4. Проблеми захисту конструкційних матеріалів від зношування. Нові матеріали для нанесення покриттів

Однією з найважливіших проблем сучасної техніки, яка охоплює і хімічну промисловість, і металургію, є проблема створення нових конструкційних матеріалів і захист їх від зношування. Розвиток технології неорганічних та органічних матеріалів супроводжується збільшенням інтервалів тем­ператур і тисків, в яких проходять хіміко-металургійні процеси.

В табл. 6.2 наведено зміну цих параметрів протягом 60 років через кожні 20 років.

Верхня межа температур, запрогнозована в 1971 р. на 1980 р., вже досягнута і перекрита. За допомогою сучасних електро­дугових і високочастотних плазмотронів можна отримати потоки низькотемпературної плазми із середньомасовою температурою 4000-6000 К (мова йде про промислові плазмотрони з ресурсом роботи 200-400 год). Час контакту 10'5-10-6с, при якому утворюються продукти в газофазних реакторах, також порівняно легко досягається в плазмових реакторах.

Щоб розширити діапазон температур і тисків у таких межах, необхідні нові конструкційні матеріали, нові технологічні прийоми: слід застосовувати матеріали із заданими властивос­тями, використовувати нові форми енергії в хімічному реакторі.

Нині створено високотемпературні сплави на основі нікелю, хрому, танталу, титану, цирконію, композиційні матеріали, стійкі до корозійної дії різних середовищ. У багатьох випадках проблема стійкості конструкційних матеріалів вирішується так: виріб, який необхідно захистити від певного виду зношування, покривають у місцях, які піддаються зношуванню, матеріалами, стійкими в умовах експлуатації. Це, як правило, дефіцитні та дорогі матеріали; виготовлення з них виробів повністю було б пов'язане з великими витратами, а, крім того, іноді це не можливо і з конструкційних міркувань.

Для нанесення захисних матеріалів на хіміко-технологічне та металургійне обладнання використовують розпилення порошкових і дротяних матеріалів хімічним полум'ям, елек­тричною дугою, плазмовим теплоносієм, енергією вибуху.

З різних видів зношування в першу чергу необхідно згадати корозію, яка спричиняє найбільші витрати конструкційних матеріалів. За даними фірми «Gartner», тільки в США річні витрати на ліквідацію збитків від корозії та заходи захисту від неї становлять колосальну суму - 15 млрд доларів. Широке використання покриттів, нанесених термічними методами (полум'я, плазма, енергія вибуху), а також гальванічних покриттів, дозволяє на третину зменшити ці витрати.

Для захисту обладнання, виконаного із заліза та сталі, найширше використовуються цинк, алюміній, сплави на основі цих металів, включаючи і 2п-АІ-сплави. Ці сплави застосовують для захисту від корозії в хлоридних, сірчанокислих та іонних хімічно активних середовищах. Для зменшення витрат цих металів, особливо цинку, створюються Zn-АІ-сплави з доміш­ками інших металів, наприклад, Мg, Ре, Зі тощо.

Для захисту хіміко-технологічного обладнання, виплав­леного зі сталі, застосовують тантал і титан. Розпорошення порошків цих металів проводиться в атмосфері аргону. При цьому техніка захисту така, що обробці піддаються вироби довжиною близько 10 м та діаметром 2 м.

Захист обладнання від високотемпературної корозії продуктами згорання, які містять водяну пару, діоксид вуглецю тощо, забезпечується використанням покриття з композиції Со-Сr-АІ-Y.

Якщо температура поверхні обладнання не перевищує 780 К, ефективним антикорозійним покриттям можуть бути фторовуглецеві плівки, що «зшиваються» із захисною поверх­нею за допомогою спеціального обладнання «Импреглон-440», при цьому пори спеціально підготованого металу насичуються фторовуглецем, який конденсується.У результаті конденсації та взаємодії з металом утворюється міцна плівка полімеру, яка запобігає дії СО2, Н23, О2, Н25О4 та інших хімічно активних речовин.

З інших видів зношування необхідно згадати ерозію. Для захисту від ерозії застосовують матеріали на основі нержавіючої та високовуглецевої сталі, сплави типу Nі-Сr-В, Ni-Сr-А1, Мо-Ni-АІ, самофлюсівні сплави, сплави на основі карбіду вольфраму ОУС), оксидів (АІ2О3, Сr2О3) АІ2О3-ТiO2, Сr2О3-SiO2. Якщо ерозія відбувається при температурах « 800-1000 К і пов'язана з корозією потоками плазми газу, використовують метало­керамічні матеріали типу Сr3О2-Ni/Сr, Сr3С2-Nі/А1, нікеле-графітові покриття (75% Ni, 25% С).

Для захисту від дії високих температур найчастіше користуються окисними керамічними матеріалами, наприклад, ZnО2, АІ2О3, МgZnО3. До покриттів цього типу звичайно висувають такі вимоги: низька теплопровідність, хороша зчіплюваність з матеріалом, який захищають, відповідність коефіцієнтів лінійного та об'ємного розширення коефіцієнтам матеріалу, який захищають, опір механічним навантаженням, стабілізація кристалічної структури кераміки для мінімізації нелінійного терморозширення, викликаного структурними перетвореннями, висока здатність відбиття, стійкість до корозії. Щоб задовольнити ці вимоги, застосовують, як правило, дво-чи тришарове металокерамічне покриття, в якому металічна складова забезпечує перехід від кераміки до металу. Фактично це тришарове покриття: кераміка, перехідний шар, в якому зменшується вміст керамічної складової і збільшується вміст металу, та метал (чи сплав). Розроблено велику кількість таких покриттів: ZnО2-Ni/Сr; ZnО2-Ni/5%АІ; ZnО2-Niі/10%Сr; ZnО2-Со/Сr/А1/Y; МgО/ZnО2-Ni/Сг; МgО/ZnО2-Со/Сг/АІ/Y; ZnО2/ СаО-Ni/АІ; АІ2О3/ТiO2-Ni/Сг; АІ2О3/ТіО2-Ni/АІ.

Покриття дозволяють підвищити діелектричні чи провідні властивості поверхні, твердість, здатність протистояти меха­нічним навантаженням тощо.

Сучасна техніка, в тому числі і техніка нанесення захисних покриттів, висуває підвищені вимоги до форми та розмірів частинок металів, оксидів, карбідів, нітридів та інших продуктів, які використовуються для отримання матеріалів із заданими властивостями. Тому розробляються методи контрольованого збільшення чи подрібнення частинок. Для збільшення за­стосовують методи кристалізації, коагуляції, газофазної конденсації. Подрібнення частинок досягається термічним розпорошенням поверхні, подрібненням при зіткненні.

Нові тенденції розвитку технології неорганічних матеріалів породжують нові проблеми.

Література

1. Беляковская B.C., Зайцев Н.Л., Кибанов А.Я. Экономика машиностроительной промышленности: Учебник. - М.: Высшая школа, 1978. - 272 с.

2. Экономика, организация и планирование производства предприятий черной металлургии / Учебник для эконом, спец. мет. техн. - М.: Металлургия, 1973. - 583 с.

3. Экономика переходного периода / Под ред. В.В. Радаева, А.В. Бузгалина. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 410 с.

4. Экономика цветной промышленности СССР: Учебник для вузов по специальности «Металлургия цветных металлов» / Под ред. С.А. Первушкина, С.Я. Рачковского, Р.Д. Малинова. - М.: Металлургия, 1970. - 448 с.

5. Экономика черной металлургии: Учебник для эконом, техн. спец. / Под ред. Н.П. Банного. - М.: Металлургия, 1975. -471с.

6. Беляковская B.C., Демченко М.Н. Экономика машино­строительной промышленности СССР: Учебник для вузов. -М., 1978.

Лекція № 8. Тема ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ВИРОБНИЦТВО І ТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ ОБРОБКИ МЕТАЛІЧНИХ СПЛАВІВ. НОВІ ВИДИ ОБРОБКИ МАТЕРІАЛІВ (ЕЛЕКТРОФІЗИЧНІ, ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ, УЛЬТРАЗВУКОВІ)

Питання до вивчення

1. Ливарне виробництво.

2. Обробка металів тиском.

3. Зварювання. Ознайомлення з технологією зварювання металів. Основні види електроерозійного та дифузійного зварювання, сутність і галузі застосування.

4. Нові види обробки матеріалів (електрофізичні, електрохімічні).

5. Ультразвуковий метод обробки. Застосування його у промисловому виробництві.

6. Лазерні технології обробки металів.