Твердий металевий матеріал, спосіб виготовлення виробу з нього, спосіб формування зносостійкого металевого матеріалу (варіанти), спосіб лиття твердого металевого матеріалу і виливок з нього

Реферат: Винахід належить до твердого металевого матеріалу, способу виготовлення виробу з нього, способу формування зносостійкого металевого матеріалу, способу лиття твердого металевого матеріал та виливку з нього. Твердий металевий матеріал містить 5-50 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному сплаві. Спосіб включає формування шламу, що містить 5-50 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в рідкому основному сплаві в інертній атмосфері, заливання шламу у ливарну форму і формування лиття компонента також в інертній атмосфері. UA 110611 C2 (12) UA 110611 C2 UA 110611 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід відноситься, в основному, до твердих металевих матеріалів, які містять частинки вогнетривкого матеріалу, згідно з наведеним описом, дисперговані в основному металі або металевому сплаві. Словник ASM конструкційних матеріалів визначає термін «твердий метал» як збірний термін, що характеризує спечений матеріал, який характеризується високою твердістю, міцністю і зносостійкістю. Даний винахід відноситься також до компонентів, виготовлених з твердих металевих матеріалів. Зокрема, хоча і не виключно, даний винахід відноситься, до крупних деталей вагою більше 100 кг, зазвичай, більше 1 тонни. Даний винахід також відноситься до способу виготовлення компонентів з твердих металевих матеріалів. Більш конкретно, хоча і далеко не виключно, даний винахід відноситься до твердих металевих матеріалів, які використовуються для виготовлення виробів, що характеризуються зносостійкістю. Передумови створення винаходу Відомо використання порошкової металургії для виготовлення дрібних деталей з твердих металевих матеріалів, які містять тугоплавкі частинки, дисперговані в основному металі (в контексті даного опису вказаний термін включає поняття металевого сплаву). Процеси порошкової металургії включають спікання механічно змішаних тугоплавких порошків при підвищеній температурі під тиском, звичайно, в інертній атмосфері. Термін "спікання" включає в себе поняття зв'язування порошкових матеріалів, як правило, під тиском, із застосуванням твердотільних реакцій при температурах нижче, ніж це потрібно для утворення рідкої фази. Під час процесу спікання при температурах, нижчих за точку плавлення металевих сполучних речовин, порошки металевої фази зв'язувальних речовин і тугоплавкі частинки зварюються разом під впливом тиску і тепла. Спікання традиційно використовується для виготовлення керамічних деталей, а також дана технологія знайшла застосування в таких областях, як порошкова металургія для виготовлення продукції, що містить матеріали з надзвичайно високою температурою плавлення. Порошкова металургія є процесом, що забезпечує виробництво відносно невеликих, зносостійких деталей простої конфігурації, таких як насадки до інструменту з карбіду вольфраму. Але ж на практиці порошкова металургія не застосовується для виготовлення крупних зносостійких деталей складної конфігурації з твердого металевого матеріалу, таких як робочі колеса насосів і деталі дробарок, що піддаються інтенсивному зносу, вагою більше 100 кг, а зазвичай більше 1 тонни. Зазначена технічна задача актуальна, зокрема, для обладнання гірничодобувної промисловості та промисловості з переробки корисних копалин, де часто потрібне застосування деталей, що мають високу зносостійкість. Відомо використання зносостійких сплавів металів, таких як білі чавуни з високим вмістом хрому, у виготовленні деталей, застосовуваних у обладнанні гірничодобувної промисловості та промисловості з переробки корисних копалин, наприклад, обладнання, до складу якого входять пристрої для транспортування твердих матеріалів. Наприклад, облицювальні покриття з твердих сплавів формуються на лотках самоскидів, які транспортують руди з шахти (добувних ділянок) на завод переробки корисних копалин. В іншому прикладі лиття із зносостійких сплавів використовуються при виготовленні насосів для транспортування шламів зі зваженими у воді частинками руд технологічними лініями флотаційних схем на підприємствах з переробки корисних копалин. Вимоги до в'язкості руйнування та корозійної стійкості зносостійких сплавів у кожному з наведених вище прикладів різні, і, відповідно, різні склади зносостійких сплавів. Однак, їм усім притаманний загальний фактор, що полягає в необхідності забезпечення зносостійкості на додаток до інших властивостей. В принципі, більш висока зносостійкість може бути досягнута шляхом регулювання складу сплаву, але при цьому неминучий компроміс відносно інших властивостей. Для будь-якої заданої умови, коли зносостійкість є важливою властивістю, бажано забезпечити отримання матеріалів із заданими властивостями і поліпшеною зносостійкістю шляхом нанесення меншого збитку збалансованості даних властивостей. Слід зазначити, що наведений опис включає в себе посилання на масовий відсоток (мас.%) і об'ємний відсоток (об.%). У контексті посилання на NbC в даному описі, де NbC має щільність таку ж, як і основний метал, зазначені терміни являються взаємозамінними. Суть винаходу В ході проведення великого комплексу науково-дослідних та експериментальних робіт Заявник виявив, що рідкий основний метал, який містить дисперсію, як правило, дисперсію від 5 1 UA 110611 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 до 50 об'ємних відсотків тонких частинок тугоплавкого матеріалу, який не розчиняється в основному металі і описується у даному документі як рідкий металевий шлам, має дуже хорошу текучість при заливці у ливарному виробництві, причому шлам легко тече при наповненні піщаних форм для одержання щільного лиття з твердого металевого матеріалу. У контексті даного винаходу, термін "нерозчинний" означає, що в процесі використання при всіх намірах і для всіх цілей тугоплавкий матеріал не розчиняється в основному металі. Може спостерігатися обмежена розчинність. Тим не менш, тугоплавкі частинки суттєво відрізняються від основного металу в тому, що існує мізерно малий розподіл перехідних металів в частинках тугоплавкого матеріалу до основного металу. Заявник також виявив, що перемішування і диспергування нерозчинних тугоплавких частинок в основному металі може успішно здійснюватися в рідкому стані в інертній атмосфері, наприклад, у вакуумній печі, щоб звести до мінімуму окиснення хімічно активних елементів в частинках тугоплавкого матеріалу. Технічне рішення за даним винаходом являє собою відхід від всіх стандартних ливарних технологій, відомих Заявнику з рівня техніки, і припускає повне розплавлення всіх легуючих добавок, що містяться в литті, з формуванням єдиної рідкої фази, з метою забезпечення максимальної плинності під час заливки у форму. Заявник також виявив, що плинність рідких металевих шламів, коли процес лиття здійснюється в межах певних виробничих параметрів, відповідних даному винаходу, є достатньою для отримання виду щільного лиття з твердого металевого матеріалу, починаючи від малих до великих корпусів з питомим опором зношуванню, в'язкістю руйнування і стійкістю до корозії, які виявляться придатними для застосування в широкому діапазоні робочих умов в процесі експлуатації. Виробничі параметри можуть включати будь-який один розмір або більше розмірів частинок, реактивність, теплове розширення або стиснення, щільність і розчинність тугоплавкого матеріалу, як описано нижче. У широкому сенсі, даний винахід забезпечує твердий металевий матеріал, що містить 5-50 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованого в основному металі. У контексті даного винаходу термін "твердий металевий матеріал" слід розуміти як такий, що містить частинки з високою температурою плавлення карбідів і/або нітридів, і/або боридів одного або більше одного з дев'яти перехідних металів, а саме, титану, цирконію, гафнію, ванадію, ніобію, танталу, хрому, молібдену і вольфраму, дисперговані у міцному (в'язкому) основному металі, який діє як з'єднувальна фаза. Як правило, основним матеріалом є феритний металевий сплав (сплав чорного металу). Кожна з цих частинок представляє собою частинку тугоплавкого матеріалу і присутня в даному описі під найменуванням "тугоплавкий матеріал". Частинками тугоплавкого матеріалу можуть бути карбіди і/або бориди, і/або нітриди одного з перехідних металів, наприклад, NbC. Частинками тугоплавкого матеріалу можуть бути карбіди і/або бориди, і/або нітриди більш, ніж одного з перехідних металів, де частинками є хімічні суміші (на відміну від фізичної суміші) карбідів і/або боридів, і/або нітридів перехідних металів. Іншими словами, у разі застосування карбідів, частинками тугоплавкого матеріалу можуть бути частинки, тип яких представлений у вигляді (M1, M2) C, де «М» являє собою перехідний метал. Одним із прикладів, розглянутих далі в описі до даного документа, є (Nb, Ті) C. Твердий металевий матеріал може містити 5-40 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному металі. Твердий металевий матеріал може містити більше 10 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному металі. Твердий металевий матеріал може містити більше 15 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному металі. Твердий металевий матеріал може містити менше 30 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному металі. Твердий металевий матеріал може містити менше 25 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в основному металі. Основним металом може бути феросплав (наприклад, сталь або чавун), нержавіюча сталь, аустенітна марганцева сталь, наприклад, сталь Хедфілда (Hadfield), або надміцний сплав на основі заліза або на основі нікелю, або кобальту. Даний винахід також забезпечує спосіб формування твердого металевого матеріалу, що включає етапи, на яких: 2 UA 110611 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - приготовляють шлам твердого металевого матеріалу, що містить 5-50 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в рідкому основному металі, наприклад, в інертній атмосфері, і - забезпечують можливість затвердіння шламу для формування твердого металевого матеріалу в отвердженому стані. Даний винахід також відноситься до способу виготовлення деталі з твердого металевого матеріалу, що включає етапи, на яких: - приготовляють шлам твердого металевого матеріалу, що містить 5-50 об'ємних відсотків частинок тугоплавкого матеріалу, диспергованих в рідкому основному металі, в інертній атмосфері, і - заливають шлам у форму та формують виливок згаданої вище деталі в інертній атмосфері. Спосіб може включати етап формування шламу, а потім етап формування виливку деталі в камері в умовах вакууму, за яких з камери видаляють повітря і підводять до неї інертний газ, наприклад, аргон. Приміром, зазначений спосіб може бути здійснений у вакуумній плавильній печі. Спосіб може включати вибір виробничих параметрів для формування шламу на етапі (а), який повинен мати задану плинність для здійснення обробки на етапі (b). За будь-якої заданої ситуації, кваліфікований фахівець зможе визначити необхідну плинність для забезпечення обробки на етапі (b) з урахуванням вимог, які визначаються стандартами, що застосовуються у ливарному виробництві, у відношенні, наприклад, розміру і форми деталі, що виготовляється, а також виду необхідної дисперсії (однорідної або роздільної ) для забезпечення заданої мікроструктури деталі. Виробничі параметри можуть включати будь-який один розмір або декілька розмірів частинок, реактивність, щільність і розчинність тугоплавкого матеріалу, як буде описано нижче. Розмір частинки тугоплавкого матеріалу Тугоплавкий матеріал може мати малий розмір частинки. Малий розмір частинки тугоплавкого матеріалу може бути необхідний для забезпечення гомогенної дисперсії в основному металі. Температура плавлення більшості тугоплавких матеріалів - перехідних металів вища за 1800°С, і тугоплавкі матеріали як правило, нерозчинні у рідких основних металах. Заявник виявив, що тугоплавкі порошки з розмірами частинок менше 500 мікрон, звичайно, менше 150 мікрон в діаметрі забезпечують оптимальні характеристики потоку в рідких металевих шламах, а також гарантують задану рівномірну дисперсію тугоплавких частинок в мікроструктурах лиття з твердих металів. Розмір частинки тугоплавкого матеріалу може бути менше 400 мікрон. Розмір частинки тугоплавкого матеріалу може бути менше 200 мікрон. Розмір частинки тугоплавкого матеріалу може бути менше 150 мікрон. Тугоплавкий матеріал може бути доданий до рідкого основного металу наступним чином. (a) у вигляді тонкого порошку з обраним розподілом частинок за розмірами. Наприклад, 15 мас.% частинок тугоплавкого матеріалу у вигляді карбіду ніобію (NbC)(мінус 50 мкм в діаметрі) додані до рідкого основного сплаву, при цьому основним сплавом є білий чавун з високим вмістом хрому. NbC характеризується твердістю за Віккерсом 24 ГПа (GPa), температурою плавлення 3600°C і дуже низькою розчинністю в рідкому основному сплаві при температурі лиття близько 1500°С. Рідкий металевий шлам містить суспензію нерозчинних частинок NbC (мінус 50 мкм в діаметрі) в рідкому основному сплаві. Після затвердіння мікроструктура демонструє дисперсію 15 мас. % тонких частинок NbC (мінус 50 мкм в діаметрі) в основі білого чавуну з високим вмістом хрому, що включає незначну кількість (менше 0,3 мас. %) ніобію в розчині в основі. (b) згадані вище перехідні метали або феросплави тих же самих перехідних металів можуть бути додані до широкого діапазону основних металів, що містять всі комбінації та перестановки елементів вуглецю, бору й азоту. Наприклад, як більш докладно описано нижче, Заявник виявив, що Fe-Nb легко розчиняється в рідкому основному металі при 1500°С, а ніобій відразу ж з'єднується з вуглецем у рідкому основному металі, щоб забезпечити утворення карбідів ніобію in situ з розмірами частинок меншими за 50 мкм у діаметрі. Хімічно активні тугоплавкі матеріали Більшість описаних вище тугоплавких матеріалів перехідних металів, які класифікуються як "хімічно активні елементи", тобто окремі елементи металів та/або складові (компаундні) форми їх карбідів, нітридів або боридів, легко взаємодіють з повітрям при температурі лиття металу близько 1500°С з утворенням небажаних оксидів металів та/або великої кількості газів, 3 UA 110611 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наприклад СO2; що може призвести до значної пористості лиття. Проблеми, пов'язані з окисненням і пористістю лиття з металів в отвердженому стані, виготовленого з рідкого металевого шламу, та асоційовані з хімічними реакціями, в які вступають хімічно активні тугоплавкі матеріали на повітрі при підвищених температурах, вирішуються шляхом розплавлення і заливки рідкого металевого шламу в інертній атмосфері. Вибір частинок тугоплавкого матеріалу з більш низьким показником теплового розширення або стиснення, ніж основний метал. Проблема слабкого зв'язку між тугоплавкими частками і основним металом в твердих металевих матеріалах широко дискутується в літературі. У процесі досліджень Заявник не виявив жодних доказів слабкою зв'язку між досліджуваними тугоплавкими частинками і широким спектром основних металів. Не вдаючись у подробиці досліджуваного процесу, Заявник пояснює спостережуваний бездоганний зв'язок, в значній мірі, використанням інертної атмосфери в процесі лиття твердих металевих матеріалів, а також тим, що теплове стиснення тугоплавких частинок перехідних металів значно менше, як правило, приблизно на 50%, ніж теплове стиснення основних металів при охолодженні від солідуса до кімнатної температури, в результаті чого виникають діючі на частинки тугоплавкого матеріалу стискаючі сили, які міцно утримують частинки в основних металах при твердінні. Заявник виявив, що всі тугоплавкі частинки в литті з твердих металевих матеріалів, отриманому в інертній атмосфері, відчувають на собі вплив стискаючого навантаження, що забезпечує їх тісний контакт і надійний зв'язок з основними металами. Щільність тугоплавких матеріалів Щільність тугоплавкого матеріалу частинок, в порівнянні з щільністю основного металу в рідкому стані, є параметром, який слід брати до уваги в ході здійснення способу за даним винаходом для управління дисперсією тугоплавких частинок в розігрітому основному металі. В окремих ситуаціях це може бути важливо, щоб уникнути сегрегації частинок тугоплавкого матеріалу в рідкому основному металі. В інших ситуаціях, сегрегація може виявитися навіть необхідною. Наприклад, номінальна щільність основного чорного рідкого металу при 1400°С 3 3 становить 6,9 г/см . Коли частинки карбіду вольфраму із щільністю 15,7 г/см додають до основного чорного металу, частинки карбіду вольфраму опускаються на дно форми до 3 затвердіння основного металу. Коли частинки карбіду титану із щільністю 4,8 г/см , додають до того ж самого основного чорного металу, частинки TiC будуть спливати у верхній частині ковша 3 або ливарної форми. Карбід ніобію зі щільністю 7,7 г/см при 1400°С досить близький по 3 щільності до рідкого основного металу при 6,9 г/см і менш схильний до сегрегації в рідкому основному металі, ніж TiC чи WC. Тим не менш, Заявник зазначив, що частинки NbC будуть сегрегувати на дно лиття великого перетину з білого чавуну в процесі здійснення способу за даним винаходом, коли час затвердіння складає близько 30 хвилин або більше. Як більш докладно описано нижче, карбід ніобію й карбід титану мають однакові кристалічні структури і являються ізоморфними. Вибір заданого співвідношення Nb/Ті в хімічній сполуці (Nb, Ti) C 3 забезпечує тугоплавкий матеріал будь-якої заданої щільності в діапазоні 4,8-7,7 г/см при температурі лиття. Забезпечення відповідності щільності твердих тугоплавких частинок і рідкого основного металу при температурі лиття виключає сегрегацію частинок у розплаві при здійсненні процесу за способом, заявленим у даному винаході. Розчинність тугоплавких матеріалів Додавання частинок тугоплавкого матеріалу, які є нерозчинними в усіх їх призначеннях і намірах, тобто мають мінімальну тверду розчинність в рідкому основному металі для виробництва лиття у відповідності зі способом за даним винаходом, дає можливість отримати твердий металевий матеріал, який проявляє фізичні та хімічні властивості, дуже схожі на властивості основного металу з істотно більш високим опором зносу, завдяки наявності в мікроструктурі контрольованої дисперсії високого об'ємного відсотка твердих частинок тугоплавкого матеріалу. Наприклад, розчинність тугоплавкого матеріалу типу (Nb, Ti) C в рідких основних металах у формі (а) рідкої сталі Хедфілда (Hadfield) і (b) рідкої нержавіючої сталі 316, а також (с) рідкого білого чавуну з високим вмістом хрому при підвищених температурах виключно мала (