автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Совершенствование технологии модифицирования с целью повышения служебных свойств отливок из сложнолегированных сплавов на основе железа и никеля

РГ6 ОЛ

2 3 ИДИ

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЖ И СПЛАВОВ ( ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ )

На правах рукописи

УЖ 621.746.6:669.245

СИРОТКИН СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕНПЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СЛУЖЕБНЫХ СВОЙСТВ ОТЛИВОК ИЗ СЛОЖНОЛЕГИРОВАННЫХ. СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА И НИКЕЛЯ

Специальность 05.16.04 - "Литейное производство"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Московском Государственном институте стали и сплавов (технологическом университете)

Научный руководител и : профессор,доктор технических наук КОЗЛОВ Л.Я. доцент,кандидат технических наук РОМАНОВ Л.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор ЛОГУНОВ A.B. кандидат технических наук ВОЛКОВ В.А.

Ведущее предприятие: Государственное предприятие "НПО ТЕХКОМАШ" г.Москва

Защита диссертации состоится 1994 года

в час мин на заседании диссертационного совета

Д.053.08.01 в Московском Государственном институте стали 2 сшивов по адресу:II7936,Москва ГСП-I,Ленинский проспект,4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного института стали и сплавов.

Автореферат разослан 1994 года.

Справки по телефону

Ученый секретарь специализированного совета профессор,доктор технических

ho и у i^t

наук 'БОРОДИН Д.И

ВВЕДЕНИЕ ;

Актуальность работы. Развитие технического прогресса в машиностроении предъявляет непрерывно-возрастающие треоования к отливкам из сложнолегированных сплавов на никелевой и железной основа.

Значительные резервы повышения их свойств имеются на пути -ти улучшения литой структуры и, в частности, морфологии, характера распределения карсэдных включения.

Одним из наиболее перспективных методов воздействия.на формирование литой структуру никелевых сплавов является инскулированио в сочетания с технологиями глусохого рафинирования от неметаллических включения и вредных примесей. Однако ряд вопросов ооразова-пия. роста и растворения карсидов в никелевых сплавах исследованы недостаточно полно. В частности, отсутствует ряд термодинамически данных о влиянии легиругадх элементов и модификаторов на равновесие реакции образования кароида яиссия, используемого в качество дисперсиопноупрочшюцея фазы в никелевых жаропрочных-сплавах. Весьма спорными являются имеющиеся представления о поведении тугоплавких частиц в металлических расплавах.

Вместо с тем понимание процессов, протекающих в' гадких и кристаллизующихся сплавах, с^дернашдх кароидные частицы неооходгао для разработки и внедрения в производство эффективных технологий управления структурой и свойствами отливок.

Актуальность раОотьг подтверждена тем, что исследования проводили в рачках программы "Перспективные материалы". Постановлений ГКНТ м 450 от 02.04.91 г., а также в соответствии с рекением Госкомисии N 323 от 05.10.85 г.

Цель расюты.Повышение служебных свойств отливок из жаропрочных сплавов и сталей за счет улучшения морфологии карбидных включений и глубокого рафинирования от кислорода и серы-

Развитие методов управления формированием включений карбидной фазы с использованием микролегирования, инокулирования и глубокого рафинирования сложнолегированных жаропрочных сплавов и разработка на этой основе состава и технологии приготовления нового сплава с повышенной прочностью и коррозионной стойкостью в интервале темпе- ■ ратур от -253 до +-450°С. *

Научная новизна.Выявлен механизм воздействия легирующих элементов и модификаторов на условия формирования и морфологию карби-(

дрых включений типа (с в сплавах на основе никеля.

Показано, что воздействие элементов на температуру выделения . карбидов определяется двумя факторами: изменением активности углерода в расплаве и способностью формировать фазы внедрения сложного состава.

Экспериментально установлено.что легирующие элементы, изменяющие состав карбидов в сплавах повышают температуру выделения последам из расплава. :

Получен ряд новых термодинамических данных для расчета равновесия реакции образования карбида ниобия в сложнолегированных никелевых сплавах.

Показано.что иттрий в никелевых сяжвах наряду с оксидными и оксшсульфидвыми включениями модифицирует карбида.

Выявлен механизм растворенья кврбадов ниобия ь никелевых спла-' вах. растворению карбидов предшествует распад их на отдельные фрагменты размером- от I до .3 юш, которые в течение длительного времени могут находиться в расплаве.

Практическая значимость. Разработан подход к выбору микролеги-

. - 5 -

рующих добавок. улучшающих морфологию карбидных включений.

Предложены ивокулятары.содержащие самораспадающиеся карбиды ниобия,для повышения служебных свойств никелевых жаропрочных сплавов.

Усовершенствованная технология модифицирования иттрием слож-нолегированных сплавов на основе железа и никеля,позволила в 1,52 раза повысить пластические характеристики жаропрочных сплавов в широком диапазоне температур и стабилизировать длительную проч- . ность сплава ЛЖ-1И на уровне более чем в восемь раз выше требований ТУ.

Внедрена в производство новая высокопрочная коррозионностой-кая сталь для получения отливок осоОо ответственного назначения. ■ работающих в диапазоне температур от -253 до 450°С,

Экономический эффект от внедрения разработок в-ценах 1990 года составил более 800 тысяч рублей.

Новизна технического решения подтверждена авторским свидетельством № 905316.

Реализация результатов работы в промышленности. Предложенная технология модифицирования прошла опытно-промышленное опробование в условиях предприятий ВНИИСталь, НПО "ЭНЕРГИЯ", НПОТСОМПОЗИТ", КБХА г.Воронеж. Из разработанной стали в настоящее время освоены более 38 наименований отливок.

'Апробация работы. Результаты и основные положения диссертации доложены на:

- Отраслевом научно-техническом семинаре "Повышение стабильности служебных свойств отливок из высокопрочных коррозноностойких . сталей и сплавов", Калининград М.О.,1987 г.

- Отраслевом научно-техническом семинаре по обмену опытом, Воронеж, 1988 Г.

- Научно-техническом семинаре "Пути,повышения пластических свойств отливок из никелевых жаропрочных сплавов". Химки,И.О. 1988 г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, оочщх выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 120 страницах машинописного текста, включает 18 таблиц, 32 рисунка. Список литературы включает III наименований источников .Приложение содержит 2 стра- • ницы машинописного текста.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования служили сплавы системы hí-сг-с, легированные нь, та. нг. ai, w, жаропрочные сплавы ЛЖ-1И, Л2-1М и разработанная литейная высокопрочная сталь .

В качестве шихтовых материалов, использовали технически чистые металлы. Модифицирование сплавов проводили иттрием и карбидосодер-жащми лигатурами.

Лабораторные эксперименты проводили на автоматизированной установке дифференциального термического анализа (ДТА),созданной на базе шахтной вакуумной пачи сопротивления СШВЭ 1.2,2.5/25 И. Управление режимами нагрева и охлаждения пачи, а также сбора и обработки данных ДТА использовали ЭВМ типа ibm pc/xt .оснащенную уст -ройством для связи с объектом. Программное обеспечение реализовано m языке тииво paskal.

"Измерительную и управляющую тврмозшри тар«рослги гг. гг.- •< репарныы точкам (плавление меда,никеля,t¿ saneaa ш^око* стеиояа 'гзстоты-93,992). чувствительность па дифференциальной шкала составляла ^0,04°С. Скорость оиэздешш расплава изменяли от 0,08 до 0,4 К/с. Основные эксперименты проводили при скорости охлажде-

ния 0,08 К/с. Масса образца составляла 20^0,3 г. Эталоном служил вольфрам с засыпкой из оксида алюминия.

Опыты проводили в атмосфере гелия используя тигли из оксида бериллия, обладающего высокой теплопроводностью и.химической инертностью. ,

Проведено три серил экспериментов. В первой серии исследовали закономерности образования карбидов №с в сплавах на основе системы м1-сг-с,а также карбидов сложного состава, для чего сплавы дополнительно легировали танталом и гафнием.

Во второй - исследовали поведение экзогенных включений карбидов, введенных в никелевые сплавы с помощью лигатур.

Третья серия ¡экспериментов была посвящена разработке оптимальных технологических параметров введения карбидных инокуляторов и модифицирования сложнолегироваяных сплавов иттрием.

Промышленные эксперименты по отработке технологии инокулиро-вания и модифицирования проводили в условиях предприятий НПО "Композит" .ВНИИСталь и КБХА г. Воронеж. Вакуумные индукционные печи УППФ-ЗН и ВИАМ15-63 имели корудовую футеровку/

Металлографические исследования проводили на микроскопе •■меогот-21" . Качественное распределение элементов в структуре сплавов исследовали на ренгеновском микроанализаторв "Самевах".

Содержание кислорода,серы,углерода определяли на установках фИрМЫ "ЬЕКО".

Химический анализ на остаточное содержание РЗМ проводили по методике института ГИРЕДМЕТ.

Содержание легирующих элементов в сплавах определяли с помощью химического и рентгеноспектрального анализов.

испытания механических свойств сплавов проводили при темпе-

ратурах -253, -196, +20,+750°С В соответствии С ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9651-84 И ГОСТ 9454-60.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ КАРБИДОВ В СПЛАВАХ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ И1-Сг-С

Управление формированием карбидных включений требует знания термодинамических характеристик реакций взаимодействия углерода с компонентами металлических расплавов.

Базовой душ жаропрочных никелевых сплавов с карбидным упрочнением является система ш-сг-с. Основными элементами формирующими карбидную фазу на стадии кристаллизации являются нь. Та. л и иг.

Достаточно большую группу, свариваемых жаропрочных никелевых оплавов. к которым относится сплав М 1И, в качестве основного ка-рбидообразупцего элемента присутствует ниобий.

Протекание реакция образования карбида ньс в жидких никелевых сплавах может быть описано следующими уравнениями:

-мьств " сныы1 * сс,т '

5770

1-вКМЬС"'1-вГС*ГМЬСМЬ5,,СС:1 ■*--* 3,75

гда гс и гнь коэффициенты активности углерода и ниобия.

Однако прогнозирование условий протекания этой реакции невозможно без звания коэффициентов активностей, расчет которых можно осуществить на основе знаний параметров взаимодействия.

Дифференциальный термический анализ позволяет непосредственно определять температуру начала протекания карбидной реакции. Используя эти данные, а также зная температурную зависимость коне-

танты равновесия реакции (Г) представляется возможным рассчитать соответствующие значения параметров взаимодействия легирующих элементов с углеродом в жидком никеле.

В заэвтектическиэ сплавы системы ш-сг-с вводили добавки ниобия в количестве от I до 1056. Кристаллизация 'исходных сплавов начиналась с выделения первичных карбидов сгтс3. Равновесие реакции образования карбидов хрома может быть описана с помощью уравнений:

сг7сзтв.= 7 ССГ]М1 + 3 СС]Н1 <3>

7x3 7/3 6464 1вкр - 1вГСг* [Сг1 * ГСГС) --р + 7.18 (4)

где гс и гСг коэффициенты активности углерода и хрома.

Как показано на рис.1 с увеличением концентрации ниобия до* 2,0-2,5% происходит понижение температуры выделения карбидов хрома. В сплавах содержащих около 2,03! ниобия включения заэвтектиче-ских карбидов хрома, практически, полностью исчезают. Причиной' этого является уменьшение активности углерода в расплаве. Дальнейшее увеличение содержания ниобия повышает температуру кристаллизации сплавов из-за выделения первичных карбидов ыьс. Точки минимума на кривых соответствуют изменению состава выделяющегося ' карбида. Температура образования нье, как видно из рис.1 зависят от содержания хрома, влияющего на активности углерода и ниобия.

Температуру выделения иьс существенно повышали добавки алюминия и относительно слабо на нее влияли вольфрам, молибден и кобальт.

Обработка экспериментальных данных позволила рассчитать ряд ранее неизвестных параметров взаимодействия в расплавах системы

н1-сг-ль-с.

Влияние ниобия на тейцературу ликвидус никелевых сплавов

Рис.1.

Для описания' равновесий реакции (I) потребовалось введение параметров взаимодействия второго порядка (г),которые подбирали о помощью ЭВМ.

Рекомендуемые значения параметров взаЕыодойствжя. пересчитанные вя.температуру 1600°С с исдользов&янек творйа рзгудяркй растворов* проведаны в таол.Г.

Таблица I.

Параметры взаимодействия для сплавов системы ш-сг-мь-с

Параметры взаимодействия первого'порядка

с Сг иь А1 Мо Со * с

*с ес ес ес ес с с ень нь

. 0,218 -0,039 -0,076 0,09 -0,0075 0,005 -0,0065 -0,076 0,036

Продолжение таблицы I.

Параметры взаимодействия второго порядка

с гс нь гнь

0,086 0,002 0,009

В реальных сплавах наряду с ниобием могут присутствовать другие сильно карбидообразущие элементы,например та и нг,снижающие активность углерода в расплава. В этой связи можно было бы ожидать, что их добавки должны были бы уменьшать температуру выделения карбида иьс. в сплав, содержащий 2,555 мь,2,0!К с и 27,0? с г вводили Та и нг в количестве до 6,02 каждого. Под влиянием этих добавок температура карбидообразования, как видно из рис.2 монотонно возрастала.

Анализ микроструктуры сплавов показал,что в сшивах с та образуются карбиды сложного состава (нь,та)с кубической формы. В сшивах легированных гафнием (до 4$) также образуются кубические карбидн состава (мь.нг)с. Однако при более высоком содержании гафния в структуре появляются карСэды гексагональной формы типа

<кь,нг)2с.

Термодинамический анализ показывает, что изменение состава карбида приводит к уменьшению свободной энергии системы.ьПоэтому образование карбидов сложного состава является предпочтительным.

Полученные результаты позволяют выделить два подхода к управлению морфологией карбидных включений в сплавах.

Влияние добавок нг и Та на температуру образования карбида ниобия

I - ниобий; 2 - тантал; 3 - гафний.

- Рис.2.

Добавки элементов, заметно влияющих на активность углерода, но нерастворяицихся в карбиде, могут повышать или понижать в определенных пределах температуру его образования и соответственно нанять соотношение между количеством :швктическшс к заэвтоктичес-кпх включений. Применительно к вшиэвш гсргзрочьлл ко-

торых содержание легирующих оле»*знтов достаточна ясетко регламентировано, возможности ксгшльзовова^ля етсго ¡¿зхаяизма весьма ограничены. Тем нв кзнее. данное; обстоятельство необходимо учитывать

- 13 -

при выборе оптимального легирующего комплекса.,

Второй подход, основанный на легировании карбидов, можно непосредственным образом применять доя улучшения литой структуры жаропрочных сплавов. При этом можно избежать существенных изменений в составе сплавов,если использовать малые добавки сильно лзк-вирующих карбидообразуюиих элементов. К числу таких элементов в никелевых сплавах можно отпести РЗМ, в, нг, 2г.

Полученные результаты позволяют объяснить закономерности карбидообразования в никелевых сплавах и наметить практические направления по улучшению служебных свойств литых изделий.

СОВЕРШЕНСТЕСЬАШЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК КЗ ЗАР0ПР0ЧНЫХ СПЛАВОВ

Никелевый жаропрочный сплав Л2-1И широко используют для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорапия с турбо-яаддувсм эксплуатируемые при температурах от 700 до 900°С.

Упрочнение сплава достигается за счет выделения интерме- • таллидаой фазы М13(а1,иь> и карбидов нъс. в его структуре присутствуют карбида эвтектического типа,а также отдельные включения карбидов размером до 200 мкм (рис.3).

Наличие крупных карбидных включений н эвтектических колоний ■ неблагоприятно сказываются на ластических характеристиках а так-тв снижают стабильность ссвойств сплавов пря повыяешшх температурах.

Данные о параметрах кристаллизации сшивов Л1-1И и ЛЗ-1М представлены в табл.2.

Проведенные термоданамзческЕе расчеты с использованием полу-чеякых начи данных,позволяли установить,что в -пределах колебаняя элвмея-?оз пшсостава сплава допускаемых ТУ.выдолепие карбидов.

может начинаться при температурах близких к температуре ликвидус. Крупные карбидные включения в сплаве ЛЖ-1И, :х400

Рио.З.

В атом случае реализуется свободный рост карбидов в течение относительно длительного времени в жядкком расплаве что приводит к ¡появлению крупных включений дендритной Форш.

Таблица 2.

Параметры кристаллизации сплавов ЛХ-1И и ЛЖ-1М

Марка сплава ТЛ.°С тс'°С ТК'°С та»°с

ЛЖ-1И 1316*5 1280 1290 1248

ЛЖ-1М 1308 1286 1274 1251

Кривые охлаждения сплавов ЛХ-1М я ЛХ-1И

Рис.4

Как видно из рис.4, теоретические расчеты подтверждаются результатами дифференциального термического анализа, В частности , при содержании элементов в сплаве на среднем уровне, выделение карбидов фиксировали при температуре на Ю-15°С ниже температуры ликвидус.

Добавки иттрия, содержащегося в сплаве, вызывают переохлаждение его на 5-10°С. При этом измельчается дендритное строение-, - -. ,-уменьшается количество эвтектических карбидов и улучшается морфология включений. Однако крупные выделения карбидов сохраняются в структуре сплава.

Микрорентгеноспектральный анализ показал заметное присутствие иттрия в составе карбидов.

Повидимому, иттрий формирует с ниобием фазы внедрения сложного состава и повышает, тем самым, температуру выделения их из расплава при кристаллизации. Поэтому в структуре сплава уменьшается количество эвтектических карбидов в виде иероглифов и соответственно возрастает доля карбидов компактной форды.

Аналогичный эффект оказывает.микролегирование гафнием сплава ЛЯ-1М. Недостатком использования нг является ухудшение свариваемости сплава, а также появление в его структуре нежелательных карбидов типа м2с с гексагональной решеткой.

Для улучшения характера ввделения н уменьшения размеров карбидов была опробована высокотемпературная обработка расплавов. Эта технология зарекомендовала себя в качестве одного из наиболее эффективных методов воздействия на литую структуру сплавов. Температуру перегрева меняли в пределах 1630-1820°С с шагом в 50°С.Время вздержки при фиксированных температурах составляло 2 мин..

Применение высскотешерагуряой обработки расплава не дало заветного эффекта. Сильныз перегревы приводят к исчезновению ак-

тивных центров зарождения никелевого твердого раствора (г-фазы), однако при этом в расплаве сохраняются термодинамически устойчивые оксидные включения,на которых формируются карбида. Сплав переохлаждался не ниже температуры начала карбидной реакции (на Ю-15°С> .поэтому заметных изменений в литой структуре не происходило.

Другим способом улучшения литой структуры сплавов является • введение в них тугоплавких частиц, служащих центрами зародашеобра-зования. В рассматриваемом случае предполагали рализовать принуда-тельное формирование карбидов на заранее приготовленных частицах-подложках. Оптимальным с точки зрения термодинамики являлось введение в расплав карбидов ниобия. Для атого использовали лигатуры, содержащие заэвтектические карбида ньс. Составы лигатур (табл-3) выбирали таким образом.чтобы основная масса карбидов формировалась в них до начала эвтектического превращения (заэвтектичение сплавы). Измельчения включений добивались заливкой перегретых лигатур в массивный медаый кокиль. Средний размер карбидов в структуре лигатур не превышал 30-40 мкм.

Вопрос живучести в расплавах частиц инокулятора имеет важное • значение дая создания эффективной технологии. Поэтому в предварительной серии опытов исследовали поведение карбидных включений в жидком, никеле и жаропрочных сплавах на его основе.

Опыты показали, что карбида в лигатурах представляют собой конгломераты, сфорярованше более мелка® частицами, изолированные друг от друга оксидными пленами.

В лнгатурэ Га1 присутствовали включения карбида ниобия компактной сферической формы,схема распада которых показана на рис.5.

Из рис.5 видно,что частицы переходящие в расплав из лигатуры . распадаются па множество мелких фрагментов величиной менее 2 мкм .

Таблица 3,

Составы карбидных лигатур

Тип Массовая доля элемента, *

лигатуры мъ с А1 Ге СГ нг N1

I 1215 2,53,0 - 2728 19- го - остальн.

а 1012 2,02,5 3,04.0 - - — <* __

Карбида ниобия через 10 ищут после введения лигатуры К1 в жидкий расплав никеля при температуре 1500°С,

НООО

Рис.5.

Эти частицы могут присутствовать в перегретом на 200-300°С сплаве в течение 10-15 минут, что на несколько порядков превышает расчетные значения, полученные с использованием зависимостей диффузионной кинетики .

Расхождение результатов расчетов с данными экспериментов обусловлено присутствием на поверхности оксидных плен, тормозящих растворение карбидных частиц.

Введение лигатуры Ж в сплав ЛХ1И осуществляли при температуре 1550-1580°С. Время от момента введения лигатуры до заливки форм не превышало 5-ти минут. После введения лигатуры средние размеры карбидов уменьшились в 1,5-2 раза. Полностью исчезли включения размером свыше 20 мкм.

Результаты испытаний механических свойств показали, что применение инокуляторов позволяет достичь заметного прироста длительной прочности сплава. Однако в ряде опытов его свойства были ниже, чем на серийных образцах (табл №4).

Вероятными причинами низкой стабильности результатов явились: превышение допуска по содержанию железа (свыше 2%) и дополнительное загрязнение сплава кислородом.

С учетом этого в составе лигатуры №2 полностью.исключили железо и дополнительно ввели алюминий. Присутствие алюминия заметно улучшило морфологию карбидов, которые также как и в лигатуре №1 представляли собой конгломераты.

Опробование новой лигатуры позволило на отдельных плавках получить 10-ти кратное увеличение жаропрочности. Пластические свойства сплава остались, практически, на прежнем уровне. Не удалось также добиться стабильности свойств от плавкие плавке.

Очевидао.что в данном случае немаловажную роль играет загряз-

' нение сплава кислородом. Отрицательное влияние кислорода и серы сказывается на показателях длительной прочности никелевых жаропрочных сплавов при содержании их на уровне свыше 0,002 %. Необходимо учвсть.что часть серы и кислорода вносится в расплав с лигатурой, поэтому исходный сплав должен содержать заведомо более низкое количество этих примесей.

Таблица 4.

Результаты испытаний образцов из сплава ЛХ-1И

Номер Тип Длитель- Темпе-

шав- лига °02, 6 , V , ная про- ратура

ки туры о чность испыта-

МПа МПа % % ЩяууГ час ний,^

I 2 3 4 5 6 7 8 9

I I 940 870 3,6 5,1 - - +26

2 I 1040 880 5,6 7,1 - 249.58 +750

3 I 1000 940 3,4 8,2 - 147,08

4 I - - - - - 258,10 —'

б I 890 820 3,2 6,3 - 94,22

6 2 320 860 3,6 5.8 - 164,52

7 2 960 860 2,5 7.2 - - +20

8 2 - - - - - 512,15 +750

9 2 - - - - - 169,0 _

10 2 950 870 4,4 5,2 - - +750

Добиться этого можно за счет рационального приготовления расплава. Технология должна предусматривать возможность глубокой да-сульфурации расплава и рафинирование его от кислорода.

В связи с этим была предложена и опробована технология двух-.

стадийного приготовления расплава с использованием иттрия в качестве рафинирующей добавки. .

На Iй стадии в открытой индукционной печи ИСТО,06 с магнезитовой футеровкой под основным шлаком выплавляли полупродукт в состав которого входили все элементы за исключением алюминия и микролегирующих добавок (цирконий,бор). Для наведения шлака использовали флюс .содержащий 70 * сьо и 30 Ж се^. Количество шлака составляло 1,5 - 2,0 % от массы сплава. Повышения сульфидной емкости шлака достигали путем введения в сплав 0,2 - 0,3% иттрия при температуре 1560-1580°С. Такое количество иттрия позволяло поддерживать высокий коэффициент распределения серы в течение 10 минут, необходимых для снижения концентрации серы до 0,0006 - 0,0008 %. После этого сплав разливали в металлические изложницы.

Остаточное содержание иттрия в сплава составляло 0,02-0,034 %, углерода на нижнем пределе по ГУ.

На второй стадии сплав готовили в вакуумной индукционной печи. После расплавления полупродукта проводили легирование и микролегирование. Карбидную лигатуру и иттрий вводили одновременно из дозатора при температурах от 1580 до 1700 °С. Это обеспечивало стабильное снижение кислорода в сплаве до 0,0010-0,0020«. Время от введения лигатуры до заливки форм во всех плавках составляло 3-4 мин. Заливку образцов в керамические формы проводили при температуре 1540 ± 15 °С.

Результаты испытаний механических свойств сплава Л2-ГИ представлены в табл.5. Как видно из таблицы, прочностные свойства сплава, полученного по разработанной технологии, при 20 и 750 С0 отвечают требованиям ТУ. Вдвое увеличились относительное удлинение и сужение, ударная вязкость стала на 25 Ж выше требуемого верхнего уровня. Жаропрочность сплава в 6-8 раз стала выше требований ТУ.

Таблица 5.

Результаты испытаний образцов из сплава ЛЖ-1И

Номер Тип 6 » Длитель- Темпе-

плав- лига 'в, °-02, v • ак. ная про- ратура

ки туры МПа МПа % X ВДж/м2 чность час испытаний,^

I 2 3 4 5 6 7 8 9

II 2 990 870 8,0 16,0 0,25 _ • +20

12 2 1070 870 7,3 11,5 0,28 335,0 +750

13 2 1000 820 11,0 15,0 0,28 +20

14 2 980 870 6,3 19,0 - 452,14 +750

15 2 970 865 6,7 6,6 0,27 - +20

16 2 1140 940 5,3 12,4 - 444,05 +750

17 2 880 830 6,7 7,8 0,15 - +20

18 2 1100 880 8,7 II. 4 - 441,20 +750

19 2 1060 930 6,3 13,0 0,26 - +20

20 2 1030 8Г70 6,7 11,5 406,34 +750

Металлографические исследования позволили установить, что карбидная фаза в структуре сплава представлена включениями компактной формы, на 30-40% уменьшилась доля интерметаллидной эвтектики (белой г-г фазы), сократилась объемная доля эвтектических карбидов и их размеры соответственно.

Таким образом совмещение технологии инокулирования и рафинирования от кислорода и серы с применением иттрия позволяет получать отливки из сплава ЛЖ-1И со стабильно высоким уровнем служебных свойств.

Создание новых образцов авиационно-космической техники потре-

Совало разработки высоколегированных сталей эксплуатируемых в ко-ррознонноактивных средах при повышенных и сверхнизких температурах. Длительное время этот класс материалов представляли деформируемые стали,например сталь ЭП810, которые использовали для изготавления сварных конструкций.

Переход на более экономичные сварно-литые изделия потребовал проведение корректировки химического состава дая того, чтобы сох--ранить все достоинства исходной стали и обеспечить высокий уровень ее литейных свойств.

Для повышения жидкотекучести стали и снижению склонности к образованию горячих трещин в составе стали снизили содержание хрома и никеля и дополнительно ввели но. ч а ч.

Известно, что одной из причин образования горячих трещин является повышенная загрязненность границ зерен оксидными и окси-сульфидными включениями пленочного типа.

Иттрий, обладает высоким химическим сродством к кислороду и серо , поэтому .введение его в сплав на стадии выплавки позволяет в значительной маре нейтрализовать влияние этих примесей.

Эксперименты проводили в открытой индукционной печи ИСТ 016 и вакуумной печи ИСВ 006 ПЦ. Плавки осуществляли на свежих шихтовых материалах. Заливку стали производили при температуре 1550 - 10 °С в предварительно прокаленные и подогретые до 750 °С керамические формы. Количество вводимого иттрия выбирали такт,! образом, чтобы обеспечить удаление кислорода и сери ухе на стадия приготовления расплава. Остаточное содержание иттрия в стали получала на уровне 0,04 - 0,06 %.

Иследованне литейных свойств проводили путем залвдки кош-лекспой пробы Нехендзи-Купцсва и кольцевых проб..

Обработка иттрием . позволила существенно очистить расплав от

примесей . улучшить морфологию и характер распределения оксидных включений . Содержание серы в стали снижено до уровня 0.004 % и менее . а кислорода до 0.001 - 0.003 %..

Практически полностью устранено образование горячих трещин в отливках и обеспечена хорошая жидкотекучесть стали открытой и закрытой выплавки <38 - 45 см).

Таблица 6

Механические свойства стали, полученные на образцах, изготовленных из отдельно отлитых заготовок

К плавки т испы- Механические свойства

таний °с "0,2 МПа МПа б % ¥ % ак ВДЖ/-М2

I 2 3 4 5 6 7

I +20 964,0 1055,0 17,6 65,4 1,07

964,0 1060,0 15,6 61,3 0,99

-196 1295,0 1500,0 20,0 58,6 0,50

1325,0 1520,0 21,2 57,7 0,51

г +20 872,0 1070,0 18,2 30,0 0,93

-196 1170,0 1555,0 22,4 48,0 0,61

3 +20 875,0 1060,0 17,2 49,5 0,83

-196 1037,0 1600,0 16,0 20,0 0,53

4 +20 955,0 1080,0 15,2 41,0 0,78

-196 1300,0 1490,0 17.2 49,0 0,49

Введение иттрия в больших количествах резко ухудшало свойства

- 25 - .

сплава из за выделения по граница« зерен интерметаллидной эвтектики.

Лучше показатели служебных свойств у разработанной стали наблюдали в тех случаях, когда остаточное содержание иттрия было близко к минимально необходимому дня полного связывания кислорода и серы (табл.6) .

Состав стали защищен авторским свидетельством. В настоящее • время из стали отливают большую номенклатуру изделий.

ОБЩИЕ вывода

1. Исследовано влияние большой группы легирующих элементов на параметры кристаллизации и формирования литой структуры никелевых сплавов, позволившие выявить основные механизмы управления размерами и морфологией карбидов типа ьс. Добавки элементов та, нг и РЗМ . участвующих в формировании включений фаз внедрения сложного состава повышают их термодинамическую устойчивость и температуру выделения из расплава. Влияние других элементов связано с изменением активности углерода в расплаве.

2. Получен ряд новых термодинамических данных, позволяющих прогнозировать температурно-концентрационные условия образования карбидов в сложнолегированных жидких и кристаллизующихся сплавах на основе системы ш-сг-с.

3. Выявлены причины высокой живучести карбидных частиц в металлических расплавах .обеспечивающие эффективность применения яноку-ляторов для управления размерами, характером распределения и морфологией включений фаз внедрения в структуре никелевых жаропрочных

сплавов.

4. Предложена технология приготовления никелевых жаропрочных сплавов с применением иттрия и карбидосодержащих лигатур, позволяющая

- 26 -

шдя многократно повысить служебные свойства литых изделий. 5. Разработана и внедрена высокопрочная коррозионностойкая сталь модифицированная иттрием, применяемая для производства большой номенклатуры отливок особо ответственного назначения . эксплуатируемых в широком диапазоне рабочих температур от -253 до 450 °С-

Основные положения диссерртации опубликованы в следующих работах:

Г.Сироткин С.А..Бондаренко А.Н. Оптимизация состава жаропрочного сплава.//Передовой производственно-технический опыт.-1987.-Ш7

2.Сироткин С.А..Вержбицкий А.Г.Проблема дефектов "питингового" характера в отливках из стали ДИ52Л.-В кн.Тезисы докладов отраслевой конференции по обмену опытом "Изготовление отливок из высоко-, прочных коррозионвостойких сталей и сплавов".-Калининград,Н.0.1988

3.Целикина В.А..Сироткин С.А..Ашмарина Г.И.Зависимость механических свойств стали ДИ52Л от содержания титана и алюминия в исходной шихтовой заготовке.//Передовой производственно-технический опыт.-1988 -Ш)

4.Романов Л.й..Соддатов В.А..Сироткин С.А.Особенности растворения тугоплавких частиц в раасплавах на основе железа.//Изв. ВУЗов. Черн. металлургия.-1991.-Ш.

5-Авторское свидетельство 16905316 на изобретение "Сталь".

МОСКОВСКИЙ ННСТИ1УТ СТАЛ» И СПЛАВОВ Ленинский проспект, д. 4 Заказ Ойьем Тираж 100

Типография МИСкС, Орджоникидзе, 8/9