книги из ГПНТБ / Рытвин Е.И. Платиновые металлы и сплавы в производстве стеклянного волокна [учеб. пособие]

Т а б л и ц а 10. Сопротивление деформации при нагреве платиновых сплавов

сплава деформируются при изгибе, давая стрелу проги­ ба 6 мм при напряжении 15 кгс/мм2.

Как следует из табл. 10, родий, иридий и рутений сильно упрочняют платину. С увеличением содержания каждого из легирующих элементов пластичность соот­ ветственно уменьшается, и для достижения требуемой стрелы прогиба в образце необходимо повышать тем­ пературу или увеличивать время выдержки.

Установлено, что в системе платина — родий суще­ ствует зависимость скорости ползучести от состава спла­ ва, начального напряжения и температуры*. Эта зави­ симость описывается математической моделью, постро­ енной для следующих условий: содержание родия в сплаве от 7 до 15%, начальное напряжение от 0,2 до 1,3 кгс/мм2, температура испытания от 1350 до 1500°С. Математическое уравнение, по которому можно рассчи­ тать скорость ползучести платинородиевого сплава в указанных условиях, имеет вид

122

Кроме состава сплава и условий его испытаний на скорость ползучести существенное влияние может ока­ зывать структурный фактор, в частности размер зерна. На основании исследований* найдена взаимосвязь ско­ рости ползучести на установившейся стадии при 1300°С платинородиевых сплавов, содержащих от 7 до 10% ро­ дия, с размерами зерна от 0,4 до 2,8 мм и испытанных с начальным напряжением от 1,0 до 1,3 кгс/мм2. Эта зависимость может быть выражена математической мо­ делью:

Структурный фактор может оказывать существенное влияние на скорость ползучести и долговечность плати­ новых сплавов. В свою очередь структурный фактор за­ висит от технологических режимов получения и перера­ ботки сплавов, что будет особо рассмотрено ниже. Также будет отдельно изложен материал о влиянии среды ис­ пытаний на характеристики жаропрочности сплавов пла­ тиновых металлов. Вместе с тем при разработке новых композиций особо важно учитывать влияние состава на ползучесть и долговечность платиновых сплавов.

Зависимость скорости ползучести и долговечности от состава сплавов на основе платины и палладия

При создании сплавов для стеклоплавильных сосу­ дов выбор металла-основы и легирующих добавок прак­ тически ограничен элементами платиновой группы и зо­ лотом**. В качестве основы сплавов могут быть исполь-

■ ? Н о в и к о в И. И. и др. Изіз.- вузов. Цвети, металлург., 1970, № 3, с. 110—113.

** Р ы т в и и Е. И. В кн.: Благородные металлы и их приме­ нение. Труды института физики металлов Уральского научного цен­ тра АЛЛ СССР.- Вын. 28. Свердловск, 1971, с. 285—292-.......................

123

зованы платина и палладий, поскольку они обладают хорошими эксплуатационными и технологическими свой­ ствами, а в качестве легирующих элементов — родий, рутений, иридий и золото. Определяя основу сплавов, необходимо иметь в виду, что с увеличением содержа­ ния палладия в системе платина — палладий уменьшает­ ся плотность и существенно снижается стоимость ма­ териала, но возрастает опасность ухудшения эксплуата­ ционных показателей, особенно при температурах выше

1375 °С.

Рис. 54. Зависимость времени до разрушения от

Зависимость времени до разрушения от состава сплавов системы платина—палладий показана на рис. 54. Эта зависимость характеризуется наличием четко выраженного максимума при температурах 1200 и 1300 °С и слабо выраженного максимума при 1400°С. Следова­ тельно, максимум жаропрочности, наблюдаемый в об­ ласти концентраций 20—40% палладия, с повышением температуры постепенно уменьшается. Можно предпо­ ложить, что образование максимума связано с еще не­ изученными превращениями, протекающими в области твердых растворов системы платина—палладий. Из дан­ ных, представленных на рис. 54, следует, что жаропроч­ ные платинопалладиевые сплавы должны содержать 20—40% палладия. Однако даже в области максималь­ ных значений долговечность платинопалладиевых спла­ вов при 1400°С примерно на порядок меньше долговеч­ ности применяемых в стеклоплавильных сосудах двойных платинородиевых сплавов. Родий является одним из наи­ более эффективных упрочнителей платиновых сплавов,

124

причем упрочняющие функции родия сохраняются не только при 1400, но и при 1600 °С. Зависимость характе­ ристик жаропрочности платинородиевых сплавов от со­ става показана на рис. 55. Родий является особенно ценным легирующим элементом, так как при сплавле­ нии с родием платина не только становится значительно более прочной при высокой температуре, но и сохраня­ ет присущее ей высокое сопротивление растворению в расплаве стекла и окислению на воздухе.

В отличие от родия другие возможные легирующие элементы характеризуются высокой скоростью возгонки

Рис. 55. Зависимость установившейся скорости ползучести (/) и времени до разрушения (2) от состава платинородневых сплавов при 1400 (а) и 1600 °С (б) и анач = 0,5 кгс/мм2.

(рутений, иридий) пли повышенной растворимостью в рас­ плаве стекла (палладий). Однако использование двой­ ных платинородиевых сплавов не всегда эффективно. Во-первых, эти сплавы состоят из наиболее дефицитных металлов — платины и родия. Поэтому с экономической точки зрения всегда желательно ввести в состав сплава сравнительно дешевые и малодефицитные палладий и рутений. Во-вторых, жаропрочность двойных сплавов не является максимально возможной, и легирование пла­ тиновых сплавов рутением или иридием может повысить их сопротивление ползучести. Эксплуатационные свой­ ства платиновых сплавов в условиях работы сосудов можно улучшить дополнительным легированием, напри­ мер золотом, которое уменьшает смачивание металла стекломассой.

125

Исследования показывают, что жаропрочность трой­ ных сплавов платины с палладием и родием соизмери­ ма с жаропрочностью двойных сплавов платины, со­ держащих 5—10% родия. Важно отметить, что жаро­ прочность тройных сплавов при 1400°С, как правило, тем выше, чем больше содержание родня.

Рейнахер приводит сведения о длительной 100-часо- вой прочности при 1400°С тройных сплавов платины с родием и палладием*:

В той же работе обсуждается влияние напряжения на долговечность некоторых тройных сплавов при 1200 °С (табл. 11)*.

126

Приведенные сведения о влиянии палладия и родия на жаропрочность тройных сплавов, в общем, согласу­ ются с данными другой работы (см. табл. 12*), харак­ теризующими ползучесть и долговечность аналогичных тройных сплавов при 1350 и 1425°С и начальном напря­ жении 0,5 кгс/мм2.

Т а б л и ц а 12. Показатели жаропрочности платинопалладийродиевых сплавов при различной температуре и начальном напряжении 0,5 кгс/мм2

По данным, представленным в табл. 12, были полу­ чены математические уравнения, описывающие зависи­ мость времени до разрушения т (в ч) и скорости пол­

т= 21,9 — О .ЗбХі-Ь 0,46Х„

е-ІО'2= 0,45 + О.ОбХц — 0,12Xj

при 1425°С

т = 1 0 . 8 — 0 ,1 7 ^ + 0 , 1 1 * 2

ё-102 = 3,1 + 0,22Хг — 0,1 ЭХ2

Обобщенный анализ данных о жаропрочности трой­ ных сплавов, а также имеющиеся сведения о стеклостой­ кости сплавов с большим содержанием палладия ука­ зывают на необходимость на первых порах ограничивать содержание палладия в разрабатываемых сплавах. Кро­

* Р ы т в и н Е. И., К у з ь м и и В. М., М е й т и н Ю. В. «’Металловедение и термообработка металлов», 1969, № 2, с. 71 — 72.

127

ме того, при создании новых сплавов необходимо учи­ тывать, что жаропрочность тройных сплавов системы платина — палладий — родий может быть повышена их дополнительным легированием, например, рутением.

Скорость ползучести сплавов системы платина—пал­ ладий— родий — рутений была изучена при использова­ нии статистических методов планирования эксперимента. Первоначально выбранная для исследования область сплавов была ограничена содержанием палладия до 30%, родия — до 15% и рутения — до 10%*. Такой вы­ бор границ области составов сплавов объясняется сле­ дующими причинами: 1) увеличение содержания палла­ дия в сплаве более 30% может привести к снижению жа­ ропрочности и вызвать интенсивную возгонку сплава и его растворимость в стекломассе при температурах выше 1400 °С; 2) увеличение содержания родия в сплаве бо­ лее 15% не целесообразно вследствие его высокой стои­ мости и особой дефицитности; кроме того, при увеличе­ нии содержания родия ухудшаются технологические ха­ рактеристики сплавов; 3) рутений при содержании более 10% резко ухудшает технологические характеристики и вызывает ускоренную возгонку сплава при нагреве.

Предварительное рассмотрение диаграмм состояния

нятой области концентраций легирующих элементов) однородных твердых растворов, предопределяющих плавное изменение свойств с изменением состава спла­ вов. Поэтому зависимость скорости ползучести от соста­ ва четырехкомпонентных сплавов может быть описана математической моделью.

Полученные математические уравнения скорости пол­ зучести (в %/мин) для температур 1300, 1400 и 1500°С при начальном напряжении 0,5 кгс/мм2 справедливы для любого двойного, тройного и четырехкомпонентно­ го сплава, входящего в пределы концентраций легирую­ щих элементов рассматриваемой системы платина—пал­ ладий— родий — рутений. Эти уравнения имеют следу­ ющий вид:

‘ Н о в и к о в И. И. и др. В кн.: Благородные металлы и их применение. Труды института физики металлов Уральского науч­ ного центра АН СССР. Вып. 28. Свердловск, 1971, с. 323—326.

128

- 1 4 ,0 2 7 7 * * * — 4 ,1 2 1 7 * * * 4 — 9 , 8 5 4 1 * * * - 9 , 9 8 7 3 * * *

при 1500°С

lg (в - ІО3) = 2 ,8 8 6 5 * 4- 2 ,4 5 4 8 * 4- 1,5051* 4-

4- 0 ,6 9 9 0 * 4- 2 ,1 6 0 6 * * — 1 ,7 2 9 6 * * — 2 ,8 5 4 2 * * —

—0 , 9270*2*з — 0,7 8 6 8 * 2 * — 0 ,9 0 7 8 * * — 1 0 , 4 8 2 0 * * * -

—3 , 6 0 0 6 * * * 4 - 1 0 , 5 4 1 1 * * * — 8 ,3 0 1 9 * * * 4

С помощью полученных моделей можно определить скорость ползучести любого сплава в рассмотренной ча­ сти системы платина — палладий — родий — рутений. На основе расчетов были получены графические зависимо­ сти логарифма скорости ползучести от состава тройных сплавов платина — палладий — родий (рис. 56) и четвер­ ных сплавов платина — палладий — родий — рутений

(рис. 57).

В системе платина — палладий-—родий сопротивле­ ние ползучести сплавов заметно снижается по мере при­ ближения к платинопалладиевой стороне концентраци­ онного треугольника. Сравнительно небольшая скорость ползучести наблюдается у тройных сплавов, содержащих 6—9% родия и 15% палладия. При легировании тройных сплавов рутением их сопротивление ползучести заметно возрастает. Скорость ползучести ряда тройных и четвер­ ных сплавов находится на уровне скорости ползучести