WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

а б в Рис. 2. Микроструктуры диффузионных слоев на сталях 09Г2С (а), 15Х5М (б) и 10Х23Н18 (в), Диффузионный слой на стали 09Г2С состоит из зерен кремнистого феррита (что подтверждается результатами микрорентгеноструктурного анализа) и имеет столбчатое строение: границы ферритного зерна, как правило, перпендикулярны поверхности металла и поверхности раздела феррит-аустенит. Большинство ферритных зерен диффузионного слоя отличается значительными размерами (до 75 мкм). Углерод, оттесняемый перемещающимся фронтом кремнистого феррита в подслой, образует углеродную прослойку, хорошо заметную при травлении структуры в растворе пикриновой кислоты. Силицированный слой на стали 15Х5М также состоит из столбчатых зерен кремнистого феррита; прослойка углерода в ее случае выражена более четко.

Совершенно иначе протекает диффузия кремния в сталь 10Х23Н18. Более низкая температура процесса силицирования и высокое содержание легирующих элементов в стали, по-видимому, приводят к образованию поверхностного слоя состоящего из двух фаз: тонкого слоя кремнистого феррита и обогащенного кремнием аустенита, четко обнаруживаемого при металлографическом травлении в реактиве Марбле. Известно, что подобные покрытия обладают более прочной связью с подложкой и оказывают меньшее влияние на механические свойства сталей по сравнению со слоями, имеющими выраженную концентрационную границу с сердцевиной.

Результаты микрорентгеноспектрального анализа на содержание кремния представлены на рис. 3. Наблюдается корреляция между расположением прослойки углерода на сталях 09Г2С и 15Х5М и снижением содержания кремния в этом месте. Кроме того, анализ распределения хрома по глубине силицированного слоя на стали 15Х5М (пунктирная линия на рис. 3) показал наличие максимума его содержания в области существования углеродной прослойки, что свидетельствует о повышенном содержании карбидов хрома в этом месте.

В табл. 2 приведены результаты исследования распределения легирующих элементов по толщине силицированных образцов. Из таблицы видно, что перераспределения легирующих элементов в покрытии на стали 10Х23Н18 и молибдена в покрытии на стали 15Х5М не наблюдается.

Таблица Содержание легирующих элементов по толщине силицированного образца Марка Леги- Исходная Концентрация легирующего элемента на стали рующий концентрация расстоянии от поверхности (мкм), атомн. % элемент легирующего элемента, 1 10 20 30 40 50 60 атомн. % 09Г2С Mn 1,83 1,12 1,06 1,09 1,09 1,41 1,64 1,72 1,15Х5М Mo 0,47 0,39 0,42 0,38 0,43 0,45 0,46 0,36 0,Cr 23,61 23,45 24,2123,32 24,85 23,89 21,75 25,85 23,10Х23Н Ni 16,35 16,28 16,29 16,48 16,58 16,45 16,89 15,58 16,Сталь 15Х5М Хром на стали 15Х5М Сталь 09Г2С 0 10 20 30 40 50 60 70 Расстояние от поверхности, мкм Рис. 3. Распределение кремния по толщине силицированного образца Концентрация элемента, атомн. % Изменение концентрации марганца с глубиной слоя на стали 09Г2С, повидимому, вызвано возникновением -твердого раствора, который растворяет меньше марганца, чем аустенит.

На рис. 4 приведены результаты замера микротвердости по толщине силицированных образцов. Диффузия кремния вглубь металла приводит к увеличению микротвердости поверхности. При этом, несмотря на близкое содержание кремния в покрытии, средняя микротвердость силицированного слоя на стали 15Х5М значительно ниже, чем микротвердость диффузионного слоя на стали 09Г2С. Это, вероятно, является следствием особой термической обработки – отпуска, которому подвергалась сталь 15Х5М после силицирования.

Для выбранных режимов были получены зависимости толщины диффузионного слоя от продолжительности силицирования (рис. 5). Для всех исследованных сталей толщина диффузионного слоя увеличивается с продолжительностью процесса по параболическому закону. Несмотря на то, что состав смеси и режим силицирования стали 15Х5М подобны стали 09Г2С, глубина диффузионного слоя хромомолибденовой стали увеличивается гораздо быстрее. Это, видимо, связано со значительным влиянием хрома и молибдена на кинетику процесса насыщения.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что предложенные методы силицирования позволяют получить однородный по толщине диффузионный слой на исследуемых сталях с достаточно высоким содержанием кремния на поверхности.

Во второй части главы приводятся результаты исследования адгезионных и усталостных свойств образцов с покрытием.

Влияние силицирования на адгезионное взаимодействие нефтяного углерода с поверхностью металла показано на рис. 6. Из рисунка видно, что снижение адгезионной прочности наблюдается для всех исследованных сталей, причем отношение адгезии углерода к необработанному и к силицированному образцу составляет около двух и одинаково для всех сталей. При этом в исследованном интервале продолжительности силицирования адгезионная прочность не зависит от времени насыщения, а, следовательно, и от глубины диффузионного слоя.

Сталь 09Г2С Сталь10Х23НСталь15Х5М 0 25 50 75 100 125 Расстояние от поверхности, мкм Рис. 4. Распределение микротвердости по толщине силицированного образца Сталь 09Г2С Сталь 15Х5М Сталь 10Х23НПродолжительность силицирования, ч Рис. 5. Зависимость толщины силицированного слоя от продолжительности силицирования Микротвердость, МПа Толщина силицированного слоя, мкм Эффективность применения силицидного покрытия не уступает нанесению кварцевой пленки на поверхность стали. Исследования, проведенные Кузеевым И.Р., Ибрагимовым И.Г. и Хайрудиновым И.Р., показали, что кварцевое покрытие также примерно в два раза уменьшает адгезию кокса к поверхности металла. Однако метод плазменного напыления менее технологичен для обработки внутренней поверхности труб, чем силицирование.

Защитное действие кремния при легировании стали вызвано образованием на поверхности кремниевого окисла, обладающего высоким сопротивлением коррозии. Установленная независимость значения адгезионной прочности от толщины силицированного слоя указывает, что главной причиной снижения адгезии углерода к поверхности стали, по-видимому, является наличие тонкой пленки кремниевого окисла на поверхности.

0,Сталь 09Г2С 0,Сталь 10Х23Н0,Сталь 15Х5М 0,0, 0,0,0,00,511,522,Продолжительность силицирования, ч Рис. 6. Зависимость адгезии нефтяного пека от продолжительности силицирования Слой окислов, содержащий исключительно большое количество кремнекислоты (более 50%), наблюдается в железокремнистых сталях при содержании Адгезионная прочность, МПа более 4% кремния, тогда как содержание кремния в высоколегированных печных сталях ограничено 2,5%. Силицирование же позволяет получать на поверхности стали слои с высокой концентрацией кремния, не изменяя при этом пластичность всего материала.

Толщина силицидного диффузионного слоя не оказывает влияния на способность стали противостоять коксообразованию, поэтому толщина покрытия должна выбираться в соответствии с эксплуатационными требованиями к конкретной конструкции, например, в зависимости от влияния покрытия на механические свойства стали.

Силицирование по-разному влияет на малоцикловую усталостную прочность различных сталей (рис. 7). Из графиков видно, что в исследованной области напряжений разрушение силицированных образцов из стали 09Г2С происходит быстрее, чем термообработанных. Меньшее влияние силицирование оказывает на сталь 15Х5М, несмотря на большую глубину слоя, и совсем незначительно изменяет усталостную прочность стали 10Х23Н18 (усталостная кривая силицированных образцов из стали 10Х23Н18 попадает в интервал погрешности термообработанных).

Лучшие усталостные свойства стали 15Х5М по сравнению со сталью 09Г2С, очевидно, обусловлены большей пластичностью силицированного слоя, на что могут указывать испытания диффузионных слоев на микротвердость. По сравнению со сталями 09Г2С и 15Х5М аустенитная хромоникелевая сталь 10Х23Н18 обладает наилучшими усталостными характеристиками. Это, видимо, является следствием меньшего содержания в ней кремния, так как кремний, как правило, приводит к охрупчиванию стали.

На рис. 8 приведены фрактограммы усталостных изломов. Силицирование приводит к изменению поверхности разрушения. В изломах стали 09Г2С и 10Х23Н18 на месте диффузионного слоя появляется хрупкая составляющая – фасетки скола. В изломе силицированного слоя на стали 15Х5М преобладает межзеренный механизм разрушения, что может быть обусловлено повышенной сегрегацией карбидов вдоль плоских границ раздела зерен.

Образцы термообработанные Образцы силицированные (~43 мкм) 1000 Число циклов N а Образцы термообработанные Образцы силицированные (~51 мкм) 1000 Число циклов N б Образцы термообработанные Образцы силицированные (~41 мкм) 1000 Число циклов N в Рис. 7. Влияние силицирования на малоцикловую усталостную прочность стали 09Г2С (а), 15Х5М (б) и 10Х23Н18 (в) Амплитуда напряжения, МПа Амплитуда напряжения, МПа Амплитуда напряжения, МПа Границы зерен Фасетки скола край Сталь 09Г2С, 300 Сталь 15Х5М, 300 Сталь 10Х23Н18, Сталь 09Г2С, 1500 Сталь 15Х5М, 3000 Сталь 10Х23Н18, Рис. 8. Фрактограммы изломов силицированных образцов в месте образования трещины Силицирование не изменило механизм зарождения трещины. Анализ фрактограмм показывает, что очаг возникновения разрушения как на силицированных, так и на термообработанных образцах находится на поверхности.

Таким образом, силицирование, как и большинство жаростойких покрытий, ухудшает усталостные характеристики стали, при этом степень влияния силицирования на каждую сталь различна. Поскольку сталь 09Г2С выполняла роль модельной низколегированной стали, изменение механических характеристик легированных сталей после силицирования не столь значительно, как предполагалось, и их применение в некоторых случаях может быть вполне оправдано. Кроме того, результаты усталостных испытаний получены на образцах достаточно небольшого диаметра (2 мм), поэтому применение силицидных покрытий не должно оказывать существенного влияния на механические свойства металла относительно толстой стенки печных труб.

В четвертой главе даны рекомендации по применению силицирования для защиты внутренних поверхностей печных труб, рассмотрены этапы технологического процесса нанесения покрытия в единичном и массовом производстве, предложена и апробирована конструкция муфеля для проведения процесса насыщения.

В первой части главы на основании проведенных исследований даны рекомендации по толщине силицированных слоев. В связи с тем, что силицирование уменьшает усталостную долговечность стали, рекомендуется либо насыщать только наиболее подверженный коррозии участок змеевика, либо формировать на поверхности относительно тонкие слои глубиной 50-80 мкм.

При появлении дефектов в змеевиках трубчатых печей дефектные места во время ремонтных работ удаляют и вместо них устанавливают катушки из новой трубы. Анализ данных о ремонтах змеевиков трубчатых печей АО «Уфаоргсинтез» показал, что средняя длина отбракованных участков составляет один метр. Такая небольшая длина позволяет легко реализовать силицирование вставных участков из новых труб на производстве.

В единичном производстве силицирование внутренней поверхности труб предложено проводить в следующем порядке:

1) шлифование внутренней поверхности трубной заготовки для удаления окалины, ржавчины и т.д.;

2) обезжиривание внутренней поверхности трубы бензином;

3) упаковка трубы в контейнер и засыпка насыщающей смесью;

4) упакованные контейнеры с трубами либо сразу поместить в камерную печь, либо сначала в замкнутую камеру для исключения окисления внешней поверхности труб и затем в печь; печь должна быть предварительно нагрета до температуры насыщения 1000-1050 0С;

5) выдержка контейнера в печи необходимое количество времени; время выдержки в печи определяется требованием к глубине силицированного слоя, причем началом нагрева нужно считать момент, когда температура в печи достигнет 950 0С;

6) выгрузка контейнера из печи и охлаждение на воздухе;

7) распаковка контейнера и очистка трубы от насыщающей смеси;

8) при необходимости легкая шлифовка внутренней поверхности труб.

Для равномерного распределения толщины силицированного слоя на внутренней поверхности трубы предложена схема расположения трубы относительно муфеля, а также одно из возможных его исполнений (рис. 9). Муфель является полым, поскольку основную роль при насыщении играет его внешняя стенка. Кроме того, пустотелый муфель легко изготовить из труб диаметра меньшего, чем диаметр обрабатываемых труб.

Для проверки работоспособности предложенной схемы при силицировании внутренних поверхностей труб был изготовлен небольшой муфель из нержавеющей стали. Силицированию подвергалась труба из стали 10Х23Н1147 и длиной 50 мм. После силицирования по предложенному режиму в течение 5 ч труба продольно разрезалась и ее внутренняя поверхность исследовалась металлографически. Проведенные исследования показали, что глубина силицированного слоя по длине трубы не изменяется и соответствует требуемому значению 70 мкм.

Рис. 9. Схема упаковки трубы в муфель:

1 – труба; 2 – насыщающая смесь; 3 – муфель; 4 - крышка Во второй части главы даны рекомендации по технологическому оформлению процесса силицирования труб в массовом производстве (рис. 10).

Поскольку силицирование в порошкообразных смесях аналогично процессу алитирования, производство труб с силицидными покрытиями предложено проводить на линиях алитирования труб при замене диффузионных смесей.

Прием, Обезжи- Трав- Декапи- Флюсо- Силици- Контрольные правка и ривание ление рование вание рование операции контроль Рис. 10. – Схема технологического процесса силицирования труб ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Перспективным методом предотвращения коксоотложения на внутренней поверхности трубчатых змеевиков является применение диффузионных силицидных покрытий. Разработан процесс диффузионного насыщения, позволяющий получать равномерные по толщине силицидные покрытия на сталях, применяемых для изготовления трубчатых змеевиков. Исследовано влияние полученного покрытия на адгезионные и механические свойства стали, а также предложен способ его нанесения на внутреннюю поверхность труб.

Pages:     | 1 || 3 |






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