CC BY
74
УДК 621.74:669.131.622
Г. Н. МИННЕХАНОВ Р. Г. МИННЕХАНОВ Е. Н. ЕРЕМИН
ООО «НПФ «ЛиКОМ » Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ НАНОЧАСТИЦАМИ КАРБОНИТРИДА ТИТАНА НА КРИСТАЛЛИЗАЦИЮ ЖАРОПРОЧНОГО НИКЕЛЕВОГО СПЛАВА ЖС-32
Исследовано влияние модифицирования наночастицами карбонитрида титана на кинетику кристаллизации и структуру отливок из жаропрочного никелевого сплава ЖС-32. Получено, что модифицирование наночастицами позволяет управлять формированием избыточных фаз в структуре отливок. Определены оптимальные составы модифицирующих комплексов и режимы их приготовления.
Ключевые слова: жаропрочные никелевые сплавы, модифицирование, намочастицы, карбонитрид титана.
Жаропрочные никелевые сплаиы находят широкое применение в двигателестроении и являются сложнолегированными композициями из нескольких фаз, упрочняющих матрицу сплапа. Основными упрочняющими фазами сплава ЖС-32 являются у' -фаза и карбиды типа МоС. Морфология и топография упрочняющих фаз определяют уровень механических и служебных свойств в жаропрочных никелевых сплавах.
Известно, ч то модифицирование сплавов иноку-лирующими добавками позволяет эффективно воздействовать на кинетику кристаллизации, определяющую морфологию и топографию избыточных фаз 11 — 31. В связи с этим в данной работе изучали влияние модифицирования нанодисперсными порошками (НДП) карбонитрида титана на кинетику кристаллизации сплава ЖС-32. Исследования крист аллизации никелевого сплава проводили методами гамма—плотнометрии на установке «Параболоид» конструкции НПО ЦНИИТМАШ (4—5).
Изучение кинетики изменения плотности метолом проникающего излучения заключалось в нагреве и плавлении в среде очищенного аргона шихтовой заготовки массой 300 грамм, перегреве до определенной температуры и охлаждении со скоростью 8*С/мнн с непрерывной записью интенсивности проникающего излучения и температуры расплава, фиксируемой вольфрам - рениевой термопарой. После окончания кристаллизации слиток расплавляли, перегревали, вводили добавку без разгерметизации рабочего пространства и охлаждали. Таким образом, политермы плотност и немодифи-цированного и модифицированного сплава снимались в одинаковых условиях одной термопарой.
Для изучения влияния модифицирования НДП и предварительной подготовки расплава часть образцов подвергали высокотемпературнойобрабстгке (ВТОР) по режиму, включающему перегрев до температуры
1820‘С и выдержку в течение 20 минут (6-7).
При исследовании влияния модифицирования НДП на кинетику кристаллизации жаропрочных никелевых сплавов использовали три вида добавок (табл.), содержащих НДП карбонитрида титана, на основе металлов, отличающихся различной активностью по отношению к углероду и азоту.
1. Карбндо- и нитридообразующий элемент — титан.
2. Химический элементе невысоким сродством к углероду и азоту - хром.
3. Элемент, не имеющий устойчивых карбидов и нитридов, - никель.
Анализ политерм плотности сплава, подвергнутого высокотемпературной обработке (ВТОР) показал начало кристаллизации при температуре 1364*С (рис. 1) кривая 1. Причем на политерме плотности а предкри-сталлизационный период наблюдается горизонтальная площадка, которая начинается при 1390*С. При этом плотность расплава, измеряемая затуханием интенсивности прохождения гамма-лучей, по мере охлаждения расплава до температуры начала его кристаллизации практически не меняется. Если учесть снижение температуры расплава, то происходит как бы разуплотнение металла.
Изучением кристаллизации сплава модифицированного НДП карбонитридом титана установлено, что на кинетику кристаллизации существенное влияние оказывают материал основы комплекса, режимы твердофазной активации (ТФЛ) модифицирующих брикетов и количество вводимой добавки (8).
Получено, что для большинства сплавои на политермах плотности в предкристаллизационный период наблюдается горизонтальная площадка, а в точке температуры ликвидус — вертикальная линия. На вертикальную линию оказывает влияние состав модифицирующего комплекса, количество вводимой добавки и режимы ее ТФА (рис. 1 - 3).
Влияние модифицировании и.1 температуры лнкпидус н солндуссплава ЖС-32
№ Модификатор Количество. % ВТОР Температура ликвидуса Тс. °С Температура солидуса Т>. вС Интервал кристал ДС. °С ТФА. °С /мин
1 N1 - ПСЫ 0.03 • 1360 1250 110 1000/30
2 Сг - ТЮЫ 0.03 - 1364 1292 72 1000/30
3 N1 - ТіСИ 0.06 - 1360 1278 82 1000/30
4 Т1-ТЮМ 0,03 ♦ 1354 1220 134 900/30
5 - - ♦ 1364 1264 100 •
6 N1 - ТЮЫ 0.03 ♦ 1350 1246 104 900/30
7 Ті - ПСЫ 0.06 ♦ 1364 1286 78 1000/30
8 - - ♦ 1364 1250 114 -
9 N1 - -ПСЫ 0.06 ♦ 1371 1246 125 1000/30
10 Ті - псы 0.03 ♦ 1364 1298 66 950/30
Модифицирование расплава первой добавкой, подвертутой ТФА при температуре 900*С и содержащей НДП п количестие 0,03 %, приводит к снижению горизонтальной площадки на политерме плотности. начинающейся при температуре 1365*С и продолжающейся до температуры ликвидуса сплава (рис. 1) кривая 2. Повышение температуры ТФА модифицирующего комплекса устраняет горизонтальную площадку (рис. 1) кривая 3. Причем такой же эффект можно достичь увеличением количества вводимых добавок для комплексов, подвергнутых ТФА при более низких температурах (рис. 1) кривая 4.
Введение в расплав НДП карбонитрида титана в количестве 0,06 % в составе добавки на основе титана, подвергнутого ТФА при температуре ЮОО'С, устраняет площадку полностью. При этом температура ликвидуса сплава снижается до 1360‘С.
В жаропрочных никелевых сплавах карбиды являются одной из фаз имеющих самую низкую плотность в структуре отливок. Существование в расплаве активных центров кристаллизации для карбидов приводит к упорядочению расплава при более высоких температурах. по мере его охлаждения, что обуславливает отсутствие площадки на политермах плотности. Темп прироста плотности до предкристаллизационного периода для таких сплавов выше, чем для сплавов с площадкой на политерме плотности и может быть определен углом наклона прямой зависимости р = ф[Т) для расплава. Сравнение этих величин для разных сплавов показал, что сплавы, кристаллизующиеся с пло-
Рис. I. Политермы плотности сплаті ЖС-32, модифицированного комплексом ТІ-ТІСМ и без модифицирования (II. Количество ТІСІЧ: 2- 0,03 %, 3 - 0.03 %; 4 - 0.06 %. Сплавы после ВТОР: Режим ТФА: 2,4 - 900 *С; 3 - 1000 *С
щадкой на политермах плотности имеют более высокий угол наклона, чем сплавы без них.
Изучение микроструктуры образцов, модифицированных разными добавками, свидетельстиуетотом, что для сплавов, кристаллизующихся с площадкой на политерме плотности, характерно присутствие большого количества эвтектических карбидов, расположенных в междендритном пространстве. Отливки, кристаллизующиеся с небольшой площадкой, имеют в структуре первичные глобулярные карбиды, расположенные в осях дендритов, образовавшиеся при более высоких температурах и эвтектические карбиды, выделившиеся при более низкой температуре, близкой температуре солидус расплава. Увеличение доли первичных карбидов приводит к устранению площадки на политерме плотности.
Расчет величины разуплотнения в предкристал-лизационный период проведенный с учетом закономерности изменения плотности расплава от температуры, показал, что она составляет от 0.1 до 0.3 величины разуплотнения расплава при нагреве на 100*С. Известно, что в интервале температур от 1360 - 1500‘С нагрев расплава ЖС-6К, ЖС-6У приводит к разуплотнению на каждую 100’С на величину, в среднем равную 0.1 г/см' |9). С учетом этого пред* кристаллизационное разуплотнение составляет
0.01 - 0,033 г/см1.
В пользу карбидного происхождения горизонтальной площадки на политерме плотности свидетельствует расчет образования карбидной упорядо-
Рнс. 2. Политермы плотности сплава ЖС-32, модифицированного комплексом Т1-ТК^ (3), М-ТК^ (2.4) и без модифицировании (I). Количество Т1С№ 2- 0.00%; 3 - 0,03%; 4 - 0.03%. Сплавы без ВТОР. Режим ТФА при ЮОО'С
ценной зоны и расплаве в предкрнсталлизационный период, проведенной по формуле:
&ртк =лр,^'
где Др\ - вклад всех карбидов на разуплотнение расплава;
Д рх = рж- рк - разница плотности расплава и карбидной фазы для данной температуры;
Ук - объемная доля карбидов в структуре отливок 0,02 - 0.04).
Для жаропрочных никелевых сплавов имеем:
рж = 7,0 г/см*; Рк = 4,3 г/см*;
тогда Др, = 7,0-4,3=2,7 г/см3;
С учетом этого, теоретическое разуплотнение за
счет кристаллизации карбидов составит ртк =
= 2,7(0,02-0,04) = (0.054-0.108) г/см'.Сравнивая Др\ с результатом эксперимента можно заключить, что это разуплотнение соответствует кристаллизации 50-70 % карбидов МеС. Упорядоченная структура для образования остальных 30 — 50 % карбидов, вероятно, формируется на готовых подложках при более высоких температурах.
При ТФА комплекса Ti—TiCN происходит образование продукта взаимодействия тина МеС, что обеспечивает при модифицировании расплава кристаллизацию вокруг них монокарбидов титана. Увеличение температуры ТФА комплекса Ti-TiCN вызывает растворение наночастиц с образованием в зоне взаимодействия крупных карбонитридов, что приводит к снижению общего числа центров кристаллизации. Причем крупные карбонитрнды, в связи с соизмеримостью их размеров с размерами карбидов сплава, не являются эффективными центрами кристаллизации для них (карбидов), и в результате при кристаллизации на политерме плотности расплава появляется прямая площадка (рис. 2) кривая 3.
Образование упорядоченных зон вокруг центров крист аллизации карбидов за счет диффузии карби-дообразующих элементов приводит к зарождению центров кристаллизации матрицы сплава. Причем если образование упорядоченных зон под кристаллизацию карбидов происходит при более низких тем-
Рис. 3. Полктсрмм плотности спллпл ЖС-32. модифицированного комплексом ГЧ1-Т1СК (2,3,4), Сг-ПСГ'Г (5) и без модифицирования (I). Количество Т1С1Ч: 2- 0,03%; 3 - 0.03%; 4 - 0.06%; 5 - 0,03%. Режим ТФА: 2 - 900*С. 3.4.5 - 1000*С
пературах, то это приводит к образованию более устойчивых упорядоченных зон для кристаллизации у - аустенита матрицы сплава.
Ввод НДП в количестве 0,03 % в составе комплекса Cг-TiCN, подвергнутого ТФА при 1000*С, провоцирует образование на политерме плотности горизонтальной площадки, начинающейся при температуре 1395*С (рис. 3) кривая 5. При этом ликвидус сплава равен 1364*С, а солидус 1292*С и интервал кристаллизации составляет 72*С. Увеличение количества вводимой добавки до 0,06 % НДП карбонитрида титана обеспечивает полное устранение горизонтальной площадки. При вводе в расплав данных комплексов происходит образование центров кристаллизации карбидов типа МеиС^ или МеСь, в результате образования при ТФА вокруг наночастиц продукта взаимодействия типа МегзС6 или МеСь ТФА комплексов Ni-T^CN способствует блокировке наночастиц как центров кристаллизации карбидов в результате образования в зоне взаимодействия никелидов титана, легированных азотом и углеродом, что приводит к увеличению горизонтальной площадки на политермах плотности (рис. 3) кривая 3. Увеличение количества вводимой добавки, как и для комплекса СГ-Т1СЫ, сопровождается повышением содержания растворенного в расплаве азота и углерода, поступающего из матрицы брикета за счет
Рис. 4. Влияние модифицирования на термограммы кристаллизации сплава ЖС-32, предварительно подвергнутого В'ГОР. Модификаторы: 2.3 - РЛ-Т1С1М; 1.5 - Т1-Т1С1Ч. Количество Т1СГЧ': 3,5 - 0,03%; 1,2- 0,00%; 4 - без модифицирования
НИ! И МЛШИМОМЛІИИІ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСТХИ* М> 1 ап. 3009
их диффузии из наночастиц по время ТФЛ.
Анализ термограмм кристаллизации (рис. 4) показал, что у исходного сплава, подвергнутого предварительно ВТОР, наблюдается более пологая кривая изменения температуры расплава в начале кристаллизации по сравнению с модифицированным расплавом. При модифицировании добавкой Ni^TiCN, содержащей 0,03 % НДП, на термограмме кристаллизации появляется горизонтальная площадка (рис. 4) кривая 3 при температуре 1375*С, а на политерме плотности расплава выделяется вертикальная линия при температуре ликвидуса, что характерно для кристаллизации эвтектики, интерметаллидов или химических соединений. Анализ микроструктуры образцов, кристаллизовавшихся с площадкой на термограммах и с вертикальными линиями на политермах плотностей, показал, что у них в литой структуре наблюдается у - у’ эвтектика в количестве 15 - 20 %. П ричем у сплавов, кристаллизовавшихся с вертикальной линией на политерме плотности, содержание эвтектики больше, чем у сплавов, не имеющих вертикальной линии. Вероятно, появление этой площадки связано с образованием в расплаве при кристаллизации аус-тенита и эвтектики, которая имеет глобулярную форму и равномерное распределение.
Таким образом, по политермам плотности можно контролировать модифицирующую способность добавок и их влияние на конечную структуру отливок: появление горизонтальной площадки свидетельствует о кристаллизации большинства карбидов эвтек тического типа, а образование вертикальной линии - о кристаллизации повышенного количества у - у’ эвтектики.
Библиографический список
1. Чеченцев В.Н., Сабуров В.П.. Замешаев Е.В., Ми-китась А.М. Объемное модифицирование никелевых сплавов при изготовлении отливок // Литейное производство. - 1989. - №9. - С. 13-14
2. Фаткулин О.Х., Офицеров А.А. Модифицирование жаропрочных никелевых сплавов дисперсными частицами тугоплавких соединений // Литейное производство. - 1993. - N9 4. - С. 13-14.
Книжная полка
3. Хрычиков В.Е., Калинин В.Т., Кривошеев В.А. Уль-традисперсные модификаторы для повышения качества отливок // Литейное производство. — 2007. - №7. -С. 2-5.
•1 Басин А.С., Багинскнй А.В.. Колотов Я.Л. Высокотемпературный гамма-плотнометр и дилатометр // Гам-ма-метод в металлургическом эксперименте. - Новосибирск : ИТФ СО АН СССР. 1981. - С. 11-22.
5. Боровский О.Б. «Параболойд-3» - установка для комплексного исследования физических свойств металлов // Гамма-метод в металлургическом эксперименте. — Новосибирск: ИТФ СО АН СССР. 1981. - С. 22-31.
6. Вишневский А.С. Температурно-временная обработка никелевых сплавов в жидком состоянии //Литейное производство. - 1985. - N9 10. - С. 13-14.
7 Барышен Е.Е.. Тягунон А.Г.. Костина Т.К. Влияние высокотемпературной обработки расплава на структуру жаропрочного никелевого сплава ЭП539Л // Литейное производство. - 1994. - N91. - С. 13-14
8. Миннеханов Т.Н.. Сабуров В.П.. Авдюхин С.Н. Влияние режимов твердофазной активации модифицирующих комплексов, содержащих ультрадмсперсные порошки тугоплавких соединений, на структуру жаропрочных никелевых сплавов // Прогрессивные технологические процессы в литейном производстве. - Омск, 1989. - С. 67-78.
9. Сабуров В.П.. Стасюк Г.Ф.. Микнтась А.М. Влияние комплексного модифицирования на кинетику кристаллизационных процессов жаропрочных сплавов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. - 1989. - N9 8. - С. 92-95.
МИННЕХАНОВ Гизар Нигьматьянович, заместитель директора ООО «НПФ «ЛиКОМ».
МИННЕХАНОВ Руслан Гизаровнч, студент ОмГТУ, группа Л-514.
ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, директор машиностроительного института ОмГТУ.
Дата поступления статьи в редакцию: 27.03.2009 г.
© Миннеханов Т.Н.. Миннеханов Р.Г., Еремим Е.Н.
Розенберг, Ю. А- Резание материалов (Текст]: учеб. для вузов по направлению подгот. «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / Ю. А- Розенберг ; Курган, гос. ун-т, Тюмсн. гос. нефтегазовый ун-т. • Курган : Зауралье, 2007. - 292 с.: рис., табл. - Библиогр.: с. 283-288. - ISBN 5-86328.
Излагаются основные положения теории резания металлов. Используется системный подход. Рассмотрены: механика процесса резания; износ, стойкость режущих инструментов и обрабатываемость металлов резанием, определение оптимальных режимов резания; особенности процесса резания при работе многолезвийных и абразивных инструментов. Каждый раздел содержит историю развития, результаты различных исследований и использование методов решения задач: экспериментального, эмпирического и с помощью теоретических моделей процесса резания. Показано применение теории к решению практических задач и, в частности, при расчете режимов резания, работе на станках с ЧПУ, применение адаптивных систем управления и др.
