Исследование коррозионной стойкости и выбор деформируемых алюминиевых сплавов и покрытий для пресс-форм, применяемых при производстве изделий из вспенивающихся пластмасс

Пресс-формы из алюминиевых сплавов широко применяются для получения изделий из вспенивающихся пластмасс. Их используют для изготовления элементов теплои звукоизоляции, моделей для литья, упаковок и т. д. Теплопроводность алюминиевых сплавов выше теплопроводности сталей, что позволяет сократить продолжительность нагрева паром и охлаждения водой пресс-формы и в несколько раз снизить продолжительность формовки изделий. Благодаря низким затратам на обработку резанием, шлифование, термообработку затраты на изготовление алюминиевых пресс-форм ниже чем, стальных. Продолжительность эксплуатации пресс-форм из алюминиевых сплавов в основным ограничена их недостаточно высокой коррозионной стойкостью. Причиной выхода из строя пресс-форм является развитие в их поверхностной зоне язвенной коррозии и коррозионной усталости.

Для производства крупногабаритных фасонных изделий требуются сложные по техническому исполнению, дорогостоящие пресс-формы. В настоящее время большое количество пресс-форм закупается за границей — в Германии, Италии, США и других странах. Через два-три года интенсивной эксплуатации из-за недопустимых изменений в геометрии и снижения прочности, пресс-формы необходимо заменять на новые. Разнообразие типоразмеров и конструктивных особенностей пресс-форм, состава и температуры, используемых для их нагрева и охлаждения, пара и воды осложняют выбор их материала. Разработка научных основ выбора сплавов, режимов их термической обработки, а также выбора антикоррозионных покрытий для пресс-форм является актуальной задачей.

Одна из схем технологического процесса получения изделий из пенополистирола приведена на рис. В.1.

Вспененные полистироловые гранулы подаются внутрь пресс-формы под давлением, где под действием, поступающей через систему отверстий,.

Рис. В.1. Схема технологического процесса получения изделий из пелополистирола:

1- артезианская скважина- 2 — песочный фильтр- 3 — Na — катионитовый фильтр- 4 — бак накопитель- 5 — котел- 6 — формовочные автоматы для получения изделий из пелополисторола- 7 — градирня- 8 — дренаж- 9 -солерастворитель- 10 — бак для взрыхления Na — катионитового фильтра паро-воздушной смеси из гранул формуется готовое изделие. После воздействие гранулы пара, внешняя поверхность пресс-форм охлаждается водой из спрейеров. Таким образом, во время технологического цикла, пресс-форма подвержена циклическому температурному воздействию, вызываю-ф щему появление циклически изменяющихся напряжений сжатия и растяжения. Вода, используемая для получения паро-воздушной смеси и охлаждения пресс-формы, поступает из артезианской скважины (1) и очищается в системе подготовки, проходя через песочной фильтр (2) и Ыа-катионитовый фильтр (3), заполненный катионитом КУ-2. Из Ыа-катионитового фильтра умягченная вода поступает в бак накопитель (4), откуда по мере необходимости поступает в котел (5) и градирню (7). Котел вырабатывает паровоздушную смесь, поступающую в пресс и используемую для спекания из гранул в пресс-форме пенополистрольных изделий. В градирне (7) вода охлаждается до 30 — 35 °C и используется для охлаждения пресс-формы, нагретой паром. Циркулируя в контуре пресс — градирня, оборотная вода засоряется ионами металлов, из которых изготовлена пресс-форма, подводящие трубы, градирня. По мере увеличения в воде примесей, увеличивается электропроводность воды. При превышении электропроводности определенного значения, автоматика градирни сбрасывает воду в дренаж (8) и забирает из бака накопителя новую порцию чистой воды, смешивая ее с ингибитором коррозии и биоцидными добавками.

Цель работы. Целью диссертационной работы является увеличение коррозионной стойкости алюминиевых пресс-форм за счет выбора перспективных сплавов и покрытий.

Научная новизна.

1. Установлено, что при эксплуатации пресс-форм в технологической воде увеличивается содержание хлора, меди и натрия и наблюдается ее защелачивание. Исследовано влияние этих факторов на коррозионную стойкость применяемых и перспективных алюминиевых сплавов. Показано, что указанное изменение состава технологической воды приводит к распассивации сплавов пресс-форм и ускорению их общей и местной коррозии.

2. Показано, что в щелочной и хлорсодержащей воде питтинг преимущественно развивается вблизи катодных крупных, неравномерно распределенных, некогерентно связанных с твердым раствором включений интерметаллидов Al6FeCuZn (в сплаве В91ТЗ), AlSiFe (в сплаве АД31Т), CuA12 (в немецком сплаве А1Си4) и вследствие локального растворения скоагулированных анодных включений (Mg2Al3, Mg2Si, MgZn2).

3. Расчетами и экспериментально показано, что при эксплуатации пресс-форм напряжения в их поверхностной зоне изменяются циклически, что при наличии концентраторов напряжений в виде питтинга и межкристаллитной коррозии приводит к развитию коррозионной усталости.

4. Сформулированы требования к химическому составу и структуре сплавов для пресс-форм. Сплавы должны быть коррозионно-стойкими, термически обработанными на минимальную склонность к местным видам коррозии. Внутри группы коррозионно-стойких сплавов предпочтительны сплавы с пониженным содержанием меди. Сплавы должны состоять из однородного, близкого по составу к равновесному твердого раствора с равномерно распределенными в нем мелкодисперсными включениями.

Практическая ценность работы.

1. Сформулированы требования к характеристикам технологического процесса (составу технологической воды, скорости нагрева и охлаждения поверхности пресс-форм), определяющим скорость коррозии сплавов.

2. Разработаны технологические режимы нанесения перспективных антикоррозионных аморфных хромоуглеродных покрытий на алюминиевые сплавы, исследован состав, структура и свойства этих покрытий.

3. Разработана расчетно-экспериментальная методика выбора сплавов и покрытий для пресс-форм. В качестве сплавов для пресс-форм без покрытий рекомендованы АД31Т, В91ТЗ, АК4−1Т1. Среди покрытий для наиболее сложных по геометрии пресс-форм рекомендованы химические никель-фосфорныедля менее сложных по геометрии пресс-форм гальванические хромоуглеродные покрытия, ионно-плазменные покрытия из нитрида титана, а также покрытия, получаемые микродуговым оксидированием.

Полученные результаты могут быть использованы при проектировании и эксплуатации оборудования для производства изделий из вспенивающихся пластмасс.

Достоверность результатов работы. Достоверность подтверждена методами статистической обработки результатов экспериментов.

Апробация работы. Результаты диссертации доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Материаловедение» МГТУ им. Н. Э. Баумана, а также на Международном симпозиуме «175 лет МГТУ им. Н. Э. Баумана. Образование через науку» (Москва, 2005 г.).

На защиту выносится:

1. Результаты термодинамического анализа влияния технологических факторов, состава сплавов и покрытий на равновесный состав продуктов коррозии.

2. Разработка технологического режима нанесения на деформируемые алюминиевые сплавы аморфных хромоуглеродных покрытий и исследование структуры и физико-химических свойств этих покрытий.

3. Исследование влияния технологических факторов (состава технологической водытемпературы пресс-форм, скорости их нагрева и охлаждения) на коррозионную стойкость алюминиевых сплавов и покрытий для алюминиевых пресс-форм.

4. Разработка расчетно-экспериментальной методики выбора сплавов и покрытий для алюминиевых пресс-форм и определения режимов их эксплуатации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Установлено, что во время технологического цикла в оборотной технологической воде увеличивается содержание хлора, меди, натрия и наблюдается ее защелачивание.

2. Выполненный с применением специально разработанной методики термодинамический анализ показал, что в среде близкой к нейтральной, при рН = 4,5.8,5, возможно образование гидроокиси алюминия, пассивирующей алюминиевые сплавы. В кислой хлорсодержащей среде, при рН < 4,5, возможно образование распассивирующих сплавы хлоридов и оксихлоридов, а в щелочной среде, при рН > 8,5, возможна распассивация за счет образования растворимых алюминатов и силикатов натрия. При взаимодействии с водой цинки магнийсодержащих сплавов, например В91, в щелочной среде возможно образование Zn (OH)2, Mg (OH)2, пассивирующих сплав. Снижение коррозионной стойкости при рН > 8,5 возможно также частично компенсировать и у сплава АК4−1 за счет накопления на его поверхности гидроокисей железа и никеля.

3. Исследовано влияние рН воды, содержания в ней хлора, меди на коррозионную стойкость сплавов АД31Т, АК4−1Т1, В91ТЗ. Увеличение в воде концентрации поваренной соли NaCl с 0,01 до 0,04 г/л приводит к увеличению скорости коррозии этих сплавов на один балл. Наиболее низкая скорость коррозии наблюдается в воде с 5,5 < рН < 7,5. При увеличении рН с 6 до 10 скорость коррозии увеличивается на 2 — 3 балла. Увеличение в воде концентрации меди с 1 до 5 мг/л увеличивает скорость коррозии на 2 балла.

4. Показано, что в щелочной и хлорсодержащей воде на поверхности сплава В91ТЗ питтинг преимущественно развивается вблизи включений A^FeCuZnна поверхности сплава АД31Т — вблизи включений AlSiFeна поверхности сплава АК4−1Т1, вблизи включений NiFeAlp, питтинг практически не развивается. Питтинг в основном развивается вблизи крупных, неравномерно распределенных, некогерентных катодных включений. Питтинг может также возникать вследствие локального растворения скоагулирован-ных анодных включений (Mg2Al3, Mg2Si, MgZn2).

5. Расчетами и экспериментально показано, что при эксплуатации пресс-форм напряжения в их поверхностной зоне изменяются циклически, что при наличии концентраторов напряжений в виде питтинга и меж-кристаллитной коррозии приводит к развитию коррозионной усталости.

6. Сформулированы требования к химическому составу и структуре сплавов для пресс-форм. Сплавы должны быть термически обработанными на минимальную склонность к местным видам коррозии. Внутри группы коррозионно-стойких сплавов предпочтительны сплавы с пониженным содержанием меди. Сплавы должны состоять из однородного, близкого по составу к равновесному твердого раствора с равномерно распределенными в нем мелкодисперсными включениями.

7. Разработаны технологические режимы нанесения аморфных хромоуглеродных покрытий на алюминиевые сплавы электрохимическим методом. Эти покрытия существенно отличаются от хромовых гальванических покрытий наличием в них аморфитизирующей добавки — углерода в количестве до 6%. Это покрытие понижает скорость коррозии исследованных сплавов на 3−5 баллов в 3%-ном растворе NaCl и на 4−5 баллов в 5%-ном растворе H2SO4. Показано, что хромоуглеродные покрытия характеризуются достаточно высокой пластичностью и адгезионной прочностью на сплавах АМгбМ, АК4−1Т1 и В95Т2.

8. Проведены сравнительные испытания на коррозионную стойкость аморфных никельфосфорных покрытий, ионно-плазменных покрытий из нитрида титана, МДО-покрытий, получаемых микродуговым оксидированием на сплавах АМгбМ, В95Т2, АД31Т и АК4−1Т1. Показано, что эти покрытия характеризуются достаточно высокой пластичностью и адгезионной прочностью. Никельфосфорные покрытия, незначительно влияя на скорость общей коррозии, увеличивают стойкость алюминиевых сплавов к местной коррозии. Повышение коррозионной стойкости изделий с никельфосфорными покрытиями возможно при нанесении на их поверхность хромоуглеродных покрытий. Микродуговое оксидирование и ионно-плазменные покрытия из нитрида титана увеличивают коррозионную стойкость в 3%-ном растворе NaCl исследованных сплавов соответственно на4−6ина2−4 балла.

9. Установлено, что хромоуглеродные, никельфосфорные, МДО-покрытия, а также покрытия из TiN значительно увеличивают твердость на поверхности изделий из алюминиевых сплавов. Микротвердость хромоуглеродных, никельфосфорных, МДО-покрытий и покрытий из TiN составляет соответственно 946 HV0, i, 560 HV0, b 2290 HV0, i и 1900 HV0, i. Дополнительным резервом повышения твердости хромоуглеродных и никельфосфорных покрытий является термообработка. После отжига (выдержки при 200 °C в течение 1,5 ч) микротвердость хромоуглеродных покрытий составляет 1072 HVo, i, а никельфосфорных покрытий — 795 HVo, i.

10. Расчетным методом, с применением программного комплекса ANSYS, исследовано теплонапряженное состояние пресс-форм. Наиболее опасные растягивающие напряжения возникают на внешней поверхности пресс-форм на начальном этапе охлаждения. Амплитудные значения напряжений растут с увеличением интенсивности охлаждения и нагрева. Расчеты могут быть использованы для определения параметров эксплуатации и выбора сплавов и покрытий для пресс-форм.

11. Предложена расчетно-экспериментальная методика выбора сплавов и покрытий для алюминиевых пресс-форм. Методика включает расчет амплитудных значений напряжений, определение требований к пределу коррозионной выносливости сплава, а также выбор сплавов и покрытий с учетом их эксплуатационных, технологических и экономических характеристик. В качестве сплавов для пресс-форм без покрытий рекомендованы АД31Т, В91ТЗ и АК4−1Т1. Среди покрытий для сложных по геометрии пресс-форм рекомендованы химические никельфосфорныедля менее сложных по геометрии пресс-форм — гальванические хромоуглеродные покрытия, ионноплазменные покрытия из нитрида титана, а также покрытия, получаемые микродуговым оксидированием.