Зносостійкий композиційний матеріал на основі карбіду титану

Реферат: Зносостійкий композиційний матеріал на основі карбіду титану містить нікель і хром. Крім цього, він додатково містить карбід титану ТіС, карбід ванадію VC, карбід молібдену Мо2С і карбід ніобію NbC при такому співвідношенні компонентів, мас. %: нікель Ni 12-20 хром Сr 3-5 карбід ванадію VC 4-6 карбід молібдену Мо2С 4-6 карбід ніобію NbC 4-6 карбід титану ТіС решта. UA 88947 U (54) ЗНОСОСТІЙКИЙ КОМПОЗИЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ НА ОСНОВІ КАРБІДУ ТИТАНУ UA 88947 U UA 88947 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до галузі порошкової металургії, а саме - до зносостійких композиційних матеріалів, які можуть бути використані для обробки різанням сталей і сплавів, а також для зносостійких деталей машин і механізмів, тощо. Аналогом розробленому матеріалу може бути спечений матеріал на основі системи AlNAl2O3 з металевою зв'язкою (сплав Ni-Cr-Al) (А.Д. Панасюк, И.И. Тимофеева, И.П. Нешпор, Л.И. Струк, А.И. Быков. Влияние давления на формирование структуры спеченных композитов системы AlN-Al2O3 с металлической связкой// Воздействие высоких давлений на материалы. Сборник научных трудов ИПМ НАН Украины. - 1994. - С. 99-109). Матеріал аналогу складу (мас. %): AlN-20Al2O3-(20-40)Ni-Cr-Al (сплав-зв'язка) був сформований в камері високого тиску при температурі в інтервалі 1400-1700 °C під тиском 2-5 ГПА. Недоліками матеріалу аналогу є низькі механічні властивості (міцність при згині-620-710 МПА). Як прототип був вибраний гарячепресований зносостійкий матеріал на основі дибориду титану ТіВ2 складу (мас. %): 15-16 SiC, 14-18 Ni, 2-6 Cr, TiB2 - решта, отриманий методом гарячого пресування при температурі 1480-1550 °C під тиском 20-25 МПа та часі витримки 10 хвилин. (Патент на корисну модель № 42091, клас МПК (2009), С22С 29/06, Бюлетень № 12 від 25.06.2009). Встановлено, що введення нікелю і хрому як металевої зв'язки в склад матеріалу прототипу підвищує його пластичність і дає змогу використовувати як покриття металевих деталей. Недоліком матеріалу прототипу є відносно невисокі значення механічної міцності і твердості, а також підвищена інтенсивність зношування. В основу корисної моделі "Зносостійкий композиційний матеріал на основі карбіду титану" поставлено задачу створити матеріал з високими значеннями механічної міцності, твердості і зносостійкості. Поставлену задачу вирішували шляхом додавання до суміші порошків нікелю і хрому порошків карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо 2С і карбіду ніобію NbC та дотриманням оптимального кількісного співвідношення компонентів, мас. %: нікель Ni 12-20 хром Сr 3-5 карбід ванадію VC 4-6 карбід молібдену Мо2С 4-6 карбід ніобію NbC 4-6 карбід титану ТіС решта. Суть корисної моделі полягає в тому, що існує причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю її суттєвих ознак і технічним результатом, що випливає із нижченаведеного опису. Карбід титану ТіС використовують як основу матеріалу корисної моделі. ТіС має високі значення температури плавлення, твердості, механічної міцності, теплопровідності і корозійної стійкості. Введення в склад матеріалу карбідів ванадію VC, молібдену Мо2С і ніобію NbC повинно підсилити позитивні якості карбіду титану ТіС і забезпечити високу зносостійкість матеріалу, який заявляють. Введення металевої зв'язки на основі нікелю Ni і хрому Сr активізує процес ущільнення при гарячому пресуванні, знижує його температуру і підвищує пластичність матеріалу, яка суттєво впливає на зниження коефіцієнту тертя. Зносостійкий композиційний матеріал на основі карбіду титану одержували методами порошкової металургії. Вихідні порошки: карбід титану ТіС, карбід ванадію VC, карбід молібдену Мо2С, карбід ніобію NbC, нікель Ni, хром Сr змішували у відповідних співвідношеннях та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1450-1530 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 49 %. Досліджували п'ять складів зносостійкого композиційного матеріалу на основі карбіду титану, які одержували у такий спосіб: Приклад 1. Порошки карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо 2С, карбіду ніобію NbC, нікелю Ni, хрому Сr змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: карбід титану ТіС 77 карбід ванадію VC 7 карбід молібдену Мо2С 3 карбід ніобію NbC 3 1 UA 88947 U 5 10 15 20 25 30 нікель Ni 8 хром Сr 2. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1480-1530 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 4-9 %. Приклад 2. Порошки карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо 2С, карбіду ніобію NbC, нікелю Ni, хрому Сr змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: карбід титану ТіС 71 карбід ванадію VC 6 карбід молібдену Мо2С 4 карбід ніобію NbC 4 нікель Ni 12 хром Сr 3. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1470-1520 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 4-9 %. Приклад 3. Порошки карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо 2С, карбіду ніобію NbC, нікелю Ni, хрому Сr змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: карбід титану ТіС 65 карбід ванадію VC 5 карбід молібдену Мо2С 5 карбід ніобію NbC 5 нікель Ni 16 хром Сr 4. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1470-1520 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 4-9 %. Приклад 4. Порошки карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо 2С, карбіду ніобію NbC, нікелю Ni, хрому Сr змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: карбід титану ТіС 59 карбід ванадію VC 4 карбід молібдену Мо2С 6 карбід ніобію NbC 6 нікель Ni 20 хром Сr 5. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових пресформах в температурному інтервалі 1470-1520 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 4-9 %. Приклад 5. Порошки карбіду титану ТіС, карбіду ванадію VC, карбіду молібдену Мо2С, карбіду ніобію NbC, нікелю Ni, хрому Сr змішували та одночасно розмелювали у планетарному млині в середовищі ацетону 6 годин у співвідношенні, мас. %: карбід титану ТіС 53 карбід ванадію VC 3 карбід молібдену Мо2С 7 карбід ніобію NbC 7 нікель Ni 24 хром Сr 6. Суміші висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито, середня величина частинок не перевищувала 3-8 мкм. Зразки одержували гарячим пресуванням в графітових 2 UA 88947 U 5 10 15 20 25 пресформах в температурному інтервалі 1450-1500 °C при тиску 20 МПа, часі витримки при заданій температурі 8-10 хвилин після повної усадки. Пористість гарячепресованих зразків складала 4-9 %. На механічно оброблених гарячепресованих зразках розміром 36×5×5, 10×5×5 мм і 10×15 мм визначали густину, механічну міцність, твердість, коефіцієнт тріщиностійкості К1C, коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування. Дані про фізико-механічні властивості матеріалу, який заявляють, і прототипу наведені в таблиці. Густину вимірювали гідростатичним зважуванням. Випробування міцності на вигин і стиск проводили на "Універсальній машині для механічних випробувань". Твердість за Роквелом HRA заміряли по відбитках після впровадження алмазного конуса під тиском 50 кГ. Коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування (мкм/км) визначали за схемою "вал-зразок" при навантаженні 2 МПа і швидкості ковзання 12-14 м/с за методикою (Е.Т. Мамикін, М.К. Ковпак, А.И. Юга та ін. Комплекс машин і методики визначення антифрикційних властивостей матеріалів при терті-ковзанні// Порошкова металургія. - 1973. - № 1. - С. 67-72). Величину критичного коефіцієнту інтенсивності напруги К1C (тріщиностійкість) визначали IF-методом при навантаженні на індентор 100 Н за методикою (Niihara K., Morena R., Hasselman D.P.H. Evaluation of К 1C of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent rations// Journal Mat. Sci. Let. - 1972. - v.29. -#1. - P. 263-272). Наведені в таблиці дані свідчать про те, що матеріал корисної моделі, який заявляють, має більш високі значення механічної міцності, твердості і зносостійкості в порівнянні із матеріалом прототипу при відносно низькому коефіцієнті тертя і високому значенні коефіцієнту тріщиностійкості. Найбільш ефективні властивості матеріалу, що заявляють як корисну модель, виявляють в складах № 2-4 в інтервалі концентрацій компонентів, мас. %: нікель Ni 12-20 хром Сr 3-5 карбід ванадію VC 4-6 карбід молібдену Мо2С 4-6 карбід ніобію NbC 4-6 карбід титану ТіС 59-71. Матеріал, що заявляють, може бути використано для обробки різанням та пластичним деформуванням широкого класу вуглецевих та легованих сталей і сплавів, а також як зносостійкий матеріал деталей машин і механізмів, що працюють в умовах тертя при підвищених швидкісно-навантажувальних параметрах, тощо. Таблиця Властивості зносостійкого композиційного матеріалу на основі карбіду титану в порівнянні з матеріалом прототипу №№ складів Міцність, ІнтенсиМПа Твердість, вність Коеф. HRA зношування, тертя на на Мо2С NbC Ni Cr ТіВ2 SiC Мкм/км вигин стиск 3 3 8 2 - 1216 2080 90,2 2,6 0,28 4 4 12 3 - 1220 2125 91,8 2,2 0,23 5 5 16 4 - 1245 2130 92,0 2,3 0,21 6 6 20 5 - 1232 2180 91,6 2,1 0,25 7 7 24 6 - 1212 2007 89,4 2,5 0,27 Склад матеріалу, мас% ТіС VC 1 77 2 71 3 65 4 59 5 53 Прототип 7 6 5 4 3 1460- 15- 10822-6 18 69 16 1210 88-91 13-15 Тріщиностійкість К1С, 1/2 МПа•м 8,2 8,5 8,8 8,6 8,0 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Зносостійкий композиційний матеріал на основі карбіду титану, що містить нікель і хром, який відрізняється тим, що додатково містить карбід титану ТіС, карбід ванадію VC, карбід молібдену Мо2С і карбід ніобію NbC при такому співвідношенні компонентів, мас. %: нікель Ni 12-20 хром Сr 3-5 3 UA 88947 U карбід ванадію VC карбід молібдену Мо2С карбід ніобію NbC карбід титану ТіС 4-6 4-6 4-6 решта. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4