автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Влияние термической обработки на магнитные и прочностные свойства сплавов на основе никеля и железа в атмосфере влдорода

АКАДЕНИЯ НАУК УКРАИНЫ ФИЭИКО-МЕХАНИЧЕСЖИИ ИНСТИТУТ ИМ. Г. В. КАРПЕНКО

На правах рукописи

»

ВАСИЛЫСНВ Орест Владимирович

влияние термической обработки на магнитные и прочностные свойства сплавов на основе никеля • и 5елеэа в атмосфере водорода

Специальность 05 >02-01 - Материаловедение в машиностроении ( проикилекноеть)

Автореферат

диссертации 133 соискание ученой степени кандидата технических наук

Львов - 1992

Кабота выполнена в Физико-механическом институте цм.Г.п пенко АН Украины.

Научный руководитель - член-корреспондент АН Украины, л тор технических наук, профессор-Похмурски!* В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, прос^ес ПР0у0РЕНК0 В.Я., кандидат химических наук, зав. лаб. НРТЫСЪ

Ведущее предприятие - Днепропетровский металлургический ститут.

.защита диссертации состоится " 20 " исегя 1992

а часов на заседании Специализированного совета'

К.016.42.С1 по присуждению ученой степени кандидата тех- . нических наук в £изико-механическом институте им.Г.В.Карпенко АН Украины С290601, Львов, ГШ, ул. Научная, 5).

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Физико-механического института им.Г.В»Карпенко АН Украины.

Автореферат разослан " У " сгорел:} 1992 г.

Ученый секретарь 'Н.М.Стадкик

Специализиразгч^ого ссгвета /у /*

, ОБЕ'АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

"* 4 1

т. ■ . Актуальность работы. При разработке косых инфорииионно-измер'итепьных систем, приборов вычислительной техники и злек-троаккусгических преобразователей важное значение приобретает создание новых магнитных материалов и технология обработки ул:г имевшихся сплавов с целью получения оптимального слчетяшл магнитных свойств и заданного уровня механических характеристик. Интенсивное разт-итие работ по прболеие "'Водород в металлах" ви-двинуло новое направление - создание водородных технологи" управления фкзико-механичсснияи свойствами конструкционных материалов. используя закономерности влияния водородз га суке ст пустое в них фазовко превращения. Однако осоСзкносги'изь'онениа магнитных своЧств в системе металл - водород с этоЯ точки зрэ-ния не учитывались. В проведенных ранее исследовр 'иях (.В.П.Ги-хнурскиП, В.В.Федоров) установлено, что при навг./'-ложиванп; ферромагнетиков изменяется как величина езмопроылолыпй тмэг» ниченности, так и ее температурный ход", что позволяет улгшшт! магнитные характеристики путем соответствующего подбора условий термической обработки в'газообразнси водороде. Кроне того, магнитные материала, используемые в современной технике, в большинства случаев прадставлчп^ гобо*! бинарные или троПние сплаву, близкие по составу компонентов к стехионэтричеекому для упорядоченных этомних сг.еркстручтур, что. открывает дпян-иитольтю возможности их обработки, исполъгу* ускорение ги'!"' зионин* процессов в сис.томз металл - водород. Поэтому камня значение приобретает установление в?пимоевзз*| метлу нзкнненн-ем параметров магнитного (томпоратурз Нсрт, волэт'гиич ■

ного обменного взаимоде"сттм) и атомного уппрчдоч^т'ч (тз'т?-

ратура !:'"Ркакова, степень атомного пороги я упорчг'-тиуп......

ся <?еррпмпга>тних сплавах. Прзгедопяо подябтш неемчеяарпг является актуальным при етборч иатерваяев для опор^поялияч п раплпемоп термоядерного сгнтсла, чагнитопроводов я г-чрггн'-кустико, гозпразрядннх приборов у т.п.

7иссергационная работ? нчпгатиенэ на тополнет:^ поетм'»"»-ленкя ГКЧТ от 23.02.V. '.прогрониа "Позпниг»',

1

производства к обеспечение народного хозяйства новыми конструкционными и функциональным» патериалами"), программы ПС по атомной энергии "Исследование и создаьие конструкционных маториа-иов длл реакторов тормоядерного синтеза" и постановления Пре-з¡дауна' АН СССР и Коллегии МЧМ СССР от 20.Ой.66 г. «70/122 (задание 9.1 "Исследование физики поверхностных явлении и методов воздействия на состояние поверхности с целью направленного изменения свойств мвталлич°ских материалов").

Цяль работу - установление закономерностей влияния водорода на параметры атомного и магнитного упорядочения в сплавах га основа железа и никеля и разработка методов управления их Нагнитннми и прочностными своПствами. Достижение указанной цели предусматривало рега&ниэ следующих задач:

1. Разработка методических подходов и аппаратуры для исследования изменения магнитных свойств в системе металл - ва-иород.

2. Изучение особенностей атомного и магнитного упорядочения в сплавах системы Ре - /V'

3. Исследовании влияния водорода на критические параметры атомного и магнитного упорядочения (темпвратуры Кюри и Курна,-кова, степень порядка) при формировании сверхструктур Ь 10

L 1-,, В2, Д1 и Д0о2 в сплавах систем Ре - № , Ре'-Со - к

Мо .

Изучение влияния водорода на магнитные и прочностные свойства сплавов системы М - Ре .

5. Исследование особенностей ближнего атомного упорядочения в еложнолегированных сплавах на основе /У/ и Ре

6. Разработка рекомендаций по водородной технологии термической обработки исследуемых сплавов и их опытно-промышленногЬ применения.

Научная новизна. Впервые установлено, что для всех ферромагнетиков с ГЦК-структурой отношение изменения энергии активации процесса проникания водорода к энергии эффективного обмен-наго изаи.иодайстиия является постоянной величиной. Показано, что наличиэ внедренного водорода ускоряет процесс образования упорнд'-'Чонни;; агчикых снерхструктур в сплавах систем Ре -Ш ,

^-Со и А'/ -/!о , увеличивая степень атомного порядка п 1,5-?? раза при неизменной температуре Куркакока. На основании полученных результатов впервые проведен расчет энергии упорчс-чения V. энергии межатомного взачнодейстЕИЯ в системе "упорядо чивающк1ся сплав - водород", позволивший остановить ачти^ерро магнитный характер взаем оде Пствия атомов Н с атомами компонентов сплава. Остановлено, что термическая оораоотка в-водороде приводит к упрочнении сплавов системы Рс - Л'/ , уменьшению их мчгншноП индукции и првишешт мэгкитострикцни йслпл ствие увеличения ооъемного содержания упорядоченное йааи.

Практическая данность. Разработаны методические нодхогн V изучению влияния водорода на процесен атомного и магнитного упорядочения з ферромагнитных сплавзх. ''становленн температ-п ннд и временный интервалы максимального изменения прочностнчх и магнитных свойств в наводороженнкх сплавах на ■ спове келеяа и никеля, з результате чогс предлохзнн рв к о:-; с щ,! 71И по их тер ничоскои обрзботке, позволявшие до повысить магнитострчк-цив (сплав из '¿С/> предел прочности (сплав Н13) и сни-

зить бопес чем на порядок коэрцитивную силу (сплав 79НЧ) при сокращении времени технологическою процесса.

Полученные в раоите закономерности и ситектн внедрены в промышленность с'счкаинын экономическим гфгектом 110 тыс. руб. в гид.

Автор защищает. Методические разработки в области исследования магнитных свойств систем "упсрядочизагпиПся г'ерромаг-нитныч сплав - водород".

Экспериментально установленные закономерности и з^чктн, обусловленные влиянием водороде на формирование атомного и магнитного порядке в сплавах на основе железа к никеля.

Теоретические расчет^ изменения энергия атомного и магнпт ноге упорядочения, а также межатомного взаимодействия в наво-дороженкых бинарных сплэеях замещения.

Рекомендации по водородной технологии термической обрзбот ки прецизионных магнитных сплавов, поэмавгеЯ их высокотемпературную прочность, магнитострикцио и сникавпвР коэрцитивную

5

силу.

Апробация. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на XII, ХШ и Х1У конференциях молодых ученик ЗД1 ш. Г. В. Карпенко АН УССР (Львов, 19^5,19^7 Д989 гг), 1У Всасоюз нон семинара "Водород в металлах" (Чосква, 1934 г.), 2 кон?е-рекщи; молодых ученых и специалистов "Проблемы повышения качества материалов, приборов и оборудования" СЛьвов, 1936 г.), У1 ПсисоюзноЯ школе по проблемам атомноводородной энергетики и »•«•/.пологий (Свердловск, 19^9 г.) п нашли отражение в 0 публикациях.

Структура и объем рабсти. Диссертация состоит из введении. Четырех глав, основных, выводов и приложения. Работа содержат

стр. машинописного текста, включая рисунка, таблиц и перечень литературы из наименований.

ндш'анне работы

В первой главе приведен литературный обзор о структуре и сва-1й'ГЕах упорядочивающихся сплавов и рассмотрены особенности процессов образования дальнего и ближнего атомного порядка в присутствии примеси внедрения. Проанализированы особенности влияния магнитного порядка на фкзико-механические свойства йер-ринагнитных сплавов. Показана целесообразность привлечения методов водородопроницаемости и алектропроводности для изучения процессов формирования магнитного и атомного порядка в сплавах переходных металлов. Сделан обзор существусщих в настоящее вро-мя Еодородных технологий управления свойствами конструкционных материалов, ца основании чего сформулированы цель и задачи работы. ■

Во агорой главе описаны оборудование и методики исследования электропроводности, водородопроницаемости и магнитных свойс использованные при изучении особенностей взаимодействия магнитных сплавов" с водородом.

..'ля измерения электросопротивления применяли установку вы-рокачаотзтиоЧ широкополосной розистометрии с автоматическим ком-

\

л V

~ 1 1 1 -

ГпОл

Рис.1. Температурная зчииси-мость электросопротивления ферромагнетиков переменному току высокое частоты

понсатором перпмонного тока, поззоляшую вести непрерывную запись изменения электросопротивления от температура и времени проведения эксперимента. Пси использовании частот зпукового диапазона на зависимостях /? = Т) в ферромагнетиках появляется аномалия - максимум электросопротивление (рис.1;, причиной возникновения которого является магнитное Пеле (результат протекания по образцу измерительного тока), приводящее при нагрева к возрастанию магнитноЛ проницаемости уиа вблизи точки Корт ('.чЧ!ект Гопкинсона/. Для количественного учэта.'особэнностоЧ аномалии нами выбрани следускио«параметры:

I. Относительная высота максимума аномалии И , пропорциональная средне!* поверхностной магнитной проницаемости последу-' емого материала.

Температура йарромвгнитного превращения , опреде-

ляющаяся как точка пересечения касательной, проведенной на участке наиболее резкого, спада электросопротивления, и прээкстрапо-лировамноя из парамагнитной области зависимости &Н Т).

3. Разность температур Кюри и максимума аномалии Тм , характеризующая структурную однородность исследуемого материала.

Оадородопроницаемость Р и ко&Тфициент диффузии Д водорода измеряли методом ДаКнеса-Бэррера ча объемометрической установке, оборудованной автоматизировзнным компенсационным мано-

7

Рис.2. Изменение магнитной индукции сплавов системы /-£ - Л// в зависимости от содержания никеля в вакууме (1) и водороде (2).

С 600 № 300 ¿X

(03 1,29 тут,К

Рис.3. Политермы водоро-допроницаемости сплавов Н50 (I), 75ПМ (2) и

е

метром !<ак-Леода. Растворимость водорода 5 рассчитывали по формуле 5 = Р / Л . Точность определения диффузионных параметров водорода: Р - Д - 12%, 5 - 26%. Для изучен:« изменения магнитных свойств исследуемых сплавов в водорода изго--товлени баллистическая установка, пондеромоторныя а.низометр и разработана установка для измерения магкитострикции ферромагнетиков Ни.Йазе лаЭера -'ГГ-75 и .микронитер^ероматрэ Линнгка. Прочностные свойства определяли с помошьс установки ИМЛШ Лха-Тоо С<0-75) на микрообразцах сечением 3x1 мм^ и длиной рабочей части 9 мм. Для установления корреляции между фазоЕо-структур-ным состоянием исследуемых материалов и их свойствами измеряли модуль Юнга, плотность, термо-ЗДС, а также проводили рентгено-структурный и металлографический анализ. Во всех экспериментах применяли водород диффузионной очистки, давление которого составляло ГО"1 Па.

В третьей главе изложены результаты исследования влиянии водорода на магнитные свойства сплавов системы Рс - N1 с содержанием никеля 1С ,15,1 ^.¿г ,25,30,36,5С ,70, РО, 91,97 йас..{, являвшихся основой при создании прецизионных магнитных сплавов и маргенситностареюиих сталей. При этом обнаружено, что экстремальные изменения олектросопротивления, магнитной проницаемости, термо-ЭДС и магнитной индукщ;и Срис. имеют место, з области концентраций до ЗС1^ /v/ и объясняются полиморфным превращением и атомным упорядочением по типу 1>1?> а так^в различаем з окклюдирующей способности /v/ и /-£ к водороду. С уве- , личонием содержания никеля растворенный водород способствует повышению поверхностной магнитной проницаемости и снижения температуры Кюри исследуемых сплавов, что объясняется антиферромагнитным характером взаимодействия атомоя Н с атомами компонентов. Установлено уменьшение критической температуры прямого и обратного ¿" превращения, что указывает, на нам взгляд, на стабилизацию аустенита растворенным водородом.

Поскольку термоциклироатние в оолясти температур^--»/- перехода с*Еественио влияет на механические свойства сплавов системы Ге - И< , были проведены исследования их кратковременно" прочности после термообработки в аргоне и водороде, которые

*аблица 1

Режим -..........—.....— испытания : Механические свойства

т , к 5 Среда : К-во циклов : ' % бол ; ё

: . : «3 373 К : НПа МПа ; *

аргон - В9С 749 4,8

293 аргон 15 т з 7С4 6,3

водород 15 943 697 5,6

аргон - 146 В'! 23,3

Ш'} аргон 15 159 128 22,3

водород 15 202 ■ Г/ б . 24,3

водород 100 149 «5 28,4

показали повышение пределов прочности и текучести при практически неизменной пластичности наводорежеиных образцов (например, сплав НГ1, табл.1). Пру этом увеличение количества термоциклов в водороде приводит к разупрочнению исследуемого материала. Превалирующая роль атомного упорядочения на упрочнение сплавов системы Га - М о концентрацией /У/ до 30* подтверждена металлографическим анализом и измерением модуля Юнга в сплавах • . fe - /V/ , легированных алюминием. Следовательно, меняя условия термообработки в водороде, можно управлять физико-механическими свойствами жалезэникелевых сплавов в пук ном направлении.

П целью изучения кинетики магнитного упорядочения 5 системе Ме - И проводвцц исследования диффузионных параметров водороду ъ сплавах системы Ре - № о ГЦК-структурои. Появляющийся при атом излом 'на соответствующих зависимостях, например, водород-проницаемости (рис,3), позволяет определить изменение энергии активации процесса Лб ® ЭПцр.~ еф0р. при паРех°А0 н0Рез точку Кюри, Математическая ооработка литературных и полученных илчи те; у штатов показала, что параметр дб является важной ха-[Нипччао'.пкаЧ ферромагнитного металла и может оыть использован iir.ii изучения его исходной олертронной структуры, поскольку вели-отношения эффективной обманной оперши = к-90, Тде к-

постоянная Еялщмана, 03 - тйш-зратура Кюри} к разности д 6 соответствуй,аго процесса'Снрйницаеность, дпЛЬузия, растворимость) для асах иоследоввных сплавов одинакоьа. Таким оиразон, изморив высокотемпературные диффузионные параметры водорода и определив величину по температура Кюри, молно определить

изменение энергии активации дтТтуэин ипдорОда с понижен!««) температуры, на прибегая л непосредственным измерениям.

Исследование кинетики атомного упорядочения в сг.лавах системы Ре - М показало, что растворенным водород интенсифицирует процесс формирования сворхструктур, повышая степень дальнего атомного порядка. Аналогичные данные получены для системы Ре-- Со и парамагнитных сплавпв системы /V/ - Мо . Однако, наиболее важный результат - это неизменность температуры Курна-кова в системе "упорядочивающийся сплав - водород". Согласно модели парного взаимодействия атомов, развитой а работах Смирнова и Кривоглаза, 'введение в бинарнчл сплав примеси внедрения не влияет на энергию взаимодействия в силы связи между атомами компонентов - изменяется лиаь конфигурационная состазляющая свободной энергии и увеличивается температура Курнакова

т - т -* .--Еж-, г , /т-

?с - (к * к (V

гдя параметр Т0 зависит только от состава сплава, Сс - кон центрация примеси, /""две = ^АС " ^ВС ~ энергия связи атомов внедрения с атомами на узлах. Определив зависимость температуры упорядочения от концентрации примеси, можно определить энергию упорядочение

и энергию межатомного взаимодействия '

Рг _ к(Тс-Тк)-Ш! Глйс Сс(изТо)

В случае внедренного водорода неизменность Т,( приводит к

б00 300 ГсшХ

г)

50100 Н,эрстед

Рис.4. Выбор технологических параметров термической обработки сплава К50Ф2 в водороде са, б, в) и изменение его константы магнитострикции при намагничивании (г)

венству нулю параметра' Р^ьс и> как следствие, равенству потенциалов взаимодействия атомов Рс и М( с водородом. Полученный результат еще раз подтверждает антиферромагнитный характер взаимодействия в системе Ме - Н ,.что необходимо должно проявиться в изменении магнитных свойств, связанных с намагниченностью, например, магнитострикции и коэрцитивной силе.

С целые определения возможностей создания водородных технологий управления вышеуказанными магнитными характеристиками в четвертой главе приведены результаты исследования влияния водорода на магнитное и атомное упорядочение в прецизионных магнитных сплавах К5052 и 79Ш.

Исследование кинетики образования упорядоченной сверхструк-турн РеСо ъ сплаве К5СФ2 показало, что путем термообработки в водороде можно изменить объемную долг упорядоченной фазы и, как

Рис. 5. Выоор режима термической обработки изделий из сплава 7911.1

следствие, магнитные свойства. Исходя из пропорциональности высоты аномалии электросопротивления (рис.4а) константе магнито-стрикции, нами определена критическая температура (рис.46), вре мя обработки (рис.4в) и скорость охлаждения, которые позволили до 40?' изменить магнитострикцис сплава К50Ф2, что подтверждено ее непосредственными измерениями (рис.4г). Обобщение полученных результатов позволило предложить водородную технологию оптимальной обработки изделий из сплава К5СФ2, состоящую в следующем:

- отжиг в среде водорода давлением 10^ Па при температуре ИСО-П20 К ;

- время отжига не менее 4ч;

- медленное охлаждение (40- 50 град/ч) до температуры 873 К и быстрое охлаждение (1000-1^0 град/ч) от температуры 37 3 К до комнатной.

Таблица I

Режим обработки: Лгходный поразец № I 1? 2 У

Нс , эрстед ; 0,9 С,025 О.СЗ 0,12

Ь.отличие от кагнитострикционкого сплава К50<г-2 сплав 7SFM характеризуется сочетанием высоких значения магнитной проницаемости и малой величиной коэрцитивной силы, нужные значения ко-Tcjiux достигаются термообработкой по первому режиму (рис.5, кривая I;. С целью исследования возможностей нршенения водородной технологии термической обработки металлов нами выораги два режима - со скоростным охлаждением (криьая 2.) и учитывавший возможность образования в исследуемом сплаве сверхструктуры NijFe (кривая 3). Как следует из представленных в табл.2 результатов, в случае использования водорода нужное значение коэрцитивной ci-ли !1 достигается при намного меньшей температуре (923 К). При этом инициирующий отжиг с целью получения выделений упорядоченной [¡эзи (Т = 723 К, 2 ч), увеличивая время обработки, приводит к значительно меньшему эффекту, чем быстрое охлаждение. Следовательно , используя явление ускорения диффузионных процессов в нл)одпри>-енннх металлах, можно значительно повысить производительность процесса термической обработки при значительном сокра-• г;ении егс продолжительности. <

а

В U в о д ы

1. Разработан1.! методические подходы к изучению- влппния во*-дорода на атомное упорядочение магнитных сплавов, которые базируются на исследовании водородопроницаемоеп! и комплекса электрофизических свойсть.

2. Разработаны и изготовлены установки для1 измерения магнитно?, индукции, намагниченности и магнитострикции в процессе на-водороксваиия ферромагнитных металлов и сплавов-.

3. Впервые установлено, что в изменении прочностных свойст) сплавов системы Г'С - /V/ , в которых сосуществуют J* -J' пре вравдниа и атомное упорядочение, в процессе термоосработки в во дорчде имеют место две стадии. На первой из чих преобладает упрочнение материала за счет образования олкуяего атомного порядка, на второй все изменения прочностных свойств обусловлены водородным пластифицированием при полиморфной J- - превращении.

Г(

Впервые проведен расчет анергии упорядочения и энергии межатомного взаимодействия в системе "бинэршй ферромагнитной сплав - примесь внедрения", что позволило установить антиферромагнитный характер взаимодействия атомов H с атомами компонентов сплава.

5. Показано, что растворение водорода s сплавах системы никель - молибден интенсифицирует процесс формировании атомного порядка по типу Д1а и ДО^ , что приводит к увеличении высокотемпературной прочности до 2Щ.

6. Впервые установлено, что отношении изменения энергии активации процесса проникания водорода к эффективной обменной энергии в точке Кюри является постоянным для всех ферромагнетиков с ШК-структурой.

7. Сформулированы и обоснованы научные предпосылки для создания водородных технологий термической обработки прецизионных магнитных сплавов, что позволяет управлять их магнит о стрикцией, коэрцитивной силой и высокотемпературной прочностью.

8. Результаты исследования кинетики атомного упорядочения и его влияния на магнитные свойства сплавов на основе железа и никеля внедрены в промышленность с сумарным экономическим эффектом [10 тыс.- руб. в год.

ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Ьасилькив О.Н. Изменение физических свойств сплаьоа системы Fc - Ni в области обратного мартенситкого превраиення // Материалы XII конф. мол. ученых ÎM1Î АН УССР. Секция Ф'МЧ.- С. 43-45.

2. Соколовский O.P., Василькив О.В., Ачинский 1.Г. Дилч!у-зионные параметры водорода в сталях 2П-83в и 3I6S5 // Там жо.-С. Р9-92. -

3. Влияние примеси внедрения на физические свойства сплава НЧР 15—1С / П.Н.Антоневич, С. Г.Бачинский, О.В.Василькив, Ю.Д.Никифоров // Там же.- С. В5-ЯР.

4. Соколовский O.P., Василькив О.В., Гачинский С. Г. Влияние легирования скандием на электрофизические свойства стали // |

15

проблемы повышения качества материалов, приборов и оборудовать; Материалы 2 конф. мол. ученых и специалистов. Секция ФХММ.-С. '12-'45. деп. в ВДШТИ 13.04.Я6, lé 2833.

5. Изменение физических свойств сплавов на основе никеля к железа под влиянием термообработки в водороде / О.В.Василькив, А.Г.Медвидь, В. Г.БачинскиМ, В.В.Федоров // Взаимодействие водорода с металлами: Тез. докл. У1 Всесоюз. школы по проблемам во' дородной энергетики и технологии. Свердловск, 1989.- С. 35-36.

5. Медведь А.И., Горбач В. Г., Басилькив О.В. Физико-механические своПства высокопрочных сталей в мартенситно-аустенитном состоянии // Металлофизика,- 1937.- Ю.- C.I25-I26.

7. Бачинский С. Г., Басилькив О.В., Никифоров Ю.Д. Влияние ближнего атомного упорядочения на физикэ-Мэханичэскко свойства сплавов ВХ-^А, ?K-6I, ЗК-62 в атмосфере водорода // Материалы Х1У конф. мол. ученых ©ГЛ АН УССР. Секция ШМ.- С. 11-17.- Деп. в ВИНИТИ 06.04.90, » I890-B90.

В. Басилькив О.Б. Влияние водорода на критическую температуру атомного упорядочения в сплавах системы л.елезо - никель //

Там же.- С. 1?-Я2.