Влияние кальция на пластичность никелевых сплавов (статья)

Жаропрочные сплавы на никелевой основе, легированные вольфрамом, молибденом, алюминием и титаном, относятся к весьма труднодеформируемым. При выплавке в дуговых печах даже строгое соблюдение технологии и применение очень чистых шихтовых материалов не всегда обеспечивает получение стабильных пластических свойств металла от плавки к плавке. Часто сплав имеет весьма невысокие пластические свойства, что приводит к большим потерям его при переделе и ухудшает качество готового проката.

В табл. 1 приведены механические свойства одного из сплавов при 700°. Из таблицы видно, что прочностные характеристики металла, выплавленного в индукционных и дуговых печах, практически одинаковы. Вместе с тем пластические свойства сплава, выплавленного в дуговых печах, примерно на 25% ниже, чем у индукционного металла. Ввиду этого выявление причин, вызывающих более низкую пластичность металла, выплавленного в дуговых печах, является весьма актуальной задачей.

Выполненные анализы показали, что содержание газов, количество и состав неметаллических включений в сплаве, выплавленном в индукционной и дуговой печах, мало отличаются между собой (табл. 2).

В то же время исследования серии опытных и промышленных плавок показали, что в металле дуговых плавок обычно содержание кальция, более высокое. Если в металле, выплавленном в индукционных печах, содержание кальция колеблется в пределах 0,005—0,012%, то в дуговом металле оно составляет 0,013—0,018 %, доходя иногда до 0,020%.

Повышение содержания кальция в металле дуговых плавок, по-видимому, можно объяснить восстановлением окислов кальция из шлака в районе электрических дуг алюминием или ионизированным углеродом.

В качестве примера приведен расчет равновесия реакции восстановления кальция из шлака алюминием:

2 (СаО) + А [А1] = 2 [Са] + А(А12О3).

Числовые значения изменений стандартных свободных энергий реакций (2) и (3) были взяты по данным Кубашевского и Эванса [1]. Расчет равновесного содержания кальция, проведенный по формуле

показал, что в условиях дуговой плавки в равновесии со шлаком в металле должно находиться 0,05% Са.

Сравнение фактических и расчетных данных свидетельствует о том, что при выплавке никелевых сплавов в дуговых печах происходит насыщение металла кальцием, но равновесного состояния не достигается. Аналогичными расчетами можно показать, что колебания в условиях проведения плавки могут существенно повлиять на содержание кальция в металле (изменения температуры, состава шлака п т. п.).

За последнее время был опубликован ряд исследований по изучению влияния малых добавок редкоземельных и щелочноземельных элементов на свойства различных марок сталей и сплавов. Ряд работ был посвящен влиянию кальция [2—7]. В частности, М. В. Приданцев и Г. В. Эстулин на основании собственных исследований и обобщения литературных данных выдвинули гипотезу, объясняющую влияние добавок щелочноземельных и редкоземельных элементов на свойства жаропрочных сплавов преимущественным воздействием этих элементов на состояние границ зерен металла. На свойства сплава оказывает большое влияние растворение малых добавок в пограничных зонах, но действие это может быть двояким. В случаях, когда концентрации элементов не превышают предела растворимости, присутствие малых добавок в пограничных зонах упрочняет границы зерен и замедляет диффузионные процессы. Если же концентрация добавляемых элементов превышает

предел их растворимости в пограничных зонах, то те же добавки начинают играть роль вредных примесей, ослабляющих границы зерен.

Отмеченное выше различие в содержании кальция в металле, выплавленном в индукционных и дуговых печах, заставило более подробно проверить влияние этого элемента на свойства исследуемых сплавов. С этой целью были проведены опытные плавки в индукционных и дуговых печах. Кальций от 0,01 до 0,2% вводился в ковш или в печь.

Впервой серии опытных плавок кальций присаживался в ковш непосредственно перед разливкой. Было установлено, что при введении в ковш кальций усваивается металлом практически полностью. Сравнение ковкости специальных проб, отобранных до и после присадки кальция, показало, что даже небольшое повышение его содержания в высоколегированных сплавах, выплавленных как в индукционных, так и в дуговых печах, приводит к резкому ухудшению технологической пластичности (рис. 1). Если перед выпуском металла из печи сплав ковался удовлетворительно, то присадка в ковш 0,01 % Са вызывает ухудшение ковкости металла: проба ломалась при загибе. Увеличение количества присаживаемого кальция до 0,02% и более приводит практически к полной потере ковкости сплава.

Исследование металла первой серии опытных плавок показало, что никелевые сплавы хорошо куются только в том случае, если остаточное содержание в них кальция не превышает 0,015%. В зависимости от степени легирования сплава эта величина может несколько изменяться.

Во второй серии опытных плавок кальций присаживался в печь. Плавки проводились в индукционной и дуговой печах. Анализы показали, что в случае присадки кальция в индукционную печь за время последующей выдержки происходит угар кальция (рис. 2), причем скорость этого процесса зависит от емкости печи, количества введенного кальция и некоторых других факторов.

Пробы, отобранные из индукционной печи сразу после введения кальция в количестве 0,02% и более, практически полностью теряли свою пластичность, т. е. наблюдалась такая же картина, как и при введении кальция в ковш. В дальнейшем, по мере угара кальция ковкость сплава постепенно восстанавливалась. Ковкость последней пробы, как правило, была лучше, чем у пробы, отобранной до введения кальция. Содержание кальция в конечных пробах, вне зависимости от количества присаженного кальция, обычно не превышало 0,015%. Для количественной оценки улучшения ковкости исследуемых сплавов за счет введения в них кальция с последующим угаром этого элемента при выплавке в индукционной печи было проведено определение ударной вязкости металла при температурах горячей деформации (900—1200°). Полученные данные представлены на рис. 3.

Необходимо отметить, что показанное на графике различие пластических свойств сплавов имеет место, в основном, в ковочном интервале температур. При температурах ниже 900° характеристики пластичности сплава после введения кальция слабо отличаются от аналогичных свойств обычного металла. Из графика следует, что введение в сплав без последующей выдержки 0,01 % Са несколько снижает ударную вязкость во всем обследованном интервале температур. Это, по-видимому, происходит за счет некоторого повышения остаточного содержания кальция в металле до 0,018%. Введение в металл 0,02% и особенно 9,05% Са с последующими соответственно 3- и 9-минутными выдержками приводит к значительному повышению пластичности сплава.

Увеличение количества вводимого кальция до 0,1 и 0,2% с соответствующими выдержками вызывает дополнительное повышение ударной вязкости сплава в интервале 1100—1200°.

Изучение механических свойств и длительной прочности исследуемых сплавов, выплавленных в индукционной печи, показало, что введение в металл 0,1 % Са с последующей выдержкой, практически не изменяя прочностных свойств, приводит к повышению всех пластических служебных характеристик, причем особенно значительно (в 1,5—2 раза) повышаются пластические свойства сплава при длительных жаропрочных испытаниях (табл. 3).

Таблица 3

Механические и жаропрочные свойства сплава (средние данные по четырем плавкам")

Метод выплавки	Кратковременные испытания при 800°			Длительные испытания при 850°
Метод выплавки	предел прочности, кГ/мм'	относительное удлинение, %	относительное сушение, %	напряжение, кГ/мм'	время до разрушения, час.	относительное уд-лпнение, %	относительное сужение, %
Без кальция С добавкой 0,1% Са . .	80,8 78,0	13,5 15,9	16,8 18,9	20 20	109 121	4,93 8,92	10,3 15,3

При выплавке подобных сплавов в лабораторной дуговой печи емкостью 0,5 т введенный в металл кальций усваивался практически полностью и, в отличие от индукционной плавки, за время рафинирования угорал мало. Содержание кальция несколько уменьшалось только во время выпуска сплава в ковш. Плавки, выплавленные в дуговой печи емкостью 5 т, подтвердили сделанные выводы. По расплавлении металл содержал около 0,015% Са, ковкость сплава была удовлетворительной. Введение в металл 0,05% Са привело к полной потере сплавом пластичности; содержание кальция в металле увеличилось до 0,06%. Последующая выдержка металла в печи в течение 45 мин. практически не привела к угару кальция. Пластичность сплава перед выпуском была весьма низкой. За время выпуска плавки в ковш содержание кальция в сплаве уменьшилось до 0,03 %. Последующая выдержка металла в ковше во время разливки не привела к изменению содержания кальция. Готовый металл имел 0,03 % Са, пластичность его была весьма низкой.

Таким образом, опытные плавки показали, что в сложнолегированных никелевых сплавах даже небольшое повышение содержания кальция приводит к значительному ухудшению их пластичности.

Обработка исследуемых сплавов кальцием с последующим выжиганием его из металла приводит к повышению пластических свойств, очевидно, за счет рафинирующего действия кальция. Имеющий место при выплавке сплавов в индукционных печах угар кальция позволяет применить этот элемент в качестве рафинирующей добавки и получить в конечном металле низкое (менее 0,015%) содержание кальция.

При выплавке сплавов в дуговых печах имеет место насыщение металла кальцием. Угара присаженного кальция в этом случае практически не происходит. Следовательно, более высоким содержанием кальция можно объяснить меньшую пластичность никелевых сплавов, выплавленных в дуговых печах, по сравнению с индукционным металлом.

В результате индукционного переплава отходов дуговой плавки содержание основных легирующих элементов вследствие подшихтовки практически не изменилось, содержание же кальция уменьшилось с 0,017-0,020 до 0,012—0,014%.

Пластичность переплавленного металла значительно улучшилась и стала выше, чем у хороших дуговых плавок

Отмеченное повышение пластических свойств переплавленного в индукционной печи металла, по-видимому, можно объяснить угаром кальция и рафинирующим его действием. Этим же можно объяснить более высокие пластические свойства подобных сплавов, разлитых на воздухе, по сравнению с разливкой в камерах с защитной атмосферой. Остаточное содержание кальция в металле, разлитом на воздухе, как правило, на 0,002— 0,006% ниже, чем в случае разливки в камерах. Очевидно, при отливке слитков в обычных условиях происходит некоторый дополнительный угар кальция, вследствие чего пластичность сплавов повышается. Также увеличением остаточного содержания кальция, по нашему мнению, можно объяснить некоторое понижение уровня пластических свойств сплавов, выплавленных в дуговых печах с применением собственных отходов, по сравнению с выплавкой на свежих шихтовых материалах.

Приведенные выше данные позволяют сделать следующие основные выводы:

1.Увеличение в исследованных никелевых сплавах остаточного содержания кальция выше 0,015% приводит к значительному ухудшению пластических свойств металла.

2.При выплавке сплавов в индукционных печах происходит угар кальция. Введение в сплав 0,1 % Са с последующим выжиганием его из металла приводит к значительному повышению пластических свойств металла.

3. Для получения более высокой пластичности металла никелевые сплавы целесообразнее выплавлять не в дуговых, а в индукционных печах.