Aморфный, износостойкий наноструктурированный сплав на основе никеля системы ni-cr-mo-wc

Изобретение относится к области металлургии, а именно к прецизионным сплавам, в частности к аморфным, износостойким наноструктурированным сплавам на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC. Сплавы могут быть использованы для изготовления элементов оборудования и нагревательных систем, работающих в условиях трения и повышенного износа. Заявлен аморфный, износостойкий наноструктурированный сплав на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC, включающий хром, молибден, при этом он дополнительно содержит наноразмерные частицы карбида вольфрама, цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром 18,0-40,0, молибден 30,0-40,0, церий 0,6-1,2, цирконий 3,0-5,0, карбид вольфрама 6,0-8,0, никель - остальное, при этом отношение суммы хрома и молибдена к никелю больше или равно 1. Сплав характеризуется повышенной износостойкостью, что приводит к увеличению срока эксплуатации изделий и конструкций, выполненных из данного сплава. 1 табл.

 

Изобретение относится к прецизионным сплавам с особыми физико-химическими свойствами - сплавам на основе никеля с высокой износостойкостью, которые могут быть использованы для изготовления элементов оборудования и нагревательных систем, работающих в условиях трения и повышенного износа.

Известны материалы, в основном на основе никеля (улучшенные нихромы, авторские свидетельства № 428028 и 662611), имеющие высокие физико-механические свойства в условиях повышенных динамических нагрузок. Дополнительное легирование классических нихромов (типа Х20Н80) проводится с целью увеличения диапазона рабочих температур, стойкости к абразивному износу и увеличения микротвердости. Наиболее предпочтительными добавками являются: молибден, кремний, цирконий и бор.

За прототип принят наноструктурированный сплав по патенту US 5611871 A, C21D 1/04 от 18.03.1997, в котором высокие функциональные свойства достигаются за счет дополнительного введения молибдена, кремния и бора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав по патенту US 5611871 А, C21D 1/04 от 18.03.1997, содержащий компоненты в следующем соотношении, ат.%:

(Fe1-aMa)100-x-y-z-b-c-dAxM'уМ''zXbSicBd

где М - по крайней мере, один элемент из группы Со и Ni, A - по крайней мере, один элемент из группы Cu и Au, М' - по крайней мере, один элемент из группы Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Та и W, М'' - по крайней мере, один элемент из группы Cr, Mn, Sn, Zn, Ag, In, элементов платиновой группы, Mg, Ca, Sr, Y, редкоземельных элементов, N, О и S, Х - по крайней мере, один элемент из группы С, Ge, Ga, Al и Р.

И каждый из a, x, y, z, b, c и d соответственно удовлетворяет (соответствует) условиям:

а 0-0.1, х 0.1-3, у 1-10, z 0-10, b 0-10, с 11-17, d 3-10.

Этот сплав обладает высокими функциональными свойствами, прежде всего высокой магнитной проницаемостью, однако общим недостатком сплава-прототипа и других известных сплавов является низкая износостойкость, основным показателем которой является микротвердость. Микротвердость сплава-прототипа не превышает 6,5 ГПа.

Создание новых конструкций резистивных нагревателей (например, для отапливания железнодорожных вагонов) требует существенного повышения износостойкости и, соответственно, микротвердости используемых материалов (согласно расчетам не менее 12 ГПа).

В настоящее время используют новые подходы к увеличению износостойкости известных материалов за счет дополнительного введения в их состав наноразмерных частиц, когерентно связанных с матрицей. Предварительное опробование показало, что наиболее предпочтительными являются наноразмерные частицы карбида вольфрама.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости материала за счет дополнительного введения в известный высокопрочный сплав наноразмерных частиц карбида вольфрама и циркония в качестве шихтовых компонентов для модификации структуры и циркония в качестве рафинирующей добавки.

Для решения основного технического результата изобретения (повышение износостойкости) необходимо обеспечить высокую микротвердость материала. Практика эксплуатация изделий при воздействии экстремальных внешних условий показывает, что микротвердость таких материалов должна быть не 12 ГПа.

Сущностью изобретения является то, что состав аморфного, износостойкого наноструктурированного сплава на основе никеля представляет собой быстрозакаленную ленту, полученную методом спинингования из расплава (мас.%):

хром 18,0-40,0
молибден 30,0-40,0
церий 0,6-1,2
цирконий 3,0-5,0
карбид вольфрама 6,0-8,0
никель остальное

при этом отношение суммы хрома и молибдена к никелю больше или равно 1.

Таким образом, метод быстрой закалки дает следующие преимущества при получении износостойких материалов:

- сохранение прецизионного состава исходного шихтового материала в получаемой быстрокаленой ленте,

- получение гомогенного материала,

- возможность достижения метастабильной структуры, способствующей повышению прочности и микротвердости износостойкого материала.

В этой системе наряду с твердыми растворами на основе никеля и молибдена образуются интерметаллические фазы, такие как δ-фаза (NiMo), σ-фаза, Р-фаза (Cr18Mo42Ni40) и др. Образование подобных фаз и присутствие их в сплавах, закаленных при обычных скоростях охлаждения, отрицательно скажется на механических характеристиках сплавов, так как эти фазы хрупки и при большом содержании в сплаве легирующих элементов закалка, вероятно, не может затормозить выделение и коагуляцию этих фаз в значительные по размерам образования. Как указывалось выше, оформление выделившейся фазы в самостоятельную структурную единицу приводит к понижению прочностных характеристик сплавов. Очевидно, скоростная закалка сплава при литье должна обеспечить ультрадисперсное выделение фаз и равномерное их распределение по объему быстрозакаленной ленты.

В сплаве экспериментально обнаружена фаза, структурно и по составу близкая к Р-фазе (Cr18Mo42Ni40). Установлено, что количество этой фазы в сплавах увеличивается по мере повышения содержания в твердом растворе хрома и молибдена. На рентгенограммах наблюдается наибольшее количество линий, соответствующих Р-фазе, в сплавах, где отношение суммы хрома и молибдена к никелю равно единице и больше.

Техническим результатом изобретения является существенное увеличение износостойкости материала, характеризующееся повышением микротвердости.

Технический результат достигается за счет введения церия от 0,6% до 1,2% для управления ростом нанокристаллических выделений в аморфной матрице (структуре) сплава. При введении церия менее 0,6% не происходит требуемого эффекта роста нанокристаллических выделений, а при введении более 1,2% образуется нежелательная фаза, появляются агломераты хрупкой фазы. Также экспериментально установлено, что измельчение структуры до наноразмеров может быть реализовано при дополнительном введении в сплав циркония в количестве (3-5)% в качестве модификатора структуры и наноструктурированного карбида вольфрама в количестве (6-8)%, когерентно расположенного по отношению к матрице.

При меньшем чем 3% количестве циркония и 6% карбида вольфрама не происходит измельчение структуры до наноразмеров (менее 200 нм) и соответственно не наблюдается требуемого увеличения износостойкости при содержании в сплаве циркония более 5%, он начинает выделяться в виде самостоятельной фазы (размером до 2 мкм), что приводит к снижению износостойкости, и при содержании карбида вольфрама более 8% сплав становится хрупким из-за неравномерного его распределения в матрице сплава.

Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме.

Конкретная технологическая схема получения быстрозакаленных лент из расплава следующая. Расплавление шихтового материала производится методом прямого сплавления компонентов в алундовом тигле, объемом идентичному 20 кг, все компоненты шихты вводятся одновременно, кроме Се и WC, которые вводятся последними как модифицирующие добавки. Карбид вольфрама вводится в шихту в виде наноразмерных дисперсных частиц с размером 60-80 нм, которые не расплавляются при получении сплава и равномерно распределяется по слитку за счет интенсивного перемешивания в высокочастотном поле. Плавильная установка, базирующаяся на основе высокочастотного генератора типа ЛМЗ-50. Спинингование расплава производится через кварцевую дюзу. Оптимальный размер получаемой ленты составляет: ширина 20 мм и толщина 35 мкм.

Для реализации примера были исследованы следующие составы лент.

Состав 1: Cr - 18%; Mo - 30%; Ce - 0,6%; Zr - 3,0%; WC - 6,0; никель остальное - микротвердость 11,3 ГПа.

Состав 2: Cr - 40%; Mo - 40%; Ce - 1,2%; Zr - 5,0%; WC - 8,0; никель остальное - микротвердость 7,3 ГПа.

Состав 3: Cr - 20%; Мо - 35%; Се - 1,0%; Zr - 4,0%; WC - 7,0; никель остальное - микротвердость 12,7 ГПа.

Результаты показывают, что наибольшими значениями микротвердости и адгезии обладает сплав состава Cr - 20%; Мо - 35%; Се - 1,0%; Zr - 4,0%; WC - 7,0; Ni - 33%.

Проведен анализ исследования износостойкости, результаты представлены в таблице.

Таким образом, достигнутый технический результат по повышению износостойкости приводит к увеличению срока эксплуатации изделий и конструкций из данного сплава.

Таблица
Состав ленты Износостойкость
Состав 1 0,18·10-7
Состав 2 0,25·10-7
Состав 3 0,13·10-7
Прототип 0,30·10-7

Аморфный, износостойкий, наноструктурированный сплав на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC, включающий хром, молибден, отличающийся тем, что он дополнительно содержит наноразмерные частицы карбида вольфрама, цирконий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хром 18,0-40,0
молибден 30,0-40,0
церий 0,6-1,2
цирконий 3,0-5,0
карбид вольфрама 6,0-8,0
никель остальное

при этом отношение суммы хрома и молибдена к никелю больше или равно 1.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к тонким лентам, выполненным из аморфного термомагнитного материала методом закалки из расплава литьем плоского потока расплава на поверхность охлаждающего тела.

Изобретение относится к металлургии прецизионных сплавов на основе кобальта, которые могут применяться для изготовления высокопрочных аморфных материалов в виде лент с высоким значением магнитной проницаемости.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению в вакуумной индукционной печи сплава на основе кобальта и железа для производства аморфных лент методом спинингования с использованием кварцевых тиглей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению слитков исходного сплава, преимущественно на основе кобальта и железа в вакуумной индукционной печи для производства аморфных лент с использованием кварцевых тиглей.

Изобретение относится к идентификационным меткам и маркерам, которые могут быть использованы в качестве устройств, обеспечивающих идентификацию товара или изделий.

Изобретение относится к металлургии аморфных прецизионных сплавов на основе никеля, которые могут применяться для изготовления высокопрочных лент, волокон и микропроводов с большим коэффициентом тензочувствительности.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к магнитомягким сплавам на основе кобальта с низкой остаточной магнитной индукцией. .

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в производстве высокочастотных трансформаторов. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к магнитомягким аморфным сплавам, и может быть использовано в электротехнических устройствах, например в магнитопроводах и высокочастотных трансформаторах.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим сплавам на основе никеля и изготовленным из них лопаткам турбин. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к монокристаллическим жаропрочным сплавам на основе Ni. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.

Изобретение относится к металлургии сплавов, в частности к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления методом направленной кристаллизации из них изделий с монокристаллической и направленной структурой, например лопаток газовых турбин, работающих длительно при температурах до 1150°С.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к никелевым сплавам, пригодный для изготовления из них электродов для элементов зажигания в двигателях внутреннего сгорания.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида Ni3Al, получаемым методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья, применяемым для изготовления деталей газотурбинных двигателей, таких как сопловые и рабочие лопатки, блоки сопловых лопаток, сегменты камеры сгорания, форсунки и другие, для авиационной и автомобильной промышленности.
Изобретение относится к области металлургии и касается составов сплавов, используемых для изготовления штампового инструмента для пластмасс. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллидов никеля и изделиям, получаемым методом точного литья по выплавляемым моделям с поликристаллической и направленной столбчатой структурами, таким как, например, сопловые лопатки, блоки сопловых лопаток, створки регулируемого сопла и другие детали газотурбинных двигателей авиационной и автомобильной промышленности.
Изобретение относится к металлургии сплавов, а именно к производству никелевых жаропрочных сплавов, используемых для изготовления теплонагруженных деталей, например корпусов газотурбинных двигателей, работающих в условиях высоких температур и напряжений.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению сплавов системы Ni-Fe-Cr, применяемых в глубоких нефтяных или газовых скважинах, а также морской среде

Изобретение относится к области металлургии, а именно к прецизионным сплавам, в частности к аморфным, износостойким наноструктурированным сплавам на основе никеля системы Ni-Cr-Mo-WC

Наверх