Исследование двойных сплавов системы W-Ni. Выбор материала по заданным условиям

 

 

2.3 Сплавы на основе никеля и хрома

Сплав нихром X20H80 представляет собой соединение, которое состоит из таких элементов, как Cr (19-21%); Ni(73-78%); Mn (0,7%); Si (1%). Очень часто, данный сплав легируют различными редкоземельными элементами для того, чтобы получить высокую продолжительность работы. Сплав данной марки приобрел широкую популярность среди самых различных категорий потребителей. X20H80 обладает исключительной пластичностью по сравнению с другими аналогичными материалами, которые по большей части содержат в своей основе большое количество железа. Использование железа далеко не лучшая альтернатива нихромовым сплавам. На таких материалах может образовываться поверхностный окисел, что значительно снижает срок эксплуатации, помимо этого, данные элементы обладают значительно большей ломкостью по сравнению со спиралями из нихрома. Именно поэтому, нихром может быть успешно использован при изготовлении нагревателей электротермического оборудования повышенной надежности (ГОСТ 10994-74). Нихром X15H60 – это сплав, содержащий 15 процентов хрома, 60 процентов никеля. Остальные элементы сплава – это железо и различные легирующие добавки. Данный элемент является аналогом X20H80 и имеет более низкую себестоимость. Благодаря повышенному содержанию железа, сплав менее коррозиеустойчив, а также обладает меньшей пластичностью и повышенной ломкостью. Все это ограничивает сферу применения сплавов этой марки. В то же время, нельзя не отметить такую важную характеристику данного сплава, как высокий уровень нагрева, меньшее удельное сопротивление и более высокая экономичность. Х15Н60-Н и Х15Н60-ВИ – содержат 55 – 61% никеля и 15-18% хрома. В качестве легирующих добавок используются алюминий (0.15%), титан (0.05%), кремний (0.4 – 1%), а также фосфор, сера, марганец и углерод. Основное отличие X15H60-Н от Х15Н60-ВИ – использование, соответственно, легирующей добавки циркония либо церия. X20H80-Н и Х20Н80-ВИ – это прецизионные сплавы с высоким химическим соединением, который применяется для непрецизионных резисторов, нагревателей с температурой до 1200°C, соединителей в электронной технике, деталей внутривакуумных приборов, а также для промышленных электропечей и нагревательных устройств. X15H60-Н также известный, как „ферронихром“ – сплав, содержащий 15 процентов хрома и 60 процентов никеля. Такой сплав способен работать при достаточно высокой температуре (до 1125°C), что позволяет применять его в электротермическом оборудовании с высокой надежностью и точностью работы. В то же самое время X15H60-Н имеет значительно более низкую себестоимость по сравнению со сплавом X20H80.

2.4 Выбор сплава

Н.С. Курнаков показал определенную зависимость между составом и структурой сплава, определяемой типом диаграммы состояния и свойствами сплава (твердостью, электропроводностью и.т.д.).

Свойства сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава (рис. 1).

При образовании непрерывного ряда твердых растворов свойства (твердость, электропроводность и др.) изменяются по криволинейной зависимости (рис. 1, б). Твердость компонентов А и В ниже, чем твердость сплавов. При образовании смесей (рис. 1, а) свойства сплава изменяются по линейному закону (аддитивно).

Рисунок 2. Свойства сплавов и их диаграммы состояния

Значение свойств сплавов находятся в интервале между свойствами чистых компонентов. При увеличении Vохл происходит измельчение структуры, в связи с этим свойства против эвтектики оказываются более высокими (пунктирная линия).

ESK – линия эвтектического превращения.

ТА – температура плавления компонента А.

ТАSТВ – линия ликвидус.

В сплавах с ограниченной растворимостью (рис. 1, в; диаграммы с эвтектическим или перитектическим превращениями) свойства при концентрациях, отвечающих однофазовому твердому раствору изменяются по криволинейной зависимости, а в двухфазовой области – по прямой. Крайние точки на прямой являются свойствами предельно насыщенных твердых растворов. Линия EN – линия ограниченной растворимости В в А. При образовании химического соединения (рис. 1, г) на кривой концентрация – свойства, будет иметься максимум (или минимум) – а на прямой перелом. Зная характер взаимодействия между двумя металлами и тип диаграммы состав – свойства, можно легче и быстрее определить состав сплава, обеспечивающий наилучшие свойства.

Диаграмма состояния системы никель-хром относиться к третьему типу (рис 2.в).

Рисунок 3. Диаграмма состояния никель-хром

 

 

Вывод: сплавы содержащие 5 и 20% хрома находятся в однофазной области, значение электропроводности  и пластичности возрастает по криволинейной зависимости. Сплав содержащий 50% хрома находиться в двухфазной области, и согласно правилу Н.С. Курнакова, именно он наиболее удовлетворяет требованиям задачи: обладает наибольшей электропроводностью  и пластичностью по сравнению с остальными.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №3

Сравнить марки стали и выбрать сталь, обладающую наибольшей жаропрочностью и жаростойкостью.

10Х11Н20Т3: эта марка стали относится к сталям аустенитного класса (ГОСТ   5632 – 72). Хромоникелетитаноалюминиевые аустенитные стали 10Х11Н20Т3 и X11H23T3MP применяются для изготовления турбинных дисков, различных кольцевых деталей и т. п. По жаропрочным свойствам указанные стали весьма близки к сплаву на никелевой основе ХН77ТЮР, равноценны сплаву ХН77ТЮ и среди сплавов на железной основе являются одними из наиболее жаропрочных(хим. состав представлен в таблице 3). При температурах 500—650° С эти стали по механическим свойствам несколько уступают сплаву ХН77ТЮР, а при 700 и 750° С очень близки к нему. По сравнению с хромомарганценикелевыми сталями, например 37Х12Н8Г8МФБ, стали типа Х10Н20 обладают большей жаропрочностью и рекомендуются для изготовления наиболее нагруженных деталей. Введение в эти стали бора заметно повышает их жаропрочность.

Таблица 3.

Химический состав, %
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Al	B
до   0.1	до   1	до   1	18 - 21	до   0.02	до   0.035	10 - 12.5	2.6 - 3.2	до   0.8	до   0.02

 

Высокие жаропрочные свойства сталей типа Х10Н20 достигаются после термообработки, состоящей из закалки с температур 1100—1200° С и последующего старения при 700—800° С. Чем больше сечение изделия, тем выше должны быть температуры закалки и старения. Для малых сечений хорошие результаты получаются после закалки на воздухе с 1100—1150° С, а для больших сечений после закалки на воздухе с 1150—1180° С. В первом случае достаточно старение в течение 16 ч при 700° С, а во втором температуру старения необходимо повышать до 750 — 800° С.

Использование в промышленности: турбинные диски, кольцевые детали, крепежные детали, детали компрессора и рабочей части турбины с рабочей температурой до 700 град.; сталь аустенитного класса.

Сталь 40Х9С2, сталь жаропрочная высоколегированная. Сталь с особыми физическими и химическими свойствами: коррозионно-стойкие, жаростойкая и жаропрочная, (ГОСТ 5632-72),предназначена для деталей, работающих в условиях высоких температур и агрессивных газов(хим состав представлен в таблице 4). К сталям стойким против всех видов коррозии относятся, например, такие стали, как 20Х13, 17Х18Н9; к жаростойким (стойким к образованию окалины при температуре >550°С) 40Х9С2; к жаропрочным (прочным при температурах до 1000°С и более) - 36Х18Н25С2 и др. Из указанных сталей изготавливают детали газораспределительных механизмов, выпускных трубопроводов, системы питания и др. Например, сталь 40Х9С2 используется для тарелок выпускных клапанов (стержень из стали 40Х) автомобильных, тракторных моторов, трубок рекуператоров, теплообменников, колосников. Жаростойкие стали и сплавы получают на базе системы Fe - Cr с добавками алюминия и кремния (сильхромы, хромали, сильхромали). Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С.

Таблица 4.

Химический состав, %
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Cu
0.35 - 0.45	2 - 3	до   0.8	до   0.6	до   0.025	до   0.03	8 - 10	до   0.2	до   0.3

Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900 - 1200°С в воздухе, печных газах, в том числе, серосодержащих (15Х5, 15Х6СЮ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2,12Х17, 15Х28), окислительных и науглероживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок. Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С.Жаростойкость зависит от состава стали, а не от её структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова. Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др. Для работы при температуре 500-600 гр. С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые, например 15Х11МФ для лопаток паровых турбин: хромокремнистые (называемые сильхромами ), например 40Х9С2 для клапанов моторов: сложнолегированные, например 20Х12ВНМФ для дисков, роторов, валов.

Для получения оптимальной жаропрочности детали из этих сталей подвергают закалке в масле с температуры 100-150гр С и отпуску при 700-800 С (в зависимости от стали). Сталь 40Х9С2 после закалки имеет структуру мартенсита и твердость НRС~60, а после отпуска -структуру сорбита, твердость НRC~30. Жаростойкость сталей мартенситного класса до температуры 750-850  гр.С.

Сталь 15ХМ- сталь жаропрочная низколегированная (ГОСТ   4543 - 71), применяется для изготовления втулок гусениц тракторов, различных деталей, работающих при температуре от -40 °С до +560 °С под давлением, деталей трубопроводов с закалкой в воду или на воздухе и отпуском на воздухе, трубной заготовки, предназначенной для изготовления бесшовных холоднодеформированных, теплодеформированных, горячедеформированных, в том числе горячепрессованных, и горячепрессованных редуцированных труб, предназначенных для паровых котлов и трубопроводов установок с высокими и сверхкритическими параметрами пара.

Химический состав сплава 15ХМ приведен в таблице 5.

Таблица 5.

Химический состав %
Fe	C	Cr	Cu	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti	W
96	0,11- 0,18	0,8-1,1	≤0,30	0,4-0,7	0,4-0,55	≤0,30	≤0,035	≤0,035	0,17-0,37	-	-

Вывод: на основании приведенных свойств материалов можно сделать вывод что сталь 40Х9С2  наиболее подходит для изготовления изделий работающих при температуре 700 °С так как является жаропрочным и жаростойким материалом.

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Материаловедение является одной из важнейших дисциплин, рассказывающей о свойствах чистых металлов и сплавов, рассматривает как поведет себя заданный материал при определенной температуре.

Знание структуры и свойств материалов приводит к созданию принципиально новых продуктов и даже отраслей индустрии. Однако и классические отрасли также широко используют знания, полученные учёными-материаловедами для нововведений, устранения проблем, расширения ассортимента продукции, повышения безопасности и понижения стоимости производства. Эти нововведения были сделаны для процессов литья, проката стали, сварки, роста кристаллов, приготовления тонких плёнок, обжига, дутья стекла и др.

В ходе выполнения первой части курсовой работы  изучили диаграмму W-Ni, построили кривые охлаждения для данной диаграммы, изучили вольфрамоникелевый сплав , а также назначать вид термической обработки.

Во второй части,  исходя из поставленной задачи, научились выбирать сплавы по заданным условия электропроводности, пластичности  и выбирать сталь удовлетворяющую условиям жаропрочности.

Задание на курсовую работу выполнено в полном объеме.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.: ил.

2. Конструкционные материалы: Справочник / под редакцией Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990

3. Марочник сталей т сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Ваткин; под общ. Ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989. – 640с.

4. Вольфрам/ государственное научно-техническое изд-во черной и цветной металлургии Коллин Дж. Смителлс 1988-340с.

5. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов /  Ю.М. Лахтин, Изд.2, «Металлургия», 1979

6. Металловедение сплавов  тугоплавких и редких металлов/ Е.М Савицкий; Изд-во «Наука» 1985-460с.

7. http://ru.wikipedia.org