Научная статья на тему 'Определение оптимального содержания циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств'

Определение оптимального содержания циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
175
21
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / MECHANICAL PROPERTIES / УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ / TOUGHNESS / 16ХЦ / ФАЗЫ ЛАВЕСА / LAVES PHASES / МИКРОСТРУКТУРА / MICROSTRUCTURE / 16CRZR

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Коновалов Максим Сергеевич, Сапожников Геннадий Вячеславович, Шалаева Татьяна Ильинична

В работе проведены исследования микроструктуры и испытания механических свойств (ударной вязкости, временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения) прутков сплава 16ХЦ с различным содержанием циркония (0,15 мас. %, 0,12 мас. %, 0,04 мас. %). Выяснены причины нестабильного получения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс∙м/см2) сплава 16ХЦ и определено оптимальное содержание циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс∙м/см2).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Коновалов Максим Сергеевич, Сапожников Геннадий Вячеславович, Шалаева Татьяна Ильинична

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DETERMINATION OF THE OPTIMAL CONTENT OF ZIRCONIUM IN THE 16CrZr ALLOY FOR PROVIDE STABLE HIGH VALUES OF MECHANICAL PROPERTIES

Three bars from the alloy 16CrZr have been prepared for the present investigation. The bars differ in the content of zirconium: bar №1 – 0.15 wt.% Zr; bar №2 – 0.12 wt.% Zr; bar №3 – 0.04 wt.% Zr. The initial alloy 16CrZr-VAR (the chemical composition is given in Table 1) has been alloyed with zirconium of the grade E100 in vacuum. The bars have been prepared by extrusion. The chemical analysis shows that all the controlled chemical elements are distributed uniformly throughout the bulks of the three bars. The chemical composition of the prepared bars is presented in Table 2. The investigation of the microstructure of the prepared bars has been conducted and the mechanical properties of the bars such as impact resistance, ultimate strength, yield strength, unit elongation and reduction of cross-sectional area have been tested. It is shown that the reason of the previously obtained inconsistent values of the mechanical properties (the value of impact resistance was about 15 kgf·m/cm2) is the over-alloying of the alloy with zirconium leading to the formation of intermetallic compounds of the Zr(Fe2Cr2) type which are hard and brittle Laves phases by their nature. It has also been established that for providing of consistent improved values of the mechanical properties of the alloy 16CrZr it is necessary that during smelting zirconium should be introduced in the amount providing the fixation of the total nitrogen in nitrides; however, this amount should not be sufficient for the formation of intermetallic compounds of the Zr(Fe2Cr2) type. It is established that the optimal content of zirconium in the alloy 16CrZr can be calculated according to the following formula: C(Zr) = C(N2)·n(Zr)·M(Zr)/n(N2)/M(N2), where C(Zr) is the zirconium weight fraction in the alloy, %; C(N2) is the nitrogen weight fraction in the alloy, %; n(Zr) is the coefficient showing the zirconium amount entering the reaction; M(Zr) is the zirconium molar mass, g/mol.; n(N2) is the coefficient showing the nitrogen amount entering the reaction; M(N2) is the nitrogen molar mass, g/mol.

Текст научной работы на тему «Определение оптимального содержания циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств»

УДК 67.014:67.017:67.02:538.911

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ЦИРКОНИЯ В СПЛАВЕ 16ХЦ ДЛЯ СТАБИЛЬНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОВЫШЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

1,2коновалов м. с., 2,3сапожников г. в., 4шалаева т. и.

1Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7

ОАО «НИИ металлургической технологии», 426010, г Ижевск, ул. Азина, 2 Физико-технический институт Уральского отделения РАН, 426000, г. Ижевск, ул. Кирова, 132 4Научно-исследовательский институт машиностроения, 624740, г. Нижняя Салда, ул. Строителей, 72

АННОТАЦИЯ. В работе проведены исследования микроструктуры и испытания механических свойств (ударной вязкости, временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения) прутков сплава 16ХЦ с различным содержанием циркония (0,15 мас. %, 0,12 мас. %, 0,04 мас. %). Выяснены причины нестабильного получения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см2) сплава 16ХЦ и определено оптимальное содержание циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см2).

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: механические свойства, ударная вязкость, 16ХЦ, фазы Лавеса, микроструктура. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время имеется потребность в прецизионном магнитно-мягком материале, технологии его получения и обработки для изготовления деталей электроклапанов, работающих в экстремальных условиях. В качестве такого материала могут быть использованы сплавы 16Х и 16ХЦ, в том числе после различных видов переплава. При этом предпочтительно использование сплава 16ХЦ, так как он предназначен для изготовления изделий, работающих в условиях агрессивных сред под воздействием ударных нагрузок.

Сплавы на основе железа легируют цирконием до 0,40 мас. % для повышения их прочности, вязкости, износостойкости, прокаливаемости, свариваемости, обрабатываемости, сопротивления коррозии [1, 2]. Цирконий обладает высоким химическим сродством не только к кислороду, но и к азоту, и сере [2, 3], поэтому эффективно влияет на неметаллические включения [1]. Имеются сведения [4], что цирконий способствует равномерному распределению серы по сечению темплета слитка. Микролегирование стали цирконием позволяет полностью устранить сульфидные эвтектики. В работе [5] отмечается, что микролегирование стали цирконием в количестве от 0,07 до 0,10 мас. % позволяет повысить её пластические свойства и особенно ударную вязкость при низких температурах, вплоть до -80 °С. Голубцов В. А. и Лунев В. В. в [1] отмечают, что цирконий универсален и действует как раскислитель, десульфуратор и денитринизатор, что также отмечается в [6, 7].

Таким образом, замена сплава 16Х сплавом 16ХЦ является перспективной задачей, решение которой позволит повысить стабильность и надежность работы электроклапанов.

Несмотря на представляющиеся технико-эксплуатационные преимущества сплава 16ХЦ по сравнению со сплавом 16Х, при производстве деталей электроклапанов в основном используют сплав 16Х, а не 16ХЦ. Это связано с тем, что на сплаве 16ХЦ не удается стабильно получать сочетание повышенных значений механических свойств (со значениями ударной вязкости более 15 кгс-м/см2) при его более высокой стоимости по сравнению со сплавом 16Х.

В связи с этим, цель работы заключалась в выяснении причин нестабильного получения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости

не менее 15 кгс-м/см ) сплава 16ХЦ и определении оптимального содержания циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см ).

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для проведения исследований было изготовлено три прутка сплава 16ХЦ, отличающихся содержанием циркония (пруток № 1 с 0,15 мас. % 2г, пруток № 2 с 0,12 мас. % 2г, пруток № 3 с 0,04 мас. % 2г), методом сплавления в вакууме прутков сплава 16Х-ВИ одной плавки (химический состав представлен в табл. 1) с цирконием марки Э100 и последующей экструзией.

Таблица 1

Химический состав используемого сплава 16Х-ВИ

Массовая доля элементов, %

Ге С Б1 Мп Б Р Сг N1 N О Н

Ост. 0,0042 0,04 0,025 0,0023 0,004 15,75 0,10 0,0069 0,0021 0,00022

Изготовленные опытные образцы прутков из сплава 16ХЦ подвергались следующим методам исследования и испытаний:

1. Определение химического состава сплава

При определении химического состава прутков использовались пробы, отобранные и подготовленные в соответствии с методом отбора проб по ГОСТ 7565.

Химический состав сплава определяли при помощи многоканального оптико-эмиссионного спектрометра ДФС-500, анализатора МЕТЭК-200, анализатора газов АКЬ, рентгенофлуоресцентного спектрометра а-2000, а также методом мокрой химии.

2. Определение ударной вязкости

Ударную вязкость (КСИ) определяли на двух термически обработанных образцах от каждого прутка, изготовленных по типу 1, черт. 1 ГОСТ 9454.

Определение ударной вязкости проводили по методике в соответствии с ГОСТ 9454 на маятниковом копре КМ-30.

3. Определение временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения

Временное сопротивление (предел прочности), предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение площади поперечного сечения контролировали на двух термически обработанных образцах от каждого прутка, изготовленных по типу IV № 7 по ГОСТ 1497.

Испытания и обработку результатов по определению временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения проводили в соответствии с ГОСТ 1497 на универсальной испытательной машине 1958У-10-1.

4. Металлографические исследования

Контроль микроструктуры проводили на термообработанных образцах от прутков при помощи инвертированного металлографического микроскопа Альтами-МЕТ. В качестве травителя использовался раствор Марбле.

Термообработку всех образцов проводили по режиму «Отжиг с учетом имитации пайки» (нагрев до 1260 °С, выдержка при этой температуре 15 минут ^ охлаждение до 1000 °С, выдержка при этой температуре 1 час ^ охлаждение со скоростью 100 °С/ч до 950 °С, выдержка при этой температуре 2 часа ^ охлаждение до 800 °С со скоростью 100 °С/ч ^ охлаждение в вакуумированном контейнере на воздухе под вентилятором (скорость охлаждения - не менее 400 °С/ч).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Химический анализ показал, что цирконий и все остальные контролируемые химические элементы во всех трех изготовленных прутках распределились равномерно по всему объему. Химический состав изготовленных прутков приведен в табл. 2.

Таблица 2

Химический состав полученных прутков сплава 16ХЦ; мас. %

№ прутка С Б1 Мп Б Р гг Сг N О Ге

1 0,004 0,05 0,03 0,002 0,005 0,15 15,59 0,0055 0,0012 Осн.

2 0,004 0,04 0,03 0,002 0,005 0,12 15,53 0,0054 0,0011

3 0,004 0,05 0,03 0,002 0,005 0,04 15,55 0,0059 0,0014

Таким образом, полученные прутки удовлетворяли поставленным требованиям в части химического состава, а также удовлетворяли требованиям по обеспечению порога хладноломкости ниже 0 °С, выдвинутым в [8, 9], а именно суммарное содержание углерода и азота не превысило 0,015 мас. %, содержание марганца не превысило 0,05 мас. %, содержание кремния не превысило 0,2 мас. %, содержание кислорода и фосфора не превысило 0,01 мас. % каждого.

От прутков были отобраны образцы по типу 1, черт. 1 ГОСТ 9454 для определения ударной вязкости (образцы от прутка № 1 были промаркированы клеймами 1.1, 1.2; образцы от прутка № 2 были промаркированы клеймами 2.1, 2.2; образцы от прутка № 3 были промаркированы клеймами 3.1, 3.2). Также были отобраны образцы по типу IV № 7 по ГОСТ 1497 для определения временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения (образцы от прутка № 1 были промаркированы клеймами 1.3, 1.4; образцы от прутка № 2 были промаркированы клеймами 2.3, 2.4; образцы от прутка № 3 были промаркированы клеймами 3.3, 3.4).

Все отобранные образцы термообработали по режиму «Отжиг с учетом имитации пайки», после чего подвергли испытаниям.

В результате проведения механических испытаний были получены значения ударной вязкости, временного сопротивления (предела прочности), предела текучести, относительного удлинения и относительного сужения площади поперечного сечения, которые представлены в табл. 3.

Фотографии изломов образцов после испытания на ударную вязкость, отобранных от прутка № 1 представлены на рис. 1, от прутка № 2 - на рис. 2, от прутка № 3 - на рис. 3.

Таблица 3

Механические свойства термообработанных образцов сплава 16ХЦ

Номер образца Ударная вязкость, КСИ; кгс-м/см2 Временное сопротивление оВ; МПа Предел текучести о02; МПа Относит. удлинение 5; % Относит. сужение у; %

1.1 1,8 - - - -

1.2 2,9 - - - -

1.3 - 352 196 50 79

1.4 - 396 200 43 81

2.1 2,4 - - - -

2.2 3,0 - - - -

2.3 - 338 200 43 72

2.4 - 343 205 42 75

3.1 37,3 (не разрушился) - - - -

3.2 36,7 (не разрушился) - - - -

3.3 - 338 225 41 71

3.4 - 343 235 40 75

Рис. 1. Изломы после испытания на ударную вязкость образцов, отобранных от прутка № 1:

а) 1.1; б) 1.2

Рис. 2. Изломы после испытания на ударную вязкость образцов, отобранных от прутка № 2:

а) 2.1; б) 2.2

а) б)

Рис. 3. Изломы после испытания на ударную вязкость образцов, отобранных от прутка № 3:

а) 3.1; б) 3.2

По внешнему виду испытанных на ударную вязкость образцов можно сказать, что образцы с содержанием циркония 0,15 и 0,12 мас. % имеют хрупкий излом, а образцы с содержанием циркония 0,04 мас. % имеют вязкий излом.

Таким образом, повышение содержания циркония в сплавах 16ХЦ приводит к повышению значений временного сопротивления (предела прочности) и относительных удлинения и сужения, а также к снижению значений предела текучести и ударной вязкости. При этом, наилучшее сочетание значений механических свойств, необходимое для изготовления ответственных деталей (например, электроклапанов, работающих под

воздействием ударных нагрузок) показали образцы с пониженным содержанием циркония (0,04 мас. %).

Так как прутки, из которых были изготовлены образцы для испытаний, принципиально отличались друг от друга только содержанием циркония, то было выдвинуто предположение, что решающее влияние на механические свойства сплава 16ХЦ (главным образом на значения ударной вязкости) оказывает цирконий.

С целью определения оптимального содержания циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см ) было решено определить каким именно образом цирконий снижает значения ударной вязкости и приводит к хрупкому разрушению ударных образцов. В связи с этим были проведены металлографические исследования термообработанных по режиму «Отжиг с учетом имитации пайки» образцов от изготовленных прутков с различным содержанием циркония (образец от прутка № 1 был промаркирован клеймом 1.5, образец от прутка № 2 был промаркирован клеймом 2.5, образец от прутка № 3 был промаркирован клеймом 3.5). В результате проведенных исследований были получены фотографии микроструктуры, представленные на рис. 4.

На полученных микрошлифах от прутков с содержанием циркония 0,12 и 0,15 мас. % (рис. 4, а и рис. 4, б, соответственно) наблюдаются светлые включения, которые отсутствуют на микрошлифе от прутка с содержанием циркония 0,04 мас. % (рис. 4, в). При этом размер зерен на всех микрошлифах одинаков и соответствует номеру 2 ^ 3 по ГОСТ 5639.

в)

Рис. 4. Фотографии микроструктуры образцов: 1.5 (а), 2.5 (б), 3.5 (в)

С учетом того, что свободная энергия образования оксида циркония выше свободной энергии образования оксида алюминия, который применялся для раскисления сплава, свободная энергия образования нитрида циркония много ниже свободных энергий образования нитридов других элементов [1, 10], входящих в состав изготовленных прутков, и из [11] известно, что при температуре ниже 800 °С цирконий не растворяется ни в железе, ни в хроме (присутствуют смеси фаз а-железа с Бе^г (в соответствии с диаграммой

состояний системы Бе - 2г) и хрома с Сг22г (в соответствии с диаграммой состояний системы Сг - 2г), был сделан вывод, что цирконий в полученных прутках сплава 16ХЦ, должен был находиться в виде нитридов циркония и интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2). Причем, с учетом того, что свободная энергия образования нитрида циркония ниже свободной энергии образования интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2), был сделан вывод, что образование интерметаллических соединений произошло после того как весь азот был связан цирконием в нитриды.

В связи с тем, что прутки, из которых были изготовлены образцы для испытаний, принципиально отличаются друг от друга только содержанием циркония, а содержание азота в прутке № 3 с массовой долей циркония 0,04 % сопоставимо с содержанием азота в прутках с массовой долей циркония 0,12 и 0,15 %, был сделан вывод, что в прутке № 3 весь цирконий находился в виде нитридов, а в прутках № 1 и № 2, оставшийся после связывания всего азота в нитриды цирконий выделился в виде интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2), которые были обнаружены на фотографиях микроструктуры на рис. 4, а, б как светлые включения.

Данные выводы хорошо согласуются с расчетными данными в соответствии с уравнением:

С (2г ) :

С (N 2) • п(2т ) • М (2т )

п( N 2) • М (N 2)

где С (2т) - массовая доля циркония в сплаве, %; С (^) - массовая доля азота в сплаве, %; п(2т) - коэффициент, показывающий количество циркония вступающего в реакцию; М(2т) - молярная масса циркония, г/моль; п^2) - коэффициент, показывающий количество азота вступающего в реакцию; М(N3) - молярная масса азота, г/моль.

Таким образом, в результате расчетов было установлено, что в прутке № 3 с массовой долей азота 0,0059 % для полного его связывания в нитрид циркония необходимо было получить 0,0384 мас. % 2г, а фактически получено 0,04 мас. % 2г, что позволило избежать выделения интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2); в прутках № 1 и № 2 с массовой долей азота 0,0055 и 0,0054 %, соответственно, для полного его связывания в нитрид циркония необходимо было получить 0,0358 и 0,0351 мас. % 2г, соответственно, а фактически получено 0,15 и 0,12 мас. % 2г, соответственно, что привело к выделению интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2).

Связывание азота цирконием является положительным действием, так как за счет этого сплав становится нестареющим, измельчается зерно и очищаются границы зерен, что сопровождается повышением значений механических свойств (главным образом ударной вязкости). Образование же интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2), которые по своей природе являются фазами Лавеса, оказывается отрицательным действием циркония, так как данные фазы очень твердые и хрупкие [8, 12, 13].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что причиной нестабильного получения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см2) сплава 16ХЦ является избыточное легирование сплава цирконием, которое приводит к образованию интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2), являющихся по своей природе твердыми и хрупкими фазами Лавеса.

Показано, что для стабильного обеспечения повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее 15 кгс-м/см ) сплава 16ХЦ необходимо при выплавке вводить цирконий в количестве, обеспечивающем связывание всего азота в нитриды, но недостаточном для образования интерметаллических соединений типа 2г(Бе2,Сг2).

Оптимальное содержание циркония в сплаве 16ХЦ для стабильного обеспечения

повышенных значений механических свойств (значений ударной вязкости не менее

2

15 кгс-м/см ) может быть рассчитано по формуле

С (Zr ) =

С ( N 2) • n(Zr ) • M (zZr ) n( N 2) • M ( N 2)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голубцов В. А., Лунев В. В. Модифицирование стали для отливок и слитков. Челябинск-Запорожье :

Изд-во ЗНТУ, 2009. 356 с.

2. Поволоцкий Д. Я. Раскисление стали. М. : Металлургия, 1972. 208 с.

3. Крещановский Н. С., Сидоренко М. Ф. Модифицирование стали. М. : Металлургия, 1970. 296 с.

4. Неймарк В. Е. Модифицированный стальной слиток. М. : Металлургия, 1977. 200 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Харченко В. А., Хотина В. И. Влияние добавок титана и ниобия на свойства стали // Материалы Респ.

НТК «Теория и практика микролегирования и модифицирования сталей». Донецк : Изд-во ДПИ, 1971. С. 88-90.

6. Солнцев Ю. П. Хладостойкие стали и сплавы : учебник для вузов. СПб. : Химиздат, 2005. 480 с.

7. Kiichi Narita, Yoshihiro Yamaguchi, Naoomi Yagi, Takashi Shimohata. Resulphurized Steels Containing

Zirconium // Tetsu-To-Hagane, 1976, vol. 62, no. 7, pp. 885-894.

8. Гольштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. М. : Металлургия, 1985. 408 с.

9. Ульянин Е. А. Коррозионностойкие стали и сплавы : справочник / изд. 2-е. М. : Металлургия, 1991. 256 с.

10. Куликов И. С. Термодинамика карбидов и нитридов : справочное издание. Челябинск : Металлургия. Челябинское Отделение, 1988. 320 с.

11. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник в трех томах / под общ. ред. Н. П. Лякишева. М. : Машиностроение, 1997. Т. 2 1024 с.

12. Гуляев А. П. Металловедение : учебник / изд. 5-е перераб. М. : Металлургия, 1977. 650 с.

13. Материаловедение и технология металлов : учебник / под ред. Г. П. Фетисова. М. : Высшая школа, 2001. 638 с.

DETERMINATION OF THE OPTIMAL CONTENT OF ZIRCONIUM IN THE 16CrZr ALLOY FOR PROVIDE STABLE HIGH VALUES OF MECHANICAL PROPERTIES

12Konovalov M. S., 2 3Sapozhnikov G. V., 4Shalaeva T.I.

:Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia 2JSC «Research Institute of metallurgical technology», Izhevsk, Russia

3Physical-Technical Institute, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia 4Research Institute of mechanical engineering, Lower Salda, Russia

SUMMARY. Three bars from the alloy 16CrZr have been prepared for the present investigation. The bars differ in the content of zirconium: bar №1 - 0.15 wt.% Zr; bar №2 - 0.12 wt.% Zr; bar №3 - 0.04 wt.% Zr. The initial alloy 16CrZr-VAR (the chemical composition is given in Table 1) has been alloyed with zirconium of the grade E100 in vacuum. The bars have been prepared by extrusion.

Table 1

The chemical composition of the alloy 16Cr-VAR, wt. %

Fe C Si Mn S P Cr Ni N O H

base 0.0042 0.04 0.025 0.0023 0.004 15.75 0.10 0.0069 0.0021 0.00022

The chemical analysis shows that all the controlled chemical elements are distributed uniformly throughout the bulks of the three bars. The chemical composition of the prepared bars is presented in Table 2.

Table 2

The chemical composition of the bars prepared from the alloy 16CrZr-VAR; wt.%

Bar № C Si Mn S P Zr Cr N O Fe

1 0.004 0.05 0.03 0.002 0.005 0.15 15.59 0.0055 0.0012 basis metal

2 0.004 0.04 0.03 0.002 0.005 0.12 15.53 0.0054 0.0011

3 0.004 0.05 0.03 0.002 0.005 0.04 15.55 0.0059 0.0014

The investigation of the microstructure of the prepared bars has been conducted and the mechanical properties of the bars such as impact resistance, ultimate strength, yield strength, unit elongation and reduction of cross-sectional area have been tested. It is shown that the reason of the previously obtained inconsistent values of the mechanical properties (the value of impact resistance was about 15 kgf-m/cm2) is the over-alloying of the alloy with zirconium leading to the formation of intermetallic compounds of the Zr(Fe2Cr2) type which are hard and brittle Laves phases by their nature.

It has also been established that for providing of consistent improved values of the mechanical properties of the alloy 16CrZr it is necessary that during smelting zirconium should be introduced in the amount providing the fixation of the total nitrogen in nitrides; however, this amount should not be sufficient for the formation of intermetallic compounds of the Zr(Fe2Cr2) type.

It is established that the optimal content of zirconium in the alloy 16CrZr can be calculated according to the following formula:

= C(N2) • n(Zr) • M(Zr) n(N2) • M(N2)

where C(Zr) is the zirconium weight fraction in the alloy, %; C(N2) is the nitrogen weight fraction in the alloy, %; n(Zr) is the coefficient showing the zirconium amount entering the reaction; M(Zr)is the zirconium molar mass, g/mol.; n( N2) is the coefficient showing the nitrogen amount entering the reaction; M (N2) is the nitrogen molar mass, g/mol.

KEYWORDS: mechanical properties, toughness, 16CrZr, Laves phases, microstructure. REFERENCES

1. Golubtsov V. A., Lunev V. V. Modifitsirovanie stali dlya otlivok i slitkov [Modification of steel castings and

ingots]. Chelyabinsk-Zaporozhye: ZNTU Publ., 2009, 356 p.

2. Povolotskiy D. Ya. Raskislenie stali [Steel deoxidation]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1972, 208 p.

3. Kreshchanovskiy N. S., Sidorenko M. F. Modifitsirovanie stali [Modification of steel]. Moscow: Metallurgiya

Publ., 1970, 296 p.

4. Neymark V. E. Modifitsirovannyy stal'noy slitok [A modified steel strip]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1977,

200 p.

5. Kharchenko V. A., Khotina V. I. Vliyanie dobavok titana i niobiya na svoystva stali [Effect of titanium and

niobium additives on the properties of steel]. Materialy Resp. NTK Teoriya i praktika mikrolegirovaniya i modifitsirovaniya staley. Donetsk: DPI Publ., 1971, pp. 88-90.

6. Solntsev Yu. P. Khladostoykie stali i splavy : uchebnik dlya vuzov [Cold-resistant steels and alloys: a textbook for

high schools]. Saint Petersburg: Khimizdat Publ., 2005, 480 p.

7. Kiichi Narita, Yoshihiro Yamaguchi, Naoomi Yagi, Takashi Shimohata. Resulphurized Steels Containing

Zirconium. Tetsu-To-Hagane, 1976, vol. 62, no. 7, pp. 885-894.

8. Gol'shteyn M. I., Grachev S. V., Veksler Yu. G. Spetsial'nye stali [Special steels]. Moscow: Metallurgiya Publ.,

1985, 408 p.

9. Ul'yanin E. A. Korrozionnostoykie stali i splavy : spravochnik, izd. 2-e [Corrosion-resistant steels and alloys: a

handbook, ed. 2nd]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1991, 256 p.

10. Kulikov I. S. Termodinamika karbidov i nitridov : spravochnoe izdanie [Thermodynamics of nitrides and carbides: a reference book]. Chelyabinsk: Metallurgiya, Chel. Otd. Publ., 1988, 320 p.

11. Diagrammy sostoyaniya dvoynykh metallicheskikh sistem : spravochnik v trekh tomakh / pod obsh. red. N. P. Lyakisheva [The diagrams of binary metallic systems: a handbook in three volumes]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1997, vol. 2, 1024 p.

12. Gulyaev A. P. Metallovedenie : uchebnik / izd. 5-e [Metallurgy: the textbook / ed. 5th] Moscow: Metallurgiya Publ., 1977, 650 p.

13. Materialovedenie i tekhnologiya metallov : uchebnik, pod red. G. P. Fetisova [Materials science and technology of metals, a textbook]. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 2001, 638 p.

Коновалов Максим Сергеевич, магистрант ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, начальник лаборатории Нанометаллургических технологий ОАО «НИИМТ», тел. 8 (912) 760-37-53, е-mail: maksm.kov@mail.т

Сапожников Геннадий Вячеславович, кандидат физико-математических наук ФТИ УрО РАН, заместитель генерального директора по качеству ОАО «НИИМТ», тел. 8 (3412) 91-09-48

Шалаева Татьяна Ильинична, инженер-конструктор 2 кат. НИИМаш, тел. 8 (34345) 3-65-72

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.