Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путей повышения качества отливок из никельхромовых сплавов ... 12
1.1. Влияние химического состава и структуры на физико-механические свойства жаропрочных сплавов 12
1.2. Специфика изготовления изделий из жаропрочных никельхромовых сплавов 20
1.3. Технические особенности применения электро шлаковых процессов... 25
1.4. Основные факторы определяющие качество металла полученного электрошлаковыми технологическими процессами 28
1.5. Выводы и постановка цели работы и задач исследований 33
2. Теоретические исследования условий образования устойчивых нанокомплексов, определяющие принципы модифицирования 37
2.1. Научные положения, определяющие методы комплексного ианомодифицирования направленные на улучшение физико-механических свойств отливок 37
2.2. Анализ влияния модифицирования наночастицами на свойства литого металла 41
2.3. Образование центров кристаллизации, определящие активность наночастиц 47
2.4. Особенности взаимодействия нанокомплексов в жидком металле с материалом плакирующего слоя 60
2.5. Выводы и задачи исследования 64
3. Методика и материалы исследования 67
3.1. Лабораторное оборудование и средства обеспечения научного исследования электрошлаковых технологических процессов 67
3.2. Методика определения химического состава испытуемых сплавов 75
3.3. Методика исследования физико-механических свойств отливаемых изделий из никельхромовых сплавов 78
3.4. Методика исследования макро- и микроструктуры никельхромовых сплавов 85
4. Исследование модифицирования нанокомплексами (TiCN) макро микроструктуры и физико-механических свойств жаропрочных сплавов 87
4.1. Влияние наномодифицирования на структуру никельхромовых сплавов 87
4.2. Физико-механические свойства жаропрочных никельхромовых сплавов, подвергнутых наномодифицированию 103
4.3. Исследование технологических параметров процесса наномодифиро-вания сплава ЖС6-У 115
4.4. Влияние наномодифицирования на химический состав переплавляемых никельхромовых сплавов 122
4.5. Повышение эффективности воздействия нанокомплексов на никельхромовые сплавы с внедрением технологии высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового литья 124
4.6. Выводы по главе 132
5. Промышленное внедрение разработок ЭШП и ЭШС изделий из никельхромовых сплавов 137
5.1. Оборудование и технология для осуществления процесса электрошлаково го литья изделий из никельхромовых сплавов 137
5.2. Теоретические предпосылки и экспериментальные разработки гарнисажной водоохлаждаемой плавильной емкости 140
5.3. Технологический процесс электрошлакового кокильного литья изделий из никельхромовых сплавов 148
5.4. Технологический процесс электрошлаковой заплавки внутренней полости изделия "Сердечник рогообразный" 152
5.5. Технологический процесс изготовления изделия "Протяжка" 154
5.6. Влияние наномодифицирования на повышение качества сварных соединений полученных электрошлаковой сваркой 160
5.7. Производственные испытания изделий 165
Основные выводы 172
Литература 178
Приложения 194
- Основные факторы определяющие качество металла полученного электрошлаковыми технологическими процессами
- Анализ влияния модифицирования наночастицами на свойства литого металла
- Методика исследования физико-механических свойств отливаемых изделий из никельхромовых сплавов
- Повышение эффективности воздействия нанокомплексов на никельхромовые сплавы с внедрением технологии высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового литья
Введение к работе
В ускорений научно-технического прогресса машиностроение призвано играть ведущую роль. В решении задач в области машиностроения, литейному производству отводится одно из важнейших мест в деле экономики материальных ресурсов, сокращении энергозатрат и повышении надежности и долговечности машин и механизмов. Непрерывно повышается требования к качеству литейных сплавов, сварных соединений, направленных на увеличение срока службы современного оборудования, сварных конструкций, машин и механизмов, выявили актуальную проблему, направленную на повышение качества металла литых деталей и сварных соединений. Для укрепления нашей страны необходимо использование принципиально новых технологий, обеспечивающих требуемое качество изделий, наивысшую производительность и эффективность производства,
Предвзятое отношение конструкторов к литым заготовкам, сварным соединениям сложилось из-за низкой стабильности физико-механических свойств отливок, обусловленной структурной неоднородностью литого металла и возможностью появления скрытых литейных дефектов. Повышение эффективности технологических процессов изготовления отливок с регламентированными структурой и свойствами позволит более широко применять в производстве литые заготовки, сварные соединения в наиболее ответственных конструкциях машин и механизмов.
Физико-механические и служебные характеристики заготовок литейного и сварочного производств в основном определяются состоянием структуры металла. Процессы управления кристаллическим, строением металла путем изменения только теплофизических параметров его кристаллизации в настоящее время не обеспечивают получения требуемой структуры. Достижения ученых в области изучения строения металлических расплавов свидетельствуют о том, что между свойствами жидкого и твердого металла, типом его структуры и характеристиками прочностных свойств существует устой-
чивая зависимость. Используя технологические приемы воздействия на строение металлического расплава, например модифицирование, термовременную обработку (ТВО), высокотемпературную обработку расплава (ВТОР) и другие, можно существенно изменять структуру и свойства получаемых отливок.
Улучшение структуры и свойств сталей и сплавов путем усовершенствования их состава сопряжено с дополнительным расходом остродефицитных легирующих элементов, и часто не сопровождается существенным улучшением служебных характеристик литых изделий из-за увеличения структурной неоднородности металла. Повышение качества металла отливок возможно в основном за счет воздействия двух физико-химических факторов:
1. Повышение чистоты жидкого металла в процессе расплавления за
счет рафинирования.
2. Управление процессами формирования структуры сплавов путем
ввода в жидкий расплав различных химических комплексов: легирование,
микролегирование РЗМ и суспензионное модифицирование, модифицирова
ние нанокомплексами.
Особенно высокие требования предъявляются к материалу изделий, изготовленных из никельхромовых сплавов, что вызвано спецификой их эксплуатации в условиях высоких температур, статических и динамических нагрузок, контактом с высокотемпературными агрессивными газовыми средами. В таких условиях материал литых изделий сварных соединений должен обладать не только высокой жаропрочностью и термической стабильностью, но иметь запас пластичности для релаксации термических напряжений. При существующем технологическом процессе литья открытый индукционный, вакуумно-индукционный, вакуумно-дуговой переплавы металла отливок изделия имеют малый запас пластичности. Новые методы суспензионного модифицирования сплавов, предложенные научной школой А.А. Рыжкова и получившие развитие в трудах Институт Проблем Литья (ИПЛ) Академия Наук УССР, позволили оценить преимущества этих способов, обеспечивающих
измельчение макро- и микроструктуры, уменьшение химической неоднородности металла. Модифицированную структуру получают путем введения небольших количеств специальных добавок - модификаторов, с выполнением технологической операции температурно-временной обработки расплава. В широком смысле слова модифицирование - это воздействие на жидкий металл, приводящее к изменению размеров, формы и распределения кристаллизующихся фаз в процессе охлаждения, то есть структуры.
Существенным недостатком известных методов суспензионного модифицирования, препятствующим их более широкому применению, в литейном и сварочном производстве является неоднородность суспензий, обусловленная неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможностью седиментации по удельному весу и низкой устойчивостью от коагуляции и растворения.
Поэтому в представляемой диссертации исследованы новые способы гетерогенизации жидкого металла на новых технологических приемах раскисления и модифицирования стали и сплавов поверхностно-активными элементами с использованием суспензионного модифицирования нанокомплексами.
На сегодняшний день основным методом получения литых изделий является метод вакуумного точного литья по выплавляемым моделям с формированием равноосной структуры материала отливок и электрошлаковая плавка с последующей заливкой жидкого металла в литейную форму.
В качестве объекта исследования выбраны жаропрочные никелевые сплавы ЖСб-У, ЖС6-К, ЖСЗ-ДК и ЖС32, обладающие повышенной структурной неоднородностью, обуславливающей величину показателей физико-механических и служебных свойств в отливках, сварных соединениях ниже технического уровня, потенциально заложенного их химическим составом.
В соответствии с выше изложенным основная цель работы заключается в разработке технологических и теоретических основ применения наноком-плесов в качестве модифицирующих добавок, позволяющих управлять про-
цессом структуро образования жаропрочных никельхромовых сплавов, с внедрением технологии высокотемпературной обработки расплавов в процессе электрошлакового кокильного литья и электрошлаковой сварки. В связи с этим решались следующие задачи:
Выполнить теоретическое исследование процессов образования устойчивых металлических суспензий в жидком металле для разработки основ выбора модифицирующих нанокомплексов.
Исследовать эффективные способы управления структурой никель-хромового сплава в процессе кристаллизации жидкого металла при электрошлаковом литье и сварке.
Определить технологические параметры процесса модифицирования сплавов нанокомилексами, обеспечивающие устойчивую работу наночастиц в жидком металле, в условиях электрошлакового литья и сварки.
Определить оптимальные технологические параметры ВТОР жаропрочных хромоникелевых сплавов, обеспечивающих повышение физико-механических и служебных свойств изделий.
Разработать и внедрить технологическую оснастку, литейное и сварочное оборудование, обеспечивающее модифицирование жаропрочных никельхромовых сплавов наночастицами тугоплавких соединений, в процессе электрошлакового литья и сварки,
По результатам проведенной работы, научных исследований и получения промышленных образцов: литых изделий, сварных соединений:
Показана возможность управления микро- и макроструктурой жаропрочных никельхромовых сплавов и их физико-механическими свойствами при помощи введения в расплав наночастиц карбонитрида титана в виде на-нокристаллов, которые служат центрами кристаллизации.
Предложена физическая модель модифицированного жидкого металла, представляющая его как суспензию, в которой наночастицы твердой фазы являются центрами кристаллизации при электрошлаковом литье, электрошлаковой сварке.
Установлено, что при образовании суспензии с избирательной адсорбцией химических элементов, входящих в состав структурных составляющих сплавов в условиях кристаллизации можно изменить их морфологию. Движущей силой формирования дисперсной системы является химическое взаимодействие между модифицирующей ианочастицей, ее плакирующим веществом и расплавом жидкого металла.
Разработаны и внедрены в производство технологические параметры высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового литья, электрошлаковой сварки обеспечивающие получение литых изделий, сварных соединений с заданным уровнем служебных свойств.
Разработаны и внедрены в производство технологии модифицирования нанокомплексами объёма жидкого металла в плавильной емкости при ЭШЛ, сварочной ванны при ЭШС изделий из никельхромовых сплавов.
Разработана и внедрена на ЗАО "Омский завод специальных изделий" технология получения отливок методом электрошлакового литья из модифицированных сплавов ЖС6-К, ЖСЗ-ДК, ЖС6-У и ЖС-32 с применением ВТОР, позволившая использовать в шихте возврат производства, исключая засорение сплава карбидонитридами и увеличить производительность, при улучшении прочностных и служебных характеристик отливок "Сердечник рогообразный".
Разработана и внедрена на ЗАО "Омский завод специальных изделий" г. Омск технология электрошлаковой сварки с модифицированием сварного соединения (шва) изделия "Протяжка" из составляющих "Сердечник рогообразный", "Проставка", "Хвостовик", выполненных из никельхромовых сплавов.
Химические анализы, исследования макро- и микроструктур с их описанием и регистрацией, физико-механические свойства и служебные характеристики изделий, образцов, изготовленных из никельхромовых сплавов, определяли в заводских и научно-исследовательских лабораториях ОМПО им. П.И. Баранова, г. Омск; ФГУП "Полет" г. Омск; ФГУП ОНИИТМ (Омский
научно-исследовательский институт технологии машиностроения), г. Омск; Омский НИИД (Омский научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей); ОАО "Завод Сибгазстройдеталь" г. Омск; ОАО "Завод Сибнефтегазмаш" г. Тюмень. По методикам, принятым в соответствующих отраслях авиационной, газовой, нефтяной промышленности. Научное руководство, составление планов и проведение экспериментов по данной теме диссертационной работы осуществлялось научными работниками кафедр ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет» и ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет».
Результаты проведенных исследований реализованы в таких электрошлаковых технологиях, как сварка, переплав и литье при изготовлении кольцевых заготовок сопловых аппаратов, деталей газотурбинных двигателей, лопаток газотурбинных двигателей, труб нагреваемых элементов термических печей, сердечников рогообразных, протяжек, риторт, кранов запорной арматуры и трубопроводных фланцев и т.д.
В ходе промышленный испытаний практически подтверждена эффективность использования научных разработок диссертации на широкой номенклатуре изделий ответственного назначения. При этом удалось достичь высокого коэффициента использования металла (до 0,8), повысить в 1,2-1,3 раза прочностные свойства заготовок, как при нормальной температуре, так и при высокой температуре эксплуатации изделий в производственных условиях, и в 1,8-3,3 раза снизить трудоемкость их изготовления.
Годовой экономический эффект от внедрения новых технологий составляет свыше 120 000 рублей за одну тонну литья изделий из никельхромовых сплавов. Суммарный экономический эффект от внедрения разработок составил 9 505 000 рублей в год в ценах 2000-2005 гг.
Апробация работы: основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзных и Российских научно-технических симпозиумах и конференциях: "Современные проблемы электрометаллургии стали" (г.
Челябинск, 1992); Конференция сварщиков Урала "Теория и практика сварочного производства" (г. Ижевск, 1997); Межрегиональный научно-практической конференции СТИВЭС "Роль инноваций в развитии регионов" (г. Омск, 1999); III Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 1999); Международной научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития литейного производства" (г. Барнаул, 2000); 7ой Международный научно-практической конференции, "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕ-СУРС-7-2001) (г. Барнаул, 2001); IV Международный научно-технической конференции, посвященной 60-летию ОмГТУ "Динамика систем, механизмов и машин (г. Омск, 2002); Международная научно-техническая конференция "Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штампового производства" (г. Барнаул, 2002); II Международный технологический конгресс "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке" (г. Омск, 2003); V Международная научно-техническая конференция "Динамика систем, механизмов и машин" (г. Омск, 2004); VII Съезд литейщиков России (г. Новосибирск, 23-27 мая 2005); III Международный технологический конгресс "Военная техника, вооружение и технологии двойного применения" (г. Омск, 2005).
По теме диссертации диссертант выполнил большой объем научно-исследовательских работ, по которым опубликовано 140 печатных работ, одна монография; в том числе таких журналах, как "Сварочное производство", "Технология машиностроения", "Известия вузов", "Металлургия машиностроения", "Литейное производство", "Химическое и нефтегазовое машиностроение", "Электрометаллургия", "Заготовительные производства в машиностроении" (кузнечно-штамповочное литейное и другие производства) "Литейщик России", "Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением", "Современная металлургия", "Литье и металлургия", "Ползуновский альманах", "Металловедение и термическая обработка металлов", а также в научных изданиях Великобритании, Украины и Белоруссии; в
научных журналах системы ВАК России более 70 печатных работ; в зарубежных журналах более 10 печатных работ. Выполнены семь работ по разработкам и внедрению технологических процессов в области электро шлаково го литья, электрошлаковой сварки с рабочей и конструкторской документацией, которые внедрены и используются на предприятиях заготовительного, литейного производства, относящихся к авиационной (моторостроение), газовой, химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Основные факторы определяющие качество металла полученного электрошлаковыми технологическими процессами
Общим для всех процессов ЭШТ является наличие шлаковой ванны, где происходит выделение теплоты и рафинирование металла от примесей [53,55,56,66,67,68]. Часть выделяющейся в шлаковой ванне теплоты подводится к поверхности жидкой металлической ванны с каплями расплавленного металла и путем теплообмена между жидким шлаком и металлической ванной. Кристаллизация металла в большинстве процессов ЭШТ идет при наличии постоянного перегрева металлического расплава и довольно высокого температурного градиента. Вместе с тем между отдельными процессами ЭШТ имеются и существенные отличия в характере воздействия различных факторов на кристаллизующийся металл. Большинство процессов ЭШТ идет при квазистационарном объеме жидкого металла (ЭШП, ЭШЛ, ЭШС и др.).
Существенное влияние на характер кристаллизации оказывают условия внешнего теплоотвода [57]. Он наибольший в тех процессах ЭШТ, где тепло-отвод от жидкого металла осуществляется в толщу холодного металла, на пример в основной металл при ЭШС, а наименьший - в тех процессах, где шлаковый гарнисаж и воздушный зазор между отливкой и стенкой кристаллизатора препятствуют интенсивному теплообмену с внешней средой (ЭШП, ЭШЛ и ЦЭШЛ, ЭШЫ и др.). Наибольший уровень внутренних напряжений, возникающих при кристаллизации металла, характерен для ЭШС, так как свариваемые части препятствуют свободной усадке затвердевающего металла.
Поскольку электрошлаковый металл в процессе ЭШТ может быть в виде слитка, отливки, сварного шва и т.п., то будем в дальнейшем для удобства пользоваться термином - «отливка». Условия кристаллизации в процессах ЭШТ характеризуются своими особенностями: наличием постоянного по ходу процесса нагревателя в виде слоя жидкого шлака над металлом; последовательным характером кристаллизации металла в металлической ванне; постоянным (непрерывным или порциями) поступлением жидкого металла в металлическую ванну, что обновляет и перемешивает расплав, а также поддерживает в нем определенный перегрев выше температуры ликвидус.
Поэтому формирование структуры обычного и электрошлакового металла существенно различаются. Вследствие этого слитки, отлитые в обычные изложницы, характеризуются зональным строением с развитием зональной ликвации, рассеянной пористостью и концентрированной усадочной раковиной. Электрошлаковый металл, как правило, имеет однородную транскри-сталлитную структуру без развития процессов зональной ликвации, у него нет рассредоточенной пористости. Постепенное снижение мощности шлаковой ванны способствует уменьшению объема и глубины залегания усадочной раковины или даже устранению ее вовсе.
За счет рафинирующего действия шлака и очищения от неметаллических включений, вредных примесей и газов улучшается микроструктура слитка, увеличивается плотность металла, снижается во дородо проницаем ость, уменьшается склонность сталей к образованию трещин и в целом существенно изменяются ее пластические свойства. Исследованием свойств многих марок сталей и сплавов доказано, что литой электрошлаковый металл по уровню механических свойств в большинстве случаев близок к кованому и отличается от него большей стабильностью и изотропностью [63,69,70,71]. Качество литого электрошлакового металла можно иллюстрировать сравнением механических свойств некоторых типичных марок теплоустойчивых сталей в литом виде после ЭШП [30] со свойствами тех же сталей в деформированном состоянии, но полученного открытой выплавкой. Литой электрошлаковый металл не уступает по механическим свойствам деформированному металлу открытой выплавки, а по такому показателю, как критическая температура хрупкости даже превосходит его. Кроме того, в таком металле отсутствует анизотропия механических свойств, типичная для деформированного металла.
Вместе с тем, любому литому металлу присуща химическая неоднородность. Гомогенность особенно важна для металла, склонного к образованию сегрегации (инструментальных и высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов на основе никеля и др.). Из-за различия концентраций примесей в жидком и твердом состояниях и благодаря процессу разделительной диффузии растворимых примесей наблюдается преимущественная диффузия примесей в межосное пространство. Состав осей дендритов сильно отличается от состава междендритных участков и возникает дендритная химическая неоднородность. Степень ее развития, морфология и топография фаз связаны с химическим составом сплавов, условиями их приготовления и кристаллизации [21,35]. В области границ зерен химическая неоднородность продолжает формироваться и после затвердевания сплава. Если концентрация элементов достигает предельных значений, то происходит выделение избыточных фаз.
Состояние границ зерен особенно важно для сталей ЭШП вследствие их большой крупнозернистое. Если допустить, что в сталях, выплавленных в одинаковых условиях, имеется приблизительно равное количество межзерен-ных веществ, то в отливках с крупным зерном эти вещества будут выделяться на меньших поверхностях, а, следовательно, и более толстым слоем.
Поэтому, несмотря на высокую степень рафинирования электрошлакового металла, его крупнозернистая первичная структура и слабое развитие процессов микроскопической ликвации при кристаллизации могут привести к большому скоплению примесей на границах зерен. Так, спектральный анализ показывает, что границы зерен содержат углерода в 6 раз, ванадия в 16 раз, меди и никеля в 3 раза больше, чем внутренние объемы зерен. При этом на границах и в прилегающих к ним участках наблюдается большое количество карбидов типа Ме6С, Ме7С3, Ме23С6, VC, Fe3C. [63,65,72,73]
Термообработка металла снижает степень химической неоднородности, но даже в однофазном сплаве, каким является закаленная высокомарганцевая сталь, избирательным травлением на марганец выявляется дендритная химическая неоднородность [74,75,76]. Структурную неоднородность в виде эвтектических фаз и химических соединений, образующихся при кристаллизации, не удается устранить термообработкой. Зернограничный характер топографии сульфидных, фосфидных, нитридных и карбидных эвтектик оказывает отрицательное влияние на прочность, и особенно на пластичность сплавов. Все эти факторы снижают эксплуатационные характеристики литого металла.
Поэтому в целом ряде производств, выпускающих, например, газотурбинные и ракетные двигатели, где используют специальные дорогостоящие высоколегированные стали и сплавы, заготовки деталей получают методами горячей деформации (ковкой, раскаткой) из металла рафинирующих переплавов (ЭШП, ВДП). В этом случае литой металл, полученный по обычной (классической) технологии, по уровню механических и служебных свойств обычно уступает деформированному металлу ЭШП и ВДП [77]. Следовательно, вопрос повышения качества литого электрошлакового металла существует [62,63] и требует научного и технического решения.
Анализ влияния модифицирования наночастицами на свойства литого металла
Испытание изделий, отлитых при помощи технологии электрошлакового литья производится (выполняется) согласно ГОСТам и ТУ поставляемыми заводами изготовителями. Ввиду того что на данную продукцию изготовленную из жаропрочного сплава ЖС6-У, ЖС6-К, ЖСЗ-ДК, ЖС-32 отсутствуют ГОСТы в машиностроении, определение физико-механические свойства изделий, и химического состава проводятся согласно техническим условиям и сравнение полученных свойств, говорящих о пригодности (работоспособности) для эксплуатации в промышленных условиях и получение сравнительных характеристик, осуществляется также согласно данным техническим условиям ТУ-050 (Приложение №1). Контроль механических свойств при комнатной температуре 20С проводят на вырезанных образцах из отливок, прибылей стояков, пальчиковых образцов по ГОСТ 1497-84. Физико-механические свойства должны соответствовать требованиям предъявляемым заводом изготовителем, институтом разработчиком указаны в (табл. 3.2).
Методика проведения испытание на изгиб отливаемых изделий предусматривает выборочную проверку литых контрольных образцов, изделий «Сердечник рогообразный», рабочих лопаток газотурбинных двигателей на изгиб с целью оценки пластичности по величине угла изгиба и проверку макроструктуры металла для оценки качества модифицирования сплава. Испытанию на изгиб подвергается одно изделие, контрольный образец от плавки (сменной заливки по каждой плавильной установки), при температуре окружающего воздуха (20±5) С, относительная влажность воздуха 65±15 %.
Примечание: в случае заливки одной плавки несколькими плавильщиками испытанию на изгиб подвергается по одной отливке, образцу от партии, залитой каждым плавильщиком. Для проведения испытаний на изгиб необходимо обеспечить фиксированное положение изделия в приспособлении для изгиба пластин пуансоном, применяется стандартное оборудование гидравлическая машина типа "АМСЛМР". Радиус пуансона 10 мм. База для испытания 55-60 мм. Схема установки изделия на приспособлении ( рис. 3.11).
Испытание изделия на изгиб производится до появления трещин, на теле испытуемого образца, изделия когда усилие нагружения по силоизмери-телю падает. Замер угла изгиба производится после снятия изделия с приспособления. Партия изделий сдается в производство после испытания на изгиб изделия-представителя, показавшей величину угла изгиба 5. При угле изгиба менее 5 изделия данного блока бракуются. Повторному испытанию на изгиб подвергаются по одному изделию от двух других блоков. При удовле творительных результатах повторного испытания на изгиб изделия данной партии сдаются в производство обычным порядком. В случае неудовлетворительных результатов повторного испытания на изгиб данному испытанию подвергаются по одному изделию от каждого блока партии. Изделия блоков, представители которых выдержали испытание, сдаются в производство обычным порядком. Изделия блоков, представители которых не выдержали испытание, бракуются.
Испытание образцов из никельхромовых сплавов на ударный изгиб, определение ударной вязкости KCU при повышенной температуре и испытание физико-механических свойств изделия «Сердечник рогообразный» на ударный изгиб были произведены по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной комнатной и повышенной температурах». Данный стандарт распространяется на чёрные и цветные металлы и сплавы и устанавливает метод испытания на ударный изгиб при температуре от минус 100 до плюс 1200С. Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра КМ-30, отвечающий требованиям ГОСТ 10708 «Копры маятниковые» предназначен для проведения испытаний на определение ударной вязкости металлов в соответствии с методикой ГОСТ 9454.
Для проведения испытания на ударный изгиб при высоких температурах до 1200С нагрев образцов осуществлялся печью нагрева термостатом, обеспечивающим равномерный нагрев, отсутствие агрессивного воздействия окружающей среды на образец и возможность контроля температуры образца. Измерение температуры нагрева образцов осуществлялось хромель-копелевой термопарой, обеспечивающей измерение с погрешностью, не превышающей ±5С при температуре +1200 С. Для измерения размера образцов использовались штангенциркули, соответствующие требованиям ГОСТ 166.
Подготовка к испытанию. Перед началом испытаний положение указателя работы копра было проверено при свободном падении маятника. Для испытания образцов на ударный изгиб при высоких температурах они предварительно нагреваются перед установкой в копер. Выдержка образцов в термостате при заданной температуре составила 20 мин. Температурой испы тания считается температура образца в момент удара согласно ГОСТ 9454-78. Проведение испытания. Установка образцов производится с помощью шаблона, обеспечивающего симметричное расположение концентратора относительно опор копра. Испытания проводятся при ударе маятника со стороны, противоположной концентратору, в плоскости его симметрии. Скорость движения маятника в момент удара 5 ± 0,5 м/с. Работу удара определяли по шкале маятникового копра. Обработка результатов. Ударную вязкость (КС) Дж/см вычисляли по формулам и методикам, указанным в технической документации на данное оборудование. Микротвердость сплавов измеряли на микротвердометре ПМТ-3 (ГОСТ 9002). Для никельхромовых сплавов, сталей и других конструкционных материалов испытание на растяжение является основным и оно применяется чаще, чем другие виды нагружения. Испытание на растяжение производится согласно ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение» .Для предупреждения проскальзывания образцов в захватах, смятия опорных поверхностей, деформации головок и разрушение образца в местах перехода от рабочей части к головкам и в головках образцов для исследования физико-механических свойств при высоких температурах испытания на длительную жаропрочность до 1200С был выбран способ резьбового крепления испытуемых образцов в разрывной машине (рис.3.12 ).
Методика исследования физико-механических свойств отливаемых изделий из никельхромовых сплавов
Для травления образцов применялись ванны (сосуды), изготовленные из материалов, не вступающих в реакцию с применяемым травильным раствором. Поверхность образцов перед травлением следует подвергать холодной механической обработке: торцеванию, строганию, фрезерованию, шлифованию. Шлифование образцов следует производить по режимам, исключающим образование шлифовочных трещин, используя умягчающую термическую обработку для сплавов с высокой твердостью. Рекомендуемые реактивы для образцов из сплавов ЖС6-У, ЖС6-К, ЖСЗ-ДК, ЖС-32 и режимы травления указаны ниже:
Реактив №1: Кислота соляная по ГОСТ 3118-77-100 мл. Кислота азотная по ГОСТ 4461-77-100 мл, Вода - 100 мл, температура раствора -60-70С, время травления 5-Ю мин., травление производят погружением образцов в раствор.
Реактив №2: Кислота соляная по ГОСТ 3118-717- 500 мл. Кислота серная по ГОСТ 4204-77 - 35 мл. Медь сернокислая по ГОСТ 4165-78 -150г (или медь сернокислая, безводная - 100 г), температура раствора -60-70С, время травления 5-15 мин. Способ травления: для полного растворения сернокислой меди в соляной кислоте реактив при изготовлении подогревают до 40-50С, травление производят погружением образцов в раствор или протиркой их в течение 5-Ю мин тампоном, смоченным в растворе. Образцы промывают водой и затем раствором: 100 мл серной кислоты, 5 г двухромовокислого калия, 1000 мл воды,
Реактив №3: Кислота соляная по ГОСТ 3118-77-1000 мл Кислота азотная по ГОСТ 4461-77-100 мл, Калий двухромовокислый по ГОСТ 4220-75- 100 г. Вода - 1000 мл, температура раствора -60-70С, время травления 15-30 мин. Травление производят погружением образцов в раствор.
Реактив №4: Кислота соляная по ГОСТ 3118-77, 50%-иый раствор Водорода перекись (пергидроль) по ГОСТ 177-77. Кислота азотная по ГОСТ 4461-77 - одна часть. Температура раствора - 20С. Время травления 5 85 мин. Травление производят протиркой тампоном смоченным в растворе или погружением образцов в раствор.
Примечания: 1. После травления образцы тщательно промывают в проточной воде и сушат. 2. Образцы, предназначенные для хранения, хорошо просушивают и покрывают бесцветным лаком.
Допускается применять другие реактивы [122] при условии получения идентичных результатов травления. Применяемые реактивы должны быть чистыми, без взвешенных частиц и пены. Перед травлением образцы должны быть очищены от грязи и обезжирены. Образцы в травильных ваннах не должны соприкасаться контролируемыми плоскостями друг с другом и со стенками ванны (сосуда). Перед горячим травлением образцы следует подогревать до температуры раствора. При повторном использовании травильного раствора концентрацию кислот восстанавливают до плотности, установленной во время приготовления свежего раствора. Травление должно производиться до получения четко выявленной макроструктуры, позволяющей оценивать ее при сравнении со шкалами и чертежами. При сильном растравливании сплава (потемнения поверхности, появления ложной пористости по всему сечению, шероховатости поверхности) травление повторяют на тех же образцах после снятия поверхностного слоя на глубину не менее 2 мм.
Оценку макроструктуры протравленных образцов и изломов производят визуально. Для уточнения классификации дефектов допускается применять двух-, четырехкратное увеличение. Определение вида и степени развития дефектов макроструктуры производят сравнением свежепротравленных образцов со шкалами и чертежами. Описание макроструктуры и дефектов, иллюстрированных шкалами и чертежами, дано в рекомендуемом приложении 3 настоящего стандарта и в приложениях 2 и 3 к ГОСТ 10243-75. Макро и микроструктуру и фазовый анализ никельхромовых сплавов [123] исследовали по общепринятым методикам [124] (Приложение №6). Электронномикроскопические исследования структуры никельхромовых сплавов [38] выполняли на оптических микроскопах МИМ-8 и Neafot, электронных микроскопах Е8-4-6, УМВ-100. С целью изучения влияния наномодификатора (ННМ) на основе карбо-нитрида титана на структуру и свойства сплавов отлили большую партию образцов. Макро- и микроструктуру модифицированных сплавов исследовали на образцах опытных партий ЖСб-У, ЖС6-К, отлитых по технологии ВИП и ЭШП.
Технологический процесс модифицирования [125], представляющим практический интерес, является введение тугоплавких частиц ииокуляторов в жидкий металл с помощью брикетов [27,41]. Наиболее целесообразно применять этот метод при значительных объемах модифицируемого металла [12,26], полученного по электрошлаковой технологии [84, 126].
Брикеты нанокомплексов (ННК) в виде таблеток получали по следующей технологии. Предварительно приготовленная смесь наномодификаторов подвергается холодному прессованию в таблетки диаметром 30 мм и толщиной 10-15 мм (рис. 4.2). Прессование таблеток осуществляли в специальной прессформе (рис. 4.1) [28].
Указанные размеры таблеток выбраны из условия достаточно быстрого растворения их в жидком металле (30 - 60 с), а также из того соображения, что одна таблетка приходилась бы на 10 кг обрабатываемого расплава. Такие брикеты имеют значительную плотность, обусловливающую их быстрое прохождение через расплавленный шлак, что обеспечивает высокую степень усвоения модификаторов металлической ванны [85]. Таким образом, выше-рассмотренные способы введения наномодификаторов являются наиболее предпочтительными для использования в электрошлаковых процессах [31,104]. Новый принцип формирования центров кристаллизации [33,39,127, 128] заключается в применении наночастиц (ННЧ) тугоплавких химических соединений и элементов, полученных плазменно-химическим синтезом (ГТХС) и имеющих размер наночастиц от 0,01 до 0,05 мкм и менее [88].
Повышение эффективности воздействия нанокомплексов на никельхромовые сплавы с внедрением технологии высокотемпературной обработки расплава в процессе электрошлакового литья
Установлено, что изменение температуры заливки Тзал. наномоди-фицированных сплавов ЖС6-К и ЖС6-У в пределах 1400-1600С не оказывает влияния на размер макрозерна (d). У исходных сплавов при увеличении Тзал. на каждые 100С размер макрозери пропорционально увеличивается на 1,1-1,2 мм. Введение ыанокомплексов при более высоких температурах 1570 132 1600С усиливает измельчение зерна и у сплава ЖС6-К размер зерна уменьшается до 1,2-2,0 мм. Наибольшее измельчение зерна достигается в течение 2-5 мин после введения наиокомплекса, а затем стабилизируется и мало изменяется при выдержке жидкого сплава в интервале температур 1400-1550С. 2. Наномодифицирование устраняет разнозернистость, изменяет мор фологию и топографию карбидной фазы МеС от формы «китайского шриф та», глыбообразного на границх зерен до компактной округлой формы, со средоточенной в осях и межосных промежутках дендритоа. Заливка изделий с наномодифицированием TiCNi показала, что максимальный размер зерна от 7,5-12 мм уменьшается до 1,5 мм. Установлено, что параметр зерна модифицированных сплавов $из=6тх/ 1мш зависит от состава и определяется соотношением элементов АІ/Ті, ТЇ/С и (AI+Ti)/(C+Ti). Оптимизация технологических режимов литья по механическим свойствам и длительной прочности при 850С и 975С, позволила определить режимы наномодифицирования сплавов. При этом отмечена устойчивая тенденция улучшения свойств при увеличении перегрева расплава до 1600С перед введением добавки. 3. Химическим анализом состава и содержания газов в сплавах ЖС6-У установлено, что наномодифицирование не оказывает влияния на состав сплавов за исключением увеличения содержания Ті на 0,005% после каждого введения TiCNi и азота на 0,002 %.Содержание азота стабилизируется на уровне 0,003%. 4. При литье изделий из сплава ЖС6-У, установлено, что временное сопротивление разрыву тв наномодифициро ванного 0,2% (TiCN+Ti) сплава на 80-ГІ50 выше, чем у серийного, и в среднем составляет 1150 МПа. Пластичность увеличилась в два раза от 4 до 8%, а жаропрочность при Т=975С и о"=240 МПа составила 48 ч при нижнем пределе по ТУ - 25,0 ч: угол изгиба изделий до разрушения увеличился от 7,0 до 12- 20. Размер макрозерен изделий уменьшился (от 5-7 до 2 мм ) исчезают столбчатые кристаллы и разнозернистость, параметр дендритной ячейки уменьшается в четыре раза, а карбиды приобретают компактную форму и 133 равномерно распределяются в поле шлифа: у -фаза приобретает правильные геометрические очертания. 5. Свойства металла образцов и изделий, отлитых из наномодифици рованных сплавов ЖС6-К, ЖС6-У улучшаются. Например, у сплава ЖС6-К прочность при 2 О С стабилизируется, увеличиваясь в среднем на 8%, пла стичность возрастает в два раза; длительная прочность при 800С - на 3-5% и уровень пластичности при высоких температурах сохраняется. Размер макрозерна в отливках составил в среднем 2-3 мм; столбчатые зерна отсутствовали и резко снизилась разнозернистость; карбиды приобрели компактную форму, средний размер карбидов 3-5 мкм. Наилучшее сочетание структуры и свойств сплава ЖСб-К получено при введении нанокомплекса 0,025%TiCN+0,2Ti при 1580С, выдержке 5 мин и разливке при 1490С. В этом случае карбиды имеют глобулярную форму, включения эвтектики у-у равномерно расположены, а у -фаза более дисперсная, 6. При изготовлении крупногабаритных изделий сложного профиля и переменного сечения из наномодифицированного сплава установлено, что в теле отливки столбчатые зерна отсутствуют, в тонких сечениях размер зе рен 2-3 мм, но в массивной части размер зерен не изменился. У наномодифицированного сплава уровень механических свойств при 20С значительно выше, чем у немодифицированного, а пластичность увеличивается в 2,0-2,5 раза. Механические свойства наномодифицированного сплава улучшились: OY на 20-30%, у0,2- 20-30%, 5- на 50-120%, KCXJ увеличилось от 130-160 до 250-380 кДж/м2, а ст- от 148 до 545 ч. 7. Установлено, что циклическая устойчивость литых изделий из нано модифицированного сплава ЖС6-У т 5 при 20С увеличивается от 170 МПа до 215 МПа. Испытания образцов из наномодифицированного сплава ЖС6-К при 750С на базе 2х107 циклов показали, что au_f увеличивалась от 130-180 МПа до 240 МПа. Испытания на малоциклоную изотермическую и неизотер мическую усталость показали, что наномодифицированный сплав имеет яв ное преимущество по физико-механическим свойствам, по сравнению с не 134 модифицированным металлом. У наыомодифицированного сплава с добавкой TiCN свойства после выдержи в течение 10000 ч при 800С сохраняются и начинают уменьшаться при увеличении температуры до 1100С, а уровень пластичности не изменяется, что свидетельствует о стабильности структуры сплава. 8. При высокотемпературной обработке расплава (ВТОР) жаропрочных никельхромовых сплавов и наномодифицировании установлена оптимальная температура введения модификатора 1650-1780С. При изготовлении изделий из никельхромовых сплавов целесообразно подстуживать наномодифи-цированный жидкий металл с помощью охладителя. Совмещение ВТОР и наномодифицирования TiCNi увеличивает прочность сплава ЖСЗД-К на 250 МПа, при росте пластичности в два раза, длительную прочность при 800С - на 50 МПа, Образцы из сплава ЖСЗ-ДК, полученных ЭШЛ, выдерживают нагрузку 820 МПа при 800С более 150 ч, что соответствует повышению длительной прочности на 160-200 МПа образцов из сплава ЖС6-У при 100-часовой нагрузке при 975С - на 40-50 МПа. 9. При получении качественных отливок при электрошлаковом литье с применением ВТОР и наномодифицирования необходим следующий режим плавки и разливки: ВТОР - 1740С, выдержка - 20 мин; введение наномоди-фикатора 1670С; температура заливки формы-1530С. Прочность сплава ЖС32 увеличивается на 150-330 МПа, 8 - в 2-4 раза. Наноодифицирование устраняет переохлаждение после ВТОР, повышает линейную скорость роста кристалла, что обусловливает измельчение у -фазы, а карбиды приобретают более компактную форму. Применение этой технологии позволяет использовать шихтовые материалы с любым количеством возврата без опасности накопления модификатора в металле последующих плавок. 10. Технология ВТОР с наномодифицированием «металлургически чистого» металла, полученного при ЭШЛ в «стерильных» условиях плавки можно достичь большей стабильности результатов наномодифицирования, так как оно накладывается на регламентированную картину содержания мо дифицирующих частиц в сплавах. В результате наномодифицирования может изменяться морфология карбидных (карбонитридных) выделений в сплаве, измельчается зерно, уменьшается количество выделений первичной у -фазы и как следствие повышается уровень и стабильность физико-механических свойств сплавов.
П. Изучение области применения наномодифицирования при получении отливок из жаропрочных никельхромовых сплавов показало, что введение наномодификатора при перегреве свыше 1600С вызывает глобуляриза-циго карбидов, повышает твердость и износостойкость отливок, что положительно сказывается на повышении работоспособности изделия «Сердечник рогообразный», «Протяжка» и значительно увеличивает время эксплуатации их в производственных условиях.
