Файл: Шамрай, Ф. И. Сплавы вольфрама, молибдена и ниобия с бором и углеродом.pdf

Рис. 20. Диаграмма состояния

•системы Nb—С [104] •

/

вработе Эллиотта не подтвердилась. Большое внимание в работе

[103]уделено определению растворимости углерода в ниобии, ко­ торое проводилось методом диффузионного насыщения. Получены следующие значения растворимости углерода: 0,6—0,8 вес. % при эвтектической температуре, — 0,1 вес. % при 1800° С и 0,01 вес. % при 1500° С (последнее значение получено путем экстраполяции).

Особого внимания в исследовании сплавов ниобия с углеродом -заслуживает работа Руди с соавторами [104]. В этой работе мето-

93

Рис. 21. Изотермические сечения системы Nb—W—С [110] при 2000° (а) и 2600° (б)

дами дифференциально-термического, рентгеновского и микроструктурного анализов изучено большое количество сплавов, по­ лученных из чистых исходных веществ. В результате исследования построена диаграмма состояния, представленная на рис. 20. Полученные в работе [104] данные по температуре эвтектики Nb + Nb2C имеют хорошее согласие с данными [100—102], по тем­

порядок в карбиде Nb2C. Ими установлено, что высокотемператур­ ная неупорядоченная модификация y-Nb2C с решеткой типа U 3 в области составов выше 33 ат. % С не претерпевает упорядочения и при 2440° С распадается по эвтектоидной реакции на упорядо­ ченную p-форму и NbC (см. рис. 20).

Терао [105] методом электронной дифракции определил, что упорядоченная p-форма Nb2C, существующая в интервале темпе­ ратур 2500—1230° С, имеет структуру типа e-Fe2N (а = 5,407А, с = 4,960 А). Ниже 1230° С Nb2C кристаллизуется в виде упоря­ доченной орторомбической модификации типа £-Fe2N [106, 107]. Упорядоченная £-форма Nb2C была получена впервые С. И. Алямовским с соавторами при окислении Nb2C на воздухе при 300° С [108]. Образование третьей промежуточной £-фазы [99] авторы [104] связывают с влиянием кислорода.

Система W —С, ограничивающая тройную систему N b—W —С, описана в разделе 2 настоящей главы.

Система ниобий—вольфрам—углерод. Из данных работ по тройной системе W —Nb—С-известно исследование Я. С. Умаиского и А. Е. Ковальского [109] по взаимной растворимости NbC и WC. При 2500° растворимость WC в NbC достигает 75%, раство­ римость NbC в WC невелика.

Первая диаграмма состояния системы W —Nb—С построена в работе Ю. Н. Вилька с соавторами [110] методами рентгеновско­ го и металлографического анализов и измерением микротвердости. На 30 образцах проведено исследование равновесия между воль­ фрамом и монокарбидом ниобия состава NbC0)98 и NbC0)95 в тем­ пературном интервале 2000—3000°. Анализ экспериментальных данных позволил установить распределение полей кристаллизации по всей системе. Установлено существование следующих фаз: фаза со структурой вольфрама (а-фаза) — твердый раствор угле­ рода в вольфраме, высший карбид ниобия NbC (у-фаза), полукарбид вольфрама W2C (6-фаза) и полукарбид ниобия Nb2C ((3-фаза). На основе данных, полученных при исследовании разрезов, по­ строены гипотетические изотермические сечения при 2000 и 2600° (рис. 21,а, б).

Более полно система Nb—W —С изучена в работе [19]. В ней рассмотрены вопросы о границе тройного твердого раствора (W, Nb, С) при различных температурах, механические свойства, сплавов на его основе, а также фазовые равновесия в полном

96

а

Рис. 23. Изотермическое сечение системы Nb—W—С при 2000° [19]

концентрационном интервале. Исследование проведено на 300 об­ разцах. Сплавы приготовлены методом порошковой металлургии с последующим трехкратным переплавом в печи дугового плавле­ ния с нерасходуемым вольфрамовым электродом. Положение вы­ бранных сплавов на концентрационном треугольнике показано на рис. 22. Фазовые равновесия изучены при 2000 и 1700° С. Изо­ термическое сечение при 2000° (рис. 23) характеризуется наличием ограниченных твердых растворов на основе двойных карбидов и соответствующих двухфазных и трехфазных областей. Твердый раствор на основе монокарбида ниобия простирается в глубь треугольника до 22—23 ат.% W, его область гомогенности по углероду постепенно сужается от 8 до 1—1,5 ат. %. По мере увеличения содержания вольфрама наблюдается уменьшение пе­ риода решетки кубической фазы на основе NbC от 4,46 до 4,42 А и снижение микротвердости от 2150 до 1950 кГ1мм2.

Растворимость ниобия в WC практически отсутствует. Раство­ римость вольфрама в Nb2C найдена равной 8 ат. %, растворимость ниобия в W2C — примерно 14 ат. %.

Изотермическое сечение при 1700° С имеет вид, аналогичный сечению при 2000° С, и характеризуется более узкими областями твердых растворов на основе соединений NbC, Nb2C и W2C.

Первичные твердые растворы на основе ниобия и вольфрама.

Растворимость в ниобиевом и вольфрамовом углах в тройной

W —Nb—С и двойной Nb—С системах изучена в работах [19, 111] микроструктурным методом. При построении кривых растворимо­ сти использованы также данные измерения твердости.

Литературные данные о растворимости углерода в ниобии при 2000—2300° С противоречивы (табл. 10), поэтому в [111] были дополнительно изучены сплавы ниобия с содержанием углерода от 0,1 до 3,0 ат. % . При сравнении полученных результатов с данны­ ми работы Кимура и Сасаки [102] наблюдается хорошая сходи­ мость. Так, растворимость углерода в ниобии, определенная металлографическим методом, по данным работы [102], составляет при 1900° С — 1,8 ат. %, при 1500° G — 0,4 ат.% и при 1200° С—

0,2 ат.%. В работе [111] растворимость углерода в ниобии при

2000° С найдена равной 1,8—1,9 ат.%, для 1700 и 1100° С — 0,8 и 0,3 ат. % соответственно. При определении границ первичных твердых растворов тройной системы данные работы [111] были приняты как исходные.

Изотермы совместной растворимости вольфрама и углерода в ниобии приведены на рис. 24, на нем можно видеть, что легиро­ вание ниобия вольфрамом в количестве до 2 ат. % снижает раство­ римость углерода с 1,8—1,9 до 0,4 ат. % при 2000° С. Понижение температуры приводит к заметному уменьшению совместной раст­ воримости углерода и вольфрама в ниобии. Область тройного твердого раствора при 1100° С располагается узкой полосой, при­ легающей к стороне Nb—W.

Кривые растворимости в W-углу тройной системы показаны на рис. 25. Предельная растворимость углерода и ниобия в воль­ фраме при 2000° С соответствует составу 0,065 ат.% Nb и 0,105 ат. % С; при 1700° С — 0,052 ат.% Nb и 0,084 ат.% С; при 1100° С—

0,044 ат. % Nb и 0,052 ат. % С. Увеличение содержания ниобия до 0,2 ат. % снижает растворимость углерода в вольфраме при

2000° С с 0,15 до 0,05 ат.%.

Сплавы на основе вольфрама имеют полигональную структуру с крупными зернами; увеличение содержания углерода не вызы-

98

Рис. 24. Изотермы совместной растворимости вольфрама и углерода в нио­ бии при 2000, 1700 и 1100° С [111]

Рис. 25. Изотермы совместной растворимости углерода и ниобия в воль фрам при 2000, 1700' и 1100° С [19[

вает заметного измельчения зерна. При переходе в гетерофазную область по границам зерен появляются мелкие точечные выделе­ ния, которые по мере увеличения содержания ^углерода образуют сплошную карбидную цепочку, а затем в виде дисперсных вклю­ чений равномерно распределяются и внутри зерен.

Растворимость углерода в вольфрам-ниобиевом твердом раст­ воре при 2000° С схематически представлена на рис. 26.

Механические свойства сплавов на основе ниобия. Для изуче­ ния механических свойств было намечено выплавить сплавы, содержащие вольфрам и ниобий во всем интервале концентраций. Однако опыты показали, что в условиях данной работы деформи-

Рис. 26. Растворимость угле­ родав твердом раствореW— Nb

при 2000 °

руются без разрушения только сплавы ниобия с содержанием вольфрама примерно до 30 вес. %. Слитки весом 3 —6 кг, выплав­ ленные в дуговой и электронно-лучевой печах, после предвари­ тельного подогрева до 1300—1600°С в атмосфере аргона, были подвергнуты прессованию (усилие прессования 140—600 Т в зависимости от состава) и ротационной ковке при 900—1000°С. Из полученных прутков готовили стандартные образцы типа КРД-2 и КРД-3 для изучения механических свойств и цилиндри­ ческие образцы диаметром 8 —10 мм и длиной 100 мм для опре­ деления упругих свойств.

В табл. 11 представлены механические свойства деформирован­ ных сплавов ниобия с вольфрамом и углеродом.

100