Разработка сплавов на основе сурьмы для пропитки углеграфитовых каркасов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 669. 755. 018. 2
В. А. Гулевский, канд. техн. наук
РАЗРАБОТКА СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ СУРЬМЫ ДЛЯ ПРОПИТКИ УГЛЕГРАФИТОВЫХ КАРКАСОВ
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mitlp@vstu. ru)
Приводятся результаты испытаний сплавов на основе сурьмы на линейную усадку, проникающую способность, коррозионную стойкость и механическую прочность.
Ключевые слова: сурьма, пропитка, углеграфит, линейная усадка, смачивание, коррозия.
The results of linear shrinkage, infiltration, rust resistance and mechanical strength tests are shown in the article. Keywords: antimony, impregnation, carbon-graphite, linear shrinkage, wetting, corrosion.
Одним из весьма перспективных направлений развития в области создания углеродных материалов является разработка композиционных материалов (КМ) типа углеграфит-металл, в которых хорошо сочетаются свойства угле-графита (хорошие скользящие свойства, устойчивость при высоких температурах, химическая стойкость и т. д.) со свойствами металла (хорошая механическая прочность, высокая элек-тро- и теплопроводность) [1].
Углеграфитовый каркас обеспечивает фрикционные свойства пропитанного углеродного скелета и формирование вторичного металлического скелета, что одновременно оказывает влияние и на результирующие физические и механические свойства готового материала.
В связи с этим к матричному сплаву предъявляются следующие требования: обеспечение усадки, близкой к нулю, и высокая проникающая способность по отношению к каркасу. Обеспечение первого требования позволяет избежать появления больших внутренних напряжений в КМ как следствия склонности сплава к расширению при кристаллизации или образования зазоров между стенками пор каркаса и матричным сплавом при его большой усадке. Параметр «проникающая способность» определяет уровень давления и время пропитки, необходимые для получения КМ с заданными свойствами.
Оптимальными для антифрикционного применения свойствами обладают материалы, пропитанные сурьмой. Сурьма, вследствие малой склонности к схватыванию при трении по стали, работоспособна в узлах трения при повышенных нагрузках и скоростях [2]. Рабочие температуры материалов, пропитанных сурьмой, достигают 500 °C. Пропитка сурьмой повышает износостойкость углеграфитовых материалов в 2−3 раза.
Целью работы явилась разработка сплавов, удовлетворяющих всем поставленным условиям (усадка, близкая к нулю, химическая стойкость, хорошая проникающая способность и отсутствие испаряемости при рабочих температурах пропитки). Кроме того, взаимная растворимость матричного сплава и материала каркаса должна быть минимальной, их взаимодействие не должно приводить к снижению эксплуатационных характеристик КМ и повышению вязкости матричного сплава в процессе пропитки.
Методика, экспериментальные схемы
и результаты по оценке пропитывающих сплавов
В качестве основы разрабатываемых литейных матричных сплавов использовали наиболее распространенную марку сурьмы СуО (ГОСТ 1089−82Е). Созданные сплавы сопоставляли по свойствам с исходной сурьмой.
Определение линейной усадки сплавов сурьмы проводили по стандартной методике (ГОСТ 16 817−71), результаты исследований представлены в табл. 1.
В качестве критерия для изучения смачивания пропитывающих сплавов на основе сурьмы приняли известный метод «большой капли».
Навеска сплава (0,95 ± 0,05)-10−3 кг расплавлялась на подготовленной плоскости углеграфитовой подложки при температуре, соответствующей температурам пропитки, Тпл + 150 °C (750−780 °С) в условиях вакуума, с разряжением не менее 0,01 МПа. На закристаллизовавшихся каплях изучали углы смачивания исследуемых сплавов.
Известное уравнение Венцеля — Дерягина
Со8 0ш = К'-Со8 00 (1)
связывает краевые углы жидкости на шероховатой и гладкой поверхности соответственно 0ш и 00, с отношением фактической площади по-
Таблица 1
Результаты экспериментов и расчетов по определению линейной усадки сплавов на основе сурьмы с длиной образца 72,0 мм при? 850 °С
Номер сплава Химический состав Обра- зец Показания индикатора, (при начальном показании 2,0), единицы Линейная усадка, % Относит. ошибка серии измерений, %
1 1,64 0,502
1 БЪ (СуО) 2 1,64 0,502 0,086
3 1,64 0,502
1 1,76 0,334
2 БЪ + 20% Бп 2 1,72 0,391 0,109
3 1,73 0,376
1 1,69 0,432
3 БЪ + 30% Бп 2 1,70 0,418 0,028
3 1,70 0,418
1 1,76 0,334
БЪ + 20% Бп+1%
4 2 1,77 0,320 0,028
Митттметапп
3 1,76 0,334
1 1,76 0,341
5 БЪ + 20% Бп + 2% N1 2 1,73 0,376 0,019
3 1,73 0,376
1 1,72 0,390
6 БЪ + 20% Бп + 1% N1 2 1,74 0,362 0,090
3 1,72 0,390
1 1,71 0,404
БЪ + 20% Бп + 2%
7 2 1,73 0,376 0 074
Митттметапп
3 1,70 0,418
1 1,60 0,558
8 БЪ + 20% Бп + 1% Т 2 1,62 0,531 0,094
3 1,61 0,572
1 1,58 0,583
9 БЪ + 1,5% Си 2 1,62 0,531 0,097
3 1,60 0,558
1 1,70 0,413
10 БЪ + 2% Си 2 1,67 0,460 0,074
3 1,68 0,446
верхности к проекции на горизонтальную площадь К. Фактически измеряются углы наклона поверхности жидкости к плоскости, на которую проецируется профиль твердой поверхности [3,4]. Исходя из уравнения (1) очевидно, что в отсутствии смачивания (0 & gt- 90°) увеличение шероховатости приводит к увеличению макроугла.
Если жидкость смачивает материал (90° & gt- 0 & gt- & gt- 0°), увеличение коэффициента шероховатости К вызывает уменьшение макроугла 0ш. Ре-
зультаты проведенных исследований сплавов на основе сурьмы по определению краевых углов смачивания на закристаллизовавшихся каплях сведены в табл. 2.
Требованию обеспечения химической стойкости и усадкой, близкой к нулю, удовлетворяет сурьма, однако она обладает высокой испаряемостью при рабочих температурах пропитки 700−800 °С, что ухудшает технологические условия работы оборудования из-за осаждения паров сурьмы на стенках и в сочленениях [5].
Таблица 2
Результаты экспериментального определения краевых углов смачивания сплавов на основе сурьмы
Номер сплава 1 8 4 5 7
Химический состав БЪ БЪ + 20% Бп + 1% Ті БЪ + 20% Бп + 1% Мишметалл Б Ъ + 20% Бп + 2% № БЪ + 20% Бп + 2% Мишметалл
Краевой угол смачивания, град 149 128 125 124 122
Для оценки испаряемости (И) сплавов на основе сурьмы в качестве критерия было выбрано относительное изменение массы образцов сплавов при изотермической выдержке их в течение 1200 с в слабом токе аргона, исключающем возвращение конденсата паров в объем сплава. Испаряемость определяли по следующей зависимости:
И = Ви — В. 100%,
Ви
где Ви — исходная масса образца, кг- В — масса образца после изотермической выдержки, кг.
Изотермические выдержки охватывали область рабочих температур пропитки сплавом сурьмы углеграфитового каркаса и проводились при температурах 600−850 оС через каждые 50 оС.
Установка, использовавшаяся для оценки испаряемости сплавов, состояла из трубчатой электропечи сопротивления ТК 30/200 с установленной в ней кварцевой трубкой с внутренним диаметром 18 мм, в которой находится алундовая лодочка (95×10×10 мм) с навеской сплава. Перемещение лодочки осуществляется оправкой, стержень которой проходит через кварцевую трубку, необходимую для подвода аргона к лодочке с навеской сплава, оканчивающийся у края лодочки, с центрированием последней в герметичной пробке. Автотрансформатор ЭЗО является задатчиком температурного режима печи.
Эксперимент выполнялся следующим образом: партия сплавов размещалась в 25 прокаленных алундовых лодочках, вес которых определялся на аналитических весах. В каждую лодочку помещалось 7,5−10−3 кг сплава. Лодочка размещалась в начале кварцевой трубки, около пробки, система продувалась аргоном 2,5−3,0 л/мин в течение 60 с. Затем лодочка с навеской сплава перемещалась в изотермическую зону печи с заданной температурой, выдерживалась в течение времени тр+1200 с (где тр — время расплавления сплава при данной температуре), при непрерывной подаче аргона с расходом 2 л/мин.
На рис. 1 приведены данные по влиянию температуры на испаряемость сплавов. Снижение испаряемости коррелирует с выделением избыточной фазы по границам зерен, выявленной в результате металлографического исследования [6].
Кроме того, методику исследований пропитывающих сплавов на основе сурьмы, инертных
1,2 I
а? j 0. 8
5
5 о. б
5 0.4 S
0.2 0
600 650 700 750 800 850
Температура. С -образец сплава 1 -обра щен сплава 2 -А- образец сплава 3 образец сплава 4
Рис. 1. Влияние температуры на испаряемость сплавов
ных к углеграфиту, необходимо приблизить к реальным условиям пропитки. Поэтому была разработана комплексная оценка пропитывающих сплавов, которая учитывает в совокупности жидкотекучесть сплавов, смачиваемость, работу адгезии, адсорбцию по отношению к углеграфитовому каркасу и основной показатель -проникающую способность.
Определение проникающей способности сплава сурьмы по отношению к углеграфитовому каркасу производилось по оригинальной методике, заключающейся в измерении глубины затекания сплава в капилляр. В образце из углеграфита размером (95×9×15) мм были просверлены 4 отверстия диаметром 10 мм и глубиной 5 мм, в плоском дне которых были просверлены три капилляра глубиной 7 мм и диаметром 0,45 мм. Время изотермической выдержки сплавов при температурах плавления, а затем при температурах 600−750 °С, соответствующих реальным температурам пропитки, составляло 1200 с. Постоянство металлостатического давления в устье капилляров обеспечивалось заливкой сплава в плоскодонное просверленное углубление заподлицо с его открытым торцом и постоянством размеров этого углубления во всех опытах (диаметр 10,0 ± 0,1 мм, глубина 5,0 ± 0,1 мм). В дне каждого глухого отверстия высверливали по три капиллярных углубления диаметром 0,45 мм, не выходящие на противоположную поверхность, толщина остаточной стенки 3,0 ± 0,1 мм. Глубина затекания определялась как среднее значение из трех опытов, в каждом опыте образец сплава дублировался. Расплавление сплавов осуществляли в вакууме при давлении разрежения не менее 0,01 МПа.
Проникающая способность исследованных сплавов в углеграфитовый каркас оценивалась
для сплавов оптимальных составов, отобранных по результатам испаряемости, температуры плавления, усадки. Поэтому испытаниям по определению проникающей способности
подвергались сплавы системы 8Ь-8и, такие как 3, 4, 7, 5. Объектом сравнения являлся сплав 1 (СуО). Результаты исследований сведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты исследований проникающей способности сплавов на основе сурьмы
Номер сплава Химический состав Среднее значение глубины затекания в капилляр, мм Относительное изменение величины проникновения сплава, % Относительная ошибка серии измерении, %
1 БЪ (СуО) 0,840 0 1,120
3 БЪ + 30% Бп 0,560 -33,0 1,665
4 БЪ + 20% Бп + 1% Мишметалл 1,157 37,7 0,696
5 БЪ + 20% Бп + 2% N1 1,665 98,2 0,559
7 БЪ + 20% Бп + 2% Мишметалл 1,233 46,8 0,681
10 БЪ + 2% Си 0,825 -1,8 1,128
Несомненно, определение проникающей способности рассмотренных сплавов на основе сурьмы позволяет оптимизировать технологический режим пропитки и его основные параметры: температуру, давление, время.
Коррозионная стойкость сплавов на основе сурьмы изучалась гравиметрическим методом [7]. Образцы для испытаний представляли собой цилиндры диаметром 4,0−10−3 м и длиной (12 ± 0,3)-10−3 м. Образующие и торцевые поверхности цилиндров имели шероховатость Яа = 0,16… 0,08 мкм, которая обеспечивалась формированием цилиндра путем вакуумного всасывания сплава сурьмы в кварцевую трубку с последующей кристаллизацией. Результаты оценки скорости коррозии представлены в табл. 4.
Учитывая область применения скелетных КМ, проводился комплекс испытаний в коррозионно-активных средах сплавов на основе сурьмы в соответствии с принятой методикой. Испытаниям на общую коррозию и определе-
нию предела прочности на сжатие, характеризующим эксплуатационные свойства сплавов, подвергались сплавы 1,3,4,7,5,10. Результаты испытаний на общую коррозию представлены в табл. 5. Сплавы до и после коррозионных испытаний подвергались механическому нагружению для определения осж и металлографическим исследованиям для выявления изменений в микроструктуре в результате коррозии, а также определения качественной корреляции микроструктуры с прочностью образцов на сжатие. На рис. 2, а — г представлены типичные микроструктуры образцов, имеющих значительную коррозию.
Следует отметить, что технология изготовления образцов для проведения механических испытаний и металлографических исследований позволила сохранить неизменными химический состав и условия охлаждения всей серии исследуемых сплавов. Результаты механических испытаний образцов представлены в табл. 5.
Таблица 4
Результаты исследования сплавов на основе сурьмы на общую коррозию
Коррозионная среда Скорость коррозии, г-10 2/м2-час
Номер сплава
1 3 4 7 5 10
НЫ& quot-О3 (10%) 0,732 3,939 1,037 1,191 0,796 1,151
И2В04(10%) 1,970 4,552 2,085 3,148 1,841 2,508
НС1 (10%) 1,118 2,786 1,501 2,412 0,872 10,789
КОН (10%) 0,409 1,775 0,941 1,479 0,475 1,037
ЫаС1 (5%) 0,581 0,104 0,269 0,475 0,371 5,072
Аммиак (36%) 0,707 0,938 0,957 1,103 0,847 1,368
Вода дистиллированная 0,071 0 0,073 0,078 0,054 0,061
Масло трансформаторное 0,243 0,345 0,251 0,276 0,232 0,264
Рис. 2. Микроструктуры (увеличение х70, нетравленые шлифы) сплавов 1, 4, 5, 10 после испытания на коррозию в водных растворах различных кислот:
а — 1, соляной- б — 4, азотной- в — 5, серной- г — 10, соляной
Таблица 5
Результаты механических испытаний образцов сплавов
б
а
в
г
Коррозионная среда Прочность на сжатие, МПа
Номер сплава
1 3 5 4 7 10
Отсутствует 152,2 178,0 165,4 164,3 168,1 141,0
НЫ03(10%) 152,8 179,1 166,0 141,2 145,1 111,0
И2В04(10%) 154,2 150,7 168,2 150,4 123,5 142,2
НС1(10%) 114,3 178,9 167,1 162,6 158,3 17,4
КОН (0,4%) 152,0 178,3 165,2 164,0 166,8 126,5
ЫаС1 (5%) 152,4 178,0 165,4 163,9 167,7 143,2
Аммиак (36%) 150,7 179,2 165,3 164,2 168,1 140,8
Вода дистиллированная 154,0 177,9 165,0 164,0 167,9 141,3
Масло трансформаторное 155,6 179,1 168,3 165,7 169,1 141,3
Экспериментальная проверка свойств сплавов, проводившаяся с целью получения матричного материала с минимальной испаряемостью, хорошей проникающей способностью, усадкой, близкой к нулю, и коррозионной стой-
костью, позволила выявить оптимальный химический состав сплава на основе сурьмы, который может быть использован для получения скелетных композитов углеграфит — металл. Причем изменение химического состава сплава
позволяет управлять не только его эксплуатационными, но и технологическими свойствами. Оказывающими значительное влияние на процесс изготовления КМ являются такие параметры, как давление, температура и время пропитки.
Выводы
1. Результаты исследований сплавов сурьмы по определению проникающей способности, температуры плавления, усадки, испаряемости, коррозионной стойкости и механической прочности указывают на существование оптимальных концентраций поверхностно-активных элементов.
2. Выбор определенных сочетаний этих свойств позволяет управлять не только эксплуатационными, но и технологическими свойствами пропитывающих сплавов, оказывающими значительное влияние на такие параметры процесса как давление, температура и время пропитки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Костиков, В. И. Взаимодействие металлических расплавов с углеродными материалами / В. И. Костиков, А. Н. Варенков. — М.: Металлургия, 1981. — 184 с.
2. Носовский, И. Г. Влияние газовой среды на износ металлов / И. Г. Носовский. — Киев: Техника, 1968. — 180 с.
3. Найдич, Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах / Ю. В. Найдич. — Киев: Наукова думка, 1972. — 196 с.
4. Попель, С. И. Растекание свинцово-оловянистых расплавов и цинка по поверхности железа / С. И. Попель, Т. В. Захарова, В. В. Павлов // Адгезия расплавов. — Киев: Наукова думка, 1974 — С. 53−58.
5. Сурьма и ее соединения. Сер. «Научные обзоры советской литературы по токсичности и опасности химических веществ № 71 / под общ. ред. чл. -корр. АМН СССР Н. Ф. Измерова. — М.: ЦМПГНТ СССР, 1984. — 27 с.
6. Формирование свойств матричных сплавов сурьмы для композитов каркасного типа / В. А. Гулевский, В. И. Антипов, Л. В. Виноградов, А. Г. Колмаков, Э. М. Лазарев, А. М. Самарина, Ю. Э. Мухина // Металлы. — 2009. — № 6. -С. 92−97.
7. Коррозионная стойкость оборудования химических производств: Способы защиты оборудования от коррозии: Справ. изд. / под ред. Н. В. Строкана, А. Н. Сухотина. -Л.: Химия, 1987. — 280 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой