1. Неметаллические и газовые включения в слитках и литых деталях
Свойства жаропрочных сплавов, как указывалось выше, определяются характером и уровнем макро- и микролегирования, а также наличием содержащимися в них вредных примесей, неметаллическими и газовыми включениями и их влиянием на механические, физико-химические и технологические свойства. Наличие неметаллических включений в сплавах очень часто является основной характеристикой, предопределяющей их эксплуатационные параметры и область применения. Неметаллические включения в сплавах обусловливают возникновение дефектов в изделиях и полуфабрикатах, ухудшение механических и физико-химических свойств.
До настоящего времени наиболее надёжным, но не всегда экономически оправданным способом, позволяющим обеспечить низкое содержание неметаллических включений и газов в сложнолегированных сплавах, считается выбор особо чистых шихтовых материалов и строгое соблюдение технологических режимов плавки, предотвращающее загрязнение расплава при взаимодействии с футеровкой тигля и остаточными газами в плавильной камере.
Разработка эффективных методов защиты от проникновения вредных примесей и удаления их в процессе получения и дальнейшей обработки металлов или сплавов является одной из основных проблем современной металлургии вакуумно-индукционной плавки (ВИП).
Примеси в металлических расплавах могут присутствовать в растворённом виде и в виде нерастворённых (взвешенных) частиц. Растворённые примеси представляют собой металлы (Pb, Sn, Ag и др. в сплавах на основе никеля), неметаллы (S, P, Si и др.) и газообразные элементы (H, O, N). Нерастворённые взвешенные частицы являются либо неметаллическими включениями, главным образом оксидного характера, либо включениями металлической природы [1]. Металлические взвешенные частицы представляют собою кристаллы интерметаллидов или других соединений (α-, δ-, β-частицы, σ-, μ-, η-фазы и т. д.).
Примеси, всегда имеющиеся в расплавах, можно разделить на вредные и нейтральные. Вредными считают те, которые отрицательно влияют на свойства литых заготовок, оговорённые установленными требованиями. Поскольку эти требования с течением времени меняются, изменяется общая оценка примесей и допустимые пределы их содержания. Так, сера, считающаяся безусловно вредной примесью в никелевых сплавах, намеренно вводится как легирующий компонент в так называемые автоматные стали. Углерод – важный легирующий компонент никелевых жаропрочных сплавов с равноосной структурой – в монокристальных сплавах на основе никеля является вредной примесью, и его содержание не допускается выше 0,02 %. Свинец и олово, обычно не оговариваемые примеси в сталях и чугунах, в жаропрочных никелевых сплавах строго ограничиваются весьма малыми содержаниями.
При ВИП-процессе основным источником неметаллических включений, попадающих в расплав, являются загрязнённые отходы, используемые в качестве шихтовых материалов. Кроме того, в процессе плавки неметаллические включения образуются в результате взаимодействия компонентов с растворёнными газами и футеровкой тигля.
В таблице 1 показано содержание газов в чистых металлах.
Таблица 1
Среднее содержание газов в некоторых шихтовых материалах, обычно используемых при выплавке жаропрочных сплавов, приведено в таблице 2.
Таблица 2
В жидком металле газы содержатся в виде растворённых ионизированных частиц (катионов и анионов) и атомов в виде химических соединений – нитридов и оксидов, а также молекул.
При растворении газов в металлах и сплавах принципиально возможны следующие процессы:
а) образование раствора в металле;
б) образование прочного химического соединения между газом и металлом;
в) образование химического соединения с высокой степенью диссоциации в расплаве, т. е. когда в расплаве находятся как атомы растворённого газа, так и молекулы химического соединения.
Растворимость водорода в жидком никеле в интервале температур 1680–2300 °С имеет линейный характер. Теплота растворения водорода в жидком никеле достигает 60 кДж/моль.
Растворы азота в никеле подчиняются закону квадратного корня. Существенное влияние на величину растворимости азота оказывает давление паров металла в газовой фазе над расплавом. Повышение содержания хрома, молибдена, вольфрама сопровождается возрастанием растворимости азота и, следовательно, снижением его коэффициента активности, причём с увеличением концентрации легирующего элемента зависимость коэффициента активности от содержания хрома, молибдена и вольфрама отклоняется от прямолинейной.
Титан, алюминий, цирконий обладают высоким сродством к азоту и способны при относительно небольшой концентрации в расплаве и невысоком давлении в газовой фазе образовывать нитриды.
Церий в наибольшей степени понижает активность азота в никеле. Меньшее влияние оказывают цирконий и титан, а алюминий практически не влияет на растворимость азота. Характер взаимодействия легирующих элементов с азотом, растворённым в жидком металле, определяется сродством элементов к азоту, а также прочностью химической связи азота и легирующего элемента с основной составляющей сплава.
Из элементов, образующих с никелем растворы, близкие к идеальным, наибольшим сродством к азоту обладает хром. Ещё более прочные связи с азотом в нитридах имеют цирконий, титан и алюминий.
На рис. 1–4 представлена зависимость коэффициентов диффузии водорода, кислорода и азота от температуры расплава.
Рис. 1. Влияние температуры на коэффициент диффузии водорода
Рис. 2. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии водорода
Рис. 3. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии азота
Рис. 4. Влияние температуры на lg коэффициента диффузии кислорода