РАСПЛАВЫ
6 • 2013
УДК 669.018.67
© 2013 г. А. С. Ильиных, В. М. Замятин, Н. М. Барбин1
ТЕРМИЧЕСКИЙ И МИКРОРЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СПЛАВА N1-0.5 С—15 Сг-3.2 81-2 В
Изучены плавление и кристаллизация порошкового сплава (мас. %) N1—0.5 С— 15 Сг—3.2 81—2 В. Исследована микроструктура и химический состав фаз в компактном сплаве, полученном после переплавки порошка. Предложена последовательность образования фаз при кристаллизации сплава.
Ключевые слова: порошок, плавка, термический анализ электронная микроскопия.
Плазменные технологии широко применяются для получения на поверхности деталей покрытий с различными физико-химическими свойствами [1—3]. Для достижения высокой износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости стальных деталей на их поверхность наплавляется металлический сплав системы №—С—Сг—81—В в виде порошка ПР-Н77Х15С3Р2. Под воздействием плазмы порошинки расплавляются на поверхности детали, образуя тонкий слой расплава, который затем кристаллизуется, создавая покрытие. Для выбора рациональных параметров режима плазменной обработки поверхности деталей требуются сведения о процессах наплавления порошкообразного сплава и последующей кристаллизации образовавшегося расплава. Исследованию этих процессов и посвящена данная работа.
Материалом для исследования служил металлический порошок на основе никеля марки ПР-Н77Х15С3Р2 (СР-2) фракции 20—100 мкм, химического состава (мас. %): N1—0.5 С—15 Сг—3.2 81—2 В. Процессы плавления и кристаллизации сплава изучали методом термического анализа. Для нагревания образца использовали печь сопротивления СУ0Л-04412-М2-У42.
Эксперимент. Схема измерительной ячейки показана на рис. 1. В нагреватель 8 помещена хромель-алюмелевая термопара 1 в двухканальной соломке из А1203 защищенная от взаимодействия с образцом тонкостенным наконечником 2 из А1203. Порошок исследуемого сплава 4 насыпали в тигель 3 из А1203 и погружали в него термопару с наконечником. Тигель с образцом с помощью крепежной проволоки 5 прикрепляли к огнеупорной крышке 6 печи сопротивления. Свободные концы термопары соединяли с аналогово-цифровым преобразователем /БТ-220 7, который был соединен с компьютером.
Образец плавно нагревали до температуры 1100°С и фиксировали термо-ЭДС через равные промежутки времени At = 1 с. После этого печь отключали и в ходе охлаждения образца записывали значения термо-ЭДС с тем же временным интервалом. В связи с тем, что термическая кривая в координатах температура ^время т характеризуется слабовыраженными тепловыми эффектами, зависимость t = /(т) численно дифференцировали и строили график скорость изменения температуры образца (усл. ед.) — его температура, мВ. Из полученного графика находили значения температур фазовых превращений с погрешностью ± 1°С. Расчет первой производной от температуры по времени при нагревании и охлаждении образца и обработку экспериментальных данных выполняли с помощью компьютера.
Состав фаз в микроструктуре закристаллизованных образцов определяли методом рентгеноспектрального анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа 18М-5900ЬУ, снабженного приставкой электронно-зондового анализатора.
1птЪагЪ1п@уапдех.ги.
1
Рис. 1. Схема экспериментальной ячейки.
Таблица 1
Локальный химический состав фаз в микроструктуре сплава СР-2 (ат. %)
№ точек 81 V Сг Fe N1 В В + С
1-3 26.3 0.00 0.12 0.79 71.8 0.00
4-6 10.05 0.00 8.48 5.06 76.4 0.00
7-9 0.19 0.00 3.86 2.09 68.37 25.61
10-13 0.16 0.10 56.54 0.53 1.11 41.57
14-17 0.20 0.00 70.51 1.91 6.25 21.19
Результаты и обсуждение. На рис. 2а приведена термограмма нагрева порошкообразного образца, на которой выявлено несколько характерных пиков. Первый эндотермический пик в интервале 921—931°С свидетельствует о плавлении в образце неравновесной эвтектики. В интервале 963—980°С наблюдается экзотермический пик, обусловленный растворением частиц фазовых составляющих в образовавшейся жидкости по перитектической реакции. Особенно интенсивно процесс растворения твердых фазовых составляющих протекает в интервале повышения температуры от 992 до 1007°С, так как именно в этом температурном интервале скорость нагрева образца резко возрастает. При температурах выше 1007°С сплав находится в жидком состоянии, следовательно, 1007°С являются температурой ликвидуса сплава N1—0.5 С-15 Сг—3.2 81-2 В.
На рис. 2б представлена термограмма охлаждения сплава в том же интервале температур. Видно, что на ней выявляется первый экзотермический пик при 1009°С, обусловленный выделением из расплава первых кристаллов твердой фазы. При 977, 961 и 950°С из расплава последовательно выделяются фазы по перитектическим реакциям. В интервале от 935 до 931°С кристаллизуется эвтектика.
Сравнение полученных результатов термического анализа с известными литературными данными [2] показывает некоторые расхождения. Так, температура плавления данного сплава, согласно [2], составляет 1050°С, что выше, чем в нашей работе примерно на 22°С. Это может быть обусловлено наличием примесей ванадия и железа, присутствующих в исследуемом нами материале, в то время как в стандартном порошке такие примеси отсутствуют.
Сопоставление температурных интервалов фазовых превращений при нагревании и охлаждении сплава показывает, что превращения фаз протекают в разных температурных интервалах. Данное различие обусловлено тем, что исходный порошок сплава N1-0.5 С-15 Сг-3.2 81-2 В получен в существенно неравновесных условиях кристаллизации. Естественно, что в структуре порошинок сплава имеются метастабильные неравновесные фазы. Кристаллизация расплава в наших опытах осуществлялась в условиях, близких к равновесным. Поэтому температуры образования и состав фаз оказались иными, а пики на термограмме охлаждения более четко выраженными.
Для установления состава фаз в микроструктуре закристаллизованных образцов был проведен количественный микрорентгеноспектральный анализ полированного шлифа. Снимок типичной микроструктуры образца приведен на рис. 3. Цифрами обозначены фазы, локальный химический состав которых приведен в табл. 1. Видно, что в микроструктуре закристаллизованного сплава имеются пять фаз: три фазы с большим содержанием N1 и две фазы с большим содержанием Сг, близкие по составам к следующим интерметаллическим соединениям: №7813, №7В3, Сг3В2. Кроме этого, в микроструктуре образца присутствуют примеси ванадия и железа, однако их содержа-
Рис. 2. Термограммы нагрева (а) и охлаждения (б) сплава СР-2.
+
' 15 ,
■К'
\
+17
13
9
+6
300 мкм ' Наложение
Рис. 3. Микроструктура сплава СР-2.
ние незначительно (см. табл. 1 к рис. 3). Средний состав матрицы сплава соответствует формуле №808110Сг^е5.
Для того, чтобы определить температуру выделения из кристаллизующегося расплава конкретной фазы, исходили из следующего предположения. Полагали, что чем выше температура плавления фазы, тем больше энергия межатомного взаимодействия и, следовательно, моменту образования данной фазы в кристаллизующемся многокомпонентном расплаве соответствует более высокая температура. Учитывая температуры плавления соответствующих двойных соединений [4], близких по составу к установленным в данной работе (табл. 2), можно считать, что обнаруженные фазы образуются в процессе кристаллизации сплава в следующей последовательности: Сг3В2 ^ ^ №7813 ^ №7В3.
Таким образом, процесс кристаллизации сплава можно представить следующим образом. При охлаждении расплава ниже температуры 1007°С начинается образование кристаллов твердого раствора (дендритов) состава №808110Сг^е5. После достижения 977° С из междендридного расплава выделяются частицы фазы Сг3В2. Последующее охлаждение сплава сопровождается образованием фазы №7813 при 961°С. При температуре 950°С происходит формирование фазы №7В3, а в интервале 935—931°С процесс
Таблица 2
Температуры плавления некоторых двойных интерметаллических соединений (по данным [4])
Соединение СгВ СгВ2 №2В ^2 ^12 N1^1 №3812 N^1
Т °С 1 пл> ^ 1550 1850 1220 1150 1265 1318 1200 1120
кристаллизации сплава заканчивается образованием эвтектики по границам дендритных ячеек.
ВЫВОДЫ
1. На термограммах нагревания и последующего охлаждения сплава (мас. %) Ni-0.5 C—15 Cr—3.2 Si—2 B обнаружены тепловые эффекты, обусловленные фазовыми превращениями при плавлении и кристаллизации сплава.
2. Установлен состав фазовых составляющих в микроструктуре закристаллизованного сплава.
3. Предложена последовательность образования фаз в интервале температур кристаллизации расплава.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анциферов В.Н., Шмаков А.М., Агеев С.С., Буланов В. Я. Газотермические покрытия / Под ред. В.Н. Анциферова. — Екатеринбург: УИФ "Наука", 1994. ISBN 5-02-007359-8.
2. Борисов Ю.С., Харламов Ю.А., Сидоренко С.Л. и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов: Справочник — Киев: Наукова думка, 1987. — 544 с.
3. Шевченко О.И. Управление структурой, составом и свойствами покрытий при плазменной наплавке. — Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ — УПИ, 2006. — 290 с.
4. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов, т. 1 и 2. — М.: ГНТИЛЧЦМ, 1962. - 1487 с.
Уральский государственный Поступила в редакцию
аграрный университет 5 июня 2013 г.
Екатеринбург
Уральский федеральный
университет имени
первого Президента России
Б.Н. Ельцина
Екатеринбург
Уральский институт
государственной противопожарной службы
МЧС России
Екатеринбург
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.