Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu

Исследовано влияние состава и способа выплавки никелевых сплавов на структуру и свойства. Плавку производили в среде аргона и под флюсом. Установлено, что плавка в среде аргона никелевых сплавов с высоким содержанием марганца позволяет получать более стабильные по составу слитки, чем при плавке по...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2014
Hauptverfasser: Хорунов, В.Ф., Лотоцкий, П.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Schriftenreihe:Автоматическая сварка
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103426
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu / В.Ф. Хорунов, П.Н. Лотоцкий // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 12-16. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-103426
record_format dspace
spelling irk-123456789-1034262016-06-17T03:02:39Z Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu Хорунов, В.Ф. Лотоцкий, П.Н. Научно-технический раздел Исследовано влияние состава и способа выплавки никелевых сплавов на структуру и свойства. Плавку производили в среде аргона и под флюсом. Установлено, что плавка в среде аргона никелевых сплавов с высоким содержанием марганца позволяет получать более стабильные по составу слитки, чем при плавке под флюсом. Отмечено, что сплавы рассматриваемой системы склонны к образованию пор. Повышение температуры разливки способствует уменьшению пористости в слитках. Изучена структура слитков с различным содержанием марганца в литом состоянии, после отжига и прокатки. Показано, что при содержании марганца в сплавах до 25 мас. % удается получать слитки с высокой прочностью и пластичностью, которые хорошо поддаются обработке давлением. После прокатки сплавы имеют структуру мелкозернистого твердого раствора. Прочность такого металла достигает 900…950 МПа при относительном удлинении около 40 %. При большем содержании марганца сплавы становятся хрупкими в результате формирования в них интерметаллидных фаз. 2014 Article Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu / В.Ф. Хорунов, П.Н. Лотоцкий // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 12-16. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103426 621.791.3.04 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
spellingShingle Научно-технический раздел
Научно-технический раздел
Хорунов, В.Ф.
Лотоцкий, П.Н.
Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
Автоматическая сварка
description Исследовано влияние состава и способа выплавки никелевых сплавов на структуру и свойства. Плавку производили в среде аргона и под флюсом. Установлено, что плавка в среде аргона никелевых сплавов с высоким содержанием марганца позволяет получать более стабильные по составу слитки, чем при плавке под флюсом. Отмечено, что сплавы рассматриваемой системы склонны к образованию пор. Повышение температуры разливки способствует уменьшению пористости в слитках. Изучена структура слитков с различным содержанием марганца в литом состоянии, после отжига и прокатки. Показано, что при содержании марганца в сплавах до 25 мас. % удается получать слитки с высокой прочностью и пластичностью, которые хорошо поддаются обработке давлением. После прокатки сплавы имеют структуру мелкозернистого твердого раствора. Прочность такого металла достигает 900…950 МПа при относительном удлинении около 40 %. При большем содержании марганца сплавы становятся хрупкими в результате формирования в них интерметаллидных фаз.
format Article
author Хорунов, В.Ф.
Лотоцкий, П.Н.
author_facet Хорунов, В.Ф.
Лотоцкий, П.Н.
author_sort Хорунов, В.Ф.
title Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
title_short Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
title_full Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
title_fullStr Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
title_full_unstemmed Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu
title_sort особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы ni–mn–cu
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2014
topic_facet Научно-технический раздел
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/103426
citation_txt Особенности выплавки, структура и свойства никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu / В.Ф. Хорунов, П.Н. Лотоцкий // Автоматическая сварка. — 2014. — № 5 (732). — С. 12-16. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Автоматическая сварка
work_keys_str_mv AT horunovvf osobennostivyplavkistrukturaisvojstvanikelevyhsplavovsistemynimncu
AT lotockijpn osobennostivyplavkistrukturaisvojstvanikelevyhsplavovsistemynimncu
first_indexed 2025-07-07T13:51:02Z
last_indexed 2025-07-07T13:51:02Z
_version_ 1836996375792844800
fulltext 12 5/2014 УДК 621.791.3.04 ОСОБЕННОСТИ ВЫПЛАВКИ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Ni–Mn–Cu В. Ф. ХОРУНОВ, П. Н. ЛОТОЦКИЙ ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Исследовано влияние состава и способа выплавки никелевых сплавов на структуру и свойства. Плавку производили в среде аргона и под флюсом. Установлено, что плавка в среде аргона никелевых сплавов с высоким содержанием марганца позволяет получать более стабильные по составу слитки, чем при плавке под флюсом. Отмечено, что сплавы рассматриваемой системы склонны к образованию пор. Повышение температуры разливки способствует уменьшению пористости в слитках. Изучена структура слитков с различным содержанием марганца в литом состоянии, после отжига и прокатки. Показано, что при содержании марганца в сплавах до 25 мас. % удается получать слитки с высокой проч- ностью и пластичностью, которые хорошо поддаются обработке давлением. После прокатки сплавы имеют структуру мелкозернистого твердого раствора. Прочность такого металла достигает 900…950 МПа при относительном удлинении около 40 %. При большем содержании марганца сплавы становятся хрупкими в результате формирования в них интер- металлидных фаз. Библиогр. 8, табл. 3, рис. 7. К л ю ч е в ы е с л о в а : сплавы системы Ni–Mn–Cu, плавка под флюсом и в инертной среде, структура, механические свойства сплавов, пайка, припои Известно, что конструкционные материалы на ос- нове железа, как правило, имеют структуру твер- дого раствора, а припои в большинстве своем – эв- тектики, часто имеющие в составе хрупкие фазы. Это противоречие устраняется за счет конструк- ции паяного соединения, режимов пайки или ка- ких-то специальных приемов. Поэтому разработка припоев на основе твердых растворов является ак- туальной задачей в течение ряда лет. Сплавы системы Ni–Mn–Cu достаточно хоро- шо изучены во многих работах [1–4]. Анализ фа- зового состава сплавов этой системы показывает [1], что в ней имеются широкие области сплавов со структурой твердого раствора с приемлемой температурой плавления для пайки коррозионно- стойких сталей. В основном это сплавы на осно- ве меди. На базе этой системы построены такие известные припои, как ВПР-2, ВПР-4, ПМ38МЛ, ПМ-17, П65 и др. [5, 6]. Никелевым сплавам этой системы повезло меньше. Из широко применя- емых припоев можно назвать американский при- пой BNi-8, но он эвтектический, имеющий 7 мас. % кремния. В работах [7, 8] изучены сплавы этой си- стемы в области концентраций 7...27 мас. % Mn, 7…27 мас. % Cu, 1…10 мас. % Si, Ni — остальное с целью определения возможности получения эв- тектических сплавов с более низким содержанием кремния. Наиболее интересные результаты полу- чены при изучении сплавов системы Ni–24Mn– Cu–Si. И все же разработка припоя со структурой твердого раствора — заманчивая перспектива, но реализовать ее очень сложно. Целью настоящей работы являлось изучение структуры и свойств никелевых сплавов системы Ni–Mn–Cu в зависи- мости от состава и технологии выплавки. Из анализа построенной соответствующей ди- аграммы состояния (рис. 1) следует, что области интерметаллидных фаз NiMn и Ni3Mn имеют про- должение в трехкомпонентной системе до опре- деленного содержания меди. Нами исследованы структура и свойства сплавов, лежащих в пригра- ничной области (рис. 1, табл. 1). Как видно из та- блицы и приведенных диаграмм, двигаясь по аб- сциссе 19 мас. % меди, мы должны перейти от сплавов со структурой твердого раствора к струк- туре с интерметаллидными соединениями. Плавки выполняли под криолитом. Сплав вы- ливали в чугунную изложницу, а затем опробыва- ли возможность прокатки слитков и исследовали микроструктуру. Микроструктура слитка № 8 с низким содер- жанием марганца (20 мас. %) однофазная в литом и отожженном состояниях (рис. 2, а, б). Межкри- сталлитные границы чистые. С увеличением мар- ганца до 25 мас. % (слиток № 9) в центре слитка в междендритных участках выделяется эвтектиче- ская составляющая и структура становится двух- фазной (рис. 2, в). Однако отжиг при температуре 950 оС восстанавливает однофазность структуры по всему объему слитка (рис. 2, г). Сплавы удает- ся прокатать в пруток со стороной 14 мм. При дальнейшем увеличении содержания мар- ганца (30 мас. % в слитке № 10) количество вто- рой фазы растет, и при 35 мас. % (слиток № 11) она заполняет все пространство между дендри- тами (рис. 3, а). Анализ тройной диаграммы Ni–© В. Ф. Хорунов, П. Н. Лотоцкий, 2014 135/2014 Mn–Cu [2] показывает, что при подобном соотноше- нии компонентов охрупчи- вание и упрочнение матри- цы происходит вследствие упорядочения (или выделе- ния фазы типа NiMn). В исследуемых спла- вах химический состав ин- терметаллидной фазы, вы- деляющейся по границам кристаллитов, отличается от выделений внутри ма- трицы главным образом по- вышенным содержанием кремния, который является одним из элементов, стаби- лизирующим упорядочен- ную матричную фазу. Сле- довательно, присутствие кремния должно облегчать кристаллизацию сплава в междендритных участках слитка в виде интерметал- лидной фазы. В этом слу- чае отожженные сплавы также двухфазны (рис. 3, б) и обладают повышенной твердостью, хрупкостью и при обработке разрушаются по границам кристаллитов. Кривые, отражающие зависимость микротвердости дендритных и межден- дритных участков литого металла от со- держания марганца, показывают, что при введении в сплав 35 мас. % марганца (слиток № 11) твердости матрицы и ин- терметаллидных прослоек близки друг к другу или совпадают, что лишний раз позволяет сделать предположение об упорядоченном состо- янии матрицы (рис. 4). Кривые имеют характер- ную площадку твердости дендритов в интервале 25…30 % марганца (за исключением кривой, опи- сывающей центральные части слитков). Присадка с большим количеством марганца и появление упрочняющих фаз должно увеличивать Т а б л и ц а 1 . Химический состав и и структура исследуемых спла- вов № слит- ка Химический состав, мас. % Масса слитков, кг Коли- чество второй фазы, % Пори- стость, %Ni Mn Cu Si Ce 8 60 20 19 0,9 0,2 5 Нет 18 9 55 25 19 0,9 0,2 5 1,55 10 10 50 30 19 0,9 0,2 5 7,3 9 11 45 35 19 0,9 0,2 5 10,1 1 Рис. 1. Фазовые области в сплавах системы Ni–Mn–Cu в сравнении с фазовыми областями в бинарных системах [1]:8–11 — слитки, приведенные в табл. 1 Рис. 2. Микроструктура (×200) слитков сплавов системы Cu–Mn–Ni c 20 мас. % Mn (а, б) и с 25 мас. % Mn (в, г) в литом со- стоянии (а, в) и после отжига при 950 оС (б, г) 14 5/2014 угол наклона кривой, что наблюдается на некото- рых графиках (рис. 4). Резкое изменение хода кри- вой при содержании марганца 30 мас. % и выше, безусловно, свидетельствует об интенсивном раз- витии процесса упрочнения за счет упорядочения. В соответствии со значениями твердостей на- ходятся и механические характеристики сплавов. Слитки с малым содержанием марганца легко обрабатываются давлением, пла- стичны, в то время как с повышением марганца в сплавах падает их пластич- ность, возрастает сложность обработки. Сплавы с содержанием 35 мас. % мар- ганца разрушаются при механической и электроискровой обработке. Значительной трудностью при вы- плавке сплавов с высоким содержанием марганца является появление пористо- сти в слитках, которая проявляется как при плавке под флюсом, так и в аргоне, причем закономерность их появления не установлена, поскольку выплавить боль- шое количество сплавов для статистиче- ской оценки очень дорого. Поэтому были поставлены специальные эксперименты с целью определения влияния на появле- ние пор температуры разливки сплавов (табл. 2). Плавки производили под флю- сом АНМ-10, применение которого про- ще, чем криолита. Жидкий металл был разлит в чугун- ные изложницы. Полученные слитки Т а б л и ц а 2 . Химический состав и температура разливки сплавов № слитка Химический состав шихты, мас. % Масса слитка, кг Температура разливки, оСNi Mn Cu Si Cr Mo Ce 12 55 25 19 0,8 - - - 5 1300 13 52 25 19 0,8 2 0,75 0,3 22 1200 14 52 25 19 0,8 2 0,75 0,3 22 1250 15 52 25 19 0,8 2 0,75 0,3 22 1300 Рис. 3. Микроструктура (×200) слитков сплавов системы Cu– Mn–Ni c 35 мас. % Mn в литом состоянии (а) и после отжига при 950 оС (б) Рис. 4. Зависимость микротвердости дендритных (1) и меж- дендритных (2) участков в слитках от содержания марганца (слитки № 8–11 по табл. 1): а — края слитка; б — промежу- точная часть; в — центральная часть слитка Рис. 5. Продольный разрез слитков сплава системы Ni–Mn–Cu–Si–Cr– Mo–Се с различной температурой разливки: а — 1200; б — 1250; г — 1300 оС 155/2014 были разрезаны вдоль и прошлифованы по по- верхности разреза. Хорошо видно (рис. 5), что пористость слитков уменьшается с повышением температуры разливки, однако значение усадоч- ной раковины возрастает. При исследовании ми- кроструктуры в различных частях слитков также установлена та же закономерность. Естественно, это особенно четко видно, если сравнивать струк- туры центральной части слитков (рис. 6), по- скольку это связано с условиями отвода тепла от жидкого металла и соответственно направлением роста кристаллов. Полученные результаты положены в осно- ву для проведения дальнейших экспериментов. Так, выплавлено под флюсом и в среде аргона ряд сплавов рассмотренной выше четверной системы Т а б л и ц а 3 . Химический состав и механические характеристики опытных исследуемых сплавов № слитка Химический состав, мас. % Механические характеристики Защитная средаNi Mn Cu Si Cr Mo Ce Al σт, МПа σв, МПа δ, % ψ, % 5 54 25 23,9 20 20 1 0,9 - - - 0,8 0,22 615,0 970 39 54 Флюс «криолит»6 50 30 23,7 19 20,7 - - - 0,1 0,8 0,36 453,0 760 40 53 7 53 25 22,6 19 19,8 1 0,94 2 2,8 0,75 Не обн. 0,3 - 580,0 900 41 50 2 54,8 52,5 23,8 22,8 20,5 19,9 0,87 0,96 - - - - - - - - Аргон (после вакуумирования) 3 54,8 52,5 23,8 23,8 20,5 21,6 0,87 0,71 - 1,5 1,44 - - 568,0 950 36 48 Примечание. Второе значение химического состава сплавов является результатом химического анализа. Рис. 6. Микроструктура (×200) сплавов системы Ni–Mn–Cu–Si–Cr–Mo, разлитых при различной температуре: а — край слит- ка; б — промежуточная часть; в — центральная часть слитка 16 5/2014 (и с некоторым дополнительным легированием) с содержанием марганца ниже 25 мас. %. Получен- ные слитки прокатывали в квадрат со стороной 25 или 14 мм, из которых вырезали образцы для металлографических исследований и брали про- бы для химического анализа. Результаты экспери- ментов приведены в табл. 3. Из данных таблицы вытекает, что потери мар- ганца — элемента с высокой упругостью пара – при плавке в аргоне с предварительным вакуумировани- ем укладываются в 1 мас. %, тогда как при плавке под флюсом наблюдается большой разброс, в от- дельных случаях превышающий 5 мас. %. Присадка небольших количеств алюминия, хрома, молибдена не отражается существенно на механических свойствах выплавляемого метал- ла: получены пластичные, высокой прочности сплавы. Для большинства плавок прочность спла- вов на разрыв превышала 90 МПа, а относитель- ное удлинение составляло около 40 %. Структу- ра сплавов — мелкодисперсный твердый раствор; текстура прокатки явно не выражается, однако зерна поперек прокатки заметно меньше зерен вдоль прокатки. У рассматриваемых сплавов приемлемый ин- тервал плавления и они могут найти широкое применение в промышленности для пайки ста- лей различных классов, твердосплавных сплавов и других материалов. Выводы 1. Плавка в среде аргона (с предварительным ва- куумированием) сплавов системы Ni–Mn–Cu с высоким содержанием марганца позволяет полу- чать более стабильные по составу слитки, однако отличие в качестве не столь радикальное, чтобы перекрыть высокую стоимость этого процесса по сравнению с плавкой под флюсом. 2. Никелевые сплавы с высоким содержанием марганца склонны к образованию пористости. Од- ним из способов борьбы с этим явлением является повышение температуры разливки. 3. При содержании марганца до 25 мас. % по- лучаются пластичные, высокой прочности спла- вы, которые хорошо поддаются обработке давле- нием. При большем содержании марганца сплавы становятся твердыми и хрупкими и обработке дав- лением не поддаются. 4. Припои на базе рассматриваемых сплавов найдут широкое применение для пайки сталей различных классов, твердосплавных и других ма- териалов, в том числе в разнородном сочетании. 1. Салли А. Марганец. – М.: Металлургиздат, 1959. – 296 с. 2. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди / Н. Р. Бочвар, Л. С. Гузей, Е. В. Лысова и др. – М.: Наука, 1979. – 247 с. 3. Чжан-Бао-Чан. Изучение тройных сплавов Cu–Mn–Ni // Изв. вузов. Цвет. металлургия. – 1958. - № 5. – С. 107–115. 4. Баженов В. Е. Изучение кристаллизационных процессов тройных сплавов с целью оценки их склонности к нерав- новесной кристаллизации. – Автореф. дис. … канд. техн. наук, 2013. – 25 с. 5. Справочник по пайке / Под ред. И. Е. Петрунина. – 3-е изд. – М.: Машиностроение, 2003. – 480 с. 6. Лашко С. В., Лашко Н. Ф. Пайка металлов. – 4-е изд. – М.: Машиностроение, 1988. – 376 с. 7. Хорунов В. Ф. Основы пайки тонкостенных конструк- ций из высоколегированных сталей. – Киев: Наук. думка, 2008. – 240 с. 8. Хорунов В. Ф., Дорошенко Л. К., Васильев В. Г. Диаграм- ма плавкости и структура сплавов системы никель–мар- ганец–медь–кремний // Автомат. cварка. – 1988. – № 9. – С. 32–36. Поступила в редакцию 14.01.2014 Рис. 7. Микроструктура (×400) сплава Ni–24,3Mn–22,5Cu– 0,64Si, прокатанного в пруток со стороной 14 мм: а — струк- тура по плоскости, перпендикулярной направлению прокат- ки; б — структура прутка вдоль направления прокатки