Технические науки/1. Металлургия

К.т.н.Квон Св.С., магистрант Сакбосынова А.А., преп.Малашкевичуте Е.И.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Исследование длительной прочности сплавов

системы Cr - Ni

Жаропрочные материалы работают при разнообразных схемах нагружения: статических растягивающих, изгибающих или скручивающих нагрузках, динамических переменных нагрузках различной частоты и амплитуды, термических нагрузках вследствие изменений температуры, динамическом воздействии скоростных газовых потоков на поверхность.

В результате этого применяются многообразные виды испытания на жаропрочность: испытания на ползучесть и длительную прочность при статическом нагружении, испытания на высокотемпературную и термическую усталость, испытания на газовую коррозию в различных средах, испытания в скоростных газовых потоках и др. Однако наиболее важными из них с точки зрения жаропрочности являются испытания на ползучесть и длительную прочность.

Сопротивление нагрузкам при повышенных температурах металлов и сплавов чрезвычайно сильно связано с их температурой рекристаллизации. Высокое сопротивление деформациям металлы и сплавы могут оказывать только при нагреве их до температуры, не превышающей температуру рекристаллизации данного металла или сплава.

При превышении температуры рекристаллизации резко повышается подвижность атомов и уменьшается сопротивление деформации. Поэтому с целью увеличения жаропрочности материала необходимо увеличивать температуру его рекристаллизации [1]. Легирование жаропрочных сплавов на железной основе позволяет получать материалы с температурой рекристаллизации порядка 800° С. Сплавы на основе никеля и хрома показывают более высокую температуру рекристаллизации, особое распространение получил сплав ХН77ТЮР, содержащий около 20% Сr. В последние годы предметом исследования в качестве жаропрочных сплавов стали сплавы с более высоким содержанием хрома.

В данной работе исследовались сплавы на основе системы хром - никель с содержанием хрома от 20% и выше. При выборе состава металлической системы на основе хрома и никеля для исследования в качестве жаропрочных материалов были приняты во внимание три фактора:

- отсутствие σ – фазы в системе хром – никель (рисунок 1);

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Cr – Ni

- возможность разработки состава сплавов в широких пределах, подвергаемых старению;

- изменение структуры за счет термической обработки;

Как видно из рисунка 1, эти сплавы способны упрочняться благодаря выделению α – и γ – фаз и могут термически обрабатываться с образованием разнообразных структур. Сплавам, содержащим более 50 % Cr, присуще образование в литом виде сплошной сетки α – фазы, которая при неправильном распределении ведет к понижению ковкости и ударной вязкости.

Для исследования были изготовлены образцы с различным содержанием

хрома и никеля и небольшими присадками Fe, Mo, Nb, Ti и Al. Содержание этих элементов оставалось постоянным, так как ставилась задача исследования влияния увеличения хрома на свойства сплавов. В случае легирования хромо - никелевого сплава этими элементами при старении закаленного сплава образуется интерметаллидная - фаза типа Ni₃(Ti,Al), когерентно связанная с основным раствором и увеличивающая прочность при высоких температурах. Добавки молибдена и ниобия повышают температуру рекристаллизации и затрудняют процесс диффузии, который необходим для коагуляции избыточных фаз и рекристаллизации.

Опытные образцы отливались в виде прутков длиной 30мм и диаметром 6 мм. Все плавки проводились в дуговой электропечи с боковым расположением угольных электродов без предохранения от загрязнения плавок азотом или кислородом, так как ставилась задача получения сплавов наиболее простыми способами. В таблице 1 приведены составы опытных плавок.

Составы исследуемых образцов (в % по массе)

Таблица 1

№ сплава	Cr	Ni	Fe	Mo	Nb	Ti	Al
1	35	51	10	2	1	1	1
2	40	46	10	2	1	1	1
3	45	41	10	2	1	1	1
4	50	36	10	2	1	1	1
5	55	31	10	2	1	1	1

Готовые образцы подвергались различным видам термообработки: старение; старение с последующей закалкой и старением; непосредственно после литья. Для сравнения использовались показатели сплава ХН77ТЮР после закалки и старения.

Обработанные образцы подвергались испытаниям на длительную прочность согласно методикам ГОСТ 10145-81. Температура испытания составляла 870⁰ С. Время испытания – 100 часов. Результаты испытаний на длительную прочность даны в таблице 2.

Предел длительной прочности в зависимости от содержания хрома и вида термообработки

Таблица 2

№ образца	Содержание хрома %	Предел длительной прочности, МПа
		после литья	старение 470^0С 4 часа	старение 470^0С 4 часа, закалка 1220, старение 2 часа 470^0С
ХН77ТЮР	20%	-	-	200
1	35	100	120	160
2	40	105	155	240
3	45	105	150	240
4	50	107	140	220
5	55	102	140	205

Как видно из данных таблицы 2 содержание хрома в сплаве практически не влияет на величину длительной прочности сплава после литья. Более значительное влияние оказывает введение упрочняющей обработки. Старение сплава в течение 4 часов при температуре 470⁰С приводит к повышению длительной прочности в пределах от 20 до 50 %. Введение сложной упрочняющей термообработки (старение, закалка, старение) приводит к значительному увеличению длительной прочности. Увеличение хрома вплоть до 45% оказывает положительное влияние, однако дальнейшее увеличение хрома приводит к некоторому снижению показателей.

Как видно из данных диаграммы состояния Cr – Ni вплоть до температур 1200⁰С структура сплавов системы в пределах 30 – 85% Cr остается двухфазной и представлена структурными составляющими и . Увеличение содержания хрома приводит к увеличению составляющей .

Следующим шагом при проведении исследований являлось изучение влияния температуры эксплуатации на величину разрушающего напряжения при постоянном времени 100 часов. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Влияние температуры на величину разрушающего напряжения

Таблица 3

Номер сплава	Величина разрушающего напряжения, МПа
	Температура испытания, ^0С
	800	870	920	970	1020
ХН77ТЮР	270	200	160	120	80
1	250	160	160	120	100
2	300	240	220	205	160
3	320	240	220	210	145
4	310	220	216	180	65
5	305	205	200	160	65

Из данных таблицы видно, что испытуемые сплавы имеют лучшие показатели величины разрушающего напряжения по сравнению со сплавом ХН77ТЮР при всех температурах. Увеличение температуры испытания приводит к снижению величины разрушающего напряжения для испытуемых сплавов также, как и для сплава ХН77ТЮР. Однако, снижение этой величины не такое катастрофичное, особенно для сплавов 2 и 3. Если для сплава ХН77ТЮР разрушающее напряжение при температуре 800⁰ составляет 270 МПа, а при температуре 1020⁰ только 80МПа (3,4 раза), то для сплава 2 эти показатели соответственно - 300 и 160 МПа (1,8 раза).

Проведенные исследования показали возможность дальнейшего увеличения содержания хрома в сплавах системы хром-никель и перспективность их использования в качестве жаропрочных материалов.

Список использованной литературы

1. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.:

Металлургия, 1985. 408 с.

2. Wain H.L., Henderson F. and Johnstone S.T. Inst. Metals, 83, 133 1996.

3. Hammond J.P., Westerman A.B. and Cross H.C., Trans. AIMME, 194, 1329

4. Stein C. and Grant N.J., J. Metals, 7, № 1, 127 (January,2005).

5. Ланская К.А. Высокохромистые жаропрочные стали. М.: Металлургия,

2006. 230 с.