Жаропрочные стали и сплавы

Химушин Ф.Ф.

Металлургия, 1969 г.

ЛИТЕЙНЫЕ

ЖАРОПРОЧНЫЕ СПЛАВЫ НА КОБАЛЬТОВОЙ ОСНОВЕ

К этой группе относятся кобальтовые сплавы типа виталлиум (HS-21, HS-23) и кобальтохромоникелевые с разничными присадками, например 60-59 (HS-27), Х-40, Х-41, Х-50 и канадский сплав Х-63 (см. табл. 140) [298—305].

Кобальтовые сплавы содержат очень небольшое количество железа (1—2%) и имеют чаще всего структуру твердого раствора с г. ц. к. решеткой, с сеткой первичных избыточных карбидов.

При комнатной температуре сплавы отличаются достаточно высокой прочностью и средней пластичностью. При температурах, выше 650° С, они имеют высокую жаропрочность (табл. 143). Присутствие в этих сплавах углерода, хрома, молибдена, вольфрама, а иногда и ниобия, переменная растворимость фаз с изменением температуры способствуют изменению свойств сплавов при старении в интервале 600—900° С. Несомненно, что с этой склонностью к старению связано упрочнение их при высоких температурах.

Кривые изменения жаропрочных характеристик в зависимости от температуры испытания (см. рис. 333) показывают, что литые кобальтовые и кобальтохромоникелевые сплавы с различными присадками обладают высокой жаропрочностью, а из них наибольшую жаропрочность при 815—982° С имеют сплавы Х-40, Х-50, опытный сплав F-484 и вариант сплава S-816 (S-816C).

Кобальтохромистый сплав 65-27-6Мо (HS-21) в литом виде имеет структуру, состоящую из двух твердых растворов с решетками г. ц. к. и гексагональной. После закалки гексагональный твердый раствор полностью превращается в кубический. Большое количество фазы с гексагональной структурой появляется после старения сплава HS-21.

Сплав HS-23 как в литом, так и закаленном на твердый раствор состоянии имеет лишь небольшое количество фазы с гексагональной структурой. Старение вызывает превращение гексагональной модификации в кубическую.

Сплав HS-27 во всех состояниях имеет типичную полиэдрическую структуру γ-твердого раствора с г. ц. к. решеткой.

В сплаве HS-2I образуются карбиды трех типов, эвтектика и эвтектоид, аналогичный перлиту. Травление в 6%-ном растворе царской водки позволило выявить структуры, приведенные на рис. 336. Основная масса — богатый кобальтом твердый раствор с островками карбидов и темный эвтектоид по границам зерен. Большее количество эвтектоида может быть получено медленным охлаждением сплава с 1200° С.

Разница в структуре карбидов легко обнаруживается в результате очень легкого электролитического травления в 2%-ной хромовой кислоте и последующего травления в течение 7 сек в щелочном растворе состава: 20%-ный раствор перманганата калия и 8%-ный раствор едкого натра в соотношении 1:1. Таким методом были выявлены три типа карбидов: (Сr, Со, Мо)₂₃С₆ — с кубической решеткой, окрашивающийся в коричневый цвет; (Сr, Со, Мо)₇С₃ карбид, богатый хромом, с гексагональной решеткой и окрашиваемый в бледно-желтый цвет; третий карбид тина Ме₆С, где Me — может быть Со, Сr или Мо, который непостоянен в цвете и может изменяться от красного до зеленого и иногда выглядит желтым или голубым.

Предполагается, что эвтектоид образуется в участках гексагональной фазы. В отливках, изготовленных методом точного литья из сплавов HS-23, 27 или HS-32 и Х-40 эвтектоид не образуется, а в сплаве Х-30 (422-19) он присутствует в очень небольшом количестве.

Увеличение содержания углерода и никеля в сплаве HS-27 предотвращает образование эвтектоида и фазы с гексагональной решеткой и придает сплаву лучшую длительную прочность.

У сплавов, содержащих вольфрам, происходят некоторые изменения механических свойств при высоких температурах, но эти изменения   меньше, чем у сплава SH-21. Сплавы   HS-27,

MS-30 с никелем имеют довольно ровные значения жаропрочности. Сплав HS-30 по сравнению с другими сплавами обладает наиболее, устойчивым модулем упругости при высоких температурах, остающимся почти без изменений до 815° С.

Кобальтовые сплавы очень склонны к наклепу при механической обработке, шлифовке, полировке или пескоструйной очистке отливок на глубину до 0,075 мм. Для снятия наклепа применяют нагрев при температурах выше 1150'С. Нагрев на более низкие температуры незначительно влияет на свойства сплава, а выше 1170^е С заметно растворяются карбиды.

Сплавы HS-21, 23, 27, 30 и др. изготовляют также в форме листов и их рекомендуется применять для длительного срока службы (выхлопные патрубки, створки форсажных камер).

При 650° С деформируемые сплавы имеют высокое сопротивление усталости по сравнению с литейными, при 760° С — почти одинаковое. При температурах выше 760° С преимущество должно быть за литейными сплавами.

Свойства и модуль упругости сплавов в сильной степени зависит от величины зерна отливок.

Сплав HS-21 (ЛК4)

Этот сплав до 1945 г. использовали в зубопротезной практике, в США он известен под названием виталлиум и отличается от сплава HS-31 более низким содержанием углерода (0,25 вместо 0,50%) и отсутствием никеля (см. табл. 134). Вследствие этого зубопротезный сплав виталлиум более высокую твердость (48—55 HRC), хорошую упругость, но малую пластичность.

Чтобы устранить ненормально высокую хрупкость, в сплав было введено около 3% Ni и твердость после 48-у старения при 800° С не превышала 48 HRC. Сплав HS-21 нашел широкое применение при изготовлении рабочих лопаток турбокомпрессоров и сопловых лопаток газовых турбин 1300, 307]; детали из него получили методом точного литья.

Сплав виталлиум, известный в нашей стране под маркой ЛК4 и внедренный автором, имеет следующие свойства при 20° С: σ_b = 70 кГ/мм²; δ = 8%; ψ = 10%; Η В = 280 и длительная прочность при 800° С σ_5ο = 15 кГ/мм².

Сплав применяют непосредственно после литья. Нагрев при 550° С с охлаждением на воздухе необходим для снятия напряжений после приварки лопаток к диску ротора.

Механические свойства при высоких температурах после литья приведены в табл. 144.

Сплав типа виталлуим обладает достаточно высокой длительной прочностью (табл. 145) и очень высокой термостойкостью, что особо важно при использовании его для сопловых лопаток .

Имея высокое содержание хрома, сплав HS-21 (ЛК4) обладает высокой жаростойкостью. В окислительной атмосфере  воздуха он вполне стоек при нагреве до 1000° С.

В работах Гранта [303, 304] подробно изучено влияние условий разливки, термической обработки, величины зерна и некоторых элементов на структуру и свойства кобальтовых сплавов типа HS-21 и HS-27 (60-59). Повышение температуры разливки, температуры подогрева керамической формы при точном литье увеличивает жаропрочность при 815° С. Старение в некоторых случаях повышает стабильность сплава при высоких температурах.