» » Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов
20.01.2015

Наиболее распространенный вид термической обработки тугоплавких металлов и их сплавов - отжиг различного назначения.
Для устранения последствий внутрикристаллитной ликвидации с целью повышения технологичности при обработке давлением слитки подвергают гомогенизационному отжиму. Низкая пластичность слитков связана главным образом с неблагоприятным распределение примесей внедрения по объему зерен. В слитках углерод, всегда содержащийся как примесь в тугоплавких металлах технической чистоты располагается преимущественно по границам зерен и в приграничных областях зерен в виде карбидов или сегрегационных скоплений. Так, в частности, в слитках молибденовых сплавов, даже малоуглеродистых, на границах зерен практически всегда встречается карбид Mo2C.
При гомогенизации выравнивается химический состав твердого раствора и изменяются морфология и количество выделении избыточных фаз. Пластинчатые и иглообразные выделения карбидных и других избыточных фаз при гомогенизации хотя бы частично растворяются, стремясь принять глобулярную форму. Вместе с тем при гомогенизации могут расти более крупные частицы в результате растворения мелких частиц и обратного осаждения второй фазы на крупных частицах.. При охлаждении после гомогенизации из-за уменьшения растворимости вторые фазы частично выделяются опять-таки в глобулярной форме.
Гомогенизацию тугоплавких сплавов проводят, как правило, в достаточно глубоком вакууме ,так что при этом из металлов удаляются и газы, особенно водород. Таким образом, при гомогенизационном отжиге тугоплавких сплавов выравнивается состав твердого раствора, происходят растворение, коагуляция и сфероидизация избыточных фаз, дегазация металла. Все эти процессы повышают деформируемость слитков тугоплавких металлов и сплавов.
Температура и продолжительность гомогенизационного отжига должны быть достаточными для выравнивания химического состава по зерну, растворения и коагуляции избыточных фаз. Однако верхние допустимые температуры и продолжительность отжига также следует ограничивать определенными пределами. Слишком высокие температуры и длительные выдержки при отжиге приводят к охрупчиванию материала из-за роста зерна и более интенсивной сегментации в процессе охлаждения на межзеренных границах, поскольку суммарная протяженность границ уменьшается.
Слитки ниобия и его сплавов гомогенизируют в вакууме при давлении менее 1,33*10в-2 Па при температурах 1400-1800°С. При более высоких температурах интенсивно растет зерно Продолжительность гомогенизации зависит от диаметра слитка и содержания приме сей внедрения. Для получаемых в настоящее время слитков время отжига составляет 5—10 ч.
Гомогенизацию молибденовых сплавов типа TZM рекомендуют проводить при температурах 2005—2200°С в течение 2—3 ч, а сплавов типа BМ1 — при 1600° С в течение 5 ч. Гомогенизационный отжиг сплавов системы Mo—Zr — Ni — Co (ТСМ-3, ТСМ-4, ТСМ-5) рекомендуют проводить при 1600—1800 °С в течение 15—20 ч.
Гомогенизационный отжиг молибденовых сплавов системы Mo—Zr—Ni—С позволяет не только повысить технологическую пластичность слитков при обработке давлением, но и получить более высокий комплекс механических свойств в деформированных полуфабрикатах. В табл. 32 приведены свойства прутков диаметром 9 мы сплава ТСМ-4, отпрессованных из гомогенизированного и негомогенизированного слитков. Прутки, полученные из гомогенизированного слитка, оказались значительно пластичнее.
Аналогичные результаты были получены на прессованных полуфабрикатах, листах, проволоке. К тому же гомогенизация слитков привела к уменьшению анизотропии механических свойств в прессованных заготовках.
Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов

Деформированные полуфабрикаты тугоппавких металлов и их сплавов подвергают дорекрасталлизационному или рекристаллизационному отжигу. Температуры рекристаллизации тугоплавких металлов существенно зависят не только от режимов деформации, продолжительности отжига, но и от содержания примесей внедрения. Металлы высокой чистоты рекристаллизуются при значительно более низких температурах по сравнению с металлами технической чистоты В табл. 33 приведены температуры начала рекристаллизации тугоплавких металлов и сплавив после предварительной холодной деформации со степенями деформации не менее 50%. Температура рекристаллизации сплавов повышается с увеличением степени их легирования.
Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов

Некоторое разупрочнение нагартованного ванадия, ниобия, тантала и сплавов на их основе начинается еще до начала рекристаллизации, на стадии возврата. В связи с отсутствием расщепления дислокаций из-за высокой энергии дефектов упаковки в переходных о. ц. к. металлах легко развивается полигонизация, что и служит причиной существенного их разупрочнения на стадии возврата. Наиболее полное разупрочнение отмечено в результате первичной рекристаллизации, причем оно происходит в сравнительно узком интервале температур При слишком высоких температурах рекристаллизационного отжига бурно растет зерно в результате собирательной рекристаллизации, что вызывает снижение пластичности рекристаллизованного металла, а в ряде случаев и прочности.
Сильный рост зерна, обусловленный собирательной рекристаллизацией, начинается при температурах выше 1200°С — для ванадия 1300°С — для ниобия и 1000°C для тантала. В результате роста зерна суммарная площадь межзеренных границ в единице объема металла уменьшается, а удельная концентрация примесей на границах зерен увеличивается, что и является причиной резкого падения ударной вязкости. Поперечное сужение и относительное удлинение снижаются в меньшей степени, чем ударная вязкость, поскольку склонность металла к хладноломкости падает с уменьшением скорости деформации
Рассмотрим более детально принципы выбора режимов отжига нагартованных металлов VА подгруппы и сплавов на их основе на примере ниобия технической чистоты вакуумно-дуговой плавки (0,02% О; 0,03% С). Отжиг при температуре 1000оС приводит к некоторому снижению прочностных характеристик и существенному повышению пластичности (рис. 98), так что отжиг по режиму 1000°C, выдержка 10—60 мин обеспечивает сочетание достаточно высокой прочности с приемлемой пластичностью. Термическая обработка по этому режиму может быть рекомендована в качестве дорекристаллизационного отжига.
Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов

При температурах 1200 °C и выше холоднодеформированный ниобий полностью разупрочняется вследствие первичной рекристаллизации. Холоднодеформированный ниобий при температурах отжига 1100—1400°С сильно разупрочняется и первые 10 мин (рис. 98). Дальнейшее увеличение выдержки при этих температурах сравнительно мало влияет на механические свойства. Из-за укрупнения зерна наиболее сильно снижается ударная вязкость. Так, в частности, ударная вязкость деформированного ниобия после отжига при 1200°C превышает 3,7 МДж/м2, а после отжига при 1350°С она равна всего 0,15 МДж/м2. Таким образом, оптимальный режим рекристаллизационного отжига холоднодеформированного ниобия: 1200—1350°С выдержка от 10 мин до 1 ч в зависимости от толщины полуфабриката.
При отжиге холоднодеформированных хрома, молибдена, вольфрама и сплавов на их основе, так же как и в металлах VA подгруппы (V, Nb, Ta), происходит существенное разупрочнение на стадии возврата. Для примера на рис. 99 приведено влияние температуры отжига на механические свойства молибденового сплава ЦМ2Л. Исходное состояние — теплое прессование с суммарной степенью обжатия около 85%. Разупрочнение металла начинается после отжига при температурах выше 1000°C на стадии возврата и наиболее интенсивно развивается в результате отжига при температурах 1200—1300° С на стадии рекристаллизации.
Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов

Пo комплексу свойств после рекристаллизационного отжига хром, молибден и вольфрам и сплавы на их основе можно разбить на две группы. Первую группу составляют металлы VI А подгруппы технической чистоты и многие сплавы на их основе, за исключением сплавов, легированных рением и никелем. В отличие от металлов VА подгруппы рекристаллизационной отжиг этих материалов приводит к снижению и прочностных, и пластических характеристик при комнатной температуре (см., например, рис. 100).
Сильный рост зерна в металлах VI А подгруппы на стадии собирательной рекристаллизации способствует переводу этих металлов в полностью хрупкое состояние при комнатной температуре. Интенсивное укрупнение зерен начинается при температурах выше 1500°C для хрома, 1400°C для молибдена 1650—2100°С для вольфрама. Температуры рекристаллизации и начала интенсивного роста зерна всех тугоплавких металлов, а также сплавов на их основе смещаются к более низким значениям при уменьшении содержания в них примесей внедрения.
Принципы выбора режимов отжига тугоплавких металлов и их сплавов

Высокая склонность металлов VI A подгруппы к хладноломкости связана с ничтожно малой растворимостью в них примесей внедрения. В металлах промышленной чистоты наряду с рекристаллизационными про-цессами происходит диффузионное перераспределение примесей внедрения, в результате которого на границах зерен образуются сегрегации атомов внедрения, выделения карбидов, оксидов, оксикарбидов и других хрупких соединений. Эти сегрегации и выделения облегчают зарождение и развитие хрупких трещин что вызывает снижение пластических характеристик, особенно ударной вязкости. Развитию хрупкости способствует также блокировка дислокации в теле зерна растворенными атомами.
С повышением температуры эксплуатации испытании или деформации вредное влияние сегрегаций и вы делений по границам зерен уменьшается и при достаточно высоких температурах (выше температуры пepехода металла из хрупкого состояния в вязкое) пластические свойства рекристаллизованного металла становятся выше, чем деформированного.
Температура хладноломкости наиболее низка у монокристаллов и деформированных полуфабрикатов после холодной и теплой деформации, создающей ячеистую или полигонизованную структуру. При повышении температуры отжига температура хладноломкости сначала возрастает слабо, а затем выше некоторой температуры охрупчивания» весьма интенсивно (рис. 100). После отжига при температурах выше «температуры охрупчивания» начинает снижаться и прочность, и пластичность деформированного металла.
Снижение пластических характеристик и повышение температуры хладноломкости молибдена, вольфрама и сплавов на их основе начинается после отжига до температур начала рекристаллизации. Так, например, пластичность сплава ЦМ2А начинает снижаться после отжига при 900° С (см. рис. 99), а температура начала рекристаллизации этого сплава 1200—1250°С. Поэтому для молибдена, вольфрама и большинства сплавов на их основе температура дорекристаллизационного отжига должна быть значительно ниже температуры начала рекристаллизации.
Pанневый эффект и благоприятное влияние никеля на пластичность молибденовых сплавов сохраняются лишь после первичной рекристаллизации. Собирательная рекристаллизация, сопровождающаяся резким укрупнением зерна, переводит эти сплавы в хрупкое состояние при комнатной температуре. Так, в частности, пластичность сплавов системы Mo—Zr—Ni—С сохраняется лишь в том случае, если температура отжига не превышает 1800 °C.
Формирование полигонизованной структуры является эффективным способом обеспечения оптимального комплекса свойств тугоплавких металлов и сплавов на их основе. Полигонизационный отжиг приводит к повышению прочностных, жаропрочных, пластических характеристик тугоплавких металлов; температура хладноломкости полигонизованного металла значительно ниже, чем рекристаллизованного. Наиболее сильно в результате полигонизационного отжига повышается предел упругости металлов.
Благоприятное влияние полигонизационного отжига на свойства тугоплавких металлов тем больше, чем совершеннее ii тоньше полигонизационная структура.
Как уже отмечалось, растворимость примесей внедрения в хроме молибдене и вольфраме незначительна [10в-4-10в-6 % (по массе) при 1000°C], в связи с чем уже при ничтожно малых концентрациях этих примесей на границах зерен образуются сегрегации атомов внедрения и выделения хрупких фаз. Образование тонкой полигонизованной субструктуры с большой протяженностью границ и субграниц приводит к уменьшению концентрации примесей в сегрегациях и удельного количества выделений на границах и субграницах. В связи с этим полигонизованные металлы с очень мелким субзерном сохраняют высокую пластичность. Вместе с тем блокирование дислокаций примесями внедрения обеспечивает высокие значения пределов упругости и текучести.
Для создания совершенной полигонизованной субструктуры необходимо обеспечить достаточно полное разупрочнение металла. Это достигается промежуточным отжигом перед последней операцией обработки давлением. Затем после небольшого наклепа со степенями деформации 10—20% осуществляют полигонизационный отжиг нагартованного металла.
Тугоплавкие металлы нe испытывают полиморфного превращения. Поэтому отжиг второго рода сплавов на основе тугоплавких металлов может быть основан лишь на переменной растворимости упрочняющих фаз, в частности карбидов. Отжиг второго рода, закалка и старение тугоплавких металлов не нашли широкого промышленного применения, и поэтому технологию этих видов термической обработки мы не рассматриваем.