Streszczenie Stopy z uk ł adu Ni-Ta-Al-M o du ż ym st ęż eniu w ę gla PIOTR BA Ł A

7

PIOTR BAŁA

Stopy z układu Ni-Ta-Al-M o dużym stężeniu węgla

Streszczenie

W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań stopów z układu Ni-Ta-Al-M o du- żym stężeniu węgla, zaprojektowanych z myślą o dobrych własnościach tribologicznych w wysokiej temperaturze. Pomimo dostępnych licznych materiałów narzędziowych do pracy na gorąco istnieje potrzeba poszukiwania nowych materiałów o unikatowych własnościach, które mogą pracować w szczególnie trudnych warunkach, tj. w wysokiej temperaturze, agre- sywnym chemicznie środowisku i silnym zużyciu tribologicznym.

Głównym celem pracy było zaprojektowanie, wytworzenie oraz ocena stabilności mi- krostruktury i własności tribologicznych stopów z układu Ni-Ta-Al-M o dużym stężeniu węgla pod kątem ich aplikacji, jako materiału do pracy w wysokiej temperaturze. Zaprojek- towano i wykonano odlewy czterech stopów z układu Ni-Ta-Al-C-M. Ich składy chemicz- ne zaprojektowano tak, aby umocnienie osnowy uzyskać w wyniku wydzielania fazy γ’, a udział objętościowy węglików pierwotnych wynosił ponad 20%. Kluczowe dla realizacji założeń projektowych było występowanie w danym układzie eutektyki węglikowej. Węgliki powinny pozostać stabilne w mikrostrukturze niezależnie od obróbki cieplnej, wpływając korzystnie na odporność na ścieranie. Zdecydowano się na osnowę niklu ze względu na brak przemiany alotropowej, której wystąpienie mogłoby zdestabilizować mikrostrukturę i wła- sności podczas wysokotemperaturowej eksploatacji. Projektując skład stopów założono, iż powstaną węgliki pierwotne tantalu typu MC (oraz w stopach z chromem dodatkowo węgliki chromu). Zawartość tantalu dobrano tak, aby związał on węgiel w postaci węglików oraz utworzył wraz z aluminium i niklem fazę γ’. Zawartość aluminium i innych pierwiastków wchodzących w skład fazy γ’ dobrano tak, aby temperatura solvus fazy γ’ była w zakresie 1000–1100°C. Dlatego stężenie aluminium wynosi zaledwie 3% mas. Wyżej wymieniony zakres pozwala na pracę do 1000°C oraz możliwość przesycania w zakresie bezpiecznym bez występowania nadtopień w miejscach występowania eutektyki węglikowej.

Stop z układu Ni-Ta-Al-C zaprojektowano tak, aby uzyskać w mikrostrukturze węgliki pierwotne MC, grafit oraz znikomy udział fazy γ’, celem określenia stabilności węglików w obecności grafitu. Tak samo zaprojektowano stop z układu Ni-Ta-Al-C-Co, gdzie ocze- kiwano większego udziału fazy γ’, aby sprawdzić stabilność węglików w obecności gra- fitu i fazy γ’ oraz niewęglikotwórczego kobaltu. Stopy z układów Ni-Ta-Al-C-Co-Cr oraz Ni-Ta-Al-C-Cr zaprojektowano tak, aby uzyskać węgliki tantalu (MC) i węgliki chromu oraz duży udział fazy γ’.

W stanie po odlaniu w mikrostrukturze badanych stopów występują duże ziarna z charak-

terystyczną budową dendrytyczną. Można wyróżnić pierwotne dendryty z drugorzędowymi

8

rozgałęzieniami. W stopach Ni-Ta-Al-C i Ni-Ta-Al-C-Co w obszarach międzydendry- tycznych rozmieszczone są węgliki tantalu typu MC oraz grafit, natomiast w stopach Ni-Ta-Al-C-Co-Cr i Ni-Ta-Al-C-Cr węgliki tantalu typu MC oraz węgliki chromu typu Cr

C

. We wszystkich stopach występuje faza ’, choć jej udział objętościowy w stopach Ni-Ta-Al-C i Ni-Ta-Al-C-Co jest nieduży.

Na podstawie badań kalorymetrycznych przeanalizowano wpływ wygrzewania ze stanu lanego w zakresie 750–850°C na mikrostrukturę badanych stopów, aby potwierdzić skłonność do rozpuszczania węglików pierwotnych w badanych stopach w tym zakre- sie temperatury. W wyniku wyżarzania w stopach Ni-Ta-Al-C i Ni-Ta-Al-C-Co obniża się udział objętościowy węglików oraz zwiększa się udział grafitu, w tym szczególnie w stopie Ni-Ta-Al-C-Co. W stopie Ni-Ta-Al-C-Co-Cr rozpuszczeniu ulega część węglików chromu, a w stopie Ni-Ta-Al-C-Cr węgliki są najbardziej stabilne, gdyż stwierdzono tylko nieznacz- ne zmniejszenie udziału objętościowego węglików pierwotnych chromu po wygrzewaniu w temperaturze 850°C przez osiem godzin.

Przesycanie z coraz wyższej temperatury w stopach Ni-Ta-Al-C i Ni-Ta-Al-C-Co powo- duje rozpuszczanie węglików pierwotnych, rozrost byłych obszarów dendrytycznych i nie- znaczny wzrost udziału objętościowego grafitu. W stopie Ni-Ta-Al-C-Co-Cr rozpuszczeniu ulega część węglików chromu oraz tantalu, natomiast w stopie Ni-Ta-Al-C-Cr nieznacznie obniża się udział węglików pierwotnych chromu. Badane stopy można przesycać z tempera- tury powyżej 1020°C, a przy zastosowaniu odpowiednio długiego czasu wytrzymania nawet z temperatury 1020°C, gdyż jest ona wystarczająca do rozpuszczenia fazy ’. Dla stopów Ni-Ta-Al-C i Ni-Ta-Al-C-Co ze względu na mały udział fazy ’ oraz niestabilność mikro- strukturalną stosowanie przesycania nie pozwoli na poprawę własności. Natomiast stopy Ni-Ta-Al-C-Co-Cr i Ni-Ta-Al-C-Cr powinno się przesycać z temperatury 1100°C. Rozpusz- czeniu ulegnie faza ’ i, szczególnie w stopie Ni-Ta-Al-C-Co-Cr, część węglików pierwot- nych. Pozwala to jednak na lokalne zniwelowanie różnic w mikrostrukturze wynikających z procesu krystalizacji.

Zastosowanie przesycania i starzenia w stopach Ni-Ta-Al-C-Co-Cr i Ni-Ta-Al-C-Cr po- zwala na wzrost twardości (własności wytrzymałościowych) na skutek wydzielania fazy ’

oraz węglików wtórnych. W stopach tych, niezależnie od obróbki cieplnej, nie stwierdzono wydzielania się grafitu.

Zaprojektowany w ramach niniejszej pracy stop Ni-Ta-Al-C-Cr ma stabilne węgliki

pierwotne i cechuje się dobrymi własności mechanicznymi w wysokiej temperaturze. Wy-

kazuje bardzo dobre własności tribologiczne zarówno w niskiej, jak i wysokiej temperatu-

rze oraz ma niski współczynnik rozszerzalności cieplnej. Po obróbce cieplnej będzie mógł

pracować przynajmniej do temperatury 850°C i nawet chwilowe przegrzanie nie powinno

powodować skokowych zmian własności.

9

PIOTR BAŁA

High carbon alloys from the Ni-Ta-Al-M system

Summary

In the present work results of investigations of high carbon alloys from the Ni-Ta-Al-M system are presented. The alloys have been designed to have good tribological properties at elevated temperatures. Despite availability of numerous hot work tool materials there is still a growing need for new alloys showing unique properties, which could be used under heavy duty conditions, i.e. at high temperatures, in a chemically aggressive environment and under harsh wear conditions.

The main objective of the research was to design and produce high carbon alloys from the Ni-Ta-Al-M system and assess their microstructure stability and tribological properties under high temperature working conditions. Four Ni-Ta-Al-C-M alloys were designed and cast. Their chemical compositions were tailored to obtain the matrix strengthening by pre- cipitation of the γ’ phase and minimum 20% of primary carbides. The presence of a carbide eutectic in the given system is crucial. Carbides should remain stable in the microstructure regardless of heat treatment conditions in order to improve the wear resistance. It was deci- ded to use Ni matrix due to the lack of allotropic transformations, which could destabilise the microstructure and properties during the high-temperature exploitation. It was assumed that primary Ta carbides (of MC type) and Cr carbides (in alloys containing chromium) would be formed. The amount of tantalum was calculated to bind carbon and form the γ’ pha- se together with Al and Ni. The contents of Al and other elements (forming γ’) were chosen to have the γ’ solvus temperature between 1000 and 1100°C. Therefore the content of Al is only 3 mass%. The mentioned above temperature range permits working up to 1000°C and gives the possibility of solution heat treatment in the safe range without any partial melting in places of the carbide eutectic occurrence.

In order to determine the stability of carbides in the presence of graphite, the com- position of the Ni-Ta-Al-C alloy was chosen to obtain primary MC carbides, graphite and negligible volume fraction of γ’ in the microstructure. The Ni-Ta-Al-C-Co alloy was desi- gned in a similar way. In that case bigger volume fraction of γ’ was expected to determine the stability of carbides in the presence of graphite, γ’ and cobalt (element, which does not create carbides). The Ni-Ta-Al-C-Co-Cr and Ni-Ta-Al-C-Cr alloys were designed to obtain both tantalum (MC) and chromium carbides and a large volume fraction of γ’.

A characteristic, coarse-grained dendritic microstructure occurs in the investigated al-

loys in the as-cast condition. Primary dendrites with secondary arms can be seen. Tantalum

carbides of MC type and graphite are distributed in interdendritic spaces in the Ni-Ta-Al-C

10

and Ni-Ta-Al-C-Co alloys, while tantalum carbides of MC type and chromium carbides of M

C

type in the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr and Ni-Ta-Al-C-Cr alloys. In all alloys ’ occurs, howe- ver, its volume fraction in the Ni-Ta-Al-C and Ni-Ta-Al-C-Co alloys is small.

The effect of annealing the as-cast alloys in the range 750-850°C on their microstructure was analysed by means of calorimetry, in order to examine the tendency of primary carbides to dissolution in the matrix in this temperature range. As a result of annealing the volume fraction of carbides decreases in the Ni-Ta-Al-C and Ni-Ta-Al-C-Co alloys, while the volume fraction of graphite increases, especially in the Ni-Ta-Al-C-Co alloy. Part of chromium car- bides dissolves in the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr alloy, while in Ni-Ta-Al-C-Cr the carbides are more stable and only a negligible dissolution of the primary chromium carbides was observed after 8-hour hold at 850°C.

Solution heat treatment from higher temperatures causes dissolution of primary carbi- des, growth of dendritic areas and negligible increase in the amount of graphite in the Ni-Ta- -Al-C and Ni-Ta-Al-C-Co alloys. Part of chromium and tantalum carbides dissolves in the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr alloy, while in Ni-Ta-Al-C-Cr the volume fraction of primary chromium carbides negligibly decreases. The investigated alloys can be solution heat treated from tem- peratures higher than 1020°C or even from 1020°C for sufficiently long dwelling time to dissolve the ’ phase. Solution heat treatment of the Ni-Ta-Al-C and Ni-Ta-Al-C-Co alloys do not improve their properties because they contain only small amount of ’ and have instable microstructure. On the other hand the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr and Ni-Ta-Al-C-Cr alloys should be solution heat treated from 1100°C. The ’ phase and part of primary carbides dissolve, especially in the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr alloy, thus helping to remove microstructural inhomoge- neity resulting from the crystallisation process.

The application of solution heat treatment and aging for the Ni-Ta-Al-C-Co-Cr and Ni-Ta-Al-C-Cr alloys increases hardness due to the precipitation of ’ and secondary carbides.

In these alloys, regardless of heat treatment conditions, the graphite formation was not found.

The Ni-Ta-Al-C-Cr alloy has stable primary carbides and good mechanical properties at

high temperatures. It exhibits good tribological properties, both at low and elevated tempera-

tures, and has a low thermal expansion coefficient. In as-heat treated condition this alloy can

work at temperatures up to 850°C and should resist incidental overheating.