Размещено на http://www.allbest.ru/

ГНУ «Институт Технической Акустики НАН Республики Беларусь» Витебск, Беларусь

Использование отходов кожевенного производства для получения градиентных материалов методом СВС

В.В. Клубович, В.В. Рубаник, В.Г. Самолётов

Краткий реферат

Объектом исследований являются материалы, получаемые методом СВС-литья при центробежных нагрузках.

Цель работы ? изучение влияния центробежной перегрузки на распределение тугоплавких упрочняющих частиц в объеме расплава, разработка состава исходной шихты и методики центробежного литья образцов и изделий из материалов на основе железа с высокой износостойкостью и градиентным распределением частиц карбидов и оксидов, а также возможности использования при синтезе износостойких материалов шлама, получаемого из отходов кожевенного производства.

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, литьё 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)

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 - Fe, так и высокотемпературная фаза - Fe, причем - фаза присутствует в виде перлита [5].

Рис.1. Рентгенограммы образца в литом состоянии и после термообработки

Методом гомологических пар [4] вычислено, что содержание аустенита ( - фазы) в литом состоянии равно приблизительно 68%. В закаленном состоянии имеется только - фаза, а после отпуска - - 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 TiK (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

Заключение

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

Литература

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.

Размещено на Allbest.ur