ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ ЖЕЛЕЗО – АЛЮМИНИЙ

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.

Механические свойства образцов из сплавов системы железо-алюминийа

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%.

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.