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...
Gespeichert in:
Datum: | 2014 |
---|---|
Hauptverfasser: | , |
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 Ukraineid |
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
|