WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

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 6). 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 6, 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 6 – Сравнение распределения количества фуллеренов (а) и микротвердости (б) по зонам сварного соединения из стали 20, выполненного двухсторонней сваркой -х шт Количество фуллеренов в г, Микротвердость, Н / мм 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 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 6).

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 [45].

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 7). 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 7 – 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 (рисунок 8). ИК-спектральный анализ всех исследуемых проб показал наличие фуллеренов С60 в разных количествах. Распределение фуллеренов по толщине образцов приведено на рисунке 8, 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 8 – 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 7, а). Характер распределения количества фуллеренов по сечению образцов исследованных сталей аналогичен, однако наблюдается тенденция их пропорционального уменьшения при увеличении процентного содержания углерода в стали.

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 8, 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 7, 8): 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.

Таким образом, теоретически обосновано и экспериментально идентифицировано образование молекулярной формы углерода - фуллеренов в углеродистых сплавах на основе железа. Для ряда распространенных в нефтегазовой отрасли материалов (углеродистых качественных и инструментальных сталей; серых и высокопрочных чугунов) проведена количественная оценка содержания фуллеренов в структуре. Разработана экспериментальная методика выделения фуллеренов из сталей и чугунов, основанная на электролитическом растворении матрицы с последующей экстракцией фуллеренов растворителем и позволяющая определять их количество в металле.

Обобщая 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.

Список литературы 1. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

2. Губенко С.И. К вопросу о синтезе алмаза// МиТОМ, 1994.- N3.- С. 37.

3. Жуков А.А., Снежной Р.Л., Давыдов С.В. Об образовании компактного графита в чугуне// МиТОМ, 1981.- № 9.- C. 21.

4. Кимстач Г.М., Уртаев А.А., Молодцова Т.Д. Об образовании карбина в Fe-C сплавах// МиТОМ, 1988.- № 4.- С. 9-12.

5. Кимстач Г.М., Уртаев А.А., Молодцова Т.Д. О существовании карбина в структуре аустенитного чугуна// МиТОМ, 1991.- № 2- С. 17-18.

6. Жуков А.А. О формах существования углерода в чугунах// МиТОМ, 1992.- № 11.- С. 34.

7. Zhukov A.A., Snezhnoy R.L., Girshovitch N.G. Soviet research work on the liquid state on cast iron.- AFS International Cast Metals Journal. 1976. Vol. N1. P.

11-16.

8. Zhukov A.A., Ramachandra Rao P. New findings in carbon chemistry and their relation to cast iron.- Indian Foundry Journal. 1994. N6. P. 13-18.

9. Гветадзе Р.Г., Хидашели Н.З., Черный В.Г., Гогесашвили Г.Н., Свистунова З.В. Особенности формирования структуры высокопрочных деформируемых чугунов// Литейное производство, 1990.- №3.- С. 708.

10. Lipson H., Petch N.J. The crystal structure of cementite Fe2C// J. Iron and Steel Inst.- Vol. 142, No.1.- Pp. 95 – 106.

11. Гаврилюк В.Г. Распределение углерода в стали.- Киев: Наукова думка, 1987.- С. 7 – 192.

12. Рахманов Н.Я., Сиренко А.Ф., Баларев С.А. Тепловое расширение цементита заэвтектоидного железоуглеродистого сплава// МиТОМ.- №1, 1997.- С.6 – 11.

13. Станцо В.В., Черненко М.Б. Водород-хром. – М.: Наука, 1971. – 360 с.

14. Eaton P.E., Cole T.W.// J. Am. Chem. Soc., 1964.- V. 86, P. 3158.

15. Опенов Л.А., Елесин В.Ф.// Письма в ЖЭТФ, 1998.- N68.- С. 695.

16. Ионов С.П., Любимов В.С., Порай-Кошиц М.А// Изв. АН СССР. Сер.

Хим., 1969.- N12.- С. 2692.

17. Babic D., Bolaban A.T., Klein D.J. Nomenclature and Coding of Fullerenes// J. Chem. Inf. Comput. Sci., 1995.- Vol. 35.- Pp. 515-526.

18. Елецкий А.В., Смирнов В.М. Фуллерены// УФН, 1993.- № 2.- С. 33-58.

19. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структура углерода// УФН, 1995.- № 9.- С. 976-1009.

20. Краткая химическая энциклопедия. Под ред. Кнунянц И.Л. и др.- Т.5.– М.: Советская энциклопедия, 1963.– 1184 с.

21. Шоршоров М.Х., Манохин А.И. Теория неравновесной кристаллизации плоского слитка.- М.: Наука, 1992.- 112 с.

22. Campbell E.D.// Am. Chem. J, 1896.- V. 18.- P. 836.

23. Гуляев Г.П. О диаграмме железо-углерод// МиТОМ, 1990.- №7.- С. 21.

24. Драпкин Б.М., Фокин Б.В. О модуле Юнга цементита// ФММ, 1980.- Т. 49.- №3.- С. 649-651.

25. Жуков А.А. О диаграмме состояния сплавов системы Fe-C// МиТОМ, 1988.- №4.- С. 2-9.

26. Залкин В.М. Некоторые дискуссионные вопросы кинетики превращения перлита в аустенит при нагреве стали// МиТОМ, 1986.- №2.- С. 14-19.

27. Левицкий В.В., Дозморов С.В. Кластерный механизм образования центров кристаллизации графита в расплаве чугуна// Литейное производство, 1988.- №9.- С. 6-7.

28. Белоус М.В., Новожилов В.Б, Шейко Ю.В. Распределение углерода по состояниям в отпущенной стали// ФММ, 1995.- Т. 79.- № 4.- С. 128.

29. Жуков А.А., Ильинский В.А., Шигуц Ю.Ю., Костылева Л.В. Взаимодействие и массоперенос в жидком чугуне // Литейное производство, 1986.- №2.- С. 7-9.

30. Билецкий А.К, Шумихин В.С. Механизм формирования в чугуне компактных графитных включений// Литейное производство, 1992.- №1.- С. 3-5.

31. Байков А.А. Собрание трудов: Т.II.- М.: Изд-во АН СССР, 1948.- С.

70-97.

32. Астахова Т.Ю., Виноградов Г.А., Шагинян Ш.А., Моделирование образования фуллеренов методом молекулярной динамики// ЖФХ, 1997.- Т. 71.- № 2.- С. 310-312.

33. Тиличев М.Д. Химия крекинга. М. – Л.: Госоптехиздат. 1941.– 268 с.

34. Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Худяков М.А. Результаты исследования змеевиков печей пиролиза/ Материалы 51 Межвузовской студенческой научной конференции.- Москва: ГАНГ, 1997.- С. 6.

35. Закирничная М.М., Чиркова А.Г., Мингазов К.Р., Хуснияров М.Х., Диффузионное насыщение углеродом поверхности труб печей пиролиза/ Материалы 51 Межвузовской студенческой научной конференции.- Москва: ГАНГ, 1997.- С. 31.

36. Смидович Е.В. Технология переработки нефти и газа.- М.: Химия, 1968. 246 с.

37. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф.// Известия РАН, серия «Металлы», 1993.- №4.- С. 164-178.

38. Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф.// Материаловедение, 1998.- №2.- С. 19-24.

39. Иванова В.С., Встовский Г.В., Колмаков А.Г., Пименов В.Н. Фрактальная параметризация структур в радиационном материаловедении. Учебнометодическое пособие. – М.: Интерконтакт Наука, 1993.- 50 с.

40. Закирничная М.М., Кузеев И.Р. Определение формы свободного углерода в углеродистых сплавах// Материалы XXXXVII-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.-Уфа: УГНТУ, 1996.- C.

166.

41. Закирничная М.М. Методика разделения углерода, связанного в карбидах, твердом растворе и графита// Материалы XXXXVII-й научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.-Уфа: УГНТУ, 1996.- C. 166.

42. Закирничная М.М. Фуллеренная модель структуры железоуглеродистых сплавов. Препринт. Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996.- 35 с.

43. Лашко Н.Ф., Заславская Л.В., Козлова М.Н., Морозова Г.И., Сорокина К.П., Яковлева Е.Ф. Физико-химический фазовый анализ сталей и сплавов -2-е изд.- М.: Металлургия, 1978.- 336 с.

44. Закирничная М.М. Методика идентификации фуллеренов, выделенных из железо-углеродистых сплавов// «Заводская лаборатория».- М., 2001.- №8.- С. 22-28.

45. Колесниченко А.Г. Образование компактного графита в кокильных отливкахиз серого чугуна при их термоциклировании// Литейное производство, 1988.- №4.- С. 5-6.

Pages:     | 1 | 2 ||



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.