Выплавка жаропрочного сплава в индукционной печи в лабораторных условиях

Выплавка жаропрочного сплава в индукционной печи в лабораторных условиях

Задача плавки – выплавить сплав заданного химического состава (таблица 3.10А) [71] (приложение Г).

Для этого необходимо придерживаться жестких требований, предъявляемых к качеству шихтовых материалов. Они должны быть тщательно подобраны по химическому составу, содержать минимальное количество вредных примесей. Также немаловажную роль играет габаритность шихты, наряду с крупными кусками допускаются мелкие фракции.

Легирующие материалы и раскислители, применяемые для плавки, были раздроблены на куски размерами: ферромарганец - 25 – 50 мм; ферросилиций (для легирования) - 25 – 40 мм; ферросилиций (для раскисления шлака) - 2-5 мм; силикокальций - 10 – 30 мм.

Все шихтовые материалы были предварительно высушены при температуре 300 °С в течение 4 часов.

Плавки разливали в изложницы, масса слитков 200-300г. Химический состав полученного сплава контролировался с помощью спектрометра Thermo NITON XL2-100G. Состав выплавленного сплава приведен в таблице 3.10

Таблица 3.10 – Химический состав опытного сплава, %

Из полученных опытных слитков изготавливались образцы для дальнейших исследований (для термообработки, металлографических исследований, РФА, испытаний на длительную прочность).

Таблица 3.11 – Результаты расчёта шихты для получения опытного жаропрочного сплава

№	Наименование шихтовых материалов	Кол-во в завалке				Содержание элементов, %
						C			Si			Mn			Cr			Ni			Co			Nb			Mo			Al			B
		%	кг	кг	в исх.		вн.	в исх		вн.	в исх.		вн.	в исх.		вн.	в исх.		в исх.	вн.		в исх.	вн.		в исх.	вн.		в исх.	вн.		в исх.	вн.		в исх.
1	Стальн. лом (Ст08)	9,73	0,24	97,3	0,05		0,0 05	0,27		0,03	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-
2	Никель металлический, Н-3	35, 75	0,89	357,5	до 0,1		0,04	-		-	до 0,7		-	-		-	-		до 0,7	до 0,7		-	-		-	-		-	-		-	-		-
3	Хром металлический, Х-98,5	18, 54	0,46	185,4	до 0,03		0,0 06	до 0,4		0,04	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	до 0,7		0,06	-		-
4	Кобальт металлический, К0	18,0	0,45	180,0	0,005		0,0 01	0,001		-	99, 98		18,0	-		-	-		99, 98	99, 98		18,0	-		-	-		-	0,001		-	-		-
5	Феррониобий, ФеНб60	5,48	0,14	54,8	до 0,1		0,0 05	до 1,5		0,04	-		-	60		3,29	-		-	-		-	60		3,29	-		-	до 3,0		0,08	-		-
6	Ферромолибден, ФеМо60	1,73	0,04	17,3	до 0,1		0,0 02	до 0,5		0,0 04	-		-	-		-	60		-	-		-	-		-	60		1,04	-		-	-		-
7	Ферробор, ФеБ20	7,54	0,18	75,4	до 0,05		0,0 04	до 2,0		0,0 75	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	до 3,0		0,11	22		1, 66
8	Алюминий вторичный, АВ-97	3,23	0,08	32,3	-		-	до 1,0		0,02	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	97,0		3,13	-		-
9	Всего в шихте:	100	2,5	1000			0,0 63			0,209			18,0			3,29						18,0			3,29			1,04			3,38			1,66
10	Химический угар элементов				5%		0,0 03	3%		0,0 06	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-	-		-
11	Усвоение легирующих элементов из добавок				-		-	-		-	-		-	85%		-	97%		-	-		-	85 %		-	97 %		-	80%		-	60 %		-
12	Итого в жидком металле:						0,06			0,2 03			18,0			2,8						18,0			2,8			1,0			2,7			1,0

5. Режим термической обработки

Закалку проводят с целью гомогенизации структуры и для более равномерного выделения упрочняющих фаз. Чем легированнее сплав, тем больше γ' – фазы, тем и выше температура закалки. Старение проводят для выделения γ' – фазы и стабилизации структуры сплава. Старение чаще всего проводят в высокотемпературной стадии, поскольку литейные сплавы обычно работают при более высоких температурах, при этом возможно что, старение происходит в процессе эксплуатации.

Классическим режимом термообработки жаропрочных сплавов является закалка при температуре 1100-1200⁰С, охлаждение в воде с последующим старением при 700⁰С в течение 4-6 часов для завершения процесса выпадения вторичных фаз. Увеличение времени старения нежелательно, т.к. может привести к излишней коагуляции фаз внедрения и, следовательно, к падению прочностных характеристик.

Так как объектом исследований является сплав, отличающийся по составу от традиционных сплавов группы железоникелевых сплавов, то были проведены исследования [68] по изучению влияния термообработки на жаропрочные свойства сплава системы Cr-Ni-л.э. предложенного состава (приложение В).

Были выбраны 2 вида термической обработки, после которых определялось сопротивление ползучести в температурном интервале от 700⁰С до 870⁰С.

Термообработка проводилась по следующим режимам:

Термическая обработка проводилась в печи Nabertherm LHT 02/17. После термообработки образцы испытывались на длительную прочность на машине ТРПМЭ -50 в течение 100 часов при температурах 700⁰С, 750⁰С и 870⁰С (таблица 3.12). Ниже представлены результаты исследований по изучению влияния термообработки на жаропрочные свойства опытного сплава.

475

425

375

325

700 750 870

Температура испытания, ^оТ
Рисунок 3.5 – Зависимость предела длительной прочности от температуры для разных режимов термообработки
Расчетные линии регрессии построены по уравнениям y = -81,5x + 557 (кривая-1) и y = -73x + 536 (кривая 2). Коэффициенты достоверности аппроксимации для обоих расчетных линий регрессии R² = 0,9909, R² = 0,9801.

Сравнительный анализ данных по длительной прочности в зависимости от термообработки показал, увеличение температуры закалки и времени старения в исследованных диапазонах существенно не влияет на показатели длительной прочности.

Как видно из данных таблицы 3.12, увеличение температуры закалки с 1100⁰С до 1200⁰С, и увеличение выдержки при старении с 4 до 6 часов приводит к незначительному увеличению длительной прочности.

Иными словами, повышение температуры закалки выше 1100⁰С, т.е. режим обработки на пересыщенный твердый раствор, и увеличение времени старения свыше 4 часов не оказывает существенного влияния на формирование и распределение избыточных фаз.

Рисунок 3.6 – Упрочняющие фазы внедрения в опытном сплаве

Локальный химический состав определялся методом количественного микрорентгеноспектрального анализа при помощи электронного энергодисперсионного спектрометра INCA PentaFETx3.

Исследования природы упрочняющей фазы (рисунок 3.6), показали наличие в сплаве упрочняющей интерметаллидной фазы типа Ti₃Al и присутствие карбидной фазы типа (Fe,Cr)₂₃C₆, (Nb,Mo)C. Также отмечено наличие неидентифицированной фазы, если учитывать данные анализа диаграмм, построенных с помощью ThermoCalc, можно предположить природу этой фазы как Ме₂В.

Металлографические исследования (рисунок 3.7) показали, что выделение фаз внедрения происходит достаточно равномерно, включения имеют округлую форму, сегрегации вдоль границ зерна не происходит.

Рисунок 3.7 – Упрочняющие фазы внедрения после термообработки

(х500)

Результаты проведенных исследований [68, p.384] по изучению влияния термообработки на жаропрочные свойства сплава системы Fe-Cr-Ni-л.э. показали, что рекомендуемым режимом термообработки является режим 2, состоящий из закалки с 1100⁰С с последующим старением в течение 4 часов при 700⁰С.