Анализ диаграммы состояния двухкомпонентной системы Co – V с разработкой режимов термической обработки для заданного сплава

Санкт-Петербургский государственный технический университет

Институт металлургии машиностроения и транспорта

Кафедра «Технологии и исследование материалов»

 

 

 

 

Курсовая работа

Дисциплина: Материаловедение

Тема: Анализ диаграммы состояния двухкомпонентной системы Co – V с разработкой режимов термической обработки для заданного сплава

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр.33311/2                             Ю.О. Грицай

Руководитель, к.т.н., доц.                        Е.И. Масликова

 

               2 декабря 2014 г.

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2014

Оглавление

 

 

Глава 1. Анализ диаграммы состояния

§1. Характеристика компонентов

Рис. 1 Диаграмма состояния Co – V αβ

Ко́бальт – элемент побочной подгруппы девятой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева,  атомный номер 27. Его температура плавления –1495 K ˚С. При температуре Тполим = 422˚С происходит полиморфное превращение, при котором модификация  α-Co с гексагональной плотноупакованной решёткой переходит в модификацию β-Co с кубической гранецентрированной решёткой. Так как кобальт — ферромагнетик, точка Кюри 1121 °C.

Вана́дий — элемент побочной подгруппы пятой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 23.Его температура плавления –1887 °C ,выше, чем у кобальта. Ванадий не имеет полиморфных переходов.

 

§2. Типы сплавов

На основе модификации γ-Co образуется твердый раствор замещения с максимальной растворимостью V в Co, равной  35% при t=1248˚С.

На основе модификации β-Co образуется твердый раствор замещения с максимальной растворимостью V в  Co, равной  7% при t=680˚С.

На основе модификации α-Co образуется твердый раствор замещения с максимальной растворимостью V в  Co, равной  4% при t=400˚С.

На диаграмме состояния присутствует также фаза Co3V, которая разлагается при температуре ниже линии ликвидуса. Это фаза переменного состава на основе неустойчивого химического соединения с широкой областью гомогенности. Ее химический состав изменяется в интервале температур от 0˚С до 1070˚С.

Фаза CoV3 является неустойчивым химическим соединением. Его состав не изменяется от 0˚С до 1025˚С.

Фаза СoV является фазой переменного состава на основе неустойчивого химического соединения с широкой областью гомогенности.  Ее состав изменяется в интервале температур от 0˚С до 1248˚С.

Остальные сплавы на диаграмме состояния являются двухфазными и относятся к сплавам смесям.

§3. Фазовые области на диаграмме Co – V и линии ликвидуса и солидуса

Фазовый состав в двухфазных областях показан на рис.1.

Линия ликвидуса на диаграмме – АBCD , а линия солидуса –AHGFED.Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жидком состоянии, образуя жидкий раствор. При достижении линии солидуса с нагревом начинается процесс плавления и заканчивается на солидусе. При охлаждении от температуры ликвидуса начинается кристаллизация сплавов, которая заканчивается на линии солидуса. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы находятся в полужидком состоянии.

§4. Нонвариантные превращения

На диаграмме состояния имеется 6 нонвариантных трехфазных равновесий.

Перитектические:

1. Ж66% + V78% ↔ σ67% , t=1422˚С

Перитектоидные:

1. σ 69,5% + V84% ↔ CoV3 75% , t=1025˚С

Эвтектоидные:

1. γ 34,2% ↔Co3V32% + σ45,1% , t=1026˚С
2. γ11% ↔ Co3V23% + β7% , t=680˚С
3. β6,5% ↔ α2,5% + Co3V21,5%  , t=400 ˚С

Эвтектические:

1. Ж41,5% ↔γ35% + σ 45% , t=1248˚С

§5. Моновариантные превращения

При охлаждении на линии ликвидуса из жидкой фазы начинает кристаллизоваться новая (твердая) фаза.

По линии

АВ –γ ВС –σ DE – (V)

Ж → γ Ж →σ Ж → (V)

По линиям PM, MN происходит частичный распад σ с выделением фаз Co3V и β. По линиям OL, LI происходит частичный распад β с выделением фаз Co3V и γ. По линиям JK, KS, HS происходит частичный распад γ с выделением фаз Co3V и σ. По линии UR происходит частичный распад Co3V с выделением фазы σ. По линиям FT, YT происходит частичный распад σ с выделением фаз Co3V и (V). По линии WZ происходит частичный распад CoV3 с выделением фазы (V).

Реакции этих фазовых превращений приведены в таблице 5.1.

 

Таблица 5.1

 

PM	MN	OL	LI	JK
α 1,5-2,5%→ Co3V21-22%	α 0- 2,5 %→β0-6,5%	β6,5-7%→ Co3V21,5-22%	β0-7%→γ0-11%	γ11-22%→ Co3V 22-23%
0 ‒ 400˚С	400 ‒ 422˚С	400 ‒ 680˚С	680 ‒ 1121˚С	680 ‒ 1070˚С
KS	HS	UR	FT	YT
γ23-34%→ Co3V23-32%	γ 34-35%→σ45-45,3%	Co3V31-32%→σ45,3-45,5%	σ67-70%→(V)78-84%	σ69-70%→CoV3 75%
1026 ‒ 1070˚С	1026 ‒1248˚С	0 ‒ 1026 ˚С	1025 ‒ 1422 ˚С	0 ‒ 1025˚С
WZ
CoV3 75%→(V)84-93%
0 ‒ 1025˚С

 

 

 

§6. Описание процесса кристаллизации и построение кривой охлаждения для заданного сплава

Кривая охлаждения строится в координатах «температура – время». Количество критических точек определяется числом пересечений вертикальной линии, соответствующей составу сплава (в данном случае 18% V), с линиями диаграммы. В рассматриваемом сплаве таких точек 5 (рис. 1).

При охлаждении сплавов, не имеющих фазовых переходов, изменение температуры сплава происходит по экспоненциальному закону. Отношение Δt/Δτ определяет скорость охлаждения в каждой точке кривой охлаждения.

При достижении ликвидуса (точки 1) кристаллизуется новая фаза по реакции Ж → γ, состав которой определяется изотермой, проведенной в двухфазной области до пересечения с ближайшей линией диаграммы (рис. 2), и изменяется в соответствии с линией солидуса при охлаждении до температуры, соответствующей точке 2. При этом состав жидкой фазы изменяется в соответствии с линией ликвидуса в интервале температур, соответствующих точкам 1 и 2. Используя правило фаз Гиббса рассчитаем число степеней свободы по уравнению С = К – Ф + 1. Количество компонентов в данной системе равно 2, количество фаз определяется количеством членов фазового превращения Ж и γ, поэтому С = 1. Таким образом, процесс данного фазового превращения (первичная кристаллизация) для заданного сплава идет в интервале температур,  соответствующих точкам 1 и 2.

Рис. 2

Для построения кривой охлаждения отмечаем критические точки на оси температур (рис. 3).

Скорость охлаждения между точками 1 и 2 замедляется из-за выделения скрытой теплоты кристаллизации, поэтому кривая охлаждения будет плавно отходить от экспоненциального закона. Между точками 2 и 3 будет находится твердая фаза γ. В данном случае К=1, Ф=1, С=1 . Между точками 3 и 4 происходит выделение из фазы γ фазы Co3V. Для этого процесса С=1. При температуре точки 4 будет происходить эвтектоидное превращение. Поскольку это нонвариантное превращение, то С=0 (К=2, Ф=3).  Между точками 4 и 5 происходит выделение из фазы β фазы Co3V. Для этого процесса С=1. При температуре точки 5 будет происходить эвтектоидное превращение. Для него С=0. Между точками 5 и 6 происходит выделение из фазы α фазы Co3V. Для этого процесса С=1

 

 

 

Рис. 3 Кривая охлаждения для сплава 18% V

§7. Определение соотношения фаз и структурных составляющих в сплаве при заданной температуре

Соотношение фазовых и структурных составляющих для заданного сплава (18% V) при заданной температуре (t = 600˚С) определяется по правилу рычага. Состояние сплава в данном случае характеризуется фигуративной точкой Х1 (см. рис. 1). Воображаемая опора рычага помещается в точку Х1 (рис. 3), количество фаз β и Co3V характеризуется соответственно Qβ и Q Co3V.

Рис.3 Построение рычага для определения соотношения фаз

 

В таком случае имеем:

 

Следовательно, в точке Х1 фазовый состав

=

=

   Соотношение структурных составляющих определяется из условия

равновесия рычага для структурных составляющих (рис. 4).

Рис.4 Построение рычага для определения структурных составляющих

 

В таком случае имеем:

 

Следовательно, в точке Х1 структурный состав

 =

 =

 

Глава 2.

Разработка режимов термической обработки

 

  Поскольку кристаллизация сплава начинается с выделения из жидкости твердого раствора (V) и происходит в широком диапазоне температур 1830-1880 ºС, состав твердого раствора (V) будет неравномерным по сечению литого металла (явление внутрикристаллической ликвации). Неравномерность химического состава сохранится и при последующих фазовых превращениях. Поэтому целесообразно в качестве предварительной термической обработки провести гомогенизационный (диффузионный) отжиг для выравнивания химического состава по зерну. Температура отжига должна быть высокой для обеспечения полноты протекания диффузионных процессов, но при этом необходимо исключить возможность оплавления, то есть она должна быть не менее, чем на 100-200ºС ниже линии ликвидуса. Выбираем температуру 1600ºС.

  Исходя из условия экономической целесообразности и в зависимости от размера детали, время выдержки назначаем 8-20 часов, охлаждение с печью. Высокая температура отжига приводит к крупному зерну. Для устранения крупнозернистости, возникающей при диффузионном отжиге, в качестве второй операции ПТО выбираем нормализацию – нагрев до температуры 600 ºС, с последующим охлаждением на воздухе. Схема ПТО приведена на рис.5.

Рис. 5 Схема ПТО

Для максимального упрочнения сплава применяем закалку с полиморфным превращением и последующим низким отпуском. Схема ОТО приведена на рис.6.

Рис. 6 Схема ОТО

Такая термическая обработка позволяет получить неравновесную структуру после закалки, отличающуюся высокой твердостью из-за напряжений III рода, возникающих в кристаллической структуре. Реализуется механизм мартенситного превращения. Напряжения I и II рода, вызванные соответственно технологическими особенностями и фазовыми превращениями, увеличивают хрупкость и склонность к короблению.

Низкий отпуск позволяет снизить напряжения I и II рода и уменьшить опасность трещинообразования без снижения твердости. С этой целью сплав нагреваем до температуры 600 ºС, и охлаждаем со скоростью большей, чем критическая для предотвращения распада твердого раствора. Такую скорость обеспечивает охлаждение в воде. Температуру низкого отпуска выбираем 250ºС, время выдержки после прогрева детали -2ч, охлаждение на воздухе.

                                                                                                                                            Глава3.                                                                                                                               Области применения сплавов системы Co – V

Кобальт.

В чистом виде кобальт применяется относительно мало: только в виде радиоактивного 60Со в промышленной γ-дефектоскопии и γ-терапии и для изготовления измерительных инструментов.

   Около 80% кобальта  расходуется на получение сверхтвердых, жаропрочных, инструментальных и  износостойких сплавов, а также  постоянных магнитов. Эти сплавы  находят применение в машиностроении, в авиационной технике, ракетостроении, электротехнической и атомной  промышленности.

  В качестве легирующего элемента кобальт применяется при производстве вольфрамовых быстрорежущих инструментальных сталей, обладающих большой прочностью и обеспечивающих высокие скорости механической обработки. Как правило, эти стали содержат, %: 15-19 W, 4 Cr, 1 V, 5-13 Со и 0,5-0,8 С. Режущая способность инструментальных сталей пропорциональна содержанию в них кобальта до 13%. Добавки кобальта к молибденовым сталям также улучшают их режущие свойства. Присутствие кобальта в быстрорежущих сталях не увеличивает их твердость, но сдвигает температуру начала потери твердости до 600°С, в то время как у обычной стали она уменьшается с 200°С. Широкое применение находят сверхтвердые сплавы на основе кобальта и хрома - стеллиты.

  Кобальтовые сплавы  — стеллиты, содержащие до 30% Сг, а также вольфрам, кремний и углерод, применяют для наплавки на инструменты и детали машин (без последующей термической обработки) в целях повышения их сопротивления износу.

  Кобальт широко используется в качестве легирующего элемента при производстве жаропрочных сталей, а также жаропрочных кобальтовых сплавов. Деформируемые кобальтовые сплавы системы Co-Cr-Ni-Mn, содержащие до 50% Со, имеют высокое сопротивление термической усталости и удовлетворительно обрабатываются давлением. Общее количество легирующих элементов в них достигает 8-9, а их содержание составляет 10- 25%. Температурный предел применения жаропрочных сталей составляет 800-850 °С, а сплавов на кобальтовой основе - 1000°С и выше. Примером жаропрочного сплава на кобальтовой основе является сплав с содержанием, %: 12-15 Ni, 18-24 Сг, 8-12 W, 1,25 Мn, 1,1 Si, 0,5 С.

Следующая группа сплавов, в производстве которых широкое применение находит кобальт, это тугоплавкие жаропрочные сплавы, получаемые металлокерамическим способом на основе карбидов, силицидов, боридов титана, вольфрама, циркония, ниобия, тантала и ванадия. Особенностью этих сплавов является высокое содержание в них кобальта и никеля, применяемых для связки. Эти сплавы применяют до температуры 1050-1100°С.