|
| |
|
Главная Промышленность а) однофазные стали, не упрочняемые термической обработкой; б) стали с карбидным упрочнением; в) стали с интерметаллидным упрочнением. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбони-тридов титана или ниобия (для предупреждения межкристаллитной коррозии). Такая структура получается после закалки от 1020-1100°С. Стали этой группы применяют как жаропрочные в теплоэнергетике (например, 12Х18Н10Т). Жаропрочность однофазных сталей увеличивают при помощи наклепа, пользуясь тем, что температура рекристаллизации аустенитных сталей высока (~ 1000 °С). Другой путь повышения жаропрочности ~ создание полигонизован-ной структуры. Сталь после небольшой пластической деформации (до 20%) нагревают для перераспределения дислокаций и образования малоугловых границ в зернах. Оба вида обработок применимы лишь для деталей наиболее простой формы, например, турбинных дисков. Аустенитные стали с карбидным упрочнением обьино содержат несколько карбидообразующих элементов: W, Мо, Ti, Nb, V, а также бор-для обеспечения наивысшей жаропрочности. Из-за высокого содержания ферритообразую-щих элементов содержание никеля повышают до 14 %. Оптимальная структура получается после закалки от 1100-1150 °С и старения полученного аустенита при 700 - 800 °С для выделения карбидов. Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением-самые жаропрочные. Для повышения жаропрочности аустенита стали легируют Сг, Мо, W, добавки А1, Ti, Nb и Та служат для формирования выделений упрочняющей фазы типа NijAl. Их упрочняют закалкой и старением. Например, сталь 10Х11Н20ТЗР закаливают от 1100-1170 °С и старят при температурах 700-750 °С в течение 15-25 ч. Аустенитные стали охрупчиваются при эксплуатации из-за выделения избыточных фаз по границам зерен и особенно после образования хрупкой а-фазы в интервале температур 600-750° С. Чем больше хрома и молибдена содержит сталь, тем больше в ней появляется а-фазы и тем сильнее охрупчивание. Для растворения образовавшейся а-фазы проводят дополнительную термическую обработку после некоторого срока службы детали и, тем самым, устраняют охрупчивание и восстанавливают первоначальные свойства. Аустенитные стали отличаются большой пластичностью, хорошо свариваются, однако по сравнению с перлитными сталями труднее обрабатываются давлением и резанием. Жаропрочные никелевые сплавы. Эти сплавы содержат, как правило, 10-12% Сг и такие элементы, как W, Мо, V, Со, А1, Ti, В и др. Мо, W, Со, Сг упрочняют матричный твердый раствор на основе никеля; А1 и Ti вместе с никелем образуют мета-стабильную у-фазу с такой же структурой, как и матричный раствор (ГЦК); углерод в количестве до 0,1-0,15 % формирует дисперсные карбиды на границах зерен. Термическая обработка сплавов заключается в закалке и старении. Детали нагревают до 1150-1250°С для получения однородного раствора и охлаждают на воздухе. За время охлаждения внутри твердого раствора происходит перераспределение атомов алюминия и титана, образуются малые объемы, обогащенные этими элементами. При старении в этих объемах возникают частицы у-фазы, когерентные с матричным твердым раствором. Периоды решеток у- и у-фаз отличаются незначительно, всего на ~0,1%, поэтому полученная метастабильная структура сохраняется при высоких температурах в течение 20000-30000 ч. Частицы у-фазы имеют размеры 20-40 нм, а ее содержание, в зависимости от легирования, доходит до 20-50%. Переход метастабильной у-фазы в стабильную фазу NijTi означает утрату когерентности, укрупнение частиц второй фазы и значительную потерю жаропрочности. Никелевые жаропрочные сплавы широко применяют благодаря их высокой прочности, коррозионной стойкости и жаропрочности. Помимо основного назначения - изготовления лопаток и других ответственных деталей современных газотурбинных двигателей, эти сплавы применяют для изготовления штампов и матриц горячего деформирования металлов. Они используются при температурах от 750 °С, а температура 950 1000 °С является для них максимальной. В наиболее жаропрочных сплавах, содержащих около 10% Сг, недостаток жаростойкости исправляется химико-термической обработкой деталей, в частности, алитированием и хро-моалитированием. Жаропрочные никелевые сплавы с трудом подвергаются горячему деформированию и резанию. Как и аустенитные стали, эти сплавы имеют низкую теплопроводность и значительное тепловое расширение. Тугоплавкие металлы и сплавы включают обычно металлы, у которых температура плавления превышает 1700 °С. Наибольшее применение получили металлы VA подгруппы-ванадий, ниобий, тантал и металлы VIA подгруппы - хром, молибден, вольфрам. Тугоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высокими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой теплопроводностью, повышенной жесткостью. Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие металлы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость-большой недостаток тугоплавких металлов. По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей обработки затруднены большим сопротивлением пластическому деформированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание загрязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или вакууме и применяют для этих целей специальное, более сложное и дорогое, чем обычное, оборудование. Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с примесями внедрения: кислородом, азотом, углеродом, а металлы VA подгруппы-еще и с водородом, с которым они легко образуют гидриды. Примеси внедрения охрупчивают тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах технической чистоты допускается несколько сотых процента примесей. Этого достаточно, чтобы металлы VIA подгруппы при 25 °С оказались хрупкими. Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300°С, а у молибдена и хрома-в пределах 90-250 °С в зависимости от марки металла. Металлы VA подгруппы имеют более высокую растворимость примесей внедрения, поэтому при допустимом уровне примесей технически чистые металлы остаются тшастичными и вязкими от 25 °С вплоть до -196°С. При увеличении содержания примесей охрупчиваются и эти металлы. Так, тантал после нагрева на воздухе при 400-600 °С становится хрупким. Когда содержание примесей внедрения превышает пределы их растворимости, рекристаллизация увеличивает хрупкость металла. Избыток примесей внедрения сверх предела растворимости при рекристаллизации выделяется в виде хрупких прослоек второй фазы по границам зерен. Этот недостаток проявляется у молибдена и вольфрама, имеющих низкую растворимость примесей внедрения, при горячей обра- ботке давлением выше температуры рекристаллизации и при сварке. Механические свойства тугоплавких металлов зависят от способа производства и содержания примесей. Повышение пластичности вольфрама, молибдена и хрома является актуальной задачей. Добавки титана и циркония, а также редкоземельных металлов используются как основная мера повышения пластичности тугоплавких сплавов. Этн добавки активно соединяются с примесями внедрения и выводят их из твердого раствора. Образовавшиеся частицы соединений вредного влияния на пластичность не оказывают. Легирование молибдена или вольфрама рением резко понижает температуру хрупкости, сплавы вольфрама с рением пластичны при температуре 25 °С. Однако рений- очень дефицитный металл. Наклеп понижает температуру перехода в хрупкое состояние благодаря изменению тонкой структуры и характера взаимодействия примесей с кристаллической решеткой в наклепанном металле. По сравнению с хрупкими отожженными металлами-молибденом и вольфрамом - высокопрочные наклепанные проволоки и ленты из этих металлов не хрупки и при 25 "С сохраняют пластичность, достаточную для их успешной навивки и гибки при изготовлении изделий. В табл. 14.9 приведены свойства отожженных тугоплавких металлов. Разброс значений вызван изменением содержания примесей и различием в размерах зерен. Сплавы на основе тугоплавких металлов подразделяют на две группы: сплавы со структурой твердого раствора и сплавы, упрочняемые закалкой и старением. Сплавы первой группы термической обработкой не упрочняются, содержание легирующих элементов (титан, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, тантал, рений) в них выбирают таким, чтобы при увеличении прочности не снизить пластичность и не ухудшить другие свойства. Сплавы второй группы содержат повышенное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выделяются внутри зерен. Сплавы на основе ванадия и хрома-наименее жаропрочны. Тем не менее при температурах 800-1000 °С сплавы ванадия превосходят железные и никелевые сплавы, а сплавы на основе хрома благодаря жаростойкости применимы до температур 1000-1100°С. Сплавы на основе ниобия работоспособны до 1300°С, а при кратковременной работе выдерживают температуры ТАБЛИЦА 14.9. Механические свойства тугоплавких металлов
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 [ 30 ] 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
