Development of recommendations to improve the melting of the melchior alloy mark MN19

Y. A Kochetkova; Кочеткова Е. А; V. S Tsepelev; Цепелев В. С; V. V Vyukhin; Вьюхин В. В; V. V Konashkov; Конашков В. В; A. M Povodator; Поводатор А. М

doi:10.15593/2224-9877/2020.1.04

Разработка рекомендаций по улучшению выплавки сплава мельхиора марки МН19

Авторы: Кочеткова Е.А¹, Цепелев В.С¹, Вьюхин В.В¹, Конашков В.В¹, Поводатор А.М¹
Учреждения:
1. Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина
Выпуск: Том 22, № 1 (2020)
Страницы: 33-39
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/2971
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2020.1.04
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Мельхиор - это сплав меди с никелем, для изменения некоторых свойств данного сплава добавляют железо и марганец в небольших количествах. Данный сплав достаточно хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, а также имеет высокую коррозионную стойкость. Цвет мельхиора серебристый, визуально трудно отличить от серебра. Благодаря такой особенности мельхиора сплав получил широкое применение в ювелирном деле. Также используется в производстве медицинских инструментов, высококачественных деталей морских лодок и в изделиях точной механики. Увеличивается прочность и коррозионная стойкость данного сплава с увеличением содержания никеля. В нынешних условиях промышленного производства усовершенствование технологических и служебных свойств сплавов возможно при расширении фундаментальных научных исследований и разработке на их основе новых технологических заключений. Новизна исследований заключается в развитии оригинального прикладного направления материаловедения в машиностроении: разработке рекомендаций по температурно-временному режиму выплавки мельхиора МН19 на основе представлений о приведении расплава в состояние кинетического и термодинамического равновесия с целью повышения и стабилизации качества продукции. Исследованы температурные зависимости структурно-чувствительных свойств жидкого сплава на основе меди. На политермах выявлены особые точки и участки. Получены новые экспериментальные данные о физических свойствах мельхиора марки МН19. Кинематическая вязкость, поверхностное натяжение, плотность и удельное электросопротивление были измерены в диапазоне температур от ликвидуса с превышением на 300-400 oС. Построены и приведены политермы, полученные при измерении кинематической вязкости, удельного электросопротивления, поверхностного натяжения и плотности. На основании полученных экспериментальных данных предложены следующие рекомендации: минимальный нагрев до температуры 1400 ºС, выдержка ≈5 мин для гомогенизации расплава.

Ключевые слова

политерма, кинематическая вязкость, удельное электросопротивление, поверхностное натяжение, перегиб, гистерезис, структура, сплав, физические свойства сплава, мельхиор.

Полный текст

Введение Мельхиор МН19 имеет следующий химический состав: Ni - 18,0-20,0 %, остальное - медь. Основным полезным свойством данного сплава является высокая коррозионная стойкость. Среди механических свойств сплава можно выделить высокую прочность благодаря содержанию в его составе никеля. Чем выше прочность сплава, тем больше содержание никеля в конкретной марке мельхиора. Также данный сплав отличается хорошей пластичностью, что позволяет обрабатывать его под давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Мельхиор марки МН19 используется для изготовления деталей точной механики, монет, медицинских инструментов, сеток, столовой посуды, полосы (ГОСТ 5063-49) и ленты (ГОСТ 5187-49 и ГОСТ 1018-54). Сплав устойчив в щелочных растворах солей и органических соединениях. Обширный спектр эксплуатационных преимуществ мельхиора обусловил практическое использование различных марок сплава во многих производственных отраслях [1]. Возможно усовершенствование свойств данного сплава с помощью воздействия на него в жидком и твердом состоянии. Для этого необходимо исследование структурного состояния расплава и влияния его особенностей на свойства и структуру, которые получаются при кристаллизации сплава. В данной работе проведено исследование удельного электросопротивления, кинематической вязкости, поверхностного натяжения и плотности сплава мельхиора МН19. Средствами электронной микроскопии проведено металлографическое исследование микроструктуры поверхности образцов. Материалы и методы Для исследования образцы мельхиора марки МН19 отобраны в лабораторных условиях. Химический состав исходных образцов определен с помощью спектрометра SPECTROMIDEX и приведен в таблице. Кинематическую вязкость мельхиора марки МН19 измеряли методом Е.Г. Швидковского со ступенчатым изменением температуры Т = 30 °С. Этот метод, основанный на измерении параметров затухающих крутильных колебаний тигля с расплавом, который подвешен на упругой нити, является одним из наиболее надежных методов определения вязкости металлических расплавов при высоких температурах (Т = 1000÷1700 °С). Изменения в расплавленном металле при изменении темпера- Химический состав образцов мельхиора МН19 для измерения вязкости, удельного электросопротивления и поверхностного натяжения (массовые доли химических элементов, мас. %) Ni Fe C Mn S Cu Zn Mg 18-20 0,5 12,6 0,02 0,002 78,5-82 0,04 0,2 туры или изотермическом химическом воздействии влияют на кинематическую вязкость расплава. Для изучения кинематической вязкости необходимо соблюдать такие требования, как проведение вспомогательных операций (пробоподготовка, взвешивание, правильная загрузка в установку), поддержание температурного режима и чистоты атмосферы, измерение декремента затухания колебаний и расчет значений вязкости. Большое количество компьютерных программ и теоретических моделей было разработано для преобразования декремента затухания в вязкость [2-5]. Экспериментальные исследования проводились на установке [6, 7] для измерения кинематической вязкости расплавов, которая состоит из корпуса установки - водоохлаждаемой вакуумной камеры, системы вакуумирования и напуска газа, системы нагрева и контроля температуры и системы регистрации крутильных колебаний. Исследования проводили в атмосфере высокочистого гелия под давлением 105 Па в режиме нагрева от Т = 1300 до 1600 °С и последующего охлаждения образца. При выполнении измерений запись параметров колебаний осуществлялась оптически с использованием автоматической системы записи фотографий. Для исследования температурных зависимостей удельного электросопротивления мельхиора марки МН19 использовали метод вращающегося магнитного поля (метод А.Р. Регеля). А.Р. Регель изобразил, что угол закручивания подвесной системы φ пропорционален удельной проводимости металла, если радиус цилиндрического образца соизмерим с высотой [8-11]. В режиме нагрева и последующего охлаждения образца проведены измерения удельного электросопротивления в диапазоне температур Т = 1350÷1470 °С. В предварительно вакуумированную до 0,001 Па рабочую камеру запускали гелий под давлением ~105 Па. Производился нагрев образцов до Т = 1350÷1470 °С с шагом 30-40 °С. Измерения удельного электросопротивления были выполнены на оригинальной установке [12-14]. Для проведения экспериментальных исследований по изучению поверхностного натяжения использовалась установка горизонтального типа. Методом лежащей капли измеряли плотность и поверхностное натяжение мельхиора марки МН19 в режиме нагрева до Т = 1470 °С и последующего охлаждения образца. Металлический корпус печи закреплен на специальной подставке. Внутри него установлен молибденовый нагреватель с системой экранов. Для получения изображения капли металла на экране оптической системы один из торцевых фланцев имеет окно, защищенное просветленным стеклом. Через другой фланец в пространство печи рабочей камеры вводится шток, который заканчивается стержнем из молибдена с горизонтальной площадкой для установки подложки с исследуемым образцом. Рабочую камеру предварительно вакуумировали до ~1 Па. Затем запускали гелий до давления ~105 Па. Производили нагрев образцов до Т = 1470 °С с шагом 30-50 °С. Изотермические выдержки в точках отсчета составляли не менее 15 мин. Профиль исследуемой капли снимали цифровой видеокамерой с копированием изображения на компьютер, геометрические размеры профиля капли определяли с помощью программы анализа изображений SIAMS 700, с точностью 0,3°-0,6°. Используемый метод измерения плотности и поверхностного натяжения металлических расплавов и экспериментальная установка описаны в работах [15-24]. Для исследования микроструктуры поверхности образцов проводили стандартную пробоподготовку металлографического исследования, которая заключалась в шлифовании образца с уменьшением размера абразива наждачной бумаги, после проводили полировку образцов на алмазной пасте с размером абразива 6 мкм. Далее было произведено травление образца для выявления микроструктуры в 10%-ном растворе аммиака. После чего смотрели микроструктуру с помощью металлографического микроскопа NikonEpiphot 200. Результаты экспериментов В результате проведенных экспериментов построены и приведены политермы, полученные при измерении кинематической вязкости мельхиора марки МН19. Произвели нагрев образца до температуры Т = 1350 °С. На температурных зависимостях вязкости, которые были получены в режиме нагрева, в области Т = 1300÷1350 °С наблюдалось уменьшение значений вязкости и гистерезис при последующем охлаждении (рис. 1). При нагреве образца до температуры Т = 1400 °С на политермах вязкости наблюдали уменьшение значений вязкости. Также на температурных зависимостях вязкости расплава наблюдался гистерезис в области 1250-1400 °С (рис. 2). Наличие гистерезиса указывает на исчезновение несбалансированных неоднородностей. Перегибы говорят о немонотонности, иногда о скачке в процессе перехода от системы к равновесию. При нагревании до заданных температур, называемых критическими, расплав переводился в состояние равновесия [24, 25]. Т = 1300÷1360 °С - переходная область, при которой происходит интенсивная перестройка расплава, о чем свидетельствуют полученные политермы. При уменьшении времени в жидком состоянии в режиме нагрева эта область расширялась в направлении высоких температур (см. рис. 2). Рис. 1. Температурная зависимость кинематической вязкости мельхиора МН19 при нагреве до 1350 ºС (• - нагрев, ○ - охлаждение) Рис. 2. Температурная зависимость кинематической вязкости мельхиора МН19 при нагреве до 1400 ºС (• - нагрев, ○ - охлаждение) Проведены термовременная выдержка расплава при Т = 1300 °С, нагрев до этой температуры, его выдержка в течение 80 мин с последующим охлаждением (рис. 3). После 50 мин расплав приходил в равновесное состояние. При меньших значениях времени наблюдалась осцилляция. Рис. 3. Термовременная выдержка в течение 80 мин при Т = 1300 ºС (• - нагрев) Вязкость является структурно-чувствительным свойством расплава, поэтому можно полагать, что имеющиеся особенности на политермах вязкости жидкого сплава МН19 определены структурными превращениями в нем. Гистерезис изменения вязкости в зависимости от температуры указывает на изменение состояния расплава при нагреве, а затем охлаждении. В случае использования нагрева при предельной температуре с минимальным временем выдержки процесс перевода расплава в устойчивое состояние более эффективен, чем при нагреве ниже критической температуры, но при длительной выдержке сплава. Результаты измерения температурной зависимости плотности мельхиора марки МН19 представлены на рис. 4. Рис. 4. Температурная зависимость плотности мельхиора МН19 (• - нагрев, ○ - охлаждение) При плавлении плотность сплава мельхиора марки МН19 уменьшается на 1,5 %, а в жидком состоянии линейно уменьшается с ростом температуры. При Т = 1300÷1360 °С разрушается пленка, что подтверждает улучшение однородности расплава. Температурная зависимость поверхностного натяжения мельхиора МН19 представлена на рис. 5. Рис. 5. Температурная зависимость поверхностного натяжения мельхиора МН19 (• - нагрев, ○ - охлаждение) Результаты измерения температурной зависимости удельного электросопротивления мельхиора марки МН19 при нагреве в район аномалии представлены на рис. 6, 7. Проводилось сравнительное исследование структуры сплавов в твердом состоянии в зависимости от температуры нагрева расплава. Температуры нагрева выбирали в соответствии с экспериментальными данными по вязкости: 1350 и 1400 °С. Рис. 6. Температурная зависимость удельного электросопротивления мельхиора МН19 при нагреве до 1350 °С (• - нагрев, ○ - охлаждение) Рис. 7. Температурная зависимость удельного электросопротивления мельхиора МН19 при нагреве до 1470 °С (• - нагрев, ○ - охлаждение) Средствами электронной микроскопии исследовали металлографическую микроструктуру поверхности образцов. Обнаружено наличие дендритной структуры. При Т = 1350 °С (рис. 8) мы наблюдали более крупное зерно, чем при Т = 1400 °С (рис. 9). На физико-химические и коррозионные свойства сплавов оказывают существенное влияние размеры зерен, их форма и ориентация. Рис. 8. Структура поверхности сплава мельхиора марки МН19 при нагреве до Т = 1350 ºС Рис. 9. Структура поверхности сплава мельхиора марки МН19 при нагреве до Т = 1400 ºС Сплавы, имеющие мелкозернистую структуру, обладают, как правило, более высокой пластичностью и коррозионной стойкостью, по сравнению с теми же сплавами, имеющими более крупное зерно. Заключение Исследованы температурные зависимости структурно-чувствительных свойств жидкого сплава. На политермах выявлены особые точки и аномалии. В результате проведенной работы получены новые экспериментальные данные о физических свойствах сплава мельхиора МН19. Определены значения характерных критических температур и температур гистерезиса вязкости, при которых структура расплава претерпевает существенные перестройки. На основании полученных экспериментальных данных для технологии плавления этого сплава даны следующие рекомендации: минимальный нагрев при температуре 1400 °С, время выдержки 5 мин для гомогенизации слияния.

Об авторах