CC BY
106
УДК 669.017.03 Д-р техн. наук В. З. Куцова, канд. техн. наук М. А. Ковзель, А. В. Гребенева
Национальная металлургическая академия Украины, г. Запорожье
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ХРОМОНИКЕЛЕВОГО СПЛАВА «НИКОРИМ»
Изучена структура, фазовый состав и микротвердость структурных составляющих жаропрочного хромоникелевого сплава «никорим». При помощи фазового рентгеноструктурного анализа выявлено присутствие в структуре карбидов хрома Сг?С3, титана ТіС и интерметаллидного соединения Мі^АІ. Проведенный карбидный анализ позволил выявить в структуре жаропрочного хромо-никелевого сплава а- фазу (ГвСг), которая снижает стойкость сплавов, работающих при повышенных температурах.
Ключевые слова: структура, фазовый состав, жаропрочный, хромо-никелевый сплав, карбид, интерметаллидное соединение.
1 Введение
Закалочно-микроструктурный метод исследования, разработанный сотрудниками «Бунинской школы» и широко используемый для изучения механизма и кинетики фазовых превращений в сплавах системы Fe-С, с успехом применим для сплавов других систем и позволяет получать исчерпывающие сведения об особенностях фазовых превращений и закономерностях структурообразования в этих системах, в частности, в системе №-Сг, являющейся основой жаропрочных и жаростойких сплавов «никорим».
г;с 1в00
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Сг, % 10 20 ЗО 40 50 60 70 во 90
" і1 і і І і 1 ! І )№Х
7455 °С —і—— Сб .
<і (Сг)
- і ч
(Мі) \у \ 1 1 \ 1
- Л9І 580°С\ ; та
—1—1—1—1_ 1 1 —1_ 1 , 1
Сплавы «никорим» предназначены для изготовления прокатного инструмента (калибры и оправки для прокатки труб) и должны обладать повышенными прочностными свойствами при высоких температурах и быть стойкими против окисления. Легирование никеля хромом приводит к сильному повышению стойкости против окисления при высоких температурах.
Критическое минимальное количество хрома, необходимое для существенного повышения жаростойкости никеля и сложнолегированных никелевых сплавов, составляет 20-25 %. Максимальная жаростойкость в сплавах системы №-Сг отмечается при 40 % хрома [1].
Сг,У*
О 20 40 60 60 100
ас
2200
2000 1600 1600 1400 1200 1000 воо 600
О 10 20 30 40 50 60 10 80 90 100
400
:—і—і— і і
. ж
- б //, іІ
Ж
7
і ( - і / і її і і 1 і і і і
№
С г, % (от)
Сг
0 20 40 60 60 100
№
Сг.%( а/77.) Сг
Рис. 1. Диаграмма состояния системы №-Сг: а - по данным [2]; б - по данным [3]
© В. З. Куцова, М. А. Ковзель, А. В. Гребенева, 2011
Сплавы системы Ni-Cr легируют эффективными упрочнителями - алюминием и титаном. Эти элементы в никелевых сплавах способствуют образованию стабильного дисперсного интерметаллического соединения Ni3Al (Ti), которое вызывает когерентное упрочнение матрицы, затрудняет скольжение металла под действием нагрузки при высоких температурах и, таким образом, повышает прочность сплава. Установ -лено, что именно этой фазой обусловлено увеличение прочности ряда промышленных сплавов Ni-Cr при высоких температурах [4].
2 Материал и методика исследований
Объектом исследований в данной работе служили образцы жаропрочного хромо-никелевого сплава «никорим », предназначенного для изготовления прокатного инструмента, в частности, оправок для прокатки труб большого диаметра. Химический состав исследуемого сплава приведен в таблице 1.
Микроструктуру образцов выявляли в 10 % растворе азотной кислоты. Исследование микроструктуры осуществляли с помощью оптического микроскопа «Neophot-21». Микротвердость фаз и структурных составляющих определяли с помощью микротвердомера ПМТ-3 по стандартной методике. Фазовый состав образцов изучали на дифрактометре ДРОН-3М в БеКа- излучении.
Для уточнения фазового состава исследуемых сплавов проведен карбидный анализ путем вытравливания аустенитной матрицы в электролите (водный 5 % раствор HCl) по такому режиму электролиза: i, А см2 = = 0,02-0,05 при температуре 20 °С.
Закономерности формирования структуры хромоникелевого сплава «никорим» изучали закалочно-мик-роструктурным анализом на специально сконструированной установке. В ходе эксперимента образцы расплавляли, а затем выдерживали при заданной температуре определенное время, после чего производили быструю закалку в воду. Температуры закалки выбирали на основании диаграмм политермических разрезов системы Ni-Cr (рис. 1), а также исходя из данных термического анализа.
3 Анализ полученных результатов
Анализ микроструктур образцов хромо-никелевого сплава свидетельствует, что в зависимости от температуры закалки в исследуемом сплаве формируется различная структура и фазовый состав.
В результате закалки хромо-никелевого сплава «ни-корим» из жидкого состояния с температуры 1390 °С фиксируется закаленная жидкость с четко выраженным ячеистым строением и хорошо развитые дендри-ты первичного у- Ni твердого раствора (рис. 2, а).
Закалка с температуры 1373 °С свидетельствует о развитии процесса кристаллизации, который при этой температуре не завершается. Дендриты аустенита срастаются и образуют матрицу, в которой присутствуют карбиды хрома Сг7С3, а также наряду с карбидами - участки закаленной жидкости в виде квазиэвтектики (рис. 2, б, в, г).
При закалке с температуры 1280 °С кристаллизация также не успевает реализоваться полностью. Вокруг грубых карбидов Сг7С3 формируется ободок эвтектического аустенита, что свидетельствует о начальной стадии эвтектической кристаллизации:
Ж ^ Сг 7 С3 + у (рис. 2, в). Участки закаленной жидкости затвердевают в виде квазиэвтектики.
В образцах, закаленных с температуры 1150-1100 °С наряду с карбидами Сг7С3, ТЮ и аустенитом в структуре наблюдается присутствие интерметаллидной фазы (предположительно, ст- фаза - БеСг). Присутствие ст- фазы не желательно, так как она снижает стойкость сплавов в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что ст- фаза имеет высокую твердость, но в то же время она очень хрупкая. Наличие ст- фазы зафиксировано в структуре деталей металлургической оснастки, полученной литьем из сплава «никорим» [5].
Известно [6-8], что в высокохромистых и хромоникелевых сплавах при кристаллизации реализуется перитектико-эвтектическое превращение:
L + У ^ СГ7 Сз + ^ст , (1)
^ст ^ У + СГ7 Сз. (2)
Тщательное исследование закалочных образцов подтверждает реализацию перитектического превращения ^ + у ^ Сг.С, + у + L ) в хромо-никелевом
4 1 7 3 1 ост ост' А
сплаве «никорим» (рис. 3 а, в). Перитектическое превращение приводит к изменению формы и морфологии первичных карбидных кристаллов Сг7С3 в результате диффузионного взаимодействия жидкости и первичных кристаллов у- N1 аустенита, внутри кристаллов карбидов образуются каналы темного цвета, по которым жидкость поступала в процессе перитектического превращения к фронту перекристаллизации у/Сг7 С3. В центре и на периферии карбидных кристаллов наблюдаются области остаточного нерастворившегося аустенита (белого цвета). Кристаллизация завершается при охлаждении ниже температуры 1190 °С.
В образце, закаленном с температуры 1085 °С , кристаллизация полностью завершилась, о чем свидетельствует микроструктура, представленная матрицей и большим количеством карбидов Сг7С3. В структуре наряду с крупными присутствуют мелкие иглоподобные карбиды (рис. 4, а).
В образце, закаленном с температуры 526 °С, (рис. 4, б) структура представлена аустенитной матрицей и карбидами различной формы.
Таблица 1 - Химический состав исследуемых хромо-никелевых сплавов
Исследуемый сплав Химический состав, %
Al Si Ti Cr Mn Ni C
Хромо-никелевый сплав «никорим» 2,5 0,7 0,2 34,0 0,6 57,0 1,8
Рис. 2. Микроструктура образцов хромо-никелевого сплава «никорим» после закалки с различных температур:
а - температура закалки 1390 °С (х 1000); б - температура закалки 1373°С (х1000); в - температура закалки 1280 °С (х 1000); г - температура закалки 1170 °С (х 1000); Э - температура закалки 1150°С (х1000); е - температура закалки 1100 °С (х 1000);
ж - температура закалки 1100°С (х 500)
а б
Рис. 3. Микроструктура образца, закаленного с температуры 1280 °С: а - х 500, б, в - х 1000
в
На рис. 5-7 приведены дифрактограммы образцов хромо-никелевого сплава «никорим», полученные после закалки с различных температур. Рентгеноструктурный анализ образцов, закаленных с различных температур, выявил карбид Сг7С3 избыточный и эвтектический высоконикелевый аустенит, о чем свидетельствуют высокие интенсивности его линий (111), а также фазу №3А1.
С целью уточнения фазового состава сплава в настоящей работе проведен карбидный анализ.
Дополнительно на образцах, закаленных с температуры 1150-1100 °С, был проведен карбидный анализ (рис. 8, 9), который, кроме карбида Сг7С3, позволил выявить в структуре жаропрочного хромо-никелевого сплава карбид титана Т1С и ст- фазу (БеСг).
2 0, град.
а
2 6, град.
6
2 б, град.
в
Рис. 5. Схемы дифрактограмм хромоникелевого сплава «никорим» после закалки с различных температур: а - температура закалки 1390 °С; б -температура закалки 1373 °С; в - температура закалки 1286 °С
а б
Рис. 4. Микроструктура образцов хромоникелевого сплава «никорим» после закалки с различных температур: а - температура закалки 1085 °С (х1000); б - температура закалки 526 °С (х1000)
В таблице 2 приведены данные измерений микротвердости матрицы и карбида Сг7С3.
В соответствии со структурными изменениями и фазовым составом хромо-никелевого сплава «нико-рим» изменяется и микротвердость (табл. 2).
Анализ данных табл. 2 свидетельствует, что в интервале температур 1286-1280 °С, где реализуется перитектико-эвтектическое превращение, микротвердость карбида меняется экстремально, что, вероятно,
90
связано с изменением количественного соотношения карбидов. В интервале температур 1150-1110 °С микротвердость карбида стабильна и составляет 16483,55 МПа. Однако при температуре 1150 °С наблюдается значительное снижение микротвердости матрицы (до 1933 МПа), что, вероятно, связано с выделением ст- фазы. Закалка от температуры 526 °С приводит к повышению микротвердости матрицы до 3533 МПа.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Ні " Ні 1 1
ї £ і о
ЧІМ/ дг#іУ ІИд лІ и
ічрї ШЩі
20 30 40 50
60
2 8. град.
а
70 80 90 100
2 0, град.
б
2 9, град
Рис. 6. Схемы дифрактограмм хромо-никелевого сплава «никорим» после закалки с различных температур: а -температура закалки 1280 °С; б -температура закалки 1190 °С; в - температура закалки 1170 °С
в
600
400
200
1-И ( ■П-'А!)
г
1
30
40
50
60 70
2 0, град.
30
2 0, град. б
90
100
2 0,1-рад. в
100
2 0, град
г
Рис. 7. Схемы дифрактограмм хромо-никелевого сплава «никорим» после закалки с различных температур: а - температура закалки 1150 °С; б -температура закалки 1110 °С; в - температура закалки 1085 °С; г - температура закалки 526 °С
а
Рис. 8. Схема дифрактограммы образца хромо-никелевого сплава «никорим», закаленного с температуры 1150 °С
Рис. 9. Схема дифрактограммы образца хромо-никелевого сплава «никорим», закаленного с температуры 1100 °С
Таблица 2 - Микротвердость матрицы и карбидов в образцах хромо-никелевого сплава «никорим» после закалки от разных температур
№ образца Температура закалки сплавов «никорим», °С Микротвердость исследуемых сплавов, МПа
матрица карбид
1 1390 4120,89 -
2 1373 3405,69 21285,58
3 1286 2294,99 16483,55
4 1280 2043,68 23361,05
5 1190 2595,67 25755,55
6 1170 2227,98 25755,55
7 1150 1933,23 16483,55
8 1110 2365,06 16483,55
9 1085 2438,39 15239,97
10 526 3532,99 16483,55
Исходя из данных таблицы, можно сделать вывод, что в результате закалок с разных температур происходит перераспределение легирующих элементов, что и приводит к скачкам значений микротвердости.
4 Выводы
Изучена структура и фазовый состав жаропрочного хромо-никелевого сплава «никорим», а также проведен карбидный анализ исследуемого сплава. Показано:
- структура жаропрочного хромо-никелевого сплава состоит из высоконикелевого аустенита, высокохромистого карбида Сг7С3, карбида титана ТЮ и интер-металлида №3А1;
- наличие высокохромистых карбидов обеспечивает высокую твердость исследуемого сплава, однако перераспределение легирующих элементов в результате закалки образцов приводит к скачкам значений микротвердости;
- проведенный карбидный анализ позволил выявить в структуре жаропрочного хромо-никелевого сплава ст- фазу (РеСт). Присутствие этой фазы не желательно, так как она снижает стойкость сплавов в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что ст- фаза имеет высокую твердость, но вместе с тем она очень хрупкая.
Перечень ссылок
Жаропрочность стали и сплавов: справочник / [авт.-сост. Масленков С. Б.]. - М. : Металлургия, 1975. - 175 с. Шанк Ф. Структура двойных сплавов / Ф. Шанк ; [пер. с англ.]. - М. : Металлургия, 1973. - 760 с.
Yukawa N., Hida M., Imara T., Kawamura Mizune V,- Met. Trans. - 1972. - Vol. 3, N 4. - P. 887-895.
Акимов Л. М. Выносливость жаропрочных материалов / Л. М. Акимов - М. : Металлургия, 1981. - 203 с. Структура и фазовый состав жаропрочного хромоникелевого сплава «никорим» / [В. З. Куцова, М. А. Ков-зель, А. М. Нестеренко, А. В. Животович] // Строительство, материаловедение, машиностроение - 2008. -С. 44-51.
Бунин К. П. Основы металлографии чугуна / К. П. Бунин, Я. Н. Малиночка, Ю. Н. Таран - М. : Металлургия, 1969. - 416 с.
Бобро Ю. Г. Управление структурой металлической матрицы износостойких чугунов / Ю. Г. Бобро, В. И. Тихонович, А. Ю. Бобро // Процессы литья. - 1990. - Вып. 1. -С. 31-35.
Диаграммы состояния металлических систем тематический справочник / [сост. И. Ерошенкова и др.]. - Москва, 1978. - 308 с.
Одержано 01.12.2010
Куцова В.З., Ковзель М.А., Гребеньова А.В. Закономірності формування структури хромо-нікелевого сплаву «нікорим»
Вивчено структуру, фазовий склад та мікротвердість структурних складових жароміцного хромонікелевого сплаву «нікорим». Фазовий рентгеностуктурний аналіз виявив у структурі сплаву карбіди хрому Cr7C3 , титану TiC та інтерметалідне з’єднання Ni—l. Карбідний аналіз виявив у структурі «нікориму» а-фазу (FeCr), яка знижує жаростійкість сплаву.
Ключові слова: структура, фазовий склад, жароміцний, хромо-нікелевий сплав, карбід, інтерметалідне
з ’єднання.
Kutzova V., Kovzel M., Grebeneva A. Principles of Ni-Cr alloy nikorim structure formation
Structure, phase’s content and microhardness of structure components in high-temperature strong nickel-chro-mium alloy are studied. Cr7C3, TiC carbides and Ni3Al intermetallic compound are detected with help the X-ray structure analysis. Carbide analysis exposure a-phase (FeCr) in high-temperature strong nickel-chromium alloy structure. a-phase (FeCr) decreases high-temperature alloys resistance.
Key words: structure, phase’s content, high-temperature strong, nickel-chromium alloy, carbide, intermetallic compound.
УДК 669.295:620.18 Д. В. Ткач, канд. техн. наук Д. В. Павленко, д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий
Национальный технический университет, г. Запорожье
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И РАЗРУШЕНИЯ ТИТАНА МАРКИ ВТ 1-0 В СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ
3
Рассмотрены особенности структуры титана марки ВТ1-0, подвергнутого деформации винтовой экструзией. Отмечены особенности механизмов разрушения исследованного материала в различных структурных состояниях на основании анализа поверхности образцов и фрактограмм изломов, полученных после циклических испытаний. Установлены определенные изменения указанных элементов структуры в исходном и деформированном состоянии титановых образцов.
© Д. В. Ткач, Д. В. Павленко, В. Е. Ольшанецкий, 2011 66
