Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

250

(по прочности и пластичности: σ

= 250–320 МПа; δ = 2-3 %) и ЛБС-1 (по

технологическим характеристикам). Деформированные сплавы (ВБД) от-

личаются от литейных большей прочностью, жесткостью и пластично-

стью: σ

= 350–370 МПа; δ = 2,5–6,0 %.

Особую группу (табл. 7.1) составляют высокомодульные сплавы

систем Al–Be–Mg (типа АБМ) и Al–Be–Mg–Zn (типа АБМЦ).

Таблица 7.1

Химический состав и механические свойства

высокомодульных сплавов

Сплав

Химический состав

, %

Механические свойства

Be Mg Другие Е, ГПа σ

, МПа δ, %

АМБ-1

АМБ-2

АМБ-3

АМБ-4

АБМЦ

28–32

18–22

67–72

43–47

18–22

4,2–5,5

7,0–8,0

1,5–2,5

2,8–4,0

4,8–5,2

–

(0,01–0,04) Ti

(l,8–2,2)Zn

135

115

210

170

115

430–500

420–520

550–620

520–590

570–670

11–20

15–29

7–12

9–15

7–10

Остальное – алюминий.

Модуль упругости сплавов этой группы тем выше, чем больше в

них бериллия. Все сплавы этой группы обладают значительной пластично-

стью. Они отличаются от других промышленных легких сплавов более вы-

соким сопротивлением усталости, уникальной акустической выносливо-

стью, меньшей скоростью роста усталостных трещин, повышенной вязко-

стью разрушения.

7.3. Применение бериллия

В 50-е и начале 60-х гг. XX в. бериллий называли удивительным

металлом и полагали, что он станет важнейшим конструкционным и ядер-

ным материалом в авиации и атомной энергетике. Однако технологические

трудности производства качественных полуфабрикатов, природные недос-

татки бериллия и его малая распространенность в земной коре привели к

утрате иллюзий относительно возможностей его практического использо-

вания. Тем не менее и в настоящее время бериллий применяют в тех слу-

чаях, когда это оправдано в техническом и экономическом отношении.

251

Бериллий по своим физическим свойствам является весьма пер-

спективным материалом в атомных реакторах для изготовления замедли-

телей и отражателей. Замедлители должны эффективно уменьшать ско-

рость нейтронов и в то же время не поглощать их, так как в противном

случае может прекратиться цепная реакция. По своим свойствам бериллий

является наилучшим из всех металлов замедлителем. Отражатели способ-

ствуют более равномерному распределению нейтронов и тем самым

уменьшают критическую массу реактора и увеличивают его мощность. Бе-

риллий – один из лучших материалов для производства отражателей. Из

бериллия изготавливают окна рентгеновских трубок, поскольку он слабо

поглощает рентгеновские лучи. Его применяют в некоторых акустических

приборах в качестве источника нейтронов.

Бериллий – также ценный конструкционный материал для авиации

и ракетной техники. По удельной кратковременной прочности бериллий

превосходит все конструкционные материалы в интервале температур

430–650

С. Опубликованы данные об успешном использовании бериллия

для изготовления обтекателей сверхзвуковых самолетов, тяг управления,

тормозных самолетных дисков, носовых конусов и оболочек ракет.

Из-за высокого модуля упругости амплитуда вибраций изделий из

бериллия невелика. Поэтому опасность усталостного разрушения из-за по-

добных вибраций для бериллия меньше, чем для других металлов. Это

свойство бериллия имеет большое значение для сверхзвуковых самолетов

и управляемых снарядов. Высокая теплоемкость и теплопроводность в со-

четании с большой теплотой плавления позволяют эффективно применять

бериллий в качестве теплозащитных экранов космических аппаратов при

вхождении их в плотные слои атмосферы.

Благодаря сочетанию высокой прочности с малым удельным весом

бериллий является перспективным материалом для изготовления быстров-

ращающихся деталей. В них из-за малой плотности возникают меньшие

центробежные силы. Меньшая инерционность позволяет поддерживать

или изменять вращение путем меньшей затраты энергии. По этой причине

бериллий применяют в производстве инерциальных систем наведения.

Бериллиевые изделия, полученные из тонкого порошка, обладают

большой стабильностью размеров во времени и поэтому являются незаме-

нимым материалом в точном приборостроении. Из бериллия изготавлива-

ют детали гироскопов в системах ориентации и стабилизации ракет, кос-

мических кораблей и искусственных спутников Земли.

Бериллий применяют также в конструкции подводных лодок и тор-

пед, что позволяет увеличить глубину их погружения при одинаковом

внутреннем объеме [1, 5].

252

Контрольные вопросы

и задания

1. Каковы физико-химические свойства бериллия?

2. Охарактеризуйте основные недостатки бериллия.

3. Каковы механические свойства бериллия?

4. Почему создание сплавов на основе бериллия является сложной

проблемой?

5. Перечислите элементы, которые имеют заметную растворимость

в твердом бериллии.

6. Охарактеризуйте состав, структуру и свойства сплавов бериллия

с алюминием.

7. Опишите химический состав и механические свойства высокомо-

дульных сплавов систем Al–Be–Mg и Al–Be–Mg–Zr.

8. Перечислите области применения бериллия и его сплавов.

8. НИКЕЛЬ И ЕГО СПЛАВЫ

Никель открыл в 1751 г. шведский химик А. Кронштедт. В земной

коре содержится 0,008 % (мас.) никеля [5].

8.1. Свойства никеля

Атомный номер никеля – 28. Температура плавления равна 1455

С,

а кипения 2823

С. Никель имеет ГЦК решетку. Плотность никеля при 20

С –

8,9 г/см

, поэтому никель относят к числу тяжелых цветных металлов.

Удельная теплопроводность при 20

С составляет 88,5 Вт/(с·К). Удельное

электросопротивление при 20

С – 0,0684 мкОм·м. Модуль нормальной уп-

ругости равен 203 ГПа. Никель относят к переходным металлам.

В зависимости от чистоты различают следующие марки никеля: НО,

Н1У, HI, Н2, НЗ, Н4. Никель марки НО содержит не менее 99,9 % (Ni + Co), в

том числе менее 0,005 % Co, а никель марки Н4 – не менее 97,6 % (Ni + Co), в

253

том числе менее 0,7 % Co. Содержание большинства примесей в никеле не

превышает сотых и тысячных долей процента, лишь в марке Н4 допускает-

ся до 1 % Си и до 0,65 % С. Наиболее вредные примеси в никеле и его

сплавах – Bi, Pb, Sb, As, P и Cd.

Висмут и свинец вызывают красноломкость никеля, т.к. они нерас-

творимы в нем и при

сравнительно низких температурах приводят к появ-

лению жидкой фазы. Допустимое содержание этих примесей в жаропроч-

ных никелевых сплавах составляет, %: 0,0001 Bi; по 0,001 As, Pb, Sb, Sn;

0,007 S; 0,015 P. Сурьма и мышьяк ухудшают обрабатываемость давлением

никеля и его сплавов. Фосфор и кадмий резко снижают механические, фи-

зические и технологические свойства никеля.

Никель отличается высокой коррозионной стойкостью, и его при-

меняют как коррозестойкий материал в виде листов, лент, прутков, труб и

проволоки. Полуфабрикатный никель маркируют буквами НП и цифрой,

дающей характеристику металла: НП1 – никель полуфабрикатный, полу-

ченный электровакуумной плавкой, содержание (Ni + Со) не менее 99,9 %;

НП2, НПЗ и НП4 – никель полуфабрикатный, содержащий не менее 99,5;

99,3 и 99,0 % (Ni + Co) соответственно; НПАН – никель полуфабрикатный,

анодный непассивирующийся, (Ni + Со)

≥ 99,4 %; НПА1 и НПА2 – никель

полуфабрикатный, анодный с содержанием не менее 99,7 и 99,0 % (Ni + Со)

соответственно.

Чистейший никель имеет следующие механические свойства:

= 280–300 МПа; δ = 40–50 %, а полуфабрикатный отожженный никель НП4

= 400–500 МПа; σ

0,2

= 220 МПа; δ = 35–40 %; ψ = 70 %; KCU = 1,8 МДж/м

Нагартовкой можно повысить временное сопротивление разрыву никеля до

750–900 МПа; относительное удлинение при этом падает до 4–2 %. Темпера-

тура начала рекристаллизации нагартованного никеля НЗ составляет около

525

С; температура полного рекристаллизационного отжига – 700–800

С;

низкотемпературного (для уменьшения остаточных напряжений) 300

Никель – ферромагнитный металл, но его ферромагнетизм выражен

менее сильно, чем у железа и кобальта. Точка Кюри для никеля составляет

358

С, выше этой температуры никель переходит в парамагнитное состояние.

Чистый никель – металл серебристого цвета. При высокотемпера-

турном окислении никеля образуются два оксидных слоя: внутренний –

светло-зеленый и внешний – темно-зеленый. Оба этих слоя состоят из ок-

сида NiO, но отличаются количеством кислорода.

Никель имеет более высокую коррозионную стойкость в атмосфер-

ных условиях

по сравнению с другими техническими металлами, что обу-

словлено образованием на его поверхности тонкой и прочной защитной

пленки. Никель обладает достаточной устойчивостью не только в пресной,

но и в морской воде. Минеральные кислоты, особенно азотная, сильно

действуют на никель. Щелочные и нейтральные растворы солей на никель

254

влияют незначительно даже при нагревании, в кислых растворах солей он

корродирует довольно сильно. В концентрированных растворах щелочей

никель устойчив даже при высоких температурах.

Никель при комнатной температуре не взаимодействует с сухими

газами (галогенами, оксидами азота, сернистым газом, аммиаком), но при-

сутствие влаги заметно повышает скорость его коррозии в этих средах.

Никель, загрязненный кислородом, склонен к водородной болезни [1].

8.2. Взаимодействие никеля

с легирующими элементами

и примесями

Никель образует непрерывные твердые растворы с ближайшими к

нему в первом длинном периоде соседями: медью, кобальтом, железом и

марганцем. При высоких температурах в никеле в больших концентраци-

ях (до 35–40 %) растворяются многие тугоплавкие металлы (Сr, V, Мо,

Та, W); значительной максимальной растворимостью в никеле (от 2,5 до 20 %)

обладают алюминий, титан, ниобий, бериллий и кремний

. С понижением

температуры растворимость легирующих элементов, образующих с нике-

лем ограниченные растворы, уменьшается, что создает предпосылки дис-

персионного упрочнения. Твердые растворы на основе никеля часто назы-

вают аустенитом по аналогии с твердыми растворами на основе γ-железа с

ГЦК-структурой.

В большинстве практически важных систем со стороны никеля на-

блюдается

эвтектическое равновесие, так что температура плавления нике-

ля понижается; из перечисленных лишь два элемента несколько повышают

температуру плавления никеля: кобальт и вольфрам.

Из двойных систем на основе никеля наибольший интерес представ-

ляют Ni–Cr, Ni–Al и Ni–Ti.

В системе Ni–Cr (рис. 8.1), относящейся к эвтектическому типу, об-

разуются довольно обширные твердые растворы как на основе никеля, так

и хрома. С понижением температуры области ограниченных растворов

уменьшаются, но даже при комнатной температуре растворимость хрома в

никеле сохраняется довольно большой (~30 % Сr).

В системе Ni–Al со стороны никеля наблюдается эвтектическое рав-

новесие (рис. 8.2). Растворимость алюминия в никеле уменьшается с 11 %

при эвтектической температуре (1385

С) до примерно 6 % А1 при темпе-

255

ратуре 750

С. В этой системе в равновесии с γ-твердым раствором на ос-

нове никеля находится γ'-фаза, представляющая раствор на основе интер-

металлида Ni

Al с ГЦК-решеткой.

Рис. 8.1. Диаграмма состояния систе-

мы Ni–Cr (И.И. Корнилов). Заштри-

хована область сплавов с максималь-

ным сопротивлением ползучести при

разных температурах

% (по массе)

Рис. 8.2. Диаграмма состояния

системы Ni–Al

Рис. 8.3. Диаграмма состояния

системы Ni–Ti

В системе Ni–Ti (рис. 8.3) при температуре 1304

С также происхо-

дит эвтектическое превращение. Растворимость титана в никеле уменьша-

ется с 11,6 % Ti при эвтектической температуре до 8 % Ti (по массе) при

температуре 750

С. В равновесии с γ-раствором находится η-фаза – твер-

дый раствор на основе интерметаллида Ni

Ti с гексагональной решеткой.

α + γ

1700

1500

1300

1100

900

700

256

При дополнительном легировании сплавов системы Ti–Al–Ni хро-

мом в концентрациях до 20 % характер фазовых равновесий, свойственных

тройной системе, не меняется, но совместная растворимость алюминия и

титана уменьшается.

Помимо хрома, алюминия и титана жаропрочные сплавы на никеле-

вой основе могут содержать еще 9-10 легирующих элементов, которые по

характеру взаимодействия с никелем можно разбить на

три группы.

Первая группа состоит из элементов, входящих в γ-твердый раствор

(их называют γ-стабилизирующими элементами): к этим элементам отно-

сят металлы V–VIIIA подгрупп периодической системы (V, Nb, Cr, Mo, W,

Re, Fe, Co).

Вторую группу составляют элементы, способствующие образова-

нию γ'-фазы (γ'-образующие элементы): в нее входят элементы III–VA под-

групп (Al, Ti, Nb, Та). Вместе с тем алюминий и титан в определенной сте-

пени растворяются и в γ-фазе. Тантал и ниобий, как и титан, могут заме-

щать алюминий в соединении Ni

Al. Третья группа представлена элемен-

тами, сегрегирующими на границах зерен; это элементы подгрупп IIA,

IIIA, IVB, сильно отличающиеся от никеля по размерам атомов, а именно,

магний, бор, углерод, цирконий, церий.

Кроме того, в никелевых сплавах различают

карбидообразуюшие

элементы (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та, Cr, Mo, W) и элементы, образующие стой-

кие оксиды

(Al, Сr), защищающие металл от воздействия окружающей сре-

ды. Карбидообразующие элементы образуют карбиды типа МеС, Ме

С,

и др. В структуре жаропрочных никелевых сплавов встречаются

также карбонитриды, бориды типа Ме

и некоторые другие соединения.

Никель не образует устойчивых карбидов. Растворимость углерода в нике-

ле составляет 0,65 % при температуре эвтектики (1318

С) и резко умень-

шается с понижением температуры.

В никеле встречается довольно много примесей, которые можно раз-

бить на две группы: а) растворимые в никеле (Al, Mn, Fe, Cu, Zr, Sn, Si, Sb,

As); б) практически нерастворимые в твердом никеле (S, O, P, Bi, Pb, Mg, Cd).

8.3. Никелевые сплавы

Промышленные сплавы на основе никеля можно разделить на сле-

дующие группы: а) жаростойкие; б) жаропрочные; в) конструкционные;

г) электротехнические; д) с особыми физическими и химическими свойствами.

Жаропрочные сплавы разбивают на три подгруппы: деформируе-

мые; литейные; дисперсно-упрочненные.

Таблица 8.1

Химический состав, %, жаропрочных деформируемых сплавов

на никелевой основе

Условное

обозначе-

ние

Марка

по ГОСТу

С, не бо-

лее

Cr Co Ti Al W Mo

Другие

элементы

ЭИ437А ХН77ТЮ 0,06 19–22 – 2,3–2,7 0,55–0,95 – – –

ЭИ437Б ХН77ТЮР 0,07 19–22 – 2,4–2,8 0,60–1,00 – – –

ЭИ437БУ ХН77ТЮР 0,04–0,08 19–22 – 2,65–2,9 0,70–1,00 – – –

ЭИ617 ХН70ВМТЮ 0,08 13–16 – 1,8–2,3 1,7–2,3 5–7 2–4 (0,1–0,5) V

ЭИ826 ХН70ВМФТЮ 0,08 13–16 – 1,7–2,2 2,4–2,9 5–7 2,5–4,0 0,3 V

ЭИ929 ХН55ВМТФКЮ 0,08 9–12 12–16 1,4–2,0 3,6–4,5 4,5–6,5 4–6 (0,2–0,8) V

ЭИ698 ХН73МБТЮ 0,03–0,07 13–16 – 2,35–2,75 1,45–1,80 – 2,8–3,2 (1,8–2,2) Nb

ЭИ867 ХН62МВКЮ 0,08 8,5–10,5 4–6 – 4,2–4,9 4,3–6,0 9–11,5 –

ЭП109 ХН56ВМКЮ 0,08 8,5–10,5 11–13 – 5,4–6,2 6,5–7,5 6,5–7,5 –

ЭП741НП ХН57ВБМКТЮ 0,02–0,06 8–10 15–16,5 1,6–2,0 4,85–5,25 4,8–5,9 3,5–4,2 (2,4–2,8) Nb

ЭП742 ХН62БМКТЮ 0,04–0,08 13–15 9–11 2,4–2,8 2,4–2,8 – 4,5–5,5 2,6 Nb

ЭК79 ХН53КМБВТЮ 0,04–0,08 10–12 12,5–16,0 2,4–3,0 2,8–3,3 2,0–3,0 4,0–5,0 0,6 V

ЭП109 ХН58КВМЮ ≤0,08 10 12 – 6 7 7 –

ЭП220 ХН54КМВТЮ ≤0,08 10,5 15 2,5 4,5 6 7 0,5 V

Все сплавы, кроме ЭИ437А, содержат микродобавки бора (~0,005–0,02 %) или церия (≤ 0,005–0,025 %), или того и другого эле-

мента одновременно.

257

Жаропрочные сплавы представляют наиболее важную группу спла-

вов на основе никеля. Химический состав жаропрочных деформируемых и

литейных сплавов дан в табл. 8.1, 8.2.

Таблица 8.2

Типичный химический состав

, %, основных литейных

жаропрочных никелевых сплавов

Сплав C Cr Co Mo W Ta Nb Al Ti Zr B

Другие

элементы

Сплавы для равноосного литья

ЖС6К 0,16 11,3 4,5 4,0 5,0 – – 5,5 2,85 0,04 0,02 –

ЖС6У 0,17 8,8 9,8 1,8 10,3 – 1,0 5,6 2,4 0,04 0,035 –

ВЖЛ12У 0,17 9,5 14,0 3,1 1,4 – 0,8 5,3 4,5 0,02 0,035 0,7 V

Сплавы для направленной кристаллизации

ЖС6Ф 0,15 5,5 9,5 1,0 12,0 – 1,6 5,5 1,1 0,08 0,015 1,2 Hf; 1,0 V

ЖС26 0,13 4,4 8,5 1,1 11,9 – 1,7 5,9 0,9 0,05 0,015 0,9 V

ЖС30 0,16 7,0 8,5 0,7 11,8 – 0,9 5,3 1,9 – 0,015 0,8 Hf

ЖС32 0,15 4,9 9,0 1,0 8,5 4,0 1,6 5,9 – – 0,015 4,0 Re

Сплавы для монокристального литья

ЖС30М – 7,0 7,5 0,6 11,7 – 1,1 5,1 1,8 – – 0,1 Hf

ЖС36 – 4,0 7,0 1,6 11,7 – 1,1 5,8 1,1 – – 2,0 Re

ЖС40 – 6,3 0,5 4,2 7,0 7,0 0,2 5,3 – – – –

ЖС32М 0,05 4,5 8,5 1,3 5,0 4,5 – 5,5 – – – 5,5 Re

Сплавы на основе алюминида Ni

ВКНА-1В 0,04 5,5 – 3,5 3,5 – – 8,5 1,5 – – –

ВКНА-4У 0,02 5,0 4,0 5,0 2,0 – – 8,5 0,9 – – –

Остальное – никель.

Никелевые сплавы маркируют условными обозначениями, не

имеющими никакого отношения к их химическому составу (например,

ЭИ437Б, ЭП742), или применяют систему обозначений, сходную с приня-

той для сталей. В последнем случае марка сплава состоит из букв, обозна-

чающих элементы, входящие в состав сплава: Н – никель; X – хром; Т –

титан; Ю – алюминий; Р –

бор; В – вольфрам; М – молибден; Б – ниобий; К

– кобальт. Обозначение сплава начинается с буквы X, затем идет Н и чис-

ло, отражающее среднее содержание никеля, а далее буквы, обозначающие

остальные легирующие элементы в порядке уменьшения их содержания.

Жаростойкость – способность сопротивляться газовой коррозии

при высоких температурах.

258

Жаропрочность – способность металлического материала сопро-

тивляться деформации и разрушению при кратковременном или длитель-

ном воздействии нагрузок при повышенных температурах.

Жаростойкие никелевые сплавы

Никель отличается лучшей жаростойкостью по сравнению с медью

и железом, т.к. оксид NiO обладает лучшими защитными свойствами по

сравнению с оксидами меди и железа. Это обусловлено, во-первых, значи-

тельно меньшей концентрацией вакансий в оксиде NiO по сравнению со

многими другими оксидами, так что диффузионный рост оксидной пленки

на никеле происходит

медленно; во-вторых, хорошим сцеплением оксида с

металлом, и, в-третьих, близким коэффициентом линейного расширения

оксида NiO и никеля, в связи с чем теплосмены не вызывают отслаивания

оксидного слоя от металла.

Основой многих

жаростойких никелевых сплавов является система

Ni–Cr (см. рис. 8.1) поскольку легирование никеля хромом приводит к

сильному повышению стойкости против окисления при высоких темпера-

турах. Критическое минимальное количество хрома, необходимое для су-

щественного повышения жаростойкости никеля и никелевых сплавов, со-

ставляет 20–25 %, максимальная жаростойкость в сплавах системы Ni–Сr

отмечается при 40 % хрома.

Высокая жаростойкость сплавов никеля с хромом

обусловлена об-

разованием под тонким внешним слоем оксида NiO второго оксидного

слоя Сr

, отличающегося малой скоростью роста, а также промежуточ-

ного слоя шпинели NiCr

Сплавы никеля с хромом получили название

нихромов, к ним отно-

сятся сплавы Х10Н90, Х20Н80, Х30Н70, Х40Н60, Х50Н50. Структура первых

двух сплавов однофазна и представлена γ-твердым раствором (см. рис. 8.1);

последние два сплава двухфазны (γ + α). Жаростойкие никелехромовые

сплавы дополнительно легируют железом и вольфрамом, входящими в

γ-твердый раствор, а также кремнием, алюминием,

титаном, церием и ба-

рием, образующими избыточные фазы или сегрегирующими на границах

зерен. Алюминий и кремний в эти сплавы вводятся не для повышения ме-

ханических свойств, а, главным образом, для улучшения окалиностойко-

сти. Микродобавки церия и бария весьма эффективно «залечивают» ва-

кантные места в кристаллической решетке оксидов и в связи с

этим за-

трудняют рост оксидной пленки.

Жаростойкие никелевые сплавы не отличаются высокой прочно-

стью и жаропрочностью. При комнатной температуре их временное сопро-