Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ способов повышения физико-механических свойств газотермических покрытий 11
1.1. Характеристика основных способов нанесения покрытий 11
1.2. Технологические основы нанесения металлических покрытий газотермическим способом 14
1.3. Способы повышения физико-механических свойств газотермических покрытий с использованием механической и термической обработки 19
1.4. Условия нанесения газотермических покрытий и их деформирование с основным металлом 24
1.5. Перспективы применения газотермических покрытий в металлургии .30
1.6. Цель и задачи исследования 41
2. Исследование структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя, создаваемого на металлах и сплавах путем напыления, деформирования и термической обработки газотермических покрытий 42
2.1. Методика расчета толщины диффузионного слоя 43
2.2. Исследование пластических свойств покрытий 50
2.2.1. Расчет продолжительности термообработки, необходимой для получения алюминиевого покрытия с высокими пластическими свойствами 50
2.2.2. Исследование пластических свойств цинкового и цинк-алюминиевых композиционных покрытий 63
2.2.3. Зависимость пластических свойств медного покрытия от условий
и режимов деформирования и термообработки 66
2.3. Исследование диффузионных процессов в системе покрытие - основа...69
2.3.1. Изучение структуры и толщины диффузионных слоев в системе
сталь - алюминиевое покрытие 69
2.3.2. Структура и состав диффузионных слоев в системе медь - алюминиевое покрытие 76
2.4. Влияние режимов подготовки поверхности под нанесение покрытия и обработки покрытия на его прочность сцепления с основой 80
2.4.1. Влияние режимов иглофрезерования на шероховатость поверхности и прочность сцепления покрытия с основой 80
2.4.2. Особенности щеточной подготовки поверхности под напыление покрытий 84
2.4.3. Влияние нормального давления на прочность сцепления покрытия и основы 86
2.4.4. Влияние режимов деформирования и термообработки на прочность сцепления покрытия и основы 88
2.5. Зависимость твердости покрытий от режимов деформирования и термической обработки 90
2.6. Зависимость пористости покрытий от режимов деформирования и термической обработки 95
2.7. Выводы по главе 98
3. Повышение эксплуатационных свойств изделий путем напыления и обработки газотермических покрытий 101
3.1. Влияние процесса получения поверхностного слоя с использованием алюминиевого покрытия на его коррозионную стойкость 101
3.2. Исследование жаростойкости заготовок и металлопродукции с газотермическим покрытием НО
3.2.1. Влияние режимов термообработки стали с алюминиевым покрытием на ее жаростойкость 112
3.2.2. Повышение жаростойкости меди путем напыления на нее алюминиевого покрытия 119
3.3. Выбор материалов покрытия и режимов их деформирования и термообработки для повышения износостойкости металлов 121
3.3.1. Применение поверхностного пластического деформирования для повышения износостойкости алюминиевого покрытия 121
3.3.2. Влияние режимов деформирования и термообработки на износостойкость алюминиевого покрытия и железо-алюминиевых смесей.. 124
3.3.3. Исследование износостойкости медно-алюминиевого диффузионного слоя 130
3.3.4. Исследование износостойкости покрытий из сталей и медно-никелевого сплава 132
3.4. Способы формирования терморегулирующих свойств покрытий 138
3.4.1. Способы управления теплозащитными свойствами алюминиевого покрытия 140
3.4.2. Повышение эффективности использования алюминиевого покрытия при высокотемпературном нагреве 142
3.5. Выводы по главе 149
4. Исследование процессов нанесения газотермических покрытий и их совместного деформирования с основой 151
4.1. Методика экспериментальных исследований процессов напыления и обработки давлением 151
4.2. Исследование совместного деформирования алюминиевого покрытия и основы из малоуглеродистой стали 154
4.3. Влияние технологических параметров газотермического напыления на разнотолщинность покрытия и плоскостность листов с покрытием при прокатке 161
4.4. Методика расчета напряжений, возникающих при прокатке в тонких стальных листах с газотермическим покрытием 169
4.5. Влияние факторов очага деформации на напряжения в листах
с алюминиевым газотермическим покрытием при холодной прокатке 185
4.6. Расчет параметров процесса волочения проволоки с покрытием 194
4.7. Влияние напряжений на характер разрушения покрытия в некоторых процессах обработки давлением 199
4.8. Выводы по главе 200
5. Разработка технологий получения поверхностных слоев с повышенными свойствами на деталях металлургического оборудования с использованием газотермических покрытий 202
5.1. Применение алюминиевого покрытия при изготовлении доменных фурм 203"
5.2. Повышение стойкости наконечников конвертерных фурм с помощью напыления покрытий 207
5.3. Повышение эффективности работы оборудования для непрерывной разливки стали 210
5.3.1. Использование покрытий для снижения потерь аргона через стаканы - дозаторы 210
5.3.2. Применение алюминиевого покрытия для повышения антифрикционных свойств плит шиберных затворов 21.4
5.4. Восстановление кристаллизаторов МНЛЗ путем нанесения газотермических покрытий 215
5.5. Применение алюминиевого покрытия для экранирования подката на рольгангах ШПС горячей прокатки 228
5.6. Выводы по главе 233
6. Разработка технологий получения поверхностных слоев" с повышенными свойствами на металлопродукции с использованием газотермических покрытий 236
6.1. Применение алюминиевого покрытия для повышения жаростойкости стальных заготовок при нагреве под обработку давлением 236
6.2. Использование композиционных покрытий для повышения эффективности нагрева заготовок из титановых сплавов под обработку давлением 243
6.3. Технология получения листов (листовой заготовки) с алюминиевым покрытием 246
6.4. Получение электросварных труб с внутренним покрытием из листовой заготовки с покрытием 252
6.5. Получение стальной проволоки с алюминиевым покрытием 259
6.6. Выводы по главе 269
Выводы 272
Библиографический список
- Способы повышения физико-механических свойств газотермических покрытий с использованием механической и термической обработки
- Расчет продолжительности термообработки, необходимой для получения алюминиевого покрытия с высокими пластическими свойствами
- Исследование жаростойкости заготовок и металлопродукции с газотермическим покрытием
- Исследование совместного деформирования алюминиевого покрытия и основы из малоуглеродистой стали
Введение к работе
Одна из наиболее серьезных проблем технического прогресса состоит в необходимости обеспечения постоянного соответствия между свойствами новых материалов и условиями их работы. Так оборудование доменного, конвертерного производства, непрерывной разливки стали работают в условиях агрессивной среды, а получаемая: металлопродукция подвергается воздействию атмосферных факторов. Одним из слабых элементов в системе «материал-рабочая среда», определяющим допустимые условия эксплуатации и ресурс, всей системы, является поверхность материала. Так в промышленности имеют место значительные потери металла от коррозии — до 10% годового производства металла, износа рабочих поверхностей деталей и оборудования, обезуглероживания поверхностного слоя заготовок при нагреве и последующей обработке металлов давлением (ОМД) - около 2%.
Существуют различные способы воздействия на поверхность изделий, направленные на повышение их эксплуатационных свойств, такие как обработка давлением /1/ и термообработка, нанесение покрытий. Однако первые два способа направлены на повышение только некоторых свойств, причем— на десятки процентов. Нанесение покрытий может привести к повышению свойств поверхности изделий в несколько раз.
В промышленности нашли широкое применение различные способы нанесения покрытий: гальванический, погружение в расплав, диффузионное насыщение и т.д. 121. В результате достигается повышение ряда эксплуатационных свойств изделий: фрикционных, коррозионной стойкости и износостойкости; Однако эти способы имеют ряд существенных,недостатков, связанных с нарушением экологии, сложностью в реализации и высокой стоимостью оборудования, необходимостью нанесения покрытия постоянной толщины и т.д.
Одним из перспективных способов нанесения покрытий остается газотермическое напыление (ГТН) /3/. Он дополняет способы погружения в рас-
8 плав и гальванический, при этом имея свою область применения, связанную
с изготовлением и ремонтом деталей металлургического оборудования и получением определенного сортамента металлопродукции. Процесс является экологически чистым, т.к. возможна полная утилизация отходов. Оборудование для ТТН отличается компактностью, его удобно использовать в технологических процессах при получении деталей металлургического оборудования и металлопродукции различной формы. Указанный способ позволяет наносить как одностороннее, так и двухстороннее покрытие, а также различные по составу и механическим свойствам металлические композиции - многослойные, смеси компонентов. Среди способов нанесения газотермических покрытий (ГТП) следует выделить электродуговую металлизацию, отличающуюся сравнительно высокой производительностью и низкой стоимостью нанесения покрытия /4/. Однако широкому применению данного способа препятствуют высокая пористость получаемых покрытий, их низкие прочность сцеплениях основой и пластические свойства* Поэтому повышение физико-механических свойств ГТП, а тем самым и эксплуатационных свойств изделий представляет собой актуальную научно-техническую проблему.
Проблема повышения физико-механических свойств ГТП эффективно решается применением совместного деформирования и термической обработки напыленного ГТП и основы. В качестве материалов основы использовали медь и малоуглеродистую сталь, поскольку из них преимущественно изготавливают детали металлургического оборудования и получают металлопродукцию определенного сортамента. Для оценки возможности расширения области применения ГТП в качестве основы использовали титановые сплавы и керамические материалы. Выбор материала покрытия определяется требованиями, предъявляемыми к свойствам основного металла.
В ходе работы получены результаты, научная новизна которых заключается в следующем:
- установлена связь между временем термообработки и предваритель-
9 ным относительным обжатием алюминиевого газотермического покрытия на
основе из малоуглеродистой стали, обеспечивающая высокие пластические свойства покрытия, в соответствии с которой минимальное время термообработки достигается в случае деформирования только покрытия;
разработана методика расчета толщины диффузионного слоя, образующегося в результате термообработки напыленных на малоуглеродистую сталь и медь алюминиевого газотермического покрытия, включающая использование экспериментально определенного коэффициента, пропорционального коэффициенту диффузии и определение температуры нашоверхно-сти основы в результате численного решения уравнения теплопроводности;
показано, что в результате прокатки стальных листов с алюминиевым газотермическим покрытием твердость покрытия увеличивается, а пористость уменьшается, а в результате волочения стальной проволоки с алюминиевым покрытием твердость покрытия уменьшается, а пористость увеличивается, что объясняется схемой напряженного состояния в металле с покрытием;
установлена зависимость коррозионной стойкости и жаростойкости поверхностного слоя, создаваемого на малоуглеродистой стали путем напыления и термообработки алюминиевого газотермического покрытия, от его состава, максимальные значения которых достигаются при полном исчезновении алюминия в результате окислительных и диффузионных процессов, что объясняется образованием железоалюминиевых коррозионностойких и жаростойких фаз;
разработана методика расчета напряжений, возникающих при прокатке в тонких стальных листах с газотермическим покрытием, включающая условие пластичности Грина для пористых тел и учитывающая изменение пористости и сопротивления деформации покрытия в процессе деформирования, адекватность которой подтверждается экспериментально.
10 Работа выполнена в Московском государственном институте стали и
сплавов (технологическом университете).
Результаты работы были использованы при разработке технологий получения доменных фурм и наконечников конвертерных фурм с защитным покрытием, восстановления размеров узких стенок кристаллизаторов машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) путем нанесения покрытий, изготовления теплоотражательных экранов с алюминиевым ГТП, напыления алюминиевого ГТП на непрерывнолитые заготовки (НЛЗ) перед нагревом под прокатку, получения стальных листов с алюминиевым ГТП, получения проволоки с алюминиевым ГТП.
Автор выражает искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам МИСиС, специалистам заводов, принявшим участие в подготовке, проведении и обсуждении совместных исследований, а также внедрении в производство их результатов.
Особую благодарность автор выражает своему учителю в.н.с, к.т.н. Титлянову А.Е. за неоценимую помощь и поддержку в выполнении, написании и представлении работы.
Способы повышения физико-механических свойств газотермических покрытий с использованием механической и термической обработки
Эксплуатационные свойства металлопродукции с покрытием определяются физико-механическими свойствами ГТП, из которых наиболее важными являются пористость, прочность на отрыв, пластичность и др. Выбор способов и режимов обработки напыленного металла зависит от эксплуатационного назначения металлизированных изделий /13/.
В качестве ориентировочных данных для выбора шероховатости. под то или иное покрытие можно рекомендовать соотношение /14/: где RMAX - максимальная величина выступа шероховатости; Нп — толщина покрытия (толщина покрытия не должна превышать 100-150 мкм). Шероховатость определяется по ГОСТ 2789-80, как совокупность неровностей, образующих рельеф поверхности.
Наиболее распространенным методом подготовки поверхности заготовок под нанесение ГТП является дробеструйная подготовка поверхности.
Сущность дробеструйного процесса заключается в обработке поверхности потоком дроби, разгоняемой с помощью энергоносителя (сжатого воздуха или воды под давлением).
Варьируя условия дробеструйной обработки (крупность дроби, скорость потока дроби, время обработки), можно получать удовлетворительную шероховатость (Rz=20-50 мкм). Однако абразивно-струйная обработка (АСО) имеет ряд недостатков, усложняющих технологический процесс нанесения покрытия на изделия: невысокая производительность обработки, большие расходы воздуха и абразива, сопровождающиеся мощным пылевыделением, большие трудозатраты, связанные с подготовкой материала и оборудования, малой стойкостью последнего.
По своим технико-экономическим показателям наиболее перспективным для автоматизированного производства нанесения покрытий на изделия представляется метод иглофрезерования, относящийся к механическим методам обработки.
Основными достоинствами этого метода можно считать /15-17/: универсальность, экономичность и малая энергоемкость, компактность и надежность оборудования, его постоянная готовность к работе (отсутствие подготовительного периода перед пуском), простота и легкость управления, долговечность инструмента, практически полное отсутствие вредных выделений и пыли, бесшумность. Метод хорошо вписывается в поточные линии и поддается автоматизации. Так, например, скорость очистки с помощью иглофрез полосового металла и труб диаметром 20-30 мм находится в пределах 10-20 м/мин, что на порядок и более превышает скорости подготовки поверхности АСО. Экономическая эффективность иглофрезерования по сравнению с АСО и химическим методом подготовки поверхности наглядно видна из табл. 1.5.
Этот метод разработан в ООО «Институт ВНИИСТ». Внешне процесс напоминает обработку поверхности металла вращающимися абразивными кругами. Однако режимы иглофрезерования резко отличаются от режимов абразивной обработки. Так скорость вращения иглофрезы в 5-Ю раз меньше, а усилия прижатия и резания больше, чем при абразивной обработке металла.
Процесс микрорезания осуществляется режущими инструментами -иглофрезами. Иглофреза представляет собой микрорезцовую фрезу с несколькими тысячами режущих кромок, изготовленную из прямых отрезков высококачественной проволоки с определенной плотностью набивки и коэффициентом заполнения пространства на рабочей поверхности не ниже 40 и не выше 85%.
Большое значение имеет вопрос прочности сцепления покрытия и основы. Исследовалось влияние шероховатости и степени наклепа подложек из Д16АТ и Х18Н10Т на прочность сцепления их с покрытием /18/. Установлено, что увеличение высоты микронеровностей с 25 до 50 мкм при дробеструйной обработке повышает прочность сцепления на подложках из Д16АТ в 2 раза, из Х18Н10Т- в 1,5 раза. Увеличение степени наклепа подложки приводит к росту прочности сцепления покрытия и подложек.
Прочность сцепления покрытия и подложки может быть повышена предварительным подогревом металлизируемых поверхностей /13/. Автор работы/19/ предлагает подогревать подложку до 100С. При нагреве металла в температурном интервале 100-300С значительно увеличивается скорость роста оксидной пленки на поверхности подложки. Для обеспечения малой толщины оксидных слоев (20-50А) напыление при повышенных температурах (выше 100-200С) производят в среде аргона.
Для увеличения сцепления слоя покрытия и основы и улучшения: физико-механических свойств покрытия предлагается проводить химико-термическую обработку металлизированных деталей - спекание /20,21/. В результате спекания получается достаточно высокая прочность сцепления покрытия и основы при нагревании до температуры 980—1100С и продолжительности отжига от 3 до 5 ч. Во время спекания в атмосфере оксида углерода или предельных и непредельных углеводородов происходит восстановление оксидов, содержащихся в покрытии. После полного восстановления оксидов происходит насыщение покрытия углеродом и увеличение твердости и износостойкости. О необходимости проведения спекания покрытия с. основой с целью увеличения прочности сцепления с основой и уменьшения пористости отмечается в работах /10,14,22/.
Известно, что при обычно применяемых режимах напыления в покрытии имеется до 20-25% пор (по объему). Многие из этих пор являются сквозными, что обеспечивает проницаемость покрытия,. но имеется также и значительное количество «тупиковых» пор, которые практически не влияют на проницаемость. Степень пористости, как и другие характеристики покрытия, зависит от вида напыляемого металла, режима напыления и состояния поверхности металлизируемой детали /13/. Из-за высокой пористости метал-лизационных покрытий требуется нанесение покрытий повышенной толщины или последующая их пропитка лакокрасочными и другими полимерными материалами /2,10/.
Расчет продолжительности термообработки, необходимой для получения алюминиевого покрытия с высокими пластическими свойствами
Одним из недостатков алюминиевого покрытия являются его низкие пластические свойства, что затрудняет получение изделий с покрытием с использованием процессов ОМД. Эта задача может быть решена за счет термообработки стальной основы с покрытием /86,87/. При этом происходит спекание, оплавление покрытия и образование диффузионных связей со стальной основой.
в момент испытания.
В результате Испытания на пластичность проводили согласно ГОСТу 14019-90 по изгибу заготовок на 180 покрытием наружу. Величину показателя пластичности покрытия по 5 - бальной шкале принимали следующим образом: Балл 1 - покрытие в месте изгиба гладкое, без трещин, видимых невооруженным глазом, и шероховатости; — поверхность покрытия на изгибе шероховатая, но без видимых трещин; 3 - покрытие не отслаивается, но имеет в месте изгиба видимые невооруженным глазом трещины; 4 - покрытие на изгибе имеет глубокие трещины, при механическом воздействии на участке перегиба образца покрытие отслаивается, обнажая основу; 5 — покрытие отслаивается испытания на пластичность проволоки из малоуглеродистой стали 02,5 мм с алюминиевым ГТП толщиной 50-100 мкм, подвергнутой волочению и последующей термообработке, было установлено, что при температурах термообработки 550, 600С высокие пластические свойства покрытия (1-2 балла) не достигаются /88/.
При температурах 650, 700С была установлена нижняя граница области высоких пластических свойств алюминиевого покрытия (табл. 2.3).
Из табл. 2.3 видно, что минимальная продолжительность термообработки, обеспечивающая получение покрытия с высокими пластическими свойствами, достигается в случае деформирования только покрытия. При от сутствии деформирования медленнее протекает диффузия. При совместном
деформировании с увеличением обжатия проволоки продолжительность термообработки, обеспечивающая получение покрытия с высокими пластическими свойствами, сначала увеличивается, а затем уменьшается. Увеличение продолжительности термообработки объясняется уменьшением прочности сцепления покрытия с основой при волочении, а последующее уменьшение -преобладающим влиянием толщины проволоки.
Полученные результаты подтверждаются исследованиями пластических свойств ленты из малоуглеродистой стали размером 0,4x20 мм с двухсторонним алюминиевым ГТП толщиной 50-60 мкм с каждой стороны, подвергнутой прокатке с обжатием до 0,7 и термообработке при температуре 750-950С в течение 0,5-12 мин (рис. 2.3).
Были рассмотрены три процесса получения ленты с ГТП в зависимости от чередования операций прокатки (Пр) и термообработки (Т): 1 - Т; 2— Пр -Т;3 — Т-Пр-Т /87/. Прокатка проводилась на 4-х валковом реверсивном стане 320. От ленты отрезали образцы длиной 40 мм, которые подвергали термообработке в электронагревательной печи типа СНОЛ. В процессе термообработки на границе раздела сталь-алюминиевое покрытие образуется диффузионный слой, толщина которого увеличивается с увеличением температуры и времени термообработки.
Испытания показали, что с увеличением температуры термообработки уменьшается минимальное время получения покрытия с высокими пластическими свойствами от 6 мин до 2 мин (процесс 1) и от 2 мин до 15 с (процесс 2) (табл. 2.4).
Значительное сокращение времени термообработки в процессе 2 объясняется тем, что при прокатке происходит уменьшение пористости, толщины и разнотолщинности покрытия, что благоприятствует его спеканию при термообработке, а также происходит уменьшение толщины стальной основы.
Следует отметить, что в случае использования процесса 3 минимальная продолжительность второй термообработки, обеспечивающая получение покрытия с высокими пластическими свойствами существенно зависит от времени первой термообработки. Однако первая термообработка должна проводиться по режимам, обеспечивающим частичное спекание покрытия и повышение его пластических свойств с образованием лишь тонкого диффузионного слоя. Если при первой термообработке происходит образование толстого диффузионного слоя, то при прокатке происходит ухудшение прочности сцепления покрытия с основой и нельзя получить пластичное покрытие после второй термообработки независимо от ее режимов. Вторая термообработка проводится как с целью получения пластичного покрытия, т.к. прокатка ухудшает пластические свойства, так и достижения состояния с отсутствием свободного алюминия, т.к. получаемый диффузионный слой обладает высо 55 кими антикоррозионными свойствами.
В случае использования процесса 2 при прокатке ленты с покрытием на толщину 0,2 мм имело место образование трещин в покрытии по кромкам ленты. Это свидетельствует о необходимости проводить термообработку покрытия после его нанесения перед прокаткой. При использовании процесса 1 значительно увеличивается время термообработки, обеспечивающее получение покрытия с высокими пластическими свойствами, а.также время для достижения состояния с отсутствием свободного алюминия из-за его пористости. Следовательно, оптимальным процессом получения покрытия с высокими пластическими свойствами является процесс 3.
С целью установления рациональных режимов термообработки (температуры в печи и времени выдержки) стальных заготовок с алюминиевым ГТП, обеспечивающих максимальные пластические свойства последнего, был проведен лабораторный эксперимент. Стальные заготовки толщиной 0,4 мм с односторонним покрытием толщиной 50 мкм после прокатки с суммарным обжатием до 5%, соответствующим деформированию ГТП без деформирования основы, подвергали нагреву.
Исследование жаростойкости заготовок и металлопродукции с газотермическим покрытием
Для исходного образца (кривая 1 на рис.ЗЛ и 3.2) имеет место устойчивое (почти линейное) смещение потенциала в положительную сторону в течение всего периода экспозиции (96 ч) в растворе без видимых признаков установления его стационарного значения. Алюминий является анодом по отношению к стали, и наблюдаемый ход зависимости обусловлен проникновением электролита через покрытие и коррозией алюминия с образованием нерастворимых продуктов, постепенно «залечивающих» поры в покрытии и ограничивающих доступ коррозионной среды в его объем. В состав продуктов коррозии может входить также некоторое количество железа, растворяющегося в начальный период экспозиции в результате катодного действия АЬОз /109/, образующегося после предварительной термообработки образцов. Однако выбранная продолжительность испытаний оказывается недостаточной для полного «залечивания» пор в покрытии продуктами коррозии, о чем свидетельствует характер изменения потенциала во времени (кривая 1, рис. 3.1).
Прокатка образцов (обжатие є от 3 до 30%) приводит к некоторому смещению значений исходных потенциалов (тк=0) в отрицательную сторону при є=3% и положительную — при 8=12-23%.
При малом обжатии покрытия его пористость (П) уменьшается незначительно (АП 1,6%) и смещение электродных потенциалов (Е) в область отрицательных значений обусловлено в основном влиянием наклепа покрытия.
При более высоких обжатиях (є= 12-23%) имеет место сдвиг исходного потенциала в положительную сторону, что указывает на определяющую роль уплотнения покрытия. При 8=30% влияние наклепа и увеличение плотности Зависимость электродного потенциала Е А1 ГТП на стали от длительности коррозионных испытаний Тк и обжатия є -Е, В 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0 12 3 4 Ясут 1-8=0, 2-8=3%, 4-8=12%, 6-8=23%, 8-8=30%) Термообработка всех образцов перед прокаткой проведена при t=650C, 30 мин
Зависимость электродного потенциала Е А1 ГТП на стали от длительности коррозионных испытаний тк и обжатия є - первичная термообработка (ТО), є=0; 3 - первичная ТО, є = 3%, заключительная ТО; 5 - первичная ТО, е = 12%, заключительная ТО; 10,11 - первичная ТО, є = 3%, изгиб образца с Rr = 13 мм, заключительная ТО. Первичная ТО для всех образцов проводилась при t=650 С, 30 мин. Заключительная ТО для образцов 3,5,9,11 проводилась при t=650C, 30 мин, а образца 10 при t=650C, 15 мин покрытия на величину потенциала, по-видимому, соизмеримы и его значение оказывается близким к величине потенциала исходного образца (при ТкЮ).
После 24 ч испытаний в водном растворе хлорида натрия все прокатанные образцы анодно поляризуются, причем значения потенциалов оказываются тем более положительными, чем выше обжатие покрытия. Дальнейшая выдержка вызывает незначительное монотонное увеличение Е у образцов с Б=3-23% (кривые 2, 4, 6, рис. 3.1) и резкое смещение потенциала в положительную сторону у образца с є=30 % (кривая 8, рис.3.1). Такой характер зависимости указывает на то, что уменьшение пористости покрытия способствует более быстрому установлению стационарных значений электродных потенциалов, которые, в свою очередь, характеризуют достижение состояния полного «залечивания» пор (закрытия открытой пористости) и, следовательно, непроницаемости покрытия.
На определяющую роль пористости в процессе формирования защитных свойств покрытия указывают эксперименты по влиянию термообработки (t=650C, т=30 мин) образцов с покрытием после их деформирования, которая приводит к снятию напряжений и уменьшению пористости. Характер изменения потенциала у образцов с обжатием в интервале от 3 до 30% одинаков: начиная от исходного значения (-0,6-0,5 В независимо от величины є), значение Е устанавливается в течение 48 ч в интервале -0,40-0,45 В и практически не меняется при дальнейшей экспозиции в растворе (кривые 3, 5, 9, рис. 3.2). Такое поведение потенциалов образцов свидетельствует о том, что даже после небольших обжатий (є=3-12%) и последующей термообработки «самозалечивание» пор при выдержке в электролите происходит значительно быстрее, чем после максимального обжатия (30%), но без термообработки (кривая 8, рис.3.1).
При изгибе образцов после прокатки (Е=3%), по-видимому, нарушается сплошность покрытия, поскольку даже последующая термообработка (650 С, 0,25-0,5 ч) не приводит к достижению значений потенциалов, отвечающих состоянию полной непроницаемости покрытия (Е—0,40-0,45 В). Установившаяся величина потенциала Е—0,6 В может представлять собой среднее значение между потенциалом корродирующей поверхности стальной основы, незащищенной покрытием, и потенциалом анодно растворяющегося алюминия. Очевидно, механическое повреждение покрытия при изгибе препятствует «самозалечиванию» пор, а защитного действия алюминия в результате анодного растворения недостаточно для достижения полной защиты.
Результаты проведенных исследований дают основание считать, что алюминиевое покрытие, создаваемое электродуговой металлизацией на стальных поверхностях, обладает высокой защитной способностью в условиях полного погружения в электропроводящих жидких средах. Определяющую роль в формировании защитных характеристик покрытия играют режимы его прокатки и термической обработки после нанесения на стальные поверхности.
Влияние режимов волочения и термообработки на изменение электродного потенциала проволоки из стали 08 02,5 мм с алюминиевым ГТП толщиной 50-100 мкм приведено на рис. 3.3 /88/. Из рисунка видно, что образцы со второй термообработкой обладают значительно более высокой коррозионной стойкостью, чем образцы без второй термообработки, что объясняется наличием диффузионного слоя при термообработке и уменьшением пористости. Коррозионную стойкость металлопродукции с ГТП можно оценить не только с помощью измерения электродного потенциала, но и с помощью измерения тока коррозии.
Исследование совместного деформирования алюминиевого покрытия и основы из малоуглеродистой стали
В экспериментальных исследованиях для уточнения зависимости между разнотолщинностыо покрытия и поперечным перемещением металлизатора одностороннее алюминиевое покрытие со средней толщиной 50-200 мкм было нанесено на листы из малоуглеродистой стали (сталь 3, сталь 10, 08ю) размером 1,5-2,5x50-250x100-500 мм при помощи стационарного металлизатора ЭМ-12М. Ширину полосы напыления (2в) изменяли от 40 мм до 80 мм. Смещение металлизатора в поперечном направлении изменяли от 0,05 до 1 от ширины полосы напыления с шагом 0,05. Толщину покрытия измеряли в точках в направлении поперечного перемещения металлизатора при помощи магнитного толщиномера МТ-41НЦ (рис.4.1).
С целью получения покрытия определенной средней толщины, в качестве параметра, с помощью которого можно ею управлять, была принята амплитуда полосы напыления, которую изменяли от 0,05 мм до 0,2 мм за счет изменения скорости перемещения металлизатора в направлении напыления.
Для исследования влияния режимов прокатки на толщину и разно-толщинность покрытия стальные листы с напыленным покрытием были прокатаны с обжатием до 0,7 на четырехвалковом реверсивном стане 320 за различное количество проходов (максимальное - 9). После каждого прохода фиксировали толщину покрытия по ширине листов в точках, показанных на рис.4 Л, с помощью магнитного толщиномера и общую толщину с помощью микрометра.
Для исследования влияния разнотолщинности покрытия и режимов прокатки на плоскостность листов на листы шириной более 100 мм и длиной 500 мм была нанесена сетка с шагом по длине 100 мм. Неравномерность вытяжек по ширине листов фиксировали путем измерения расстояний между узлами сетки после каждого прохода.
Для напыления алюминиевого ГТП на проволоку из стали 08 изготовили специальное крестообразное устройство, состоящее из четырех пересекающихся в одной точке ребер, в которых были просверлены отверстия. Через отверстия пропускали проволоку длиной «10 м. Заправленная проволока имела вид спирали. Перед напылением покрытия ее подвергали дробеструйной обработке чугунной колотой дробью с давлением р=0,5-0,6 МПа. Далее на проволоку наносили алюминиевое ГТП толщиной 50-100 мкм при помощи электрометаллизатора ЭМ-14.
В лабораторных условиях волочение проводили на разрывной машине Р-5 с использованием твердосплавных волок с внутренним диаметром 2,5 мм; 2,3 мм; 2,0 мм и 1,8 мм. Образцы изготавливались длиной 220 мм с заточенными концами длиной 65 мм так, чтобы они проходили в ближайшую по диаметру волоку и их можно было захватить захватывающим устройством. Скорость волочения составила 20 мм/мин, смазка - машинное масло. Для оценки вытяжки проволоки предварительно на образцы наносились риски, фиксирующие их базовую длину, равную 100 мм. Расстояние между рисками измеряли после каждого прохода. При этом фиксировали усилие волочения. В заводских условиях проводили однократное волочение на диаметр 2,47 мм на однократном цепном волочильном стане.
Механические свойства, такие как предел прочности и относительное удлинение определяли на испытательной машине «Шимодзу» (скорость на-гружения 10-12 мм/мин) и на разрывной испытательной машине Р—5 (скорость нагружения 20 мм/мин).
Трубы с внутренним покрытием получали путем формовки приваренных к полосе заготовок длиной 1,0-1,5 м с покрытием в линии ТЭСА 27-81. Части труб с внутренним покрытием разрезали в продольном и поперечном направлениях на образцы, которые подвергали различным испытаниям, включая и область сварного соединения.
Исследование совместного деформирования алюминиевого покрытия и основы из малоуглеродистой стали
Из-за различия физико-механических свойств покрытия и основы наблюдается разное изменение толщины слоев, особенно на начальной стадии деформирования, в процессах прокатки листов и волочения проволоки. В отличие от процессов прокатки и волочения в процессе формовки труб происходит неодинаковое изменение толщины ГТП по окружности трубы.
Воспользовавшись результатами эксперимента по прокатке стальных листов с односторонним алюминиевым покрытием, определяли изменение относительной толщины покрытия (єп) и основы (єо) по проходам (табл. 4.1).
Для расчета относительной толщины алюминиевого покрытия при волочении проволоки, необходимо определить диаметр стальной основы после каждого прохода. Последний рассчитывается, исходя из условия постоянства объема при деформировании: ою Foi loi где F0, F0i - площади поперечного сечения проволоки в исходном состоянии и после- і -го прохода, соответственно, мм2; 10, 10І длина начальная и после і -го прохода, соответственно. Толщину алюминиевого покрытия определяли по формуле: т - 2 где hni - толщина алюминиевого покрытия после прохода, мм; dj, d0i — диаметры проволоки с покрытием и стальной основы, соответственно, мм.
Результаты экспериментальных исследований совместного деформирования в процессах прокатки и волочения представлены на рис.4.2 и рис.4.3 /105/. Наблюдается разное изменение толщины слоев, особенно на начальной стадии деформирования. Из-за значительной пористости ГТП, а также из-за различия механических свойств компонентов имеет место преимущественное деформирование слоя алюминия. На этой стадии происходит интенсивное уплотнение покрытия по объему, а также дополнительное заполнение впадин микрорельефа, который создается на поверхности основы способами подготовки поверхности под ГТН. С увеличением обжатия металла с покрытием возрастает влияние на усилие процессов ОМД сил трения и различие в изменении относительной толщины компонентов уменьшается.
Определение изменения относительной толщины алюминиевого покрытия по окружности трубы в процессе формовки труб с внутренним покрытием проводилось экспериментально (рис.4.4). Алюминиевое покрытие напыляли электродуговой металлизацией толщиной 50, 100, 150 мкм на листовые заготовки из малоуглеродистой стали толщиной 2,8 мм и шириной 232 мм /128,129/. После формовки трубы ее разрезали и измеряли толщину покрытия hn магнитным толщиномером в поперечном направлении с шагом 10 мм. Далее в каждой точке вычисляли относительную толщину покрытия
