Способ получения модификатора для никелевых сплавов

Изобретение относится к металлургии, в частности к формированию методами порошковой металлургии брикета для модифицирования никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений. В смесь, содержащую порошки молибдена, хрома и никеля, вводят ультрадисперсный порошок карбонитрида титана и порошки титана, алюминия, вольфрама и ниобия. Порошок карбонитрида титана предварительно перемешивают в течение 1,5-2 часов и смешивают с порошком титана 10-20 минут. Добавляют порошок алюминия и перемешивают 10-20 минут, затем добавляют порошки вольфрама, ниобия, молибдена, хрома и никеля и перемешивают 5-10 минут. Смесь подвергают дегазации в вакуумной печи с разрежением 2-10^-3-2·10^-4 мм рт.ст. при температуре 250-400°С в течение 5-15 минут и перемешивают в течение 1,5-2,5 часов. Прессуют при давлении 20-100 МПа и спекают в вакууме в течение 30 мин. Изобретение позволяет снизить содержание газовых примесей и обеспечивает возможность формирования мелкого зерна, равномерно распределенного по объему модифицируемого сплава. 1 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к формированию методами порошковой металлургии брикета для модифицирования никелевых сплавов ультрадисперсными порошками тугоплавких соединений.

В предшествующем уровне техники известен способ получения модификатора, при котором в металлический расплав вводят элементы, образующие дисперсную фазу, и поверхностно-активные элементы и через 3-5 минут после введения поверхностно-активных элементов расплав охлаждают с температуры, на 50-200°С превышающей критическую температуру образования тугоплавких частиц (а.с. СССР 384914, С22С 1/02, 29.05.1973). В результате получают модификатор, содержащий тугоплавкие частицы дисперсностью менее 5 мкм.

Также известен способ получения смесевого модификатора путем дозирования и смешивания порошкообразных компонентов в виде порошка графита или угля, на который предварительно нанесена оболочка из меди, никеля, олова или их сплавов. Применение оболочки на дисперсных углеродных материалах позволяет повысить однородность механических свойств по сечению разностенных отливок (а.с. СССР 1693109 А1, С22С 35/00, 23.11.1991).

В качестве наиболее близкого аналога выбран способ получения модификатора для никелевых сплавов, в котором смесь из порошков никеля, молибдена и хрома прессуют в брикеты при давлении 500-700 МПа. В качестве компонентов используют порошки никеля (ПНЭ - 1) и технически чистых молибдена и хрома с размером частиц 20…40 мкм (патент РФ 2337167 C1, С22С 35/00, С22С 27/06, 27.10.2008). Использование модификатора способствует измельчению дендритной структуры, однако не обеспечивает равномерного распределения зерен по объему заготовки.

Задача, решаемая в результате реализации заявленного изобретения, заключается в формировании брикета модификатора, позволяющего получить сплав с мелким зерном и обеспечивающего эффективное воздействие на микро- и макроструктуру.

Техническим результатом изобретения является снижение содержания газовых примесей и формирование мелкого зерна, равномерно распределенного по объему модифицируемого сплава.

Для решения поставленной задачи в способе получения модификатора, включающем приготовление смеси, содержащей порошки молибдена, хрома и никеля, и прессование, в смесь дополнительно вводят ультрадисперсный порошок карбонитрида титана и порошки титана, алюминия, вольфрама и ниобия, при этом предварительно перемешанный в течение 1,5-2 часов порошок карбонитрида титана смешивают с порошком титана в течение 10-20 минут, затем добавляют порошок алюминия и перемешивают в течение 10-20 минут и добавляют порошки вольфрама, ниобия, молибдена, хрома и никеля и перемешивают в течение 5-10 минут. Полученную смесь подвергают дегазации в вакуумной печи с разрежением 2·10^-3-2·10^-4 мм рт.ст. при температуре 250-400°С в течение 5-15 минут, перемешивают в течение 1,5-2,5 часов, прессуют при давлении 20-100 МПа и спекают в вакууме в течение 30 мин.

Следует отметить, что одним из условий получения эффекта модифицирования при введении частиц в расплав является удаление газов с поверхности порошков-модификаторов и плакирование их защитной оболочкой из вещества основы модификатора-протектора в процессе его растворения в расплаве. При этом в качестве плакирующего вещества применяются элементы, входящие в состав сплава, имеющие наибольшее химическое сродство к химическим элементам частицы порошка и образующие с ними химические соединения, плакирующие частицы. В качестве плакирующего вещества используются порошки никеля, хрома, молибдена, вольфрама, ниобия, алюминия.

Порошок карбонитрида титана предварительно перемешивают в течение 1,5-2,5 часов с целью обеспечения однородного размера частиц. При этом перемешивание в течение времени, меньшего чем 1,5 часа, приведет к неоднородному размеру зерна.

Растирание порошка карбонитрида титана с порошком титана проводят в течение 10-20 мин, поскольку время, меньшее 10 минут, не достаточно для образования на поверхности частиц карбонитрида плакирующего слоя титана.

Относительно режимов перемешивания плакированных частиц карбонитрида с порошками алюминия, хрома, молибдена, вольфрама и ниобия следует отметить, что осуществление перемешивания при времени, меньшем, чем нижняя граница указанных интервалов, не обеспечивает получения однородной смеси.

Кроме того, на всех стадиях перемешивания увеличение времени выше верхней границы указанных интервалов приведет к энергетическим потерям.

Поскольку смачиваемость оксидных фаз жидкими металлами довольно низка, перед введением порошков в металлический расплав необходимо подвергнуть их глубокой дегазации с возможностью восстановления оксидов за счет изменения термодинамической активности компонентов в вакууме. Температурная фазовая активация (низкотемпературная дегазация) осуществляется при 250-400°С в течение 5-15 минут в вакуумной печи при разрежении 2·10^-3-2·10^-4 мм рт.ст., при этом в поверхности брикета удаляются адсорбированные газы (кислород, водород, азот, влага, группа СН и т.д.), которые попадают во внутренний объем печи и нарушают вакуум. Для восстановления необходимого уровня вакуума в печи дается выдержка по времени при заданной температуре. При температуре ниже 250°С не происходит удаления газовых примесей, а выше 400°С - приводит к энергетическим потерям. Время меньше 10 минут не обеспечивает полноты удаления газовых примесей, а более 15 минут - повлечет за собой энергетические потери. Степень разрежения выбирается исходя из полноты удаления газовых примесей.

Давление брикетирования выбирается из условий обеспечения формирования плотного и прочного брикета, при этом давление ниже 20 МПа не обеспечивает получение компактного брикета, а выше 100 МПа - снижает количество микропор и увеличивает энергетические затраты.

Время выдержки при спекании выбирается из расчета получения необходимого уровня физико-механических свойств брикетов, веса и плотности, необходимых для хранения, транспортировки и ввода в жидкий металл для надежного растворения и равномерного распределения ультрадисперсного карбонитрида по всему объему заливаемой отливки в процессе модифицирования.

Пример, подтверждающий возможность осуществления изобретения.

Ультрадисперсный порошок карбонитрида титана, полученный плазмохимическим методом, перемешивают в течение 1,5 часов, затем смешивают с титаном в течение 15 минут. Далее осуществляют смешивание с порошком алюминия - 15 мин и с порошками хрома, вольфрама, молибдена, ниобия и никеля - 5 мин. Полученную смесь дегазируют в вакууме 2·10^-3-2·10^-4 мм рт.ст., при температуре 300°С в течение 10 мин, удаляя кислород, водород, азот, влагу и т.д. Прессуют брикет толщиной 10-15 мм и диаметром 30 мм при давлении 20-50 МПа и спекают при температуре 850-900°С в вакууме в течение 30 мин.

После спекания образцы разрезали и приготовили шлифы для определения микротвердости и химического состава, при этом микрорентгеноструктурный анализ показал взаимную диффузию матрицы и УДП-наполнителя. Введение брикета в расплав сплава ЖС6-У приводит к измельчению зерна и повышению свойств сплава.

Таблица 1
Физико-механические свойства сплава ЖС6-У
Объект исследования	Временное сопротивление разрыву, σв, МПа	Средний размер зерна, мм
Сплав по прототипу	855	3-5
Сплав, модифицированный TiCN	1100	0,5-1,5

Способ получения модификатора для никелевых сплавов, включающий приготовление смеси, содержащей порошки молибдена, хрома и никеля, и прессование, отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят ультрадисперсный порошок карбонитрида титана и порошки титана, алюминия, вольфрама и ниобия, при этом предварительно перемешанный в течение 1,5-2 ч порошок карбонитрида титана смешивают с порошком титана в течение 10-20 мин, добавляют порошок алюминия и перемешивают в течение 10-20 мин, добавляют порошки вольфрама, ниобия, молибдена, хрома и никеля и перемешивают в течение 5-10 мин, полученную смесь подвергают дегазации в вакуумной печи с разрежением 2·10^-3-2·10^-4 мм рт.ст. при температуре 250-400°С в течение 5-15 мин, после дегазации смесь перемешивают в течение 1,5-2,5 ч, прессуют при давлении 20-100 МПа и спекают в вакууме в течение 30 мин.