Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общие сведения о железе (литературный обзор) 10
1.1 Получение железа 10
1.1.1 Получение железа технической чистоты 10
1.1.2 Получение железа высокой чистоты 16
1.1.3 Условия эффективной очистки 23
1.2 Свойства железа 25
1.2.1 Физические 25
1.2.2 Механические 35
1.2.3 Химические 44
1.3 Водород в железе 48
1.4 Азот в железе 54
1.5 Кислород в железе 62
1.6 Тепловое расширение сплавов на основе железа 68
1.6.1 Общие положения о тепловом расширении 68
1.6.2 Тепловое расширение углеродистой стали 81
1.6.3 Тепловое расширение легированной стали 82
1.6.4 Тепловое расширение чугуна 101
1.6.5 Инвары 105
1.7 Области применения чистого железа 120
Глава 2 Материалы и методики исследований 124
2.1 Материал исследования 124
2.2 Проведение металлографического анализа 124
2.3 Определение механических свойств 125
2.4 Определение коэффициента линейного расширения 125
2.5 Измерение плотности 128
2.6 Определение содержания водорода, азота и кислорода 129
2.6.1 Метод горячей вакуумной экстракции 129
2.6.2 Метод вакуум-плавления 132
2.7 Термическая обработка 134
2.8 Статистическая обработка результатов 135
2.8.1 Расчет доверительного интервала 135
2.8.2 Отбраковка резко выделяющихся результатов 137
Глава 3 Влияние нагрева в интервале 20 - 950 с на свойства железа 008жр 138
3.1 Влияние нагрева на микроструктуру 139
3.2 Влияние нагрева на механические свойства 144
3.3 Влияние нагрева на содержание водорода, азота и кислорода 148
3.4 Влияние нагрева на линейное расширение 151
3.5 Выводы по главе 3 159
Глава 4 Влияние нагрева в кислородсодержащих средах на свойства железа 008жр 161
4.1 Влияние нагревав кипящейН20 161
4.2 Влияние нагревав Si02 167
4.3 Выводы по главе 4 171
Глава 5 Влияние химико-термической обработки на линейное расширение железа 008жр 172
5.1 Влияние нагрева в бондюжском карбюризаторе 172
5.2 Влияние нагрева в высокоазотистой среде (мочевине) 179
5.3 Влияние закалки 185
5.4 Совместное влияние нагрева в карбюризаторе и закалки 187
5.5 Совместное влияние нагрева в мочевине и закалки 194
5.6 Совместное влияние нагрева в карбюризаторе, в мочевине и закалки 199
5.7 Влияние низкотемпературного нагрева 199
5.8 Влияние циклической химико-термической обработки 206
5.8.1 Влияние нагрева в карбюризаторе и циклической закалки... 206
5.8.2 Влияние циклической химико-термической обработки 208
5.9 Перспективы применения результатов работы 208
5.9.1 Сравнение линейного расширения инваров и железа 008ЖР 208
5.9.2 Сравнение линейного расширения углеродистой и легированной стали и линейного расширения железа 008ЖР 216
5.9.3 Сравнение линейного расширения специальных чугунов и линейного расширения железа 008ЖР 216
5.10 Выводы по главе 5 220
Общие выводы 221
Литература 224
Приложение 250
- Тепловое расширение сплавов на основе железа
- Определение коэффициента линейного расширения
- Влияние нагрева на содержание водорода, азота и кислорода
- Совместное влияние нагрева в карбюризаторе, в мочевине и закалки
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время наука и техника все больше нуждаются в новых материалах, обладающих регламентируемыми специфическими свойствами. В наибольшей мере это касается приборостроения, обслуживающего, среди прочих, такие наукоемкие отрасли машиностроения как космическая и аэротехника. Одним из свойств, необходимых для приборных материалов, является контролируемый коэффициент линейного расширения (далее – КЛР), определяющий размерную стабильность и, следовательно, точность прибора в рабочем интервале температур.
Сплавы с малыми значениями коэффициента линейного расширения широко используются в микроволновой технике, приборостроении, часовой промышленности, измерительной технике, вакуумной технике, автоматике, лазерной технике, кораблестроении и т.д. Сплавы с КЛР, близким к нулю, применяют в метрологии (рабочие эталоны длины и линейки), электронике, для изготовления деталей с высокой стабильностью размеров в интервале температур от 4,2 до 420 К, для изготовления деталей, работающих при низкой температуре и труб в криогенной технике, для нагруженных деталей высокоточных приборов, для герметизированных магнитоуправляемых контактов, а также для точных пружин. Сплавы с низким КЛР предназначены для вакуумноплотных соединений с неорганическими диэлектриками - стеклом, керамикой, сапфиром, слюдой и т.д.
Эталоном сплавов с низким КЛР остается инвар, разработанный Ш. Гильомом в 1896 году. Этот сплав, содержащий наряду с Fe-основой 36% Ni, обладает до сих пор не объясненной аномалией линейного расширения ( = 1,010-6 град-1 при температурах испытания 50 100 С). Высокая стоимость, сложность технологической обработки и высокая плотность обусловили проблему разработки сплавов, способных в ряде случаев заменить инвар. Однако, разработки, проводимые по пути количественного и качественного увеличения легирующих элементов (вплоть до внесения 25% платины и палладия), привели к созданию целого класса материалов, обладающих инварным эффектом (ковары, суперинвары и др.), но не сняли основных проблем технологического и экономического плана и не восполнили пробела в понимании физической сущности аномалии.
В то же время, показано (С.Н. Новикова и др.), что коэффициентом линейного расширения, близким к нулю, при температурах порядка 4 – 10 К обладают все металлы, в том числе и железо. Причем КЛР железа практически не зависит от содержащихся в нем традиционных легирующих добавок. Исключение составляет хром, как известно (Э. Гудремон), увеличивающий содержание азота в стали. Также несущественно влияние на КЛР количества углерода, что может быть важным при изучении теплового расширения широко распространенных железных сплавов – чугунов и сталей, ресурс свойств которых и по сей день остается невыработанным.
Таким образом, возникает необходимость поиска возможностей придания железу, не содержащему дорогостоящих легирующих элементов, значений коэффициента линейного расширения, характерных для сплавов системы Fe-Ni. Одной из таких возможностей является регулирование содержания водорода, азота и кислорода в материале путем проведения термической и химико-термической обработки. Это обусловлено тем, что, как показано во многих работах фундаментального и прикладного характера, основное влияние на формирование свойств металлов и сплавов, в том числе теплового расширения, оказывают элементы внедрения.
Разработанные способы снижения коэффициента линейного расширения железа позволят заменить им дорогостоящие инвары.
Цель работы. Изучить влияние термической и химико-термической обработки на тепловое расширение высокочистого железа. Разработать оптимальные режимы обработки для снижения коэффициента линейного расширения железа без применения дорогостоящего легирования.
Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:
-
Проведен систематический анализ влияния термической и химико-термической обработки на тепловое расширение высокочистого железа 008ЖР.
-
Установлено, что коэффициент линейного расширения, микроструктура и механические свойства железа зависят от содержащихся в нем водорода, азота и кислорода.
-
Изучено влияние нагрева в интервале 20 – 950С в воздушной среде на свойства железа 008ЖР. Выявлены интервалы охрупчивания при 200 – 400С и 750 – 850С, выражающиеся в снижении прочности и пластичности с соответствующим изменением содержания водорода, азота и кислорода.
-
Показана возможность увеличения прочности и пластичности железа путем нагрева в средах с повышенным содержанием кислорода, что согласуется с механизмом У. Эванса, по которому перераспределение водорода внутри металла обусловлено действием кислорода окружающей среды.
-
Установлено, что нагрев в средах с повышенным содержанием азота позволяет снизить коэффициент линейного расширения железа до значений = 0,710-6град-1 (tисп = 350 – 400С), характерных для сплавов инварного класса при температурах испытания 50 – 100С.
-
Впервые установлено наличие аномалий теплового расширения высокочистого железа при температурах испытания 150С и 300С, при которых происходит процесс сжатия до = -1,210-6град-1 и = -3,810-6 град-1 соответственно. Указанные аномалии проявляются после применения химико-термической обработки, в которой активным веществом являются углеводороды.
Практическая значимость. Разработана технология проведения химико-термической обработки, позволяющая значительно снизить коэффициент линейного расширения высокочистого железа. Она включает нагрев, выдержку и охлаждение и отличается тем, что нагрев проводят при температуре 900 – 1000С, а каждый цикл включает в себя две стадии: нагрев, выдержка в среде бондюжского карбюризатора 0,5 – 1 ч с охлаждением на воздухе, затем нагрев, выдержка 5 – 15 мин и охлаждение в холодной воде, при этом число циклов может составлять до 5. Разработанная технология может быть использована в различных областях техники, в первую очередь, в точном машиностроении и приборостроении. Первоначальными объектами исследования были приняты белый и серый чугун, при изучении которых установлено наличие возможностей снижения коэффициента линейного расширения посредством термоциклической обработки.
Предмет защиты.
-
Особенности линейного расширения высокочистого железа в связи с различными видами термической и химико-термической обработки.
-
Закономерности влияния термической обработки на микроструктуру, механические характеристики железа и содержание водорода, азота и кислорода.
-
Воздействие циклической химико-термической обработки на линейное расширение высокочистого железа.
Достоверность основных научных выводов и практических результатов диссертации основывается на использовании научно обоснованных методах исследования и не противоречит известным научным результатам других исследователей в близких областях металлургической науки.
Лично диссертантом проведен анализ литературных данных по получению, применению и свойствам высокочистого железа. Сделан вывод о том, что ведущую роль в формировании свойств играют водород, азот и кислород. Изучены современные положения о тепловом расширении сплавов на основе железа. Рассмотрено влияние нагрева в воздушной и кислородсодержащих (кипящая Н2О, диоксид кремния) средах на микроструктуру и механические свойства железа 008ЖР, отмечена их зависимость от газосодержания. Применен способ химико-термической обработки, включающий нагрев в высокоазотистой среде (мочевина), который снижает коэффициент линейного расширения железа до значений = 0,710-6 град-1 при температурах испытания 350 – 400С. Впервые установлен эффект сжатия железа при нагреве после проведения обработки в среде углеводородов (карбюризатор) в интервале температур 900 – 1000С в течение различного времени и последующего быстрого охлаждения (в холодную воду). Установлено, что наиболее сильно аномалии теплового расширения проявляются при циклической химико-термической обработке. Кроме того проведение принятой обработки циклически позволяет утверждать, что полученные результаты могут быть высоко оценены с позиций достоверности. Разработана комплексная термическая обработка, заключавшаяся в нагреве в мочевине в течение 10 ч и, после полного охлаждения, повторного нагрева в твердом карбюризаторе (930 С, 1 ч) и закалке с 1000 С в холодную воду, которая также приводит к появлению аномалий при 150 и 300С.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 1 международной и 9 всероссийских научно-технических конференциях и семинарах.
Представленная работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлению «Естественные науки» в рамках мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами» по Государственному контракту № П1906 от 29 октября 2009. Наименование исследований: Физика конденсированных сред. Физическое материаловедение. Наименование проблемы исследования: «Физические основы закономерностей влияние внешних энергетических воздействий на линейное расширение высокочистого железа и углеродистых сталей». Кроме того, работа выполнялась в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2010 годы) по проекту «Создание теоретических положений о расширении и сжатии металлических сплавов с применением нанотехнологий при контролируемых энергетических воздействиях».
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 21 печатной работе, в том числе 1 учебное пособие и 9 работ в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций, и защищено 3 патентами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, изложена на 251 странице машинописного текста, содержит 110 рисунков, 75 таблиц, список литературы из 235 наименований и приложение на 1 странице.
Тепловое расширение сплавов на основе железа
Определение теплового расширения. С точки зрения молекулярно-кинетической теории твердых тел, тепловое расширение металлов и сплавов является следствием асимметрии сил притяжения и отталкивания между атомами кристаллической решетки в процессе колебательных движений, совершаемых ими около положения равновесия. При повышении температуры, то есть при увеличении энергии колебаний атомов, асимметрия сил притяжения и отталкивания возрастает и при этом увеличивается смещение атомов относительно друг друга. Смещение атомов, суммируясь во всей кристаллической решетке, приводит в своем внешнем проявлении к изменению объема и линейных размеров тела. Это изменение обратимо и если, помимо теплового расширения, с изменением температуры в теле не происходит структурных превращений, то при возвращении температуры к прежнему уровню восстанавливаются и исходные размеры тела. [39]
Кроме обратимого изменения размеров, зависящего только от температуры, тела при нагреве и охлаждении могут изменять размеры в связи с фазовыми превращениями. Эти превращения могут быть связаны с полиморфизмом вещества, с распадом пересыщенных твердых растворов и другими структурными превращениями. При этом изменение размеров зависит от времени, характер его может меняться в различных температурных областях и при изменении скорости нагрева. [55]
В качестве характеристики теплового расширения принят коэффициент теплового расширения (КТР). Для твердого тела КТР представляет собой относительное изменение длины (или объема) при изменении температуры на один градус и, следовательно, является мерой легкости, с которой происходит увеличение амплитуды тепловых колебаний атомов при повышении температуры. Низкий коэффициент теплового расширения указывает на большие силы сцепления между атомами. [56]
Объемный и линейный коэффициенты теплового расширения обозначаются р и а соответственно и определяются следующими соотношениями при постоянном давлении:
Экспериментально в большинстве случаев определяется не объемный, а линейный КТР. Для определения КТР используются объемный (пикнометрический) метод, оптические (интерференционный, метод Андреса, метод оптического рычага), радиотехнические (емкостный, индукционный, резонансный, тензометрический), акустические и рентгеновские методы.
Для определения коэффициента линейного расширения и его зависимости от температуры применяют дилатометры. [58] С помощью этих приборов измеряют удлинение /-/о=А/ в зависимости от температуры, а затем данные этих измерений усредняются. На основании данных измерения (кривых) могут быть получены значения для построения диаграмм состояния и т.д. Таким образом, дилатометрический метод позволяет, помимо определения коэффициентов теплового расширения, исследовать обширный круг явлений, протекающих при изменении температуры в твердом теле.
Тепловое расширение тесно связано с параметрами, характеризующими состояние твердого тела [59].
Влияние деформации на тепловое расширение. Теоретические исследования показали, что при наличии деформации КТР может быть представлен в виде где є — деформация, появляющаяся из-за приложения внешних сил; /3 — КТР при =0, А %тЕу1Ъ - коэффициент, определяемый упругими свойствами вещества; Е - модуль линейной упругости. [60]
Коэффициент теплового расширения деформированных металлов больше по величине, чем недеформированных. В зависимости от степени искажения кристаллической решетки є происходит изменение коэффициента линейного расширения а где а - параметр, зависящий от природы материала. [61]
Влияние дефектов на тепловое расширение. Реальные кристаллы всегда содержат некоторое количество дефектов. [62] Установлено, что радиационные дефекты решетки ведут к увеличению коэффициента теплового расширения. Однако тщательное изучение изменения коэффициента расширения от дозы облучения показало, что при малых дозах а уменьшается. [62-63]
Коэффициенты линейного расширения различных металлов. На рисунках 1.42-1.50 показаны значения КЛР для различных элементов [56] . При сравнении их с КЛР инвара (таблица 1.25, рисунок 51) видно, что линейное расширение всех металлов и неметаллов подчиняется единой закономерности. Все элементы при низких температурах (около 0 К) имеют КЛР, близкий к 0. Таким образом, аномальность инварного эффекта заключается в интервале температур, при котором она проявляется (до 100 С). Материалы со значениями КЛР, близкими к нулю, получают не только на сплавах Fe-Ni, но и на основе титана [64], плутония [65], нитрида марганца [66], сплавов систем Fe-Pt [67], Ni-Coi [68], Ni-Ті [69], а также материалов с высокими значениями КЛР при нормальных условиях, таких как алюминий и силумин [70-99]. Для чистого железа, согласно наиболее достоверным исследованиям, коэффициент линейного расширения в интервале 0-100С колеблется от 11,7-106 град _1 до 12,3-106 град-1.
Известно, что при 720 С в сталях происходит фазовое превращение [100, 101], сопровождающееся изменением объема. Температура и характер фазового превращения существенно зависят от состава сталей. При малом содержании углерода (до 0,76%) фазовый переход происходит с уменьшением объема, при содержании углерода выше 0,76% - с увеличением. КЛР углеродистой стали приведены на рисунках 1.52 — 1.53.
Коэффициент расширения и другие объемные свойства фаз, из которых состоит углеродистая сталь, приведены в таблице 1.26.
Состав сталей приведен в таблицах 1.27, 1.30, 1.32, 1.35, а значения коэффициентов расширения — в таблицах 1.,28, 1.29, 1.31, 1.33, 1.34, 1.36, 1.37 и на рисунках 1.54 - 1.61. Следует, что большое содержание хрома в сталях увеличивает их коэффициент расширения почти в 1,5 раза. Увеличение содержания никеля до 20% при том же содержании хрома уменьшает коэффициент расширения. Незначительные добавки молибдена также приводят к некоторому уменьшению коэффициента расширения.
Цементит и легирующие примеси, растворенные в феррите, понижают коэффициент линейного расширения, карбиды легирующих примесей повышают его. [59]
В [56] исследовался отожженный и закаленный образец одного состава. Установлено, что коэффициент расширения закаленного образца значительно меньше, чем отожженного. Уменьшение коэффициента расширения объясняется, по-видимому, тем, что закаленный образец состоит в основном из мартенситной фазы.
Определение коэффициента линейного расширения
Исследования железа высокой степени чистоты показали, что малые примеси могут во многих случаях повлиять на свойства металла не в меньшей степени, чем большие содержания легирующих добавок. Результаты исследований чистого железа способствовали пониманию физической природы особенностей некоторых свойств, таких как магнитная вязкость, действие постоянного и переменного магнитных полей на ползучесть железа и др. Использование железа высокой степени чистоты для электрохимических исследований позволило определить потенциал нулевого заряда железа, что не удавалось осуществить ранее. Сопоставление данных о релаксации напряжений и температуре мартенситного превращения в чистых железе и нержавеющей стали убедительно показали тесную взаимосвязь механических свойств с кинетикой фазовых превращений в твердом состоянии. Влияние малых добавок на кристаллизацию железа общеизвестно. Очистка от примесей железа и легирующих элементов позволяет осуществлять кристаллизацию сплавов при больших переохлаждениях, обеспечивающих протекание так называемой без диффузионной кристаллизации, и получить однородность сплавов, которой нельзя достигнуть при гомогенизирующем отжиге. Это дает возможность получить сплавы с новыми свойствами.
Железо широко применяется в машиностроении, особенно для деталей, изготавливаемых глубокой вытяжкой, в электротехнике и приборостроении в качестве магнитномягкого материала. В ряде случаев железо может заменить медь, никель, латунь (с учетом его более низкой коррозионной стойкости), например для электрических проводов (шин) в установках постоянного тока, для снарядных гильз и ведущих поясков, в радиолампах и др. [169]
Электротехническое железо — применяемый в электротехнике материал с высокими магнитными, механическими и технологическими свойствами.
Наиболее распространено в качестве армко-железа, используемого в электрических аппаратах, работающих на постоянном токе [170]. Армко-железо — технически чистое железо с повышенной пластичностью и электропроводностью, высокой магнитной проницаемостью и устройчивостью против коррозии. Применяется для изготовления магнитопроводов и других деталей электрических машин, электромагнитов, а такжеиспользуется как шихта при производстве легированных сталей и сплавов. [170] Кроме того, железо необходимо для жизнедеятельности животных организмов и входит в состав гемоглобина. [171] Железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Чистое железо используется в качестве катализатора и антианемического средства, как слои и пленки намагнитных лентах, а его искусственные радиоактивные изотопы — как индикаторы при исследовании химико-технологических и биологических процессов. [172] Из губчатого железа выплавляют высококачественные стали. Железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди. [173]
В качестве материала исследования использовалось железо высокой степени чистоты марки 008ЖР производства ОАО «Сибэлектросталь». Из рафинирующей установки железо 008ЖР выходит в слитках диаметром 250 мм.
Затем его прокатывают до прутка диаметром 25 мм. Химический состав железа приведен в таблице 2.1 и соответствует [174].
Изготовление металлографических шлифов проводилось по стандартной методике (ГОСТ 6456-75).
Микроструктура выявлялась травлением в течение 5 с в 5%-ном водном растворе азотной кислоты [175, 176]. Металлографический анализ [177] проводили с помощью многофункционального оптического микроскопа «OPTON» с выходом (с помощью видеокамеры «S1MENS») на ПК «ATHLON ХР 2000+». Просмотр микроструктуры проводился как на микроскопе, так и на мониторе при увеличении х80, хЗОО, х750. Фотографирование микроструктуры в операционной оболочке «WINDOWS ХР» проводили с помощью программы «TVTap». В отдельных случаях изучение микроструктуры и съемка ее на негативную пленку проводились на оптическом металлографическом микроскопе МБИ-6 при увеличении хЮО и х260. Твердость. Твердость железа до и после термообработки измерялась методом Роквелла (ГОСТ 9013-59 [178], прибор ТК-2). Индентором служили алмазный конус с углом при вершине 120 и закаленный шарик диаметром 1,588мм. На каждом образце проводилось 5 — 10 измерений твердости. Сумма предварительной и основной нагрузок представляла общую нагрузку, которая выбиралась в зависимости от применяемого индентора и ожидаемой твердости образца [179, 180] Доверительный интервал для значений твердости: AHRC/2 « ±1, АНВ/2 « ±5. Испытания на растяжение. Временное сопротивление разрыву, условный предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение в шейке определялись с помощью машины МР-500 (при нагрузке 5 т). Размеры образцов для механических испытаний устанавливали по ГОСТ 1497-84 [181]. Коэффициенты линейного расширения были определены на оптическом дифференциальном дилатометре Шевенара [56, 58], фиксирующем разность удлинений двух определенных материалов. Дилатометр Шевенара. Принцип действия дилатометра основан на одновременной записи кривых расширения эталона и испытуемого образца. В качестве эталона используется пирос (сплав Сг - Ni - Со) с близкой линейной температурной зависимостью. Перемещение образца или эталона вызывает поворот оптического рычага и соответственно изменение хода отраженного светового луча, направленного от лампочки и фиксируемого либо визуально на матовом стекле, либо фотографически. Для регистрации удлинений применяется оптический прямоугольный треугольник из инвара (рисунок 2.1).
Влияние нагрева на содержание водорода, азота и кислорода
На рисунке 3.5 приведены результаты определения экстрагированных водорода, азота и кислорода после предварительного нагрева железа в интервале 100 - 950С. Видно, что после нагрева при 200С в железе определяется минимальное количество газов. Ранее было замечено по изменению микроструктуры резкое повышение травимости границ и тела зерен, в которых появлялась новая «субструктура». Вполне правомерным может быть предположение о том, что и водород, и азот, и кислород «ушли» на образование собственных соединений. После нагрева при 450 — 550С содержание всех трех компонентов (Н, N, О) уменьшается. С этим связано исчезновение из микроструктуры новых образований, уменьшение травимости шлифов, восстановление прочности и пластичности.
После нагрева при температурах максимального роста зерна резко увеличивается количество определяемого кислорода, повышается содержание азота и существенно снижается количество водорода. Это согласуется с результатами многих работ, где установлено, что при росте зерна увеличивается количество кислорода, что позволило автору [169] назвать это «кислородной хрупкостью». Им же приведено сопоставление микроструктуры технически чистого железа, выплавленного в обычных условиях и дважды переплавленного в вакууме. Вакуумный переплав резко увеличивает размер зерна. «Объем зерна чистейшего железа может доходить до нескольких десятков мм .» [169] Выдержка в вакууме сильно уменьшает содержание водорода [194]. Дополнительно следует отметить, что «растворимость водорода в металле с повышением концентрации кислорода уменьшается» [1]. Таким образом, полученные в настоящей работе результаты по изменению газосодержания согласуются с известными. Это позволяет считать, что нагрев железа при 750 — 850С приводит к росту зерна за счет уменьшения содержания водорода, повышения содержания азота и резкого увеличения количества кислорода. В связи с этим развивается «кислородная хрупкость» [169], заключающаяся в снижении прочности и пластичности.
Из рисунка 3.6 видно, что существует определенная связь между данными газоанализатора и гидростатического взвешивания (одного из первых простейших методов определения газонасыщенности металлов и сплавов [195]). Максимальному образованию продуктов взаимодействия водорода, азота и кислорода сопутствует резкое уменьшение плотности. После растворения этих продуктов (450С) плотность увеличивается. Однако остается справедливым положение о том, что в таких случаях анализа поведения металла-основы очень большой и очень важной группы сплавов (стали, чугуны) необходимы более совершенные по сравнению с гидростатическим взвешиванием методы газового анализа.
Дилатометрические образцы подвергались нагреву в течение 10 ч. в интервале 20 — 1000С с последующим охлаждением на воздухе. Результаты определения коэффициента линейного расширения представлены в таблице 3.2 и на рисунке 3.7. Можно сделать общее заключение, что нагрев не оказывает существенного влияния на расширение образцов при охлаждении их на воздухе. Важным обстоятельством является то, что предварительный нагрев при 200С в наибольшей мере снижает значение коэффициента при температурах испытания 50 - 100С. Вторым важным фактом является снижение коэффициента после нагрева при 600С в интервале температур измерения 200 - 450С.
После определения коэффициента все образцы подвергались нагреву при 1000С в течение 3 мин с последующим охлаждением в воду. В таблице 3.3 и на рисунке 3.8 показано, что закалка (охлаждение в холодную воду) также не оказывает существенного влияния на значения коэффициента линейного расширения. Здесь можно заметить, что предварительный нагрев при 350С с последующей закалкой с 1000С снижает значение коэффициента до наиболее низкого (а = 7,93-10" град"1 при температуре испытания 50С). Какие-либо аномальные изменения коэффициента отсутствуют.
Совместное влияние нагрева в карбюризаторе, в мочевине и закалки
На рисунке 5.13 и в таблице 5.13 приведены результаты сложной термической обработки. Она заключается в нагреве в мочевине в течение 10 ч. После полного охлаждения образцы вновь нагревали, но в твердом карбюризаторе, выдерживали при 930 С в течение 1 ч и проводили закалку с 1000 С в холодную воду. Установлено, что нагрев в мочевине и последующая цементация слабее влияют на КЛР. В этом случае КЛР незначительно снижается при низких температурах испытания и полностью устраняет высокотемпературную аномалию. Окончательная закалка с 1000С приводит к появлению слабовыраженных аномалий при 150 и 300С.
Несколько сильнее влияет изменение порядка нагрева в средах (таблица 5.14 и рисунок 5.14). Предварительная цементация перед нагревом в мочевине и последующая закалка усиливают первую и вторую аномалии, но гораздо слабее, чем при проведении высокотемпературной цементации и закалки.
Из практики известно, что наиболее сильно свойства железоуглеродистых сплавов изменяются при циклической термической обработке [215-217], поэтому проведен завершающий раздел изучения аномалий линейного расширения и определения возможностей их стабилизации.
Возможность стабилизации аномальных эффектов изучались с помощью нагрева цементированных и закаленных образцов при температурах 90, 150, 250, 350 и 550С в течение 48 ч с последующим охлаждением на воздухе. Результаты влияния низкотемпературного старения позволяют сделать вывод о том, что существует резерв дополнительного снижения КЛР и сохранения его отрицательных значений после старения при 150С.
Более высокий нагрев цементованных и закаленных образцов резко уменьшает вторую аномалию. Это нагрев при 250С. Нагрев при 350 и 550С полностью устраняет аномалию линейного расширения железа (рис. 5.15, таблица 5.15)
После цементации при 930С 1 ч в древесном угле, смоченном водным раствором мочевины, проводилась циклическая закалка. Один цикл включал в себя нафев при температуре 900 С, выдержку в течение 3 мин и последующее охлаждение в холодную воду. Максимальное количество циклов составляло 3. Из результатов, приведенных на рисунке 5.16 и в таблице 5.16, видно, что циклическая закалка проявляет и усиливает вторую аномалию, несколько снижает КЛР при tHCn= 50 - 100С и существенно снижает КЛР при tHcn = 400 -450С. Вторая аномалия заключается в незначительном снижении КЛР от а = 11,3-42,3-Ю град"1 до а = 9,5-41,5-10"6 град"1. Чувствительность к циклической закалке определяет необходимость циклического проведения всех операций химико-термической обработки.
Циклическая химико-термическая обработка заключалась в цементации при 1000 С в течение 1 ч и закалке с 1000 С в холодную воду - 1 цикл. На рисунке 5.17 и в таблице 5.17 приведены результаты определения коэффициента линейного расширения. Здесь установлена четкая закономерность проявления первой и второй аномалии. При первой аномалии (tucn = 150С) возможно достижение значений КЛР, таких как у инвара (Fe -36%Ni), вторая аномалия выявляет способность железа к сжатию. Здесь коэффициент может иметь значения от а = 0-10 Лрад"1 до а = —3-10"6град" .
Увеличение количества циклов до 15 не меняет общую картину, но несколько уменьшает сжатие при tMcn= 300С (см. таблицу 5.18 и рисунок 5.18). Следует отметить, что при высоких температурах испытания циклическая обработка существенно снижает КЛР. Таким образом, показано, что высокочистое железо может сжиматься при нагреве, что является важнейшим для создания нового поколения материалов для приборной техники.
Основное содержание работ, проведенных диссертантом в данном направлении, приведено в [215 - 236].
В таблице 5.19 представлены результаты сравнения широко применяемых в приборной технике сплавов инварной группы с результатами, полученными на высокочистом железе. Здесь видно, что при температуре испытания 300С КЛР железа намного меньше, чем у инвара. Более подробно сравнение коэффициентов линейного расширения классического инвара Н36 и железа 008ЖР представлено в таблице 5.20 и на рисунке 5.19. Здесь отчетливо обозначены преимущества обработанного по специальной технологии железа 008ЖР при температурах испытания 150С и 300 - 450С. Следует отметить, что наиболее резко КЛР инвара Н36 отличается от КЛР железа, обработанного по режимам «цементация — закалка». В этой же таблице показано существенное преимущество цементованного и закаленного железа в сравнении со сталью Р6М5 (С = 0,7-0,8%), а также передельным доменным чугуном и серым СЧ20 (С = 2,5-4,3%). Другими словами, линейное расширение высокочистого железа, подвергавшегося разработанной термической обработке, несмотря на очень малое содержание углерода или отсутствие никеля (Н36), может быть значительно меньше. Это обстоятельство чрезвычайно важно для изготовления различных изделий, работающих при повышенных температурах. Самым эффективным воздействием на линейное расширение железа обладает обработка по способу, предусматривающему циклическую цементацию и закалку (рисунок 5.20).
