Способ получения композиционного материала на основе карбида титана

 

Изобретение относится к порошковой металлургии и позволяет получать композиционный материал на основе карбида титана, обладающий высокими абразивными характеристиками, и может быть использован для нанесения защитного покрытия на металлические поверхности. Сущность изобретения: готовят смесь порошков исходных компонентов, содержащих титан, хром, углерод, взятых в количестве, необходимом для получения целевого материала, содержащего карбид хрома и карбид титана при их молярном соотношении 1:1-10, размещают смесь в реактор, проводят синтез в режиме горения путем локального воспламенения смеси под давлением 0,005-0,05 МПа, после извлечения целевой материал подвергают измельчению и фракционированию, при этом в смесь может быть введено дополнительно 15-35 мас.% порошка никеля, а после перемешивания смесь может быть брикетирована в виде гранул или таблеток. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам получения порошковых композиционных материалов на основе карбида титана в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), которые могут быть использованы в качестве абразивного шлифовального материала в станкоинструментальной промышленности, а также как материал для нанесения износостойких и коррозионностойких покрытий на разные металлические детали машин в машиностроительной, судостроительной, авиационной и других отраслях промышленности.

Известен способ получения композиционного материала на основе карбида титана, включающий приготовление смеси перемешиванием порошков исходных компонентов из карбида титана и карбида хрома и последующее горячее прессование смеси при высокой температуре [1] Способ длителен по времени (более 5 ч), а целевой материал имеет недостаточно высокие абразивные и полирующие свойства.

Наиболее близким к изобретению является способ получения композиционного материала на основе карбида титана, включающий приготовление смеси 2-стадийным перемешиванием порошков исходных компонентов, содержащих титан, бор, углерод и хромникелевую бронзу (Cr-2,8%), хром, прессование смеси и размещение ее в реактор, локальное воспламенение смеси с последующим высокотемпературным реагированием компонентов в режиме горения, компактированием продукта синтеза и извлечением целевого продукта [2] Способ позволяет получать монолитный целевой композиционный твердосплавный материал содержащий, мас. диборид титана 54; карбид титана 36 и хромникелевую бронзу 10 с содержанием 2,8% хрома, который используется для изготовления режущего инструмента.

Задачей изобретения является создание способа получения порошкового композиционного материала на основе карбида титана, обладающего высокими абразивными характеристиками и материала для нанесения покрытий, обладающих высокой износостойкостью и жаростойкостью в окислительных средах при температуре выше 1000^oC.

Задача достигается тем, что способ получения композиционного материала на основе карбида титана включает: приготовление смеси перемешиванием порошков исходных компонентов, содержащих титан, хром и углерод, взятых в количестве, необходимом для получения целевого материала, содержащего карбид хрома и карбид титана при их молярном соотношении 1:1-10; размещение смеси в реактор; локальное воспламенение смеси с последующим высокотемпературным реагированием компонентов в режиме горения под давлением 0,005-0,05 МПа; извлечение целевого продукта, его измельчение и фракционирование.

При этом в смесь дополнительно может быть введено 15-30 мас. порошка никеля, а после перемешивания смесь может быть брикетирована в виде гранул или таблеток.

Для осуществления способа могут быть использованы порошки исходных компонентов, поставляемых отечественной и зарубежной промышленностью. Например, порошки титана ПТМ, ТУ 14-1-958-74, ТУ 14-3086-80, дисперсностью менее 100 мкм; углерода (сажа) марки ПМ-15ТС, ТУ 38-1158-71, П804 и др. хрома марки ПХ-IC, ТУ 14-1-1474-75, ПХП.

Брикетирование осуществляют прессованием исходной смеси до относительной плотности 0,4-0,6. Другой вариант брикетирования заключается в приготовлении из исходной смеси гранул на шнек-прессе через фильеры или методом экструзии. При этом форма гранул может быть различная: шаровидные диаметром до 10 мм, вытянутые по длине длиной 8-12 мм и диаметром 4-6 мм.

Пример 1. Для получения композиционного материала, содержащего в своем составе карбид титана и карбид хрома при их молярном соотношении 1:1, готовят смесь порошков из 20 мас. титана, 15 мас. сажи и 65 мас. хрома, после тщательного перемешивания смеси в шаровой мельнице в течение 20 ч засыпают в реактор, слегка подпрессовывают смесь, подводят вольфрамовую спираль в контакт с поверхностью смеси, реактор герметизируют и создают давление 0,005 МПа, локально воспламеняют смесь подачей на спираль напряжение 40-60 В при токе 60-80 А. После локального воспламенения в смеси происходит высокотемпературное реагирование компонентов в режиме горения в течение 10-30 с. После прохождения фронта горения по реакционной смеси, содержимое реактора охлаждают, извлекают целевой продукт, который представляет собой пористую, легко разрушаемую массу, которую затем подвергают измельчению в шаровой мельнице и фракционированию.

По данным рентгеноструктурного, металлографического и химического анализов, целевой материал представляет собой твердый раствор карбида хрома в карбиде титана и карбид титана при молярном соотношении карбида титана к карбиду хрома, равном 1:1. Из фракционированных порошков выделяют порошок зернистостью 28/20 мкм, в котором 80% частиц изометричной формы. Микротвердость таких частиц 3800 кг/мм². Испытания этой фракции на абразивную способность и шероховатость поверхности доводочных образцов из стали ШX-15, проведенное по методике ТУ 2-037-273-80 показали, что съем поверхностного слоя при обработке составляет 35 мг, а шероховатость 0,114 мкм.

Пример 2. Для получения композиционного материала, содержащего в своем составе карбид хрома и карбид титана при их молярном соотношении 1:10, готовят смесь порошков титана (61,5 мас.), графита (18,5 мас.), хрома (20 мас.), дополнительно вводят в смесь 35% порошка никеля от массы указанных компонентов, перемешивают в шаровой мельнице до получения однородной массы. Из полученной смеси методом экструзии получают гранулы диаметром 4,0, длиной 10 мм, помещают их в раствор, создают давление 0,05 МПа и далее как в примере 1.

Выделенный композиционный материал представляет собой однородный твердый раствор Cr₃C₂-10TiC при молярном соотношении карбида хрома к карбиду титана, равном 1:10, при этом частицы твердого раствора равномерно покрыты оболочкой из никеля.

Полученный композиционный материал измельчают в шаровой мельнице и подвергают фракционированию с целью выделения порошков зернистостью 40/28 и 60/40 мкм. Указанные классифицированные порошки были использованы для нанесения плазменных жаростойких покрытий на поверхность из стали X12M. Плазменное напыление порошков осуществлялось на установке УПУ-3 с использованием аргонно-водородной смеси до толщины покрытия 0,3-0,4 мм. Проведены испытания покрытия на износостойкость с контртелом из стали X12M и определена прочность сцепления. Испытания на износ осуществлены на машине МИ-IM. За величину износа принят объем изношенного покрытия. Прочность сцепления покрытий с подложкой из стали X12M определены по методике нормального отрыва конусного штифта и шайбы.

Для полученного композиционного материала износ покрытия при нагрузке 400 МПа составил 0,005 мм³, при 800 МПа составил 0,011 мм³, при 2000 МПа 0,025 мм³, прочность сцепления 20,5 МПа.

Пример 3. Для получения композиционного материала, содержащего в своем составе карбид хрома и карбид титана при их молярном соотношении 1:3, готовят смесь из порошков титана (40 мас.), хрома (43,3 мас.) и сажи (16,7 мас.), дополнительно вводят в смесь 15% порошка никеля от массы указанных компонентов, перемешивают в шаровой мельнице, затем брикетируют в виде таблеток диаметром 30 мм и высотой 20 мм с относительной плотностью 0,5, помещают таблетки в реактор, создают давление 0,01 МПа. Далее как в примере 2.

Фракционированные порошки 40/28 мкм были использованы для нанесения плазменных покрытий на поверхность титанового сплава. Полученные покрытия надежно защищали поверхность от интенсивного воздействия кислорода при атмосфере выше 1000^oC.

Формула изобретения

1. Способ получения композиционного материала на основе карбида титана, включающий приготовление смеси перемешиванием порошков исходных компонентов, содержащих титан, хром и углерод, размещение смеси в реакторе, локальное воспламенение смеси с последующим высокотемпературным реагированием компонентов в режиме горения и извлечения целевого продукта, отличающийся тем, что исходные компоненты берут в количестве, необходимом для получения целевого материала, содержащего карбид хрома и карбид титана при их мольном соотношении 1 1 10, процесс проводят при давлении 0,005 0,05 МПа, а после извлечения целевой материал подвергают измельчению и фракционированию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят 15 35 мас. порошка никеля.

3. Способ по пп. 1 2, отличающийся тем, что после перемешивания смесь брикетируют в виде гранул или таблеток.