СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СПЛАВА, СОДЕРЖАЩЕГО КАРБИД ТИТАНА
METHOD OF PRODUCING COMPOSITE METAL ALLOY CONTAINING TITANIUM CARBIDE

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам легирования, получения композиционных сплавов и может быть использовано для изготовления литых материалов дополнительно легированных карбидом титана.
Из уровня техники известен способ получения отливок из железоуглеродистых сплавов с легированным поверхностным слоем, содержащим карбид титана, включающий установку пластин или проволоки из титана или сплавов на его основе в поверхность моделей из пенополистирола с формообразованием отливки литьем по газифицируемым моделям (Патент РФ №2649600 С2, В22С 9/04, опубл. 04.04.2018).
Недостатком данного способа является сложность получения карбида титана при изготовлении отливок из низкоуглеродистых сплавов, поскольку образование карбидных составляющих титана протекает за счет взаимодействия титана с углеродом расплава.
Из уровня техники известен способ легирования поверхности отливок из железоуглеродистых сплавов, включающий изготовление легирующей композиции, состоящей из порошкообразных титана или ферротитана, элементарного углерода и клеевого связующего с последующим нанесением легирующей композиции на поверхность моделей из пенополистирола и формообразованием отливки методом литья по газифицируемым моделям (Патент РФ №2612476 C1, В22С 9/04, B22D 27/18, опубл. 09.03.2017).
Недостатком данного способа является узкая область применения, поскольку способ предусматривает применение в качестве основы для изготовления отливок только железоуглеродистые сплавы, привязан к технологии литья по газифицируемым моделям и не позволяет проводить объемное легирование слитков карбидом титана.
Из уровня техники известен способ получения легированного сплава из отходов производства, включающий смешивание шихты, содержащую термитную смесь из порошков оксида железа и алюминия с добавлением легированного чугуна, карбида и борида титана, загрузку и плавления шихты самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (Патент РФ №2295424 C1, B22F 3/23, С22С 33/02, С21В 15/02, опубл. 20.03.2007).
Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, связанная с приготовлением реакционных составов и получение легированных сплавов на основе железа.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения литейного композиционного сплава алюминий - карбид титана, включающий плавление алюминия с порционным введением в расплав экзотермической смеси, состоящей из порошков титана, углерода и флюса криолита в стехиометрическом соотношении с последующим формированием отливки (Патент РФ №2448178 С2, С22С 1/02, опубл. 20.04.2012).
Недостатком данного способа является сложность применения экзотермической смеси стехиометрического состава для легирования карбидом титана более высокотемпературных расплавов, поскольку вследствие высокого теплового эффекта реакции образования карбида титана, нагрев смеси стехиометрического состава расплавом с температурой свыше 1200°С, может привести к выбросу расплава, что обуславливает уменьшение порции вводимой реакционной смеси, как следствие, увеличению количества порций и длительности технологического процесса. Кроме того, способ направлен только на легирование алюминиевых сплавов, что снижает его область применения и универсальность.
Предлагаемый способ является более универсальным по отношению к прототипу.
Повышение универсальности предлагаемого способа выражается в возможности легирования карбидом титана более высокотемпературных расплавов за счет применения оптимального состава, обеспечивающего наиболее спокойное протекание реакции между компонентами экзотермической смеси при помещении последней в расплав. Кроме того, избыток одного из компонентов экзотермической реакционной смеси по сравнению со стехиометрическим составом обеспечивает дополнительное формирование упрочняющих фаз в расплаве: интерметаллиды системы основной металл - титан в случае избытка титана и карбидные составляющие компонентов основного металла в случае избытка углеродсодержащих компонентов.
Способ осуществляется следующим образом.
Приготовление реакционной экзотермической смеси (лигатуры) осуществляют смешиванием порошкообразных компонентов любым доступным способом: в смесителях, шаровых мельницах, планетарных мельницах. В качестве титансодержащих компонентов реакционной смеси способ предусматривает использование порошкообразных титана и ферротитана, с содержанием титана не менее 60%. Смеси с использованием ферротитана с содержанием титана менее 60% могут не обеспечить протекание самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) между компонентами реакционной смеси, особенно в случае применения расплава с низкой температурой (ниже 1200°С), что не позволит получать в отливке карбидные составляющие титана. В качестве углеродсодержащих компонентов реакционной экзотермической смеси способ допускает использовать сажу, графит, силицированный графит и карбид бора. Сажа и графит обеспечивают получение в ходе СВС-реакции между компонентами экзотермической реакционной смеси карбида титана, а силицированный графит и карбид бора позволяют получать, наряду с карбидом титана, дополнительно силициды и бориды. Для варьирования теплового эффекта СВС-реакции, протекающей между компонентами экзотермической смеси способ предусматривает приготовление реакционной смеси с соотношением массы титана к массе углерода от 2 до 8. Соотношение массы титана к массе углерода между компонентами реакционной экзотермической смеси, равным 8, приводит к избытку титана, что обеспечивает формирование, наряду с карбидами титана, также интерметаллидов системы основной металл - титан, либо растворов системы основной металл - титан за счет взаимодействия избытка титана с компонентами металлического расплава или его растворения в расплаве, в который подается смесь. Соотношение массы титана к массе углерода между компонентами реакционной экзотермической смеси, равным 2, приводит к избытку углерода, что обеспечивает получение карбида титана и дополнительно карбидных составляющих компонентов металлического расплава. Для предотвращения выбросов расплава при введении экзотермической реакционной смеси за счет протекания СВС, способ допускает введение реакционной смеси в расплав порционно, в общем количестве не превышающим 30% массы расплава. При использовании экзотермической реакционной смеси с более низким по сравнению со стехиометрическим составом, тепловым эффектом, например, при избытке ферротитана, способ допускает предварительное компактирование смеси любым доступным способом (импульсное прессование, изостатическое прессование и др.), что позволяет снизить количество вводимых порций в расплав. В зависимости от требуемого технического результата способ может быть реализован для формирования карбида титана в меди, никеле, кобальте, железе и сплавах на их основе.
Для расширения области применения и формирования требуемых физико-механических характеристик отливок способ предусматривает дополнительное введение к экзотермической реакционной смеси на основе титан- и углеродсодержащих компонентов добавок, в количестве, не превышающем 50% от массы исходной смеси.
Способ осуществляется следующим образом.
К реакционной экзотермической смеси (лигатуре), состоящей из порошкообразных титан- и углеродсодержащих компонентов, при соотношении массы титана к массе углерода от 2 до 8, дополнительно вводят порошкообразные добавки, в количестве, не превышающем 50% от массы исходной смеси. Количество добавок, превышающее 50% от массы исходной смеси при ее низкой экзотермичности и пониженной температуре расплава, значительно затрудняет начало СВС - реакции между компонентами смеси. Для формирования в отливке, наряду с карбидом титана, карбидных составляющих других элементов и интерметаллидов, способ допускает применять в качестве добавок порошки металлов и ферросплавов. Введение к исходной реакционной экзотермической смеси порошкообразных керамических материалов на основе оксидов, боридов, карбидов, нитридов позволяет дополнительно обеспечить модифицирование отливок и улучшить их физико-механические характеристики. В зависимости от требуемого технического результата способ может быть реализован для формирования карбида титана в меди, никеле, кобальте, железе и сплавах на их основе.
После приготовления реакционной смеси из порошкообразных компонентов их помещают в тонкую металлическую фольгу (алюминиевую, медную и др.) таким образом, чтобы смесь не высыпалась, после чего вводят в металлический расплав. Предварительно скомпактированные составы, если их прочность достаточна, допускается подавать в расплав без металлической фольги. После введения смеси ее притапливают под зеркало расплава. Прогрев смеси тепловой энергией расплава инициирует протекания СВС - реакции между компонентами смеси с образованием карбида титана, сопровождаемая газо - и тепловыделением. После протекания СВС расплав перемешивают и при необходимости производят добавление следующей порции реакционной экзотермической смеси. По завершению добавок реакционной смеси расплав перемешивают и заливают в литейные формы.
Примеры конкретного исполнения
Пример 1. Порошок титана марки ПТМ1 и сажу марки ПМ-15ТС (Т804П), взятых в соотношении массы титана к массе углерода равным 4, смешивали на планетарной мельнице АГО-2С в течение 10 часов для усреднения гранулометрического состава. Полученную смесь помещали в алюминиевую фольгу и вводили порциями в расплав меди с добавкой 4% хрома в количестве 10% от массы расплава. Добавку смеси осуществляли в расплав с температурой 1250°С. Каждая порция выдерживалась под зеркалом металла до начала СВС - реакции, в ходе которой образуются карбидные составляющие титана, начало которой детектировали визуально по выделению газа из расплава. После завершения реакции расплав перемешивали и вводили следующую порцию смеси. После введения последней порции смеси, расплав перемешивали для равномерного распределения карбидных составляющих и разливали в металлическую изложницу. Фазовый состав полученного сплава системы Cu - Cr - TiC содержит 88% Cu, 3% Cr и 9% TiC. Наличие карбидных составляющих титана позволило повысить твердость материала: 46HRB - твердость сплава медь - хром без карбидных составляющих, 62HRB - твердость сплава медь - хром, содержащего TiC.
Пример 2. То же, что в примере 1, только к реакционной смеси дополнительно производили добавку порошкообразного хрома в количестве, равным 30% от массы смеси. Технический результат аналогичен представленному в примере 1, только наряду с карбидом титана слиток дополнительно содержал карбидные составляющие хрома.
Пример 3. Состав экзотермической реакционной смеси и методика ее подготовки аналогично примеру 1. Смесь вводили в расплавы системы никель-молибден с содержанием молибдена 5 и 10% при температуре 1550÷1570°С. Общее количество вводимой реакционной смеси составляло 10% от массы расплава. Полученные отливки содержали карбид титана, что привело к повышению их твердости: 49÷50 HRB для сплава никель - 5% молибдена и 98÷99 HRB для сплава никель - 10% молибдена.
Пример 4. То же, что в примере 3, только состав экзотермической реакционной смеси выбирали исходя из соотношения массы титана к массе углерода равным 8 (избыток титана). Полученные отливки, наряду с карбидом титана содержали интерметаллиды системы Ni - Ti.
Пример 5. Состав экзотермической реакционной смеси и методика ее подготовки аналогично примеру 1. Смесь порциями вводили в расплав кобальта при температуре 1550°С. Общее количество вводимой реакционной смеси составляло 15% от массы расплава. Полученные отливки содержали карбид титана, что позволило повысить их твердость до 100÷104 HRB, по сравнению с кобальтом (78÷80 HRB).
Пример 6. Методика подготовки реакционной смеси аналогично примеру 1. Состав реакционной смеси: ферротитан (70% Ti) с углеродом с соотношением массы титана к массе углерода равным 2 (избыток углерода). Реакционную смесь вводили порционно в расплав хромистого чугуна ЧХ12 (2% С, 12% Cr) при температуре 1520°С. Полученные отливки содержали дисперсные карбидные составляющие титана и хрома.
Пример 7. То же, что в примере 6, только состав реакционной смеси содержал ферротитан (70% Ti) с карбидом бора с соотношением массы титана к массе углерода равным 3. полученные отливки, наряду с карбидными составляющими титана и хрома также содержали бориды титана, хрома и железа.