Материал: Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

Таблица 2. Физико-механические свойства

Сплав ВНЖ 7-3 - тяжелый сплав на основе вольфрама ( хим. состав представлен в таблице 1). Производство сплава ВНЖ 7-3 относится к порошковой металлургии (физико-механические свойства представлены в таблице 2), в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. Исходную смесь, содержащую не менее 95 мас.% вольфрама, остальное - никель и железо с массовым отношением между ними 7:3, измельчают до получения однородной порошковой смеси с размерами частиц порядка 100 нм путем высокоэнергетического помола с обеспечением механической активации частиц. Соотношение массы мелющих шаров и массы исходной порошковой смеси составляет 10:1. Заготовки порошковых изделий формуют прессованием в гидростате при давлении порядка 50 МПа и подвергают электроимпульсному плазменному спеканию в твердой фазе с нагревом в вакууме со скоростью 100-300°С/мин. Полученное изделие имеет предел макроупругости не менее 2000 МПа, предел текучести не менее 2500 МПа, при плотности ~18,0 г/см3, и нанодисперсную структуру с размерами частиц не более 500 нм. Концентрация атомов вольфрама в твердом растворе «никель-железо»зерен γ -фазы на основе никеля, механически легированной вольфрамом, составляет до 20,4 мас.%. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Технология производства относится к нанотехнологии порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама, и может быть использована для улучшения их механических свойств в широкой области применения с повышенными требованиями к прочностным характеристикам изделий.

Назначение порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в значительной степени определяется механическими свойствами указанного конструкционного материала, область использования которых недостаточно широка в связи с ограниченным сочетанием прочностных и пластических свойств тяжелых вольфрамовых сплавов, полученных традиционным методом порошковой металлургии (жидкофазным спеканием).

Так, известно для сплава (W - 93%, Ni - 4,9%, Fe - 2,1%) с плотностью - 17,52 г/см3, полученного методом порошковой металлургии спеканием при 1500°C в течение 30 мин с последующим вакуумным отжигом при 1100°C, следующее сочетание механических свойств: предел прочности - 996 МПа и относительное удлинение - 23%. При этом уровень техники в отношении порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама характеризуется технологическим решением задачи изготовления таких изделий из рассматриваемого сплава либо с высокой плотностью для защиты от гамма-излучения, в качестве мощных электродов и других, либо с приемлемой прочностью для изготовления головок и корпусов боевых снарядов.

Причем во втором случае для увеличения прочности и пластичности тяжелые сплавы на основе вольфрама упрочняют рекристаллизованными вольфрамовыми нитями или проводят другие технологические операции по модифицированию структуры сплавов, что усложняет технологию изготовления изделий из них.

Примером изготовления изделий, относящихся к первой группе, является известный способ изготовления спеченных изделий на основе вольфрама с добавками никеля, в результате прессования гидростатическим давлением 0,2-1,0 ГПа высокодисперсных порошков вольфрама с размерами частиц 0,05-0,5 мкм после добавки к ним никеля, последующего предварительного спекания в водороде при 1000°C в течение 30 мин и окончательного спекания в вакууме при 1300°C в течение 1 ч и получения образцов с плотностью до 18,9 г/см3.

Примером изготовления изделий, относящихся ко второй группе, является известный способ изготовления заготовок из смеси порошков на основе вольфрама, включающей непрерывное послойное спекание с подпрессовыванием каждой порции смеси порошка с частью изготавливаемой длинномерной заготовки путем индукционного нагрева в среде водорода до температуры 1700-2000°C. В результате материал длинномерных заготовок имеет следующие физико-механические свойства: предел прочности ~1020 МПа, относительное удлинение ~27% и плотность ~17,1 г/см3, что определяет область использования заготовок - при изготовлении корпусов бронебойных подкалиберных снарядов, потребность которой в повышении прочностных характеристик материала таких изделий - очевидна и актуальна.

Технический результат использования данной технологии - повышение эффективности улучшения механических свойств порошковых изделий из тяжелых сплавов на основе вольфрама в результате значительного повышения прочности при приемлемой пластичности за счет задействования предлагаемых особенностей наноструктурного механизма диспергирования и спекания порошковой смеси и при повышении технологичности получения данных изделий и целевых возможностей их использования, вытекающих из получаемого нового сочетания улучшенных механических свойств и высокой плотности указанного перспективного материала для специализированных изделий.

Сплав ВНЖ 7-3 применяется: для изготовления мелких и средних изделий массой до 2,0 кг различных форм, используемых в приборостроении и при производстве оборудования специального назначения для защиты от проникающей радиации и жестких рентгеновских излучений; деталей оборонной промышленности; медицинского рентгеновского оборудования; деталей приборов прикладной, экспериментальной и ядерной физики; балансиров и гирокомпасов в приборах для ориентации в пространстве.

.6 Термическая обработка вольфрамоникелевых сплавов

сплав вольфрам никель жаропрочность

Термообработка вольфрамовых сплавов мало изучена.. Вольфрам обжатый при прессовании на 60-75%, отжигается при температуре 1200-1400 °С. Продолжительность отжига определяется заданной температурой а так же размерами заготовки. Считается, что заготовки из вольфрамоникелевых сплавов охрупчиваются в рекристаллизованном состоянии. Рекристаллизационная хрупкость не является природным свойством этих металлов, а связана с перераспределением примесей при рекристаллизационном отжиге. Рекристаллизационный отжиг вольфрама высокой частоты по примесям внедрения должен приводить не к охрупчиванию а к увеличению пластичности, как это наблюдается у всех остальных металлов. Рекристаллизационный отжиг вольфрамовых сплавов заключаеться в нагреве до температуры рекристаллизации, выдержке и медленном охлаждении отжиг производиться в атмосфере водорода.

Анализ диаграмм состояния показывает, что имеется значительная температурная зависимость предельной растворимости многих металлов м примесей внедрения в вольфраме,в твердом состоянии. Это обстоятельство создает возможность изменения механических свойств сплавов путем закалки и старения.

При отжиг проволоки из сплава ВНЖ 7-3, с увеличением температуры отжига повышается температура перехода вольфрама в хрупкое состояние. Доказано, что резкая закалка вольфрама из области твердого раствора (с 2500° в жидком азоте) на много повышает пластичность и снижает температуру перехода вольфрама в хрупкое состояние на 200-300° вследствие перевода неметаллических примесей в твердый раствор.

Задание №2

Сравнить свойства нихромовых сплавов с разным химическим составом, и выбрать сплав, обладающий наибольшей электропроводностью.

.1 Физические свойства нихрома

Нихро́м - общее название группы сплавов <#"807830.files/image005.gif">

8,4

Температура плавления, °С

1400

Удельное сопротивление нихрома, Ом·м

1,09±0,05

Твердость НВ, Мпа

140-150

Удельная теплоемкость, кДж/кг·К при 25°С

0,44

Предел прочности на разрыв Н/мм

686-736

Максимальная температура продолжительной работы, °С

1200

.2 Применение

Нихром обладает высокой жаростойкостью в окислительной атмосфере (до 1250 °C), высоким удельным электрическим сопротивлением (1,05-1,4 Ом·мм²/м), имеет минимальный температурный коэффициент электрического сопротивления. Он имеет повышенную жаропрочность, крипоустойчивость, пластичность, хорошо держит форму. Нихром - дорогостоящий сплав, но, учитывая его долговечность и надёжность, цена не представляется чрезмерной.

Основная продукция (заготовки), сфера применения

Основной сортамент заготовок из нихрома - это нить, проволока, лента и полоса.

Проволока и лента являются очень востребованными изделиями для электротехнических работ. Полоса и нить из нихрома имеют высокую пластичность и применяются в приборостроении, автоматике и других областях техники. Нихромовая проволока и нихромовая лента применяются в основном в качестве химически стойкого и жаропрочного сплава при создании различных нагревательных и резисторных элементов. Проволока представляет собой изделие, имеющее круглое поперечное сечение. Диаметры нихромовой проволоки лежат в интервале от 0,01 до 12 мм. Мелкие размеры, от 0,01 до 0,1 мм часто называются микронными. Как правило, проволоки изготавливаются и транспортируются намотанными на катушки или свернутыми в бухты. Проволока изготавливается с применением прокатки, прессования или волочения в точном соответствии с требованиями ГОСТ 25501-82 „Заготовки и полуфабрикаты из цветных металлов и сплавов. Термины и определения. Лента представляет собой изделие, имеющее толщину примерно от 0,1 мм до 4 мм. Более тонкие ленты - фольга. Поставляется в рулонах. Изготавливается лента/полоса с применением прокатки или специальным электролитическим способом с точным соблюдением требований ГОСТ 25501-82. Полоса представляет собой изделие, которое имеет прямоугольное сечение. Конечная длина 2-3 м или более. Толщина изделия может составлять от 0,1 мм. Изготавливают полосу, используя метод прокатки или разрезки листов по ГОСТ 25501-82. Нихромовая лента и нихромовая проволока успешно применяется в настоящее время в запайщиках пакетов и в качестве нагревательного и режущего элемента в термоножах, при производстве промышленных и бытовых электроприборов, в частности бытовых водо- и воздухонагревательных систем. Благодаря высокой пластичности нихром можно успешно использовать при „холодных“ методах обработки. Стоимость нихрома высока, и это, пожалуй, единственный его существенный недостаток. Однако, учитывая обилие полезных свойств, затраты на изготовление и приобретение изделий из нихрома окупаются сторицей. При производстве нихрома применяются самые последние достижения науки, которые значительно улучшают технико-эксплуатационные свойства проволоки, ее прочности и надежности. Сплавы нихрома обычно получают методом смешивания ингредиентов в расплавленном состоянии и последующего охлаждения. В том случае, когда расплавленные компоненты не взаиморастворимы, применяется способ их смешивания в порошкообразном состоянии и последующего спекания. Высокое удельное сопротивление нихромов (r = 1,08-1,13 мкОм•м) в сочетании с небольшим значением температурного коэффициента электрического сопротивления - 1,3•10-4 [1/°C], а также повышенная стойкость к коррозии и возможность работать в различных температурных интервалах - все это вместе взятое позволяет использовать нихром для создания широкого спектра изделий, которые могут работать в различных средах, вплоть до применения в газотурбинной авиации. За счет повышенной пластичности нихрома этот материал применяют также для сварочных и штамповочных работ. Благодаря высокой жаропрочности и хорошим показателям пластичности, возможности придания соответствующей формы, нихром часто применяется для создания различных нагревательных элементов, которые входят в состав специальных высокотемпературных муфельных электропечей. Высокое же электрическое сопротивление и возможность использования в условиях высоких температур позволяет применять нихром для изготовления различных резисторных элементов, в качестве подслоя и покрытия при газотермическом напылении.

.3 Сплавы на основе никеля и хрома

Сплав нихром X20H80 представляет собой соединение, которое состоит из таких элементов, как Cr (19-21%); Ni(73-78%); Mn (0,7%); Si (1%). Очень часто, данный сплав легируют различными редкоземельными элементами для того, чтобы получить высокую продолжительность работы. Сплав данной марки приобрел широкую популярность среди самых различных категорий потребителей. X20H80 обладает исключительной пластичностью по сравнению с другими аналогичными материалами, которые по большей части содержат в своей основе большое количество железа. Использование железа далеко не лучшая альтернатива нихромовым сплавам. На таких материалах может образовываться поверхностный окисел, что значительно снижает срок эксплуатации, помимо этого, данные элементы обладают значительно большей ломкостью по сравнению со спиралями из нихрома. Именно поэтому, нихром может быть успешно использован при изготовлении нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности (ГОСТ 10994-74). Нихром X15H60 - это сплав, содержащий 15 процентов хрома, 60 процентов никеля. Остальные элементы сплава - это железо и различные легирующие добавки. Данный элемент является аналогом X20H80 и имеет более низкую себестоимость. Благодаря повышенному содержанию железа, сплав менее коррозиеустойчив, а также обладает меньшей пластичностью и повышенной ломкостью. Все это ограничивает сферу применения сплавов этой марки. В то же время, нельзя не отметить такую важную характеристику данного сплава, как высокий уровень нагрева, меньшее удельное сопротивление и более высокая экономичность. Х15Н60-Н и Х15Н60-ВИ - содержат 55 - 61% никеля и 15-18% хрома. В качестве легирующих добавок используются алюминий (0.15%), титан (0.05%), кремний (0.4 - 1%), а также фосфор, сера, марганец и углерод. Основное отличие X15H60-Н от Х15Н60-ВИ - использование, соответственно, легирующей добавки циркония либо церия. X20H80-Н и Х20Н80-ВИ - это прецизионные сплавы с высоким химическим соединением, который применяется для непрецизионных резисторов, нагревателей с температурой до 1200°C, соединителей в электронной технике, деталей внутривакуумных приборов, а также для промышленных электропечей и нагревательных устройств. X15H60-Н также известный, как „ферронихром“ - сплав, содержащий 15 процентов хрома и 60 процентов никеля. Такой сплав способен работать при достаточно высокой температуре (до 1125°C), что позволяет применять его в электротермическом оборудовании с высокой надежностью и точностью работы. В то же самое время X15H60-Н имеет значительно более низкую себестоимость по сравнению со сплавом X20H80.

.4 Выбор сплава

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и т.д.).

Свойства сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 1).

При образовании непрерывного ряда твердых растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1, б). Твердость компонентов А и В ниже, чем твердость сплавов. При образовании смесей (рис. 1, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

Рисунок 2. Свойства сплавов и их диаграммы состояния

Значение свойств сплавов находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. При увеличении V_охл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

ESK - линия эвтектического превращения.

Т_А - температура плавления компонента А.

Т_АSТ_В - линия ликвидус.

В сплавах с ограниченной растворимостью (рис. 1, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области - по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов. Линия EN - линия ограниченной растворимости В в А. При образовании химического соединения (рис. 1, г) на кривой концентрация - свойства, будет иметься максимум (или минимум) - а на прямой перелом. Зная характер взаимодействия между двумя металлами и тип диаграммы состав - свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.

Диаграмма состояния системы никель-хром относиться к третьему типу (рис 2.в).

Рисунок 3. Диаграмма состояния никель-хром

Вывод: сплавы, содержащие 5 и 20% хрома находятся в однофазной области, значение электропроводности и пластичности возрастает по криволинейной зависимости. Сплав, содержащий 50% хрома находиться в двухфазной области, и согласно правилу Н.С. Курнакова, именно он наиболее удовлетворяет требованиям задачи: обладает наибольшей электропроводностью и пластичностью по сравнению с остальными.

Задание №3

10Х11Н20Т3: эта марка стали относится к сталям аустенитного класса (ГОСТ 5632 <http://www.ukrtop.info/gost/gost_start.php?gost_number=5632> - 72). Хромоникелетитаноалюминиевые аустенитные стали 10Х11Н20Т3 и X11H23T3MP применяются для изготовления турбинных дисков, различных кольцевых деталей и т. п. По жаропрочным свойствам указанные стали весьма близки к сплаву на никелевой основе ХН77ТЮР, равноценны сплаву ХН77ТЮ и среди сплавов на железной основе являются одними из наиболее жаропрочных(хим. состав представлен в таблице 3). При температурах 500-650° С эти стали по механическим свойствам несколько уступают сплаву ХН77ТЮР, а при 700 и 750° С очень близки к нему. По сравнению с хромомарганценикелевыми сталями, например 37Х12Н8Г8МФБ, стали типа Х10Н20 обладают большей жаропрочностью и рекомендуются для изготовления наиболее нагруженных деталей. Введение в эти стали бора заметно повышает их жаропрочность.

Таблица 3.