Твердые сплавы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

За последние 35 лет сильно возрос интерес к материалам, обладающим значительной прочностью при высоких температурах.
...
В тот период, когда они требовались преимущественно только для паровых машин, паровых турбин и оборудования химической промышленности, речь шла о рабочей температуре не выше 500° С. При таких условиях можно было довольствоваться сплавами на основе железа, и тогда были разработаны многочисленные высокотемпературные стали, легированные никелем, кобальтом, хромом, кремнием и другими элементами.
...
В последние годы положение коренным образом изменилось. Уже после 1953 г. созданы самолеты дальнего радиуса действия с реактивными двигателями, посланы в космос многочисленные спутники и космические корабли с ракетными двигателями. В связи с этим возникла потребность в материалах для газовых турбин, воздушно-реактивных двигателей, ракет, атомных реакторов, т. е. в материалах, способных к работе при температурах 800—1000° С и даже значительно выше [1—35]. Сплавы на основе железа для таких высоких температур почти непригодны.
...
В работах [20, 35] сообщается о тех проблемах, с которыми приходится сталкиваться конструкторам и материаловедам при конструировании двигателей для самолетов и космических кораблей. На рис. 108 приведены рабочие температуры указанных двигателей и пригодные для них по точкам плавления металлы, окислы и металлоподобные твердые материалы.
...
Критерием для усиленной подвижности атома и, следовательно, для уменьшенного сопротивления деформации является поведение металла или сплава в отношении рекристаллизации. Для каждого данного металла можно ожидать высокой механической прочности только при температуре ниже его точки рекристаллизации.
...
Рис. 108. Рабочий интервал высокотемпературных деталей в сопоставлении с точками плавления тугоплавких металлов, окислов и твердых материалов (по Харвуду и Промайзелю):
...
Температуру рекристаллизации сплавов на основе железа (сталей) не удалось поднять намного выше 800° С ни путем легирования, ни другими какими-либо мероприятиями. В связи с этим подобные материалы оказались непригодными для тех случаев, когда требуются достаточные прочностные характеристики при указанных температурах. Улучшенные сплавы на основе никеля, кобальта и хрома рекристаллизуются при более высоких температурах. Их, однако, также нельзя использовать при температурах выше 950—1000° С.
...
/ — поршневой двигатель; 2 — турбинный двигатель;
...
Температурный интервал, в котором рекристаллизация металлоподобного материала становится заметной, в значительной степени зависит от точки плавления (рис. 109). Это дает примерное представление о прочностных характеристиках, которые можно ожидать при высоких температурах. Наибольшую прочность при наиболее высоких температурах можно предвидеть только у тех металлоподобных и металлических материалов, которые имеют наиболее высокую точку плавления.
...
Эта точка зрения подтверждена практическими экспериментами. Все изученные до настоящего времени тугоплавкие металлы, металлоподобные и неметаллические тугоплавкие твердые материалы обладают приемлемой жаропрочностью.
...
Из-за высокой точки плавления существенную роль при изготовлении этих материалов приобретают методы порошковой металлургии [1, 6, 36—38]. В табл. 60 приведены точки плавления и величины плотности тугоплавких металлов, неметаллов, карбидов, нитридов, боридов, силицидов и окислов по Кэмпбеллу [39]. Точки плавления приведены на основании позднейших данных. Произведена также классификация материа-
...
Точки плавления, плотность, деформируемость и окалиностойкость тугоплавких материалов
...
Свойства тугоплавких интерметаллических соединений
...
Возможность применения в качестве высокотемпературных материалов тугоплавких металлов, например вольфрама, молибдена, ниобия и тантала, ограничена из-за недостаточной устойчивости их к окислению при высоких температурах. В ракетных соплах, однако, вследствие кратковременного воздействия высоких температур— даже незащищенные молибден и вольфрам, их сплавы, а также графит и композиционные материалы на основе вольфрам — серебро показали очень хорошие результаты. У ракет, работающих с твердыми и жидкими реактивными зарядами, часто при сгорании образуются нейтральные или слабо восстановительные выхлопные газы, которые могут в течение короткого времени играть роль защитной атмосферы.
...
В обычных же случаях применения высоких температур приходится иметь дело с воздействием агрессивной или окислительной атмосферы. Таким образом, тугоплавкие металлы можно применять только лишь при повышении их окалиностойкости путем легирования или в том случае, если они защищены окалиностойким покрытием, хорошо соединяющимся с основным материалом.
...
В то время как легирование молибдена и вольфрама до настоящего времени не дало положительных результатов (если не считать разработку хрупких высокотемпературных, устойчивых до 1700° С дисилицидов), легирование ниобия 28% W и 10% Ti позволило получить окалиностойкие материалы, устойчивые на воздухе или в кислороде при температуре до 1300°С вследствие образования прочно соединяющейся с основным материалом окисной пленки Nb20.3—
...
Для тугоплавких благородных металлов подобные защитные покрытия не требуются. Их применению, однако, препятствуют большая плотность и высокая стоимость. Некоторые возможности существуют для покрытий, промежуточных слоев или керметов из металлов платиновой группы.
...
Предположение о том, что металлоподобные твердые материалы с их высокими точками плавления должны иметь удовлетворительную жаропрочность, уже подтвердилось на практике. Как уже упоминалось ранее, преимущество твердосплавных режущих инструментов основано главным образом на их горячей твердости, т. е. на высоком сопротивлении деформации при высоких температурах, создающихся при больших скоростях резания. Устойчивость к окислению также в известной мере является предпосылкой для удовлетворительного поведения режущего материала. Современные торговые марки твердых сплавов обладают достаточной устойчивостью к окислению при умеренно высоких температурах. Они, однако, интенсивно покрываются окалиной при температурах, возникающих у приводных механизмов турбин и сопел. Из карбидов, входящих в состав металлокерамических твердых сплавов, только карбид титана обладает, по-видимому, достаточной окалино-стойкостью при температурах выше 500° С. Это превосходство карбида титана хорошо подтверждается опытными данными по технологии резания.
...
Высокотемпературные свойства металлокерамических материалов на карбидной основе зависят, однако, не только от свойств карбидной фазы, но и от характеристик связующего металла. Обладающая низкой ока-линостойкостью связка оказывает вредное воздействие даже при наличии устойчивых к окислению карбидов. Таким образом, наилучшими высокотемпературными свойствами характеризуются сплавы на основе TiC с жаропрочной цементирующей фазой из сплавов типа Ni—Сг—Со—Сг и Ni—Со—Сг [44].
...
При более высоких температурах возможность применения карбида титана, а также других карбидов или твердых растворов карбидов становится ограниченной из-за увеличивающейся склонности к окислению. Применение твердых сплавов на карбидной основе, подверженных окислительному воздействию при температурах выше 1100° С, целесообразно только в том случае, если эти материалы защищены надежным покрытием [45].
...
Карбиды не являются единственными пригодными твердыми материалами. В целях разработки твердых сплавов на основе других тугоплавких металлов Шварц-копф провел систематические исследования подобных
...
материалов с такими же механическими и термическими характеристиками, как карбиды, но превосходящими их в отношении коррозионной стойкости и устойчивости к окислению [46, 47]. Эти работы привели к открытию металлокерамических материалов на боридной основе, которые по горячей твердости превосходят все остальные высокотемпературные материалы. Устойчивость к термоударам, ударная вязкость и окалиностойкость их, однако, еще недостаточны.
...
Особое значение в настоящее время приобретают также силициды, которые можно применять в качестве защитных покрытий на тугоплавких металлах, а также в виде массивных спеченных изделий. Из всех рассматриваемых силицидов наибольшую ценность наряду с дисилицидом вольфрама имеет дисилицид молибдена, устойчивый к окислению при температуре до 1700° С.
...
В первом издании книги наряду с сообщением о материалах на основе металлоподобных твердых материалов говорилось о высокотемпературных материалах из окислов, керамики и смешанных материалах окись металла—металл, так называемых «керметах».
...
Надежды, возлагавшиеся на эти материалы, в особенности на последнюю группу, до сих пор не оправдались; они представляют интерес только в качестве защитных покрытий. По этой причине настоящую главу авторы книги не расширяют и дают лишь ссылки на новейшие литературные источники по данному вопросу [45—47].
...
Требования, предъявляемые к высокотемпературным материалам на основе твердых материалов, могут быть различны в зависимости от области применения и еще не полностью уяснены. Турбинные лопатки, на которые наряду с соплами ракет в дальнейшем авторы будут ссылаться как на наиболее типичные изделия, могут подвергаться воздействию центробежных усилий, термоударов, а также вибрационных усилий.
...
Из механических характеристик особо важными являются высокая жаропрочность и устойчивость к ползучести. С точки же зрения устойчивости воздействию
...
2. Требуемые характеристики высокотемпературных материалов
...
центробежных усилий больше подходит материал меньшей плотности. Если центробежные усилия отсутствуют, например у направляющих лопаток, плотность материала играет второстепенную роль. Для сопел ракет требуется низкая плотность.
...
У турбинных лопаток часто наблюдаются усталостные поломки. При этом очень трудно на основании экспериментальных данных по пределу усталости определить поведение металла при эксплуатации. Ошибка, очевидно, связана с совмещением усталостной прочности и длительной прочности.
...
В неподвижных (стационарных) деталях, например в направляющих лопатках, нагрузка сильнее, чем у вращающихся деталей. Таким образом, усталостная прочность играет там большую роль.
...
Особенно важной характеристикой является устойчивость к термоударам. Большая часть материалов на основе твердых материалов обладает высокой жаропрочностью, но недостаточными устойчивостью к термоударам и ударной вязкостью. В настоящее время никакой стандартной методики определения термостойкости не существует. Это затрудняет сопоставление данных различных авторов [48, 49]. В США применяют испытательное устройство, изображенное на рис. ПО [50]. Образец в виде пластинки зажимают в закрепляющем кольце и нагревают в печи при соответствующей температуре и затем быстро закаливают на холодном воздухе. Этот эксперимент повторяют не менее 15 раз до поломки пластинки. Согласно В. Г. Лидману и А. Р. Бобровскому [51], устойчивость к термоударам можно подсчитать по формуле
...
Чем больше полученная величина, тем лучше практически поведение сплавов при термоударах. Сопла из сплавов вольфрам—серебро значительно • более устойчивы к термоударам, чем вольфрамовые, применяемые в ракетах «полярис». Эти сопла в значительной мере
...
вытеснили вольфрамовые. По этой причине, однако, приходится отказываться от сопел из нецементирован-ного HfC или ТаС [52].
...
Коэффициенты теплового расширения материалов турбинной лопатки и направляющей лопатки, к которой прикрепляется турбинная лопатка, не должны резко различаться. У газовых турбин и других аналогичных
...
Турбинные лопатки, как и направляющие лопатки, неизбежно подвержены воздействию быстрого тока газа. Поэтому существенным требованием, предъявляемым к материалу, является высокая эрозионная стойкость. Это же требование приходится предъявлять и к материалам для ракетных двигателей. В реактивных зарядах, содержащих алюминий, возникает также добавочная эрозия частицами AI2O3.
...
Материалы ракетных сопел и лопаток должны, кроме того, обладать достаточной пластичностью (ударная вязкость) при низкой и комнатной температурах. В связи с этим некоторые материалы, обладающие высокой жаропрочностью, не могут быть использованы при холодном запуске из-за хладноломкости. Практическая пригодность, например, материала турбинной лопатки зависит от совокупности различных характеристик. Поэтому для наиболее полного использования нового материала при некоторых обстоятельствах требуется полная реконструкция лопатки или даже всего двигателя. В настоящее время еще нельзя определить, в какой мере подобная реконструкция может повлиять на возможность использования хладноломких материалов.
...
Можно утверждать, что повышение температуры эксплуатации сильно увеличивает коэффициент полезного действия газовых турбин и других аналогичных механизмов. Если какой-либо новый материал позволяет повысить рабочую температуру хотя бы на 50° С, то его применение дает большие преимущества в любом случае. При этом повышение жаропрочности не должно, во всяком случае, сопровождаться снижением других качественных показателей, особенно устойчивости к окислению или к термоударам.
...
Повышение рабочей температуры имеет большое значение для воздушнореактивных двигателей, ракет и т. д. Меньше обращают на себя внимание, но зато имеют, пожалуй, большее экономическое значение новые материалы для лопаток стационарных заводских и судовых турбин. Средний срок службы турбины самолета не превышает 1000 летных часов, тогда как для газовой
...
турбины силовой установки требуется срок службы свыше десяти лет. В настоящее время эксплуатация воздушного реактивного двигателя самолета ограничена максимально допустимой температурой лопатки 850°С; рабочие же температуры заводских газовых и паровых турбин являются значительно меньшими. Максимальная температура лопатки может составлять около 620° С. Повышение рабочей температуры при этом хотя бы на 30° С значительно увеличивает производительность лопатки. В ряде случаев для газовых турбин и ракет не требуется очень высокой жаропрочности. При этих условиях сопротивление ползучести играет значительно большую роль, чем длительная прочность — предел прочности при растяжении в зависимости от температуры для определенной длительности нагружения. Существенную роль играет, однако, сопротивление материала лопатки химическому воздействию газов сгорания и примесей в горючем (ванадиевая зола). В подобных случаях механические характеристики при высоких температурах не имеют высоких значений.
...
Конструкционные детали ракет, например сопла, рассчитаны обычно на срок службы в несколько секунд. Это означает, что кратковременный предел прочности при растяжении материала сопел при рабочих температурах имеет большее значение, чем сопротивление ползучести и длительная прочность.
...
Для таких деталей, как сопла ракет, важное значение имеет теплопроводность, так как при хорошей теплопроводности температура сопла удерживается на более низком уровне, чем температура газов сгорания.
...
Кратковременное нагружение и хорошая теплопроводность позволяют, как отмечалось выше, с большим успехом применять для ракетных сопел незащищенные покрытиями молибден, вольфрам или сплавы на их основе. Длительное воздействие высоких температур в окислительной атмосфере приводит к быстрому.разрушению. У еще более теплопроводных, чем молибден и вольфрам, сопел из сплавов вольфрам—серебро (или вольфрам—медь) возникает, кроме того, эффект эффу-зионного охлаждения вследствие испарения серебра [52]*.
...
Установлено, что для высокотемпературного применения представляет особый интерес такой материал, который позволяет увеличить срок службы детали при данной рабочей температуре или повысить рабочую температуру при заданном сроке службы. Однако и до на-
...
стоящего времени еще нельзя вывести правило, на основании которого можно было бы вычислить допустимый предел снижения таких характеристик, как устойчивость к термоударам при каком-либо заданном увеличении сопротивления ползучести или длительной прочности. При современном устройстве турбин интервалы еще узки; однако их можно, по-видимому, заметно расширить путем изменения конструкции. Что же касается выбора материалов сопел, то еще некоторое время бу-
...
В табл. 62 приведен химический состав и плотность новых высокотемпературных материалов в сопоставлении с известными сплавами, а на рис. 111 и в табл. 63— данные Бунгардта [10] о длительной прочности (1000 ч)
...
Рис. 112. ЮОО-ч длительная прочность молибдена, молибденовых и ниобиевых сплавов, твердых материалов и твердых сплавов по Бунгардту:
...
аустенитных сталей (,4), сплавов хром — кобальт — никель— железо (б), никелевых сплавов (С) и кобальтовых сплавов (D).
...
Химический состав типичных высокожаропрочных сплввов
...
Химический состав аустенитных сталей и сплавов, испытывавшихся на длительную прочность
...
Клингоор [53] уже в 1933 г. сопоставил окисляемость на воздухе при 700°С твердого сплава на основе карбида титана (42,5% TiC, 42,5 Мо2С, 14% Ni и 1% Сг, так называемого «Титанит S») и твердого сплава WC—Со (94/6). После окисления в течение 30 мин на пластинках твердого сплава на основе WC он обнаружил легко отделяемую окисную пленку, тогда как у твердого сплава TiC—М02С
...
Ниже приведены данные об окисляемости твердых сплавов WC—Со и WC—TiC—Со, которые были получены при нагреве образцов размерами 10X20X8 мм в течение 1 ч на воздухе при температуре 600—900° С. Да-виль удалял слой окалины щеточкой и, взвешивая затем образец, судил об окалиностойкости по потере в массе.
...
pax хорошо прилипающим защитным слоем. Это говорит о линейном характере процесса окалинообразования. Примечательно то, что при температурах 1100—1200°С в соплах с большим содержанием TiC, по-видимому, в результате образования жидкой фазы в поверхностном слое окалинообразование явно замедляется.
...
Внешний вид показанного на рис. 114 для сопоставления твердого сплава на основе TiC со связкой из сплава Ni—Сг при температурах эксперимента почти не изменился. У этого сплава образуется прочно соединенный с основным материалом плотный слой окалины, а окалинообразование протекает параболично.
...
Меткальф [59] утверждает, что повышение окалино-стойкости сплавов типа WC—Со путем введения TiC является также причиной более высокой производительности сплавов WC—TiC—Со и других содержащих TiC сплавов на основе сложных карбидов при резании стали. Основываясь на данных рентгеноанализа, он обнаружил повышение окалиностойкости вследствие образования моноокиси титана (TiO), изоморфной карбиду титана (TiC). Сопоставление периодов решетки показало, что расстояние Ti—Ti в TiO почти такое же, как в TiC и в твердых растворах TiC—WC. Образование моноокислов на поверхности карбидов при этом почти не нарушает процесса переноса атомов титана. Пленки TiC прочно соединяются с основным материалом; кроме того, они газонепроницаемы. Согласно данным Меткальфа, для твердых сплавов, содержащих титан и цирконий (например, в виде карбидов), имеет большое значение также образование нитридов (например, TiN), изоморфных кабридам и моноокислам.
...
После того как выяснилось благоприятное воздействие присадок TiC на свойства сплавов WC—Со, провели систематическое изучение поведения при высоких температурах твердых сплавов на основе TiC, а также чистого TiC, не содержащего связки, либо TiC с различными связками.
...
Со времени выхода первого издания данной книги было опубликовано очень много литературы о карбидах как высокотемпературных материалах [4, 6, 11, 21, 23, 26—28, 30, 34, 35, 48, 62—143]. Однако она почти не вне-
...
Устойчивость различных горячепрессованных карбидов и окислов к термоударам (по Гэнглеру с сотр.)
...
ных исследований сплавов на основе TiC со связкой. В первых опытах в качестве связки использовали Со и Ni; в дальнейшем же опробовали много различных металлов и сплавов. Энгель [147] изучил цементирующие и легирующие свойства многочисленных элементов. Для этого он сплавлял их с очень плотным TiC и изучал металлографически переходную зону. В углубления, имеющиеся в горячепрессованных карбидных изделиях, насыпали порошок цементирующего металла и нагревали его затем в атмосфере гелия до точки плавления.
...
Критерием для оценки цементирующих свойств служили смачивающая способность и способность к пропитке. Установлено, что TiC смачивается только никелем, кобальтом, хромом и кремнием и совершенно не смачивается алюминием, бериллием, золотом, железом, свинцом, магнием, марганцем, ниобием, платиной, титаном и ванадием. Не обнаружено и способности TiC образовывать соединение с этими элементами. Никель и кобальт проникают между карбидными зернами, причем глубина проникновения никеля больше, чем у кобальта (рис. 116 и 117). Хром также слегка впитывается скелетом TiC, однако цементирует его плохо. Кремний не проникает в карбидный каркас. Однако он так же, как и хром, образует на зернах TiC новые фазы.
...
В цементирующей фазе изделий, пропитанных никелем и кобальтом, наблюдаются мелкие, не связанные друг с другом включения угловатой формы, по-видимому, мелкие кристаллы TiC.
...
На основании данных Энгеля можно сделать вывод, что в качестве связки для материалов на основе TiC пригодны только никель и кобальт и в отдельных случаях— хром. В работах Энгеля, однако, не упоминаются такие металлы, как хорошо связывающие вольфрам и молибден, и в особенности перспективные легированные связки. Мак Бридж [148] сообщает о высоких прочностных характеристиках TiC, пропитанного сплавом никель— алюминий (предел прочности при изгибе при 980°С равен 25,3 кГ/мм2). В качестве пропитывающего материала Мак Бридж использовал также ферросилиций. При этом, однако, образовывались новые неиденти-фицированные фазы.
...
Рис. 116. Структура карбида титана, пропитанного кобальтом, по Энгелю (Х1000). Вверху зона, богатая кобальтом; внизу зона, богатая TiC
...
Рис. 117. Структура карбида титана, пропитанного никелем, по Энгелю (ХЮОО). Вверху зона, богатая никелем, внизу зона, богатая TiC
...
Дейч, Репко и Лидман [149] изучали физико-механические свойства TiC с кобальтовой, молибденовой и вольфрамовой связкой. Уайтмэн и Репко [150] испытывали соответствующие сплавы на устойчивость к окислению. Гоффман с сотрудниками [50] определял предел прочности при растяжении при высокой температуре сплава TiC—Со 80/20%- При этом использовали образец, сконструированный для испытания хрупких материалов. Применяя идентичные образцы, Дейч с сотрудниками [149] определил предел прочности при растяжении сплавов с 5, 10, 20 и 30% Со при 980 и 1200°С. Предел прочности при изгибе изделий, цементированных кобальтом, молибденом и вольфрамом, определяли при 870, 1090 и 1315° С (размеры образцов около 6Х12Х Х100 мм, расстояние между опорами около 90 мм, скорость нагружения 1,4 кГ/мин). Данные по пределу прочности при растяжении и пределу прочности при изгибе сплавов TiC—Со приведены в табл. 67. Для сопостав-
...
Высокотемпературный предел прочности при растяжении и при изгибе сплавов
...
Высокотемпературный предел прочности при растяжении сплавов на основе
...
чтобы внести поправку на разницу в отношении плотности, величины предела прочности при растяжении делили на соответствующие величины относительной плотности.
...
у «сверхжаропрочных» сплавов, и что другие сплавы с кобальтовой связкой, а также сплавы с 10% Мо и 5% W превосходят их, если принять во внимание их незначительную плотность. При 1200° С все сплавы на основе TiC превосходят по прочностным характеристикам известные высокожаропрочные материалы.
...
Рис. 118. Высокотемпературный предел прочности прн изгибе карбида титана с различными связками, по Дейчу, Репко и Лидману:
...
Наряду с изучением физико-механических свойств сплавов на основе TiC с кобальтовой, вольфрамовой и молибденовой связками Унтмэн и Репко [150] определяли также и окалиностойкость этих сплавов. Образцы нагревали в воздухе при 880, 910 и 1090° С с различным временем выдержки. Поскольку молибден образует при температурах испытания летучий окисел, критерием при сопоставлении служила не потеря образца в массе, а определенная металлографическим путем толщина слоя окисных пленок [65]. Данные испытаний приведены в табл. 69.
...
Судя по толщине окисной пленки, сплавы, содержащие молибден, уступают сплавам с вольфрамовой и кобальтовой связками. Кобальт же, судя по образованию плотной и устойчивой окисной пленки, по-видимому, пре-
...

Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали
Контактная сварка

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Твердые сплавы