ЖАРОПРОЧНЫЙ СПЛАВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ И ИЗДЕЛИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗ НЕГО
HEAT-RESISTANT NICKEL-BASED ALLOY AND PRODUCTS MADE FROM IT

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности, к составам жаропрочных низкоуглеродистых хромоникелевых сплавов, и может быть использовано при изготовлении методом деформации и сварки силовых узлов, деталей энергомашиностроения и турбиностроения, колец цельнокатаных различного назначения, работающих при высоких температурах 700-800°С.
Известен «Сплав на основе никеля» (авторское свидетельство SU 1663951, кл. С22С 19/03, опубл. 10.05.1995 г.), имеющий следующий химический состав, мас.%: хром 16,0-20,0; вольфрам 0,5-3,0; молибден 3,0-6,0; титан 1,5-3,0; алюминий 1,5-3,5; ниобий 0,5-2,0; бор 0,001-0,05; иттрий 0,001-0,02; магний 0,001-0,05; никель - остальное. Однако данный сплав не обладает достаточной жаропрочностью за счет более низкого содержания карбидообразующих элементов, при этом потерю жаропрочности полностью не компенсирует высокое содержание элементов, образующих γ'-фазу.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является жаропрочный сплав ХН62 ВМЮТ, описанный в ГОСТ 5632 (легированные нержавеющие стали и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки) и содержащий в мас.%: углерода 0,05-0,10; кремния не более 0,40; марганца не более 0,50; хрома 17,50-20,00; никель - основа; титана 1,00-1,40; алюминия 1,90-2,30; вольфрама 5,50-7,50; молибдена 4,00-6,00; железа не более 4,00; серы не более 0,015; фосфора не более 0,015; церия не более 0,03; бора не более 0,008. Однако из-за отсутствия в составе ванадия и магния данный сплава недостаточно технологичен и не может быть использован для производства крупногабаритных изделий сложной формы.
Цельнокатаные кольца обычно изготавливают из хромоникелевых сплавов путем ковки слитка вакуумного дугового переплава на заготовку, резки ее на кратные заготовки, осадки, прошивки и горячей раскатке за несколько циклов кольцевой заготовки. Каждый цикл включает методический нагрев и раскатку, при этом после первого цикла осуществляют отжиг заготовки. Затем после горячей штамповки производят профильную раскатку заготовки и термическую обработку. В результате обеспечивается повышение производительности изготовления изделий и улучшение их структуры и механических свойств.
Одной из возможных причин недостаточно высокой жаропрочности (способности материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах) колец, изготовленных из известных жаропрочных сплавов, является неоднородность размеров зерен кристаллической структуры этих сплавов.
Задачей данного изобретения является повышение механических свойств и длительной прочности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что жаропрочный сплав, содержащий в мас.%: углерод 0,05-0,10; кремний 0,0005-0,39; марганец 0,0005- 0,49; хром 17,50-20,05; никель - основа; титан 1,00-1,40; алюминий 1,90-2,30; вольфрам 5,50-7,50; молибден 4,0-6,0; железо не более 4,0; бор 0,0005-0,008; церий 0,0005-0,03; серу - 0,015 и фосфор - 0,015, дополнительно содержит в мас.%: ванадий 0,0005-0,10; ниобий 0,0005-0,10; магний 0,0005-0,03; свинец - не более 0,010; олово - не более 0,010; мышьяк - не более 0,010; цинк - не более 0,010; медь - не более 0,20.
Выплавка заявляемого сплава возможна в металлургических печах как с использованием чистых шихтовых материалов, так и с использованием паспортной шихтовой рафинированной заготовки (ПШРЗ), полученной из некондиционных отходов (стружки (до 50%), кусковых отходов и полуфабрикатов марок близкого химического состава) в дуговой печи с окислительной продувкой кислородом расплава и дополнительно легированной вольфрамом, молибденом, титаном и алюминием. Использование ПШРЗ на выплавку заявляемого сплава позволяет вовлечь в производство некондиционные отходы с возвратом в производство дефицитных и дорогостоящих материалов, обеспечить стабильный химический состав, что гарантирует стабильность структуры и свойств готовых изделий.
Заявленный сплав является деформируемым, т.е. поддается прессованию, ковке, штамповке или прокатке на различных агрегатах.
Например, такие изделия как цельнокатаные кольца из заявляемого сплава получались нами из кольцевых заготовок. Для этого, выплавленные слитки из заявленного сплава подвергали вакуумному дуговому переплаву, механической обработке, раскрою на мерную длину, последующей осадке и прошивке.
Для формирования однородной, мелкозернистой структуры и получения необходимого уровня механических свойств, а также с целью исключения при деформации образования грубых поверхностных дефектов, нагрев металла осуществляют методически, исключая резкий перепад температур между поверхностными и внутренними слоями по режиму: температура печи при посадке металла не должна быть выше 400°С, затем производят выдержку при этой температуре не менее 2-х часов, после чего увеличивают температуру до 60СН-650°С с произвольной скоростью и производят выдержку не менее 1-го часа, далее поднимают температуру до 1170÷1190°С со скоростью не более 60 град/час и осуществляют выдержку при этой температуре в течение 3÷4 часов.
В макроструктуре кольцевой заготовки не были выявлены трещины, газовые пузыри, расслоения, следы усадочной раковины, шлаковые включения, рыхлости, видимые невооруженным глазом.
В дальнейшем заготовки подвергали горячей раскатке за несколько циклов, включающих методический нагрев и раскатку. Затем осуществляли горячую штамповку, профильную раскатку заготовки и термическую обработку (закалка при температуре 1130-1150°С, выдержка 1,0-1,5 часа, охлаждение на воздухе, последующее старение при температуре 780-830°С с выдержкой 15 часов и охлаждение на воздухе).
Также из заявленного сплава нами осуществлялось получение поковок 070-350 мм и проката 08-65 мм. Для этого, выплавленные слитки из заявляемого сплава подвергали вакуумному дуговому переплаву, механической обработке, последующей деформации на молотах и гидравлических прессах, термической обработке, раскрою на кратные заготовки, для деформации на различных прокатных агрегатах.
Основные результаты исследований были получены нами при использовании сплава следующего состава в масс %: никель - основа; углерод - 0,075; титан - 1,20; железо - 2,0; кремний - 0,20; марганец - 0,25; алюминий - 2,10; хром -18,75; ванадий -0,05; молибден - 5,0; вольфрам - 6,5; ниобий - 0,05; магний - 0,015; церий - 0,015; бор - 0,004; сера - 0,01; фосфор - 0,01; медь - 0,1; свинец - 0,005; олово - 0,005; мышьяк -0,005; цинк - 0,005.
Исследование микроструктуры заявляемого сплава показало, что структура сплава представляет собой γ-твердый раствор с рекристаллизованным равноосным зерном и равномерно распределенной карбидной фазой. Среднюю величину зерна определяли по ГОСТ 5639 «Сталь. Методы выявления и определения величины зерна». Установлено, что средняя величина зерна у заявляемого сплава составляет 90 мкм. Полученная структура обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств и длительной прочности.
Получаемые изделия относятся к первой группе контроля по ОСТ 1 00021 (Отраслевой стандарт «Термическая и химико-термическая обработка деталей. Группы контроля»), который предусматривает контроль механических свойств и макроструктуры на кольцевом припуске каждого кольца.
Контроль качества изделия осуществляли в объеме ОСТ 1 90396 (Отраслевой стандарт «Кольца цельнокатаные точные из легированных коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких сталей и сплавов. Общие технические условия») на образцах, вырезанных из кольцевого припуска в состоянии поставки. Уровень механических свойств при температуре 20°С на образцах, вырезанных в тангенциальном направлении, соответствует требованиям ОСТ 1 90396 и имеет достаточный запас по всем характеристикам. Макроструктура удовлетворительная. Результаты контрольно-сдаточных испытаний представлены в таблице 1.
Анализ результатов исследования длительной прочности показал, что достижение поставленного технического результата - повышение однородности структуры заявляемого жаропрочного сплава на никелевой основе - приводит к повышению его жаропрочности.
Было установлено, что введение в состав сплава ванадия и ниобия по отдельности или попарно не приводило к увеличению размера зерна, повышению однородности структуры сплавов и к повышению их жаропрочности.
Введение магния в предлагаемый жаропрочный сплав при указанном соотношении используется для стабилизации поликристаллической равноосной структуры изделий из сплава, упрочнения межзеренных границ и повышения жаростойкости, что приводит к увеличению пластичности и сопротивления длительной высокотемпературной ползучести.
Результаты исследований показали, что в случае превышения пределов содержания серы, фосфора, свинца, олова, мышьяка, цинка и меди, оговоренных в п. 2 формулы изобретения, резко увеличивается коэффициент неоднородности структуры, а это, в свою очередь, приводит к уменьшению длительной прочности сплава.
Таким образом, исследования физических параметров заявленного сплава показали, что по механическим свойствам при комнатной температуре, относительном удлинении и относительном сужении, он находится на уровне с известным аналогом, а по показателям предела прочности и предела текучести, а также жаропрочности, превосходит его за счет повышения однородности структуры хромоникелевого сплава при указанном в формуле изобретения содержании компонентов.