Способ получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины

Способ получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины

Реферат

 

Сущность изобретения: получают сплав на основе платины, легированный оксидообразующим элементом цирконием в количестве 0,05 - 0,5 мас.%, изготавливают проволоку диаметром (25 - 35) (25 - 35)10^-5 м м. Затем проводят окислительный отжиг проволоки при температуре 1073 - 1173 К. Осуществляют прессование проволоки и сразу после него горячее сковывание прессовки в пластину. 2 табл.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины внутренним окислением.

Известен способ получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины внутренним окислением, включающий получение сплава, легированного оксидообразующим элементом цирконием, последующее изготовление фольги прокаткой листа до толщины 2 10^-4 м, окислительный отжиг, горячее прессование пакета фольги и его последующую прокатку.

Несмотря на то, что полученная известным способом дисперсно-упрочненная слоистая платина (DVS-платина) имеет хорошие эксплуатационные характеристики в условиях высоких температур, известный способ представляет собой сложную технологию с использованием специального оборудования для изготовления фольги.

Полученный известным способом сплав имеет невысокую жаропрочность, особенно в контакте с расплавами агрессивных сред, например оптических стекол, из-за неполного окисления циркония, который при дальнейшей эксплуатации изделий является восстановителем по отношению, например, к компонентам стекла.

Недостатки известного способа связаны со значительной толщиной окисляемой фольги, ее величина не позволяет получить необходимую межфазную поверхность газа-окислителя и платинового сплава для осуществления полного прокисления при имеющейся толщине фольги и применяемых температурно-временных режимах способа.

Наиболее близким к изобретению является способ получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины внутренним окислением, включающий получение сплава, легированного оксидообразующим элементом циркония, последующее изготовление проволоки, пламененное распыление металла проволоки в нелетучую жидкость для образования гранул порошка и их последующую деформацию в хлопья толщиной (3-6) 10^-6 м. Способ включает окислительный отжиг хлопьев в потоке кислородсодержащего газа при температуре 973К в течение 25-100 ч, затем прессование со спеканием прессовки в вакууме при 1673 К в течение 5 ч и последующее горячее сковывание прессовок в пластину при температуре 1473-1573 К.

Однако, известный способ сложен по технологии и требует использования дополнительного оборудования для измельчения проволоки окисляемого сплава до гранул и деформации гранул порошка в хлопья.

Кроме того, при осуществлении сложных операций способа-распыления проволоки в гранулы происходит испарение пластины платины в условиях газопламенного нагрева, что приводит к значительным безвозвратным потерям дорогостоящего металла. Дальнейшая деформация платиновых гранул до хлопьев в мельницах увеличивает безвозвратные потери платиновых сплавов за счет образования в процессе размола мелкодисперсных пылинок.

Целью изобретения является упрощение технологии и оборудования и экономия платины в сплаве с высокими эксплуатационными характеристиками в условиях высоких температур и коррозионных сред.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины внутренним окислением, включающим получение сплава легированного оксидообразующим элементом цирконием, последующее изготовление проволоки, окислительный отжиг, затем прессование и горячее сковывание в пластину, сплав получают при его легировании цирконием в количестве 0,05-0,5 мас.%, окислительный отжиг осуществляют непосредственно за изготовлением проволоки диаметром (25-35)10^-5 м и ведут при температуре 1073-1173 К, а горячее сковывание в пластину производят сразу после прессования.

Изготовление проволоки диаметром (25-35)10^-5 м дает возможность создать поверхность межфазного взаимодействия окислительная среда-сплав на основе платины - оксидообразующий элемент до необходимых и достаточных размеров, обеспечивающих скорость окисления при температуре отжига 1073-1173 К, которая позволяет получить дисперсно-упрочненный материал с эксплуатационными свойствами на уровне композита, изготовляемого по способу-прототипу.

Это становится возможным за счет формирования во внутриокисленном сплаве структуры равновеликих частиц окиси циркония, равномерно распределенных в платиновой матрице.

Уменьшение диаметра проволоки менее чем 2510^-5 м невозможно из-за наличия ее обрывности при изготовлении полуфабриката за счет недостатка металла основы и вследствие этого невозможности ее пластического течения при деформации.

Увеличение диаметра проволоки более чем 3510^-5 м приводит к резкому увеличению продолжительности окисления для получения оксида циркония по всему объему полуфабриката. При этом снижаются прочностные характеристики дисперсно-упрочненного материала из-за образования грубых конгломератов оксидных образований.

Заявляемое техническое решение относительно использования количества легирующего элемента циркония является частным решением задачи известного технического решения - прототипа и представляет собой способ получения дисперсно-упрочненной платины при легировании матрицы цирконием в количестве 0,05-0,5 мас.%.

Известное техническое решение представляет собой способ получения дисперсно-упрочненной платины при легировании матрицы цирконием в количестве 0,05-0,5 мас.%. а также представляет собой получение дисперсно-упрочненного сплава на основе платины, при котором легирование матрицы цирконием осуществляют в пределах 0,05-5 мас.%.

Известно, что два решения одной и той же задачи являются по отношению друг к другу общим и частным, если существенный признак этих решений находится в отношении соподчинения "шире-уже" (количество циркония), а остальные признаки идентичны.

В связи с этим рассматриванием влияние концентрации легирующего элемента циркония на изменение показателя жаропрочности композитов в контакте с коррозионными средами, полученных по заявляемому способу (т.п. признаки операций, и режимов идентичным) для концентраций известного (диапазон легирования шире) и заявляемого (диапазон легирования уже) технических решений.

В качестве показателя изменения жаропрочности выбираем отношеним пределов длительной прочности композита при температуре 1573 К в контакте с расплавом оптического стекла к пределу длительной прочности композита после испытаний на воздухе.

Обнаружено, что увеличение концентрации циркония выше значения 0,5 мас. % приводит к резкому снижению указанного относительного показателя, что обусловлено негативным влиянием коррозионных процессов, протекающих на границе дисперсно-упрочненный сплав - коррозионная среда (расплав стекла).

Интенсивное падение жаропрочности дисперсно-упрочненного сплава при концентрациях циркония выше 0,5 мас.% в контакте с расплавом стекла в сравнении с тем же показателем для воздуха объясняется ускорением вредных процессов восстановления компонентов стекла за счет недоокисления циркония, что, в свою очередь, вызывает охрупчивание материала.

Конкретизация количества легирующего элемента при проведении заявляемого способа приводит к выявлению качественно новых свойств - полному окислению циркония при окислительном отжиге и позволяет расширить возможности использования получаемого дисперсно-упрочненного материала, допуская его эксплуатацию в коррозионных средах при повышенных температурах.

Уменьшение концентрации циркония в платиновом сплаве ниже 0,05 мас.% приводит к резкому снижению эксплуатационной характеристики жаропрочности дисперсно-упрочненного сплава Pt-ZrO₂ из-за недостатка циркония для образования необходимого для упрочнения композита количества оксидной фазы.

Увеличение концентрации циркония более 0,5 мас.% приводит к значительному упрочнению материала, но при этом снижаются его технологические свойства, в частности пластичность из-за образования в условиях избытка циркония в сплаве платины большого количества хрупких оксидов, блокирующих направления скольжения при деформации и исключающих пластическую обработку сплава.

Температурным диапазоном проведения окислительного отжига является 1073+1173 К. При окислении в условиях температур ниже 1073 К значительно увеличивается продолжительность полного окисления, что сопровождается появлением толстых оксидных прослоек и снижением эксплуатационных характеристик.

Увеличение температуры окисления более 1173 К приводит к повышению скорости окисления, при этом снижаются эксплуатационные и технологические свойства композитов за счет образования грубых оксидов на границах зерен.

Сходные по величине эксплуатационные свойства - прочностные характеристики дисперсно-упрочненного сплава, полученного по способу-прототипу и предлагаемой технологии достигаются при более высоком значении концентрации циркония в платиновом сплаве, получаемом по предлагаемому способу, чем по известному.

Это становится возможным вследствие использования обнаруженного неизвестного ранее явления незначительного изменения длительной прочности дисперсно-упрочненного сплава платины с цирконием при увеличении времени выдержки окислительного отжига. Отсюда следует, что нет необходимости окисления тонких чешуек для достижения требуемого уровня свойств, а возможно использование для внутреннего окисления платиновой проволоки заданного диаметра с установленным количеством оксидообразующего элемента и осуществление окислительного отжига в строго определенном температурном диапазоне. При этом становится возможной замена цирконием части платины в дисперсно-упрочненном сплаве и связанная с этим экономия дорогостоящего дефицитного металла.

Сравнение заявляемого способа с прототипом показывает, что совокупность признаков заявляемого способа отличается от совокупности признаков прототипа, например, исключаются операции и изменяется последовательность оставшихся. Это дает основание считать, что исключение признаков прототипа затрагивает сущность технического решения, изменяет ее. Следует учитывать, что часть отличительных признаков заявляемого способа представляет собой количественные характеристики решения и не могут рассматриваться в отрыве от признака, к которому они относятся и в отрыве от объекта в целом. Поэтому поиск известных решений был возможен только среди объектов того же назначения с теми же существенными признаками.

Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в исключении операций измельчения проволоки в мелкодисперсный гранулированный порошок и его деформации в шаровых мельницах с получением чешуек размером (3-6)10^-6 м перед осуществлением окислительного отжига. Кроме того, в заявляемом способе исключается операция спекания окисленного полуфабриката перед горячим сковыванием в пластину.

Такое техническое решение способствует упрощению технологии и оборудования при сохранении высоких эксплуатационных характеристик дисперсно-упрочненного сплава в условиях высоких температур.

До создания этого решения операция измельчения проволоки перед окислением считалась обязательной для получения структуры с равновеликими мелкими частицами оксидов равномерно распределенными в платиновой матрице. Согласно существующему мнению специалистов считалось, что не достаточное измельчение сплава платины, легированного цирконием, не может обеспечить необходимое количество оксидов циркония в единице объема для того, чтобы достичь высокого эффекта дисперсионного упрочнения, Известно, что в тонкоизмельченной до чешуек легированной оксидообразующим элементом платине реализуется сквозное прокисление металла, при отжиге кислород поступает по всему объему чешуйки и окисление протекает достаточно быстро. Диффузия циркония навстречу диффузионному потоку кислорода незначительна за время окисления и оксидная мелкодисперсная фаза образуется по всему объему металла.

Согласно существующему мнению специалистов значительная толщина легированной оксидообразующим элементом платины при окислительном отжиге приводит к образованию грубых оксидов, количество которых недостаточно для эффекта дисперсного упрочнения. Кроме того, большие размеры оксидов приводят к снижению технологических свойств дисперсно-упрочненного сплава и затрудняет его обработку пластической деформацией. Диффузия циркония навстречу диффузионному потоку кислорода при значительном времени окисления в толстых образцах приводит к нарастанию крупных зернограничных прослоек оксидов на незначительном удалении от поверхности полуфабриката.

Было обнаружено неизвестное ранее явление, которое заключается в том, что при заявляемых параметрах в проволочных образцах соотношение суммарных скоростей потоков кислорода и циркония внутри платиновой матрицы таково, что осуществляется сквозное прокисление материала с образованием мелкодисперсных оксидов требуемых размеров в количестве, необходимом для достижения эффекта дисперсионного упрочнения на уровне значений для материала, полученного по способу-прототипу.

Таким образом, в описываемой ситуации считавшаяся необходимой операция предварительного измельчения подвергающегося внутреннему окислению сплава в противоположность существующим знаниям оказалась излишней, несущественной, так как необходимые условия внутреннего окисления для получения сплава с высокими эксплуатационными характеристиками создаются и без нее.

Другим отличием заявляемого способа от известного ранее является устранение операции спекания прессовок окисленного полуфабриката перед сковыванием в пластину. Необходимость спекания тонких чешуек в способе-прототипе была обусловлена тем, что одной операции прессования этих чешуек было недостаточно, чтобы получить плотную прессовку, которая могла бы быть подвергнута горячему сковыванию без опасности ее разрушения за счет слабого сцепления чешуек в прессовке перед сковыванием полуфабриката в пластину. Затем было обнаружено неизвестное ранее явление переплетения участков проволоки между собой при прессовании, что обеспечивает ее достаточную сплошность. В предлагаемом способе обнаружили, что использованием окисленных проволочных материалов позволяет получать плотную прессовку, которая при последующем сковывании преобразуется в монолитную пластину без дополнительной операции спекания.

Способ осуществляют следующим образом.

В индукционной вакуумной печи в атмосфере аргона получают сплав-выплавляют слиток сплава платина-цирконий, в котором содержание циркония, как легирующего элемента, образующего упрочняющую дисперсную фазу, равно 0,3 мас. % . Затем из слитка волочением изготавливают проволоку диаметром 35 10^-5 м. Непосредственно после изготовления проволоку подвергают окислительному отжигу в муфельной печи в токе воздуха в течение 100 ч при температуре 1123 К.

Затем окисленную проволоку подвергают прессованию с давлением 4,5 т/см². Сразу после прессования полученный полуфабрикат подвергают горячему сковыванию в пластину при температуре 1673-1873 К и получают заготовку, из которой изготавливают образцы для исследования структуры и испытаний на длительную прочность.

Испытания проводят на проволочных образцах дисперсно-упрочненной платины диаметром 110^-3 м, которые перед испытанием отжигают в течение 1 ч на воздухе при температуре 1573 К.

Исследование технологических свойств (пластичности) проводят на установке "Instron", а жаропрочность дисперсно-упрочненных сплавов исследуют на установке по изучению процессов высокотемпературной ползучести. Исследование процесса внутреннего окисления осуществляют гравиметрическим методом.

В табл.1 приводят примеры осуществления способа получения дисперсно-упрочненных сплавов на основе платины при заявляемых диапазонах температурных режимах окислительного отжига, содержании легирующего элемента и диаметра проволоки, а также при их запредельных значениях.

В табл. 2 приводят сравнительные данные дисперсно-упрочненных сплавов, полученных по предлагаемому способу и способу-прототипу с одним уровнем значений длительной прочности ₁₀₀ 1573 К МПа, который соответствует различному содержанию легирующего элемента циркония в доокисленных сплавах, реализующих известный и предлагаемый способ при диаметре окисляемой проволоки в заявляемом способе 25 10^-5 мм и толщине чешуек в известном способе (3-6)10^-6 м. Испытания проводят на проволочных образцах, подготовленных аналогично для получения результатов в табл.1.

Близкие прочностные характеристики дисперсно-упрочненных сплавов при осуществлении предлагаемого способа достигаются при более высоком значении циркония в доокисленном сплаве в сравнении со способом-прототипом.

Это означает, что поскольку за счет увеличения концентрации циркония снижается содержание платины в сплаве, то это приводит к возможности экономии платины при получении дисперсно-упрочненных сплавов и удешевлению композита.

Использование изобретения позволяет благодаря полному окислению циркония в платиновом сплаве с образованием мелкодисперсных оксидов требуемых размеров и в количестве, необходимом для эффекта дисперсионного упрочнения, достичь высоких эксплуатационных характеристик получаемого дисперсно-упрочненного сплава в условиях высоких температур и коррозионных сред, значительно упростить технологию и оборудование и при этом добиться экономии дефицитного и дорогостоящего металла-платины.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНО-УПРОЧНЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ, включающий легирование сплава на основе платины оксидообразующим элементом цирконием, изготовление проволоки, окислительный отжиг, прессование и соединение прессовок в пластину горячей ковкой, отличающийся тем, что сплав легируют цирконием в количестве 0,05 - 0,5 мас.%, изготавливают проволоку диаметром (25 - 35) 10^-5 м, которую подвергают окислительному отжигу при 1073 - 1173 К.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3