Применение модифицированного медистого ферросилида в агрессивных средах.

Многие детали горнодобывающей и обогатительной техники цветной металлургии работают в условиях воздействия агрессивных сред, поэтому вопросам повышения коррозионной стойкости сплавов уделяется особое внимание.

Для работы в условиях воздействия агрессивных сред, как жидких, так и газообразных, применяются высококремнистые сплавы — ферросилиды. Они не содержат дефицитных элементов, относительно дешевы и способны заменить высоколегированные нержавеющие стали. Несмотря на высокую коррозионную стойкость, применение ферросилидов ограничено из-за низких технологических свойств, механической прочности и эксплуатационной надежности: ферросилиды склонны к образованию газовых и усадочных раковин и трещин, в результате чего брак отливок может достигать 90%; плохо обрабатываются резанием из-за высокой твердости (HV = 2940 - 3900 МПа);
характеризуются низкими механическими свойствами ( =170 МПа), вызывающими поломки изделий при транспортировке и монтаже. В отраслевой лаборатории износо- и хладостойких сталей и сплавов Минцветмета СССР при Запорожском машиностроительном институте проведены работы по изысканию состава и технологии производства высококремнистого сплава с более высокими, чем стандартные, технологическими и эксплуатационными характеристиками (табл. 1).

В процессе разработки оптимального состава был реализован метод матричного планирования активного эксперимента с использованием плана типа 24. Химический состав плавок плана 24 представлен в табл. 2.

Опытные плавки дополнительно модифицировали свинцом, селеном (Е) и иттрием (Ч). На металле этих плавок проведены металлографические исследования и определены основные свойства ферросилида: прочность при изгибе, ударная вязкость, твердость и коррозионная стойкость в 30 % растворе кипящей серной кислоты. Регрессионный анализ результатов испытаний позволил при вероятности Р = 95 % установить влияние свинца и селена, иттрия, ванадия и меди на прочность сплава при изгибе , твердость HV, ударную вязкость КС и описать это влияние в виде следующих уравнений:

HV = 3050 — 93 (Pb + Se) — 281 Y — 27 Cu, МПа; (2)

КС = 18 + 41 Y + 50 V + 5 Cu, кДж/м². (3)

Из уравнений (1) — (3) видно, что иттрий, ванадий и медь способствуют увеличению прочности при изгибе и ударной вязкости ферросилида; свинец и селен — снижению твердости и прочности при изгибе, а влияние свинца и селена на ударную вязкость было незначительным.

Все присадки снижали твердость металла, что можно объяснить присутствием равномерно распределенной по границам зерен меди, а также смягчающим действием глобулярного графита и неметаллических включений в виде сложных железомарганцевых оксисульфоселенидов свинца и иттрия.

В результате проведенных исследований определен оптимальный химический состав модифицированного медистого ферросилида марки ЧС15Д4ФЧЕ (см. табл. 1), на который получено авторское свидетельство № 836199. Обрабатываемость ферросилидов резанием оценивали по удельному износу резца из сплава ВК6М1 через 30 мин работы в следующем режиме: скорость резания 10—20 м/мин, подача резца 0,2 мм/об; глубина резания 0,5 и 1 мм. За эталон принимали сплав ЧС15. Износ резца при обработке сплава ЧС15Д4ФЧЕ был в 2,5—3 раза меньше, чем при обработке стандартного ферросилида. Улучшение обрабатываемости резанием обеспечено комплексным воздействием на сплав меди, иттрия, свинца и селена в связи с образованием наряду с мелкодисперсным шаровидным графитом неметаллических включений сложного состава, равномерно распределенных по сечению зерен кремнистого феррита и играющих роль «сухой» смазки при резании.

Испытания в кипящих растворах кислот, щелочей и солей разных концентраций в течение 264 ч показали, что сплав ЧС15Д4ФЧЕ обладает высокой коррозионной стойкостью (табл. 3) и может успешно заменить ряд материалов, в том числе молибденсодержащий (до 3 % молибдена) высококремнистый сплав — антихлор, применяемый в настоящее время для изготовления деталей, работающих в растворах кипящей соляной кислоты.

Скорость коррозии модифицированного медистого ферросилида при длительном (1200 ч) испытании в условиях ламинарного потока 30%-ного раствора серной кислоты была в 1,5—3 раза ниже, чем скорость коррозии стандартного сплава ЧС15. При этом влияние исследованных легирующих элементов и модификаторов на скорость коррозии описывалось следующим уравнением:

П = 0,69 + 0,45 (РЬ + Se) — 0,38Y — 0,7V — 0,03Cu, мм/год. (4)

На предприятиях отрасли некоторые установки гидротранспорта эксплуатируются в режиме кавитационного воздействия перекачиваемых агрессивных сред, поэтому представляло практический интерес дать сравнительную оценку стойкости используемых и новых материалов в этих условиях.

Скоростные кавитационно-коррозионные испытания проводили в 12%-ном растворе серной кислоты на установке, разработанной и изготовленной трестом «Укрцветметремонт». В качестве эталона использовали высокопрочный чугун ВЧ50-2.

Условия испытаний образцов сплавов: скорость вращения 7 м/с; время испытания 1 ч; температура рабочего раствора 70—80°С (табл. 4).

Кавитационно-коррозионная стойкость у модифицированного медистого ферросилида более чем в 10 раз выше, чем у ЧС15.

Так как рабочие растворы основных производств содержат значительные количества абразива, при испытаниях в потоке жидкости (частота вращения образцов 7 м/с, время испытания 3 ч), кроме раствора серной кислоты применяли также раствор серной кислоты с добавкой 10 % кварцита и рабочие среды сернокислотных цехов ПО «Никель», Усть-Каменогорского свинцово-цинкового и Лениногорского полиметаллического комбинатов, содержащие различные количества кварцита (рисунок). Установлено, что в этих условиях скорость коррозии сплава ЧС15Д4ФЧЕ значительно ниже скорости коррозии сплавов ЭИ943 и ЧС15.

Проведены также испытания сплавов в рабочих растворах шламового участка кобальтового отделения цеха электролиза никеля (ЦЭН-1) и цеха электролиза никеля (ЦЭН-2) ПО «Никель».

Рабочий раствор цеха электролиза никеля содержал сульфаты никеля, меди, железа (до 700 г/л), до 30 г/л соляной кислоты, до 6 г/л борного ангидрида и 200 г/л серной кислоты; температура раствора 75—80 ^оС; примесь твердой составляющей в виде никелевого концентрата или кварцевого песка 1200 г/л. Испытания образцов исследуемых сплавов в средах шламового участка проводили в стаканах-сульфатизаторах при температуре 350 ^оС (табл. 5).

И в этих весьма жестких условиях коррозионная стойкость разработанного сплава оказалась самой высокой. Результаты исследований показали, что уровень механических свойств и скорость коррозии находятся в прямой зависимости от состояния металлической матрицы, морфологии и типографии включений графита в сплавах. Так, определенный по шкале № 1 (ГОСТ 5639-82) балл зерна феррита стандартного сплава ЧС15 был равен 3, а сплава ЧС15Д4ФЧЕ — 7 при средних размерах соответственно 0,125 и 0,031 мм. Необходимо отметить, что модифицированный медистый фер-росилид отличался от стандартного округлым дезориентированным зерном феррита с тонкими, очищенными от включений графита границами. Для модифицированного медистого ферросилида характерны более равномерное распределение по сечению отливки, а также существенно измельчение и глобуляризация графита. Подавляющее большинство его частиц покрыто медной оболочкой.

Длительные коррозионные испытания в различных кислотах и кислых рабочих средах основных производств цветной металлургии показали значительное превосходство нового материала над коррозиестойкими сплавами ЧС15, ЭИ943 и ВТ-1-1, отливки из которых используют предприятия отрасли в насосном и другом оборудовании.

Промышленные испытания натурных деталей (колеса насосов, чехлы термопар сульфа-тизаторов) в условиях основных цехов ПО «Никель» показали:
стойкость колес насоса Х45/31-Л-С, выполненных из сплава ЧС15Д4ФЧЕ, при перекачивании 30—40 % раствора серной кислоты с примесями сульфатов никеля, меди, железа, цинка (всего до 4 г/л), ионов хлора и фтора (до 40 г/л) с температурой 50—70 ^оС и частоте вращения потока на периферии колеса около 28 м/с составила 1650 ч; стойкость колеса из сплава ЧС15 в этих же условиях не превышала 500 ч;

износ чехлов термопар и мешалок соответственно после 1440 и 480 ч в сульфатизаторах шламового участка при температуре шлама 330 ^оС, продувке его сернистым газом и частоте вращения периферийных участков лопастей мешалок около 4,2 м/с составил 1 мм; толщина стенок чехлов и мешалок соответственно 22 и 30 мм.

Таким образом, результаты промышленных испытаний подтвердили данные лабораторных исследований, что позволило рекомендовать новый сплав в качестве эффективного заменителя дорогостоящих хромоникельмолибденовых и титановых сплавов.

Выводы

1. Разработан медистый модифицированный ферросилид ЧС15Д4ФЧЕ, имеющий более высокие, чем стандартные сплавы, физико-механические свойства.
2. Новый сплав обладает рядом технических преимуществ перед ЧС15: лучшей трещино-устойчивостью и обрабатываемостью резанием, меньшей склонностью к образованию газовых раковин и ликвации элементов.
3. По коррозионной стойкости в ряде агрессивных жидкостей и рабочих сред предприятий цветной металлургии сплав ЧС15Д4ФЧЕ в 2—10 раз превосходит применяемые в настоящее время чугуны, высоколегированные стали, сплавы титана. 4, С целью удовлетворения нужд цветной металлургии в отливках из эффективных высококремнистых сплавов необходимо организовать их выпуск на одном из предприятий отрасли.