УДК 669.018.58.017
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ИНВАРНЫХ СПЛАВОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
© Чукин Михаил Витальевич, д-р техн. наук, проф., е-mail: m.chukin@mail.ru; Копцева Наталья Васильевна, д-р техн. наук, проф.; Голубчик Эдуард Михайлович, канд. техн. наук, е-mail: golub66@mail.ru; Чукин Дмитрий Михайлович; Медведева Екатерина Михайловна
ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова». Россия, г. Магнитогорск Статья поступила 06.02.2014 г.
В последнее время для создания техники нового поколения широкое распространение получают материалы на базе многофункциональных сплавов с особыми физико-механическими свойствами. К таким материалам можно отнести инварные сплавы, обладающие минимальным значением теплового расширения с высокими прочностными характеристиками (ав и НУ). Учеными ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» совместно со специалистами ОАО «Мотовилихинские заводы» (Пермь) реализуется проект по созданию мини-завода по производству заготовок из инновационных высокопрочных многофункциональных сплавов инварного класса. В статье на примере инварного сплава системы Бе-М-Со-У-С представлены результаты исследований по влиянию режимов термической обработки на формирование структуры и теплового расширения исследуемых сплавов. Применительно к условиям ОАО «Мотовилихинские заводы» показана принципиальная технологическая схема изготовления наноструктурированных заготовок из многофункциональных сплавов нового поколения, обеспечивающая достижение повышенного уровня механической прочности (ств » 1100 МПа) и аномально низких значений термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР < 1-10-6 К-1).
Ключевые слова: многофункциональные сплавы; высокопрочные инвары; прочность; термический коэффициент линейного расширения; в!ееЫе 3500.
На современном этапе технического и технологического развития одним из приоритетных стратегических направлений является широкое внедрение новых материалов на основе высокопрочных сплавов, обладающих комплексом уникальных физико-механических свойств, а также разработка технологий с применением процессов наноструктурирования [1-4]. Мировая потребность различных отраслей экономики в подобных сплавах обусловлена тем, что практически исчерпаны как возможности используемых традиционных материалов, так и дальнейшее повышение качества и эксплуатационных свойств изделий на их основе. При этом получить качественно расширенные технические характеристики изделий возможно, если при их изготовлении использовать принципиально новые материалы, а также инновационные разработки в области технологий изготовления изделий из таких материалов.
Таким примером могут служить многофункциональные сплавы инварного класса, обладающие повышенным уровнем механической прочности с одновременно аномально низким значением теплового расширения. Эти сплавы относятся к высокотехнологичным изделиям, широко востребованным в различных отраслях экономики.
Как известно, характерной основной и отличительной особенностью инварных сплавов являются низкие значения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Однако известные на сегодня традиционные инварные композиции (например, инвар 36, ковар (никосил), сейлинг-аллой и др.) при низких значениях основной характеристики - ТКЛР имеют такие неудовлетворительные свойства, как механическая прочность, твердость, демпфирование, коррозионная стойкость, добротность и пр. Невысокие значения механических свойств затрудняют использование изделий из таких материалов в высоконагружен-ных или крупногабаритных конструкциях, которые должны сохранять размеры и форму при изменении температуры окружающей среды.
Достаточно перспективным и активно развивающимся направлением в различных наукоемких областях техники и промышленного производства является применение и использование высокопрочных многофункциональных материалов со специальными свойствами на базе инварных композиций, сочетающих в себе одновременно высокие механическую прочность и термостабильность в широком интервале рабочих температур, а также аномально низкие
значения ТКЛР. В то же время в отечественной практике недостаточно развиты промышленные технологии изготовления малотоннажных партий подобных материалов и изделий из них. В МГТУ им. Г.И.Носова совместно со специалистами ОАО «Мотовилихинсике заводы» проводятся исследования с целью разработки промышленных технологий изготовления наноструктуриро-ванных заготовок из высокопрочных инварных композиций с широким спектром свойств [5-7]. В качестве основы приняты Fe-Ni-композиции традиционных составов с легированием углеродом, кобальтом и ванадием для упрочнения.
Разработанная принципиальная технологическая схема производства предусматривает следующие основные стадии переработки: металлургический передел (подготовка шихтовых материалов, выплавка в вакуумной индукционной печи слитка с его последующей кристаллизацией) - первичная термодеформационная обработка слитка - термодеформационное наноструктурирование передельной заготовки - финишная обработка изделия (в том числе комплексная термообработка изделия - закалка, отпуск, стабилизирующий отжиг).
Следует отметить, что формирование конечных свойств изделий из исследуемых многофункциональных инварных сплавов в значительной степени определяется режимами термической обработки в процессе их изготовления. На данном этапе для изучения влияния режимов термической обработки высокопрочных многофункциональных сплавов инварного класса на формирование структуры, механические свойства и термический коэффициент линейного расширения, а также отработки температурных диапазонов финишной термической обработки был проведен комплекс электронно-микроскопических исследований, а также микрорентгеноструктур-ный анализ (МРСА). Исследования проводили в условиях НИИ Наносталей МГТУ им. Г.И.Носова.
Один из характерных примеров базового химического состава сплава приведен ниже, мас. %: Ni 30,5; Co 5,5; V 1,35; C 0,6; Ti 0,05; Fe - ост.
Физическое моделирование процессов термической обработки высокопрочных инварных композиций осуществлялось с применением исследовательского комплекса Gleeble 3500 на образцах диам. 10 мм и длиной 80 мм в соответствии с разработанной методикой [8]. Нагрев производили прямым пропусканием тока со скоростью до 10 000 °С/с. После каждой стадии термической обработки определялся ТКЛР с помощью стандартного модуля Pocket Jaw исследовательского
комплекса. В качестве измерительного прибора применяли высокоточный дилатометр, входящий в состав комплекса, при точности измерения геометрических параметров, не превышающей 0,4 мкм. Термический режим проведения испытаний в соответствии с ГОСТ 14080-78 сводился к нагреву со скоростью 3 °С/мин до 150 °С, выдержке при этой температуре в течение 20 мин и охлаждению со скоростью 10 °С/мин. Полученная информация представлялась в виде графика зависимости линейного размера во времени, по которому и определяли ТКЛР.
Структуру сплавов исследовали с помощью оптического микроскопа Meiji Techno с применением системы компьютерного анализа изображений Thixomet PRO, а также методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM 6490 LV. МРСА проводили с использованием приставки к сканирующему микроскопу (системы INCA Energy). Микротвердость оценивали методом вдавливания алмазной пирамиды на твердомере Buehler Micromet в соответствии с ГОСТ 9475-76.
Характерная микроструктура исследованного сплава инварного класса системы Fe-Ni-Co-V-C, полученная при моделировании полного цикла термической обработки с закалкой от разной температуры (1200 и 1320 °С), представлена на рис. 1-4. Выбор температуры нагрева под закалку был сделан на основе результатов более ранних исследований [5-7].
После отпуска и стабилизирующего старения (при 80 °С) сплава, в котором была смоделирована закалка от 1200 °С в масле, по всему сечению образца в микроструктуре отчетливо обнаруживаются двойники (см. рис. 1, а), множество весьма дисперсных частиц и отдельные более крупные частицы второй фазы (см. рис. 1, б).
С помощью РЭМ установлено, что мелкие частицы (размером 60-420 нм) более или менее равномерно распределены по всему сечению образца (см. рис. 1, в). Самые крупные частицы имеют размеры в поперечнике до 2 мкм и в длину до 5 мкм и располагаются преимущественно на границах зерен или двойников (см. рис. 1, г и рис. 2, а).
Результаты микрорентгеноспектрального анализа позволили идентифицировать элементы, входящие в состав структурных составляющих сплава. В спектрах металлической основы (матрицы) структуры образцов, обработанных по разным режимам, обнаруживаются пики Fe, Ni, Со и C (см. рис. 2, а-б), что позволяет идентифицировать ее как у-твердый раствор, содержащий указанные
Рис. 1. Общий вид микроструктуры после стабилизирующего старения при 80 оС сплава, закаленного от 1200 оС в масле:
а, б - х500; в, г - РЭМ
Рис. 2. Электронное изображение исследуемых участков микроструктуры
исследуемого сплава (а, в) и характеристические спектры, снятые с матрицы (б) и частиц второй фазы (г), после стабилизирующего старения при 80 °С сплава, закаленного от 1200 °С в масле
элементы. В сплавах системы Бе-№-С такой твердый раствор является у-твердым раствором [9, 10].
В спектрах включений помимо пиков этих элементов присутствуют также пики V и Т1 (см. рис. 2, в-г). Карты распределения химических элементов подтвердили, что как в мелких, так и в более крупных частицах сосредоточены С, V и Т1 (см. рис. 3). В то же время в матрице V и Т1 не обнаруживаются. В мелких частицах содержание Т1 незначительно (не превышает 3%), а в крупных достигает примерно 17%. Таким образом, основываясь на результатах микрорентгеноспектрального ана-
лиза, частицы второй фазы, наблюдаемые в структуре исследуемого сплава, можно идентифицировать как комплексные карбиды ванадия и титана. В системе Бе-У-С, по мнению большинства исследователей, наблюдается один карбид состава УС (или У4С3) с кубической решеткой с соотношением Ме:С от 1:1 до 1:0,75 [9]. При это
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.