Докл. АН

26. Тадж. ССР. 1970. Т.13. №10. с.35-38.

27. Зухуридинов М.А., Бурылёв Б.П., Вахобов A.B.//Изв. ВУЗов. Цветн. металлургия. 1978. N23, с.130-132.

28. Шанк Ф.А. Структура двойных сплавов, М.:Металлургия,1973. 759 с.

29. Самсонов Г.В., Перлеинов В.П. Магниды-Киев.: Наукова думка. 1971. 343 с.

30. Рейнор Г.В. Металловедение магния и его сплавов.- М.: Металлургия. 1964. 194 с.

31. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. В 2-х т. М.: Металлургия. 1962. т.1 и 2. 1488 с.

32. Ганиев H.H., Вахобов A.B., Джураев Т.Д. Диаграмма состояния системы Al~Si-Sf.//Изв. АН СССР. Металлы.1977. № 4. с. 215-219.

33. Вахобов A.B., Джураев Т.Д., Ганиев ИЛ I. Построение ди аграммы состояния Sl'-Al-Si И Ba-Al-Si методом симплексного планирования//Зав.лаборатория. 1977. № 1.с. 73-75.

34. Ганиев И.Н., Вахобов A.B., Джураев Т.Д. Диаграмма состояния Ba-Al-Siy/Изв. АН СССР. Металлы. 1978.4. с. 247-250.

35. Вахобов A.B., Ганиев И.Н. Диаграммы состояния двойных и тройных систем с участием бария и стронция.-Душанбе,:1. Доинш. 1992. 296 с.

36. Боом Е.А. Природа модифицирования сплавов типа силумин.-М.: Металлургия. 1972. 69 с.

37. Ганиев И.Н., Пархутик П.А., Вахобов A.B., Куприянова И.Ю., Модифицирование силуминов стронцием. Минск.: Наука и техника. 1985. 143 с.

38. Мопдольфо Л.Ф. Структура и свойства алюминиевых сплавов М.: Металлургия. 1979. 640 с.

39. Нехендзи Ю.А., Самарин A.M., Лебедев К.П., Купцов

40. И.В., Комплексная проба для определения литейных свойств сплавов// Литейное производство, 1966. №7. с.1-8.

41. Фрумина Н.С., Крючкова Е.С., Муштакова С.П. Аналитическая химия кальция. М.: Наука. 1974. 252 с.

42. Фрумина Н.С., Глрюнова Н.И., Ерёменко С.И. Аналитическая химия бария. М.: Наука. 1977. 199 с.

43. Полуэктов Н.С., Мищенко В.Т., Кононенко Л.И., Бельтюкова C.B. Аналитическая химия стронция. М.:1. Наука. 1978. 224 с.

44. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. М,:1. Металлургия. 1973. 107 с.

45. Беккерт М., Клемм X. Справочник rio металлографическому травлению. М.: Металлургия. 1979. 336 с.

46. Розенфельд И.Л., Персианцева В.В., Зорина В.К. Исследование анодного растворения алюминия в нейтральных средах//Защита металлов1979. № Í. С. 89

47. Фрейман Л.И., Макаров В.И., Брыскин И.Е. Потеициодииамические методы в коррозионных исследованиях и электрохимической защите. А.: Химия.1972. 240 с.

48. Бирке Н., Майер Дж. Введенные в высокотемпературное окисление металлов. М.: Металлургия. 1987. 184 с.

49. Ленинских Б.М., Киташев A.A., Белоусов A.A. Окисление жидких металлов и сплавов. М.: Наука. 1979. 116 с.

50. Ленинских Б.М., Киселёв В.И. Об окислении жидких металлов и сплавов кислородом из газовой фазы.//Изв.АН

51. СССР. Металлы. 1974. № 5. С.51-54.

52. Васильев Е.К, Нахмансон С.С. Качественный рентгенофазовый анализ. Новосибирск.: Наука. 1986. 200 с.

53. Синявский B.C., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. М.: Металлургия.1986. 368 с.

54. Постников Н.С. Коррозионностойкие алюминиевые сплавы. М.: Металлургия. 1976. 301 с.

55. Строгонов Г.В., Ротенберг В.А., Гершман Г.В. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия. 1977. С.71-81.

56. Т аран Ю.Н., Мазур В.И. Структура эвтектических сплавов. М.: Металлургия. 1978. С. 236-244, 270-280.

57. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура. Справочное167пособие. А.-Машиностроение. 1981. 368 с.

58. Гуревич Д.Ф. Расчёт и конструирование трубопроводной арматуры А.: Машиностроение. 1969. 887 с.

59. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура. А.: Машиностроение.1975. 312 с.о Л К Ф.Т. Саъдуллоев3 » ноября 2001г.1. АКТвнедрение технологического циклапроизводства алюминиевых задвижек «Л »ноября 2001 г г. Душанбе