04 марта 2016г.
Сплавы на основе алюминидов железа обладают рядом уникальных эксплуатационных свойств: высокой коррозионной стойкостью, высокой жаростойкостью и достаточно высокими показателями твердости и износостойкости [1,2]. Эти сплавы не содержат дорогостоящих легирующих элементов, что значительно снижает стоимость изделий из них. Невысокая прочность алюминидов железа ограничивает их область применения
Сплавы железо-алюминий можно рекомендовать для изготовления деталей оборудования для производства кирпича, работающих в условиях абразивного износа [3]. Для повышения прочности интерметаллидных сплавов было предложено обрабатывать сплав в жидком виде солью K2ZrF6, которая обеспечивает повышение прочности интерметаллидных зон при жидкофазных способах получения биметаллов железо-алюминий [4].
Для испытания механических и эксплуатационных свойств алюминидов железа на основе интерметаллидных фаз Fe3Al и FeAl изготавливали образцы и готовые керны диаметром 30мм, формирующие полости в кирпиче, литьем в металлическую форму с обработкой расплава солью K2ZrF6 в количестве 5% от массы шихты и без обработки (рис.1). Образцы и керны изготавливали с содержанием алюминия 16 и 28%. Плавку вели в индукционной печи в графитовом тигле. В качестве шихты использовали сталь Ст3 и алюминий марки А7. Соль вводили перед плавлением шихтовых материалов.
Исследования структуры и химического состава алюминиевого и переходного слоѐв биметалла проводились методами растровой электронной микроскопии в условиях ОАО «АВТОВАЗ» на комплексе сканирующего электронного микроскопа LEO 1455 VP (ZEISS, Германия) с блоками рентгеновского энергетического спектрометра INCA Energy-300 и рентгеновского волнового спектрометра INCA Wave-500. Микрорентгеноспектральный анализ проводился в поперечном сечении поверхности образцов. Локальность зоны исследования составляла 1-1,5 мкм² в точке и 100-400 мкм² при исследовании отдельных зон. Микротвердость переходного слоя определялись с помощью микротвердомера ПМТ-3М, пределы допустимой погрешности измерения которого составляют + 1%.
Испытания на статическое растяжения проводились на разрывной машине WAW-1000 с погрешность измерения ±1%.
Износостойкость образцов
при абразивном изнашивании определялась при трении о закрепленные абразивные частицы
и оценивалась относительной износостойкостью:
ε = Δlэ/Δlм, (1)
где Δlэ — линейный износ эталона;
Δlм — линейный
износ испытуемого материала. В качестве эталонов
использовали сталь 45.
Заводские испытания изготовленных кернов проводили
на предприятиях г.Тольятти. Керны
устанавливали в действующее оборудование, эксплуатировали в течение 10 суток и фиксировали изменение его диаметра.
Проведенные испытания показали, что прочность
при растяжении определяется содержанием алюминия и с повышением содержания алюминия снижается (Табл.1).
Обработка флюсом K2ZrF6 позволяет повысить предел прочности при растяжении практически в 2 раза.
Таблица 1
Механические свойства образцов
из сплавов системы железо-алюминийа
№
|
% Al
|
Обработка K2ZrF6
|
HRC
|
σВ, Мпа
|
1
|
16
|
-
|
24
|
182
|
2
|
28
|
-
|
28
|
156
|
3
|
16
|
+
|
28
|
318
|
4
|
28
|
+
|
34
|
305
|
Твердость cплавов железо-алюминий
с повышением содержания алюминия с 16 до 28% повышается на 4HRC. Обработка расплава
K2ZrF6 повышает твердость на 4-6 HRC.
Повышение прочности и твердости при обработке расплава
K2ZrF6 связно с измельчением структуры
интерметаллидов (Рисунок 2). Размер зерна при солевой обработке
уменьшается практически на порядок.
При взаимодействии соли с алюминием идет процесс восстановления циркония, который описывается формулой:
3K2ZrF6 + 4Al = 6KF +
4AlF3 +
3Zr (2)
Цирконий, вероятно, обеспечивает модифицирование интерметаллида, что и приводит к измельчению структуры и повышению
прочности и твердости
сплавов. Структура
разрушенных немодифицированных образцов грубая транскристаллизационная, а модифицированных равноосная с незначительным увеличением размера серна к центру
образца (Рисунок
3)
Проведенные исследования показали, что в интерметаллидных сплавах при введении
5% соли находится циркония от 1,4 до 2,6%.
Модифицирование интерметаллидных сплавов
солью K2ZrF6, как показали
проведенные исследования, обеспечивает повышение относительной износостойкости сплавов
на 50% (Табл.2).
Таблица 2 Эксплуатационные свойства образцов
из сплавов системы железо-алюминий.
№
|
% Al
|
Обработка K2ZrF6
|
Относительная износостойкость
|
Диаметр керна после
заводских испытаний, мм
|
1
|
16
|
-
|
3,3
|
27
|
2
|
28
|
-
|
3,6
|
28
|
3
|
16
|
+
|
4,4
|
28
|
4
|
28
|
+
|
5,7
|
29
|
Заводские испытания подтвердили эффективность модифицирования сплавов системы железо-алюминий для повышения их срока службы изделий.
Интенсивность износа кернов
с модифицированной структурой уменьшается в 1,5-2 раза (Рисунок
4.).
Выводы:
1.Интерметаллидные сплавы
системы железо-алюминий могут успешно
применяться для изготовления деталей оборудования работающего в условиях
абразивного износа.
2. Модифицирование интерметаллидных сплавов системы
железо-алюминий цирконием позволяет повысить их прочность практически в 2 раза, относительную износостойкость на 50% и увеличить их срок эксплуатации в 1,5-2раза.
Список литературы
1.
Microstructure and corrosion resistance of Fe-Al intermetallic coating
on 45 steel synthesized by double
glow plasma surface
alloying technology ZHU Xiao-lin, YAO Zheng-jun, GU Xue-dong, CONG Wei, ZHANG Ping- ze//College of Material
Science and Technology, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China 210016 Received
15 February 2008; accepted 2 July 2008
2. Войтович В.А. Новые противокоррозионные материалы
в строительстве, 1980, 96 с.
3.
Ковтунов А.И, Сидоров В.П., Бородин
М.Н., Чермашенцева Т.В.. О возможности использования наплавок системы железо-алюминий в качестве износостойких покрытий Тяжелое машиностроение./№12. с.12-13. 2007г
4.
Ковтунов А.И, Мямин С.В., Чермашенцева Т.В. Исследование процессов смачивания стали алюминием при производстве слоистых композитов/ А.И.Ковтунов, С.В. Мямин,
Т.В. Чермашенцева// Сварочное производство. №3, 2011. С.8-11.