29.01.2015

Силицированию подвергаются отливки из серого, ковкого и высокопрочного чугуна с целью повышения их коррозионной стойкости.
Природа фаз, возникающих на поверхности чугунных изделий, и кинетика их развития определяются в основном методом силицирования и химическим составом металлической основы. Форма графитных включений существенного влияния на фазовый состав и кинетику формирования диффузионного слоя не оказывает.
Данные, характеризующие влияние температуры и продолжительности насыщения на толщину диффузионного слоя серого гильзового чугуна марки СЧ 28-48 при жидкостном силицировании, приведены на рис. 62. Для насыщения использованы расплавы на основе моносиликата натрия:
Силицирование чугуна

Из приведенных данных видно, что рост глубины силицированного слоя удовлетворительно подчиняется общим закономерностям формирования однофазных диффузионных слоев. Некоторые отклонения от экспоненциального и параболического законов роста диффузионного слоя могут быть связаны с изменением содержания углерода в металлической основе при изменении условий насыщения.
Результаты рентгеноструктурного и металлографического анализов фазового состава диффузионных слоев свидетельствуют о том, что при всех исследованных режимах насыщения основу слоя составляет α-твердый раствор кремния в железе (рис. 63, 64). Об этом же убедительно свидетельствуют результаты измерения микротвердости (табл. 37): судя по твердости, содержание кремния в диффузионном слое не превышает 7—10%. Высококремнистых фаз в диффузионном слое не обнаружено. Форма, размеры и характер расположения графитных включений в процессе насыщения практически не изменяются.
В местах выхода на поверхность графитных включений нередко наблюдается разрыв сплошности диффузионного слоя.
Как уже отмечалось, основным свойством силицированного чугуна является повышенная коррозионная стойкость. На рис. 65 приведены результаты исследования коррозионной стойкости серого, ковкого и высокопрочного чугунов на перлитной металлической основе, подвергнутых силицированию в расплаве (75% Na2SiO3+25% NaCl)+20% Каси 1 (t=1000 °C, т=4 час), в 10%-ных водных растворах серной и соляной кислот и 10%-ном водном растворе поваренной соли. После обработки по указанному режиму глубина диффузионного слоя на всех исследованных чугунах составляла около 70 мк.
Силицирование чугуна

Химический состав чугунов приведен в табл. 38. В качестве модификатора при получении высокопрочного чугуна использован ферроцерий. Разливка чугуна проводилась в земляные формы 30х30х300 мм. Заготовки подвергались отжигу при температуре 950 °C в течение 15 час (охлаждение вместе с печью) и механической обработке.
Силицирование чугуна

Испытания на коррозионную стойкость выполнены в открытых стеклянных стаканах емкостью 300 мл. Образцы подвешивались в растворе на капроновых нитях. Контрольный осмотр и взвешивание образцов производили через каждые 72 час испытаний. Общее время испытаний равнялось 216 час. Образцы, не подвергнутые химико-термической обработке, в растворах H2SO4 и HCl за 200 час испытаний практически полностью разрушаются (потеря веса составляла 75—80% or исходного). Разрушение силицированного чугуна начинается через 60—70 час испытаний в местах выхода на поверхность графитных включений (в местах нарушения сплошности сили-цированного слоя). В результате проникновения кислот через образовавшиеся дефекты слоя начинается интенсивная коррозия сердцевины образцов. Разрушению подвержены в основном участки, непосредственно примыкающие к диффузионному покрытию (в результате возникновения и функционирования множества микрогальванических элементов).
Развитие процессов подповерхностной коррозии приводит к отслаиванию покрытия. В течение 140 час испытаний покрытие, практически полностью разрушается.
Силицирование чугуна
Силицирование чугуна

В результате силицирования (тисп=144 час) коррозионная стойкость чугунов в растворе серной кислоты повышается в 2—3 раза, а в растворе соляной кислоты — 1,5—2 раза. Ковкий чугун по сравнению с высокопрочным и серым чугунами обладает несколько большей кислотостойкостью, что, по всей вероятности, связано с меньшим количеством в нем графитных включений. Форма графитных включений существенного влияния на коррозионную стойкость силицированного чугуна не оказывает: коррозионная стойкость серого и высокопрочного чугунов, имеющих одинаковое содержание углерода, практически одинакова.
В 10%-ном растворе NaCl скорость коррозионного разрушения как силицированного, так и несилицированного чугуна значительно меньше, чем в растворах соляной и серной кислот. Повышение коррозионной стойкости в растворе хлористого натрия в результате силицирования невелико (15—20%). Силицированный серый чугун (СЧ 28-48) обладает повышенной кавитационной стойкостью. Испытания на кавитационную стойкость выполнены на установке ЦНИДИ, основой которой является магнитострикционный генератор УЗМ-1,5, при следующих условиях; частота колебаний 17 кгц; амплитуда колебаний 14,5 мк; температура воды (водопроводной) 15±1 °С; суммарное время испытаний 120 мин. Периодичность взвешивания образцов 15 мин. Интенсивность кавитационного разрушения оценивалась по потере веса образцов.
Силицирование чугуна

Приведенные в табл. 39 данные свидетельствуют о том, что для обоих расплавов существует оптимальная глубина силицированного слоя (—40 мк), которая обеспечивает максимальное повышение кавитационной стойкости (примерно в 2 раза). Однако установить закономерности влияния технологических параметров процесса силицирования на кавитационную стойкость серого чугуна традиционным методом не удалось, поэтому дальнейшие исследования проводились с использованием математических методов планирования экстремальных экспериментов. Так как кавитационная стойкость образцов, обработанных по. одинаковым режимам в обоих расплавах, примерно одинакова, эксперименты выполнены на базе второго расплава. Насыщение осуществлялось из расплава Na2SiO3+NaCl, в который сверх 100% добавлялся карбид кремния (SiC). В качестве факторов (независимых переменных) выбраны: х1 — температура силицирования, °С; х2 — количество вводимого в расплав карбида кремния, %; х3 — количество NaCl, %; х4 — время насыщения, час.
Силицирование чугуна
Силицирование чугуна

Параметром оптимизации (у) являлась кавитационная стойкость чугуна, которая определялась по описанной выше методике.
План экспериментов (полуреплика 2в4-1 с определяющим контрастом I—x1x2x4), условия их проведения и полученные результаты приведены в табл. 40. Каждый из факторов варьировался на двух уровнях, закодированных в таблице знаками « + » и «-». Серия параллельных экспериментов позволила рассчитать дисперсию в определении кавитационной эрозии S2 {Y} , оказавшуюся равной 18,81.
Силицирование чугуна

На основании полученных результатов построена линейная модель Y=f (x1; x2; x3; x4) и рассчитаны ее коэффициенты: b0 = 87,34; b1 = 0,13; b2 = 8,01; b3 = 9,46; b4 = -0,81. Доверительный интервал коэффициентов регрессии. (Abi) оказался равным ±3,52, в связи с чем коэффициенты b1 и b4 статистически незначимы. Окончательно линейная модель имеет следующий вид:
Y = 87,34 + 8,01x2 + 9,46x3.

Эта модель адекватно представляет результаты опытов при 5%-ном уровне значимости, поскольку экспериментальное значение F-критерия (F5;5 эксп = 4,85) меньше табличного (F5;5;0,05 табл = 5,05).
Полученная модель позволила достаточно надежно оценить влияние технологических параметров процесса силицирования на кавитационную стойкость серого чугуна (рис. 66).
Силицирование чугуна

Наиболее сильно кавитационная стойкость зависит от количества вводимых в расплав хлористого натрия и карбида кремния, т. е. от активности насыщающей среды. Температура и время силицирования существенного влияния на кавитационную стойкость серого чугуна не оказывают. Для снижения скорости кавитационной эрозии необходимо понижать от основного уровня количество вводимых в расплав NaCl и SiC.
С целью отыскания оптимальных условий насыщения был осуществлен следующий этап планирования — крутое восхождение к оптимуму по градиенту линейной модели (табл. 41). Лучший результат (60,0 мг) получен во втором опыте крутого восхождения: t=950°C, т = 3 час, состав расплава: (85% Na2SiO3+15% NaCl)+15% SiC. В результате силицирования удалось повысить кавитационную стойкость серого чугуна по сравнению с исходным состоянием в 2,5 раза.
Силицирование чугуна

Полученный результат не представляет большого практического интереса (повышение кавитационной стойкости в результате силицирования невелико), однако позволяет внести некоторую ясность в нерешенный окончательно к настоящему времени вопрос о влиянии металлической основы на кавитационную стойкость чугуна. Одни авторы считают, что металлическая основа чугуна не оказывает заметного влияния на его кавитационную стойкость, и последняя признается полностью зависящей от формы и размеров графитных включений, другие роль металлической основы в сопротивлении кавитационному разрушению считают весьма заметной. Ho даже те исследователи, которые признают влияние металлической основы на кавитационную стойкость чугуна, считают, что это влияние несоизмеримо с влиянием формы и размеров графитных включений. Этот вывод спорен по следующим соображениям. Изменение строения металлической основы в цитированных выше работах, как правило, достигалось изменением режима термической обработки, что позволяло существенно изменить ее структуру и механические свойства, но практически мало сказывалось на коррозионной стойкости. По современным представлениям, в процессе кавитационной эрозии наряду с механическими воздействиями большую роль играют также такие факторы, как химическая и электрохимическая коррозия, баллоэлектричество и т. д. Следовательно, для того чтобы внести большую ясность в рассматриваемый вопрос, необходимо так изменить строение металлической основы чугуна, чтобы существенно изменилась ее коррозионная стойкость. Последнее может быть достигнуто методами химико-термической обработки, в частности силицированием. Для выяснения указанного выше вопроса силицирование удобно по ряду причин. При силицировании чугуна на поверхности изделия формируется слой кремнистого феррита, который обладает высокой коррозионной стойкостью, повышенной твердостью и прочностью, т. е. существенно отличается по структуре и свойствам от металлической основы чугуна в исходном состоянии. Образование на поверхности чугуна гомогенной структуры упрощает задачу. При получении гетерогенной структуры пришлось бы учитывать форму, размеры и распределение структурных составляющих. И, наконец, что самое главное, формирование слоя кремнистого феррита практически не сказывается на форме, размерах и расположении графитных включений. Следовательно, полученное повышение кавитационной стойкости в результате силицирования чугуна может быть отнесено только за счет влияния металлической основы (кремнистого феррита). Характер разрушения поверхности силицированного образца отличается от характера разрушения образцов в исходном состоянии. Исходный образец после 2 час испытания имеет равномерно разрушенную поверхность. На силицированном образце наблюдаются отдельные глубоко идущие раковины, напоминающие пулевое проникновение в твердом теле. Очаги разрушения слабо развиваются вширь, а простираются в основном вглубь в направлении расположения графитных включений. Как и в исходном состоянии, разрушение силицированной поверхности начинается с графитных включений, но далеко не все возможные очаги разрушения в силицированном чугуне реализуются. Это свидетельствует о том, что кремнистый феррит оказывает значительно более сильное сопротивление кавитационной эрозии, чем перлит исходного чугуна, что и является причиной повышения кавитационной стойкости.
Таким образом, кавитационная стойкость чугуна существенно зависит не только от формы, размеров и взаимного расположения графитных включений, но и от состояния его металлической основы.
В литературе имеются утверждения, что силицированный чугун имеет повышенную износостойкость. Проверка этого положения показала, что в условиях сухого трения повышение износостойкости в результате силицирования незначительно. Испытания на износ выполнены на машине типа Шкоды-Савина при нагрузках 1,0 и 2,1 кг. В качестве контртела использовался твердосплавный диск d=53 мм, h=2,5 мм, HRC 74—75. Скорость вращения диска 860 об/мин, время испытания 30 мин. Полученные результаты приведены на рис. 67. Возможно, что в условиях трения со смазкой повышение износостойкости более значительно.
Таким образом, установлено, что силицированный чугун по сравнению с исходным обладает большей коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением кавитационной эрозии и несколько (незначительно) большей износостойкостью.
Силицирование чугуна