сплав на основе хрома

Формула изобретения

1. Сплав на основе хрома, содержащий железо, вольфрам, цирконий и/или гафний, титан, окисел лантаноида, отличающийся тем, что он дополнительно содержит марганец при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Железо 5,0-15,0

Вольфрам 10,0-35,0

Цирконий и/или гафний 0,5-1,5

Титан 0,5-1,0

Окисел лантаноида 0,05-0,1

Марганец 0,05-0,1

Хром Остальное

2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что в качестве окисла лантаноида он содержит окисел эрбия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в промышленности для изготовления штампового инструмента, используемого для деформации труднодеформируемых материалов, в частности жаропрочных сплавов на никелевой основе и на основе интерметаллидов типа NiAl, TiAl и др., в изотермических условиях.

В настоящее время для изотермической деформации указанных сплавов применяют технологию с использованием штампа из молибдена и соответственно вакуумной установки изотермического деформирования, позволяющей исключить проникающее окисление молибдена при нагревах. Преимущества Мо-х сплавов перед Ni-ми по прочностным характеристикам особенно заметны при температурах выше 950-1000С (табл.3). Предел прочности Мо-х сплавов на сжатие как при комнатной, так и при высоких температурах существенно выше, чем при растяжении.

Однако применение молибденовых сплавов для штампов изотермического деформирования затрудняется интенсивным их окислением при температурах выше 600С, с образованием жидких и летучих окислов (Мо₃О и др.).

Широко в качестве материала штампа за рубежом используют сплав на основе молибдена TZM (см., напр. РЖ Вопросы авиационной науки и техники, вып.8, стр. 76 “Использование сверхпластической изотермической штамповки для производства дисков”). Хотя TZM имеет высокую жаропрочность, его стойкость к окислению при температурах выше 600С очень низка, поэтому штамповку выполняют в вакууме или в среде инертного газа.

Эта технология насколько привлекательна, но настолько же проблематична в реализации из-за громадных затрат на изготовление штампа и самой вакуумной установки, а также из-за сложности эксплуатации последней.

Другая технология, применяемая в настоящее время предусматривает использование штампа из сплава на основе хрома с нагревом на воздухе.

Известны сплавы на основе этой технологии: см., напр., РЖ Авиационная промышленность, №7, 1991 “Хромовые сплавы ВХ12, ВХ21 для высокотемпературной штамповой оснастки”, Гришин Н.Е., Иванченко В.Г., Киселев В.Н., или сплав по авт. свид. №585788, кл. С 22 С 27/06, 1976, содержащий, мас.%: молибден 20-40; лантан 0,2-0,45; хром остальное, а также сплав по пат. США №3030206, кл. С 22 С 27/06, 1962, содержащий молибден 30-35; кремний до 3; алюминий до 5; титан до 0,5; мышьяк до 0,08; мишметалл до 0,15; хром 45-70).

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения по совокупности существенных признаков и назначению, выбранным в качестве прототипа, является ЕР 0570072 А2, С 22 С 27/06, 18.11.1993, в котором описан сплав на основе хрома, содержащий железо, вольфрам, цирконий и/или гафний, титан, окисел лантоноида.

Эта технология представляется более приемлемой в части финансовых затрат и является достаточно эффективной. Но вместе с тем не в полной мере удовлетворяет ресурс работоспособности штампа из-за недостаточного уровня сопротивления циклической ползучести и жаростойкости хромового сплава, из которого выполняется штамп.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка состава сплава на хромовой основе, обладающего повышенным сопротивлением циклической ползучести при сжатии и окислению при нагреве до 1200С.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предлагаемый сплав на основе хрома, содержащий железо, вольфрам, цирконий, и/или гафний, титан, окисел лантаноида дополнительно содержит марганец, а также иное соотношение компонентов, мас.%:

Железо 5,0-15,0

Вольфрам 10,0-35,0

Цирконий и/или гафний 0,5-1,5

Титан 0,5-1,0

Окисел лантаноида 0,05-0,1

Марганец 0,05-0,1

Хром Остальное

Оптимальное сочетание упрочнения твердого раствора с дисперсионным упрочнением и повышением жаростойкости позволяет существенно повысить жаростойкость, жаропрочность и высокотемпературную твердость материала и обеспечить стабильность этих свойств в условиях длительной эксплуатации.

Наличие вольфрама позволяет значительно снизить скорость окисления и повысить жаропрочность. Введение легирующих элементов ниже минимального содержания не позволяет получить желаемый эффект. Превышение содержания легирующих элементов по сравнению с максимально заявленным значением крайне нежелательно, так как приводит к структурной нестабильности с появлением охрупчивающих интерметаллидных фаз, характерных для системы хром-железо-вольфрам, а также скоплению дефектов по границам зерен, что в конечном счете снижает жаропрочные и жаростойкие характеристики материала и требует более частой замены штампового инструмента.

Окислы лантоноидов позволяют обеспечить низкую окисляемость материала на воздухе при температурах выше 1000С. Одновременно они являются микролегирующими добавками, повышающими прочностные характеристики, в том числе и окись эрбия, которая для хромистых материалов является предпочтительней.

Сплавы, соответствующие предлагаемому составу и составу прототипа, были выплавлены в вакуумноиндукционной печи ИСВ-0,16.

Слитки, отлитые в кокиль, механически обрабатывались до устранения “черновик”, а затем распылялись на гранулы размером 200-500 м в установке УЦР-2.

Для получения компактных заготовок из сплава гранулы в капсулах из стали Ст20 подвергались обработке в газостате фирмы “Abra” HIPR. 70/150-200-2000 (Швеция) при температуре 1180-1200С, давлении 160 МПа и выдержкой в течении 2 часов.

Разрезка заготовок под образцы осуществлялась электроискровым способом.

Цилиндрические образцы размером 1020 мм подвергались испытаниям на циклическую ползучесть при сжатии при температуре 1200С, напряжении 300 МПа, продолжительности цикла нагружения 40 с.

Жаростойкость сплавов определялась гравиметрическим методом по привесу при нагреве на воздухе до температуры 1200С за время от 25 до 100 часов.

Твердость металла определялась по Бринеллю при нагрузке 3000 кг.

Химический состав выплавленных сплавов и сплава-прототипа представлен в табл.1

Свойства выплавленных сплавов и сплава-прототипа приведены в табл.2.

Таким образом, использование предлагаемого сплава на основе хрома по сравнению с известным позволяет повысить сопротивляемость циклической ползучести и жаростойкости, что, в свою очередь, дает возможность увеличить ресурс работы инструмента для изотермической деформации труднодеформируемых жаропрочных сплавов в несколько раз.