Поверхностное натяжение расплава и структура никелевых сплавов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.74:669.018.44

Ю. В. Самойлов, д-р техн. наук Э. И. Цивирко, канд. техн. наук В. Е. Самойлов, канд. техн. наук В. В. Кудин

Национальный технический университет, г. Запорожье

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ РАСПЛАВА И СТРУКТУРА

НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

В работе исследовано поверхностное натяжение никеля методом «лежащей капли». В качестве легирующих элементов использованы Ta, Zr, ^ Ъ, ^, W и Ш. Приведены результаты влияния поверхностного натяжения расплава на макро- и микроструктуру никеля.

Введение

Физико-механические и служебные характеристики литых деталей в значительной степени зависят от размеров и расположения макро- и микрозерен металлической матрицы сплавов. Согласно термодинамической теории кристаллизации, на параметры структуры сплавов существенно влияет поверхностное натяжение расплава [1], управляя которым, можно заметно улучшить качественные характеристики отливок, что является в настоящее время вполне актуальным.

В настоящем исследовании изучали влияние поверхностного натяжения расплава на макро - и микроструктуру никеля, легированного различными элементами.

Методика исследований

Навеска электролитического никеля массой 1,0-1,5 г размещалась на электрокорундовой подложке в спе-

циальной установке (рис. 1) для определения поверхностного натяжения жидкого метала методом «лежащей капли». Навеска никеля расплавлялась в атмосфере очищенного аргона (рис. 2) при различных температурах (табл. 1), а геометрические параметры капли фиксировались фотокамерой. Полученные параметры капли позволяли получить следующие данные: поверхностное натяжение на границе металл - газ (ст ) и краевой угол смачивания (6).

Таблица 1 - Влияние температуры на поверхностные характеристики никеля (подложка А1203 )

t, °С 0, град ^ ж. г, мДж/м2 Аа, мДж/м2 Ак, мДж/м2

1450 146 2337 400 4674

1480 144 1467 280 2934

1510 137 1134 305 2268

1540 121 1053 511 2106

1 - баллон с аргоном;

2 - редуктор;

3 - трехходовой кран;

4 - дросель;

5 - печь с восстановленной медью;

6 - моностат;

7 - печь с палладиевым катализатором; 8-9 - колонки з силикагелем и цеолитом;

10 - двухходовой кран;

11 - реометр;

12 - колба;

13 - проекционная лампа;

14 - линза;

15 - стойка крепления печи;

16 - капля;

17 - печь из кварцевого стекла;

18 - индуктор;

19 - подложка;

20 - стойка крепления камеры;

21 - фотокамера

Рис. 1. Схема установки для определения поверхностного натяжения жидкого метала методом «лежащей капли»

© Ю. В. Самойлов, Э. И. Цивирко, В. Е. Самойлов, В. В. Кудин, 2008

Рис. 2. Параметры взаимодействия капли жидкого металла с окружающей средой:

dl - максимальный диаметр капли; к - расстояние от максимального диаметра до вершины капли; 6 - краевой угол смачивания

Используя уравнение Дюпре (1) и закон Юнга для спокойно лежащей капли на твердой подложке (2), рассчитывали поверхностное натяжение между жидким металлом и твердой подложкой (ст ) (3).

Аа Ож. г. + От. г.

Аа Ож. г.

(1 + cos0);

°ж. т. = От. г. - Ож. г. COS0.

(1) (2) (3)

Установлено, что температура нагрева жидкой капли никеля заметно влияет на краевой угол смачивания и стабильное состояние капли на подложке. В дальнейших экспериментах поддерживалась температура (1510±5) °С, что исключало взаимодействие металла с подложкой.

В полученные капли электролитического никеля вводились такие легирующие элементы: тантал, цирконий, хром, титан, кобальт, вольфрам и ниобий. Введение легирующих элементов в никель осуществлялось по следующей технологии (рис. 3): расчетное количество легирующего элемента размещалось на подложке, сверху ложилась готовая капля никеля, комплекс двух металлов расплавлялся и выдерживался при температуре (1510±5) °С до полного растворения легирующего элемента в никеле. Геометрические параметры капли фиксировали фотокамерой для последующего определения поверхностных характеристик (табл. 2).

Из полученных затвердевших капель изготавливали металлографические шлифы, на которых изучали макро - и микроструктуру, измеряли микротвердость на микротвердомере «Micromet» фирмы «Buehler» при нагрузке 0,1 Н.

Макроструктуру металла выявляли с помощью тра-вителя , состоящего из 80 % HCl и 20 % H2O2. Микроструктуру - в реактиве Марбле.

Средние размеры макро- и микрозерен определяли методом секущих.

Рис. 3. Схема размещения образца и легирующей присадки на подложке:

1 - никелевый образец; 2 - легирующая присадка; 3 -подложка из А^Оз

Таблица 2 - Влияние легирующих элементов на поверхностные характеристики никеля, легированного различными элементами

Химический элемент Массовая доля легирующего элемента, % 0, град ож. г., мДж/м2 От. г., мДж/м2 Ож. т., мДж/м2

- - 137 1134 619 1753

Ta 2,34 125 1241 671 1912

Zr 2,23 136 854 585 1439

Cr 2,17 136 922 672 1594

Ti 2,23 137 867 633 1500

Co 2,33 135 918 764 1683

W 4,87 135 1233 643 1876

Nb 4,33 119 848 636 1484

Обсуждение полученных результатов

Заметно уменьшили краевой угол смачивания никеля такие элементы, как тантал и ниобий (табл. 2). Остальные легирующие элементы практически не изменяли краевой угол смачивания. В то же время легирующие элементы существенно изменили поверхностные параметры жидкого никеля. Тантал и вольфрам увеличили поверхностное натяжение никеля, а цирконий, хром, титан и ниобий - снизили (табл. 2). Влияние кобальта на поверхностное натяжение никеля было минимальным.

Легирование никеля исследуемыми элементами изменяло средние размеры макрозерна (табл. 3). Существенное измельчение макрозерна произошло при легировании никеля цирконием, титаном, а укрупнение - при легировании танталом и вольфрамом.

о

ж. т

Таблица 3 - Величина зерна и микротвердость по сечению капли из никелевых сплавов с присадками различных легирующих элементов

Массовая доля легирующего элемента в никеле, (%) dср. макрозерна, мм dср. микрозерна, мкм Микротвердость матрицы, НУ, МПа матрица

вблизи подложки центр вблизи сферы

0 1,45 4,30 1610... 1933 1426. 1610 1460. 1638

2,34 Та 1,8 8,08 1610... 1933 1495. 1783 1783. 1933

2,17 гг 0,1 2,95 2294.2595 1987.2228 1783. 1831

2,23 Сг 0,9 6,40 1610.1693 1460. 1532 1532. 1680

2,31 Т 0,2 3,30 1693.2102 1693. 1881 1831. 1987

2,33 Со 1,2 4,22 1693.1783 1361. 1393 1783.2102

4,87 1,8 4,42 1831.1987 1693. 1737 1783. 1881

4,33 №> 0,9 3,40 2102.2294 2364.2680 2102.2515

Примечание. По каждому варианту было выполнено > 10 замеров микротвердости.

Корреляционная обработка полученных экспериментальных данных показала, что с увеличением поверхностного натяжения под влиянием легирования размеры макрозерен (первичные кристаллы) растут (рис. 4). Полученная зависимость (4) имеет высокую достоверность (коэффициент парной корреляции г = 0,937).

^р. макрозерна = 0,0034 СТж. т. - 4,5499 мм (4)

Микроструктура чистого никеля представляла собой у-твердый раствор с наличием эвтектики, располагающейся преимущественно по границам зерен (рис. 5, а). Аналогичную структуру имеет никель, легированный кобальтом (рис. 5, е).

При легировании никеля танталом, хромом, вольфрамом и ниобием микроструктура представляла собой у-твердый раствор с наличием карбидов (рис. 5).

После легирования никеля цирконием в микроструктуре у-твердого раствора присутствовала эвтектика типа у+(№3 гг) (рис. 5, в). Присадка титана приводила к появлению совместно с у-твердым раство-

ром карбидов и интерметаллидной фазы типа №3 Т (рис. 5, д).

Легирование никеля исследуемыми присадками существенно изменило размеры микрозерен (табл. 3). Заметно измельчили микрозерно цирконий, титан, ниобий. Произошло увеличение размеров микрозерен после введения в никель тантала и хрома.

Корреляционная обработка позволила установить с достаточной достоверностью (г = 0,707), что с увеличением поверхностного натяжения растет средний размер микрозерна в никеле (рис. 6).

d„

, = 0,0064 стж т - 5,9787, мкм. (5)

Изучение связи средних размеров макро- и микрозерен показали, что с ростом размеров макрозерен увеличивались и размеры микрозерен (рис. 7).

^р. микрозерна=1,6399 ^р. макрозерна + 2,9221 мкм. (6)

Легирующие элементы в ряде случаев заметно изменяли микротвердость никеля (табл. 3). Повысили

Рис. 4. Влияние поверхностного натяжения на средний диаметр макрозерна

Рис. 5. Микроструктура никеля, легированного различными элементами, х 500: а - без легирования; б - Та; в - 2г; г - Сг: д - И; е - Со; ж - W; з - ЫЬ

микротвердость никеля цирконий и ниобий. Остальные легирующие элементы существенно не изменили микротвердость никеля. Наблюдаемая тенденция некоторого увеличения микротвердости никеля различной легированности в районе контакта с подложкой (А1203) позволяет сделать предположение о возможном взаимодействии материала подложки со сплавами никеля.

Выводы

1. Легирование никеля элементами, используемыми для получения многочисленных жаропрочных никелевых сплавов, изменяет характеристики поверхностного натяжения сплава.

2. С повышением поверхностного натяжения при легировании никеля в литом металле увеличиваются размеры макро- и микрозерен.

лср. микрозерна,

мкм

9 п 8

7 Н

6

5 -4 -3

2 ^— 1400

у = 0,0064х - 5,9787 r = 0,707

♦ ♦

1500 1600 1700 1800 1900 2000

мДж/м

Рис. 6. Влияние поверхностного натяжения на средний диаметр микрозерна

лср. микрозерна,

мкм

8 Н

7 6

5 -I 4

3 -2 -1

0 4

0

0,5

1

1,5

2 dp

лср. макрозерна,

мм

Рис. 7. Зависимость между макро- и микроструктурой никеля, легированного различными элементами

а

ж. т

3. Заслуживает внимания влияние легирующих элементов на величину микротвердости никеля, что может заметно изменять физико-механические и служебные характеристики изделий из никелевых сплавов.

Перечень ссылок

1. Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства: Учебник для вузов. - М: «Интермет Инжиниринг», 2001. - 336 с.

Одержано 10.01.2008

У po6omi до^джено поверхневий натяг нiкелю методом «лежачо'1 краплi». У ролi легувальних елементiв euKopucmaHi Ta, Zr, Cr, Ti, Co, Wи Nb. Наведенi результати впливу поверхневого натягу розплаву на макро- i мiкроcтруктуру нiкеля.

This work researches surface tension of nickel with «a lay-down drop» method. Elements of Ta, Zr, Cr, Ti, Co, W and Nb were used as alloying ones. The effect of the surface tension of melt on macro and microstructure of nickel has been presented