CC BY
17
УДК 620.18.620.17:669.245.781.296
Канд. тех. наук О. О. Педаш1, канд. тех. наук Г. А. Бял'ш2, д-р техн. наук Е. I. Цив1рко2
!ЛТ «Мотор Оч», 2ЗапорЬький нащональтй техтчний утверситет; м. Запоржжя
П1ДВИЩЕННЯ ТЕПЛОПРОВ1ДНОСТ1 КЕРАМ1ЧНО1 ЛИВАРНО1 ФОРМИ АЛЮМ1НАТОМ КОБАЛЬТУ
До^джено вплив поверхневого модифкування алюмтатом кобальту (СоЛ^О,) на структуру та властивостi жаромщного нкелевого сплаву ЖС3ЛС-В, залитого в ливарну форму з рiзних температур. Встановлено, що бльш ефективне подрiбнення структури та пдвищення властивостей забезпечувалися при заливант розплаву з температур 1500... 1550 °С. Показано, що подрiбнення структури сплаву при використант алюмтату кобальту вiдбу-ваеться за механизмом застосування мкрохолодильни^в.
Ключовi слова: жаромщний шкелевий сплав, модифкування, алюмтат кобальту, структура.
Вступ
Рашше було показано [1], що застосування алюмшату кобальту (C0AI2O4) як поверхневого модифжатору для жаромiцного сплаву ЖС6У покращило макро- й макроструктуру виливыв, 1х тривалу мiцнiсть на 30...40%. При цьому заз-началося [1], що на позитивний вплив алюмшату кобальту помгтно вплинули його кшьысть на робочш поверхт ливарно! форми й грануломет-ричний склад, швидкiсть заповнення ливарно! форми розплавом, тривалiсть витримки залито! форми у робочому вакуумi плавильно! печi.
Випробування [2] у промислових умовах алюмшату кобальту, нанесеного на робочу поверхню керамiчних електрокорундових форм, для отри-мання авiацiйного литва з нжелевих жаромщних сплав1в у цiлому подтвердило покращення структури й властивостей металу. В той же час спосте-р1галися окремi випадки вiцсутностi впливу алюмшату кобальту, що викликало необхвдтсть провести додатковi випробування по впливу алюм1-нату кобальту при змш1 окремих технологiчних факторiв, зокрема температури розплаву, що за-ливаеться у ливарну форму.
Мета роботи — вивчити вплив температури заливання сплавом ЖС3ЛС-В1 керамiчних форм з алюмшатом кобальту на структуру та власти-вост1 металу.
Методика проведения дослщжеиь
Алюмiнат кобальту виготовляли високотемпе-ратурним сп1канням (1250 °С, 5 год, тч ППГ-3) добре перемшаних порошюв окису кобальту (40%, мас.) та електрокорунду М10 (60%, мас.). Синтезована композиця темно-синього кольо-ру подр1бнювалася для отримання порошку з питомою поверхнею 5500 см2/г. Для нанесення на модельний блок виготовлялася на водному
© О. О. Педаш, Г. А. Бялж, Е. I. qrnipKü, 2015
кремнезольному зв'язувальному суспензiя (сшввщношення рщко! та твердо! фази було 1:4), куди засипали по черзi порошки (%, мас.) алюмшату кобальту (5...6%); електрокорунду М5 (25%); М60 (30%); М40 (45%). Сумш пере-мшувалася протягом 24 годин для отримання робочо! в'язкостi 70 ...75 с за ОСТ1.51896-82 (вюкозиметр ВЗ-4). Отримаш керамiчнi форми проходили термiчну обробку в прохiднiй газовiй печi при температурi 950...1000 ° С протягом 8 годин.
Шихтову заготовку жаромщного нжелевого сплаву ЖС3ЛС-В1 вагою 8 кг розплавляли на установц УППФ-3М та при залишковому тиску в печi 0,665 Па заливали у пщгрт до 950+10 °С керамiчнi форми розплавом при температурах 1500+10 °С, 1550+10 °С, 1600+10 ° С, 1650+10 °С.
З робочо! поверхнi форм з алюмiнатом кобальту (тсля змщнення при температурi 1050 ° С та вибивання виливкiв) гостро заточеною тита-новою скребачкою зiскоблювали не менш 0,1 г робочого шару керамжи та розмщували на пвдкладку з фторопласту. Магштним щупом (гостро заточений полюсний кнцевик та постшний магтт) видаляли дрiбнi металевi часточки з от-риманих порошюв. Фрагменти керамчних форм вивчали щд мiкроскопом МБС-10, а характернi дшянки дослвджували за фотографiями.
Зразки сплаву ЖС3ЛС-В1 проходили термч-ну обробку (нагр1вання 1190+10 ° С, витримка 4 години, охолодження — на повпр), випробовува-лися на установцi Р-5 (тимчасовий опiр при кiмнатнiй температур^ та ДСТ-500 (тривала мiцнiсть зразюв з дiаметром робочо! зони 5 мм при температурi 950 ° С та напруженнi 120 МПа).
Макроструктуру вивчали на ударних зразках та макротемплетах пiсля хiмiчного травлення
(реактив складу 80%НС1 та 20%Н202) за допо-могою мжроскопу МБС-9.
Дендритну структуру вивчали на литих зраз-ках металограф1чним методом на мжроскот М1М-8 при збшьшеннях до х 500. Форму та роз-м1ри макрозерна дослвджували на бшокулярно-му мжроскот МБС-9 при збшьшенш х 4.
М1кроструктуру сплаву вивчали методами яысно! та кшьысно! (метод «Л» и «П» ГОСТ 1778-70) металографи на нетравлених та тсля елекгрол1тичного травлення (реактив Р18: 10 г лимонно! кислоти, 10 г с1рчанокислого амоню та 1200 мл води) шл1фах.
Результати дос.мджень та !х обговорення
Х1м1чний склад сплаву ЖС3ЛС-В1 вс1х дос-л1дних вар1ант1в (%, мас): (0,7—0,8)С; (15,6— 16,3)Сг; (4,6-4,7)Со; (4,40-4,46)Мо; (4,06— 4,15)W; (2,48-2,60)А1; (2,40-2,46)Т1 ввдповвдав вимогам 0СТ1.90127-85.
Металограф1чн1 дослщження робочого шару ливарно! форми з алюмшатом кобальту показали, що тсля зм1цнення при температур 1050 ° С на голубому поверхневому фон1 спостеряалися розгалуджен1 д1лянки з темнуватим ввдтшком (рис. 1, а). Зккоблений порошок був св1тлого ко-льору з характерним блиском, а окрем1 дшянки мали св1тлокоричневий вiцтiнок (рис. 1, в).
На робочш поверхш ливарно! форми п1сля контакту з розплавом, що був залитий при температур! 1550 ° С, спостеркалися в!дносно крупи1 включення темного кольору (рис. 1, б). Зккобле-ний порошок складався в основному з часток св1тлокоричневого та жовтого кольору з вкрап-леннями часток голубого кольору (рис. 1, г).
Магттним щупом з порошку, що був з1скоб-лений з робочо! поверхш форми тсля змщнен-ня !! при 1050 °С магтгаих часток не виявили
(рис. 2, а). ППсля конгaкгу форми з розплавом, що був залитий при температур! 1550 ° С, з з1скобле-ного порошку магттним щупом видали велику кшьысть магнпних часток темного кольору та менше - крупних часток ярко жовтого кольору (рис. 2, б), котр1 щентифжували як крапл затвер-д1лого кобальту [3]. В порошках з робочо! поверхш форми, що були залип металом з температурами 1600 °С та 1650 °С, магн1тних часток не виявили.
а б
Рис. 2. Магштний щуп тсля видалення 1з зкжобленого порошку: а — змщнення керашчно!' форми при температур! 1050 °С; б — тсля контакту з розплавом при 1550 °С
При дослвдженш макроструктури ударних зразк1в (□ 10 мм) було встановлено, що серед вар1ант1в, що розглядаються, мгамальний розмр макрозерна був при заливанш сплаву з 1500°С (рис. 3, а, табл. 1). З ростом температури заливання сплаву, особливо з 1600 ° С й вище, помпно збшьшу-вався розмр макрозерна (рис. 3, в, г, табл. 1).
Дослщження дендритно! мжроструктури сплаву на поверхш та в центр1 зразку показало, що величина дендритно! комрки, яка утворена осями дендрипв другого порядку, збшьшувалась з ростом температури розплаву та вщ перифери до центру зразка (табл. 1).
Рис. 1. Структура поверхш (а, б) та зюкобленого порошку (в, г) ливарно! форми з алюмшатом кобальту тсля змщнення при температур! 1050°С (а, в) та взаемоди розплаву ЖС3ЛС-В1 при 1550 °С (б, г), х 15
Рис. 3. Макроструктура ударних зразюв сплаву ЖС3ЛС-В1 з поверхневим модифжуванням, х 4: а — 1500 °С; б — 1550 °С; в — 1600°С; г — 1650 °С
в
г
в
г
При заливанш розплаву з температури 1650 ° С розмiр дендритно'! комiрки на периферп та в центрi зразка був однаковим (табл. 1), що говорить про перевагу об'емно'! кристашзацп з утво-ренням рiвноосних мiкрозерен. З шдвищенням температури розплаву, що заливаеться в форму, вiдбувапося збшьшення ширини меж м1крозе-рен (рис. 4, а, б) та розмiрiв м1кропор (рис. 4, в, г).
В мiкроструктурi термообробленого сплаву ЖС3ЛС-В1 були присутш карбiди та карбонгт-риди, що розташовувалися по межах та в сере-динi м1крозерен (рис. 4). З тдвищенням температури розплаву середш розмiри карбiдiв збшьшу-валися, а !х кiлькiсть (щдекс забрудненостi I) зменшувалась (табл. 1). В той же час збшьшува-лися розмiри та вмют (об'емний %) карбонгт-ридiв (табл. 1).
Рис. 4. Мжроструктура сплаву ЖС3ЛС-В1 пiсля поверхневого модиф1кування (а, б), усадковi пори (в, г), х100: а, в - 1500 °С; б, г - 1600 °С
Вивчення розподшення карб1д1в та карбонгт-ридiв за розмiрними групами показало, що з п1двищенням температури розплаву, що заливаеться у форму, в структурi помгтно зменшила-ся кiлькiсть карбiдiв, але п1двищилася доля карбщв 61льших розмр1в (рис. 5, а). Так при температура розплаву 1650 ° С приблизно 50% карб1д1в мали розм1ри 5,1...20,0 мкм.
Пор1вняно з карб1дами в структур1 сплаву карбонтриди зустрiчалися р1дше. З пщвищенням температури розплаву, що заливаеться у форму, кшьюсть карбонгтрид1в збшьшувалась (рис. 5, б) та росла частка включень бшьших розм1р1в.
Механ1чн1 випробування металу досл1дних вар1ант1в, а також випробування на тривалу мщтсть показали, що кращ1 показники мщносл та пластичноси, а також тривала мщтсть були отримаш при температур1 розплаву 1500...1550 ° С.
Отриман дан по впливу алюмшату кобальту на структуру та мехатчш властивоси сплаву ЖС3ЛС-В1, що був залитий у ливарш форми в температурному 1нтервал1 1500...1650 ° С, показали, що при температурах 1500, 1550 ° С алюмшат
в
г
кобальту спрацював на покращення показниюв структури й властивостей металу, а при температурах 1600, 1650 ° С його вплив був вщсутшм.
Рис. 5. Кшьюсть та розподшення за розмрними група-ми карбвдв (а) й карбонлридтв (б) в сплавт ЖС3ЛС-В1 при гемперагурi заливання 1500 °С, 1550 °С, 1600 °С, 1650 °С
Вимрюваннями встановлено, що товщина пер-шого робочого шару ливарно! форми, яка скла-далася з суспензи з алюмшатом кобальту й об-сипання iз порошку електрокорунду, не переви-щувала 1,5 мм. Цей шар у нагртй до температу-ри 950 °С формi при контакта з розплавом за короткий промжок часу може прогрiтися до температур редкого металу. Ранте було встановлено [1, рис. 5.1], що поверхня ливарно! форми з алюмшатом кобальту поршняно з електрокорундо-вою набагато краще змочуеться ртдким металом. З пiдвищенням часу контакту редкого металу до 10 хв. крайовий кут змочування знижуеться с 135° до 95° [1, рис. 5.2], що сприяе бшьш активному проходженню дифузшно-капшярним проце-сам взаемоди мж складовими форми й металу.
Параметри кристалтчно! гратки шкелю (а = 35,24 нм) та алюмшату кобальту (а = 81,08 нм) суттево вщртзняються, тому частинки алюмшату кобальту не можуть слугувати гото-вими центрами кристал1зацц для нжелевого сплаву, виходячи тз принципу розмтрно! й структурно! ведповедносп.
До складу жаромщного нжелевого сплаву вхо-дять титан й алюмшш, котрт в умовах високих температур й вакууму портвняно з кобальтом мають значно бшьшу термодинамчну актившсть до кисню, що призводить до вщновлення оксиду кобальту (СоО) у склад алюмшату кобальту до металевого кобальту (температура плавлення кобальту 1495°С). Частинки металевого кобальту розмрами до 15 мкм, що ввдновлений з його окису, були виявлен при нагрТваннт алюмшату кобальту при 1400 °С [3] й бшьш дртбш тсля витрим-ки при температурт 1200 °С [4].
Коефшденти теплопроввдноста (л, Вт/(м-К)) нжелевого сплаву ЖС3ЛС-В1, кобальту й електрокорунду мають величини 60,75 [5], 70,9 и 25,2 ведповвдно. Тому присутшсть часток металевого кобальту в поверхневому шарт ливарно! форми помтно зб1льшуе вщбирання тепла вщ виливка, переохолоджуе розплав, сприяе швидкоста утво-рення центр1в кристатзаци та подртбнюе структуру сплаву, що й спостертгали при заливанш сплаву з температури 1500 ° С й 1550 °С.
При температурт розплаву вщ 1600 ° С й вище час контакту рщкого металу з поверхнею форми збшьшуеться, частинки кобальту перегр]ваються, рщкотекучтсть !х росте та в результата капшяр-них процес1в ввдбуваеться поглинання рщких краплин кобальту розплавом. Теплопровщшсть робочого шару форми зменшилася, вщбулося ук-рупнення макроструктури й попршення власти-востей сплаву (табл. 1).
Отже, вставлен з окису кобальту частки металевого кобальту проявили себе як мжрохоло-дильники, що викликають тдвищення теплово! акумуляци робочого шару форми й сприяють подртбненню структури металу. Розчинення рщких крапель кобальту в розплавт призвело до того, що алюмшат кобальту при температурт 1600 ° С й вище не вплинув на структуру виливка.
Висновки
1. Введення алюмшату кобальту у робочий шар керамчно! форми призводить до подртбнення структури виливктв за мехашзмом застосування мжрохолодильниюв.
2. При заливаннт розплаву з температури 1500...1550 ° С у робочш поверхнт ливарно! форми окис кобальту вщновлюеться до металевого кобальту, котрий мае майже в три рази бшьшу теплопровщшсть портвняно з електрокорундом. Активне тепловщведення вщ розплаву сприяе пере -охолодженню металу виливка, подртбненню струк-тури й покращенню властивостей сплаву.
3. Ливарн форми з алюмшатом кобальту для отримання виливктв зт сплаву ЖС3ЛС-В1 з за-довольняючими яктсними фтзико-механтчними властивостями необхщно заливати розплавом з температурою не вище 1550 ° С.
Список лггератури
1. Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия) / Каблов Е. Н. - М. : МИСИС, 2001. - 632 с.
2. Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик деталей ГТД. Лопатки турбины. Часть II. [Богуслаев В. А., Муравчен-ко Ф. М., Жеманюк П. Д. и др.]. - Запорожье : ОАО «Мотор Сич», 2007. - 496 с.
3. Чапская А. Ю. Получение керамических пигментов на основе шпинелей методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза : автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук : спец. 05.17.11 -
«Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов» — Томск, 2007. — 23 с.
4. J.A. bustnes, N.N. Viswanathan, Du sichen, and S. Seetharaman Investigation on Reduction of C0AI2O4 by Hydrogen gas using TGA. — Metallurgical and materials transactions. Volume 31B, June 2000. - P. 540-542.
5. Педаш О. О. Вплив способ1в модифжування на структуру та властивост1 жаромщних нжелевих сплав1в : дис. ... канд. техн. наук : 05.02.01 / Педаш Олексш Олександрович. — Запор1жжя, 2011. — 173 с.
Поступила в редакцию
Педаш А.А., Бялик Г.А., Цивирко Э.И. Повышение теплопроводности керамической литейной формы алюминатом кобальта
Исследовано влияние поверхностного модифицирования алюминатом кобальта (CoAl2O4) на структуру и свойства жаропрочного никелевого сплава ЖС3ЛС-ВИ, залитого в литейную форму с разных температур. Установлено, что более эффективное измельчение структуры и повышение свойств обеспечивались при заливке расплава с температур 1500...1550 °С. Показано, что измельчение структуры сплава при использовании алюмината кобальта происходит по механизму применения микрохолодильников.
Ключевые слова: жаропрочный никелевый сплав, модифицирование, алюминат кобальта, структура.
Pedash A., Byalik G., Tzivirko E. Increasing of the ceramic casting mould thermal conductivity with cobalt aluminate
Influence of surface modification with cobalt alumínate on the structure and properties of the ЖС3ЛС heat resistant alloy poured into the mould at different temperatures was studied. It has been established that a more efficient structure refining and properties improvement were attained with the melt pouring temperature of 1500...1550 °C. It has been demonstrated that the structure refining of the alloy with the results from a microinoculator doping effect.
Key words: heat resistant nickel alloy, modification, cobalt aluminate, structure.
