ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ УГЛЕРОДОМ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ СУПЕРИНВАРНЫХ СПЛАВОВ С ПОВЫШЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Актуальность темы
Развитие новейших отраслей техники, таких как ракетно-космический комплекс, требует разработки деталей и изделий, работающих в экстремальных условиях. В связи с этим возникает потребность создания принципиально новых материалов и технологий, обеспечивающих надежную работу ответственных изделий при разных температурно-силовых воздействиях. Одним из таких направлений является создание материалов с заданными и минимальными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР). К подобным материалам относятся инварные сплавы (на основе системы Fe-Ni) и суперинварные сплавы (на основе системы Fe-Ni-Co). Данные сплавы могут иметь значения ТКЛР близкие к нулю или даже отрицательные. Получение изделий из инварных и суперинварных сплавов основано на технологиях обработки металлов давлением, что является весьма удобным при получении изделий относительно небольших размеров вследствие высокой пластичности и малого упрочнения при деформационном воздействии.
Однако создание современных изделий новой техники различного назначения в ряде случаев основано на использовании крупногабаритных сложно-профильных деталей. Применение для таких деталей технологий обработки метал-лов давлением в ряде случаев затруднительно, а в некоторых случаях невозможно. В связи с этим дальнейшее развитие металловедческих исследований материалов с заданными и минимальными ТКЛР предназначено для изделий сложной формы и большого веса, получаемых по литейным технологиям.
Разработанные в настоящее время методы литья разнообразны и могут давать качественные отливки. Однако применение литейных технологий для получения деталей из инварных и суперинварных сплавов оказалось весьма сложным вследствие низких литейных свойств этих сплавов, что проявляется в наличии дефектов литейного происхождения в конечных изделиях. В связи с этим является актуальной задача разработки литейных технологий инварных и су-перинварных сплавов для получения качественных отливок, исследование фазовых превращений и структурообразования, лежащих в основе формирования тепловых свойств углеродистых литейных инварных сплавов.
Вместе с тем, переход на литейные технологии получения сплавов с заданным и минимальным ТКЛР требует проведения ряда исследований, направленных на изучение структурообразования углеродсодержащих инварных и су-перинварных сплавов, кинетики и механизмов фазовых превращений, роли угле-рода в формировании необходимых тепловых свойств сплавов, процессов графитизации в сплавах, влияния размера и морфологии графитных включений на свойства сплава, разработку оптимальных составов и технологических процессов литейных углеродсодержащих сплавов.
Цель работы
Целью настоящей работы является решение вопросов рационального легирования суперинварных литейных сплавов углеродом для существенного улучшения литейных свойств, получения качественных отливок для крупных деталей сложного профиля с высокими служебными свойствами.
В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить влияние углерода на процессы формирования структуры при кристаллизации и тепловые свойства сплавов в связи со сложным и различным поведением углерода, находящегося в у-твердом растворе или в свободной форме в виде графита.
2. Разработать и внедрить новые технологии для получения и термообработки суперинварных сплавов, содержащих углерод, при которых сначала углерод вводится в расплав для улучшения его литейных свойств, а затем удаляется из твердого раствора с переводом в графитную форму. Предложено данный вид обработки назвать “временным легированием” у-твёрдого раствора.
3. Исследовать процессы графитизации в углеродсодержащих суперинварных сплавах, оценить морфологию и распределение углерода, выделяющегося как при кристаллизации, так и после термообработки.
4. Уточнить модель формирования структуры и тепловых свойств углеродсодержащих суперинварных сплавов, обеспечивающую получение рационального базового состава углеродистых суперинварных сплавов и оптимального режима термообработки, основываясь на данных о тепловых, механических и магнитных свойствах.
Научная новизна
1. В работе развита уточненная модель формирования структуры и тепловых свойств углеродсодержащих суперинварных сплавов с повышенными литейными свойствами и впервые показано образование аустенитно-графитной эвтектики в процессе кристаллизации суперинварных сплавов, дополнительно легированных углеродом в диапазоне 0,6%-1,7%.
2. Выполнена оценка влияния углерода на ТКЛР литейных углеродсодержащих суперинварных сплавов и впервые определены температурные интервалы инварности (20-100°С, 20-200°С), а также значения ТКЛР в различных температурных диапазонах. Исследован вклад углерода в формирование тепловых свойств литейных суперинварных сплавов и показано, что при его повышенном содержании в у-твердом растворе сплавы проявляют увеличенные значения ТКЛР.
3. Показано, что в процессе графитизирующего отжига выделения графита более дисперсны и имеют в основном шаровидную и вермикулярную форму с тенденцией выделения по границам зерен у-твердого раствора, что отличается от графитизации из жидкого расплава, при которой выделения первичного графита оказываются более крупными и имеют преимущественно шаровидную форму, а выделения эвтектического графита сосредотачиваются в межосных дендритных участках.
4. Обосновано рациональное легирование углеродом в количествах 0,6%С и 0,8%С и показана возможность получения качественных изделий, обладающих необходимыми технологическими и функциональными свойствами. Предложено повышать температуру отжига углеродсодержащих суперинварных сплавов до 800°С с целью получения наиболее стабильного термического расширения в конечных изделиях.
5. Впервые обращено внимание на наличие эвтектического превращения при формировании структуры крупных отливок и тепловых свойств новых углеродсодержащих суперинварных сплавов и показано влияние углерода на формирование температурного интервала инварности при различной базе легирования по углероду.
Практическая значимость
1. Разработаны рекомендации по оптимизации режима термообработки литейных углеродсодержащих суперинварных сплавов, обеспечивающего необходимый уровень тепловых свойств (ТКЛР) и состоящий в повышении температуры отжига до 800°С (3ч).
2. Проведена оценка влияния углерода на величину ТКЛР в различных температурных интервалах и найдены рациональные составы литейных суперинварных сплавов.
3. Изучено влияние химического состава и термообработки на тепловые свойства суперинварных литейных сплавов, содержащих углерод. Показана принципиальная необходимость использования суперинварных сплавов с содержанием углерода 0,6% (0,8 %) для формирования литейных свойств и минимальных значений ТКЛР в крупных прецизионных отливках сложного профиля.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты
1. Уточненная модель формирования структуры при кристаллизации и термической обработке по различным режимам, включающим отжиги, закалку, закалку с низкотемпературным отпуском.
2. Результаты изучения влияния содержания углерода на характер тепловых эффектов в анализируемых сплавах при различных способах обработки образцов, в том числе при термоциклировании.
3. Результаты дилатометрических исследований, позволивших рассчитать параметры теплового расширения и сделать вывод о рациональном легировании по углероду литейных суперинварных сплавов.
4. Доказательство наличия эвтектического превращения при формировании литейных и тепловых свойств углеродсодержащих суперинварных сплавов.
Апробация работы
Материалы диссертации были доложены и обсуждены на XXI Уральской школе металловедов-термистов, Екатеринбург, 2012; XII и XIII Международных научно-технических уральских школах-семинарах металловедов-молодых учёных, Екатеринбург, 2011, 2012; I и II Международных научно-практических конференциях “Инновации в материаловедении и металлургии”, Екатеринбург, 2011, 2012; Всероссийской научно-практической конференции “Новые технологии - нефтегазовому региону”, Тюмень, 2011; Региональных конференциях “Молодёжь и наука”, Нижний Тагил, 2011, 2012.
Публикации
По материалам исследования опубликовано 12 печатных работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Список 12 работ, отражающих основное содержание диссертации, представлен в конце автореферата.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы; изложена на 115 страницах, включает 53 рисунка, 16 таблиц, список литературы содержит 74 наименования.
Работа выполнена при методическом консультировании доцента, к.т.н. С.Б. Михайлова.
1. Уточнена модель формирования структуры и тепловых свойств углеродсодержащих суперинварных сплавов как при кристаллизации, так и при термической обработке, и впервые показано образование аустенитно-графитной эвтектики в процессе кристаллизации суперинварных сплавов, дополнительно легированных углеродом в диапазоне 0,6%-1,7%. Определены морфология и распределение графитных включений литейных суперинварных сплавов состава Ее- 32%№-4%Со-0,6%С, Ее-32%№-6,4%Со-0,8%С и Ее-34%№-3%Со-1,7%С. Показано, что отжиги (680°С, 3ч; 800°С, 3ч) сплавов с пониженным содержанием углерода 0,6 % и 0,8%С приводят к укрупнению существующих после кристаллизации включений с тенденцией к выделению по границам зёрен у-твёрдого раствора. В сплаве с высоким содержанием углерода (1,7%С) изменение характера существующих графитных центров не происходит, а наблюдается более интенсивное укрупнение существующих включений.
2. Определены значения ТКЛР суперинварных сплавов состава Ее-32%№- 4%Со-0,6%С, Ее-32%№-6,4%Со-0,8%С и Ее-34%№-3%Со-1,7%С в интервале температур 20-1000°С. После нагрева до температуры 1000°С значения ТКЛР в интервале температур 20-100 °С снижаются более чем в два раза по сравнению с ТКЛР, зафиксированными в литом состоянии. Повторные нагревы не приводят к дальнейшему изменению ТКЛР в интервале 20-1000 °С.
3. Исследовано влияние углерода на графитизацию и показано, что в процессе нагрева инварного сплава состава Ее-32%№-6,4%Со-0,8%С в литом состоянии в интервале температур 600-900°С на дилатометрической кривой зафиксировано отклонение от монотонного характера расширения, что можно связать с процессами графитизации и, как следствие, изменением морфологии графита и образованных им включений.
4. Предложено проведение термической обработки сплавов состава Ее- 32%№-4%Со-0,6%С, Ее-32%№-6,4%Со-0,8%С и Ее-34%№-3%Со-1,7%С в ли-том состоянии с нагревом до температуры не менее 800°С, когда заканчивается графитизация с выделением основного количества углерода. Показано, что в результате отжигов (680°С, 3ч; 800°С, 3ч) сплавы становятся более стабильными с точки зрения структурного состояния и физических свойств, т. е. требуемых низких значений ТКЛР.
5. Рекомендовано использовать сплавы с содержанием углерода 0,6% и 0,8%С, так как морфология графитных включений в данных сплавах не претерпевает существенных изменений в процессе повторных нагревов, в отличие от сплава с 1,7%, не обеспечивающего отсутствия тепловых эффектов при циклических нагрузках, в том числе при высоких температурах.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
