Твердый сплав

Твердый сплав

Реферат

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

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