Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

211

ней. Так, легирование тугоплавких металлов небольшими количествами цир-

кония, титана, лантана, церия, иттрия приводит к понижению температуры

хладноломкости. Это результат рафинирующего действия указанных элемен-

тов (геттерный эффект).

Еще один способ повышения пластичности – получение очень мелко-

зернистых структур, для чего могут быть использованы все возможные спо-

собы модифицирования литого металла, а также

рациональные режимы и ви-

ды термомеханической обработки металлов.

Благоприятное влияние легирования на пластичность тугоплавких ме-

таллов наиболее сильно проявляется в сплавах хрома, молибдена и вольфра-

ма с рением. Легирование молибдена и вольфрама 25...35% Re приводит к

очень высокой пластичности, не характерной для этих металлов, а также к

сильному снижению температуры перехода от

вязкого разрушения к хрупко-

му. Это явление получило название «рениевого эффекта». Рений повышает

не только пластичность, но и прочность и жаропрочные характеристики ме-

таллов подгруппы VIA.

Для повышения прочности и жаропрочности тугоплавких металлов ис-

пользуют деформационное, растворное, дисперсионное и дисперсное упроч-

нение. Деформационное упрочнение сохраняется до температур рекристал-

лизации, составляющих 0,35...0,5

пл

для сплавов на основе тугоплавких ме-

таллов.

Упрочнение растворов внедрения на основе тугоплавких металлов обу-

словлено в основном несимметричными искажениями решетки из-за внедре-

ния атомов примеси и блокировкой дислокаций примесными атомами. Одна-

ко растворное упрочнение, обусловленное примесями внедрения, сохраняет-

ся лишь до 0,1...0,2

пл

и этот эффект не может быть использован для созда-

ния жаропрочных сплавов.

Растворное упрочнение в растворах замещения сохраняется до темпе-

ратур порядка 0,5...0,6

пл

, т.е. это более эффективный способ повышения

жаропрочных свойств металлов, чем нагартовка. Этот способ широко приме-

няют для тугоплавких металлов, так как значительное число элементов обра-

зуют с тугоплавкими металлами непрерывные твердые растворы или раство-

ряются в них в большом количестве.

Растворное упрочнение сопровождается повышением температуры пе-

рехода от вязкого

разрушения к хрупкому (исключение составляет легирова-

ние рением). Поэтому содержание легирующих элементов в твердом раство-

ре не должно быть чрезмерно большим, чтобы сплавы не потеряли техноло-

гичность и пластичность. Запас пластичности у металлов VA подгруппы до-

вольно велик и возможности растворного их упрочнения значительны (в от-

личие от металлов подгруппы VIA).

212

Наиболее интенсивно повышают жаропрочность ниобия элементы с

более высокой прочностью межатомной связи, для которых характерны вы-

сокие температуры плавления и модули упругости.

Все легирующие элементы, обладающие пониженной диффузионной

подвижностью, а это. как правило, более тугоплавкие элементы по сравне-

нию с металлом-растворителем, повышают жаропрочность сплавов.

Упрочнение тугоплавких металлов, достигаемое старением или

мето-

дами порошковой металлургии, обычно обеспечивается карбидами, нитрида-

ми, оксидами или сложными соединениями (окси-карбидами, оксинитридами

или оксикарбонитридами).

Метод дисперсного упрочнения позволяет обеспечить высокую жаро-

прочность в сочетании со сравнительно малой склонностью к хладноломко-

сти.

Используя дисперсный механизм упрочнения на основе тугоплавких

металлов можно разработать жаропрочные сплавы с рабочей температурой

до 0,6...0,7Т

пл

Еще один способ повышения жаропрочности – создание гетерогенных

литых структур с жаропрочным эвтектическим каркасом, окружающим пер-

вичные зерна, – для тугоплавких металлов пока не применяется.

6.11 Термическая обработка тугоплавких металлов и сплавов

Наиболее распространенный вид термической обработки тугоплавких

металлов и их сплавов – отжиг различного назначения: отжиг для снятия на-

пряжений, полигонизационный, рекристаллизационный и иногда гомогени-

зационный отжиг.

Рис. 6.4 Зависимость твердости (HRB) сплава ЦМ5

(Мо–0,4Zr–0,05С) от длительности старения при

1200, 1500 и 1800°С после закалки с 2100°С, 1 ч

213

Отжиг для снятия напряжений – довольно распространенный вид тер-

мической обработки тугоплавких металлов VA подгруппы и сплавов на их

основе.

Упрочняющая термическая обработка сплавов на основе тугоплавких

металлов основана на переменной, уменьшающейся с понижением темпера-

туры растворимости легирующих элементов в матрице сплава. Непременным

легирующим элементом термически упрочняемых промышленных сплавов

тугоплавких металлов является углерод

, так что эффекты термического уп-

рочнения связаны с растворением при нагреве под закалку карбидов, фикса-

цией пересыщенного твердого раствора при охлаждении и выделением при

старении из пересыщенного раствора карбидов в более дисперсной форме.

На рис. 6.4 рассматривается зависимость твердости сплава ЦМ5 от

длительности старения.

6.12 Вольфрам и его сплавы

Вольфрам

– самый тугоплавкий элемент, и поэтому он является потен-

циальной основой наиболее жаропрочных сплавов на металлической основе.

Вместе с тем вольфрам отличается большой плотностью, высокой склонно-

стью к хладноломкости, малым сопротивлением окислению даже при не

слишком высоких температурах. Эти недостатки ограничивают возможные

области применения вольфрама.

При повышении температуры пластические свойства вольфрама

повы-

шаются, но прочность остается довольно высокой. При температуре 1370 °С

длительная 110-ч прочность вольфрама равна 70 МПа, т.е. он более жаропро-

чен, чем лучшие сплавы на основе ниобия. Поэтому нелегированный вольф-

рам широко используют как жаропрочный материал. Обычно его применяют

в нагартованном состоянии или после отжига для снятия напряжений (1000

°С, 1

ч). Прочность нагартованных листов и прутков начинает снижаться по-

сле отжига при температурах выше 1200 °С, а полное разупрочнение проис-

ходит при температурах выше 1600...1800 °С. Рекристаллизационный отжиг

резко ухудшает пластичность вольфрама и повышает температуру перехода

из вязкого состояния в хрупкое.

Сильное упрочнение при легировании вольфрама гафнием и циркони-

ем, по-видимому, обусловлено

не только растворным эффектом, но и образо-

ванием карбидов, поскольку вольфрам всегда содержит углерод как примесь.

С повышением температуры эффективность растворного упрочнения

вольфрама различными элементами сближается(рисунок 6.5), а при темпера-

турах выше примерно 2000 °С сплавы становятся менее прочными, чем

вольфрам.

214

Рис. 6.5 Влияние температуры на кратковременную

прочность вольрама и его сплавов, упрочненных по разным

механизмам: 1 – растворное упрочнение 1

′

– 3…5% Мо, Re;

′′

– [(15…30%)Mo, Re]; 2 – дисперсионное упрочнение (2

′

–

[0,1…0,25%) HfC; ZrC]; 2

′

– [0,3…0,5%) HfC; ZrC]; 3 – дис-

персионное упрочнение (1…2%) ThO

Растворное упрочнение сопровождается сильным повышением темпе-

ратуры хладноломкости, уменьшением пластичности и технологичности.

Лишь легирование вольфрама рением, осмием и рутением приводит к повы-

шению пластичности и снижению температуры хладноломкости. Благопри-

ятное влияние осмия и рутения на пластичность вольфрама сходно с рение-

вым эффектом.

К настоящему времени предложены две наиболее перспективные ком-

позиции

сплавов с высокими пластическими и технологическими свойства-

ми: W + 27% Re и W + 15% Мо.

Высокими свойствами обладают некоторые сложнолегированные спла-

вы со структурой, представленной твердыми растворами. К таким сплавам

относятся сплавы системы W–Mo–Re, содержащие 15...34% Мо и 25...40%

Re. У этих сплавов отмечаются высокие механические свойства до темпера-

тур примерно 1800 °С и хорошая пластичность в рекристаллизованном со-

стоянии

при комнатной температуре.

Для вольфрама используют также дисперсное упрочнение. Дисперсное

упрочнение вольфрама достигается легированием элементами IVA и VA под-

групп и небольшими количествами углерода. Наиболее сильное дисперсное

упрочнение оказывает карбид гафния. Сплавы системы W–Hf–C отличаются

высокой склонностью к хладноломкости. Более благоприятным сочетанием

свойств обладают сплавы системы W–Re–Hf–C, легирование которых рением

не только повышает жаропрочность,

но и улучшает их низкотемпературную

пластичность и уменьшает склонность к хладноломкости. Высокими прочно-

стными характеристиками отличаются сплавы вольфрама с 1...2% ThO

(см.

215

рис. 7), получаемые методами порошковой металлургии. К эффективным до-

бавкам, повышающим жаропрочность порошкового вольфрама, относят так-

же оксиды Zr

, Y

и карбиды TiC, NbC, ZrC.

Из отечественных сплавов отметим сшив ВВ2 системы W–Nb, предна-

значенный для работы при температурах выше 1700 °С.

6.13 Молибден и его сплавы

Молибден и сплавы на его основе представляют значительный интерес

для авиационной и ракетной техники. У молибдена высокая точка плавления,

а следовательно, и жаропрочность. Поскольку плотность молибдена (10,2

г/см

) почти в два раза меньше плотности вольфрама (19,3 г/см

), то сплавы

на основе молибдена обладают значительно большей удельной прочностью,

чем вольфрамовые сплавы. Лишь при температурах выше 1370 °С молибде-

новые сплавы уступают по удельным характеристикам вольфрамовым. Мо-

либден и его сплавы отличаются также высоким модулем упругости, малым

температурным коэффициентом расширения, хорошей термостойкостью, ма-

лым сечением захвата тепловых нейтронов.

Основные недостатки

молибдена и его сплавов – небольшая окалино-

стойкость, высокая хрупкость сварных швов, малая пластичность при низких

температурах. В зависимости от содержания примесей, технологии обработ-

ки, состояния поверхности образцов и условий испытаний температура хлад-

ноломкости молибдена колеблется от –196 до 480 °С. У литого нераскислен-

ного молибдена технической чистоты температура хладноломкости состав-

ляет 50...150 °С. Введение

в молибден и его сплавы 0,0001...0,0002 В; 0,2...0,3

А1; 0,01...0,5 (Се + La); 0,03...0,1 Ni; 0,8...2,0 Та приводит к понижению тем-

пературы хладноломкости.

Легирующие элементы увеличивают

кратковременную прочность молибдена в тем

большей степени, чем больше несоответствие

в размерах атомов молибдена и растворенно-

го металла (рис. 6.6). Сильно повышают крат-

ковременную прочность молибдена при отно-

сительно низких температурах (< 900 °С) ни-

кель, кобальт, железо, менее интенсивно цир-

коний, хром, титан, ниобий, слабо упрочняют

ванадий, алюминий, вольфрам. При более вы-

соких температурах (1200…2000 °С) наибо-

лее сильное упрочняющее действие оказывает

вольфрам в больших концентрациях.Длительную прочность молибдена наи-

более эффективно повышают элементы IVA подгруппы (цирконий, титан,

гафний), VA подгруппы (ниобий, ванадий). Положительное влияние вольф-

Рис. 6.6 Влияние легирующих

элементов на кратковременную

проность молибдена при 870°С

(рекристаллизованный материал)

216

рама на длительную прочность молибдена проявляется лишь при достаточно

высоких температурах и определяется не параметром несоответствия разме-

ров атомов, а силами межатомной связи.

Упрочнение молибдена, обусловленное растворным механизмом, огра-

ничено сильным повышением температуры хладноломкости при легировании

и ухудшением технологической пластичности молибдена, и без того недоста-

точно высокой. Поэтому большинство легирующих элементов

можно вво-

дить в молибден в небольших количествах, обычно не более 1...1,5% (по мас-

се) в сумме. Исключение составляют вольфрам, тантал и рений.

Жаропрочные материалы на основе молибдена можно разделить на че-

тыре группы:

1) практически чистый молибден;

2) низколегированные малоуглеродистые сплавы;

3) низколегированные высокоуглеродистые сплавы;

4) высоколегированные сплавы.

К первой группе относят

молибден вакуумной выплавки без легирова-

ния (МЧВП, ЦМ1) или с микролегированием никелем, повышающим пла-

стичность металла при низких температурах (ТСМ3). Содержание углерода в

этих материалах следует поддерживать на нижнем пределе, чтобы сохранить

достаточную пластичность.

Во вторую группу входят отечественные сплавы ЦМ5, ЦМ6, ЦМ-2А,

ВМ-1, ТСМ4 с типичным содержанием 0,004...0,05% (по массе

) С, а также

сплавы ЦМ10 и ТСМ-7 с пониженным содержанием углерода.

В группу низколегированных высокоуглеродистых сплавов входит ВМ-

3 с повышенным содержанием углерода, доходящим до 0,25...0,50% (по мас-

се).

К высоколегированным относятся сплавы ЦМВЗО, ЦМВ50 и МР47ВП.

6.14 Ниобий и его сплавы

Ниобий отличается высокой температурой плавления, технологично-

стью, свариваемостью, коррозионной стойкостью и малым сечением захвата

тепловых нейтронов, сравнительно небольшой плотностью по сравнению с

танталом и вольфрамом (см табл. 6.2). Он мало чувствителен к примесям

внедрения и сохраняет высокую пластичность при введении в него легирую-

щих элементов в довольно больших концентрациях. Ниобия довольно много

в природе. Недостатки ниобия и его сплавов – малый модуль Юнга и боль-

шая склонность к окислению при повышенных температурах.

Ниобий сильно упрочняют азот и кислород, углерод влияет мало. Тем-

пература перехода в хрупкое состояние для ниобия высокой и средней чисто-

ты ниже –196°С.

217

При повышенных температурах ниобий наиболее интенсивно упроч-

няют цирконий, гафний, вольфрам, молибден и ванадий, а также небольшие

добавки алюминия и хрома. Длительную прочность ниобия повышают тан-

тал, рутений, молибден, рений, иридий, осмий, вольфрам. Растворное упроч-

нение, обусловленное молибденом и вольфрамом, более тугоплавкими, чем

ниобий, сохраняется до температур 1600...2000 °С. при которых действие

ос-

тальных легирующих элементов утрачивается.

Молибден и вольфрам – перспективные легирующие элементы в нио-

бии. Эти элементы позволяют, хотя бы частично, устранить один из недос-

татков ниобия – небольшие модули упругости ниобия. К сожалению и мо-

либден, и вольфрам сильно повышают температуру перехода ниобия из пла-

стичного состояния в хрупкое, так что

содержание этих элементов не должно

быть чрезмерно большим. На технологическую пластичность ниобиевых

сплавов благоприятно влияет титан. Сплавы ниобия, содержащие более 10..

.15% молибдена или вольфрама, трудно деформируются. Те же сплавы с 5...

10% титана пластичны.

Содержание углерода в сплавах (~ 0,08%) всегда больше предела рас-

творимости и он образует карбиды или с ниобием или с легирующими

эле-

ментами, если они имеют к нему большее, чем основной металл, химическое

сродство. Углерод, образуя карбиды, мало влияет на прочностные свойства

ниобия и его сплавов при комнатной температуре, не приводит к хладнолом-

кости и в то же время существенно повышает их жаропрочность при высоких

температурах.

Почти все промышленные сплавы леги-

рованы небольшими количествами циркония,

который улучшает их технологичность, а в со-

четании с углеродом, образуя карбиды, обеспе-

чивает дисперсионное упрочнение. Содержа-

ние углерода в сплавах не превышает 0,4%, так

как он сильно ухудшает технологическую пла-

стичность. Для улучшения технологических

свойств ниобиевые сплавы раскисляют не-

большими добавками редкоземельных элемен-

тов (La, Се).

По назначению

ниобиевые сплавы разде-

ляют на конструкционные (жаропрочные), кор-

розионностойкие и прецизионные (с особыми

физическими свойствами). Конструкционные

ниобиевые сплавы маркируют или условными

обозначениями или в соответствии с, ГОСТом

буквами (Нб – ниобий, Ц – цирконий, В –

вольфрам, М – молибден, У – углерод) и чис-

Рис.6.7 – Влияние температуры

на механические свойства

ниобиевых сплавов: 1 – Nb +

1% Zr, рекристаллизационный

отжиг; 2 – ВН2, лист

нагартованный; 3 – ВН2А, лист

нагартованный; 4 – ВН4,

прессованный пруток,

218

лами, отражающими среднее содержание легирующих элементов. Условно

различают конструкционные (жаропрочные) сплавы низкой, средней и высо-

кой прочности. Химический состав и механические свойства ниобиевых

сплавов приведены в табл. 6.5 и 6.6.

Таблица 6.5

Химический состав ниобиевых сплавов

Марка сплава Содержание легирующих элементов, % (по массе)

Mo Zr C Прочие

ВН-2

ВН-2А

ВН-2АЭМ

ВН-3

ВН-4

ВН-5А

ВН-7

Н6Ц

Н6ЦУ

Н65В2МЦ

3,8…5,5

3,5…4,7.

6…8

4…5,2

8,5…10,5

5…7

1,7…2,3

0,5…0,9

0,8…2

1…2

0,5…0,95

0,8…1,3

1,0…1,4

0,7…1,15

0,08

0,05…0,09

0,08…0,16

0,25…0,4

0,08..0,15

0,08…0,12

0,03 (La+Ce)

(3…7)Al, 40Ti

(4,5…5,.5)W

Таблица 6.6

Механические свойства ниобиевых сплавов

Марка

сплава

Полуфабрикат,

состояние

Механические свойства при температуре, °С

20 1100 1200

МПа

δ,

МПа

δ,

100

МПа

δ,

ВН-2 Пруток прессованный 750 18…28 - - - 190 50

ВН-2А Лист холоднокатанный 850 4…5 450 10 130 300 12

ВН-2АЭМ Лист холоднокатанный 800 4…5 450 10 - 300 12

ВН-3 Пруток прессованный 775 16…20 450 21…24 160 270 26

ВН-4 Пруток прессованный,

отожженный

810 16 700 - 280 550 15

ВН-5 Лист рекристаллизованный 600 25…29 340 12…14 160 - -

Основной недостаток высокожаропрочных ниобиевых сплавов заклю-

чается в их пониженной пластичности при комнатной температуре и низкой

технологичности при обработке давлением, что вызывает трудности в произ-

водстве из них деформируемых полуфабрикатов.

Наиболее распространенный вид термической обработки ниобия и его

сплавов – отжиг. Закалка и старение ниобиевых сплавов до настоящего вре-

мени не

получили широкого применения.

219

Коррозионностойкие сплавы обычно легируют танталом, молибденом,

титаном. Прецизионные сплавы обладают особыми физическими свойствами

(сверхпроводимостью, с заданными коэффициентами линейного расшире-

ния).

6.15 Области применения

Тугоплавкие металлы применяют во многих областях техники. Из

вольфрама изготавливают нити накала электроламп, детали радиоламп и вы-

прямителей, катоды рентгеновских трубок, экранирующие сетки катодных

ламп, электрические контакты, термопары, нагреватели вакуумных печей и

другие изделия.

Молибден, ниобий, тантал и их сплавы – перспективные материалы для

оборудования, работающего в среде минеральных кислот. Молибден и

вольфрам используют в стекольной промышленности, в частности для изго-

товления электродов для плавки стекла. Из молибденовых сплавов изготов-

ляют пресс-формы и стержни машин для литья под давлением алюминиевых,

цинковых и медных сплавов. Высокая прочность и твердость сплавов молиб-

дена при повышенных температурах обусловили их применение в качестве

инструмента при

горячей обработке сталей и сплавов давлением (оправки

прошивных станов, матрицы, пресс-штемпели).

Для изготовления сварочных электродов широкое применение нашли

сплавы системы W–ThO

и сплавы на основе молибдена, легированные тита-

ном, хромом и углеродом, содержащие дисперсные частицы оксидов Zr, Y,

La и Се.

Новые области применения тугоплавких металлов связаны с развитием

авиации, ракетной техники и ядерной энергетики.

Ванадий и ниобий благодаря малому поперечному сечению захвата те-

пловых нейтронов с успехом применяют в ядерной энергетике. Из ванадия

ниобия изготовляют тонкостенные оболочки тепловыделяющих элементов,

так как они не сплавляются с ураном и имеют хорошую теплопроводность и

достаточную коррозионную стойкость.

220

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните, какие металлы относят к тугоплавким.

2. Приведите особенности тугоплавких металлов и их сплавов.

3. Поясните, как взаимодействуют тугоплавкие металлы с газами.

4. Укажите, какие структуры имеют сплавы на основе тугоплавких металлов.

5. Перечислите виды термической обработки тугоплавких материалов.

6. Объясните назначение и технологию отжига для снятия напряжений.

7. Объясните назначение и технологию

гомогенизационного отжига.

8. Объясните назначение и технологию дорекристаллизационного отжига.

9. Объясните назначение и технологию рекристаллизационного отжига.

10. Поясните, какие процессы протекают при закалке и старении тугоплавких

сплавов.

11. Укажите, какие используют способы защиты тугоплавких металлов и их

сплавов от взаимодействия с активными газами.

12. Поясните, что такое “хладноломкость”.

13. Поясните принципы легирования тугоплавких

металлов.

14. Укажите основные свойства вольфрама.

15. Приведите легирующие элементы и примеси в вольфраме.

16. Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение однофазных сплавов на основе вольфрама.

17. Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение гетерофазных сплавов и сплавов с особыми фи-

зическими свойствами.

18. Приведите основные

свойства молибдена.

19. Укажите легирующие элементы и примеси в молибдене.

20. Приведите состав, структуру, свойства, режим термообработки, марки-

ровку, применение сплавов на основе молибдена.

21. Приведите основные свойства ниобия.

22. Укажите легирующие элементы и примеси в ниобии.

23. Приведите состав, структуру, свойства, режим термообработки, марки-

ровку, применение сплавов на основе ниобия.

24. Перечислите основные

свойства тантала.

25. Укажите легирующие элементы и примеси в тантале.

26. Приведите состав, структуру, свойства, режим термообработки, примене-

ние сплавов тантала.