Введение к работе
Актуальность работы. В крупносерийном производстве крутоизогнутых отводов для химической, нефтяной, газовой и других отраслей промышленности широкое применение нашел способ горячей протяжки труб по рогообраз-ному сердечнику. Выход сердечника из строя приводит к длительной остановке производства, трудоемкой операции его замены, что существенно снижает производительность труда на предприятии и обуславливает расход большого количества высоколегированной стали, идущей на изготовление новых сердечников. Поэтому проблема повышения стойкости инструмента весьма актуальна.
Одним из путей повышения ресурса работы роговых сердечников является применение для их изготовления сплавов с высокой жаропрочностью.
Для получения заготовок из таких сплавов целесообразно применение электрошлакового кокильного литья. Однако, несмотря на явные технико-экономические преимущества технологии электрошлакового кокильного литья, разработанной в Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины, информация о которой широко опубликована в монографиях и статьях Б.Е. Патона, Б.И. Медовара, Г.А. Бойко, М.М. Клюева, Ю.А. Башнина, Ю.В. Латаша, В.Г. Радченко, В.Л. Шевцова, В.И. Махненко, Д.А. Дудко, Г.С. Марийского и др., она не нашла достаточно широкого применения в производстве ответственных заготовок из жаропрочных сплавов. Это связано с тем, что литой электрошлаковый металл заготовок из таких материалов по механическим и служебным свойствам обычно уступает поковкам из металла рафинирующих переплавов. Поэтому реализация преимуществ электрошлакового литья при производстве таких заготовок связана, прежде всего, с решением проблемы повышения этих свойств литого электрошлакового металла.
Достижение более высокого качества литого металла возможно воздействием на его структуру в процессе кристаллизации.
Исследования последних лет как у нас в стране, так и за рубежом привели к разработке новых методов управления процессом кристаллизации, одним из которых является модифицирование. Заметный прогресс в этом направлении был достигнут при использовании суспензионного модифицирования, предложенного Нижегородской научной школой А.А. Рыжикова и получившего дальнейшее развитие в трудах Ю.З. Бабаскина, О.Х. Фаткулина, С.С. Затуловского, В.Б. Федорова, М.Х. Шоршорова, А.Н. Черепанова, В.П. Сабурова, Е.Н. Еремина и др. В тоже время несмотря на значительные преимущества этого метода он имеет и существенные недостатки, такие как неоднородность суспензии в связи с неравномерным распределением частиц в объеме расплава, возможность их седиментации по удельному весу, а также низкая устойчивость от коагуляции и растворения, что в конечном счете обуславливает невысокую стабильность процесса модифицирования.
Эффективность модифицирования может быть существенно повышена, если в металл ввести и равномерно распределить в нем тугоплавкие частицы с заранее выбранными необходимыми свойствами, в частности ультрадисперсные (0,05-0,1 мкм) порошки (УДП), получаемые плазмохимическим синтезом. Однако вопрос модифицирования литого металла тугоплавкими инокуляторами в
электрошлаковых технологических процессах остается малоизученным в теоретическом и практическом аспектах, а сведений об использовании ультрадисперсных порошков недостаточно. Поэтому исследования в этой области являются, безусловно, актуальными, имеющими как научное, так и прикладное значение.
Диссертационная работа выполнялась в рамках проектов № 1.06.07, 4037Ф и № 9336Ф Аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011годы).
Цель диссертационной работы: повышение комплекса свойств электрошлаковых отливок из сплава ЖС6У путем модифицирования расплава ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать процесс зарождения центров кристаллизации на тугоплавких ультрадисперсных частицах и их модифицирующее воздействие на расплав.
Обосновать выбор модифицирующих компонентов для обработки жидкого электрошлакового металла.
Предложить состав модификатора и технологию его приготовления.
Установить закономерности кристаллизационных процессов, формирования структуры, механических и эксплутационных свойств электрошлакового металла при его модифицировании ультрадисперсными тугоплавкими частицами.
Разработать технологию электрошлакового кокильного литья заготовок роговых сердечников из жаропрочного сплава на основе применения модифицирования расплава ультрадисперсными тугоплавкими частицами.
На защиту выносятся:
Результаты высокотемпературной обработки порошков комплексного модификатора.
Закономерности совместного влияния карбонитрида титана, титана и иттрия на структуру и свойства жаропрочного сплава.
Закономерности кинетики кристаллизационных процессов в модифицированном жаропрочном сплаве.
Механизмы процессов, протекающие в модифицированном сплаве, обусловливающие повышение его эксплуатационных характеристик.
Научная новизна
Показано, что предварительная подготовка порошков комплексного модификатора, включающая их высокотемпературную ультразвуковую обработку в расплаве галогенидов, обеспечивает активирование частиц и повышает их дисперсность в пять раз, стабильность размеров в семь раз, а количество частиц наноразмерного уровня в десятки раз.
Обосновано применение комплексного модификатора для жаропрочного сплава, содержащего ультрадисперсные частицы карбонитрида титана, титан и иттрий при соотношении 1:10:1.
Показано, что в результате модифицирования дисперсность дендритной структуры жаропрочного сплава увеличивается в 2,3 раза, а ликвация Ті и Nb уменьшается в 1,6-1,8 раза. В частицах у'-фазы наряду с А1 и Ті возрастает кон-
центрация Со, Ni, Сг, в то время как в межчастичных пространствах количество Со, Ni, Сг уменьшается.
Установлено, что влияние комплексного модификатора на кристаллизационные процессы заключается в уменьшении интервала кристаллизации на 20 С, увеличении темпа кристаллизации в начальный период, смещении момента начала выделения карбидов в более высокую температурную область, повышении температур начала выделения эвтектической и упрочняющей фаз.
Показано, что модифицирование жаропрочного сплава ультрадисперсными активированными тугоплавкими частицами предотвращает образование столбчатых зерен, устраняет разнозернистость, измельчает макроструктуру, обеспечивает изменение морфологии и топографии карбидной фазы и эвтектики у - у', увеличение дисперсности, количества и структурной стабильности у'-фазы, что приводит к возрастанию механических и эксплутационных свойств сплава.
Практическая значимость полученных результатов
Предложена технология модифицирования электрошлаковых отливок из жаропрочного никелевого сплава активированными тугоплавкими частицами плазмохимического синтеза с размерами 0,03-0,5 мкм.
Предложены запатентованные рецептуры составов модифицирующих материалов, особенности их изготовления и введения в расплав.
Материалы работы использованы в учебном процессе ОмГТУ.
Результаты работы приняты к использованию на предприятии ООО «Специальные технологии» для решения задач повышения качества отливок инструмента для изготовления трубных заготовок.
Достоверность результатов
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены с применением современного аналитического и технологического оборудования, характеризующегося высокой надежностью методик и точностью измерений. Взаимодополняющие методы исследований структуры и механических свойств были подкреплены статистической обработкой полученных данных. Полученные результаты соответсвуют современным представлениям о механизмах кристаллизации и модифицирования металлических материалов.
Личный вклад автора состоит в формулировании задач диссертационной работы, проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке и сопоставлении полученных результатов с литературными данными и формулировании выводов.
Объект и методы исследования. Высоколегированный жаропрочный сплав ЖС6У (Х10Н60К10В10Ю5ТЗМ2Б), модифицированный частицами тугоплавких соединений.
Для измерения удельной поверхности частиц модификатора использовали прибор «Сорбтометр». Для определения дисперсности частиц применяли лазерный анализатор SALD-2101. Металлографические исследования осуществлялись на оптическом микроскопе Carl Zeiss АХЮ Imager Aim. Для анализа фрактограмм применялся растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EVO50 с рентгеновским микроанализатором EDS X-Act (Oxford Instruments). Для изу-
чения тонкой структуры использовались методики просвечивающей электронной микроскопии на ПЭМ JEOL JEM - 2100. Определение качественного элементного состава проводилось методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (РСФА) на волнодисперсионном спектрометре ОРТГМ'Х ARL. Термический анализ проводился с использованием приборов NETZSCH STA449C, SHIMADZU DTG-60, NETZSCH STA409 PC. Исследования изменения в зеренной структуре литого сплава методом атомно-силовой микроскопии проводились на сканирующем зондовом микроскопе Solver Pro (NT-MDT, Россия).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 11 Международных (Екатеринбург 2007, Томск 2008, Красноярск 2008, Киев 2011, Донецк 2010, Омск 2005, 2006, 2007, 2009, 2010, 2011), 3 Всероссийских, а также 4 Региональных, отраслевых научных конференциях и семинарах.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 10 работ в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 226 страниц текста, 90 рисунков, 34 таблицы. Список литературы включает 188 наименований.
