СЛОИСТЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНОИДОВ

Полезная модель относится к области металлургии благородных металлов, а именно: к материалам на основе платиновых металлов, которые применяются для изготовления металлургического и химического оборудования, в частности - к слоистым материалам, используемым для изготовления тиглей для выращивания оксидных монокристаллов или варки стекла.
Тигли для варки стекла и тигли для выращивания оксидных монокристаллов эксплуатируются в условиях высоких температур и коррозионных сред, подвергаются термическим и знакопеременным механическим нагрузкам, поэтому очень важно в целях обеспечения надежной работы аппаратов использовать для их изготовления материалы, характеризующиеся высокой прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, длительным сроком эксплуатации.
Таким требованиям удовлетворяют слоистые материалы на основе платиновых металлов, слои которых обеспечивают при высокой температуре прочность и другие необходимые свойства.
Известны материалы из иридия и сплавов на их основе, из которых изготавливают тигли для получения монокристаллов (заявки Японии №200290739, С 22 С 5/04, опубл. 17.10.2002 г., №200290740, С 22 С 5/04, опубл. 17.10.2002 г.)
Однако, при эксплуатации тиглей, выполненных из известных материалов, под влиянием растягивающих и сжимающих напряжений, которые возникают при расплавлении и кристаллизации шихты, в материалах образуются сквозные трещины и тигли быстро выходят из строя.
Известны также слоистые материалы на основе платиноидов: двух- и трехслойные (Рытвин Е.И., «Жаропрочность платиновых сплавов», Металлургия, М., 1987 г., с.137-142).
Известные материалы состоят из непрерывных, параллельно расположенных, чередующихся слоев платиновых металлов и сплавов на их основе. При этом внешние слои выполнены из одного платинового металла или его сплава, например, платина-палладий-родий, а внутренний - из другого металла или его сплава, например, платина-палладий-рутений.
Однако, за счет выполнения слоев известного материала только из легированной пластичной, но недостаточно прочной платины, известный слоистый материал не обладает всем комплексом физико-механических свойств, необходимых для длительной работы изготавливаемых из него изделий.
По технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к заявляемой полезной модели является композиционный материал по а.с. СССР №1455574, В 32 В 15/00, опубл. 10.12.1995 г.
Указанное изобретение относится к слоистым материалам, предназначенным для эксплуатации в стеклоплавильных аппаратах, вырабатывающих стеклянные волокна.
Известный материал содержит слои, выполненные из платинородиевого сплава, разделенные слоями в количестве 4-7 штук из дисперсно-упрочненного (ДУ) платинородиевого сплава и обеспечивает высокую температурную прочность стеклоплавильного тигля.
Однако, известный слоистый материал имеет следующие недостатки:
- отсутствие у тигля, изготовленного из известного слоистого материала, необходимой жесткости конструкции по причине высокотемпературной ползучести платины;
- наличие большого количества слоев, усложняющее технологию изготовления слоистого материала;
- применение родийсодержащего материала при изготовлении тиглей для получения оптических стекол или монокристаллов, приводит к нежелательному окрашиванию последних вследствие перехода образующихся оксидов родия в расплав;
- ограничение температурной области применения тигля в связи с возможностью использования платинородиевых сплавов только до температуры 1600°С.
Действительно, известный слоистый материал за счет выполнения одного из слоев из упрочненной оксидами платины хотя и обладает повышенным уровнем прочности, однако платиновая основа слоев, в силу своей физической природы, имеет недостаточно высокий ресурс упрочнения.
В связи с этим, известный материал, наряду с высокой характеристикой деформированности материала, характеризующей его пластичность (относительным удлинением) имеет низкую прочность, т.е. не обладает всем комплексом физико-механических свойств, необходимым для длительной бесперебойной работы изготавливаемых из него изделий.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание слоистого материала, обеспечивающего более длительный срок эксплуатации изготавливаемых из него стеклоплавильных устройств.
Техническим результатом при использовании полезной модели является получение комплекса высоких физико-механических свойств слоистого материала: пластичности и прочности за счет отсутствия сквозного трещинообразования по всей толщине слоистого материала.
Поставленная задача достигается тем, что слоистый материал на основе платиноидов, содержащий последовательно расположенные слои,
по меньшей мере один из которых выполнен из материала на основе платины, согласно полезной модели, включает два внешних слоя, выполненных из иридия, и внутренний слой, размещенный между внешними слоями и непрерывно контактирующий с ними, из материала на основе платины, который имеет толщину не менее 10 об.% общей толщины слоистого материала.
При этом, слоистый материал может иметь внутренний слой, выполненный из платины.
Кроме того, слоистый материал может иметь внутренний слой, выполненный из платины, упрочненной оксидной фазой.
При этом, слоистый материал может быть выполнен с внутренним слоем из платины, упрочненной оксидной фазой, толщина которой в приповерхностной зоне слоя составляет 0,1-10,0 мкм.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Иридий обладает высокотемпературными прочностными свойствами, но в то же время имеет невысокую пластичность, что делает его хрупким и приводит к образованию трещин.
При размещении между двумя иридиевыми слоями слоя платины происходит следующее: в случае образования в слоях из иридия трещин, внутренний платиновый слой предотвращает их сквозное прохождение благодаря своей высокой пластичности.
Таким образом, повышению физико-механических свойств предлагаемого слоистого материала способствует сочетание высокой жаропрочности иридия и высокой пластичности платины.
Заявляемая последовательность размещения слоев обеспечивает сплошность слоистого материала.
Наличие непрерывного, контактирующего с наружными слоями внутреннего слоя, позволяет создать прочную линию сопряжения между
ними - общий контакт слоев за счет взаимной диффузии платиноидов в приповерхностных зонах слоев и создать в этих зонах прочную металлургическую связь платиноидов. Это позволяет закрепить слои между собой и использовать их как одно целое. При этом, изменений микроструктуры материала в объеме каждого из слоев не происходит.
Экспериментально установлено, что толщина внутреннего слоя должна составлять не менее 10 об.% по отношению к общей толщине слоистого материала.
Испытания показали, что это условие обеспечивает наиболее оптимальные характеристики заявляемого слоистого материала.
Выполнение толщины внутреннего платинового слоя менее, чем 10 об.% от общей толщины слоистого материала приводит к недостаточному количеству материала в слое для задержки сквозного развития возможной трещины внешнего слоя и, как следствие - к снижению свойств слоистого материала в целом.
Увеличение толщины внутреннего слоя заявляемого слоистого материала ограничено необходимостью сохранения в его композиции внешнего слоя из иридия для обеспечения прочности многослойной композиции в целом.
В качестве материала внутреннего слоя может быть использована платина, обладающая высокими пластическими свойствами.
Использование в качестве материала внутреннего слоя платины, упрочненной оксидной фазой, находящейся как во внутреннем объеме материала, так и в его приповерхностных зонах, способствует еще в большей степени остановке и замедлению продвижения трещин, образовавшихся во внешнем слое из иридия. Это еще более повышает весь комплекс физико-механических свойств трехслойного материала.
При этом, толщина оксидной фазы в приповерхностной зоне платины может составлять 0,1-10,0 мкм, что является необходимым и
достаточным, как для сохранения сплошности общего контакта слоев, так и для создания упрочнения вязкой платиновой матрицы.
Выполнение в многослойном материале внешних слоев из высокопрочного металла - иридия, и внутреннего слоя из пластичного материала на основе платины, именно непрерывно контактирующими между собой с образованием прочной металлургической связи на границе слоев, а также необходимая и достаточная толщина внутреннего слоя, позволяют сформировать многослойный материал, в котором внутренний слой платинового материала останавливает сквозное прохождение возникшей во внешнем слое иридия трещины. Это создает сплошность слоистого материала по всей его толщине и обеспечивает его высокие прочностные и пластические свойства, как единого целого.
Наличие отличительных от наиболее близкого аналога существенных признаков позволяет признать заявляемую полезную модель новой.
Возможность изготовления полезной модели и использования ее в промышленности позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «промышленная применимость».
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлен общий вид заявляемого слоистого материала.
Слоистый материал включает два внешних слоя 1, выполненные из чистого иридия состава 99,99 вес.% и внутренний слой 2, размещенный между внешними слоями 1 и непрерывно контактирующий с ними, который изготовлен из материала на основе нелегированной платины состава 99,99 вес.%. Слои 1 и 2 последовательно расположены, при этом, толщина внутреннего слоя 2 составляет 10 об.% общей толщины слоистого материала - 0,4 мм.
Заявляемый слоистый материал получают следующим образом.
Берутся две пластины 1 из чистого иридия состава 99,99 вес.%, каждая толщиной 2 мм, между ними прокладывается пластина 2 из нелегированной платины состава 99,99 вес.% толщиной 0,5 мм. При этом, исходная толщина внутреннего слоя и внешних слоев выбирается в соответствии с требуемым окончательным процентным отношением толщин внутреннего слоя и всего слоистого материала. Полученная композиция фиксируется точечной аргоно-дуговой сваркой, а затем помещается в муфельную печь, нагревается до температуры 1300°С и выдерживается при данной температуре в течение 15 минут.
Нагретая многослойная композиция извлекается из печи и сразу же подвергается горячей прокатке на прокатном стане с обжатием 10%, затем охлаждается на воздухе и получается материал с трехслойной структурой, т.е. готовый, слоистый материал с толщиной внутреннего слоя 0,4 мм.
Далее готовый, слоистый материал прокатывается до толщины, необходимой потребителю для изготовления тиглей, например, с обжатием на 60% до толщины 2 мм.
Аналогично приведенному примеру изготавливается трехслойный материал с внутренним слоем, выполненным из нелегированной платины состава 99,99 вес.%, упрочненной оксидной фазой - оксидами циркония в количестве 1 об.% с толщиной оксидной фазы в приповерхностном слое 0,1 мкм.
Результаты испытаний предлагаемого слоистого материала и полученные при этом физико-механические свойства представлены в таблице.
Как видно из данных, приведенных в таблице, заявляемый слоистый материал по сравнению с известным, благодаря оптимальному выполнению слоев и связи между ними, обладает улучшенными физико-механическими свойствами и обеспечивает более длительный срок эксплуатации изготовленных их него тиглей.
ТаблицаФизико-механические свойства заявленного слоистого материала и известных материалов на основе платиноидов
Слоистый материал
Характеристика слоев
Физико-механические свойства
Степень трещинообразования, %*
Срок службы тигля, час
Название
Материал
Толщина слоя, %
Предел прочности, мПа
Предел текучести, мПа
Относительное удлинение при 20°С, %
Предлагаемый
внешний
иридий
40
внутренний
платина
20
590-617
543-561
12,0
3,0
3500
внешний
иридий
40
То же
внешний
иридий
45
внутренний
платина ДУ
10
592-623
550-579
10,0
2,0
5000
внешний
иридий
45
Известный
слой
платина-
92
(наиболее
родий 10
близкий аналог)
351-403
175-180
20,8-24,5
75,0
1000
прослойка
платина-
8
родий 10 ДУ
Известный
(используемый
-
иридий
100
588-590
500-506
6,0-8,0
63,5
2500
в производстве)
* Степень трещинообразования - процентное соотношение образовавшихся сплошных трещин к общему количеству трещин на поверхности тигля.