2. Жаростойкие и жаропрочные никелевые сплавы
Сплавы на никелевой основе с присадкой хрома, чаще всего классической нихромовой композиции 80—20. Для повышения жаропрочности к ним добавляют титан, алюминий, молибден, вольфрам, ниобий, церий, кальций, магний, бор и другие легирующие элементы. Находят применение сплавы на основе никеля, легированные молибденом и хромом (сплавы типа хастелой А, В, С).
Для нихромовых сплавов особенно вредно присутствие серы свыше 0,005%, следов свинца, олова, сурьмы и других легкоплавких металлов.
Жаропрочность определяется не только химическим составом сплавов, но и формой, в которой примеси находятся в сплаве. Например, совершенно не безразлично, находится сера в виде сульфидов никеля с очень низкой температурой плавления или в виде сульфидов и сернистых соединений с цирконием, церием, магнием — элементами, образующими тугоплавкие соединения. При наличии в металле сульфидов никеля очень резко ослабляются границы зерен, что приводит к потере жаропрочности, причем тем сильнее, чем выше рабочая температура.
Чистота никеля, хрома и никельтитанистой лигатуры по вредным примесям оказывает большое влияние на жаропрочность, но свойства сплавов зависят не только от исходных материалов, а также и от технологии приготовления сплавов.
Жаропрочные свойства в очень сильной степени определяются структурным состоянием сплава, величиной зерна, формой, в которой находятся в сплаве упрочняющие фазы, их связью с твердым раствором.
Рисунок 2 – Никелевые сплавы
Выплавка и обработка жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов
Эксплуатационные свойства жаропрочных сплавов во многом зависят от технологии их производства: чистоты применяемых шихтовых материалов, методов выплавки, условий разливки и кристаллизации, технологии горячей обработки давлением, условий механической обработки и последующей термической и химикотермической обработки.
Следует еще раз подчеркнуть, что несоблюдение хотя бы одного из элементов технологии обработки деталей из жаропрочных сплавов может резко и отрицательно сказаться на эксплуатационной надежности деталей.
Стали и сплавы выплавляют различными методами: в электро-дуговых печах емкостью до 5 т и в отдельных случаях до 20 т, в вакуумных и открытых индукционных печах емкостью 0,5— 40 т, в вакуумных электродуговых печах с расходуемым электродом, в электродуговых печах с расходуемым электродом под слоем специального шлака (электрошлаковый переплав) и в особых случаях, когда требуется очень высокая чистота, — методами электронно-лучевой и плазменной плавки.
Металл для литых деталей из жаропрочных сплавов изготовляют теми же методами, но в печах меньшего размера с разливкой на воздухе, в вакууме или аргоне в песчаные или керамические формы (точное литье или литье по выплавляемым моделям).
Способы выплавки наряду с чистотой шихтовых материалов (отсутствие вредных примесей: свинца, олова, сурьмы, висмута, серы и др.) оказывают большое влияние на уровень жаропрочных свойств сплавов, а также и на стабильность этих свойств.
Поглощение при выплавке кислорода, азота и водорода — одна из причин пониженной жаропрочности сплавов и их плохой технологичности. Кислород, взаимодействуя с расплавленным металлом, образует трудно растворимые тугоплавкие окислы хрома, алюминия и титана. Эти окислы при застывании обволакивают кристаллы металла и служат причиной образования плен.
Азот в сложнолегированных труднодеформируемых жаропрочных сплавах вреден тем, что, взаимодействуя с хромом, титаном и алюминием, образует тугоплавкие нитриды или карбонитриды, часто в виде ликвационных скоплений. Эти скопления ухудшают пластичность сплава при горячей обработке давлением и, следовательно, его технологичность.
Для повышения чистоты металла открытой плавки производят вакуумирование металла в ковше с последующей разливкой его в среде чистого аргона.
Следует отметить, что выплавка жаропрочных сплавов в вакууме способствует также понижению содержания вредных для жаропрочных свойств примесей серы, свинца, олова, сурьмы и висмута. В сплавах на никелевой основе, выплавляемых в вакууме, снижают содержание кремния и марганца, которые крайне нежелательны, так как отрицательно влияют на жаропрочность.