Высоколегированные жаропрочные стали и сплавы
Опубликовано: 22.02.2019
Высоколегированные жаропрочные стали и сплавы отличаются от конструкционных сталей меньшей допустимой скоростью нагрева, ограниченными степенями деформации, более узкими температурными интервалами обработки. Кроме того, для ковки и штамповки заготовок одинаковой формы и размеров из жаропрочных сталей и сплавов необходимы молоты с большей энергией удара, а прессы с большими усилиями, чем при обработке заготовок из конструкционных сталей.
Эти особенности обусловлены физико-химическими свойствами жаропрочных сталей и сплавов , проявляющимися в строении слитка, процессах диффузии и рекристаллизации, запасе пластичности, сопротивлении деформированию и т. п.
В обычных кузнечных слитках из жаропрочных сплавов, выплавленных в открытых индукционных и дуговых электрических печах и отлитых в изложницы, в большей степени, чем в слитках из углеродистой и легированной стали, проявляются такие дефекты, как рыхлость и трещины усадочного происхождения, неравномерность в величине и форме зерна, неоднородность химического состава и неравномерность залегания составляющих, не вошедших в твердый раствор. Микроструктура большинства аустенитных сталей и жаропрочных сплавов на основе никеля содержит карбиды, интерметаллиды, окислы и другие хрупкие соединения, понижающие пластичность слитков и заготовок при ковке.
STEEL- от начала до конца!
Резко выраженная транскристаллическая макроструктура слитков с зоной столбчатых кристаллитов вблизи наружной поверхности создает значительную анизотропию свойств.
В слитках, полученных электрошлаковым переплавом и плавкой в вакууме с расходуемым электродом, перечисленные выше дефекты в значительной степени ослаблены. Однако и в этом случае в литом и деформированном металле наблюдается химическая неоднородность кристаллитов, обогащение границ зерен легкоплавкими и хрупкими соединениями и другие явления, обусловленные физико-химическими свойствами сплава
Стальные фланцы успешно производят в России!
Чтобы рационально построить технологические процессы ковки и штамповки для каждого конкретного сплава, необходимо знать режимы нагрева и температурный интервал деформирования, допустимые степени деформаций и режимы охлаждения готовой поковки.
Каждому сплаву, в зависимости от его химического состава, cпособа выплавки и разливки слитков, присущи свои конкретные режимы. Однако существуют и некоторые общие закономерности, качественно свойственные аустенитным сталям и сплавам на основе никеля.
Обрабатывать жаропрочные стали и сплавы давлением желательно в однофазном состоянии, так как деформация отдельных кристаллитов протекает более равномерно при гомогенной структуре.
Это особенно важно при ковке и штамповке жаропрочных сплавов, так как процессы снятия напряжений (возврат, рекристаллизация) в них протекают медленно.
Кроме того, перевод в твердый раствор большей части карбидных и других составляющих сплава при нагреве способствует более равномерному распределению их по объему материала после ковки и штамповки, повышает служебные характеристики материала (прочность и особенно пластичность, общие свойства жаропрочности и т. п.).
Протекание процессов растворения и коагуляции зависит от температуры и времени выдержки, а также от свойств фаз. составляющих сплав. Вторичные карбиды и интерметаллнды диффундируют и коагулируют значительно быстрее, чем окислы и первичные карбиды.
В аустенитной стали и в сплавах на основе никеля время выдержки, необходимое для выравнивания температуры, в ряде случаев оказывается недостаточным для гомогенизации сплава. Поэтому при нагреве жаропрочных сплавов (особенно слитков) для установления времени выдержки следует учитывать кинетику растворения составляющих.
При этом необходимо, чтобы выдержка была минимальной, но достаточной для перевода в твердый раствор значительной части составляющих сплава. Чем выше температура нагрева, тем быстрее и полнее растворяются карбиды и интерметаллнды в основном твердом растворе. Однако температуру нагрева можно повышать только до определенных пределов, зависящих от химического состава сплава и его структурного состояния.
У аустенитных жаропрочных сталей и многих сплавов на основе никеля во время кристаллизации, особенно в условиях сравнительно медленного отвода тепла при отливке обычных кузнечных слнтков в изложницы, оси дендритов оказываются более насыщенными тугоплавкими составляющими, чем междуосные пространства. При загрязнении шихтовых материалов легкоплавкими металлами и неметаллическими примесями границы кристаллитов обогащаются легкоплавкими, а в ряде случаев и хрупкими соединениями, не входящими в твердый раствор. Из-за таких особенностей структуры слитка во время обработки давлением в условиях напряженного состояния с наличием растягивающих напряжений в первую очередь может наступить нарушение связи между кристаллитами, а не их пластическая деформация. Особо вредное влияние на технологические и служебные свойства сплавов на основе никеля оказывают примеси свинца, сурьмы и мышьяка.
В деформированном материале в результате раздробления зерен, разрушения пограничных прослоек и в связи с этим образования лучших условий протекания процессов диффузии структура сплава более равномерна. Хрупкие и менее прочные составляющие сплава, не вошедшие в твердый раствор, в деформиррванном металле более равномерно распределены по всему объему, а спаи зерен отличаются большей прочностью и пластичностью, чем спаи в литой структуре.
При вакуумной плавке, электрошлаковом переплаве и т. п. процессах, наряду с очищением металла от неметаллических примесей, вследствие интенсивного отвода тепла при кристаллизации зонная и внутрикристаллическая ликвация значительно меньше, чем при отливке обычных кузнечных слитков в изложницы. Благодаря этим же обстоятельствам составляющие сплава, не вошедшие в твердый раствор, более равномерно распределяются по объему металла.
В силу различного структурного состояния литого и деформированного металла оптимальные температуры нагрева перед ковкой для слитков и ранее деформированных заготовок также не одинаковы и зависят от конкретных особенностей сплава, способов его получения и т. д.
В некоторых случаях влияние перечисленных факторов на температуру нагрева перед ковкой весьма значительно.
При выплавке жаропрочных сталей из шихтовых материалов повышенной чистоты температуры начала и конца ковки литого и деформированного материала близки и обычно разница между ними не превышает 20-30°С.
Повышение температуры металла сильнее влияет на растворимость карбидов и интерметаллидов, чем увеличение времени выдержки.
С увеличением выдержки при высоких температурах повышается запас пластичности у сплавов с большим содержанием карбидообразуюшнх элементов. У сплавов же с большим содержанием примесей в виде окислов и сульфидов после длительных выдержек пластичность не только не возрастает, а даже уменьшается. Поэтому увеличивать врем и выдержки надо так, чтобы окислы и сульфиды не оказали более сильного влияния, чем не коагулированные и не растворенные карбиды и интерметаллиды.
Температурный интервал ковки назначают на основании показателей пластичности при различных температурах, а также данных о фазовых и структурных изменениях в сплаве при нагреве иод ковку, при ковке, охлаждении после ковки и последующей термической обработке поковок.
При освоении новых сплавов их пластичность определяют испытанием материала в области высоких температур на разрыв, изгиб, кручение, сжатие (осадку круглых образцов в торец до появления трещин) и технологическими пробами, т. е. ковкой слитков и заготовок небольшого веса.
Диаграммы рекристаллизации, построенные по результатам исследований образцов, закаленных в воде сразу после деформирования, в значительной степени характеризуют ковочные свойства сплава. Сплавы, в которых при деформировании процессы рекри сталлнзации развиваются незначительно, более склонны к накапливанию остаточных напряжений, чем сплавы, обладающие большой скоростью рекристаллизации в тех же условиях.
Сплавы первого типа при ковке допускают меньшие степени обжатий за один рабочий ход и требуют большей паузы для снятия остаточных напряжений между двумя следующими друг за другом ходами. При вытяжке заготовок из таких сплавов под молотами не рекомендуется наносить следующие друг за другом удары по одному и тому же месту. Осаживать такие заготовки под гидравлическими прессами следует ступенями деформации в 10-15% с паузами между ними 5-15 сек.
Величина зерна после деформации зависит не только от температуры и степени деформации, но и от исходной величины и формы зерна и составляющих фаз, их размеров и расположения. Большинство поковок из аустенитной стали и сплавов на основе никеля изготовляют с несколькими нагревами и подогревами, поэтому при освоении новых сплавов необходимо исследовать влияние этих факторов.