автореферат диссертации по металлургии, 05.16.09, диссертация на тему:Применение модифицирования для повышения качества сердечников протяжек из сплава ЖС6У

О1

На правах рукописи

ФИЛИППОВ Юрий Олегович

ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ПРОТЯЖЕК ИЗ СПЛАВА ЖС6У

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ? А Я Р 2012

0мск-2012

005019755

На правах рукописи

ФИЛИППОВ Юрий Олегович

ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ПРОТЯЖЕК ИЗ СПЛАВА ЖС6У

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск-2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ЕРЕМИН Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент,

заведующий кафедрой «Конструкционные материалы и специальные технологии» Сибирской автомобильно-дорожной академии

АКИМОВ Валерий Викторович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения

РАУБА Александр Александрович

Ведущая организация: ОАО «Омское машиностроительное

конструкторское бюро»

Защита состоится 27 апреля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.178.10 при ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. 0мск-50, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» по адресу: 644050, г. 0мск-50, пр. Мира, 11.

Электронная почта: dissovet_omgtu@omgtu.ru

Автореферат разослан «_» марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.178.10 к.ф.-м.н., профессор

Вад. И. Суриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, B.JI. Шевцова, В.И. Махненко, Д.А. Дудко, Г.С. Маринского 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 A.A. Рыжикова и получившего дальнейшее развитие в трудах 10.3. Бабаскина, О.Х. Фаткулина, С.С. Затуловского, В.Б. Федорова, М.Х. Шоршорова, А.Н. Черепанова, В.П. Сабурова, E.H. 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. Од-

нако 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» (2009-2011 годы).

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:

1. Исследовать процесс зарождения центров кристаллизации на тугоплавких ультрадисперсных частицах и их модифицирующее воздействие на расплав.

2. Обосновать выбор модифицирующих компонентов для обработки жидкого электрошлакового металла.

3. Предложить состав модификатора и технологию его приготовления.

4. Установить закономерности кристаллизационных процессов, формирования структуры, механических и эксплутационных свойств электрошлакового металла при его модифицировании ультрадисперсными тугоплавкими частицами.

5. Разработать технологию электрошлакового кокильного литья заготовок роговых сердечников из жаропрочного сплава на основе применения модифицирования расплава ультрадисперсными тугоплавкими частицами.

На защиту выносятся:

1. Результаты высокотемпературной обработки порошков комплексного модификатора.

2. Закономерности совместного влияния карбонитрида титана, титана и иттрия на структуру и свойства жаропрочного сплава.

3. Закономерности кинетики кристаллизационных процессов в модифицированном жаропрочном сплаве.

4. 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 "И и N1) уменьшается в 1,6-1,8 раза. В частицах у'-фазы наряду с А1 и "Л возрастает кон-

центрация Со, Ni, Cr, в то время как в межчастичных пространствах количество Со, Ni, Cr 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 Alm. Для анализа фрактограмм применялся растровый электронный микроскоп Carl Zeiss EV050 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 OPTIM'X 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены данные по современному состоянию исследуемой проблемы, показаны актуальность работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе дается характеристика роговых сердечников протяжек для изготовления трубных отводов, условия их работы, обосновывается выбор материала и использование технологии электрошлакового кокильного литья как способа изготовления заготовок сердечников.

Показано, что реализация преимуществ электрошлакового кокильного литья при производстве заготовок из жаропрочных сплавов связана прежде всего с решением проблемы структурной неоднородности литого электрошлакового металла, что возможно за счет управления его кристаллическим строением.

Показано, что универсальным средством управления кристаллическим строением литого металла, а, следовательно, и его механических и эксплуатационных свойств, является модифицирование, поскольку последние являются структурно-чувствительными.

Установлено, что модифицирование частицами тугоплавких соединений жаропрочных сплавов в электрошлаковых технологических процессах в практике машиностроительного производства практически не применяется.

На основании литературного обзора сформулированы цель диссертационной работы и задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию особенностей процесса зарождения центров кристаллизации на тугоплавких частицах и их модифицирующего воздействия на расплав.

Установлено, что для упрочнения металла инокуляторами, повышающими предел текучести без опасности зарождения концентраторов напряжений, необходимо вводить в расплав или сформировать в нем частицы ультрадисперсных размеров, имеющие модуль сдвига, превышающий модуль сдвига и предел текучести материала матрицы.

Показано, что наиболее активное зарождение кристаллической фазы будет происходить на той подложке, которая имеет максимальную разность химических потенциалов и минимальную межфазную энергию в данном расплаве.

Обобщены критерии выбора комплексных модификаторов, состоящих из экзогенных тугоплавких частиц - инокуляторов и активирующих добавок -протекторов.

Установлено, что при выборе активирующих добавок легирующие элементы по влиянию на коэффициенты активности углерода и азота можно расположить в следующей последовательности: "П—>Сг—»V—»Мп. При этом, поскольку титан является наиболее активным элементом в легированном аустените, предложено использовать его в модифицирующем комплексе в качестве одного из протекторов.

Показано, что мощным фактором повышения свойств жаропрочного сплава является модифицирование его иттрием. Предложено в качестве второго протектора в составе комплексного модификатора для сплава ЖС6У использовать иттрий в количестве до 0,05 %.

Третья глава посвящена разработке состава комплексного модификатора и способа его ввода при электрошлаковой тигельной плавке.

Анализ гетерогенизирующей способности тугоплавких соединений показал, что наиболее оптимальными инокуляторами для модифицирования никелевых сплавов являются карбонитриды титана, а активирующими добавками -титан и иттрий.

Исследованы свойства порошков инокуляторов комплексного модификатора. Установлено, что размер частиц порошка карбонитрида титана промышленного производства находится в пределах от 0,03 до 3,5 мкм, а среднее значение размера частиц составляет от 0,402 до 0,419 мкм. Определение качественного элементного состава порошка "ПСЫ показало наличие в нём титана с примесями хрома и, возможно, ванадия.

Термический и масс-спектральный анализ порошка "ПСЫ показал (рис. 1), что в диапазоне от 250 °С до 450 °С наблюдается прирост его массы со сложным экзотермическим эффектом и выделением N113. В ходе дальнейшего нагрева от 440 °С до 600 °С имеет место выделение СО, С02, N. Все это обусловливает необходимость проведения предварительной подготовки частиц, для чего предложено использовать высокотемпературную обработку модифицирующего комплекса.

Проведен анализ известных технологий обработки порошков тугоплавких соединений. Обосновано применение способа подготовки порошков плазмохи-мического синтеза для введения в жидкий металл, включающего высокотемпературную очистку и диспергирование частиц с помощью ультразвуковых колебаний частотой (10-25)-103 Гц и интенсивностью 10-35 Вт/см3 в расплаве гало-генидов щелочных металлов и последующее их плакирование растворенными добавками, адсорбирующихся поверхностью частиц.

Рис. 1. Результаты термического и масс-спектрального анализа порошка TiCN: 1 - DTG-кривая; 2 - СО; 3 - NH3; 4 - NH2; 5 - Н2; 6 - С02; 7 - N2; 8 - 02

Показано, что размер получаемых в результате обработки порошков находится в пределах от 0,03 до 0,547 мкм, а их среднее значение составляет от 0,097 до 0,102 мкм, что почти в пять раз меньше, чем у порошков промышленного производства (рис. 2).

Q з <»> q3<%>

100 о

g 90

| 80 О

а> 70

~ 60 О

я S0

1 20

О

Рис. 2. Гистограмма и интегральная кривая распределения частиц по размерам порошка "ПСЫ после ультразвуковой обработки

Исследования структуры и испытания образцов показали, что модифицирование карбидов происходит только в том случае, когда активирующей добавкой является титан и в меньшей степени иттрий, а в качестве тугоплавких частиц - карбонитриды титана.

Установлено, что концентрация частиц карбонитрида титана должна находится в пределах 0,02-0,04 % от массы модифицируемого металла. При меньших концентрациях наблюдается неполный эффект модифицирования, а при больших концентрациях свойства литого металла улучшаются незначительно.

Исследование влияния количества титана на свойства сплава ЖС6У при постоянной концентрации карбонитрида титана показало, что концентрация Тл в пределах 0,2-0,4 вес. % приводит к существенному повышению эффективности ввода тугоплавких частиц.

Показано, что при оптимальных концентрациях иттрия, которые лежат в пределах 0,02-0,05 %, обеспечивается расчленение и изменение карбидов при отсутствии их сплошных выделений на границах зерен, что облегчает передачу сдвига через границы зерен и снятие возникающих напряжений.

Исследования структуры и испытания образцов подтвердили теоретические выводы и показали, что наибольший эффект модифицирования карбидов, также как и у'-фазы происходит при совместном использовании активирующей добавки из титана и иттрия и инокуляторов - карбонитридов титана. Наиболее высокие свойства сплава ЖС6У были получены при введении 0,02-0,04 % "ПС1Ч, 0,2-0,4 % Т1 и 0,02-0,05 % У, что и позволило обосновать состав соответствующего комплексного модификатора в соотношении 1:10:1.

Показано, что наиболее предпочтительным способом введения модификаторов при электрошлаковой плавке является их использование в виде брикетов - таблеток. Такие брикеты имеют значительную плотность, обусловливающую их быстрое прохождение через расплавленный шлак, что обеспечивает высокую степень усвоения модификаторов металлической ванны.

Четвертая глава посвящена исследованию взаимосвязи изменений структуры с кинетикой кристаллизационных процессов жаропрочного сплава при его модифицировании.

Отмечено, что особенностью макроструктуры литого немодифицирован-ного сплава является наличие очень крупных столбчатых зерен (рис. 3, а), в которых выявляется ликвационная химическая неоднородность и наличие пор. Модифицирование практически устраняет разнозернистость и предотвращает образование столбчатых зерен (рис. 3, б). Средний размер зерна уменьшается от 3-10 мм до 0,3-0,8 мм.

Рис. 3. Макроструктура сплава ЖС6У: а - немодифицированный; б - модифицированный

В структуре немодифицированного сплава карбиды выделяются в виде пленок, выстроены в цепочки и имеют форму типа «китайских иероглифов» (рис. 4, а), называемой шрифтовой морфологией, образуя каркас по границам зерен, что оказывает отрицательное влияние на свойства жаропрчных сплавов.

а).....~ б)

Рис. 4. Морфология карбида сплава ЖС6У: а - немодифиицрованного; б - модифицированного 0,025 % "ПСМ-И-У

При добавке 0,01 % ПСЫ наблюдается дробление ветвей эвтектических карбидов и их некоторая глобуляризация. Увеличение добавки модификатора до 0,025 % приводит к приобретению карбидами равноосной формы и равномерному распределению их по объему зерна (рис, 4, б).

Анализ химического состава карбидов немодифицированного и модифицированного сплавов (рис. 5) показал, что в немодифицированном сплаве (карбиды шрифтовой морфологии) концентрация углерода в составе карбида в 2,8 раза больше, а хрома - в 2,14 раза меньше (табл. 1) при меньшем количестве основных легирующих элементов, таких как титан, хром, ниобий и вольфрам, по сравнению с модифицированным сплавом (глобулярные карбиды).

в) г)

Рис. 5. Структура карбидов (а, б) и их спектры поглощения (в, г) сплава ЖС6У: а, в - немодифицированного; б, г - модифицированного

Таблица

Содержание некоторых выявленных элементов в карбидах образцов

Элемент Немодифицированный сплав Модифицированный сплав

весовой % атомный % весовой % атомный %

С 28,22 72,94 10,10 42,22

Т1 20,48 13,28 23,29 24,41

Сг 0,92 0,55 1,97 1,91

1МЬ 17,55 5,84 19,38 10,48

w 29,05 4,95 31,43 8,59

При изучении дендритной структуры жаропрочного сплава ЖС6У установлено, что с увеличением добавок модификатора, расстояние между осями дендритов второго порядка уменьшается в 1,6 раза, плотность дендритной структуры возрастает от 1,3 до 1,9, дисперсность увеличивается в 2,3 раза. В связи с этим можно ожидать меньшее развитие дендритной ликвации, что и было подтверждено в результате экспериментальных исследований. Установ-

лено, что в результате модифицирования ликвация у'-образующих элементов -титана и ниобия - уменьшается в 1,6 и 1,8 раза соответственно, а дендритная ликвация алюминия и хрома незначительна и они равномерно распределены между осями и межосными пространствами.

Показано, что после модифицирования элементы, имеющие высокую склонность к ликвации - Мо, 1МЬ, Со - перераспределяются более равномерно, обеспечивая заметное выравнивание химического состава между частицами у'-фазы и межчастичными участками. При этом в частицах у'-фазы по сравнению с немодифицированным сплавом наряду с алюминием и титаном возрастает концентрация кобальта, никеля и хрома, в то время как в межчастичных пространствах количество никеля, хрома и кобальта уменьшаются (рис. 6).

а) б)

Рис. 6. Сканируемый участок поверхности фольги с распределением легирующих элементов немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплавов

Изучение и анализ кинетики кристаллизации расплавов показали, что модифицирование приводит к изменению строения расплава, условий кристаллизации и выделения основных и избыточных фаз (рис. 7, 8).

^.«ц__________

ВООО 10000 11000 12000 1ЭОО.О 14000

Тяыпарэтум г С

б)

Рис. 7. ДСК-кривые немодифицированного (а) и модифицированного (б) сплава: 1 - нагрев; 2 - охлаждленис

ОТО /<ЧЛгип) ОТА /(иУ/тд)

б)

Рис. 8. Результаты сопряженного ДТА-ТГ-ДТГ анализа сплава ЖС6У: а - немодифицированный; б - модифицированный

Эти изменения заключаются в уменьшении интервала кристаллизации на 20 °С за счет повышения температуры солидус, увеличении темпа кристаллизации в начальный период, смещении момента начала выделения карбидов в более высокую температурную область при низком содержании твердой фазы, повышении температур начала выделения эвтектической и упрочняющей у' -фазы.

В пятой главе приведены исследования взаимосвязи изменений свойств сплава с его тонкой структурой при модифицировании.

Показано, что положительные изменения морфологии и субструктуры сплава в результате его модифицирования обеспечивают повышение одновременно прочностных и пластических свойств литого металла. Рациональная концентрация частиц инокуляторов в сплаве составляет 0,01-0,04 %. В этом случае предел прочности увеличивается в 1,1-1,3 раза, относительное удлинение в 1,6-2,2 раза, а ударная вязкость - в 1,5-2 раза.

Анализ фрактограмм разрушения образцов, показал, что в немодифициро-ванном сплаве излом представляет собой транскристаллический скол, многочисленные трещины которого образуют «ручеистый» узор, возникающий

вследствие распространения хрупкой трещины по нескольким параллельным плоскостям спайности (рис. 9, а). Концентрация углерода в области разрушения велика, что говорит о том, что разрушение происходит по карбидам шрифтовой морфологии. Это и обуславливает хрупкость такого сплава.

в) г)

Рис. 9. Микрорельеф поверхности изломов (а, в) и полученные спектры (б, г) сплава ЖС6У: а, б - ^модифицированного; в, г - модифицированного

В модифицированном сплаве в основном все зоны (центральная, боковые и долома) имеют практически одинаковый характерный для вязкого разрушения рельеф (рис. 9, б). Основная микрофрактографическая характеристика разрушения — ямочный излом, с отдельными участками межзеренного. При этом, в области разрушения концентрация углерода почти в пять раз меньше, а концентрация никеля в 1,5 раза больше (табл. 2), чем в ^модифицированном сплаве, что и обуславливает вязкий характер излома.

Таблица 2

Химический состав исследуемой области сплава_

Элемент немодифицированный модифицированный

Весовой % Атомный% Весовой % Атомный%

С 19.91 54.99 4.83 19.70

А1 5.11 6.28 5.82 10.55

Л 1.97 1.37 2.45 2.51

Сг 7.05 4.50 9.00 8.48

Со 7.77 4.38 9.58 7.96

№ 46.74 26.42 57.49 47.93

XV 11.45 2.07 10.82 2.88

Итого 100.00 100.00

Исследованием топографии и фазового контраста поверхности сплава методом атомно-силовой микроскопии установлено, что у модифицированного сплава по сравнению с немодифицированным зерна у-твердого раствора и эвтектика значительно измельчаются, объемная доля упрочняющих фаз существенно возрастает и карбиды округлой морфологии размером до 100 нм равномерно распределяются по объему матрицы (рис. 10). При этом средняя шероховатость поверхности уменьшается в 1,8 раза.

Д) е)

Рис. 10. Топография и фазовый контраст матрицы (а, б), эвтектики (в, г) и карбидной фазы (д, е) сплава ЖС6У: а, в, д - немодифицированного; б, г, е - модифицированного

Установлено, что модифицирование обеспечивает значительное повышение жаропрочности сплава. Исследованиями образцов после высокотемпературных испытаний установлено, что в немодифицированном металле разрушение происходит в зоне направленной кристаллизации по границам дендритов и жаропрочность таких образцов составляет всего 32-38 ч. В модифицированных образцах, показавших наибольшую жаропрочность (99-103 ч), структура была очень дисперсна (рис. 11).

а) б)

Рис. 11. Структура образцов после длительных испытаний: а - немодифицированный сплав; б - модифицированный сплав

Другой важной характеристикой сплава является его жаростойкость. Результаты синхронного ТГА-ДТГА-ДТА измерения (рис. 12) показали, что в не-модифицированном сплаве при нагреве до 920 "С происходит процесс фазового превращения с изменением массовых характеристик, выраженный двойным пиком с энергоемкостью 1910 кДж/г. В модифицированном сплаве этот процесс выражен одним пиком с энергоемкостью в 5 раз меньше и заканчивается уже при 850 °С.

а)

б)

Рис. 12. Результаты синхронного термического анализа сплава ЖС6У: а- немодифицированного; б - модифицированного

Это может быть связано с распадом карбидов шрифтовой морфологии, которые практически отсутствуют в модифицированном сплаве. Кроме того, при нагреве немодифицированного сплава происходит общий прирост массы на I 1,173 %, вызванный появлением окалины, в которой концентрация № I в 2,5-3 раза выше чем хрома, в то время как в модифицированном сплаве на- 1 оборот наблюдается общая потеря массы на 1,984 %, а концентрация хрома в 1 окалине в 2 раза выше, чем никеля. Общая жаростойкость модифицированного 1 сплава, определенная по удельной потере массы образца в результате окисления металла на воздухе в течение 500 ч, составляет 0,7-1,0 г/м", в то время как у немодифицированного сплава - 2,0-2,6 г/м2.

Вместе с тем, нельзя объяснить повышение жаропрочности и жаростойкости сплава в результате модифицировании только измельчением зерна при кристаллизации и изменением морфологии карбидов. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что в немодифицированном сплаве вследствие значительной ликвации элементов и скопления их в карбидах и боридах эвтектики обедняется I твердый раствор и уменьшается количество у'-фазы, что оказывает существен- | ное влияние на понижение параметров жаропрочности.

Электронно-микроскопические исследования показали, что количество и 1 морфология у'-фазы в модифицированном сплаве значительно отличаются от таковых в немодифицированном (рис. 13).

Рис. 13. Строение у'-фазы в сплаве ЖС6У (х7000): а - ^модифицированный; б - модифицированный

Формируются когерентно связанные с матрицей более дискретные мелкодисперсные (0,2-0,3 мкм) выделения у'-фазы большей частью квадратной либо прямоугольной формы с очень малым расстоянием между ними, а ее общее количество повышается. Они имеют более высокую термическую стабильность и температуру полного растворения, чем в сплавах традиционного легирования.

Таким образом, изменения в топографии и морфологии упрочняющих фаз и тонкой структуре сплава в процессе модифицирования обусловливают соответствующие изменения механических и служебных свойств.

Модифицирование обеспечивает повышение длительной прочности сплава в 2,5-2,8 раза, а его жаростройкости в 2,3-2,5 раза, что свидетельствует об увеличении стабильности структуры в процессе эксплуатации.

В ходе производственных испытаний практически подтверждена эффективность использования научных разработок диссертации при изготовлении инструмента для производства трубных заготовок. При этом удалось обеспечить высокое качество литых заготовок инструмента и увеличить длительность его эксплуатации.

Основные выводы и полученные результаты

1. Отмечено, что наиболее активное зарождение кристаллической фазы будет происходить на той подложке, которая имеет максимальную разность химических потенциалов и минимальную межфазную энергию в данном расплаве.

2. Обоснована целесообразность применения комплексного модифицирования, для чего наряду с тугоплавкими нерастворимыми частицами необходимо вводить в расплав растворимые активирующие добавки, которые образуют переходный буферный слой в виде химического соединения, снижающего как межфазную энергию на границе подложка - кристаллизующаяся фаза, так и диффузию элементов частицы в расплав.

3. 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.

4. Обосновано применение комплексного модификатора, содержащего в качестве инокуляторов ультрадисперсные частицы карбонитридов титана, а в качестве активирующих добавок - титан и иттрий при соотношении 1:10:1.

5. Показано, что в результате модифицирования дисперсность дендритной структуры увеличивается в 2,3 раза, а ликвация Тт и ЫЬ уменьшается в 1,6-1,8 раза. В частицах у'-фазы наряду с А1 н "П возрастает концентрация Со, №, Сг, в то время как в межчастичных пространствах количество Со, №, Сг уменьшается

6. Установлены закономерности влияния комплексных модификаторов на кристаллизационные процессы в никелевых сплавах, заключающиеся в уменьшении интервала кристаллизации на 20 °С за счет повышения температуры со-лидус, увеличении темпа кристаллизации в начальный период, смещении момента начала выделения карбидов в более высокую температурную область, снижении температуры начала выделения эвтектической и упрочняющей у' - фазы.

7. Методами оптической и электронной микроскопии, рентгеноструктур-ного и спектрального анализов раскрыты механизмы процессов, протекающих в модифицированном металле, обусловливающие повышение его эксплуатационных характеристик. Показано, что модифицирование жаропрочного сплава ультрадисперсными активированными тугоплавкими частицами устраняет раз-нозернистость структуры, предотвращает образование столбчатых зерен, обеспечивает измельчение структуры эвтектики у - у', изменение морфологии и топографии карбидной фазы, увеличение дисперсности, количества и структурной стабильности у'-фазы, что приводит к возрастанию механических и эксплу-тационных свойств сплава.

7. Установлено, что в результате использования разработанного способа модифицирования жаропрочного сплава предел прочности увеличивается в 1,11,3 раза, ударная вязкость - в 1,5-2,0 раза, жаропрочность - в 3 раза, а жаростойкость - в 2,3-2,5 раза по сравнению с немодифицированным сплавом.

8. Результаты работы приняты к использованию на ОАО «Специальные технологии» при изготовлении инструмента для производства трубных заготовок.

Основные публикации по теме диссертации Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Еремин, Е. Н. Электрошлаковое кокильное литье изделий из жаропрочных сплавов [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин // Литейщик России.-2007.-Х» 10.-С. 18-21.

2. Еремин, Е. Н. Совершенствование технологии изготовления изделий из жаропрочных сплавов [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, A.C. Лосев // Технология машиностроения. - 2007. - № 6 (60). - С. 10-11.

3. Еремин, Е. Н. Влияние металлургической чистоты никелевого сплава на свойства отливок, полученных литейными электрошлаковыми технологиями [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин // Заготовительные производства в машиностроении. - 2007.-№ 12.-С. 15-17.

4. Филиппов, Ю. О. Структура и свойства высокохромистых сталей, модифицированных тугоплавкими частицами [Текст] / Ю.О. Филиппов, E.H. Еремин, A.C. Лосев [и др.] // Омский научный вестник. - 2007. - № 2 (56). - С. 101103.

5. Еремин, Е. Н. Влияние инокулирующего модифицирования на морфологию и топографию упрочняющих фаз в жаропрочном сплаве [Текст] / E.H. Еремин, A.C. Лосев, Ю.О. Филиппов // Литейщик России. - 2008. - № 8. - С. 39-43.

6. Еремин, Е. Н. Дендритная ликвация и структура жаропрочного сплава, модифицированного ультрадисперсными частицами тугоплавких соединений [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, A.C. Лосев И Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 2. - С. 51-54.

7. Еремин, Е. Н. Исследование свойств порошка карбонитрида титана, полученного плазмохимическим синтезом [Текст] / E.H. Еремин, Г.Н. Миннеха-нов, Ю.О. Филиппов Ю.О. // Омский научный вестник. - 2010. - № 1 (87). -С. 27-31.

8. Еремин, Е. Н. Перспективный способ получения литых заготовок из жаропрочных сплавов [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин // Электрометаллургия. - 2010. - № 3. - С. 27-33.

9. Еремин, Е. Н. Исследование структуры сплава ЖС6У методом атомно-силовой микроскопии [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, H.A. Давлет-кильдеев, Г.Н. Миннеханов // Омский научный вестник. - 2011. - № 1 (97). -С. 24-29.

10. Еремин, Е. Н. Исследование структурных изменений в модифицированном жаропрочном никелевом сплаве [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, Г.Н. Миннеханов // Омский научный вестник. - 2011. -№ 3 (103). - С. 65-70.

Патенты

1. Модификатор. Патент 2337167 Российская Федерация, МПК С22С 35/00, С22С 27/06 / Еремин Е. Н„ Лосев А. С., Филиппов Ю. О., Еремин А. Е. -2006130573/02; заявл. 24.08.2006; опубл. 27.10.2008, бюл. № 30. - 5 с.

2. Порошковая проволока. Патент 2350448 Российская Федерация, МПК В23К 35/368 / Еремин Е. Н., Лосев А. С., Филиппов 10. О., Еремин А. Е. -2007109511/02; заявл. 15.03.2007; опубл. 27.03.2009, бюл. №9.-5 с.

3. Порошковая проволока. Патент 2356714 Российская Федерация, МПК В23К 35/368 / Еремин Е. Н„ Филиппов Ю. О., Еремин А. Е., Лосев А. С. -2007107746/02; заявл. 01.03.2007; опубл. 27.05.2009, бюл. № 15. - 6 с.

4. Порошковая проволока. Патент 2356715 Российская Федерация, МПК В23К 35/368 / Еремин Е. П., Еремин А. Е„ Филиппов Ю. О., Лосев А. С. -2007107747/02; заявл. 1.03.2007; опубл. 27.05.2009, бюл. № 15. - 6 с.

Статьи в Российских и иностранных изданиях; материалы международных и региональных конференций

1. Филиппов, Ю. О. Технология кокильного электрошлакового литья деталей «Сердечник рогообразный» [Текст] / 10.0. Филиппов, С.Н. Жеребцов, Ю.В. Романовский // Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире: тезисы докл. VII Межрегион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Рубцовск: РИО, 2005. - С. 54-56.

2. Жеребцов, С. Н. Влияние дисперсного упрочнения на жаропрочность сплавов [Текст] / С.Н. Жеребцов, 10.0. Филиппов, А.Е. Еремин // Сварка и кон-троль-2005: материалы 24 науч. - техн. конф. сварщиков Урала и Сибири. - Челябинск, 2005. - С. 82-86.

3. Еремин, Е. Н. Новая технология электрошлакового кокильного литья [Текст] / E.H. Еремин, С.Н. Жеребцов, Ю.О. Филиппов // Военная техника, вооружение и технологии двойного применения: материалы III Междунар. технолог, конгресса. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - Ч. I. - С. 134-135.

4. Филиппов, 10. О. Применение тугоплавких порошков для повышения стойкости сердечников протяжек отводов [Текст] / Ю.О. Филиппов, A.C. Лосев, E.H. Еремин // Упрочнение рабочих поверхностей деталей машин: сб. докл. науч.-техн. конф. в рамках 7-й Междунар. спец. выставки «Сварка. Контроль и диагностика». - Екатеринбург: ЗАО «Уральские выставки-2000», 2007. -С. 52-54.

5. Филиппов, Ю. О. Повышение долговечности изделий из жаропрочных сплавов в условиях температурных перегрузок [Текст] / Ю.О. Филиппов, A.C. Лосев, А.Е. Еремин, E.H. Еремин // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники: материалы III Регион. науч. конф., посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» A.C. Клинышкова. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - С. 214-218.

6. Филиппов, Ю. О. Жаропрочность сплавов, модифицированных наноча-стицами тугоплавких соединений [Текст] / Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин,

E.H. Еремин // Современные проблемы машиностроения: труды IV Междунар. науч.-техн. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - С. 211-214.

7. Филиппов, Ю. О. Применение модифицирования наночастицами тугоплавких соединений для повышения качества литого металла изделий из жаропрочных сплавов [Текст] / Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, A.C. Лосев, E.H. Еремин // Решетневские чтения: материалы XII Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф. Решетнева. - Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2008. - С. 239-240.

8. Филиппов, Ю. О. Разработка технологии изготовления сплошных роговых сердечников для производства трубных отводов [Текст] / Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, E.H. Еремин // Проблемы и перспективы развития литейного, сварочного и кузнечно-штамповочного производств: сб. науч. тр. - Вып. 5. - Барнаул: Изд-во АлГТУ, 2009. - С. 255-257.

9. Еремин, Е. Н. Структурные параметры дисперсных фаз, определяющие прочность металла изделий ответственного назанчения [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, A.C. Лосев, Р.Г. Миннеханов // Динамика систем, механизмов и машин: материалы VII Междунар. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009. - Кн. 2. - С. 350-352.

10. Eremin, Е. N. Promising Method of Producing Cast Billets from Superalloys [Text] / E.N. Eremin, Yu.O. Filippov, A.E. Eremin // Russian Metallurgy (Me-tally). - Pleiades Publishihg. - Vol. 2010. - No. 12. - P. 1-5.

11. Еремин, E. H. Влияние наночастиц тугоплавких соединений на дендритную структуру и ликвацию легирующих элементов в литом жаропрочном сплаве [Текст] / E.H. Еремин, Ю.О. Филиппов, А.Е. Еремин, Г.П. Румянцев // Машиностроение и техносфера XXI века: сб. тр. XVII междунар. науч.-техн. конф. В 4 т. - Донецк: ДонНТУ, 2010. - Т. 1. - С. 266-271.

12. Филиппов, 10. О. Исследование кинетики плакирования частиц модифицирующих комплексов [Текст] / Ю.О. Филиппов, E.H. Еремин, A.C. Шевля-ков // Машиностроение - традиции и инновации: сб. тр. Всерос. молодеж. конф. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 314-315.

Компьютерная верстка - О.Г. Белименко Подписано в печать 24.03.12. Формат 60x84 '/[6. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 224.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ.

Печатается в авторской редакции

61 12-5/3086

Омский государственный технический университет

На правах рукописи

Филиппов Юрий Олегович

ПРИМЕНЕНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА СЕРДЕЧНИКОВ ПРОТЯЖЕК ИЗ СПЛАВА ЖС6У

Специальность 05.16.09 - Материаловедение (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор Еремин E.H.

Омск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Содержание...........................................................................................................2

Введение...............................................................................................................4

1 Анализ путей повышения качества протяжек трубных отводов................9

1.1 Характеристика протяжек трубных отводов..............................................9

1.2 Обоснование выбора материала для изготовления сердечника протяжки ......................................................................................................................................14

1.3 Перспективы использования технологии электрошлакового литья в производстве роговых сердечников........................................................................25

1.4 Основные аспекты модифицирования литого металла...........................35

1.5 Оценка свойств литейных жаропрочных сплавов....................................39

1.6 Анализ применения модифицирования в электрошлаковых технологических процессах......................................................................................47

1.7 Выводы и постановка цели работы и задач исследований......................51

2. Исследования влияния модифицирования на процесс зародышеобразования...............................................................................................54

2.1 Анализ влияния дисперсности частиц на упрочнение литого металла 54

2.2 Исследования особенностей взаимодействия между твердой и жидкой фазами в процессе зародышеобразования..............................................................57

2.3 Формулировка условий выбора компонентов модифицирующих комплексов.................................................................................................................62

2.4 Особенности взаимодействия инокулирующих частиц с расплавом вещества плакирующего слоя..................................................................................66

2.5 Выводы..........................................................................................................72

3. Разработка состава комплексного модификатора и способа его ввода при электрошлаковой тигельной плавке........................................................................74

3.1 Описание оборудования, использованного для отливки образцов........74

3.2 Описание оборудования, использованного для выполнения исследований..............................................................................................................79

3.3 Выбор инокуляторов и активирующих добавок модифицирующих комплексов.................................................................................................................80

3.4 Исследования свойств порошков модифицирующих комплексов........97

3.5 Предварительная подготовка порошков модифицирующего комплекса 108

3.6 Разработка состава комплексного модификатора..................................118

3.7 Выбор способа ввода модификаторов при электрошлаковой тигельной плавке........................................................................................................................124

3.8 Выводы........................................................................................................128

4 Исследование взаимосвязи изменений структуры с кинетикой кристаллизационных процессов жаропрочного сплава при его модифицировании....................................................................................................130

4.1 Влияние модифицирования на макро и микроструктуру жаропрочного сплава........................................................................................................................130

4.2. Исследование влияния модифицирования на дендритную структуру и ликвацию легирующих элементов.........................................................................143

4.3 Исследование влияния инокулирующего модифицирования на кинетику кристаллизационных процессов............................................................157

4.4. Выводы.......................................................................................................167

5 Исследование взаимосвязи изменений свойств сплава с его тонкой структурой при модифицировании........................................................................169

5.1 Влияние модифицирования на механические свойства сплава............169

5.2 Исследование изменений топографии поверхности и распределения фазового контраста сплава при его модифицировании......................................175

5.3 Влияние модифицирования на жаропрочность и жаростойкость сплава ....................................................................................................................................183

5.4 Промышленная апробация технологии модифицирования жаропрочных никелевых сплавов...................................................................................................201

5.5. Выводы.......................................................................................................204

Основные выводы и полученные результаты по работе.............................205

Библиографический список............................................................................207

Приложения......................................................................................................226

ВВЕДЕНИЕ

В химической, нефтяной, газовой и других отраслях промышленности большое распространение нашли трубные отводы диаметром от 40 до 600 мм, изготавливаемые из углеродистой стали 20, низколегированных сталей 09Г2С, 10Г2, 20Ю4 и др. В крупносерийном производстве широкое применение нашел способ изготовления крутоизогнутых отводов горячей протяжкой труб по рого-образному сердечнику. Для предприятий-изготовителей трубных отводов большое значение имеет долговечность основного технологического инструмента - рогообразного сердечника, входящего в состав протяжки.

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. Однако, заготовки из таких сплавов изготавливают вакуумно-индукционным литьем, что предполагает наличие уникального, дорогостоящего специализированного оборудования и обуславливает высокую трудоемкость самого технологического процесса изготовления отливок.

Для получения таких заготовок 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. Маринского 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 воздействия на металл в процессе его кристаллизации, одним из которых является модифицирование. Заметный прогресс в области управления кристаллическим строением литого металла был достигнут при использовании суспензионного модифицирования, предложенного Нижегородской научной школой A.A. Рыжикова и получившего дальнейшее развитие в трудах 10.3. Бабаскина, О.Х. Фаткулина, С.С. Затуловского, В.Б. Федорова, М.Х. Шоршорова, А.Н. Черепанова, В.П. Сабурова, E.H. 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 (0,01-0,05 мкм) порошки (УДЕ1), 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.

Вышеизложенное потребовало проведения комплексных исследований по ряду направлений, в ходе которых было необходимо:

- 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.

В качестве объекта исследования выбран жаропрочный сплав ЖС6У (X10Н60К1ОВ10Ю5ТЗМ2Б), склонный к транскристаллическому строению, образованию карбидных и фосфидных эвтектик, обладающий повышенной структурной неоднородностью, что обусловливает низкую величину показателей механических и служебных свойств литого металла, часто ниже уровня, потенциально заложенного их химическим составом.

Проведенные исследования по перечисленным направлениям позволили выдвинуть совокупность научных положений, позволяющих при использовании модифицирования активированными синтетическими ультрадисперсными тугоплавкими частицами эффективно и целенаправленно воздействовать на процессы, определяющие структуру и свойства электрошлакового металла.

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 Л и МЪ уменьшается в 1,6-1,8 раза. В частицах у'-фазы наряду с А1 и Т1 возрастает концентрация Со, Сг, в то время как в межчастичных пространствах количество Со, 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 устраняет разнозернистость структуры, предотвращает образование столбчатых зерен, обеспечивает измельчение эвтектики у - у', изменение морфологии и топографии карбидной фазы, увеличение дисперсности, количества и структурной стабильности у'-фазы, что приводит к возрастанию механических и эксилутационных свойств сплава.

На защиту выносятся:

- результаты высокотемпературной обработки порошков комплексного модификатора;

- закономерности совместного влияния карбонитрида титана, титана и иттрия на структуру и свойства жаропрочног о сплава;

- закономерности кинетики кристаллизационных процессов в модифицированном жаропрочном сплаве;

- механизмы процессов, протекающие в модифицированном сплаве, обусловливающие повышение его эксплуатационных характеристик.

Научные положения, сформулированные в работе, позволили теоретически обосновать, экспериментально подтвердить и реализовать технологию элек-

трошлакового кокильного литья с комплексным модифицированием жаропрочного сплава активированными тугоплавкими частицами плазмохимического синтеза с размерами 0,01-0,05 мкм.

Показана эффективность применения созданных разработок при электрошлаковом кокильном литье, повышающих механические, эксплуатационные свойства литого электрошлакового металла и надежности заготовок протяжек крутоизогнутых отводов. По материалам диссертации опубликовано 47 печатных научных работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук, таких как «Литейщик России», «Технология машиностроения», «Заготовительные производства в машиностроении», «Электрометаллургия», «Омский научный вестник», 3 статьи - в журналах и сборниках научных трудов ближнего и дальнего зарубежья, таких как «Russian Metallurgy (Metally)», «Вюник академп шженерних наук Украши», «Висою технологи в машинобудуванш».

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» (2009-2011 годы).

Исследования проводились на кафедрах «Оборудование и технология сварочного производства» и «Машины и технология литейного производства» ОмГТУ, «Материаловедение в машиностроении» НГТУ, «Термообработки и физики металлов» Уральского Федерального университета, в Институте металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург), в Омском филиале Института физики полупроводников СО РАН, в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН (г. Омск), в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск).

В выполнении исследований принимали участие E.H. Еремин, Г.Н. Мин-неханов, H.A. Давлеткильдеев, С.Н. Жеребцов, A.C. Лосев, М.В. Тренихин, М.С. Хадыев, Н.В. Антоничева, И.А. Батаев.

1 АНАЛИЗ ПУТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОТЯЖЕК

ТРУБНЫХ ОТВОДОВ

1.1 Характеристика протяжек трубных отводов

В результате развития индустриальных методов строительства и прогресса при монтаже трубопроводов сокращено до минимума применение фланцевых соединений труб. Возросло количество трубопроводов, изготавливаемых из набора прямых труб и отводов с различными узлами гиба. Монтаж таких трубопроводов сводится к сварке прямых и криволинейных участков труб. При таком способе монтажа изготовление криволинейных участков труб переносится со стройки на завод, где можно механизировать процесс гнутья.

Дальнейшее развитие технологии заводского производства крутоизогнутых отводов направлено на повышение производительности, коэффициента использования металла, улучшение качества и снижение трудоёмкости изготовления.

Из всех существующих способов изготовления таких деталей наиболее экономичным является горячий изгиб труб с одновременной раздачей на рого-образном сердечнике [1-3]. Нагретые в зоне изгиба трубы-заготовки определённого диаметра и длины проталкивают по протяжке, на которой происходит раздача трубы с одновременным изгибом. Горячая протяжка обеспечивает более высокую производительность и качество получаемых отводов по ГОСТ 17375-83 в широком диапазоне изготовляемых типоразмеров с Ду от 25 до 600 мм.

Протяжка состоит из трёх элементов: рогового сердечника, проставки и хвостовика [4] (рис. 1.1).

а)

б)

Рис. 1.1. Конструкция (а) и внешний вид (б) протяжки трубных отводов

Технологическая схема процесса изготовления крутоизогнутых отводов горячей протяжкой трубных заготовок показана на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема процесса изготовления отводов горячей протяжкой: а период загрузки; б период рабочего хода; I — трубы заготовки; 2 штанга; 3 сердечник; 4 силовой замок; 5 - песиловой замок; 6 захват; 7 гидроцилиндры пресса; 8 - нагревательная печь; 9 - газовые горелки; 10 - заготовка, изогну тая под углом 1 80°; 11 - заготовка, изогну тая под углом 90°

Мерные заготовки 1 подаются на штангу 2 гидравлического пресса. На переднем конце штанги-протяжки укреплён инструмент-сердечник 3. Штанга пресса закреплена от продольного смещения в период загрузки и рабочего хода открывающимися поочерёдно замками: силовым 4 и несиловым 5. При загрузке заготовки па штангу силовой замок открыт, а песиловой закрыт. При рабочем