Способ изготовления дисперсно-упрочненного композиционного электродного материала для электроискрового легирования и электродуговой наплавки

Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного композиционного материала методом, сочетающим горение в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) c последующим высокотемпературным пластическим деформированием продуктов синтеза, и может быть использовано для получения электродов для электроискрового легирования и электродуговой наплавки. Используют экзотермическую смесь исходных компонентов, состоящую из 56 мас.% титана, 14 мас.% сажи, 23-29 мас.% кобальта и 1-7 мас.% вольфрама. Обеспечивается улучшение эксплуатационных характеристик электродного материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению дисперсно-упрочненного композиционного материала методом, сочетающим горение в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и последующее высокотемпературное пластическое деформирование (СВС-экструзия) продуктов синтеза, и может быть использовано для получения электродов для электроискрового легирования (ЭИЛ) и электродуговой наплавки (ЭДН) при нанесении износостойких покрытий в металлургической, деревообрабатывающей промышленности, машиностроении и двигателестроении.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик изделий, повышение производительности процесса их изготовления.

Известен электрод для электроискрового легирования (RU 74844 U1, В23Н 7/00, 20.07.2008 г.), выполненный из сплава, содержащего никель и бор, углерод и диборид титана. Исходные компоненты тщательно перемешивают и помещают в неэлектропроводящую форму, выполненную, например, из кварцевого стекла. Форму помещают в рабочую камеру машины конденсаторной сварки, где проводят одновременное прессование и спекание шихты при температурах 1100-1350°С, при давлении 0,15-0,20 ГПа, в течение 3-5 сек. После этого на электрод дополнительно наносится электрокорундовая обмазка толщиной 0,5-1,0 мм и происходит сушка в печи при температуре 1025°С в течение 1-1,2 часа.

Недостатками данного технического решения являются сложность оборудования и многостадийность получения электродов, большие энергетические затраты при их производстве, связанные с необходимостью длительной сушки при высоких температурах. Электроды выполнены полыми и должны дополнительно обдуваться охладителем, что также усложняет процесс электроискрового легирования.

Известен способ получения электродного материала на основе белого чугуна (RU 2181646, В23Н 9/00, С22С 37/10, 27.04.2002 г.). Способ заключается в перемешивании исходных компонентов углерода (4-4,5%), марганца (0,5-0,6%), кремния (0,8-0,9%), железа - остальное, выплавке в печи Таммана, нагревании электродного материала до температуры 1550°С, после выдержки в течение 5 мин проводили науглероживание расплава электродным графитом в количестве, соответствующем оптимальному содержанию углерода, согласно изобретению, и запредельным значениям. После растворения графита и выдержки электроды отбирали, создавая разряжение 0,5-1,5 мм рт.ст. в кварцевые трубки диаметром 2,5 мм.

Недостатками данного технического решения являются многостадийность и технологическая сложность изготовления электродов, и сравнительно низкие показатели физико-механических свойств по сравнению с материалами, полученными по технологии СВС-компактирования (А.П. Амосов, И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов: Учеб. пособ. / Под научной редакцией В.Н. Анциферова. - Машиностроение-1, 2007 г. - 567 с.).

Известны традиционные способы получения компактных материалов марки СТИМ (синтетические твердые инструментальные материалы) методом СВС-прессования (RU 2367541 C1, B22F 3/23, С22С 1/04, 20.09.2009 г.; RU 2060866 С1, B22F 3/23, B22F 3/14, 27.05.1996 г.). Эти способы получения изделий из порошковых материалов включают приготовление экзотермической смеси порошка, прессование смеси в брикет, размещение его в теплоизолирующей пористой оболочке и в матрице, инициирование реакции горения и горячее прессование продуктов синтеза. В качестве исходных порошковых реагентов применяется титан, сажа, бор, никель и другие.

Известен способ и установка для получения компактных керамических изделий при высоких давлениях газа в режиме горения (RU 2044604 C1, B22F 3/14, 27.09.1995 г.). Изобретение относится к области получения и обработки тугоплавких неорганических материалов в режиме горения компонентов реакционной шихты в реагирующей газовой атмосфере при высоком давлении газа и используется для изготовления изделий из керамических материалов методом сочетания СВС и последующего компактирования. В качестве исходных порошковых реагентов используются тугоплавкие неорганические соединения.

Недостатками данных технических решений являются сложность используемого оборудования, отсутствие возможности получения длинномерных цилиндрических изделий диаметрами 1-10 мм, которые используются в качестве электродов для ЭИЛ и ЭДН. Также к недостаткам относится то, что полученные материалы обладают более крупными размерами армирующих компонентов по сравнению с предлагаемым способом СВС-экструзии (Shishkina T.N., Stolin A.M., Podlesov V.V. The influence of SHS production methods used on the material structure formation International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 1995. Vol. 4. №1. pp. 35).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ изготовления длинномерных изделий из порошковых материалов путем экструзии синтезированных материалов через формующую матрицу (RU 2013186 С1, B22F 3/20, С22С 1/04, 30.05.1994 г.). Сущность прототипа заключается в изготовлении длинномерных изделий из порошковых материалов путем приготовления экзотермической смеси порошков по меньшей мере одного металла и одного неметалла из ряда углерод, бор, кремний, инициирования реакции горения, уплотнения в процессе горения продуктов горения давлением 0,01-0,5 МПа и последующей экструзией продуктов горения при давлении 20-100 МПа. Недостатком данного технического решения является узкий интервал времени, при котором существует возможность высокотемпературного пластического деформирования продуктов горения и последующего их экструдирования. При превышении данного интервала прекращается экструзия и происходит закупорка матрицы, что приводит к потере ее работоспособности. Это существенным образом сказывается на длине выдавленной части и, как следствие, на производительности и себестоимости процесса изготовления. Также к недостаткам относится пониженная микротвердость полученных электродов по сравнению с предлагаемым изобретением (табл. 1).

Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение эксплуатационных характеристик изделий, повышение производительности процесса изготовления.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления дисперсно-упрочненного композиционного электродного материала для электроискрового легирования и электродуговой наплавки включает приготовление экзотермической смеси исходных компонентов титана, сажи, кобальта, вольфрама, формование цилиндрической заготовки с относительной плотностью 0,5-0,6 и ее теплоизоляцию, инициирование реакции горения, уплотнение в процессе горения продуктов синтеза давлением 0,01-0,5 МПа и последующую их экструзию при давлении 20-100 МПа, причем исходные порошки берут в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 23-29, W - 1-7, и экструзию проводят через формующую матрицу диаметром 1-7 мм.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. Смешивают исходные порошки титана, сажи, кобальта, вольфрама, которые берут в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 23-29, W - 1-7. Полученную смесь порошков формуют в заготовку диаметром 25 мм, высотой 32±2 мм и относительной плотностью 0,5-0,6, заготовку теплоизолируют асбестовой тканью, помещают в пресс-форму, инициируют вольфрамовой спиралью реакцию горения в режиме СВС, в процессе горения продукты уплотняются давлением 0,01-0,5 МПа, после времени задержки происходит экструзия продуктов синтеза при давлении 20-100 МПа, при этом экструзию проводят через формующую матрицу диаметром 1-7 мм. В результате получаются длинномерные стержни длиной до 400 мм и диаметром 1-3 мм, которые в дальнейшем разрезают на прутки длиной 40-45 мм в случае получения электродов для ЭИЛ; диаметром 5-7 мм для получения электродов для ЭДН, при этом стержни не разрезают.

Синтез указанных составов исходной смеси происходит в две параллельные стадии: титан взаимодействует с углеродом (тепловой эффект реакции 55,3±0,3 ккал/моль) с образованием карбида титана, вольфрам взаимодействует с углеродом (тепловой эффект реакции 11±4 ккал/моль) с образованием дикарбида вольфрама. Наличие реакции вольфрама с углеродом вносит дополнительный температурный вклад в термодинамику процесса по сравнению с прототипом, что повышает температуру горения выбранной системы и увеличивает временной интервал, при котором синтезированный материал способен к высокотемпературному деформированию и экструдированию, как следствие, длина полученных стержней увеличивается на 20-30%.

Для электродов, полученных согласно данному изобретению, характерна композиционная структура: твердосплавные частицы карбида титана TiC, близкие по форме к сферическим, расположены в металлической матрице кобальта (см. чертеж). Характерные размеры зерен в произвольном направлении (в продольных и поперечных шлифах) примерно одинаковы, что дополнительно указывает на сфероподобность зерен карбида титана. Размеры TiC составляют от 1 до 10 мкм. Локально по объему расположены частицы W2C сферической формы размерами 1-3 мкм, которые дисперсно-упрочняют полученный композиционный материал. Особенностью предлагаемого способа является внедрение вольфрама в кристаллическую решетку карбидных частиц титана при экструзии с образованием TiC-W. На микроструктуре это выражено более светлой областью вокруг зерен TiC, что подтверждается результатами рентгеноспектрального анализа в данных точках (см. чертеж, спектр 2). Полученные электродные материалы по предлагаемому способу отличаются от прототипа повышенной микротвердостью на 20-40% за счет наличия дисперсно-упрочняемых частиц (W2C), а также частиц TiC-W. Состав и характеристики СВС-электродов приведены в таблице.

Сущность предлагаемого изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана, сажи, кобальта, вольфрама в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 29, W - 1, формуют цилиндрическую заготовку с относительной плотностью 0,6 и ее теплоизолируют, инициируют реакцию горения, уплотняют в процессе горения продукты давлением 0,5 МПа и экструдируют продукты синтеза при давлении 100 МПа через формующую матрицу диаметром 1 мм. В результате получен стержень длиной 220 мм, с микротвердостью 1200 кг/мм2. Для прототипа при тех же условиях получен стержень длиной 185 мм и микротвердостью 900 кг/мм2.

Пример 2. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана, сажи, кобальта, вольфрама в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 25, W - 5, формуют цилиндрическую заготовку с относительной плотностью 0,5 и ее теплоизолируют, инициируют реакцию горения, уплотняют в процессе горения продукты давлением 0,01 МПа и экструдируют продукты синтеза при давлении 20 МПа через формующую матрицу 3 мм. В результате получен стержень длиной 210 мм с микротвердостью 1180 кг/мм2. Для прототипа при тех же условиях получен стержень длиной 155 мм и микротвердостью 880 кг/мм2.

Пример 3. Приготавливают экзотермическую смесь исходных компонент титана, сажи, кобальта, вольфрама в соотношении масс. %: Ti - 56, С - 14, Со - 23, W – 7, формуют цилиндрическую заготовку с относительной плотностью 0,56 и ее теплоизолируют, инициируют реакцию горения, уплотняют в процессе горения продукты давлением 0,2 МПа и экструдируют продукты синтеза при давлении 60 МПа через формующую матрицу 7 мм. В результате получен стержень длиной 120 мм с микротвердостью 1150 кг/мм2. Для прототипа при тех же условиях получен стержень длиной 95 мм и микротвердостью 860 кг/мм2.

Таким образом, предлагаемая совокупность признаков изобретения позволяет получать электроды, длина которых на 20-30% больше, чем у прототипа, что повышает производительность и снижает себестоимость их изготовления. Полученные электродные материалы имеют значения микротвердости на 20-40% выше, чем у прототипа. Полученные материалы могут быть использованы в качестве электродов для электроискрового легирования и электродуговой наплавки для нанесения износостойких защитных покрытий в машиностроении и двигателестроении, авиационной, металлургической, деревообрабатывающей промышленности.

1. Способ изготовления дисперсно-упрочненного композиционного электродного материала для электроискрового легирования и электродуговой наплавки, включающий приготовление экзотермической смеси исходных компонентов в виде титана (Тi), сажи, кобальта, вольфрама, формование из них цилиндрической заготовки с относительной плотностью 0,5-0,6 и ее теплоизоляцию, инициирование реакции горения, уплотнение в процессе горения продуктов синтеза давлением 0,01-0,5 МПа и последующую их экструзию при давлении 20-100 МПа, отличающийся тем, что исходные компоненты берут при соотношении в мас.%:

Тi 56
сажа 14
Со 23-29
W 1-7

2. Способ по п. 2, отличающийся тем, что экструзию проводят через формующую матрицу диаметром 1-7 мм.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к спеченному композитному материалу и получению из него инструментов, а именно формующих или измельчающих. Способ получения спеченного композитного материала включает спекание состава, содержащего по меньшей мере один твердый носитель, выбранный из группы, состоящей из карбидов, нитридов, боридов и карбонитридов, и связующий сплав, включающий от 66 до 93 мас.% никеля, от 7 до 34 мас.% железа, от 0 до 9 мас.% кобальта и до 30 мас.% одного или нескольких элементов, выбранных из группы, состоящей из W, Mo, Cr, V, Та, Nb, Ti, Zr, Hf, Re, Ru, Al, Mn, B, N и С.

Изобретение относится к получению композиционного материала на основе карбосилицида титана. Способ включает приготовление порошковой смеси, состоящей из порошков титана, карбида кремния и графита и нанопорошка оксида алюминия, механосинтез порошковой смеси и холодное прессование смеси.

Изобретение относится к получению тугоплавких материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков и смеси порошков химической печки, формование слоевой шихтовой заготовки, инициирование в ней реакции горения в виде самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с прессованием полученного продукта СВС.

Изобретение относится к получению изделий из тугоплавких материалов. Способ включает приготовление экзотермической смеси порошков, формование шихтовой заготовки, инициирование реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и прессование полученного продукта СВС.

Изобретение относится к изготовлению изделий из порошковой композиции на основе сверхтвердых материалов. Способ включает предварительное нормализующее спекание порошковой композиции при температуре нагрева до 1150°С и окончательное пресс-спекание при температуре нагрева 1800-2200°С и давлении 8-10 ГПа.

Изобретение относится к области электрометаллургии, где применяются электропечи для выплавки высококремнистых, карбидных и тугоплавких материалов. Рудно-термическая электропечь содержит: трансформатор с выводами и вводами низкого напряжения (НН), соединенными токоподводами с электроконтактным зажимом реверсивно-подвижного электрода и наружной электроконтактной клеммой подового электрода, с расположенной сверху подового электрода углеродистой токопроводящей подины футерованной ванны печи, установленной в герметичный металлический кожух и закрытой сводом.

Изобретение относится к керметам, а именно к получению композиционного материала Al2O3-Al. Сплав Al-Mg с содержанием магния 15-25 мас.% обрабатывают водным раствором едкого натра до образования в маточном растворе осадка в виде гранул.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к высокотемпературным антифрикционным материалам. Может использоваться в высокотемпературных зонах промышленного оборудования, в частности на АЭС.

Изобретение относится к способу изготовления изделий для бурения, содержащих спеченный цементированный карбид, в частности, бурового долота и его деталей, таких как корпус долота и конические шарошки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных изделий, содержащих цементированные твердые частицы. Композитное изделие содержит первую область, металлургически связанную со второй областью, имеющей толщину более 100 мкм.

Изобретение относится к присадочным материалам для сварки плавлением, которые могут быть использованы для ремонта деталей газотурбинных двигателей, изготовленных из жаропрочных сплавов на основе никеля.

Изобретение может быть использовано при изготовлении пайкой радиаторов, соединений трубопроводов, уплотнительных материалов, сопловых и рабочих лопаток турбин. Лента из порошкового высокотемпературного припоя на органической связке содержит полимер акриловой смолы и дибутилфталат, при следующем соотношении компонентов, мас.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сварочному присадочному материалу, и может быть использовано при ремонтной сварке лопаток газовых турбин и деталей из жаропрочных сплавов на никелевой основе, работающих в горячем газе, с помощью ручной и автоматизированной сварки при комнатной температуре.

Изобретение относится к сварочному производству. Способ включает изготовление присадочного материала в форме брикетов.
Изобретение относится к металлургии легких и цветных металлов и может быть применено при изготовлении легкоплавких бессвинцовых припоев, используемых при пайке изделий электроники и конструкционных материалов.

Изобретение относится к графитовым (угольным) электродам, которые применяются при сварке и резке металлов. .

Изобретение относится к области буровой техники и используется при производстве буровых долот, оснащенных пластинами из поликристаллических алмазов (PDC). .
Изобретение относится к области сварки металлов плавлением, в частности при термитной сварке-пайке, резке и наплавке металлических конструкций из меди и ее сплавов и стали, и может быть использовано для сварки-пайки, резки и наплавки металлов в быту, при ремонте техники в полевых условиях, при ведении ремонтно-спасательных работ, в условиях монтажа и демонтажа конструкций, на строительстве при ремонте сооружений и механизмов.
Изобретение относится к области соединения разнородных материалов, в частности к способу соединения монокристаллов алмаза с металлами, и может быть использован для создания различного рода однокристального обрабатывающего инструмента, медицинского инструмента, для создания на поверхности полупроводниковых и иных алмазов электрических контактов с металлом.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлам сварного шва для соединения высокопрочных низкоуглеродистых сталей, в том числе и к сварочным плавящимся проволкам.
Изобретение относится к получению порошка композитного материала на основе железа и карбида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).

Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного композиционного материала методом, сочетающим горение в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза c последующим высокотемпературным пластическим деформированием продуктов синтеза, и может быть использовано для получения электродов для электроискрового легирования и электродуговой наплавки. Используют экзотермическую смесь исходных компонентов, состоящую из 56 мас. титана, 14 мас. сажи, 23-29 мас. кобальта и 1-7 мас. вольфрама. Обеспечивается улучшение эксплуатационных характеристик электродного материала. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Наверх