Разработка инновационной технологии производства высокопрочных инварных сплавов нового поколения

Список литературы:

1. Тетерин П. К. Теория периодической прокатки. М.,"Металлургия", 1978.

2. Орлов Г.А. Элементы теории прокатки труб: Учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004. 66 с.

3. Yuri F. Kurmachev, Ruslan E. Sokolov, Denis S. Voroshilov, Vadim M. Bespalov, Vladimir V. Moscvichev. The analytical dependence of the filling billets value to a given relative degree of deformation during cold rolling of tubes // Journal of Siberian Federal University. 2012. № 5 (7). C. 731-736.

References

1. Teterin P. K. Theory of the periodic rolling, M.,"Metallurgy". 1978.

2. Orlov G. A. Elements of the theory of pipes rolling: Study letter / G. A. Orlov. Ekaterinburg: SEI HPE УГТУ-УПИ, 2004. 66 P.

3. Yuri F. Kurmachev, Ruslan E. Sokolov, Denis S. Voroshilov, Vadim M. Bespalov, Vladimir V. Moscvichev. The analytical dependence of the filling billets value to a given relative degree of deformation during cold rolling of tubes // Journal of Siberian Federal University/ 2012 5 (7). P. 731-736.

УДК 669.018.58.017

РАЗРАБОТКА ИННОВАЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНЫХ ИНВАРНЫХ СПЛАВОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Чукин М.В., Голубчик Э.М., Кузнецова А.С., Медведева Е.М.

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный техническийуниверситет им. Г.И. Носова», г. Магнитогорск, Россия

Среди важнейших стратегических направлений дальнейшего развития, как в России, так и за ее пределами, является всестороннее внедрение последних инновационных достижений. В связи с этим, возникает острая необходимость разработки как новых материалов, так и технологий их изготовления. В настоящее время все большую востребованность приобретают многофункциональные сплавы, обладающие широким спектром физико-механических, эксплуатационных, технологических и потребительских свойств.

Одним из примеров таких материалов могут служить прецизионные материалы, в частности, специальные железоникелевые сплавы (инвары), основной отличительной особенностью которых является низкая величина температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). В то же время существующие на сегодняшний день «традиционные» инварные композиции (инвар 36, ковар (никосил), сейлинг-аллой и др.) при наличии аномально низких значениях основной характеристики ТКЛР, обладают неудовлетворительным уровнем других дополнительных параметров, как, например, низкой механической прочностью (см. таблицу).

Таким образом, достаточно актуальной является проблема разработки инварных сплавов, имеющих одновременное сочетание низких значений ТКЛР и повышенных механических свойств. Учитывая специфику применения подобного рода материалов, на сегодняшний день не решен вопрос малотоннажности производства таких многофункциональных сплавов.

Учеными ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» совместно со специалистами ОАО «Мотовилихинские заводы» реализуется комплексный проект по организации малотоннажного производства наноструктурированных заготовок из многофункциональных сплавов инварного класса нового поколения [1, 2].

За основу создания инновационных сплавов выбраны два типа высокопрочных сплавов инварного класса. К сплавам первого типа отнесены материалы, имеющие минимальное тепловое расширение ТКЛР < 0,5-10-6 К"1 в широком диапазоне рабочих температур (-70 т +100 °С), высокую твердость и низкую температуру начала мартенситного превращения (ниже -80 °С). Сплавы второго типа имеют коэффициент теплового расширения, близкий к керамике, кремнию и стеклам. ТКЛР этих сплавов находится в диапазоне (2,0-7,5)-10"6 К"1 при одновременно высоких прочностных свойствах (ав > 800 Н/мм ).

В результате реализации проекта будет обеспечено производство длинномерных прутков преимущественно круглого и квадратного поперечного сечений с диаметром или стороной квадрата 6...20 мм из многофункциональных сплавов, имеющих комбинацию уникальных физико-механических и эксплуатационных свойств высокого уровня.

В качестве основной концепции повышения прочностных параметров вновь создаваемых инварных материалов принята стратегия введения в Бе-№ композиции небольших количеств углерода, кобальта, молибдена, а также микролегирование карбидообразующими элементами, такими, например, как V, Т1.

Такой подход обусловлен следующими обстоятельствами. При создании многофункциональных сплавов системы Бе-№-С, обладающих высокой механической прочностью и добротностью, необходимо обеспечить формирование мелкодисперсных упрочняющих фаз (карбидов), а также обеспечить закрепление дислокаций [3, 4]. При этом эффективным способом, позволяющим закрепить дислокации в материалах, как раз является введение в них атомов примесей внедрения, которые обладают высокой энергией связи с дислокациями, а также добавок элементов, образующих с внедренными атомами соединения. Именно поэтому в качестве примеси внедрения может быть использован углерод. Согласно имеющимся литературным данным, углерод закрепляет дислокации при сравнительно низких температурах ~100 °С. Кроме того, согласно современным представлениям введение атомов углерода в аустенитные железо-никелевые сплавы приводит к повышению их прочности за счет твердо-растворного упрочнения. В результате пластической деформации таких углеродсодержащих сплавов происходит и деформационное упрочнение. Введение карбидообразующих элементов в углеродсодержащие железо-никелевые сплавы также позволяет повысить уровень механических свойств за счет карбидного упрочнения без существенного снижения инварных характеристик [5, 6] (см. таблицу).

В рамках проводимых исследований был разработан следующий состав высокопрочных инварных композиций (32НК, 32Н4К, 32Н5К, 34НУФ, ЗЗНЗК и т.д.):

- для сплавов первого типа на основе Бе-№-С - Ре-(30т34)№-(0,1т0,2)С-Со;

- для сплавов второго типа - Ре-(31т34)№-Со-(0,4т0,7)С^.

При этом возможны вариации содержания указанных элементов.

При разработке базовой технологии производства наноструктурированных заготовок из исследуемых многофункциональных сплавов приняты подходы, разработанные на кафедре машиностроительных и металлургических технологий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», основанные на применении принципов технологической наследственности [7]. Основу технологии составляют операции выплавки сплавов выбранного состава в вакуумной индукционной печи, многократной термодеформационной обработки кристаллизованного слитка, а также наноструктурирования передельной заготовки с последующей термической обработкой заготовки конечных размеров. При этом комплекс операций термообработки включает нагрев до температур выше 900 °С, закалку образцов с различной скоростью охлаждения, последующее их старение, а также низкотемпературный стабилизирующий отпуск.

Проведенные предварительные исследования позволили выявить основные влияющие факторы, определяющие изменчивость физико-механических свойств разрабатываемых сплавов и подтвердили возможность обеспечения в разрабатываемых многофункциональных сплавах инварного класса высоких прочностных свойств ав~800 - 1100 МПа при одновременно очень низких значениях теплового расширения ТКЛР<2-10-6 К-1 (рис. 1, 2).

66

Механические свойства известных инварных сплавов

Марка, назначение Страна, фирма Свойства Недостатки

TKЛP20-100, 10-6K-1 Предел текучести 00,2, Н/мм2 Временное сопротивление ов, Н/мм2

Инвар 36 США «Карпентер стил дивижн» 1,2 280 460 Высокий ТКЛР

Ш 36 Великобритания «Телкон метлз» < 1,0 240 500 Высокий ТКЛР, высокая мартенситная точка М8 =-70 4- -100 °С

Великобритания «Ввиф Левик» 0,8 240 500

Суперинвар Япония «Сумитомо токуеюкиндзоку» < 1,0 - - Высокий ТКЛР, высокая мартенситная точка

Ре-№-Со сеалинг аллой США ASTM-P15-77 ~ 5,5 350 570 Низкая прочность, высокая мартенситная точка М8 = -70 4 -100 °С

Терло Великобритания «Драйвер Харрис» ~ 5,0 240 540

КУ - 1 Япония «Сумитомо токуеюкиндзоку» ~ 5,0 - 500

Ковар (никосил) США «Карпентер стил дивижн» ~ 5,0 350 530

Патент ЭБ 102006062782 Германия Thyssenkrupp VDM GMBH ~ 4,56 ~ 6,02 486 351 531 385 Низкая прочность

35НКТ СССР 3,5-4,0 800 1000 Высокий ТКЛР, низкая прочность, высокая температура Мн

Патент 42004459 США 42004459, 1983 4,5-9,9 770 - Высокий ТКЛР, низкая прочность

Заявка № 61-183443 Япония «Дайто» 3,5 430 740

Патент № 148892 ГДР > 3,0 120 1000 Высокий ТКЛР, сплав содержит высокотоксичный бериллий,

Патент № 1428127 Великобритания ~ 5,0 - до 920 Высокий ТКЛР

Патент 2154692 Россия ~ 3,0 1100 Нестабильность ТКЛР, низкая технологичность

Патент 19944578 Германия Thyssenkrupp VDM GMBH > 4,0 604 659 Высокий ТКЛР, низкая прочность

Патент 2009/133945 Япония CANON KABUSHIKI RAISHA > 3,0 - -389 HV Высокий ТКЛР

Получение таких инновационных материалов и изделий из них в условиях крупного металлургического предприятия открывает широкие перспективы по развитию на качественно новом уровне наукоемких отраслей промышленности, включая высокотехнологичные производства.

Рис. 1. Изменение механических свойств сплава 34НУФ при различных температурах отжига

> I

и О

О.

й) СП

200 300 400 500 600 700 Температура нагрева, °С

800

900

о

аГ

с;

Рис. 2. Изменение ТКЛР (1) и твердости (2) в зависимости от температуры отжига сплава Ее-32№-0,6С-1,6У

Список литературы

1. Освоение новых технологий производства многофункциональных сплавов инварного класса с повышенными эксплуатационными свойствами / В.М. Колокольцев, М.В. Чукин,

Э.М. Голубчик, Ю.Л. Родионов, Н.Ю. Бухвалов // Металлургические процессы и оборудование. 2013. № 3. С. 47-52.

2. Реализация проекта малотоннажного производства наноструктурированных заготовок из многофункциональных сплавов со специальными свойствами / М.В. Чукин, Г.С. Гун, Э.М. Голубчик, А.С. Кузнецова, Н.Ю. Бухвалов // XIV Intrnational scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering». A collective monograph edited by prof. dr hab inz. Henrek Dyja, dr hab. inz. Anna Kawalek, prof. PCz. Chapter 1. Series: Monografie Nr 24.Polish. Czestochowa. 2013. C. 374-379.

3. Anatoliy N. Titenko, Lesya D. Demchenko. Superelastic Deformation in Polycrystalline Fe-Ni-Co-Ti-Cu Alloys /Journal of Materials Engineering and Performance, Vol.21, Issue 12, December, 2012. p. 2525-2529.

4. Влияние структуры стареющих инваров с метастабильным аустенитом на частотную зависимость магнитной проницаемости / А.И. Уваров, В.А. Сандовский, Н.Ф. Вильданова, Е.И. Ануфриева // Металлы. 2008. № 4. С. 92-99.

5. Литейные сплавы Fe-Ni-Co-C инварного класса для рабочих температур до 200300 °С / В.И. Чесменский, И.В. Кончаковский, С.В. Грачев, С.В. Рабинович, М.Д. Харчук // Известия вузов "Нефть и газ". 2007. № 4. С. 78-80.

6. Прецизионный литейный сплав инварного класса для рабочих температур до 500 °С / В.И. Чесменский, И.В. Кончаковский, С.В. Грачев, А.В. Майоров, П.С. Кучин // Металловедение и термическая обработка металлов. 2010. № 10. С. 50-53.

7. Анализ метода непрерывного деформационного наноструктурирования проволоки с использованием концепции технологического наследования / М.В. Чукин, А.Г. Корчунов, М.А. Полякова, А.Е. Гулин, Э.М. Голубчик // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова. 2012. № 4. С. 61-65.

References

1. Kolokolcev V.M., Chukin M.V, Golubchik E.M., Rodionov Yu.L., Buhvalov N.Yu. Development of production new technologies of multipurpose alloys of an invarny class with the increased service properties // Metallurgical processes and equipment. 2013. № 3. P. 47-52.

2. Chukin M.V., Gun G.S., Golubchik E.M., Kuznetcova A.S., Buhvalov N.Yu. Project implementation of low-tonnage production of the nanostructured preforms from multifunctional alloys with special properties // XIV International scientific conference «New technologies and achievements in metallurgy and materials engineering». A collective monograph edited by prof. dr hab inz. Henrek Dyja, dr hab. inz. Anna Kawalek, prof. PCz. Chapter 1. Series: Monografie Nr 24.Polish. Czestochowa. 2013. P. 374-379.

3. Anatoliy N. Titenko, Lesya D. Demchenko. Superelastic Deformation in Polycrystalline Fe-Ni-Co-Ti-Cu Alloys /Journal of Materials Engineering and Performance, Vol.21, Issue 12, December, 2012. pp. 2525-2529.

4. Uvarov A.I., Sandovskiy V.A., Vildanova N.F., Anufrieva E.I. Influence of structure of aging invars with metastable austenite on frequency dependence of magnetic permeability // Metals. 2008. № 4. P. 92-99.

5. Chesmenskiy V.I., Konchakovskiy I.V., Grachev S.V., Rabinovich S.V., Harchuk M.D. Casting Fe-Ni-Co-C alloys of an invarny class for working temperatures to 200-300 °C // News of Higher Education Institutions "Neft i gaz". 2007. № 4. P. 78-80.

6. Chesmenskiy V.I., Konchakovskiy I.V., Grachev S.V., Mayorov A.V., Kuchin P.S. Precision casting alloy of an invarny class for working temperatures to 500 °C // Metallurgical science and heat treatment of metals. 2010. № 10. P. 50-53.

7. Chukin M.V., Korchunov A.G., Polyakova M.A., Gulin A.E., Golubchik E.M. The analysis of a method of continuous deformation nanostructuring a wire with use of the concept of technological inheritance // Vestnik of Nosov Magnitogorsk State Technical University. 2012. № 4. P. 61-65.