WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Таблица 4 - Псевдомультифрактальные характеристики чугунов Разность значений Образец 100 F100 параметров состояния 1 и Марка чугуна Состояние f 1 -0,691 6,СЧ15 0,585 3,2 -0,106 3,1 -0,344 3,СЧ18 0,280 1,2 -0,624 4,1 -0,287 3,СЧ25 0,152 1,2 -0,135 2,1 -0,150 2,ВЧ60 0,024 0,2 -0,126 2,В четвертой главе описываются исследования образования фуллеренов в углеродистых сталях при повторных термических воздействиях.

Были получены образцы углеродистых качественных сталей марок 08, 10, 20, 35, 40, 55 и инструментальных сталей У7, У8, У10 и У12 путем переплавки армко-железа с добавлением графита, марганца, кремния и селикокальция. Плавка проводилась в литейном цехе ОАО УМПО. Размер отливок 1205050 мм. Для изучения влияния термической обработки на изменение количества фуллеренов часть образцов каждой из исследуемых сталей подвергалась отжигу при температуре 850 0С с выдержкой в печи в течение 2 часов.

Результаты определения количества фуллеренов в сталях приведены на рисунке 10. Видно, что в доэвтектоидных сталях количество фуллеренов незначительно уменьшается при увеличении содержания углерода и достигает минимума в области эвтектоида. Микроструктурный анализ показал, что стали имеют фазовый состав, соответствующий классической диаграмме Fe–C: в доэвтектоидных сталях феррито-перлитная структура с постепенным уменьшением содержания феррита в перлитных колониях, структура заэвтектоидных сталей У10 и У12 состоит из перлита и избыточного цементита. При этом происходит уменьшение количества феррита с увеличением количества цементита. Это подтверждается результатами измерения твердости.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,Содержание фуллеренов, % Рисунок 10 – Зависимость количества фуллеренов от содержания углерода в углеродистых сталях после первичной кристаллизации (1) и отжига (2) После проведения отжига количество перлита в отожженных сталях меньше, чем после первичной кристаллизации (см. рисунок 10). Зависимость количества фуллеренов от процентного содержания углерода в сплаве носит нелинейный характер, однако, количество фуллеренов увеличилось по сравнению с первичной кристаллизацией. Это можно объяснить тем, что при нагреве выше критических температур АС3 происходит распад феррито-цементитной структуры с образованием аустенита. Все фуллерены, находящиеся в феррите, переходят в аустенит. Распад цементита сопровождается выделением свободного углерода, из которого мо-Количество фуллеренов, *, шт / гр жет образовываться дополнительное количество фуллеренов. Вследствие этого количество цементита в отожженных сталях меньше, чем в исходной структуре, а количество фуллеренов – больше.

Полученные результаты подтверждаются данными МФП, результаты которой приведены в таблице 5. Ее анализ показал, что изменение параметров структуры, произошедшее в результате отжига, сопровождается увеличением количества фуллеренов. Например, большее изменение параметра 100, а значит и большее изменение структуры, произошло у стали У10, что соответствует наибольшему изменению количества фуллеренов. Таким образом, МФП структур сталей также подтвердила корреляцию количества феррита и фуллеренов, полученную для чугунов, и вывод о том, что фуллерены участвуют в процессе структурных и фазовых превращений.

Таблица 5 – Сравнение результатов МФП и изменения количества фуллеренов до (1) и после отжига (2) Влияние отжига на Изменение количестМарка F100 изменение параметров ва фуллеренов, стали *10-14, шт./г 1 0,042 2,08 0,011 0,009 5,2 0,031 2,1 0,051 2,10 0,016 0,187 12,2 0,035 2,1 0,050 2,20 0,028 0,177 18,2 0,022 2,1 0,085 2,35 0,062 0,869 22,2 0,023 3,1 0,144 2,40 0,041 0,597 26,2 0,185 2,1 0,023 2,55 0,038 0,321 26,2 0,061 2,1 0,184 2,У7 0,018 0,086 9,2 0,202 2,1 0,142 2,У8 0,059 0,433 39,2 0,201 2,У10 1 0,166 3,653 0,100 0,092 73,Изменение количества фуллеренов в процессе графитизации изучалось на образцах высокопрочного чугуна ВЧ60. Образцы чугуна помещались в солевой раствор (20% KCl+60% NaCl) для предотвращения выгорания углерода и выдерживались в печи в течение 12, 24 и 36 часов при температуре 850 0С. Оказалось, что в образцах после графитизации количество фуллеренов увеличилось по сравнению с первичной кристаллизацией. Было получено, что увеличение времени выдержки в печи до 36 часов привело к увеличению количества фуллеренов примерно в 7 раз. Этот результат также подтверждает вывод о том, что фуллерены участвуют в структурных и фазовых превращениях.

Одновременное влияние первичной кристаллизации и термической обработки на образование фуллеренов рассматривалось на примере сварного соединения.

Электродуговая сварка, применяемая в данной работе, является металлургическим процессом, при котором ванна расплавленного металла в процессе первичной кристаллизации образует сварной шов, а в зоне основного металла при термическом воздействии происходят структурные и фазовые превращения.

Для получения сварных соединений были использованы листовые горячекатанные качественные углеродистые стали марок 20, 25, а также углеродистая сталь обыкновенного качества марки ВСт3сп. Сварка выполнялась сварочным трактором АДФ-1002. Использовался флюс марки АН348А и сварочная проволока Св08А диаметром 3 мм. Встык сваривали пластины размером 600150 мм, толщиной 6 и 10 мм.

Распределение микротвердости, характерное для механически неоднородных зон сварных соединений, показано на примере сварного соединения из стали 20 (рисунок 11). По сравнению с основным металлом металл сварного шва имеет более высокую твердость, а в зоне термического влияния (ЗТВ) - меньшую.

Зоны сварных соединений, шов, ЗТВ и основной металл отличаются микроструктурой. Основной металл имеет зернистую феррито-перлитную структуру.

При двухсторонней сварке второй шов имеет дендритную структуру, образовавшуюся в процессе первичной кристаллизации сварочной ванны, а первый - мелкозернистую структуру перекристаллизованного металла за счет нагрева вторым швом. В зоне перегрева вблизи линии сплавления шва с основным металлом структура Видманштетта.

В соответствие с распределением микротвердости по зонам сварного соединения была снята стружка для приготовления проб. Используя методику идентификации и выделения фуллеренов С60 из железо-углеродистых сплавов, были получены распределения количества фуллеренов по зонам сварных соединений. Для стали 20 оно приведено на рисунке 11, а. Видно, что оно носит гетерогенный характер. Максимальное их количество наблюдается в шве, минимальное – в области ЗТВ.

0 5 10 15 Расстояние от оси шва, мм а 0 2 4 6 8 10 12 14 Расстояние от оси шва, мм б Рисунок 11 – Сравнение распределения количества фуллеренов (а) и микротвердости (б) по зонам сварного соединения из стали 20, выполненного двухсторонней сваркой Повышение содержания фуллеренов в шве по сравнению с основным металлом можно объяснить двумя последовательно проходящими процессами: 1) рост концентрации углерода в жидкой фазе на границе фронта кристаллизации; 2) фазовые превращения при охлаждении металла шва. Таким образом, в структуре -х шт Количество фуллеренов в г, Микротвердость, Н / мм сварного шва присутствуют фуллерены, образовавшиеся в процессе первичной и вторичной кристаллизации.

Минимальное количество фуллеренов в области ЗТВ объясняется наименьшим содержанием в ней феррита (51,4%) по сравнению со сварным швом (75,6%) и основным металлом (66,8%).

Повторный нагрев первого шва вторым при двухсторонней сварке практически не вызывает изменения количества фуллеренов.

При сравнении распределений количества фуллеренов и микротвердости прослеживается корреляция: при увеличении количества фуллеренов микротвердость увеличивается (см. рисунок 11).

В пятой главе проведено изучение образования фуллеренов при диффузионном внедрении углерода в стали при цементации и в процессе переработки углеводородного сырья.

В первой главе было показано, что сочетание высоких температур, давления и активной диффузии углерода, характерное для переработки углеводородного сырья, должно способствовать образованию наряду с другими, и молекулярной формы углерода – фуллеренов. Для проверки данного предположения исследовались образцы, вырезанные из трубы змеевика печи пиролиза, свойства которых описаны выше. Поиск фуллеренов проводился как в основном металле, так и в науглероженном слое. Было получено, что количество фуллеренов в науглероженном слое примерно в 5,5 раз больше, чем в основном металле. Можно предположить, что они образуются в микропорах, захватывающих углерод. На возможность этого указывает факт накопления атомарного углерода в порах, возникающих при термоциклировании отливок из серых чугунов [Колесниченко А.Г.].

Более подробно процесс насыщения поверхности стали углеродом был рассмотрен на примере цементации - управляемого процесса диффузии. Исследовались образцы из углеродистых качественных сталей 08, 10 и 20, методика получения которых приведена в четвертой главе. Перед процессом цементации была проведена чистовая обработка их поверхности. При проведении газовой цементации применялся карбюризатор «синтин», представляющий собой многокомпонентную систему, состоящую из N2-CO2-CO-H2-H2O-CH4. Процесс проходил при температуре 925 0С, образцы выдерживали в печи 8, 10 и 14 часов для получения науглероженного слоя разной толщины и охлаждали на воздухе. Часть образцов подвергалась закалке с температуры 860 С в индустриальном веретенном масле И20А.

Дальнейший отпуск проводился в печи при температуре 160 0С с выдержкой в течение трех часов и охлаждением на воздухе. Дополнительно по одному образцу каждой марки стали выдерживали в печи в течение 10 часов при температуре С без насыщения углеродом.

Стружка для приготовления проб снималась в соответствие с распределением микротвердости по сечению образцов (рисунок 12). Анализ ее значений показал, что глубина науглероженного слоя составляет для образцов с выдержкой 8 часов – 0,4 мм, 10 часов – 1 мм и 14 часов – 1,3 мм.

10 часов 14 часов 8 часов 00,511,522,Расстояние от края образца, мм а 14 часов 10 часов 8 часов 00,511,522,Расстояние от края образца, мм б Рисунок 12 – Сравнение количества фуллеренов (а) и микротвердости (б) по толщине образцов после цементации -образца, xшт Количество фуллеренов в г Микротвердость, Н / мм После проведения термообработки микротвердость образцов значительно повысилась (см. рисунок 13).ИК-спектральный анализ всех исследуемых проб показал наличие фуллеренов С60 в разных количествах. Распределение фуллеренов по толщине образцов приведено на рисунке 13, а.

14 часов 10 часов 8 часов 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Расстояние от края образца, мм а 14 часов 10 часов 8 часов 00,511,522,Расстояние от края образца, мм б Рисунок 13 – Сравнение количества фуллеренов (а) и микротвердости (в) по толщине образцов после цементации и цементации и ТО Количество фуллеренов значительно увеличилось после отжига при температуре 925 0С в течение 10 часов (90,51014 шт) по сравнению с образцами после первичной кристаллизации (34,41014 шт). Это подтверждает результаты, полученные при исследовании процесса графитизации чугуна ВЧ60.

Анализ распределений количества фуллеренов С60 по сечению образцов по-образца, х шт Количество фуллеренов в г Микротвердость, Н / мм сле цементации показал, что в науглероженной зоне количество фуллеренов значительно больше, чем в основном металле. Например, после 14 часов цементации в образцах стали 20 произошло их увеличение примерно в 4 раза (см. рисунок 12, а). Характер распределения количества фуллеренов по сечению образцов исследованных сталей аналогичен, однако наблюдается тенденция их пропорционального уменьшения при увеличении процентного содержания углерода в стали. Это согласуется с данными, полученными в четвертой главе.

Экстремальный характер полученных зависимостей объясняется оптимальной с точки зрения образования фуллеренов поровой структуры в зоне на расстоянии 0,3-0,4 мм от края образца.

Увеличение времени цементации приводит к увеличению количества образующихся фуллеренов. При этом интервал между максимальными значениями уменьшается. Это говорит о том, что дальнейшее увеличение длительности процесса не повлечет существенных изменений в количестве фуллеренов.

Эксперименты показали, что дополнительная термообработка привела к увеличению количества фуллеренов во всех зонах (см. рисунок 13, а). Резкое увеличение количества фуллеренов в науглероженной зоне по сравнению с основным металлом (примерно в семь раз) автор связывает с наличием большого количества в ней свободного углерода.

Для всех образцов после цементации также была выявлена корреляция между распределениями количества фуллеренов и микротвердости по сечению (см.

рисунки 12, 13): при увеличении количества фуллеренов микротвердость увеличивается, что указывает на возможность влияния фуллеренов на механические свойства сплавов из-за участия их в создании структур адаптации на субзеренном уровне.

В шестой главе обобщаются результаты всех проведенных исследований, которые позволили выделить три возможных механизма появления фуллеренов в структуре углеродистых сталей и чугунов: первый – переход их из фуллеренсодержащей шихты во время металлургических процессов получения сплавов, второй – образование их в процессе первичной кристаллизации, третий – в ходе структурных и фазовых превращений, протекающих в результате термических воздействий. Рассмотрим их более подробно.

Первая возможность образования фуллеренов в сплавах представлена на рисунке 14.

Рисунок 13 - Схема появления фуллеренов во время последовательных стадий производства железо-углеродистых сплавов (приведено количество углерода, идущего на построение фуллеренов, относительно его общего содержания, % вес.) Известно, что в каменном угле углерод формируется в виде графита и фуллеренов. Это было определено при исследовании углерода шунгитовых пород [Зайденберг М.В. и др.]. Этот факт позволил нам предположить переход фуллеренов из каменного угля при получении кокса, из которого, в свою очередь, они могут переходить во время доменного процесса в структуру литейных и передельных чугунов. При этом часть фуллеренов разрушается окисляясь, а часть их уносится колошниковыми газами и задерживается системой пылеуловителей. Этим объясняется уменьшение количества фуллеренов в структуре литейных и передельных чугунов по сравнению с их содержанием в коксе (202,2*10-14 шт).

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»