Розробка матеріалознавчих принципів створення та мікролегування ітрієм зносостійких наплавочних матеріалів з аустенітною матрицею

Размещено на http://allbest.ru

ЗАПОРІЗЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 621.791.92: 669.018.25

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

РОЗРОБКА МАТЕРІАЛОЗНАВЧИХ ПРИНЦИПІВ СТВОРЕННЯ ТА МІКРОЛЕГУВАННЯ ІТРІЄМ ЗНОСОСТІЙКИХ НАПЛАВОЧНИХ МАТЕРІАЛІВ З АУСТЕНІТНОЮ МАТРИЦЕЮ

05.02.01 - Матеріалознавство

Патюпкін Андрій Володимирович

Запоріжжя - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Запорізькому національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент: Грешта Віктор Леонідович, Запорізький національний технічний університет, доцент кафедри “Фізичне матеріалознавство”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Луньов Валентин Васильович, Запорізький національний технічний університет, зав. кафедри „Машини і технологія ливарного виробництва”

кандидат технічних наук, доцент Шейченко Галина Валентинівна, Приазовський державний технічний університет, доцент кафедри „Матеріалознавство”

Захист відбудеться 10.02.2009 р. о 13³⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д17.052.01 у Запорізькому національному технічному університеті за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64, ауд.153.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Запорізького національного технічного університету за адресою: 69063, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 64.

Автореферат розіслано “18” грудня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Внуков Ю.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Кавітаційно-корозійне зношування має місце у високошвидкісній гідротехниці, яка працює в агресивних середовищах, та виникає на основних вузлах технологічного обладнання харчових, титаномагнієвих, хімічних виробництв, а також виробництв рідкоземельних металів. Розвиток процесу кавітації в корозійному середовищі звичайно призводить до інтенсивного руйнування окремих ділянок робочої поверхні деталей (конуси, ротори хлорних компресорів, запорна арматура, уліти насосів тощо). Цей вид зношування металу має розповсюджене явище та створює великий збиток народному господарству з причини передчасного виходу з ладу технологічного обладнання й значних витрат на ремонт.

У теперішній час глибоко вивчені особливості руйнування сталей і сплавів як в різних агресивних середовищах, так і в умовах кавітаційного зношення гідрообладнання (турбіни, гвинти швидкохідних судів та інше). Але питання, пов'язані з підвищенням стійкості металевих деталей в умовах спільного впливу кавітації й корозії, на цей час не достатньо вивчені, а можливості підвищення ресурсу служби деталей ще мало реалізуються на виробництві. Зовсім уникнути кавітаційного впливу корозійно-активної рідини практично неможливо, тому раціональний вибір кавітаційно-корозійностійкого матеріалу одне з необхідних конструктивних рішень при виготовленні деталей і вузлів, які експлуатуються у складних агресивних умовах.

На сьогодні на виробництвах хімічної промисловості широко використовують аустенітну сталь 12Х18Н10Т. Ця сталь характеризується підвищеною стійкістю в агресивних середовищах в умовах ламінарних потоків кислих розчинів кімнатної температури. Проте в умовах кавітаційного зношування вироби, які виготовлені з цієї сталі характеризуються незадовільною стійкістю, що потребує проведення частих ремонтів обладнання. У зв'язку з цим, при проектуванні вузлів і агрегатів, що підлягають жорсткій дії підігрітої корозійно-активної рідини та в присутності абразивних частинок, виникає проблема створення нових матеріалів, які можуть чинити опір спільному впливу корозійного й кавітаційного факторів.

У свою чергу виготовлення цільних деталей з матеріалів високої вартості є економічно необґрунтованим. Одним із способів підвищення техніко-економічних показників виробництва є використання наплавочних матеріалів з раціональною системою макро- і мікролегування.

За результатами попередніх досліджень можна відзначити позитивний вплив мікролегування ітрієм та іншими РЗМ на службові властивості деяких сталей та сплавів. Проте вплив Y на структуру і властивості аустенітних сталей і сплавів з підвищеними показниками кавітаційно-корозійної стійкісті потребує ретельнішого вивчення.

У зв'язку з цим робота, яка направлена на зниження матеріальних витрат за рахунок відновлення деталей і вузлів агрегатів, схильних до кавітаційно-корозійного зношування, є актуальною та логічно пов'язаною з загальною концепцією розвитку металургійних виробництв рідкоземельних металів. Практичне вирішення проблеми підвищення експлуатаційної стійкості представляється можливим шляхом розробки раціональної системи легування та додаткових способів захисту (відновлення) елементів конструкцій зносостійкими наплавочними матеріалами.

Зв'язок досліджень з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно із планами досліджень, які виконувались на кафедрах “Обладнання та технологія зварювального виробництва” і “Технологія машинобудування” Запорізького національного технічного університету щодо створення нових економнолегованих сталей і сплавів з підвищеною кавітаційно-корозійною стійкістю.

Мета роботи і завдання дослідження. Мета роботи полягала в розробленні основних наукових принципів і практичних рекомендацій по створенню раціональних систем легування й модифікування наплавочних матеріалів, які можуть чинити опір кавітаційно-корозійному зношуванню під час експлуатації деталей гідрообладнання. У зв'язку з цим сформульовані такі основні завдання дослідження:

- визначити типові закономірності процесів руйнування деталей конструкцій в умовах спільної дії кавітації і корозії;

- розробити конструкцію установки та методики дослідження кавітаційно-корозійного зношування нержавіючих сталей і сплавів з аустенітною матрицею;

- розробити раціональні системи легування аустенітних сталей і сплавів з підвищеною стійкістю до кавітаційно-корозійного руйнування;

- встановити загальний характер впливу модифікування на структурний стан матричного аустеніту та кількісний склад надлишкових фаз нержавіючих сталей з метою оптимізації процесу мікролегування;

- провести дослідно-промислове випробування наплавлавочних матеріалів для деталей технологічного обладнання, які працюють в умовах кавітаційно-корозійного руйнування.

Об'єкт дослідження - аустенітні хромонікелеві та хромонікельмолібденові сталі і сплави з підвищеною кавітаційно-корозійною стійкістю.

Предмет дослідження - процеси формування зеренної структури і утворення надлишкових фаз у процесі кристалізації та теплового впливу при наплавці послідовних шарів аустенітних сталей, модифікованих ітрієм.

Методи дослідження - випробування на кавітаційну і кавітаційно-корозійну стікість виконували на ударно-ерозійному стенді і на установці для прискорених кавітаційно-корозійних іспитів. Для визначення показників загальної корозії використовували установку для прискорених корозійних випробувань. Поляризаційні криві знімали в потенціостатичному режимі на потенціостаті ПИ-50-1 з використанням програматора ПР-8. Вибір раціональної системи легування виконували на основі регресійно-кореляційного аналізу й лінійного математичного планування. Дослідження характеру зеренної будови й стану граничних зон проводили за допомогою методів світлової мікроскопії. За допомогою петрографічного методу досліджували топографію й морфологію неметалевих включень. Встановлення характеру розподілу легуючих елементів в матриці й встановлення природи вторинних виділень проводили за допомогою рентгеноспектрального, мікрорентгеноспектрального аналізів і світлової мікроскопії.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримали подальший розвиток наукові принципи створення нових кавітаційно-корозійностіких наплавочних матеріалів, що сформовані на базі якісного та кількісного аналізу впливу масових співвідношень легувальних елементів на фазовий склад, зеренну будову, а також топографію й морфологію надлишкових фаз. Розроблена раціонально легована сталь 06Х23Н18М5, яка характеризується підвищеною кавітаційно-корозійною стійкістю;

- вперше запропоновано механізм імовірного впливу модифікування ітрієм на кінетику виділення зміцнюючих хімічностійких фаз в наплавленому матеріалі з аустенітною матрицею. Установлено, що мікродомішки ітрію сприяють рафінуванню сталі за рахунок утворення оксидно-сульфідних включень, які в свою чергу імовірно можуть сприяти утворенню зародків інтерметалідної у-фази та залізохромістих карбідів у внутрішніх об'ємах кристалітів, внаслідок чого збільшується екранувальна здатність сталі й експлуатаційна стійкість виробу в цілому;

- розроблена лабораторна установка для експресних випробувань (патент України №21413). Запропоновані математичні моделі, які дозволяють оцінити вплив основних легувальних елементів на кавітаційну і кавітаційно-корозійну стійкість, а також оцінити вплив кавітаційного й корозійного факторів на процес руйнування деталей і агрегатів.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі досліджень вирішено конкретне завдання, пов'язане з вибором раціонального складу легування і модифікування нержавіючих сталей з аустенітною матрицею. Визначено, що оптимальне модифікування сталі 06Х23Н18М5 ітрієм забезпечило підвищення фізико-механічних та службових властивостей наплавлених деталей насосних агрегатів: хлорних компресорів титано-магнієвого виробництва (довідка про результати промислового апробування від 15.02.2006 р.) і насосів (акт впровадження від 12.06.2007 р.). Впровадження на підприємствах КП “Запорізький титано-магнієвий комбінат” і ЗАТ “Гідромаш” практичних рекомендацій щодо використання сталі 06Х23Н18М5, модифікованої ітрієм, як основного або наплавного матеріалу дозволило збільшити експлуатаційні властивості та строк експлуатації обладнання, знизити витрати на капітальні ремонти і отримати річний економічний ефект у сумі 104,855 тис.грн. на ресурс роботи обладнання.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем запропоновано ймовірний механізм руйнування деталей конструкцій в умовах спільної дії кавітації і корозії, розроблена конструкція установки та методика дослідження кавітаційно-корозійного зношування нержавіючих сталей і сплавів з аустенітною матрицею, підготовлено і виконано комплекс досліджень корозійної, кавітаційної та кавітаційно-корозійної стійкості нержавіючих сталей і сплавів з аустенітною матрицею, а також корозійно-електрохімічної поведінки наплавлених матеріалів, мікролегованих ітрієм у концентрованих розчинах сірчаної кислоти. На підставі результатів досліджень запропонована раціональна система легування й мікромодифікування аустенітних сталей і сплавів з підвищеною стійкістю до кавітаційно-корозійного руйнування. Встановлено загальний характер впливу модифікування на структурний стан матричного аустеніту та кількісний склад надлишкових фаз нержавіючих сталей з метою оптимізації процесу мікролегування. Виконано дослідно-промислове випробування наплавлених деталей технологічного обладнання, працюючих в умовах кавітаційно-корозійного руйнування. нержавіючий наплавочний ітрій компресор

Співавтори основних опублікованих робіт за темою дисертації: В.Л.Грешта, науковий керівник - планування металографічних досліджень, обговорення та інтерпретація результатів; О.Г.Биковський - встановлення оптимальних методик проведення кавітаційних і кавітаційно-корозійних досліджень; А.С.Рудичев - допомога в проведенні кавітаційних і кавітаційно-корозійних випробувань та деяких металографічних досліджень; Г.А.Бялік - допомога в проведенні досліджень з використанням електронної мікроскопії, металографічних досліджень та обговоренні результатів; О.Г. Александров - допомога в обговоренні результатів корозійних досліджень; Д.А.Антонюк - консультативна допомога в проведенні регресійно-кореляційного аналізу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідались на таких семінарах і конференціях: XVIII Міжнародній науково-технічній конференції зварювальників Уралу “Сварка Урала - в ХХІ век” (1999 р., Єкатеринбург); VII Міжнародній науково-технічній конференції “Технологии ремонта машин и механизмов и оборудования (РЕМОНТ-99)” (1999 р., Алушта); VII Науково-практичній конференції “Оцінка техногеного впливу на довкілля. Нові технології очистки промвикидів, зворотних вод, переробки відходів” (2002 р., Кременчук); Міжнародній науково-практичній конференції “Шляхи розвитку машинобудування” (2006 р., Запоріжжя); ІІ Міжнародній науково-методичній конференції “Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров” (2006 р., Маріуполь); ІІІ Міжнародній науково-методичній конференції “Повышение износостойкости деталей машин и конструкций. Совершенствование подготовки кадров” (2008 р., Маріуполь); Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих науковців „Зварювання та спорідненні технології” (2008 р., Миколаїв)

Публікації: За темою дисертації опубліковано 15 наукових робіт, 8 з них у фахових наукових журналах, 7 тез доповідей на вітчизняних і міжнародних конференціях. Установку для прискорених кавітаційно-корозійних випрбувань захищено патентом України.

Стркутура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, основних висновків і списку використаної літератури (130 найменувань). Загальний обсяг дисертації складає 204 стор., містить 50 рисунків на 40 стор., 21 таблицю на 10 стор., 3 додатки на 8 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено аналіз літературних джерел з можливих механізмів зношування деталей конструкцій в умовах впливу турбулентних потоків агресивного середовища. Розглянуті особливості руйнування виробів від кавітаційно-корозійного впливу. Визначено характер руйнування сталей і сплавів при кавітаційному, корозійному і кавітаційно-корозійному зношуванні. Встановлено ймовірний механізм кавітаційно-корозійного зношування, який відображає комплексний вплив кавітації і корозії на процес руйнування сталей і сплавів.

Сутність якого полягає у тому, що під дією мікроударних навантажень внаслідок руйнування сформованого пасивного оксидного шару з одночасною кумулятивною взаємодією на приграничну область та на саме тіло зерна, інтенсифікується загальний процес зношування деталей обладнання. У свою чергу, руйнування оксидного шару на поверхні деталей та руйнування приграничних зон призводить до одночасної реалізації структурно-вибірної корозії, корозійного розтріскування під напругою та загальної корозії.

Багатократна мікроударна взаємодія та постійне змивання продуктів корозії з поверхні призводять до лавиноподібного руйнування деталей і вузлів машин. На підставі аналізу шляхів підвищення надійності деталей, що експлуатуються при кавітаційно-корозійному зношуванні визначено, що одним з ефективних засобів збільшення стійкості є використання недорогих матеріалів з нанесенням на поверхню захисних зносостійких шарів. В цих умовах експлуатації задовільними показниками стійкості відзначаються аустенітні сталі і сплави Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo, Fe-Cr-Ni-Mo-Cu систем легування. Також відмічено, що одним із способів підвищення кавітаційно-корозійної стійкості може бути модифікування сталей РЗМ, зокрема Y, який сприяє стабілізації та подрібненню структури, зниженню хімічної неоднорідністі наплавленого матеріалу, модифікуванню структури та очищенню об'ємів зерен і зерномежових ділянок. У з'язку з цим, виникає необхідність дослідження по визначенню раціональної системи легування та встановлення характеру впливу мікролегування ітрієм на морфологію структурних складових та їх службові характеристики.

У другому розділі на підставі аналізу стану проблеми виконано обґрунтування та експериментальний вибір об'єктів і методів дослідження кавітаційно-корозійної стійкості наплавочних матеріалів. Наплавлені зразки отримували з використанням електродів для ручного дугового зварювання.

Додаткові легувальні елементи (хром, нікель, молібден) вводили через покриття електродів у вигляді чистих металів та їх сполук. Ітрій також вводили через покриття у вигляді алюмоітрію. Визначення розподілу легувальних елементів в наплавленному матеріалі виконували за методикою рентгеноспектрального аналізу з використанням мікрорентгеноспектрального аналізатора MS-46 фірми “Cameca”. Вміст легувальних елементів визначали хімічним способом. Залишковий вміст ітрію в сталях визначали за методикою з використанням характеристичного рентгенівського випромінювання шляхом опромінення пучком важких заряджених частинок.

Кавітаційні і кавітаційно-корозійні дослідження виконували шляхом вимірювання втрати ваги зразків після випробування на ударно-ерозійному стенді з горизонтальною площиною обертання (УЕС) та розробленій установці для прискорених кавітаційно-корозійних випробувань (УККВ), на яку отримано патент України.

Враховуючи, що при роботі деталей технологічного обладнання виробництв рідких металів здійснюється постійне змивання продуктів реакцій потоком рідини, визначення процесів корозійних руйнувань проводили на спеціалізованій установці для прискорених корозійних випробувань.

Корозійну стійкість оцінювали за допомогою гравіметричного методу за ДСТ 9908-85. Потенціостатичні виміри проводили за допомогою потенціостата ПИ-50-1 з використанням програматора ПР-8. Швидкість розгортання потенціалу склала 50мВ/хвил. Температуру підтримували за допомогою автоклава, обладнаного камерою для розташування зразків у робочій рідині, нагрівачем та обладнанням для автоматичного контролю за температурою.

Мікростуктурні дослідження, отримання рельєфу зношених поверхонь металу, визначення мікрохімічної неоднорідності, складу й розподілу неметалевих включень у наплавленому матеріалі виконували за допомогою світлового мікроскопу МИМ-8М та рентгеноспектрального мікроаналізатора МАР-2. Травлення зразків здійснювалось електролітичним та вакуумним способами (теплове травлення на посту ВУП-5). Для виявлення природи та характеру розподілу надлишкових фаз проводили рентгеноструктурний та мікроелектроноскопічний аналізи. Отримані вуглецеві репліки досліджували на електронному мікроскопі УЕМВ-100К, у збільшеннях х4000-10000.

Статистичне оброблення отриманих даних з корозійної, кавітаційної та кавітаційно-корозійної стійкості виконували за допомогою пасивного та активного експериментів.

У третьому розділі наведено результати досліджень по оптимізації систем легування кавітаційно-корозійностійких сталей та сплавів. Проведені експериментальні дослідження по встановленню характеру руйнування деталей хлорних компресорів титано-магнієвих підприємств. У результаті проведених досліджень характеру руйнування деталей технологічного обладнання встановлено, що в процесі експлуатації виникає інтенсивне зношування внутрішньої та зовнішньої поверхні деталей внаслідок агресивного впливу корозійного і кавітаційного факторів. Також встановлено, що процес руйнування має вибірковий характер з виникненням тріщин по границях зерен.

Лабораторні дослідження кавітаційної, корозійної і кавітаційно-корозійної стійкості наплавлених матеріалів та декількох стандартних нержавіючих сталей і сплавів Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo і Fe-Cr-Ni-Mo-Cu- систем легування, рекомендованих як для роботи в умовах мікроударної дії, так і під впливом концентрованих розчинів сірчаної кислоти, дозволили встановити характер взаємодії хімічного складу й показників стійкості, а також встановити направлення досліджень з оптимізації системи легування.

У результаті виконаного статистичного оброблення даних лабораторних досліджень отримані раціональні інтервали легування нержавіючих сталей і сплавів з підвищеною зносостійкістю із вмістом основних легувальних елементів, ваг.%: 17-20 Ni, 20-23 Cr, 5 Mo.

Для повної перевірки отриманих результатів регресійно-кореляційного аналізу виконано математичне моделювання функціональних зв'язків з вивченням кавітаційної і кавітаційно-корозійної стійкості нержавіючих сталей, яке показало, що отримані моделі є адекватні, а схожість коефіцієнтів кореляції між розрахунковими та експериментальними даними з коефіцієнтом множинної кореляції підкреслює достовірність отриманих залежностей.

При проведенні порівняльного аналізу кавітаційно-корозійної стійкості окремого ряду розроблених і стандартних матеріалів встановлено, що найкращі показники зафіксовано у сталі 06Х23Н18М5 і у сплаві 06Х23Н28М3Д3Т, втрати ваги яких при кавітаційно-корозійному впливі були 0,49 та 0,46 г, відповідно. Враховуючи дуже близькі показники кавітаційно-корозійної стійкості, для виготовлення деталей хімічного обладнання слід використовувати більш економнолеговану сталь 06Х23Н18М5. Додаткове збільшення показників стійкості цього матеріалу, ймовірно, може бути досягнуто модифікуванням його РЗМ або елементами, що мають схожі властивості з РЗМ.

Враховуючи показники втрати ваги зразків зі стандартного сплаву 06Х23Н28М3Д3Т і розробленої сталі 06Х23Н18М5, було запропоновано модифікування останньої РЗМ або елементами з властивостями РЗМ.

У четвертому розділі наводяться результати досліджень впливу модифікування ітрієм на структуру і кавітаційно-корозійну стійкість нержавіючих сталей і сплавів з аустенітною матрицею. При проведені мікроскопічних досліджень наплавленої сталі 06Х23Н18М5 зафіксовано характерну для наплавлених шарів різнозернистість, причому максимальний і мінімальний розміри зерна у всіх наплавлених шарах були 0,590 і 0,027 мм, відповідно. Цим можна пояснити зміну службових характеристик та вибірковість руйнування сталі за одночасного впливу сірчаної кислоти й кавітації. Підвищення кавітаційно-корозійної стійкості наплавленої сталі 06Х23Н18М5 можливе за умови формування однорідної стабільної структури. Слід зазначити, що важливим критерієм підвищення службових властивостей нержавіючих сталей і сплавів є необхідність забезпечення рівномірного розподілу зміцнювальної фази без наявності вибіркових приграничних виділень, що може призвести до зменшення стійкості в наслідок розвитку міжкристалітної корозії (МКК).

Вибірковий недолік, пов'язаний з нерівномірним розподілом вторинних виділень має місце при детальному вивчені структури сталі 06Х23Н18М5). Тому в цьомувипадку було запропоновано моди-фікування матеріалу РЗМ або металом з властивостями РЗМ, що повинно призвести до модифіку-вання, рафінування наплавленого матеріалу, а також можливо до зміни розподілу надлишкових фаз.

Одним з елементів, який наділений властивостями РЗМ, котрий наявним чином може впливати на рухомість дислокацій - є ітрій. Паралельно з цим, він в невеликих кількостях розчиняється в залізі та одночасно взаємодіє з киснем і іншими елементами, що забезпечує рафінування сталі та зменшення розмірів зерна.

У приграничній області структури сталей і сплавів формуються субмікроскопічні сполуки ітрію з горофільними домішками, що призводить до збіднення твердого розчину і, відповідно, до зменшення періоду гратки. Y також розглядається як перспективний модифікатор у зварюванні сталей, який підвищує їх корозійну стійкість за рахунок рафінування. Введення Y у покриття електродів фтористо-кальцієвого типу сприяє протіканню реакцій у зварювальній ванні як на стадії каплі (2400-2700⁰ К), так і на етапі кристалізації (1500-1800⁰ К).

Введення його через покриття електродів зумовлюється також тим, що модифікування ітрієм через покриття найближче до схеми так званого „кінцевого розкислення”, яка прийнята в металургії сталі, де РЗМ вводять безпосередньо в рідку ванну після розкислення металів такими розкислювачами, як кремній, марганець і кальцій.

У цьому ж розділі методом планування активного експерименту встановлені оптимальні границі модифікування ітрієм. В процесі кавітаційно-корозійних випробувань серії зразків наплавленої сталі 06Х23Н18М5 визначено область оптимального модифікування ітрієм в межах 0,019-0,020 %. Визначено, що різке падіння втрати ваги зразків (тобто зменшення інтенсивності кавітаційно-корозійного зношування) в інтервалі вмісту ітрію 0,008-0,02% зумовлюється модифікувальним та рафінувальним ефектами, які сприяють зменшенню розмірів аустенітних зерен та ліквідації негативного впливу домішок.

Подальше збільшення до 0,04% ітрію спричиняє зменшення кавітаційно-корозійної стійкості досліджуваних сталей внаслідок реалізації ефекту перемодифікування та виникнення скупчень неметалевих включень як в самому зерні, так і в приграничній області і на границях зерен, що супроводжується погіршенням корозійної та механічної міцності.

Для оцінки рафінувальної дії ітрію виконано петрографічні дослідження неметалевих включень у сталях 06Х23Н18М5. Було проведено якісне оцінювання характеру розподілу неметалевих включень, їх кількості та природи. Загальний рівень забрудненості неметалевими включеннями в модифікованій Y сталі зменшився в порівнянні з не модифікованою сталлю 06Х23Н18М5 на 10% з підвищенням ступеню їх дисперсності до 2-4 мкм. У немодифікованій сталі включення мали розгалужену та гострокутову форму, що викликає зменшення механічної міцності. При модифікуванні 0,02%Y неметалеві включення рівномірно розташовані у вигляді малих частинок та набувають сфероїдальної форми, що сприяє суттєвому поліпшенню службових характеристик сталі.

За своєю природою неметалеві включення у структурі такого матеріалу знаходяться у вигляди оксидно-сульфідної сполуки. Механізм впливу ітрію полягає ймовірно в зниженні поверхневого натяжіння, зменшення величини критичного зародку та збільшенні числа центрів кристалізації. За результатами металографічних дослідженнь модифікованої сталі визначено зміну розмірів зерен від 0,022 до 0,051 мм, відповідно. У зв'язку з цим, підвищення кавітаційно-корозійної стійкості сталі мікролегованої ітрієм зумовлено формуванням дрібнодисперсної рівномірної структури. Збільшення протяжності границь зерен також сприяє збільшенню опору мікроударному впливу робочої рідини.

При дослідженні зразків модифікованого металу на світловому мікроскопі при збільшенні х1000 встановлено наявність в матриці частинок різних розмірних груп. В сталі 06Х23Н18М5 вказані частинки розташовувалися переважно в приграничних об'ємах. Для точного встановлення природи надлишкових фаз, розташованих в матриці сталі додатково виконано їх мікродифракційний аналіз. При нагріванні в вакуумі полірованого шліфа надлишкові фази виступають над поверхнею матеріалу, тому для точного встановлення природи вторинних виділень виконано їх екстрагування одноступеневою вугільною реплікою. Згідно з результатами досліджень на електронному мікроскопі цих реплік було встановлено, що більш дисперсні частинки (розміром до 0,01 мкм) ідентифіковані як інтерметалідна сполука, у-фаза, а більш крупні (від 1 до 2 мкм) мають карбідну природу.

Причому відстань між маленькими частинками не перевищує 0,1 мкм, що обумовлює можливість реалізації дисперсійного механізму зміцнення сталі. При хімічному травленні зразків зафіксована наявність темних зон підвищеної травимості, мікротвердість яких була переважно в 2 рази вище матричної. При більш детальному мікроаналізі встановлено, що процеси виділення вторинних фаз реалізуються переважно в зонах підвищеної травимості, тобто в об'ємах металу, збагачених Cr і Мо.

На базі комплексу досліджень впливу ітрію на властивості, структуру, природу і розподіл структурних складових можна припустити, що, ймовірно, Y сприяє появі хімічностійкої інтерметалідної у-фази за рахунок полегшення процесів зародкоутворювання вторинних фаз завдяки появі в структурі під час первинної кристалізації додаткових центрів кристалізації у вигляді дисперсних первинних оксі-сульфідно ітрієвих з'єднань.

Електрохімічні дослідження сталей показали, що протягом усього діапазону електродних потенціалів струм корозії модифікованої сталі нижчий струму корозії немодифікованої.

Ці показники свідчать про підвищення корозійної стійкості розробленої сталі 06Х23Н18М5 (з ітрієм), що пояснюється ефектом екранування сталі, коли важкорозчинні частинки надлишкових фаз при накопичуванні на поверхні, затримують подальше розчинення металу.

Також у цьому розділі встановлено, що модифікування сталі ітрієм змінило характер кавітаційно-корозійного зношування наплавленого матеріалу й руйнування набуло вигляду транскристалітного замість міжкристалітного, що має місце в немодифікованому матеріалі.

У п'ятому розділі наведено результати дослідження кавітаційно-корозійної стійкості наплавлених деталей хлорних компресорів і насосів на КП „Запорізький титано-магнієвий комбінат” і ЗАТ „Гідромаш”.

Електроди для відновлення зношених поверхонь виготовляли методом опресовування з урахуванням отримання в наплавленому матеріалі складу 06Х23Н18М5+0,02%Y.

Проведені натурні випробування дозволили встановити, що кавітаційно-корозійна стійкість відновленого модифікованою аустенітною сталлю 06Х23Н18М5+0,02%Y компресора в порівнянні з компресорами зі сталі 12Х18Н10Т підвищилась у середньому у 2,5 рази, а стійкість відновлених насосних агрегатів підвищилась у 2,2 рази.

Таким чином, впровадження практичних рекомендацій з використання модифікованої аустенітної сталі дозволить суттєво підвищити фізико-механічні й експлуатаційні властивості обладнання систем відсмоктування анодного хлору та подачі сірчаної кислоти споживачам, а також збільшити строк його основних найбільш навантажених вузлів і деталей.

ВИСНОВКИ

1. В роботі отримали подальший розвиток наукові принципи створення нових кавітаційно-корозійностійких наплавочних матеріалів, сформовані на основі якісного і кількісного аналізу впливу вагових співвідношень легувальних елементів на фазовий склад, зеренну будову, а також топографію і морфологію надлишкових фаз.

2. Розроблена раціонально легована сталь 06Х23Н18М5, яка характеризується підвищеними кавітаційно-корозійними властивостями.

3. Розроблена експериментальна установка для проведення експресних кавітаційно-корозійних випробувань. Умови випробування зносостійкості сталей і сплавів в різних агресивних середовищах ідентичні натурним умовам роботи широкої номенклатури гідрообладнання.

4. Запропоновано механізм ймовірного руйнування нержавіючих сталей і сплавів при кавітаційно-корозійному зношуванні. Під впливом мікроударних навантажень відбувається руйнування пасивного оксидного шару з одночасним кумулятивним впливом переважно у приграничній області та на границі зерен, що призводить до інтенсивного кавітаційно-корозійного зношування деталей. У свою чергу, руйнування оксидного шару на поверхні деталей і руйнування приграничних зон провокує реалізацію одночасно трьох видів корозії: структурно-вибіркової, корозійного розтріскування під напруженням та загальної корозії. Багатократна мікроударна взаємодія і постійне омивання деталей концентрованою сірчаною кислотою призводять до лавиноподібного руйнування деталей.

5. За допомогою методів статистичної обробки результатів отримана математична модель, яка дозволяє оцінити сумісний вплив корозійного й кавітаційного факторів на процес руйнування деталей і агрегатів.

6. Вперше запропоновано механізм ймовірного впливу модифікування ітрієм на кінетику виділення зміцнювальних хімічно стійких фаз в наплавленій сталі з аустенітною матрицею. Показано, що мікродобавки ітрію сприяють рафінуванню сталі за рахунок утворення оксидно-сульфідних включень, які, в свою чергу, можуть полегшувати зародкоутворювання інтерметалідної у-фази у внутрішніх об'ємах кристалітів.

7. Встановлено, що рівномірний розподіл інтерметалідної у-фази у внутрішніх об'ємах зерен сприяє дисперсійному зміцненню та реалізації екранувальної здатності модифікованої сталі, що в цілому сприяє підвищенню кавітаційно-корозійної стійкості наплавлених деталей і вузлів.

8. Очікуваний економічний ефект від впровадження сталі 06Х23Н18М5+0,02%Y для відновлення деталей хлорних компресорів на КП „Запорізький титано-магнієвий комбінат” і насосних агрегатів в ЗАТ „Гідромаш” складе 104,855 тис.грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Быковский О.Г. Повышение кавитационно-эрозионной стойкости наплавленных деталей гідромашин / О.Г. Быковский, И.В. Пиньковский, А.В. Патюпкин // Автоматическая сварка. - 2000. - №8. - С.5-9.

Здобувач встановив умови та причини виникнення кавітаційно-корозійного руйнування деталей гідрообладнання.

2. Патюпкин А.В. Кавитационно-коррозионная стойкость наплавленных нержавеющих сталей и сплавов / А.В. Патюпкин, А.С. Рудычев, О.Г.Быковский // Автоматическая сварка. - 2000. - №8. - С.38-40.

Здобувач встановив, що для роботи в умовах кавітаційно-корозійного зношування необхідно використовувати матеріали з аустенітною матрицею, а також отримав деякі результати стійкості нержавіючих сталей і сплавів .

3. Лазебнов П.П. Использование вторичного сырья теплоэнергетики в электродах для сварки жаростойких сплавов / П.П. Лазебнов, А.В. Патюпкин // Вестник Кременчугского технического университета. - 2003. - №2. - С.37-42.

Здобувач встановив необхідну методику отримання зварювальних електродів опресовуванням для отримання наплавлених високолегованих сталей і сплавів.

4. Лазебнов П.П. Применение шлама теплоэнергетики в качестве газошлакообразующего ингредиента сварочных электродов для Fe-Cr-Ni сталей / П.П. Лазебнов, А.В. Патюпкин //Вестник Кременчугского технического университета. - 2003. - №2. - С.56-59.

Здобувачем отримано склад покриття зварювальних електродів для зварювання та наплавлення Fe-Cr-Ni сталей і сплавів.

5. Патюпкин А.В. Влияние коррозионного фактора на кинетику кавитационно-коррозионного изнашивания нержавеющих сталей и сплавов / А.В. Патюпкин // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2004. - №1. - С.143-146.

6. Патюпкин А.В. Влияние легирования на кавитационно-коррозионную стойкость нержавеющих сталей и сплавов / А.В. Патюпкин, Д.А. Антонюк // Автоматическая сварка. - 2005. - №4. - С. 16-18.

Здобувач зробив математичну обробку експерименту з оптимізації хімічного складу наплавлених сталей з підвищеною кавітаційно-корозійною стійкістю .

7. Патюпкин А.В. Повышение кавитационно-коррозионной стойкости наплавленного металла типа 06Х23Н18М5 путем модифицирования его иттрием / А.В. Патюпкин, Г.А. Бялик // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2006. - №1. - С.24-29.

Здобувачем здійснено мікродифракційний аналіз залишкових фаз і встановлено механізм зміцнення наплавленого металу за рахунок дисперсійного твердіння.

8. Патюпкин А.В. Установка для ускоренных кавитационно-коррозионных испытаний / А.В. Патюпкин //Заводская лаборатория, диагностика и ремонт. - 2006. - №4. - С.15-17.

9. Патюпкин А.В. Прогнозирование кавитационно-коррозионной стойкости наплавленного металла систем легирования Fe-Cr-Ni-(Mo) в 92%-ном растворе серной кислоты / А.В. Патюпкин, Д.А. Антонюк // Автоматическая сварка. - 2006. - №11. - С.46-49.

Здобувачем отримана математична модель, яка дозволяє прогнозувати кавітаційно-корозійну стійкість наплавлених матеріалів залежно від хімічного складу.

10. Патюпкин А.В. Кавитационно-коррозионная стойкость наплавленных деталей компрессоров титаномагниевого производства / А.В. Патюпкин, О.Г. Быковский // Автоматическая сварка. - 2006. - №12. - С.19-22.

Здобувачем виконано мікроскопічне дослідження розробленої сталі та отримані результати з петрографічних і рентгеноспектральних аналізів .

11. Пат. 21413. Україна, МПК G01N 17/00 Установка для кавітаційоно-корозійних випробувань металів / Патюпкін А.В.; заявник і дотримувач Запорізький нац. техн. ун-т; заявл. 25.09.06; опубл. 15.03.07, Бюл. №3.

12. Восстановление изделий, работающих в условиях кавитации в среде серной кислоты: зб.тезисов докладов 18-й конференции сварщиков Урала [«Сварка Урала - в XXI век»], (Екатеринбург, 2-5 марта 1999) / УПИ-УГТУ, 1999. - С.158-159.

Особистий внесок здобувача: проведення досліджень, обговорення та узагальнення результатів.

13. Кавитационно-коррозионная стойкость нержавеющих сталей в концентрированных растворах серной кислоты: сб. трудов 7-й Междунар.научно-техн.конф. [Технологии ремонта машин, механизмов и оборудования (РЕМОНТ-99)], (Алушта, 25-27 мая 1999 г.) / Алушта, 1999. - С.28-30.

Особистий внесок здобівача: обговорення результатів досліджень кавітаційно-корозійної стійкості; рекомендації щодо використання процесів відновлення розробленими матеріалами.

14. Повышение кавитационно-коррозионной стойкости сталей путем модифицирования их иттрием: зб.тезисів до Міжнар. науково-практ.конф. [Шляхи розвитку машинобудування], (Запоріжжя, 16-17 травня 2006р.) / Запоріжжя, 2006. - С.17.

Особистий внесок здобувача: вибір оптимального складу мікролегування матеріалів ітрієм для підвищення їх кавітаційно-корозійної стійкості.

15. Наплавочные материалы повышенной кавитационно-коррозионной стойкости: cб.тезисов докладов II-ой Междунар. научно-метод.конф. [Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров], (Мариуполь, 11-14 сентября 2006 г.) / ПГТУ, 2006. - С.99.

Особистий внесок здобувача: постановка задачі; проведення досліджень; проведення микроскопічних та петрографічних досліджень; обгрунтування результатів досліджень

16. Повышение кавитационно-коррозионной стойкости стали 06Х23Н18М5 путем микролегирования ее иттрием: сб.тезисов докладов III-ой Междунар. научно-метод.конф. [Повышение износостойкости деталей машин и конструкций. Совершенствование подготовки кадров], (Мариуполь, 5-9 мая 2008 г.) / ПГТУ, 2008. - С.47-49.

Здобувачем встановлено оптимальний діапазон модифікування сталі 06Х23Н18М5 ітрієм з метою покращення показників кавітаційно-корозійної стійкості останньої.

17. Влияние микролегирования иттрием на фазовый и колличественный состав наплавленной стали 06Х23Н18М5: матеріали Всеукраїнській науково-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих науковців [Зварювання та спорідненні технології], (Миколаїв, 3-7 вересня 2008 р.) / НУК ім. адм. Макарова, 2008. - С.28-30.

Здобувач дослідив, що мікролегування сталі 06Х23Н18М5 ітрієм сприяє утворенню та рівному розташуванню в аустенітній матриці надлишкової інтерметалідної фази, яка сприяє зміцненню наплавленого матеріалу і одночасно підвищує його службові характеристики.

АННОТАЦИЯ

Патюпкин А.В. Разработка материаловедческих принципов создания и микролегирования иттрием износостойких наплавочных материалов с аустенитной матрицей - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01 - материаловедение. Запорожский национальный технический университет, Запорожье, 2008.

Диссертация посвящена изучению кавитационно-коррозионной стойкости аустенитных нержавеющих сталей, микролегированных иттрием. Показано, что совместное воздействие кавитации и коррозии весьма сложный и взаимообуславливающий процесс. В связи с этим, при проектировании узлов и агрегатов, подверженных жесткому кавитационному воздействию разогретой коррозионно-активной жидкости, возникает проблема создания новых материалов, способных сопротивляться совместному влиянию коррозионного и кавитационного факторов.

Показано, что преимущественно в этих условиях удовлетворительно работают стали и сплавы аустенитного класса Fe-Cr-Ni, Fe-Cr-Ni-Mo и Fe-Cr-Ni-Mo-Cu - систем легирования. Установлен вероятный механизм кавитационно-коррозионного изнашивания гидрооборудования. Разработана экспрессная установка для ускоренных кавитационно-коррозионных исследований.

Проведенный комплекс испытаний показал, что наилучшими показателями стойкости обладают сплав 06Х23Н28М3Д3Т и разработанная сталь 06Х23Н18М5. В свою очередь, учитывая определенные дефекты структуры стали 06Х23Н18М5, связанные с разнозернистостью и наличием в структуре крупных остроугольных первичных включений, было предложено провести модифицирование стали иттрием с целью рафинирования стали и получения более дисперсной зеренной структуры.

Определены оптимальные составы добавок иттрия в покрытия сварочных электродов, при которых обеспечивается максимальная износостойкость. Установлено, что при дальнейшем увеличении содержания иттрия происходит эффект перемодифицирования и, соответственно, снижение служебных свойств стали.

Металлографическими способами установлено, что при оптимальном модифицировании стали иттрием происходит снижение на порядок размеров зерен (по сравнению с немодифицированной сталью) с образованием стабильной мелкодисперсной структуры. В процессе проведения петрографических исследований установлено, что модифицирование стали способствует получению мелкозернистой структуры и сфероидизации первичных включений.

В немодифицированной стали включения имели развитую остроугольную поверхность, что обуславливало снижение прочностных характеристик материала. При микроскопических исследованиях с большими увеличениями в модифицированной стали наблюдались более тонкие границы зерен, что свидетельствует об очищении границ и приграничной области от примесей внедрения, а также наличие вторичных выделений избыточной фазы преимущественно во внутренних объемах зерен.

Микродифракционным анализом идентифицированы частицы избыточной фазы: мелкие (до 0,01 мкм) представляют собой у-фазу, а более крупные карбид (Fe, Cr, Mo)₂₃С₆. Предложен вероятный механизм влияния иттрия на кинетику выделения упрочняющих химически стойких фаз в аустенитной стали и на кавитационно-коррозионную стойкость. Указано, что микродобавки иттрия способствуют рафинированию стали за счет образования окси-сульфидноиттриевых соединений, которые, в свою очередь могут выступать в роли центров кристаллизации и тем самым инициировать процессы распада пересыщенного твердого раствора с образованием вторичных интерметаллидных и карбидных соединений.

Соответственно происходит изменение структуры с увеличением степени ее дисперсности, очищением границ зерен и приграничных областей от примесей внедрения, что, в свою очередь, способствует повышению кавитационно-коррозионной стойкости сталей. Установлено, что при коррозионном растворении поверхности стали происходит эффект экранирования металла химически стойкими фазами, что подтвердилось потенциодинамическими исследованиями образцов в 92%H₂SO₄ при температуре 60⁰С.

Составлены рекомендации по использованию сварочных материалов с присадками иттрия для восстановления основных деталей насосных аппаратов и хлорных компрессоров производств редких металлов.

Ключевые слова: аустенитные стали, наплавленный материал, кавитация, коррозия, кавитационно-коррозионное изнашивание, серная кислота, микролегирование, сварочные электроды, наплавка, микроструктура, хлорные компрессора, насосные агрегаты.

АНОТАЦІЯ

Патюпкін А.В. Розробка матеріалознавчих принципів створення та мікролегування ітрієм зносостійких наплавочних матеріалів з аустенітною матрицею. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.02.01 - матеріалознавство. Запорізький національний технічний університет, Запоріжжя, 2008.

Дисертація присвячена вивченню кавітаційно-корозійної стійкості аустенітних нержавіючих сталей, мікролегованих ітрієм. Показано, що спільна дія кавітації і корозії дуже складний та взаємообумовлений процес. У зв'язку з цим, проектуючи вузли і агрегати, що підпадають під жорсткий кавітаційний вплив підігрітої рідини, виникає проблема необхідності розробки нових матеріалів, які мають опір спільному впливу корозійного і кавітаційного факторів. Встановлено ймовірний механізм кавітаційно-корозійного зношування гідрообладнання. Розроблена експресна установка для прискорених кавітаційно-корозійних досліджень. Проведений комплекс досліджень показав, що найкращі показники стійкості має сплав 06Х23Н28М3Д3Т та розроблена сталь 06Х23Н18М5. Враховуючи наявність дефектів в структурі сталі 06Х23Н18М5, які пов'язані з різнозеренністю й наявністю у структурі великих гострокутових первинних включень, було запропоновано проведення модифікування сталі ітрієм з метою рафінування сталі та отримання більш дисперсійної структури. Визначені оптимальні склади добавок ітрію в покриття зварювальних електродів, при яких забезпечується максимальна зносостійкість. Металографічними способами встановлено, що при оптимальному модифікуванні сталі ітрієм виникає зниження на порядок розмірів зерен (у порівнянні з немодифікованою сталлю) з утворенням стабільної дрібнодисперсної структури. Петрографічні дослідження показали зниження кількості неметалевих включень в модифікованій сталі, які мали переважно сфероїдальну форму. При великих збільшеннях на модифікованій сталі простежуються більш тонкі границі зерен, що свідчить про очищення границь та приграничних ділянок від домішок впровадження, а також зафіксовано наявність вторинних виділень надлишкової фази переважно у внутрішніх об'ємах кристалітів. Мікродифракційним аналізом ідентифіковані частинки надлишкової фази: розміром до 0,01 мкм уявляють собою у-фазу, а більш крупні - карбід (Fe, Cr, Mo)₂₃С₆. Запропоновано ймовірний механізм впливу ітрію на кінетику виділення зміцнювальної хімічно стійкої фази в аустенітній сталі та на кавітаційно-корозійну стійкість. Підвищення кавітаційно-корозійної стійкості забезпечується за рахунок утворення дрібнодисперсної структури, рафінування сталі, а також за рахунок механізму дисперсійного зміцнення частинками інтерметалідних фаз. Визначено, що при корозійному розчиненні поверхні сталі виникає ефект екранування металу хімічно стійкими фазами, що було доведено потенціодінамічними дослідженнями зразків в 92%H₂SO₄ при температурі 60⁰С.

Складені рекомендації щодо використання зварювальних матеріалів з присадками ітрію для відновлення основних деталей насосних агрегатів та хлорних компресорів виробництв рідких металів.

Ключові слова: аустенітні сталі, наплавлений матеріал, кавітація, корозія, кавітаційно-корозійне зношування, сірчана кислота, мікролегування, зварювальні електроди, наплавлення, мікроструктура, хлорні компресори, насосні агрегати.

ANNOTATION

Patyupkin A.V. The development of some material science fundamentals of engineering and alloying by yttrium minor additions of austenitic matrix wear-resistant build-up welding materials. - Manuscript. The present dissertation is intended for getting the scientific degree of candidate of technical sciences by speciality 05.02.01 - “Material science”. - Zaporizhzhya National Technical University, Zaporizhzhya, 2008.

The present dissertation is devoted to investigation of cavitation-corrosion resistance of austenitic stainless steels alloyed by yttrium additions. It has been shown that simultaneous action of cavitation and corrosion is an exceedingly complex and mutually resulting process.

Having been carried out the set of tests shows, that alloy 06Х23Н28М3Д3Т and steel 06Х23Н18М5 designed have the highest values of the resistance. However, considering some structural defects in steel 06Х23Н18М5 occurring as a result of different grain sizes and acute angle primary inclusions, it has been proposed to modify the steel by yttrium additions in order to refine its structure and get dispersed grains. It has been determined the optimal compositions with yttrium additions for electrode coatings due to which the maximal level of wear-resistance is provided. The application advices concerning welding materials alloyed by yttrium additions for rebuilding of pump main parts and chlorine compressors used in the rare earth metals production have been formed.

Key words: austenitic steels, built-up welding material, cavitation, corrosion, cavitative-corrosive wear, sulphuric acid, alloying by minor additions, welding electrodes, built-up welding, microstructure, chorine compressors, pumping aggregates.

Размещено на Allbest.ru

...