Властивості термітних сталей, легованих нікелем та хромом

Размещено на http://www.allbest.ru/

`ДВНЗ "Ужгородський національний університет"

2Мукачівський державний університет

ВЛАСТИВОСТІ ТЕРМІТНИХ СТАЛЕЙ, ЛЕГОВАНИХ НІКЕЛЕМ ТА ХРОМОМ

Ю.Ю. Жигуц, В.Ф. Лазар

Анотація

У даній роботі досліджено термітні хромонікелеві сталі. Виявлено особливості хімічного складу, механічні властивості та структури термітної сталі. Окремим дослідженням встановлено зміну механічних властивостей термітної сталі від температури. Проведена робота дозволила встановити склад шихти для синтезу термітних хромонікелевих сталей; розробити методику приготування металотермічної суміші та синтезу сплаву, а також виявити вплив таких легуючих елементів, як хром і нікель на структуру синтезованого сплаву.

Ключові слова: металотермія, синтез, термітні сталі, властивості, структура, леговані сталі.

Термітні сталі леговані нікелем знаходяться все більше поширення у різних галузях промисловості насамперед у зв'язку із особливими властивостями, а саме високою корозійною стійкістю, окалиностійкістю, задовільною міцністю,

пластичністю, підвищеними механічними властивостями при високих температурах та задовільною зварюваністю.

У поєднанні із перевагами металотермічного методу синтезу цих сталей з'являються значні перспективи використання високоперегрітого розплаву у технологіях термітного синтезу.

Синтез литих сплавів металотермічними методами можна проводити при відсутності потужних джерел електроенергії, складного обладнання для традиційного плавлення сплаву та його заливки, без застосування вакуумних пристроїв для проведення процесу синтезу, забезпечуючи високу продуктивність та швидкість технологічного циклу [1-5]. У найпростішому варіанті металотермією синтезують сплав у футерованому ливарному ковші.

Не в останню чергу звертають увагу на металотермічні методи і тому, що вони надають можливість використовувати відходи термічного, ливарного та

металорізального виробництв (залізну окалину, мливо алюмінієвої стружки, відсів лігатур, пил з повітряних фільтрів у ливарних цехах, мливо недопалених частин графітових електродів та ін.). Важливо відмітити, що термітний сплав може використовуватися не тільки для отримання виливків, але і для проведення термітного зварювання, виконання екстрених ремонтних робіт тощо [1, 2, 6]. Таким чином, термітні хромонікелеві сталі викликають інтерес для дослідження не тільки з наукової точки зору, але для практичного їх використання у виробничих умовах.

Мета роботи

Встановити вплив легування нікелем та хромом на структуру та властивості термітної хромонікелевої сталі.

Завдання роботи

Комплекс завдань для досягнення мети роботи складається з виявлення за допомогою ізотермічних розтинів структури термітної сталі легованої нікелем та хромом; встановлення впливу температури на фазовий розподіл та структуру потрійного Ее-Сг-М термітного сплаву; дослідження механічних властивостей термітного сплаву та виявлення впливу хімічного складу термітного сплаву на механічні властивості.

Матеріали та методика металотермічного синтезу термітних сталей.

Для компонування металотермічної шихти використані матеріали: порошок алюмінію марок ПА-3-ПА-4 ГОСТ 6058-73 (або просіяне мливо алюмінієвої стружки), хром металевий ГОСТ 5905-79; ферохром ФХ65-7А ГОСТ 47570-79; силікокальцій С40Л10 ГОСТ 4762-71; силікомарганець СМн26 ГОСТ 4756-77; феросиліцій ФС65Ал3,5 ГОСТ 1415-78; феромарганець ФМн70 ГОСТ 4761-80; сажа ацетиленова (технічний вуглець ТУ 14-7-24-80); порошок титановий хімічний ПТХ-1, ПТХ-2 ТУ 48-10-78-83; порошок хрому ПХ-1, ПХ-2 ТУ 14-1-14-77-75; залізна окалина (ковальського і прокатного виробництв) з середнім хімічним складом (% за масою):

0. 05 С; 0,10-0,35 Бі; 0,10-0,35 Мп; 0,01-0,03 5; 0,01-0,03 Р; 40-50 Fe203; 50-60 ҐеО.

Порошкова шихта просушувалася при температурі 150-1800С, змішувалася, а після цього розміщувалася і ущільнювалася у металотермічному реакторі [6] діаметром 80 мм з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Для визначення маси металевого зливка і виходу сплаву з шихти були проведені мікроплавлення. Ініціювання процесу горіння виконувалося спеціальним титановим запалом виготовленим з титанового порошку.

Для покращення шлаковідділення у шихту при отриманні залізовуглецевих сплавів додавався польовий шпат (СаҐ2).

У дослідженнях використовували порошкові інгредієнти металотермічних шихт, частка з яких виготовлялася з відходів ливарного, ковальського та металорізального виробництв (залізна окалина, просіяне мливо графітових електродів, мливо алюмінієвої стружки та ін.). Шихта попередньо розраховувалася за стехіометричним співвідношенням компонентів реакції [2], а у подальшому враховували засвоєння окремих компонентів за допомогою відповідних коефіцієнтів.

Після процесу синтезу відділяли сплав від шлаку, оцінюючи структуру шлаку, і проводили контрольне зважування та встановлення величини виходу металу з шихти, досліджували синтезований зливок.

Теоретичні та експериментальні дослідження

Аналіз літературних та експериментальних даних [1, 2] показав, що ефективність впливу легуючого елементу нікелю суттєво залежить від вмісту хрому у термітній сталі. Характерним є те, що якщо до термітної сталі з вмістом 10-14% хрому додати 24% N - отримується мартенситна структура і, як наслідок, зменшується критична швидкість охолодження сталі та збільшується її схильність до гартування.

Із збільшенням вмісту N в термітній сталі відмічено зменшення схильності її до гартування разом із зменшенням інтенсивності мартенситних перетворень. При цьому точка початку і кінця мартенситних перетворень зміщується у область менших температур. Збільшення ж вмісту N до 10-13% призводить до утворення у структурі термітної сталі стійкого аустеніту. Встановлено, що при вмісті Сг у термітних сталях більше ніж 13% (наприклад в термітних аналогах промислових сталей Х19, Х22Т, Х27, Х28) незначний вміст N дозволяє отримати аустенітно-феритну структуру.

Глибокий аналіз термітних сталей дозволив побудувати ізотермічні розрізи потрійних діаграм стану Fe-Ст-№ при 500оС (рис. 1, а), 800оС (рис. 1, б) та 1100оС (рис.

1, в). при температурі 1100оС у всіх термітних сплавах (див. рис. 1) виявлена мікроструктура, яка складається з однофазних областей або змішаних твердих розчинів а+у. Зустрічаються у окремих областях діаграми Fe-Сг-М, крім фаз фериту та аустеніту ще і с-фаза. Особливо її вміст значний у термітних сталях Х18Н9 та Х18Н10Т.

Збільшення вмісту вуглецю у термітних сталях надає їм більшої міцності (св) та умовної границі тягучості при допуску на пластичну деформацію 0,2% (а0,2), що показано на рис. 2. Одночасно із збільшенням вмісту вуглецю у термітних сталях зростає твердість (рис. 3, а) та зменшується ударна в'язкість ан (рис. 3, б). Збільшення на 10,5% твердості та на 12,3% ударної в'язкості, очевидно, пов'язано із технологією отримання термітного сплаву і додатковим його дорозкисленням алюмінієм, що входить у склад металотермічної суміші. На підтвердження цього у термітній сталі виявлено сліди алюмінію у кількості 0,001.. .0,002% за масою.

Рис. 1. Ізотермічні розрізи потрійних Ре-М-Сг термітних сталей при різних температурах: а - при 500оС, б - при 800оС, в - при 950оС, г - при 1100оС

Наступна термічна обробка у вигляді нормалізації з нагрівом до 1100оС і охолодженням на повітрі стабілізує однорідний аустеніт і надає додаткової пластичності термітній сталі та високої корозійної стійкості. При наявності у термітній сталі понад 20% Сг або інших феритоутворюючих легуючих елементів (таких як Јі, Мо, Ті, ИЬ) кількість нікелю для отримання аустенітної структури збільшують на 3-5%.

Рис. 3. Залежність твердості (НВ) та ударної в'язкості (аН) від тривалості нагріву (Т) термітної сталі Х18Н10Т

У подальшому результатом дослідження стало встановлення впливу нікелю та хрому на положення мартенситної точки у термітній сталі. По мірі зростання вмісту нікелю у термітній сталі температура мартенситної точки, як і очікувалося, зменшується (рис. 4). Збільшення вмісту Сг так само призводить до суттєвого зменшення точки початку мартенситного перетворення.

Для термітних сталей - аналогів промислових сталей Х17Н13М2Т та Х17Н13М3Т виявлено, що молібден сприяє збільшенню кількості феритної фази та незважаючи на це термітні сталі леговані молібденом більше, ніж хромонікелеві, схильні до окрихчування, особливо при нагріві до температур 650-750оС в результаті утворення у структурі о-фази.

Рис. 4. Вплив нікелю та хрому на положення мартенситної точки у термітній сталі

Відмічено, що молібден у термітній сталі Х18М10 у кількості до 3% незначно зменшує корозійну стійкість у агресивному середовищі азотної кислоти. Зменшення ж вмісту вуглецю у термітній сталі типу Х18Н10 надає сталі більшої корозійної стійкості, сприяючи зростанню опору міжкристалічній корозії в результаті усунення з структури карбідних і карбонітридних сполук, збільшує пластичність та покращує зварюваність. Це особливо важливо при виготовленні деталей машин та апаратури, що працюють у важких та особливо важких умовах.

Дослідження впливу нікелю і хрому на структуру термітної сталі (рис. 5) дозволило вивести формули для розрахунку компенсації Сr та Ni за рахунок інших легуючих елементів. Так, для компенсації легуючого елемента Ni встановлено, що його вплив можна відновити за еквівалентом нікелю - Емі і розрахувати необхідний вміст інших легуючих елементів за формулами (1) та (2):

де - концентрація відповідно Nі, С та Мп у термітній сталі, % за масою;

та для встановлення еквіваленту Сr у термітній сталі - ЕСг:

де - концентрація у термітній сталі Сr, Мо, Sі та Nb відповідно, % за масою.

Рис. 5. Діаграма структурних змін термітних хромонікелевих сталей Висновки металотермічний суміш сплав хромонікелевий

1. Розроблено технології синтезу термітних хромонікелевих сталей.

2. Встановлені механічні властивості вказаних марок сталей та вплив на них температури вказують на те, що досліджені термітні сталі можуть успішно заміняти промислові марки. 3. Виявлено вплив N та Сг на структуру термітної сталі.

4. Встановлено залежність твердості та ударної в'язкості термітної сталі Х18Н10Т.

5. Виявлено вплив N та Сг на температуру початку мартенситного перетворення у термітних хромонікелевих сталях. 6. Розроблено методику розрахунку концентрації легуючих елементів для компенсації в термітних сталях Сг і N іншими легуючими елементами. 7. Встановлено діаграму структурних змін термітних хромонікелевих сталей.

Література

1. Жигуц, Ю. Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами [Текст] / Ю. Ю. Жигуц.

— Ужгород : Ґражда, 2008. -- 276 с.

2. Жигуц, Ю. Ю. Методика розрахунку складу екзотермічних шихт на основі термохімічного аналізу [Текст] / Ю. Жигуц, В. Широков // Машинознавство. -- 2005. -- № 4. -- С. 48-50.

3. Жигуц, Ю. Ю. Синтез термітних кавітаційностійких сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Восточно-европейский журнал передовых технологий. Прикладная физика и материаловедение. -- 2013.

— №1/5 (61). -- С. 4-6.

4. Жигуц, Ю. Ю. Технологія отримання термітних суднобудівних сталей [Текст] / Ю. Ю. Жигуц // Вісник Донбаської державної машинобудівної академії. Збірник наукових праць. -- 2012. -- № 3 (28). -- С. 283-286.

5. Жигуц, Ю. Ресурсозберігаюча технологія термітного зварювання сталевих деталей [Текст] / Ю. Жигуц, В. Лазар // Вісник ТДТУ. -- 2009. -- Т. 14, № 4. --

С. 94-98.

6. Металотермічний реактор [Текст] : пат. 20045 Україна: МПК В22С9/00 / Жигуц Ю. Ю., Скиба Ю. Ю., Крайняй І. І. ; заявник і патентовласник Ужгородский національний університет. -- № ^00606530. заяв. 13.06.06; опубл. 15.01.07, Бюл. №1. -- 6 с.

Размещено на Allbest.ru