Долегирование сплава 48-Т14, выплавляемого на мягких сортах титановой губки » Ремонт Строительство Интерьер. Лесное дело и деревообработка.

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Долегирование сплава 48-Т14, выплавляемого на мягких сортах титановой губки

31.10.2020

Титановая губка содержит ряд примесей, которые сильно влияют на ее прочность, а следовательно, и на прочность сплавов, выплавленных на основе этой губки.

Наибольшее влияние на свойства титановой губки оказывают азот и кислород. Эти элементы, являясь элементами внедрения, повышают прочность титановых сплавов, но при этом резко снижают пластичность, ударную вязкость, а также чувствительность к надрезам и поэтому относятся к числу вредных примесей.

Содержание азота, кислорода и других примесей в губке определяется технологией ее производства. В последние годы промышленность стала производить губку с меньшим содержанием примесей, т. е. менее прочную, или, как принято ее называть, мягкую губку. До 1963 г. поставлялась губка с HB = 130—150 кгс/мм2, а в настоящее время все в больших масштабах поставляется губка с HB = 100—105 кгс/мм2.

Естественно, что при выплавке сплавов на мягкой губке снижение прочности ее должно быть компенсировано увеличением содержания в сплавах легирующих элементов.

Настоящая работа посвящена вопросу делегирования сплава 48-Т14 при выплавке его на губке с HB = 100—105 кгс/мм2 и прочностью 30—33 кгс/мм2 (марки ТГ-100 и ТГ-105).
Долегирование сплава 48-Т14, выплавляемого на мягких сортах титановой губки

Сплав 48-Т14 используется для изготовления баллонов BBД-400. Из табл. 1, где приведены требуемое техническими условиями и фактическое содержание легирующих элементов, а также механические свойства технологических проб слитков и горячекатаных труб (диаметр 490 мм, толщина стенки 50 мм), изготовленных в течение апреля — августа 1964 г., следует, что у толстостенных горячекатаных труб из сплава 48-Т14, как и у всех титановых полуфабрикатов большого сечения, наблюдается так называемое явление в-хрупкости. Прочность и особенно пластичность у металла толстостенных горячекатаных труб ниже, чем у хорошо продеформированного металла малого сечения (технологическая проба от слитков). в-хрупкость связана с тем, что при медленном охлаждении титановых сплавов из области p-фазы образуется крупнозернистая структура с грубопластинчатым внутризеренным строением. Применяемая технология изготовления баллонных труб, при которой температура середины сечения трубы в конце прокатки выше верхней критической точки сплава, и медленное охлаждение труб с температур p-области (ввиду значительных их размеров) способствуют развитию в металле труб в-хрупкости.

Исправить грубую структуру и повысить механические свойства толстостенных труб из титановых сплавов можно только пластической деформацией при температурах ниже верхней критической точки. Однако при этом резко возрастает сопротивление деформации титановых сплавов, и осуществить прокатку при температуре ниже температуры превращения в—а+в на существующем оборудовании нельзя. Поэтому при делегировании сплава 48-Т14 ставилась задача снизить его склонность к в-хрупкости. в-хрупкость отсутствует в высокочистом (иодидном) титане и зависит от содержания в титановых сплавах легирующих элементов и примесей. Однако конкретных данных о влиянии различных элементов на p-хрупкость титановых сплавов в литературе не обнаружено.

Состав сплава для баллонов ВВД-400, выплавляемого на губке с HB = 95—105 кгс/мм2, выбирали путем увеличения содержания каждого из легирующих на 1—2% в композиции сплава марки 48-Т14 (табл. 1). Основываясь на данных работ, считали, что при этом необходимое повышение прочности не будет сопровождаться существенной потерей пластичности и ударной вязкости благодаря меньшему содержанию примесей в сплаве. Кроме того, предполагалось, что повышение чистоты исходной губки позволит получить требуемое сочетание свойств на сплавах более простых композиций, чем сплав 48-Т14.

Для выбора оптимального состава исследовались 23 лабораторных слитка весом по 10 кг. В число опытных плавок входили сплавы следующих систем (табл. 2): 1) Ti—Al—V, содержание ванадия 4%, алюминия — от 5 до 7%; 2) Ti—Al — Mo, содержание молибдена 1 и 3%, алюминия — 5 и 6%; 3) Ti—Al—Mo—V, содержание алюминия 5% и постоянное суммарное содержание молибдена и ванадия 4%, но с изменением их отношения от 1:3 до 3:1; 4) Ti—Al—Mo—V, содержание алюминия изменялось от 5 до 7%, суммарное содержание молибдена и ванадия оставалось постоянным — 5%, но при любом содержании алюминия отношение количества молибдена к количеству ванадия в сплаве изменялось от 1:4 до 3:2. Состав плавки 1282 соответствует составу сплава 48-Т14.

Слитки выплавлялись на губке марки ТГ-105 производства ДТМЗ Фактическая прочность губки оказалась выше марочной и составляла 33- 35 кгс/мм2, что соответствует прочности губки марок ТГ-110 — ТГ-113. По видимому, увеличение твердости и соответственно прочности губки произошло за счет поглощения ею влаги из воздуха во время ее хранения.

Молибден и ванадий вводились в сплавы в виде лигатур Al—Mo и Al—V, а дополнительное количество алюминия — в виде чистого металлического алюминия марки А00. Для приготовления лигатур применялся чистый металлический молибден в штабиках и химически чистая пятиокись ванадия Выплавка слитков производилась в лабораторной вакуумной печи методом двойного переплава расходуемого электрода. Как следует из табл. 2, фактическое содержание молибдена и ванадия близко к заданному, а содержание алюминия имеет систематическое отклонение в меньшую сторону.

Обточенные слитки диаметром 110—115 мм ковались на прутки сечением 14х14 мм через промежуточный размер 35x35 мм в интервале температур 1100—850°. Нагрев слитков и заготовок под ковку осуществлялся в электрической камерной печи

После ковки прутки сечением 14x14 мм отжигались по режимам: 1) нагрев до 800°, выдержка 1 час, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 1100°, выдержка 1 час, охлаждение с печью до 800°, далее — на воздухе; 3) нагрев до 1100°, выдержка 10 час., охлаждение с печью до 800°, далее — на воздухе.

Отжиг в области а+в-фаз при 800° в течение 1 часа с последующим охлаждением на воздухе прутков небольшого сечения, обработка давлением которых заканчивается ниже верхней критической точки, дает возможность получить металл с хорошо проработанной мелкодисперсной структурой. Как известно, механические свойства слитков сплава 48-Т14 на заводах изготовителях определяются по свойствам технологической пробы — прутков подобного сечения, отожженных по приведенному режиму.

Нагрев прутков до температуры в-области (1100°) в течение 1 часа и последующее медленное охлаждение с печью имитируют условия фазовой перекристаллизации, микроструктуру и свойства баллонных труб.

Данные, приведенные в работе, показывают, что указанные выше режимы термической обработки сплава 48-Т14 хорошо воссоздают структуру и свойства технологических проб промышленных слитков и баллонных труб.

Перед ковкой и прокаткой слитки и трубные заготовки сплава 48-Т14 подвергаются длительному высокотемпературному нагреву (1100—1250°, 6—10 часов). Для определения влияния длительного высокотемпературного нагрева без дополнительной деформации на механические свойства опытных сплавов часть прутков подвергалась отжигу по режиму: нагрев до 1100°, выдержка 10 часов, охлаждение с печью до 800°, далее — на воздухе.

После термической обработки прутков сечением 14x14 мм исследовались их микроструктура, механические свойства при испытании на растяжение пятикратных образцов типа Гагарина и на удар образцов типа Менаже.

Из рис. 1 видно, что с увеличением содержания алюминия в сплавах системы Ti—Al—V возрастает (линейно) их прочность, снижаются пластичность и ударная вязкость. В то же время обращает на себя внимание большой разрыв между точками, соответствующими свойствам одного и того же сплава после термической обработки по различным режимам. При этом свойства сплавов после отжига при 1100° с последующим медленным охлаждением до 800° значительно ниже свойств сплавов, отожженных при 800°. Это говорит о чувствительности сплавов системы Ti—Al—V к перегреву, т. е. об их склонности к в-хрупкости.

Для исследованных сплавов системы Ti—Al—Mo (рис. 2), так же как и для рассмотренных выше сплавов, прочность в значительной степени зависит от содержания алюминия в сплаве, а пластичность и ударная вязкость почти не меняются. После высокотемпературного отжига прочность сплавов рассматриваемой системы также значительно понижается, но в отличие от сплавов системы Ti—Al—V снижение относительного сужения и ударной вязкости при этом заметно меньше, а относительное удлинение даже немного повышается.

На механические свойства сплавов этих систем длительность отжига в пределах 1—10 часов при температуре 1100° оказывает гораздо меньшее влияние, чем повышение температуры отжига с 800 до 1100°. Поэтому в дальнейшем рассматриваются механические свойства опытных плавок только после отжига по режимам: нагрев до 800°, выдержка 1 час, охлаждение на воздухе и нагрев до 1100°, выдержка 1 час, охлаждение с печью до 800°, далее — на воздухе.

Прочность сплавов системы Ti—Al—Mo—V (рис. 3) в основном определяется содержанием алюминия в них и практически не зависит от отношения количества молибдена к количеству ванадия как после низкотемпературного (рис. 3,а), так и после высокотемпературного отжигов (рис 3,б).

После низкотемпературного отжига (в мелкозернистом состоянии) прочность сплавов повышается линейно с увеличением содержания алюминия. После высокотемпературного отжига (образцы с крупнозернистой грубопластинчатой структурой) прочность растет линейно при увеличении содержания алюминия от 3,5 до 5%. При дальнейшем увеличении содержания алюминия рост прочности замедляется.

Пластичность и вязкость сплавов при одном и том же содержании алюминия, а следовательно, при практически одинаковой прочности сильно зависят от соотношения количества молибдена и ванадия в сплаве, особенно при грубой структуре сплавов. Так, после высокотемпературного отжига относительное удлинение образцов сплавов, содержащих 3% Mo и 2% V, примерно на 2% выше относительного удлинения образцов сплавов с 2% Mo и 3% V (рис. 3,б). Сплавы, содержащие 1% Mo и 4% V, имеют самые низкие значения относительного удлинения, которые к тому же снижаются при увеличении содержания алюминия с 3,5 до 5%. Относительное сужение для сплавов с отношением содержания молибдена к содержанию ванадия 3:2 и 2:3 также выше, чем для сплавов с отношением содержания этих элементов 1:4.

Ударная вязкость сплавов после отжига при 1100° зависит от содержания алюминия, а после отжига при 800° эта характеристика значительно ниже у сплавов с отношением содержания молибдена к содержанию ванадия 1:4, чем у сплавов с отношением тех же компонентов 2; 3 и 3:2.

В табл. 3 приведены механические свойства сплавов с 4,5% Al, 4% (Mo+V) и изменением их соотношения от 1:3 до 3:1. Эти данные также показывают, что сплавы, в которых содержание молибдена превышает содержание ванадия, более пластичны по сравнению со сплавами с обратным соотношением этих легирующих элементов в рассмотренных пределах легирования.

Поскольку сплав 48-Т14 предназначен для изготовления баллонов из толстостенных горячекатаных труб, которые при существующей технологии их изготовления имеют крупнозернистую грубопластинчатую структуру, содержание молибдена должно превышать содержание ванадия в сплаве примерно в 1,5 раза, так как при этом обеспечивается лучшее сочетание прочности и пластичности полуфабрикатов большого сечения из этого сплава.

Результаты испытаний механических свойств опытных плавок с крупнозернистой структурой подтверждают известное положение о том, что комплексное легирование, в данном случае молибденом и ванадием, дает лучшие результаты, чем легирование каким-либо одним элементом.

Заметим также, что в сплавах системы Ti—Al—Mo—V роль каждого легирующего в изменении механических свойств сплава зависит от структурного состояния металла. Так, при мелком зерне каждый вводимый в сплав процент алюминия упрочнял сплав на 6—7 кгс/мм2, а 1% молибдена или ванадия — всего лишь на 2—5 кгс/мм2. Основное упрочняющее влияние p-стабилизаторов — молибдена и ванадия проявляется в крупнозернистом состоянии сплавов, поскольку при этом 1°/о молибдена или ванадия приводит к упрочнению соответственно на 7—11 и 5—12 кгс/мм2. В то же время 1% Al упрочняет на 5 кгс/мм2 металл сплавов, содержащих 3—4% Al, и с увеличением содержания алюминия до 6% упрочнение снижается до 2 кгс/мм2.

Отрицательное влияние каждого процента алюминия на характеристики пластичности опытных сплавов системы Ti—Al—Mo—V уменьшается при изменении отношения содержания молибдена к содержанию ванадия от 1:4 до 3:2. Каждый процент молибдена или ванадия, вводимый в эти сплавы, практически не изменяет относительного удлинения и снижает относительное сужение на 3—5% и ударную вязкость — на 1—2 кгс/мм2.

Сделанные выше выводы о влиянии каждого из легирующих в сплавах системы Ti—Al—Mo—V согласуются с результатами обработки данных промышленных плавок сплава 48-Т14.

В результате рассмотрения механических свойств опытных плавок, выплавленных на мягких сортах губки, можно сделать вывод, что оптимальным сочетанием свойств, которые отвечают требованиям, предъявляемым к слиткам и горячекатаным трубам для изготовления баллонов ВВД-400, обладают сплавы следующего состава: 4,5—5,5% Al; 2,5— 3,5% Mo и 1,5—2,5% V. Содержание молибдена должно превышать содержание ванадия в 1,5—2 раза. Содержание легирующих в указанных выше пределах имели опытные плавки 1267 и 1271. Из табл. 4 видно, что, по всем показателям механические свойства опытных плавок выше требований технических условий, что дает основание рекомендовать сплав указанного состава как модификацию сплава 48-Т 14 при выплавке его на мягких сортах губки и именовать его сплавом 48-Т14М.

Металлографическое исследование опытных сплавов показывает, что после отжига при 800° микроструктура кованых прутков практически мелкодисперсна в одинаковой степени у всех исследованных сплавов (рис. 4,а, в).


Крупнозернистая пластинчатая микроструктура (рис. 4,6, г) имеет существенное различие в зависимости от соотношения в сплаве количества молибдена и ванадия Наличие более «тонкой» микроструктуры сплавов, в которых содержание молибдена превосходит содержание ванадия, при состоянии металла, близком к состоянию металла горячекатаной трубы или баллона, обусловливает хорошее сочетание механических свойств этих сплавов.

Выбор оптимального варианта делегирования сплава 48-Т14 производился также с учетом горячей пластичности опытных сплавов. Цилиндрические образцы диаметром 30 мм, высотой 40 мм с острыми надрезами с четырех сторон — крешеры — осаживались при двух температурах — на 50° выше верхней критической (деформация 75%) и на 50° ниже верхней критической точки (деформация 45 и 33%). При каждой температуре испытывалось 2—3 образца.

Осадка осуществлялась на прессе мощностью 200 т. Образцы нагревались в электрической камерной печи, время нагрева 40 минут.

Температура превращения в—а+р сплавов определялась металлографическим методом Для сравнения аналогичные испытания проводились на сплаве 48-Т14 плавки 1282, для которой критическая температура равна 950°.

Испытание крешеров при температуре на 50° выше их температуры превращения в—a +P показало высокую технологическую пластичность всех исследованных сплавов, выдержавших без образования трещин деформацию -75%

Снижение температуры испытания на 100° приводит к резкому снижению технологической пластичности, поскольку без образования трещин образцы выдерживают деформацию 45- 33% и даже более низкую в зависимости от состава.

Так, на всех образцах тройных сплавов систем Ti—Аl—Mo и Ti—Al—V при осадке на 45% обнаружены трещины (рис. 5). Однако более глубокие трещины, чем у сплавов с 1—3% Mo и 5—7% Al, были у сплавов, содержащих 5—7% Al и 4%V. Наименее глубокие трещины наблюдались у сплава с 3% Mo.

Среди сплавов системы Ti—Al—Mo—V также имеют преимущество сплавы, у которых содержание молибдена превышает содержание ванадия. Как видно на рис. 6, у образца сплава, содержащего -7% Al, 3% Mo и 2% V (плавка 1290), при осадке на 45% имеется только неглубокий надрыв металла и отсутствуют трещины при осадке 33%, в то время как на образцах сплавов с тем же содержанием алюминия и при отношении содержания молибдена к содержанию ванадия равном 2:3 и 1:4 обнаружены более глубокие трещины и появились трещины даже при осадке на 33%.

Таким образом, при оценке технологичности опытных сплавов при высоких температурах обнаружено преимущество сплавов, содержащих -4—6% Al, 3% Mo и 2% V, по сравнению с остальными опытными составами. Образцы сплава 48-Т14 (плавка 1282) после осадки имели такой же вид, что и образны указанного выше опытного сплава.

С целью более детального изучения механических свойств выбранного сплава, приготовленного на губке с фактической твердостью НВ=95—105 кгс/мм2. в условиях Верхне-Салдинского металлообрабатывающего завода были выплавлены 3 слитка весом по 20 кг, химический состав которых приведен в табл. 5.

Технология выплавки слитков и изготовления из них прутков диаметром 14 мм аналогична описанной выше. Кроме того, часть каждого слитка была прокатана при температуре 1030—880° в полосы толщиной 30 мм для изучения свойств металла опытных сплавов в состоянии, наиболее близком к состоянию металла горячекатаной трубы. Механические свойства прутков диаметром 14 мм, прошедших отжиг, приведены в табл. 6. Предел текучести, относительное удлинение и ударная вязкость всех образцов отвечают требованиям технических условий СТУ 206-9—62. Временное сопротивление металла плавки 38 с максимальным содержанием легирующих элементов выше требований на 1—8 кгс/мм2, что вполне допустимо. Относительное сужение равное 34% вместо требуемого 35% имел один образец из металла плавки 37, содержащий максимальное количество легирующих элементов.

Данные табл. 7 показывают, что в состоянии, близком к состоянию металла горячекатаных труб и баллонов, прочностные характеристики и ударная вязкость металла всех плавок отвечают требованиям действующих технических условий. Относительное удлинение ниже 10% имеют по одному образцу полос плавок 37 и 40, подвергнутых низкотемпературному отжигу. По-видимому, причиной этого снижения является недостаточное снятие наклепа при такой термической обработке.


Для оценки минимально возможной прочности сплава 48-Т14, делегированного по предлагаемому варианту, в лабораторных условиях ЦНИИ металлургии и сварки был выплавлен слиток весом 10 кг, приготовленный на высокочистом (иодидном) титане. Содержание легирующих в слитке: 4,45% Al, 2,60% Mo и 1,63% V.

Как видно из табл. 8, механические свойства прутков сечением 14х14 мм, изготовленных ковкой из этого слитка, в состояниях, близких к состоянию технологических проб слитков, а также горячекатаных труб и баллонов с запасом, обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к ним при производстве баллонов ВВД-400 из сплава 48-Т14

Заключение


Сплав 48-Т 14, предназначенный для изготовления баллонов ВВД-400, при выплавке его на губке марок ТГ-100 — ТГ-105 должен иметь следующий химический состав: 4,5—5,5% Al; 2,5-3,5% Mo; 1,5—2,5% V.

Для обеспечения оптимального сочетания механических свойств и технологичности сплава содержание молибдена должно превышать содержание ванадия в сплаве в 1,5—2 раза.

Механические свойства сплава указанного состава после соответствующей термической обработки удовлетворяют требованиям, предъявляемым к слиткам и горячекатаным трубам для баллонов ВВД-400.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: