Модификатор

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам модификаторов для улучшения свойств отливок из жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления паросиловых и газотурбинных установок различного назначения. Модификатор содержит порошки молибдена, никеля и хрома при следующем соотношении компонентов, в мас.%: молибден 20...25, хром 60...70, никель остальное. Изобретение позволяет увеличить эффект измельчения дендритной структуры отливок из жаропрочных сплавов, что обеспечивает повышение их длительной прочности при сохранении других механических характеристик. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам модификаторов для улучшения свойств отливок из жаропрочных сплавов, применяемых для изготовления паросиловых и газотурбинных установок различного назначения.

Известен модификатор (А.с. №1200585), состоящий из смеси спрессованных дисперсных частиц при следующем соотношении компонентов, мас.%:

титан	50...95
карбонитрид титана	5...50

Недостатком известного модификатора является то, что он не позволяет повысить длительную прочность жаропрочных сплавов при температурах их эксплуатации. Это связано с тем, что минимальный размер зерна сплавов, получаемых при оптимальных добавках этого модификатора, недостаточен для того, чтобы вклад границ зерен в упрочнение сплава стал заметен. Кроме того, имеет место выделение частиц карбонитридов титана из твердого раствора, в результате трудно добиться высоких пластических свойств литых заготовок из этих сплавов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является модификатор (Куцев А.В. Исследование влияния дисперсных частиц тугоплавких элементов на структуру и свойства жаропрочных сплавов, разработка и внедрение усовершенствованной технологии точного литья деталей ГТД с повышенной пластичностью, термостойкостью и длительной прочностью. Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н. МВТУ им.Баумана, М., 1984 г.), вводимый в виде брикета, содержащего равномерно распределенные частицы никеля и молибдена при следующем соотношении компонентов, мас.%:

никель	80
молибден	20

Недостатком этого модификатора является относительно невысокое зародышеобразующее действие инокулятора - частиц молибдена, обусловленное их низкой адсорбционной активностью в отношении модифицируемого расплава. В результате при использовании этого модификатора эффекты измельчения дендритной структуры отливок из жаропрочных сплавов и повышение их длительной прочности проявляется относительно слабо.

Задачей данного изобретения является увеличение эффекта измельчения дендритной структуры отливок из жаропрочных сплавов, что обеспечивает повышение их длительной прочности при сохранении других механических характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что модификатор, содержащий порошки молибдена и никеля, дополнительно содержит порошок хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:

молибден	20...25
хром	60...70
никель	остальное

Изоморфность кристаллических решеток молибдена и хрома, благоприятный размерный фактор и небольшая разница в электроотрицательности обеспечивает полную взаимную растворимость этих металлов друг в друге. Температура солидуса при концентрациях молибдена в хроме около ≈30% составляет 1700°С, а затем круто поднимается до температуры плавления молибдена (см. Е.М.Савицкий и др. Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов. Москва, Наука, 1971, рис.61, с.114). Поэтому отношение содержания хрома к молибдену в модификаторе должно быть около 3:1. Это обеспечивает благоприятные условия для взаимодействия инокуляторов - частиц молибдена с элементом-активатором - хромом. В этом случае, согласно диаграмме состояния системы, создается температура, обеспечивающая смачивание частиц молибдена концентрированной по хрому жидкостью вследствие высокой растворимости последнего в никелевых расплавах. Подобие свойств указанных элементов в силу известного принципа (см. Ю.В.Найдич. Контактные явления в металлических расплавах. Киев. Наукова Думка. 1972, стр.23) - «подобное смачивается (абсорбируется) подобным» - обусловливает адсорбцию хрома на частицах молибдена. В то же время существуют и различия в свойствах рассматриваемых элементов (например, большее, чем у молибдена, сродство хрома к углероду). Вследствие этого адсорбирующиеся на поверхности частиц молибдена хром, а также его соединения с примесными элементами (углеродом, азотом, кислородом) изменяют поверхностные свойства частиц в отношении зародышеобразования, активируют инокулятор, обеспечивая более эффективное измельчение дендритной структуры сплава, и оказывают решающее влияние на достижение цели изобретения.

Никель в предлагаемом модификаторе, как и в известном, используется в качестве нейтральной добавки. Это обусловлено тем, что он является основой обрабатываемых сплавов и, кроме того, обладает хорошей прессуемостью, имеет сравнительную низкую температуру плавления (Т_пл=1453°С), что обеспечивает быстрое распределение модификатора в обрабатываемом расплаве.

Модификатор готовится путем прессования смеси из порошкообразных компонентов в брикеты при давлении 500÷700 МПа. В качестве компонентов используют порошки никеля (ПНЭ - 1), технически чистых молибдена и хрома с размером частиц 20...40 мкм.

Проверку эффективности действия предложенного модификатора проводили при центробежном электрошлаковом литье кольцевых заготовок массой 10 кг из сплава ЭП - 202 (ХН67 ВМТЮ).

Металл накапливали в медной гарнисажной водоохлаждаемой плавильной емкости электрошлаковым способом. После окончания процесса накопления в расплав вводили модификатор в количестве 0,3 мас.%. Температура расплава при модифицировании 1900°С. Для обеспечения равномерности распределения добавок в сплаве модификатор вводили за 3-5 минут до слива расплава в изложницу.

Из полученных кольцевых отливок изготавливали темплеты для изучения макроструктуры, образцы для металлографического анализа и заготовки для испытания механических свойств. После закалки с 1170°С и старения при 850°С изготавливали образцы на механические испытания по ГОСТ 25.502-86. Металлографические испытания проводили на нетермообработанных образцах. Структурные характеристики, механические и эксплуатационные свойства литого металла без модифицирования и с модифицированием известным и предложенным модификаторами приведены в таблице.

Модификатор	Состав модификатора мас.%	Форма карбидов	Средний размер зерна, мм	σв, МПа	δ, %	Длительная прочность час
Ni	Cr	Mo
Исходный сплав без добавок	-	-	-	крупноигол.	9÷12	814	8,6	28
Известный (прототип)	80	-	20	мелкоигол.	7÷10	832	12,4	42
Предлагаемый при соотношении Cr:Мо
4:1	75	20	5	мелкоигол.	7÷10	834	12,2	44
5:1	70	25	5	мелкоигол.	7÷9	836	12,5	46
6:1	65	30	5	мелкоигол.	7÷9	838	12,4	45
3:1	60	30	10	глобуляр.	3÷5	855	14,8	68
4:1	50	40	10	глобуляр.	4÷6	854	13,8	62
5:1	10	75	15	глобуляр.	3÷6	856	14,6	63
3:1	20	60	20	глобуляр.	2÷3	858	13,4	94
2,8:1	5	70	25	глобуляр.	2÷4	858	14,2	86
2:1	10	60	30	глобуляр.	4÷6	843	12,8	59
1:1	20	40	40	строчеч,	6÷8	841	12,4	51
1:0,8	10	40	50	мелкоигол.	6÷8	836	12,1	48

Как видно из таблицы, предложенный модификатор по сравнению с известным в 1,5-2,2 раза повышает длительную прочность модифицируемого сплава, в 2-3 раза измельчает его структуру при незначительном повышении предела прочности и пластичности. Это подтверждает активирующее действие хрома, содержащегося в модификаторе, на частицы молибдена. Являясь более сильным, чем молибден, карбидообразующим элементом, хром образует с углеродом модифицируемого металла соответствующие карбиды глобулярной формы. Протекающие в расплаве процессы стимулируются наличием подложек - частиц молибдена и пониженной температурой их взаимодействия и, вследствие этого, могут происходить на более ранних стадиях кристаллизации модифицируемого металла. В результате, зародышеобразующая способность частиц молибдена повышается, о чем свидетельствует уменьшение размеров зерна литого металла.

Благоприятное влияние хрома на структуру и свойства литого металла проявляется при его содержании в предложенном модификаторе в количестве 60-70%, при соотношении к молибдену около 3:1. При иных содержаниях и соотношениях измельчение структуры и повышение длительной прочности незначительно.

Модифицирование сплава ЭП-202 предложенным модификатором позволяет получать в электрошлаковых отливках значения длительной прочности, близкие к уровню, соответствующему кованому металлу (ТУ 14-1-588-73). Это дает возможность изготавливать ряд деталей газотурбинных двигателей электрошлаковым литьем вместо горячей ковки. По опытным данным коэффициент использования металла при изготовлении деталей типа «кольцо» из поковок сплава ЭП-202 составляет 0,25, а электрошлаковым литьем - 0,56.

При стоимости 1 т металла 950000 руб. экономический эффект получения только за счет снижения расхода металла на изготовление 1 т деталей типа «кольцо» составит:

С учетом снижения трудоемкости изготовления заготовок и деталей из них, освобождения кузнечно-прессового оборудования и т.д. экономический эффект будет еще более значительным.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1200585, МКИ С22С 35/00, 1986.

2. Куцев А.В. Исследование влияния дисперсных частиц тугоплавких элементов на структуру и свойства жаропрочных сплавов, разработка и внедрение усовершенствованной технологии точного литья деталей ГТД с повышенной пластичностью, термостойкостью и длительной прочностью. Автореферат диссертации на соискание уч. степени к.т.н. МВТУ им.Баумана, М., 1984 г.

Модификатор для жаропрочных сплавов, содержащий порошки молибдена и никель, отличающийся тем, что дополнительно содержит порошок хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:

молибден	20-25
хром	60-75
никель	остальное.