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.