Металлургия прецизионных сплавов

Грaцианов Ю.А., Путимцев Б.Н., Молотилов Б.В. Металлургия прецизионных сплавов

Грацианов Ю.А., Путимцев Б.Н., Молотилов Б.В.

Металлургия, 1975 г.

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ НА СВОЙСТВА ПРЕЦИЗИОННЫХ СПЛАВОВ

Основными примесями, ухудшающими технологическую пластичность и физические свойства большинства прецизионных сплавов, являются кислород, углерод, азот, сера и фосфор. Являясь примесями внедрения, данные элементы имеют, как правило, ограниченную растворимость в железе, никеле, кобальте и в сплавах на их основе в твердом состоянии и значительную — в металлических расплавах, поэтому растворимость данных примесей резко снижается в процессе кристаллизации и последующего  охлаждения металлов и сплавов. Следствием понижения растворимости примесей внедрения в металлах и сплавах является их выделение в металлической матрице или по границам зерен в виде окислов, сульфидов, нитридов, карбидов, фосфидов или их комплексов (оксисульфиды, карбонитриды и т. д.).

В никеле, кобальте и в сплавах на их основе с железом в отсутствие сильных карбидообразующих элементов (например, хрома, ванадия, алюминия, вольфрама) углерод не образует карбидные фазы при медленных скоростях охлаждения, а выделяется в виде свободного графита. Азот в отсутствие нитридообразующих элементов (титана, хрома и др.) может выделяться при кристаллизации металла в элементарном состоянии, формируясь в крупные пузыри и образуя вместе с водородом газовые поры и раковины в отливках.

Вредное действие примесей внедрения проявляется в металлах и в сплавах в двух направлениях: ухудшается технологическая пластичность металла при металлургическом переделе (ковка, прокатка, волочение) и снижается уровень характерных для каждого класса сплава физических свойств и служебных характеристик.

Механизм взаимодействия примесей внедрения с металлической матрицей (образование дефектов в кристаллической решетке, создание внутренних напряжений, изменение магнитной структуры и т. д.) весьма сложен и достаточно подробно разобран применительно к магнитным сплавам (см. гл. II).

В настоящей главе рассматривается влияние примесных элементов на некоторые технологические и физические свойства сплавов для обоснования выбора исходных шихтовых материалов для выплавки сплавов высокого качества.

Для прецизионных сплавов, характеризующихся максимальным уровнем физических свойств и служебных характеристик в узком интервале химического состава поосновным легирующим элементам, характерна большая чувствительность свойств к различного рода дефектам и к примесям. Поэтому потенциальные возможности сплавов в значительной мере закладываются в процессе ихвыплавки и кристаллизации, когда формируются основнаямасса примесей и вид примесей.

Наиболее чувствительными характеристиками ферромагнитных материалов к примесным элементам являются магнитная проницаемость и коэрцитивная сила. Например, для железа максимальные значения магнитной проницаемости и самые низкие значения коэрцитивной силы достигаются только после длительного высокотемпературного отжига в водороде (табл. 23), когда металл наиболее полно рафинируется от   таких примесей, как кислород, азот, углерод и сера.

Высокий уровень магнитных свойств железоникелевых сплавов типа 50Н и 79НМ также обеспечивается при их окончательной термообработке в водороде [93].

Свойства прецизионных сплавов и электротехнических сталей сильно зависят от чистоты исходной металлической шихты, что в значительной мере связано с методом производства шихтовых материалов. Уровень магнитных свойств технически чистого железа, используемого для выплавки прецизионных сплавов, зависит, по данным [36, с. 252—257], от общего содержания примесей и от характера примесей, вносимых с исходной шихтой; поэтому улучшение свойств при снижении содержания примесных элементов четко прослеживается только для родственных по методу изготовления видов шихты железа. Аналогично изменяются и свойства некоторых других магнитных сплавов на основе железа, например 16ЮХ.

Применение при выплавке сплавов сопротивления различных по методу изготовления марок никеля и хрома сильно сказывается на сроке службы нагревателей в условиях циклического нагрева. Лучшими свойствами обладают сплавы, выплавленные на карбонильном никеле (никель марки «Монд») и на алюмотермическом хроме (табл. 24).

Более низкие показатели службы нагревателей из сплавов Х20Н80 и Х20Н70МЮ, приготовленных на электролитическом хроме, связаны, по-видимому, с несовершенством технологии рафинирования хрома от кислорода и серы. Электролитический рафинированный хром при современном уровне производства является наиболее чистым материалом по содержанию примесей.

Стабильное воспроизведение прецизионных сплавов с высоким уровнем физических свойств и служебных характеристик при хорошей их технологичности на всех стадиях металлургического передела обеспечивается только при заданном низком содержании примесей в чистой металлической шихте и в оборотном металлоломе из сплавов аналогичных марок. Исследуя пластичность хромоникелевых сталей, авторы работы [139] установили, что высокий уровень механических свойств металла достигается при применении наиболее чистых по примесям шихтовых материалов, в частности никеля HIи феррохрома ФХ0000, а также при использовании в плавке до 50% отходов стали из тех же шихтовых материалов. Применение отборного электропечного металлолома вместо рядового при производстве электротехнических сталей позволяет значительно снизить брак металла на всех стадиях металлургического передела.