ТВЕРДЫЙ СПЛАВ Российский патент 2015 года по МПК C22C29/10 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам, предназначенным для изготовления износостойких изделий.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы состоят из тугоплавкой фазы в виде металлоподобного соединения переходных металлов с неметаллами и металлической фазы, служащей связкой.

В качестве тугоплавкой фазы, как правило, используются карбиды титана (см., например, авторские свидетельства СССР №№609338, 647348, 1753729 и др.) или карбиды вольфрама (см., например, сплавы группы ВК по ГОСТ 3882-90 и др.), а также, в случае двухкарбидных сплавов, их сочетания (см., например, патент РФ №2307013, патент США №5574954, сплавы группы ТК по ГОСТ 3882-90 и др.).

Данные сплавы характеризуются высокими механическими и антикоррозионными свойствами, но имеют низкую износостойкость при работе в условиях высоких (от 600°C до 1200°C) температур, обусловленную недостаточной термостойкостью связки, теряющей при высоких температурах свои свойства, что ведет к быстрой потере сплавом зерен твердой фазы.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является твердый сплав по патенту РФ №2255998, содержащий 12,0-45,0 мас.% никеля; 1,2-5,4 мас.% алюминия; 0,8-3,9 мас.% хрома; 0,1-0,9 мас.% титана; 0,4-2,4 мас.% вольфрама; 0,5-2,4 мас.% молибдена; 40,0-85,0 мас.% карбида переходного металла, выбранного из группы Ti, Cr, Zr, W, Nb.

Данный сплав не обеспечивает необходимую износостойкость при работе в условиях высоких температур.

Задачей предлагаемого изобретения является создание твердого сплава, обладающего связкой, способной сохранять свои свойства при работе в условиях высоких температур, с получением технического результата в виде высокой износостойкости сплава в интервале рабочих температур от 600°C до 1200°C, без потери его основных характеристик.

Поставленная задача решается за счет того, что в известный твердый сплав содержащий никель, молибден, хром и тугоплавкую составляющую в виде карбида переходного металла, выбранного из группы Ti, Cr, Zr, W, Nb, введены кобальт и никелид титана, при этом тугоплавкая составляющая состоит из карбида титана и карбида вольфрама при следующем соотношении компонентов (в мас.%): молибден (1,5-2,5), кобальт (1,0-2,0), никель (4,0-8,0), хром (0,5-1,0), никелид титана (0,5-1,0), карбид вольфрама (25,0-35,0), карбид титана - остальное.

В известных составах твердых сплавов указанная совокупность существенных признаков не выявлена, что позволяет считать данное техническое решение соответствующим критерию «новизна».

Твердые сплавы должны обладать рядом свойств: прежде всего твердостью и износостойкостью при сравнительно высокой прочности, термостойкостью, окалиностойкостью, малым коэффициентом трения, небольшим разупрочнением при повышенной температуре. Большинство известных твердых сплавов состоят из твердой и связующей фазы. В твердой фазе, как правило, присутствуют карбиды вольфрама или титана, а также смесь этих карбидов. В качестве связующей фазы используются кобальт, никель, никель-молибденовый сплав и др.

Структура однокарбидных сплавов (например, WC+Co) состоит из твердого раствора материала связки в карбиде и избыточных свободных зерен карбида, представляя собой скелет стянутых зерен карбида, в зазорах которого расположен (в виде сквозной сетки) твердый раствор на основе материала связки, заполняющий пространственный скелет карбида и образуя, таким образом, два переплетенных каркаса, связывающих зерна карбида в единую систему.

Структура двухкарбидного сплава (например, WC+TiC+Co) несколько иная и состоит из твердого раствора одного из карбидов в другом (например твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), твердого раствора материала связки в карбидах и избыточных зерен карбидов. Таким образом, возникает несколько переплетенных друг с другом скелетообразных каркасов, связывающих свободные зерна карбидов в единую систему.

Двухкарбидные сплавы по сравнению с однокарбидными имеют лучшие показатели износостойкости, но при достаточно высоких температурах (свыше 900°C) применяемые в них связки теряют вязкость, что приводит к ослаблению каркаса, быстрой потере зерен карбида и, соответственно, резкому снижению показателя износостойкости.

Твердый сплав по предлагаемому изобретению выполнен с использованием карбида титана и карбида вольфрама в соотношениях, обеспечивающих образование достаточного количества свободных зерен, и имеет многокомпонентную связку, позволяющую сформировать структуру из множества переплетенных скелетообразных каркасов, надежно фиксирующую зерна карбидов. В многокомпонентной связке, выполненной на основе никеля, обладающего наибольшей склонностью к проникновению между карбидными зернами, присутствуют также молибден, никель и хром. Их наличие позволяет создавать каркасы, обеспечивающие необходимые физико-химические свойства сплава (коррозионностойкость, прочность), повышает температуру разупрочнения связки, чем увеличивает износостойкость. Введение в связку никелида титана подавляет выпадение свободного углерода и придает сплаву пористость, способствующую созданию сложного и разветвленного каркаса, что, в совокупности с вышеизложенным, обеспечивает достижение заявленного технического результата.

Заявленная совокупность отличительных признаков, выраженная как сочетание количественных и качественных характеристик ингредиентов твердого сплава, в патентной и научно-технической информации не выявлена, что подтверждает соответствие предложенного технического решения критерию «изобретательский уровень».

В таблице 1 приведены рецептуры составов сплава по прототипу, аналогу и предлагаемому изобретению в вариантах исполнения; в таблице 2 - физико-химические характеристики сплава и показатели износостойкости при различных температурах.

Для проверки заявленного технического результата были приготовлены несколько вариантов сплава со средними и граничными значениями из предложенных соотношений ингредиентов (см. таблицу 1).

Шихту для сплава получали, перемешивая в планетарной мельнице порошки исходных компонентов, смешанных в заявленных соотношениях. Из полученной смеси были отпрессованы лабораторные образцы, в дальнейшем спеченные по известной технологии. Сравнительные лабораторные испытания проводились по стандартным методикам и показали, что значения основных физико-химических характеристик предлагаемого сплава выше, чем у характеристик аналога и прототипа (см. таблицу 2).

Испытания на износостойкость проводились по ГОСТ 23208-83 при температурах от 200°C до 1200°C в реальных условиях работы мелкосортного прокатного стана 250, на металлургическом комбинате «Евраз-ЗСМК» в г.Новокузнецке. Испытания показали (см. таблицу 2), что износостойкость изделий из предлагаемого сплава значительно выше, чем у аналога и прототипа.

Существенные признаки, заявленные в формуле изобретения, взаимосвязаны и их изменение вне указанных пределов ведет к ухудшению характеристик твердого сплава.

Содержание молибдена: 1,5-2,0 мас.%

Содержание молибдена менее чем 1,5 мас.% снижает жаропрочность сплава.

При содержании более 2,0 мас.%, ухудшаются прочностные свойства, уменьшается период кристаллической решетки карбида титана.

Содержание кобальта: 1,0-2,0 мас.%

Содержание кобальта менее 1,0 мас.% снижает ударную вязкость, а его увеличение свыше 2,0 мас.% приводит к снижению твердости сплава.

Содержание никеля: 4,0-8,0 мас.%

Содержание менее 4,0 мас.% ухудшает изгибную прочность, а содержание свыше 8,0 мас.% отрицательно сказывается на жаропрочности.

Содержание хрома: 0,5-1,0 мас.%

Содержание менее 0,5 мас.% снижает коррозионностойкость. При содержании более 1,0 мас.% ухудшаются прочностные свойства.

Содержание никелида титана: 0,5-1,0 мас.%

Содержание никелида титана менее 0,5 мас.% недостаточно для гарантированного связывания свободного углерода, при содержании более 1,0 мас.% снижаются прочностные характеристики сплава.

Содержание карбида вольфрама: 25,0-35,0 мас.%

При содержании менее 25 мас.% снижается твердость сплава, при содержании свыше 35 мас.% повышается удельная плотность и увеличивается инерционность.

Содержание карбида титана: остальное

При содержании карбида титана меньше минимального снижается красностойкость сплава, при содержании больше максимального снижается удельная прочность.

Из сплава №2 по предлагаемому изобретению была изготовлена опытная партия роликов для клетей №10-17 мелкосортного прокатного стана 250. Производственные испытания проводились на металлургическом комбинате «Евраз-ЗСМК» в г.Новокузнецке в интервале рабочих температур до 1200°C и показали, что износостойкость и ряд основных физико-химических характеристик предлагаемого сплава значительно выше, чем у существующих.

Таким образом, результаты лабораторных исследований, сравнительных и производственных испытаний подтверждают, что предлагаемый сплав обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики при работе в условиях высоких температур и позволяют считать данное техническое решение соответствующим критерию «промышленная применимость».

Таблица 1 Наименование компонентов Состав твердого сплава (в мас.%) Прототип Аналог (ТН-50) Варианты предлагаемого состава 1 2 3 Молибден (Мо) 2,0 10 1,5 2,0 2,5 Кобальт (Со) - - 1,0 1,5 2,0 Никель (Ni) 37,5 29 4,0 6,0 8,0 Хром (Cr) 3,3 - 0,5 0,7 1,0 Никелид титана (NiTi) - - 0,5 0,7 1,0 Алюминий (Al) 4,6 - - - - Титан (Ti) 0,7 - - - - Вольфрам (W) 1,9 - - - - Карбид вольфрама (WC) 50,0 - 25,0 30,0 35,0 Карбид титана (TiC) - 61,0 ост. ост. ост. Таблица 2 Наименование характеристик Твердый сплав Прототип Аналог Предлагаемый 1 2 3 Твердость, HRC 83-91 87 70 78 86 Красностойкость, °C 900 - 1050 1200 1100 Износостойкость, г/час           200°C 3×10^-4 - 6×10^-6 5×10^-6 8×10^-6 600°C - - 8×10^-6 9×10^-6 12×10^-6 900°C 6×10^-4 - - - - 1200°C - - 2×10^-5 15×10^-6 3×10^-6 Изгибная прочность, Мпа 1280 1150 1500 1800 1900 Теплопроводность, Вт/(м·°C) - - 9 9 12 Инерционность, кГ/см³ - 6,2 5,8 6,5 7,2

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к твердым сплавам, предназначенным для изготовления износостойких изделий. Твердый сплав содержит, мас.%: молибден 1,5-2,5, кобальт 1,0-2,0, никель 4,0-8,0, хром 0,5-1,0, никелид титана 0,5-1,0, карбид вольфрама 25,0-35,0, карбид титана - остальное. Сплав имеет связку, способную сохранять свои свойства при работе в условиях высоких температур, при этом сплав характеризуется высокой износостойкостью при работе в условиях высоких температур. 2 табл.

Твердый сплав, содержащий никель, молибден, хром и карбид переходного металла, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кобальт и никелид титана, а в качестве карбида переходного металла он содержит карбиды титана и вольфрама при следующем соотношении компонентов в мас.%:
молибден (Мо) 1,5-2,5 кобальт (Со) 1,0-2,0 никель (Ni) 4,0-8,0 хром (Cr) 0,5-1,0 никелид титана (NiTi) 0,5-1,0 карбид вольфрама (WC) 25,0-35,0 карбид титана (TiC) остальное