Зносостійкий жароміцний композиційний сплав на основі кобальту

Реферат: Зносостійкий композиційний сплав на основі кобальту Т-800 містить хром, молібден, кремній, має високу температуру плавлення сплаву, що значно перевищує критичну температуру нагріву основного металу при наплавленні, що унеможливлює його нанесення на контактні поверхні в рідкому стані. Додатково сплав містить бор та має прийнятну температуру плавлення при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): хром (Cr) 17,0-18,0 молібден (Мо) 27,0-28,0 кремній (Si) 2,8-3,2 бор (В) 0,8-1,2 кобальт (Co) решта. UA 107286 U (12) UA 107286 U UA 107286 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі металургії, зокрема до сплавів на основі кобальту, які працюють за високих температур в середовищі продуктів згоряння палива типу гас, і може знайти застосування при виробництві судових газотурбінних двигунів для підвищення зносостійкості робочих поверхонь деталей, що працюють в умовах контактної взаємодії. Для виготовлення турбінних робочих лопаток використовують жаростійкі нікелеві сплави типу ЧС88У-ВИ, ЧС70У-ВИ та ін. Ці сплави зміцнюються дисперсними виділеннями γ'-фази Ni3(Al, Ті), яка має схильність до коагуляції в процесі контактної взаємодії за високих температур, що створює сприятливі умови для збільшення інтенсивності зношування, в тому числі і за рахунок інтенсифікації процесів окиснення поверхневого шару, що збіднюється легуючими елементами. Ці сплави практично не зварюються, тому температура їх нагріву при нанесенні шару сплаву, що зміцнює контактну поверхню, не повинна перевищувати 1220±10 °C, інакше не вдається уникнути падіння міцності основного металу, що відбувається за рахунок деградації γ'-фази, та утворення тріщин в місці наплавлення. В цьому зв'язку, сплав, що зміцнює контактну поверхню, повинен, при нанесенні в рідкому стані, мати температуру плавлення не вище 1220±10 °C. При більш високій температурі плавлення нанесення виконують, наприклад, за допомогою паяння, що не завжди можливо конструктивно. В цьому зв'язку, зносостійкі сплави, що використовуються в судновому газотурбобудуванні, зручно розподілити на дві групи за температурою плавлення: до та понад 1220±10 °C. Вкрай складною проблемою є розробка сплавів, що належать до першої групи, мають необхідний рівень зносостійкості за робочих температур (до 900 °C) та витримують тимчасове термічне навантаження до температури 1150 °C, що близька до температури розчинення γ'фази в основному металі. До сплавів першої групи належить композиція КБНХЛ-2 [Применение жаростойкого материала КБНХЛ-2 для наплавки деталей газовых турбин //Алтухов А.А., Гаврилов О.В. Информационно-технический журнал Сварщик. - 2004. - № 2. С. 22-23.], що має нікелькобальтову матрицю та містить нікель (35,5-36,5 мас. %), кобальт (20,5-21,5 мас. %), хром (24,525,5 мас. %), карбід хрому (11,5-12,5 мас. %), борід хрому (2,5-3,5 мас. %) та бор (2,9-3,1 мас. %). Відносно висока зносостійкість забезпечується завдяки зміцненню нікель-кобальтової матриці карбідами та борідами хрому. Недоліком сплаву є його низька температура плавлення (~1070-1090 °C). Всі інші відомі сплави можна віднести до другої групи, що вкрай ускладнює їх використання при нанесенні на контактну поверхню наплавленням. Відомий сплав на основі кобальту ВЗК-р [Плазменно-порошковая наплавка стеллитом фиксаторов труб //Сом А.И., Ищенко В.Ю., Малый А.Б. - Информационно-технический журнал "Сварщик". - 2004. - № 2. - С. 18-19], котрий містить хром (28,0-32,0 мас. %), вольфрам (7,0-11,0 мас. %), вуглець (1,6-2,0 мас. %) як основні легуючі елементи та додатково в невеликій кількості Si, Mn, Ni, В, Fe. Зміцнення сплаву відбувається за рахунок утворення карбідів вольфраму та хрому. Температура стабільної експлуатації цього сплаву не перевищує 600 °C. Схожий склад має сплав на основі кобальту Stellite 12, котрий містить як основні легуючі елементи хром (28,0-31,0 мас. %), вольфрам (7,2-9,2 мас. %), вуглець (1,55-1,75 мас. %) та додатково Ni, Si, Fe, Mo. Зміцнення сплаву відбувається за рахунок утворення карбідів вольфраму та хрому. Температура експлуатації цього сплаву також не перевищує 600 °C. Відомий сплав на основі нікелю Х30Н50Ю5Т2 [Жаропрочные материалы для аэрокосмической промышленности /переклад з англ. Ю.П. Либерова, А.Б. Цепелева. Под ред. акад. Р.Е. Шалина. М.: Металлургия. - 1995. В 2 томах. Том 2-369 с.], котрий містить хром (32,036,0 мас. %), алюміній (5,0-6,0 мас. %), титан (1,4-2,1 мас. %), вуглець (1,2-1,6 мас. %) як основні легуючі елементи та додатково в невеликій кількості В, Fe. Відносно висока зносостійкість забезпечується завдяки утворенню інтерметалідів Ni3(AI, Ті) та комплексних карбідів хрому та титану. Такий механізм зміцнення недостатньо ефективний завдяки нестабільності γ'-фази в умовах контактного навантаження за підвищених температур у середовищі, що окислює. Це сприяє пришвидшеному зношуванню сплаву, що є його суттєвим недоліком. Відомий сплав, на основі кобальту ХТН-61 [патент України на корисну модель UA 8240 А, кл. С22С19/07, опубл. 29.03.96.], що містить хром (19,0-21,0 мас. %), ніобій (15,0-16,0 мас. %), вольфрам (2,7-3,3 мас. %), молібден (1,8-2,2 мас. %), алюміній (0,8-1,2 мас. %), вуглець (1,952,30 мас. %), зміцнюється дисперсними виділеннями монокарбіду ніобію та має високу зносостійкість, що перевищує зносостійкість сплавів на основі нікелю за рахунок стійкої зміцнюючої фази. Суттєвим недоліком сплаву є його низька жаростійкість та втрата властивостей при плавленні (температура плавлення 1360±10 °C), що дозволяє його нанесення на контактні поверхні виключно паянням. 1 UA 107286 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Схожий склад має сплав на основі кобальту ХТН-62 [патент України на корисну модель № 39450, опубл. 25.02.2009], що містить хром (5,0-25,0 мас. %), ніобій (13,5-17,0 мас. %), вольфрам (6,0-12,0 мас. %), алюміній (2,0-3,5 мас. %), залізо (2,0-5,0 мас. %), вуглець (1,6-1,9 мас. %). Сплав демонструє високу жаростійкість, однак, порівняно низький вміст карбідної фази (NbC) призводить до значного зниження зносостійкості сплаву, що є суттєвим недоліком і не забезпечує необхідного комплексу властивостей в повній мірі. Найбільш близьким аналогом до сплаву, що заявляється, є сплав на основі кобальту Т-800 [Halstead and R.D. Rawlings, "Structure and Hardness of Co-Mo-Cr-Si Wear Resistant Alloys", Metal Science, Vol. 18, October 1984, p. 491-500], що містить як основні легуючі елементи хром (17,018,0 мас. %), молібден (28,5-29,0 мас. %), кремній (3,4-3,7 мас. %) та додатково залізо (< 1,5 мас. %), нікель (< 1,5 мас. %), вуглець (0,04-0,08 мас. %), зміцнюється комплексними силіцидами молібдену та демонструє високу зносостійкість до температури 1000 °C включно, та витримує тимчасове термічне навантаження при температурі 1150 °C (таблиця). Твердість сплаву складає 55-60 HRC. Однак, відносно висока температура плавлення сплаву значно перевищує критичну температуру нагріву основного металу при наплавленні (1220±10 °C), що унеможливлює його нанесення на контактні поверхні в рідкому стані. В основу корисної моделі поставлено задачу створення зносостійкого матеріалу, що має необхідний рівень зносостійкості за робочих температур (до 900 °C), витримує тимчасове термічне навантаження до температури 1150 °C в середовищі, що окислює, та який можна наносити в рідкому стані на контактні поверхні за температур їх нагріву не вище 1220±10 °C. Поставлена задача вирішується тим, що при кристалізації розплаву, який містить компоненти в наступному співвідношенні (мас. %): Сr: 17,0-18,0; Мо: 27,0-28,0, Si: 2,8-3,2; В: 0,81,2; Co - решта, утворюється сплав на основі твердого розчину Со+Мо+Cr з рівномірно розподіленими дисперсними комплексними силіцидами та борідами. Бор та кремній, в наведеному співвідношенні, на стадії нанесення розплаву на контактну поверхню, забезпечують його прийнятну температуру плавлення та належну адгезійну активність, а при кристалізації утворюють дисперсну фазу, що зміцнює. Сплав, що заявляється, отримують шляхом електродугового плавлення у вакуумі шихтованих заготовок. При вмісті Cr менше 17 % сплави характеризуються недостатньою жаростійкістю, збільшення вмісту Cr вище 18 %, Si вище 3,2 % та В вище 1,2 % призводить до появи надлишку легкоплавкої евтектики і, як наслідок катастрофічного зниження температури плавлення (