Сплавы на основе системы Co-Ni-Cr-Fe

К этой группе относятся сплавы на основе системы Co—Ni—Cr—Fe с добавками молибдена и (или) вольфрама, а также в некоторых случаях титана, бериллия, меди, марганца и рения.

Сплавы на кобальтовой основе (табл. 41, 42) отличаются высокой коррозионной стойкостью в кислотах, щелочах, парах хлора и других средах, а также значительной прочностью в условиях статических и циклических испытаний. Предел прочности сплавов, например 40КНХМВ, может достигать 3140 Мн/м2 (320 кГ/мм2), т. е. приближаться к значениям, получаемым на высокоуглеродистой стали после патентирования и деформационного наклепа.

Однако усталостная прочность этих сплавов выше, чем патентированной стали. Так, по данным В.А. Сольц, живучесть пружин из сплава 40КНХМВТЮ достигает 25 000—35 000 циклов, а из патентированной стали У9А в тех же условиях — 4000—6000 циклов. Кроме того, кобальтовые сплавы отличаются теплостойкостью и пружины из них могут работать при температурах до 400° С.

Обработка сплавов на кобальтовой основе для получения высокой прочности резко отличается от обработки сплавов на основе системы Fe-Ni-Cr типа 36НХТЮ, 36НХТЮМ5 и 36НХТЮМ8. Если упрочнение сплавов последнего типа может быть достигнуто в результате и термической (закалка и отпуск), и термомеханической обработки (обычной и двойной), то для сплавов на кобальтовой основе применима только термомеханическая обработка (обычная и двойная). Термическая обработка без деформационного наклепа не приводит к заметному упрочнению и изменению физических свойств. Исключение составляет сплав 40КНХМВТЮ, закалка и отпуск которого способствуют заметному упрочнению вследствие выделения интерметаллидных фаз (табл. 41). Обычная схема термомеханической обработки: закалка на твердый раствор, пластическая деформация (прокатка или волочение) с обжатием не менее 30%, изготовление пружин навивкой или штамповкой и завершающий отпуск.

В отожженном состоянии сплавы 40КНХМ и 40КНХМВ состоят из двух фаз: у-твердого раствора и тригонального карбида типа (Cr, Fe, Mo, W)23C6. В структуре сплава 40КНХМВТЮ, кроме у-твердого раствора, имеются интерметаллидные фазы, содержащие титан и алюминий [(Co, Ni, Fe)3 (Ti, Al)], а также очень небольшое количество карбидов.

Для получения высоких прочностных и упругих свойств сплавы подвергают закалке с 1150—1180° С, цель которой — перевести в твердый раствор карбидную фазу в сплавах 40KHXMB или Е40КНХМ, а также интерметаллидные фазы в сплаве 40КНХМВТЮ. После закалки предел прочности сплава 40КНХМ составляет 690—780 MhIm2 (70—80 кГ1=/мм2) при относительном удлинении 40—50%, а сплава 40КНХМВТЮ 690—735 Мн/м2 (70—75 кГ/мм2) при 55—60% соответственно.

Благодаря повышенной пластичности сплав 40КНХМВТЮ может сравнительно легко деформироваться с обжатием даже более 90%, тогда как сплав 40КНХМ уже с трудом деформируется при волочении с обжатием 60%.

После закалки сплавы подвергают холодной пластической деформации с различным обжатием. Для изготовления цилиндрических пружин степень обжатия должна быть -35—50%, ленточных 70—75%, для растяжек — более 90%, а для пружин, работающих при нагреве, 30—40%. При этом чем меньше диаметр проволоки, тем больше степень упрочнения при данном обжатии.

Важное значение для свойств пружинных сплавов имеет кристаллографическая текстура, получаемая в результате деформации. При волочении проволоки из сплава 40КНХМВТЮ в ней образуется текстура типов (сильная) и слабая; в случае сплава 40КНХМ эта текстура отличается большим рассеянием ориентировок. Текстура типа обеспечивает максимальный крутящий момент пружины из проволоки.

Пружинная лента, получаемая плющением проволоки, имеет текстуру типа (110) [111], при этом в плоскости плющения находится (110), а [111] соответствует направлению плющения, т. е. располагается вдоль ленты. Как и в случае проволоки, у сплава 40КНХМВТЮ текстура более совершенная, чем у сплава 40КНХМ.

Кристаллографическая текстура ленты, полученной из плоской заготовки, иная, чем плющеной ленты: (110) [112].

Таким образом, текстура проволоки и плющеной ленты более благоприятна, чем катаной, и может быть использована для упругих элементов, от которых требуется максимальное упрочнение.

Существенно, что текстура деформации сохраняется при нагреве до оптимальных температур отпуска (до 600° С) и изменяется лишь в результате рекристаллизации (выше 700° С).

В процессе деформации сплава типа 40KHXM происходит изменение субструктуры, а также сильно возрастают микронапряжения и неоднородность твердого раствора. Электронномикроскопические исследования «на просвет» показали, что в сплаве после деформации в большом количестве содержатся дислокации (плотность -2-10в11 см-2), которые группируются в виде плоских скоплений, а также деформационные двойники. Концентрация дефектов укладки в сплаве с 0,1% С достигает 7%, а в сплаве с 0,03% С — 8%.

Высокое упрочнение Ю.А. Скаков объясняет образованием плоских скоплений дислокаций, а также большой шириной дефектов укладки, накопление которых ведет к возникновению микродвойников. Отпуск деформированных сплавов вызывает резкое изменение их прочностных свойств(табл.42 и рис. 197).

Данные рис. 198 характеризуют изменение предела упругости сплава 40КНХМВТЮ в зависимости от температуры отпуска.

Упрочнение сплавов при отпуске тем больше, чем выше степень предшествующего наклепа. Это особенно четко выявляется при анализе кривых рис. 198. Судя по данным рис. 199, а также табл. 42, наибольшей прочностью обладает сплав 40КНХМВ, на котором достигается также минимальное упругое последействие по сравнению со многими другими пружинными сплавами, применяемыми для растяжек электроизмерительных приборов. Максимальная статическая прочность обеспечивается отпуском при 500—650° С, а максимальная усталостная прочность достигается после отпуска при 300° С. Модуль упругости оказывается максимальным после отпуска при 400° С, а затем снижается. Учитывая, что отпуск на максимальную статическую прочность (при 500—550° С) приводит к резкому повышению хрупкости, на практике многие упругие элементы, в частности заводные пружины, отпускают при 350—450° С.

Изучению природы упрочнения сплавов на кобальтовой основе типа 40КНХМ при отпуске посвящен ряд экспериментальных работ, выводы которых значительно различаются. Некоторые исследователи считают, что упрочнение сплава при отпуске представляет результат дисперсионного твердения деформированного твердого раствора, причем указывают даже тип выделяющихся при отпуске избыточных — интерметаллидных (Fe3Mo2) или карбидных.

В работе предпочтение отдается образованию К-состояния, поскольку это внутрифазовое превращение в твердом растворе, выявляемое по росту удельного электросопротивления при отпуске, развивается параллельно с упрочнением. В работе указывается, что упрочнение при отпуске является следствием выделения карбидной фазы и внутрифазового превращения. Однако выделение карбидов типа Cr3Mo3C и Cr23C8 наблюдается лишь в результате отпуска при температурах выше 600° С, когда сплавы разупрочняются. На этом основании авторы пришли к заключению, что упрочнение связано с образованием в деформированной матрице при отпуске концентрационных неоднородностей — сегрегаций молибдена и углерода.

Как экспериментально показал Ю.А. Скаков, при отпуске в районе достижения максимальной величины предела упругости (~500° С) сильно деформированных сплавов типа 40КНХМ наблюдаются дифракционные эффекты, связанные с возникновением сегрегаций Сузуки, состоящих главным образом из атомов молибдена и углерода. Это не исключает возможности образования и других типов сегрегаций по механизму Коттрелла и др.

Эффекты малоуглового рентгеновского рассеяния, соответствующие появлению областей неоднородностей размером 1—10 нм (10—100 А), появляются при температуре 600—650° С, когда уже отмечается разупрочнение. Еще более значительному разупрочнению соответствует появление частиц карбидов, которые были зафиксированы Ю.А. Скаковым после отпуска при 700° С и притом в тех участках кристаллов, в которых произошла рекристаллизация.

Если высокое сопротивление малым пластическим деформациям, как указано выше, объясняется образованием сегрегаций на дефектах строения, то высокая твердость и другие прочностные свойства приобретают максимальное значение на более поздней стадии отпуска, когда происходят процессы преобразования внутри сегрегатов, которые, однако, еще нельзя рассматривать как выделения.

В случае сплава 40КНХМВТЮ, помимо указанных факторов, определенный вклад в упрочнение вносит процесс дисперсионного твердения вследствие выделения интерметаллидных фаз, содержащих титан и алюминий, поскольку и в недеформированном сплаве, только закаленном и отпущенном (т. е. без промежуточной деформации), происходит упрочнение вследствие дисперсионного твердения.

Упрочнение сплавов на кобальтовой основе можно повысить в еще большей степени при введении рения.

Пружинные сплавы на кобальтовой основе, обладая высокой прочностью и ценными физико-химическими свойствами, находят значительное применение в приборостроении для упругих элементов ответственного назначения — заводные пружины малогабаритных часовых механизмов, растяжки и подвесы электроизмерительных приборов, цилиндрические пружины и т. п. Упругие элементы из сплавов на кобальтовой основе могут работать при температурах до 400° С; при более высоких температурах наблюдается уже заметное разупрочнение (рис. 200) и снижается модуль упругости (рис. 201).

Для улучшения свойств сплава 40KHXM может быть применена описанная выше двойная термомеханическая обработка: закалка с 1100—1150° С, холодная пластическая деформация, повторная скоростная закалка с 1050° С и заключительный отпуск. После указанной холодной пластической деформации с обжатием 30% предел упругости (о0,002) сплава составляет 765 Мн/м2 (78 кГ/мм2), после обжатия 50% — 825 Мн/м2 (84,2 кГ/мм2). Повторная скоростная закалка (выдержка 3 сек) повышает предел упругости в первом случае до 1010 Мн/м2 (103 кГ/мм2), а во втором — до 1190 Мн/м2 (121,4 кГ/мм2), при этом значительно возрастает удлинение с 4—5 до 14—16%. Это повышение пластичности позволяет изготовлять из сплава 40КНХМ упругие элементы, требующие штамповки или сложной гибки, что невозможно при обычной термомеханической обработке. После скоростной закалки (предварительное обжатие 50%) и отпуска при 500° С, 5 ч, предел упругости сплава 40КНХМ достигает 1310 Мн/м2 (134 кГ/мм2), что несколько ниже (на 160 Мн/м2, т. е. 16,3 кГ/мм2), чем после обычной термомеханической обработки (закалка, пластическая деформация с обжатием 50% и отпуск при 500° С, 5 ч).

Однако указанные выше технологические преимущества, получаемые в результате повышения пластичности, свидетельствуют о целесообразности применения в ряде случаев двойной термомеханической обработки сплава 40КНХМ.

Результаты исследования свойств сплавов 40КНХМ и 40КНХМВТЮ после более совершенных способов выплавки показали, что применение вакуумной выплавки несколько улучшает свойства сплавов при статическом нагружении [предел упругости повышается на 100—200 Мн/м2 (10— 20 кГ/мм2).

По данным тех же авторов, сильно улучшается усталостная прочность сплавов, что очень важно для многих областей применения кобальтовых сплавов. Так, средний прирост живучести пружин из олова 40КНХМ вакуумной выплавки составил 90 и 130% (пружины двух разных размеров), а из сплава 40КНХМВТЮ на пружинах других размеров 36%.