AМОРФНЫЙ, ИЗНОСОСТОЙКИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ СИСТЕМЫ Ni-Cr-Mo-WC
AMORPHOUS WEAR RESISTANT NANO STRUCTURED ALLOY ON BASE OF NICKEL OF SYSTEM Ni-Cr-Mo-WC

Изобретение относится к прецизионным сплавам с особыми физико-химическими свойствами - сплавам на основе никеля с высокой износостойкостью, которые могут быть использованы для изготовления элементов оборудования и нагревательных систем, работающих в условиях трения и повышенного износа.
Известны материалы, в основном на основе никеля (улучшенные нихромы, авторские свидетельства № 428028 и 662611), имеющие высокие физико-механические свойства в условиях повышенных динамических нагрузок. Дополнительное легирование классических нихромов (типа Х20Н80) проводится с целью увеличения диапазона рабочих температур, стойкости к абразивному износу и увеличения микротвердости. Наиболее предпочтительными добавками являются: молибден, кремний, цирконий и бор.
За прототип принят наноструктурированный сплав по патенту US 5611871 A, C21D 1/04 от 18.03.1997, в котором высокие функциональные свойства достигаются за счет дополнительного введения молибдена, кремния и бора.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является сплав по патенту US 5611871 А, C21D 1/04 от 18.03.1997, содержащий компоненты в следующем соотношении, ат.%:
1-a
a
100-x-y-z-b-c-d
x
у
z
b
c
d
(FeM)AM'М''XSiB
где М - по крайней мере, один элемент из группы Со и Ni, A - по крайней мере, один элемент из группы Cu и Au, М' - по крайней мере, один элемент из группы Ti, V, Zr, Nb, Mo, Hf, Та и W, М'' - по крайней мере, один элемент из группы Cr, Mn, Sn, Zn, Ag, In, элементов платиновой группы, Mg, Ca, Sr, Y, редкоземельных элементов, N, О и S, Х - по крайней мере, один элемент из группы С, Ge, Ga, Al и Р.
И каждый из a, x, y, z, b, c и d соответственно удовлетворяет (соответствует) условиям:
а 0-0.1, х 0.1-3, у 1-10, z 0-10, b 0-10, с 11-17, d 3-10.
Этот сплав обладает высокими функциональными свойствами, прежде всего высокой магнитной проницаемостью, однако общим недостатком сплава-прототипа и других известных сплавов является низкая износостойкость, основным показателем которой является микротвердость. Микротвердость сплава-прототипа не превышает 6,5 ГПа.
Создание новых конструкций резистивных нагревателей (например, для отапливания железнодорожных вагонов) требует существенного повышения износостойкости и, соответственно, микротвердости используемых материалов (согласно расчетам не менее 12 ГПа).
В настоящее время используют новые подходы к увеличению износостойкости известных материалов за счет дополнительного введения в их состав наноразмерных частиц, когерентно связанных с матрицей. Предварительное опробование показало, что наиболее предпочтительными являются наноразмерные частицы карбида вольфрама.
Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости материала за счет дополнительного введения в известный высокопрочный сплав наноразмерных частиц карбида вольфрама и циркония в качестве шихтовых компонентов для модификации структуры и циркония в качестве рафинирующей добавки.
Для решения основного технического результата изобретения (повышение износостойкости) необходимо обеспечить высокую микротвердость материала. Практика эксплуатация изделий при воздействии экстремальных внешних условий показывает, что микротвердость таких материалов должна быть не 12 ГПа.
Сущностью изобретения является то, что состав аморфного, износостойкого наноструктурированного сплава на основе никеля представляет собой быстрозакаленную ленту, полученную методом спинингования из расплава (мас.%):
хром
18,0-40,0
молибден
30,0-40,0
церий
0,6-1,2
цирконий
3,0-5,0
карбид вольфрама
6,0-8,0
никель
остальное
при этом отношение суммы хрома и молибдена к никелю больше или равно 1.
Таким образом, метод быстрой закалки дает следующие преимущества при получении износостойких материалов:
- сохранение прецизионного состава исходного шихтового материала в получаемой быстрокаленой ленте,
- получение гомогенного материала,
- возможность достижения метастабильной структуры, способствующей повышению прочности и микротвердости износостойкого материала.
18
42
40
В этой системе наряду с твердыми растворами на основе никеля и молибдена образуются интерметаллические фазы, такие как δ-фаза (NiMo), σ-фаза, Р-фаза (CrMoNi) и др. Образование подобных фаз и присутствие их в сплавах, закаленных при обычных скоростях охлаждения, отрицательно скажется на механических характеристиках сплавов, так как эти фазы хрупки и при большом содержании в сплаве легирующих элементов закалка, вероятно, не может затормозить выделение и коагуляцию этих фаз в значительные по размерам образования. Как указывалось выше, оформление выделившейся фазы в самостоятельную структурную единицу приводит к понижению прочностных характеристик сплавов. Очевидно, скоростная закалка сплава при литье должна обеспечить ультрадисперсное выделение фаз и равномерное их распределение по объему быстрозакаленной ленты.
18
42
40
В сплаве экспериментально обнаружена фаза, структурно и по составу близкая к Р-фазе (CrMoNi). Установлено, что количество этой фазы в сплавах увеличивается по мере повышения содержания в твердом растворе хрома и молибдена. На рентгенограммах наблюдается наибольшее количество линий, соответствующих Р-фазе, в сплавах, где отношение суммы хрома и молибдена к никелю равно единице и больше.
Техническим результатом изобретения является существенное увеличение износостойкости материала, характеризующееся повышением микротвердости.
Технический результат достигается за счет введения церия от 0,6% до 1,2% для управления ростом нанокристаллических выделений в аморфной матрице (структуре) сплава. При введении церия менее 0,6% не происходит требуемого эффекта роста нанокристаллических выделений, а при введении более 1,2% образуется нежелательная фаза, появляются агломераты хрупкой фазы. Также экспериментально установлено, что измельчение структуры до наноразмеров может быть реализовано при дополнительном введении в сплав циркония в количестве (3-5)% в качестве модификатора структуры и наноструктурированного карбида вольфрама в количестве (6-8)%, когерентно расположенного по отношению к матрице.
При меньшем чем 3% количестве циркония и 6% карбида вольфрама не происходит измельчение структуры до наноразмеров (менее 200 нм) и соответственно не наблюдается требуемого увеличения износостойкости при содержании в сплаве циркония более 5%, он начинает выделяться в виде самостоятельной фазы (размером до 2 мкм), что приводит к снижению износостойкости, и при содержании карбида вольфрама более 8% сплав становится хрупким из-за неравномерного его распределения в матрице сплава.
Практическая реализация предлагаемого технического решения выполнялась по следующей схеме.
Конкретная технологическая схема получения быстрозакаленных лент из расплава следующая. Расплавление шихтового материала производится методом прямого сплавления компонентов в алундовом тигле, объемом идентичному 20 кг, все компоненты шихты вводятся одновременно, кроме Се и WC, которые вводятся последними как модифицирующие добавки. Карбид вольфрама вводится в шихту в виде наноразмерных дисперсных частиц с размером 60-80 нм, которые не расплавляются при получении сплава и равномерно распределяется по слитку за счет интенсивного перемешивания в высокочастотном поле. Плавильная установка, базирующаяся на основе высокочастотного генератора типа ЛМЗ-50. Спинингование расплава производится через кварцевую дюзу. Оптимальный размер получаемой ленты составляет: ширина 20 мм и толщина 35 мкм.
Для реализации примера были исследованы следующие составы лент.
Состав 1: Cr - 18%; Mo - 30%; Ce - 0,6%; Zr - 3,0%; WC - 6,0; никель остальное - микротвердость 11,3 ГПа.
Состав 2: Cr - 40%; Mo - 40%; Ce - 1,2%; Zr - 5,0%; WC - 8,0; никель остальное - микротвердость 7,3 ГПа.
Состав 3: Cr - 20%; Мо - 35%; Се - 1,0%; Zr - 4,0%; WC - 7,0; никель остальное - микротвердость 12,7 ГПа.
Результаты показывают, что наибольшими значениями микротвердости и адгезии обладает сплав состава Cr - 20%; Мо - 35%; Се - 1,0%; Zr - 4,0%; WC - 7,0; Ni - 33%.
Проведен анализ исследования износостойкости, результаты представлены в таблице.
Таким образом, достигнутый технический результат по повышению износостойкости приводит к увеличению срока эксплуатации изделий и конструкций из данного сплава.
Таблица
Состав ленты
Износостойкость
Состав 1
0,18·10<sup>-7</sup>
Состав 2
0,25·10<sup>-7</sup>
Состав 3
0,13·10<sup>-7</sup>
Прототип
0,30·10<sup>-7</sup>