CC BY
8
УДК 620.22:669.15-198
О. А. Глотка, А. Д. Коваль
ВИКОРИСТАННЯ ВАЖКОТОПКОГО БРУХТУ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ РБ^ Л1ГАТУРИ
Виготовлено лггатуру з використанням важкотопкого брухту, що м1стить в своему складI приблизно 80 % (мас.) вольфраму. Досл1джено структуру, хгмгчний склад, тверд1сть окремих фаз та загальну тверд1сть, визначенг структурнг складовI експериментальних стотв. Вказану лггатуру плануеться використати для виготовлення Iнструментальних сталей.
При використант легуючих елеменив з високою температурою плавления, у «чистому» вигляд^ !х розчинення в рщкому стот потребуе великого часу. Феросплави з вм^ом важкотопких елеменпв швид-ко розчиняються в стальнiй ваннi завдяки вмюту в них залiза. Час розчинення при цьому скорочуеться зi збшьшенням вмiсту залiза в стопi [1].
Феровольфрам витоплюють з використанням вольфрамовмкних руд з додаванням стружки або окалини залiза. Для реакцл вщновлення вводять на-фтовий або коксовий пек, гранульований феросилiцiй чи порошкоподабний алюмiнiй [2]. У ввдповвдюсп з ГОСТом 17293-82 кшьшсть вольфраму в стопах коливаеться в межах 65-80 % (мас.).
В останш роки цша на легукш елементи суттево пiдвищилась, тому використання високолегованих сталей, до яких належать iнструментальнi стал^ об-межуеться. Аналiз ринку металопродукцп показуе, що коштовнiсть феровольфраму коливаеться в межах 220-230 грн./кг [3, 4]. В той же час варпсть важкотопкого брухту, що мютить вольфрам, стано-вить 55-80 грн./кг [5]. Отже, використання брухту iз певшм вмiстом легувального елемента суттево знизить собiвартiсть високовольфрамових шстру-ментальних сталей, а також шших вольфрамовмет-них стопiв [6].
Метою роботи е виготовлення та дослвдження Бе-W лiгатури витоплено! при використанш важкотопкого брухту, що мютить вольфрам, та порiвияния за яшстю iз феровольфрамовими стопами з метою використання тако! лтатури для легування iнструмен-тальних сталей.
Матерiали та методика дослвдження
Для виготовлення Бе^ лiгатури використову-вався важкотопкий брухт (системи W-Ni-Fe), що мiстить в своему склащ бiля 80% (мас.) вольфраму [7] та техшчно чисте залiзо. Витоплення лiгатури проводилось в печi ОКБ 862 на повг^ в графиово-му тиглi, на^вання здiйснювали до повного роз-топлення компоненпв. Було витоплено 6 злившв масою по 200 грамiв кожний, з вмiстом брухту 30,
© О. А. Глотка, А. Д. Коваль, 2008
50 та 70 % (мас.) (по 2 плавки вщповщно).
Дослвдження мшроструктури проводили на мжроскош М1М-8М, обладнаного цифровою фотокамерою «Olympus». Зразки механiчно по-лiрували та травили в реактивi «Марбле» (100 мл HCl, 20 гр CuSO4 , 100 мл H2O) впродовж 5-10 секунд.
Дослщження фазового складу стопiв виконано на дифрактометрi ДРОН-1 у мщному випромiню-ваннi з монохроматизацiею дифракцшних променiв. Природу фаз визначали, порiвнюючи експеримен-тальнi значення мiжплощинних ввдстаней
dhkl
d
HKL
i3 табличними даними [8]. Похибка
при вимiрюваннi не перебiльшувала 1,36-10-4 нм.
Мiкротвердiсгь дослвджуваласъ ввдповщно ГОСТ 9450-76 на приладi ПМТ-3 при навантаженш в 0,5 Н. Зразки для вимiрювання мiкро-твердостi шлiфу-вали, полiрували i травили так само, як i для досль дження мжроструктури.
Макрогверд1стъ вимiрювали на твердомiрi типу ТК-2 зпдно з ГОСТ 9013-59 за шкалою «С» з попередтм навантаженням Р0 = 100 Н, та основним навантажен-ням Р1 = 1400 Н, одже загалъне навантаження скла-дае Р = 1500 Н, а похибка при вишрюванш не пере-вищуе 1-2 одиниц1.
Хiмiчний склад та мжроструктуру зразк1в досл-щжували з використанням растрового електронно-го мжроскопа JSM 6360 фiрми JEOL (Японiя), який оснащений системою рентгеноспектралъного енер-годисперсiйного мiкроаналiзу (РСМА) JED 2200 при прискорювалънш напрузi 15 кВ та силi струму зонда 4 нА у вторинних електронах. Кiлъкiстъ кожного елемента визначаласъ при порiвняннi штенсивнос-тей випромiнювання зразка з iнгенсивнiстю еталонiв, як постачаютъся разом з програмним забезпечен-ням. Дослiдження проводили на мехашчно по^ро-ваних зразках з наступним хiмiчним травленням (ви-користовувався реактив «Марбле» впродовж 5-10 секунд).
Результата дослвдження та Тх обговорення
При витопленш лiгатури була зафiксована змiна
n
маси зливка порiвняно з масою шихти. Рiзниця ко-ливалася в межах вщ 1 % (для стопа з 30 % (мас.) брухту) до 6,7 % (для стопа з 70 % (мас.) брухту).
Зразки для дослщження м^оструктури ви^за-лися паралельно вертикальнш осi зливка з метою дослщження розподiлу вольфраму. На травлених зразках без використання збiльшуючих приладiв спостертаеться наявнiсть мiкрорельeфу (рис. 1). На зразку стопа iз 30 % (мас.) брухту спостер^аються рiвновiснi зерна, однорщт за розмiром (рис. 1, а). Зразки з 50 % та 70 % (мас.) брухту мають на по-верхт наявшсть голкоподiбних включень (рис. 1, а, б).
в
Рис. 1. Макрошл1фи отриманих зливюв:
а - стоп з 30 % (мас.) брухту; б - стоп з 50 % (мас.) брухту; в - стоп з 70% (мас.) брухту; (х1,5)
Дослвдження мшроструктури стопа показало, що стоп з 30 % (мас.) брухту мае однорвдну структуру з великим розмiром зерна без поминих при даному збшьшент вкраплень, за рахунок повiльного охолод-ження в графповому тиглi (рис. 2). Рентгенострук-турний аналiз показав, що структура складаеться з а- твердого розчину на основi залiза та штермета-лвдно! сполуки Fe2W (1 фаза) (табл. 1). 1нтерме-талщ утворюеться за перитекто1дною реакцiею при температурi 1060 °С iз а ^е) та ц-фази (Fe7W6) [9]. Fe2W зникае при довготривалих вщпалах (2000 год.) при температурi 1000 °С i мае перiод гратки а = 0,4737 нм та Ь = 0,7700 нм. Вимiри мiкротвер-достi зразка мали середнш результат на рiвнi 7340 МПа, а макротвердiсть дорiвнювала 39 ИЯС.
Таблиця 1 - Мiжплощиннi ввдсташ та iнтен-сивностi лшш експериментально визначених зi стопа 30 % (мас.) брухту та довщникових фаз
Зразок ¡з стопу, що мютить 30 % (мас.,) брухту Табличш значения йны,, нм
Кут 2© dнKL, нм 1нтенсившсть, % а^е) Fe2W
38,16 0,2358 39 0,236
41,39 0,2181 43 0,218
43,69 0,2071 34 0,205
44,61 0,2031 100 0,2010 0,201
45,90 0,1977 16 0,198
52,62 0,1739 5 0,174
57,80 0,1595 6 0,160
59,67 0,1549 4 0,155
64,79 0,1438 26 0,1428 0,144
68,34 0,1372 6 0,137
70,81 0,1330 10 0,133
72,77 0,1299 9 0,129
77,61 0,1230 8 0,123
77,95 0,1225 9 0,122
78,89 0,1213 5 0,121
82,06 0,1174 45 0,1166
85,86 0,1131 4 0,113
86,62 0,1123 5 0,112
89,77 0,1092 7 0,109
91,04 0,1080 5 0,108
92,40 0,1068 4 0,106
98,78 0,1015 17 0,1010 0,101
Рис. 2. Мжроструктура стопу ¡з вм1стом брухту 30 % (х130)
Мкроструктуру стопа iз 50 % (мас.) брухту наведено на рисунку 3 при рiзних збшьшеннях. Спостер-¡гаеться присутнiсть, що найменше двох структур-них складових в полi шлiфа. Вимiрявши мжрот-верд1сть, маемо середне значення 21210 МПа для свило! складово! та 6290 МПа для темно! складо-во! структури. Дослiдження фазового складу стопа (табл. 2) показало, що структура складаеться з а- твердого розчину на основi залiза та ¡нтермета-лiда Fe7W6. Сполука Fe7W6 (ц- фаза) утворюеться в системi за перитектичною реакцiею з розплаву, який мiстить 20,6 % (ат.) вольфраму [9]. За дани-ми [10] штерметалвд стабшьний в широкому iнтервалi температур, вiд 1637 °С до кiмнатно!, i зникае лише при витримщ 1000 °С впродовж 2000 годин. ц- фаза мае межу гомогенносп вiд 39 % (ат.) до 45 % (ат.) W [11]. В залежносп ввд хiмiчно-го складу змшюеться i перiод гратки: а = 0,4755 нм Ь = 2,583 нм - для стопiв з великим вмютом залiза; а = 0,4771 нм, Ь = 2,596 нм - для стотв з великим вмктом вольфраму. Для визна-чення розподiлу елементiв в структурi використа-но метод РСМА (рис. 4) З карт розпод^ легую-чих елементiв видно, що пластинчаста фаза мiстить значну кiлькiсть вольфраму i невелику кiлькiсть залiза. Результат визначення хiмiчного складу структурних складових показано на рисунку 5. За хiмiчним складом пластинчаста фаза не ввдпо-
вiдае формулi Fe7W6, але слад вважати що стоп мктить не два компонента, а принаймш три Fe-Ni). Це може приводити до зсуву концентрац-¡йного iнтервалу iснування ц- фази в межи мен-ших концентрацiй вольфраму. Окрiм цього, в робот [12] приводиться, що фаза може ввдповщати формулi FeзW2, тобто змшювати спiввiдношення мiж вмiстом елементiв в залежносп вiд умов кри-сталiзацi! та кiлькостi вольфраму. Середня макро-твердiсть стопу складае 51 ИЯС.
Стоп iз 70 % (мас.) важкотопкого брухту мае схожу мжроструктуру зливку зi стопом 50 % (мас.) брухту (рис. 6). В верхнш частиш зливку (де охолод -ження вiдбувалося iз бiльшою швидк1стю внаслiдок контакту з повирям) спостерiгаеться пластинчаста (голчаста) морфолопя видiлень (рис. 6, а). Знизу зливка маемо бiльш округлi частинки вид1лень (охо-лодження ввдбувалося упо-вшьнено внаслiдок контакту з графиовим тиглем) в поеднаннi з пластинча-тими (рис. 6, б).
Таблиця 2 - Мжплощинш вiдстанi та iнтен-сивност1 лiнiй, експериментально визначених зi стопа 50 % (мас.) брухту та довщникових фаз
Рис. 3. Мжроструктура стопу ¡з вм1стом 50 % (мас.) важкотопкого брухту: а - х 113; б - х250
Зразок ¡з стопу, що мютить 50 % (мас.) брухту Табличш значення нм
Кут 2© йнки нм 1нтенсившсть, % а (Fe) Fe7W6
31,17 0,2869 10 0,287
35,40 0,2535 7 0,253
41,18 0,2376 99 0,37
41,18 0,2192 55 0,219
42,01 0,2150 99 0,215
43,52 0,2079 80 0,208
44,47 0,2037 100 0,21 0,204
46,29 0,1961 12 0,196
47,55 0,1912 46 0,192
49,80 0,1830 8 0,183
50,81 0,1796 13 0,180
52,65 0,1738 6 0,174
57,17 0,1611 7 0,161
59,52 0,1553 6 0,155
61,53 0,1507 5 0,151
64,80 0,1438 22 0,1428 0,143
68,40 0,1371 11 0,137
70,83 0,1330 20 0,133
71,66 0,1316 10 0,131
72,58 0,1302 14 0,130
74,76 0,1269 6 0,127
77,69 0,1229 61 0,123
81,93 0,1175 29 0,1166
84,64 0,1145 7 0,114
86,82 0,1121 8 0,111
89,82 0,1091 13 0,108
91,54 0,1075 11 0,1066
95,03 0,1045 9 0,1063
97,39 0,1026 11 0,101
98,38 0,1018 11 1,01 0,099
б
1 100 [Ш1
V/ М
W
Рис. 4. Розподш легувальних елемент!Б в структурних складових стопа з вмютом 50 % (мас.) брухту
Шсля дослвдження структури стопа на прилад1 ДРОН-1 отримали наступний результат (табл. 3). Окр1м фаз а (Бе) та , як1 присутт в стот з 50 %
(мас.) брухту, з'являеться а твердий розчин на основ! вольфраму. Дослвдження розподалу елеменпв по поверхш шл1фа показало, що твердий розчин на основ! вольфраму присутнш в пластинчастих видшен-нях, причому к1льк1сть вольфраму знижусться в1д центра до перифери (рис. 7). Х1м1чний склад структурних складових наведено на рис. 8. Имов1рно, що частинки вольфраму, яш потрапили в стоп з важко-топким брухтом та не розчинилися в розплав^ ста-ють центрами зародження ц - фази. Також можлива недостатня к1льк1сть зал1за для утворення штерметаль да. Мшро-твердоть як пластинчастих, так 1 округлих видшень мае однакове значення на р1вт 19760 МПа, а матриц - 10050 МПа. Макротвердкть зливка ста-новить 52 ИЯС.
Для перев1рки наявносп домшок в лтатурах ви-користано метод РСМА. Таю елементи, як арка, фосфор, кремнш, марганець та вуглець знаходяться за зоною чугливостi приладу. Пори- розтзнання арки та фосфору знаходиться за вмiсгом 0,05 %(мас.), кремнш та марганцю - 0,3 % (мас.), а вуглецю - 0,1 % (мас.). Порiвнюючи отримат результати з ГОСТом 17293-93 маемо ввдповвдшсть за хiмiчним складом стандартним стопам феровольфраму.
Таким чином тсля дослiдження лiгатур i прове-деного аналiзу, слiд зробити висновок, що за хiмiчним складом, структурою та домшками виго-товлеш лiгатури прирiвнюються до стандартних фе-ровольфрамових стопiв i можуть використовувати-ся для легування стопiв на основi залiза. В подаль-шому заплановано виготовлення високовольфрамо-вого шструментального стопу та його дослщження.
Таблиця 3 - Мiжплощиннi вщсташ та штен-
сивносгi лшш, експериментально визначених зi стопа 70 % (мас.) брухту та довщникових фаз
Зразок ¡з стопу, що мютить 70 % (мас.) брухту Табличш значення йнк1, нм
Кут 2© 'Ликь нм 1нтен- сившсть, % «1 Fe7W6 а2 (Бе)
35,44 0,2532 9 0,253
37,80 0,2379 65 0,237
40,42 0,2231 100 0,223
41,29 0,2186 95 0,219
42,04 0,2149 46 0,215
43,51 0,2079 86 0,208
44,30 0,2044 100 0,204 0,201
46,32 0,1960 17 0,196
47,37 0,1919 16 0,192
49,77 0,1832 8 0,183
50,98 0,1791 6 0,180
52,55 0,1741 5 0,174
57,15 0,1611 9 0,161
58,44 0,1579 58 0,158
59,67 0,1549 7 0,155
61,49 0,1507 7 0,151
64,79 0,1435 5 0,143
65,54 0,1421 5 0,142
66,79 0,1400 6 0,140
68,20 0,1375 11 0,137
70,54 0,1335 16 0,133
72,26 0,1307 21 0,131
73,41 0,1289 72 0,129 0,129
77,66 0,1229 21 0,123
80,68 0,1190 12 0,114
81,68 0,1178 13 0,116
87,27 0,1117 17 0,117
89,67 0,1093 12 0,111
95,21 0,1043 9 0,1066
96,74 0,1031 7 0,1063
97,87 0,1022 8 0,101
101,04 0,0998 31 0,1000 0,0997
022
б
№ точки Юльюсть елемента (% мас.) [% ат.] Всього, %
Fe № W
020 62,85 [81,74] 4,27 [4,27] 32,88 [12,98] 100
021 34,34 [62,34] 1,26 [2,18] 64,4[35,48] 100
022 65,52 [82,54] 5,24 [6,28] 29,25 [11,18] 100
Рис. 5. Результат РСМА в р1зних точках по поверхш стопа з вмятом 50 % (мас.) брухту: а - мюце та точки проведения РСМА; б - результати РСМА в точках
Рис. 6. Мжроструктура стопа ¡з вмятом 70% (мас.) брухту: а - х 113; б - х 113; в - х250
У
*
и ft N
1 А
1
л ß J и
J
У
и J *
II A_
003
б
№ точки Юльюсть елемента (% мас.) [% атом.] Всього, %
Fe Ni W
001 61.33 [80,50] 4.81 [4,81] 33.86 [33,86] 100
002 35.89 [64,05] 1.06 [1,80] 63.06 [34,15] 100
003 2.95 [9,10] 0 97.05 [90,90] 100
Рис. 8. Результат РСМА в рiзних точках по поверхш стопа з вмютом 70 % (мас.) брухту: а - мiсце та точки проведення РСМА; б - результати РСМА в точках
Висновки
1. Виготовлено Fe-W лтатури з використан-ням важкотопкого брухту, який мктить бiля 80 % (мас.) вольфраму.
2. Дослщжено структуру,твердеть, фазовий та xiMi4Hrn склад експериментальних стопiв. Встанов-лено наявшсть наступних фаз: а- твердого розчину на основi залiза, терметалвдних фаз Fe7W6 та Fe2W i а- твердого розчину на основi вольфраму.
3. Хiмiчний склад експериментальних лтатур наближаеться до стандартних феровольфрамових стотв, таким чином вони можуть використовувати-ся для виготовлення високовольфрамових шстру-ментальних сталей.
Перелiк посилань
1. Durrer R., Volkert G. Metallurgie der ferrolegierunger. - Springer - Verlag Berlin, Heidelberg New York, 1972 - 675 с.
2. Рысс М. А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985 - 345 с.
3. http://www.ufas.ru
4. http://www.pmt.ru
5. http://www.vtorcvetmet.ru
6. Глотка О.А., Коваль А.Д. Виготовлення Ni-W лтатури для легування стотв на основi ткелю / / Вестник двигателестроения, 2008. - № 1. - С. 139142.
7. Глотка О. А., Коваль А. Д., Степанова Л.П. Дос-лвдження важкотопкого брухту, що мютить вольфрам // Нош матерiали та технологи в металурги та машинобудуванш, 2007. - № 1. - С. 17-20.
8. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктур-ному анализу. - М.: Металлургия, 1978. - 678 с.
9. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем - М.: Машиностроение, 1997. - 1025 с.
10. Sinha A. K., Hume-Rothery W // J. Iron Steel Inst. 1967. V. 205. N. H. P. 1145-1149.
11. Sykes W. P. // Trans. ASM. 1936. V. 24. P. 541550.
12. Kirshner G., Harvig H., Uhremus B. // Metall. Trans. 1973. V. 4 N. 4 P. 1059-1064.
Поступила в редакцию 22.04.2008
Изготовлена лигатура с использованием тугоплавкого лома, который содержит около 80 % (масс.) вольфрама. Проведены исследования структуры, твердости, химического состава фаз. Определены структурные составляющие экспериментальных сплавов. В дальнейшем лигатуру планируется использовать для изготовления инструментальных сталей.
Master alloy with using of a refractory breakage that contains about 80 % (weights) tungsten has been made. Structure, hardness of phase composition are investigated. Structural components of experimental alloys are determined. Further master alloy is planned to use for manufacturing of tool steels.
