П Василюк - Вплив умов експлуатації на структурно-фазові перетворення залізохромових сплавів - страница 1

Страницы:
1  2 

Василюк П. Вплив умов експлуатації' на структурно- фазові перетворення залізохромових сплавів // Вісник ТДТУ. — 2009. — Том 14. — № 2. — С. 37-44. — (механіка та матеріалознавство).

УДК 669.14.018.44/45

П.ВАСИЛЮК, канд.техн.наук

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

ВПЛИВ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВІ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЗАЛІЗОХРОМОВИХ СПЛАВІВ

В роботі приведені дослідження   структурно-фазового стану легованих залізохромових сплавів. Встановлено, що такі елементи, як алюміній, кремній, титан сприяють формуванню однофазної структури,   а молібден,   вольфрам пришвидшують утворенню  двохфазної структури. Отримані результати узгоджуються з даними отриманими з використанням розрахункової моделі. Ключові слова: фаза, структура, умови експлуатації

P.Vasylyuk

CALCUVATIONG INVESTIGATION OF THE STRUCTUREL PHASE STATE OF THE Fe-Cr SYSTEM IN SERVICE CONDITIONS

The paper presents the investigation of the structural-phase of the Fe-Cr alloys.It was found out that such elements as Al, Si, Ti promote one-phase structure formation but Mo, W promote two-phase structure formation. The obtained results correspond wish the data obtained using the calculation model. Key words: ferrochromium alloys, phase, structure service conditions

Вступ. Дозуючі пристрої, що застосовуються в обладнанні для виробництва базальтових і скловолокон, виготовляють на основі дорогоцінних металів. У зв'язку з проблемою раціонального використання металофонду та зменшення собівартості матеріалів перспективним матеріалом для вирішення цієї проблеми є сплави на основі системи Fe-Cr з вмістом Cr 20, 25, 28 мас.% і Al до 6% [1,2]. Однак їх використання обмежене температурою (до 1473 К) і часом експлуатапції. Останнім часом проводяться роботи, спрямовані на виробництво супертонких волокон із базальту та скла за робочих температур 1473-1673 К, що потребує покращення властивостей існуючих та розробку нових жаростійких та корозійностійких (КС) сплавів. Сплави, що розроблялися раніше, містять вольфрам(до 4%), молібден (до 2%), кобальт(до5%) [3]. Одним із шляхів зменшення до мінімуму дорогих та дефіцитних матеріалів, покращення властивостей є вибір систем легування сплавів з структурою хромистого фериту і відсутністю впорядкованої о-фази, формування якої різко погіршує їх властивості.

Відповідно до діаграми стану, елементи системи Fe-Cr утворюють між собою необмежений твердий розчин. Проте в інтервалі температур 973-1173К за (37-65)%Cr відбуваються фазові перетворення з утворенням крихкої а-фази, що характеризується спрямованими ковалентними зв'язками. У процесі експлуатації (Табл..1) змінюється хімічний склад сплавів, що призводить до зміни структурно-фазових перетворень, зокрема, утворення крихкої фази. Розрахунки структурно-фазового стану ґрунтуються на висновку про те, що інтервал існування а-фази можна визначити, підрахувавши

середнє число електронних вакансій атомів твердого розчину [4]. Тому були проведені розрахунки у відповідності до умов, що представлені рівняннями (1-8).

Матеріали та методи. На підставі проведених досліджень вибрали склад сплавів (табл.1), з яких були виготовлені фідерні плити, корпусні деталі склоплавильних печей, фільєрні живильники для експлуатації у виробничих умовах. Вякості базового вибрали сплав, що містить (мас.%): 35Cr, 2Мо, 1 Si, 0,3Ti 0,3Ce, Fe-решти.

З метою вивчення структурно-фазового стану в якості об'єкту дослідження вибрали сплави складу №1, №2, №4, №7, №8, з яких були виготовлені плунжери, що використовуються у вузлі дозування при виробництві склотари.

Таблиця1 - Хімічний склад сплавів

Cr

Mo

W

Al

Si

Ti

Ce

La

1

34,87

1,89

 

0,48

0,45

0,43

0,28

 

2

36,9

1,87

 

1,48

0,4

0,41

0,27

 

3

34,88

 

1,9

0,47

0,42

0,4

0,29

 

4

36,86

 

1,92

1,48

0,41

0,39

0,27

 

5

34,95

 

3,87

 

0,43

0,38

0,28

 

6

34,93

1,89

 

 

0,45

0,41

0,27

 

7

36,86

1,94

 

2,87

0,43

0,4

 

0,48

8

36,85

 

1,86

2,91

0,43

0,42

 

0,45

9

36,87

 

 

2,86

0,4

0,43

 

0,47Y

10

36,86

 

 

2,88

0,42

0,42

 

0,48

11

36, 92

1,9

 

1,45

0,43

0,38

0,26

 

12

36,93

 

1,91

1,47

0,45

0,42

0,29

 

Fe-решта

Розрахункова модель базується на висновку Бека й ін. [2] про те, що інтервал існування а-фази можна визначити, підрахувавши середнє число електронних вакансій Nv атомів твердого розчину. Полінгом емпіричним шляхом було встановлено, що для чистих металів- заліза, хрому, молібдену, вольфраму, кобальту, що входять до складу сплаву, число електронних вакансій чисельно дорівнює їхнім магнітним моментам. На підставі цього для підрахунку вакансій атомів сплаву була прийнята наступна формула: Nv= 4,66 (ACr+Aw) + 2,66 AFe +5,66Amo+ 1,71 Aco, (1) в якій A Cr, A w, A Fe A Mo, A Co- атомний вміст елементів, назви яких наведені в індексах. Формула (1) випливає з більш загальної формули:

Nv=10,66 - ( s + d). (2) Перевід масового вмісту елементів у атомний для будь-якого елементу, наприклад хрому, обчислюється за формулою:

Aат= Рмас/( Рмас + BMa/Mb +.....+ N Ma/МД (3)

де А- атомний вміст компонентів сплаву;

Р, B, N - масові вмісти компонентів сплаву;

Ма, Мп- їхні молекулярні маси.

Кількість електронних вакансій для атомів хрому, вольфраму, молібдену залежить від температури наступним чином:

Nvc r= 0,23Ac + 0,00025 TF + 1,84; (4)

Nvmo = 0,6 Amo + 0,00283TF + 0,62; (5)

Nvw = 0,66 Aw + 0,0096TF + 0,3.

(6)

Кількість електронних вакансій атому сплаву визначається сумою вакансій атомів хрому, вольфраму, молібдену:

Nvcr = NvCr + NvCr + Nvw. ( 7)

Умовою існування о- фази в залежності від температури буде:

Nvcr - Nv > 0. (8) Виконання нерівності (8) відповідає структурним перетворенням а^о+а. Умова (8) набуває додатнього чи від'ємного значення в залежності від природи та кількості легувальних добавок. Тому були проведені розрахунки у відповідності до умов (1-.8) для легованих залізохромових сплавів, що охоплює хімічний склад табл.1. .

Результати досліджень. Розрахунки показують, що додатнього значення умова (8) набуває для сплавів на основі заліза, що містять азот і вуглець. Від'ємне значення вказує на малу ймовірність утворення о-фази. За вмісту хрому від 33,5 до 55% нерівність (8) не виконується, а добавки алюмінію чи кремнію у кількості до 1% зсувають область існування такої фази до інтервалу (37-60)% Cr. Підвищення вмісту алюмінію до 2% і 3% зсуває цей інтервал до значень (40-64)% Cr i (43-69)%Cr відповідно.

Так, при 2% W виділення фази починається за 34% Cr, а при 4% W - за 35% Cr. Легування молібденом у кількості 2 % призводить до утворення о-фази, починаючи з 34% Cr. Аналіз формули (2) також показує, що 2%Mo еквівалентно 2,5%W для досягнення одинакового значення вакансій атомів. Добавки 1,2% Ti при 1% Al зсуває цей інтервал до значень (38,5-64)% Cr. Для сплаву, що містить (мас.%):1,2Ті 4W 1,2Si 1Al, утворення о-фази проходить в інтервалі (40-65)% Сг. В такому ж інтервалі концентрації хрому утворюється о-фаза і для сплаву(мас.%): 1,2Ті 1,2Si 1,5Al 2Mo, тобто 2% Mo проявляють таку ж дію, як 4% W. Відповідно до проведених розрахунків, максимальний вміст молібдену у сплаві може складати 4 %, а вольфраму - 8% при 35% Cr. У кожному разі кількість вакансій складає 3,28. Добавки лантану та інших РЗМ практично не впливають на область існування такої фази. Додаткове легування сплаву кобальтом знижує значення до 3,1 при 5,5%Co і 4,5%W. Таким чином, алюмінійнайефективніше знижує значення Nv. Збільшення вмісту алюмінію від 1 до 3% знижує значення Nv від 3,3 до 3,1 [рис.1].

Nv

3,5

3,4

3,3

3,2

і

-Si=0

 

 

 

 

 

 

 

-Бі=0.5

-Si=1

 

 

 

 

 

 

 

-Si=1.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25 27 29 31 33 35 37 39 Qr

Рисунок 2 - Залежність значення Nv   від концентрації хрому та кремнію в сплаві на основі заліза

Для сплавів значення Nv зростає з підвищенням вмісту хрому і зниженням вмісту алюмінію. Утворення двохфазної структури а+о має місце за вмісту хрому більше 38% відповідає значенню Nv більше 3,45 за температури 973К. Підвищення концентрації алюмінію до 0,5% дає змогу використовувати сплави, що мають однофазну структуру з вмістом хрому до 40%, а при 3% алюмінію- і до 42% хрому (Рис.1).

Аналіз формул (1-8) показує, що найбільший вплив на структурно-фазові перетворення сплаву проявляє молібден (коефіцієнт 5,66), потім хром та вольфрам (коефіцієнти 4,66) і в меншій мірі кобальт (коефіцієнт 1,71). Аналогічним чином ведуть себе сплави з вмістом кремнію до 1,5%.

Однак на відміну від сплавів, що містять алюміній, однофазна структура утворюється за вмісту хрому 39% і кремнію 0,5% (Рис.2). Таким чином, алюміній краще сприяє стабілізації однофазної структури порівняно з кремнієм.

Для отримання структури хромистого фериту добавки молібдену в кількості 2% потребують зниження вмісту хрому до 36% (Рис 3).

Добавки вольфраму в кількості 2% забезпечують утворення однофазної структури за вмісту хрому до 37,5%, а вольфраму 6% -до 37% хрому (Рис.4). Сумісні добавки 2%W+2%Mo дають змогу використати сплави з 35% хрому за температури 973К (Рис.5).

Для отримання структури хромистого фериту добавки молібдену в кількості 2% потребують зниження вмісту хрому до 36% (Рис 3). Добавки вольфраму в кількості 2% забезпечують утворення однофазної структури за вмісту хрому до 37,5%, а вольфраму 6% -до 37% хрому (Рис.4).

МЕХАНІКА ТА МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

Nv

 

1

3,5

3,4

3,4

3,3

3,3

3,2

3,2 <

3,1 ' 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і 2

\ 3 ' 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

і

 

, 5 1 6

' 7

Cr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

if

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

334

Рисунок 3 - Залежність значення Nv від концентрації (мас.%) хрому та вольфраму сплавів на основі заліза 1-6W; 2-5W; 3-4W; 4-3W; 5-2W; 6-1W; 7-без вольфраму

Nv

3,5 -Mo=1 -Mo=2 -Mo=3 -Mo=4

3,4

3,3

3,2

25

27

29

31

33

35

37

39

Cr

Рисунок 4 - Залежність значення Nv від концентрації хрому та молібдену в сплаві на основі заліза

Nv

3,5 7

3,5 2

3,4 7

3,4 2

3,3 7

3,3 2

3,2 7

3,2

2 2

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

П Василюк - Вплив умов експлуатації на структурно-фазові перетворення залізохромових сплавів

П Василюк - Високотемпературне руйнування залізохромових сплавів