МЕДНО-НИКЕЛЕВЫЙ СПЛАВ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕГО
COPPER-NICKEL ALLOY AND ARTICLE MADE THEREFROM

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на основе никеля, предназначенным для изготовления деталей и узлов, обладающих высоким уровнем износо- и коррозионной стойкости, антифрикционных свойств, применяемых в авиационной промышленности.
Уровень надежности топливной аппаратуры ГТД во многом определяется применением современных электронных систем управления, контроля и диагностики. Вместе с тем большое влияние на работоспособность этой системы оказывают материалы для деталей особо ответственного назначения, к которым относятся золотниковые пары. От их бесперебойной работы зависит надежность не только топливной аппаратуры, но и ГТД в целом. Повышение ресурса золотниковых деталей в настоящее время является одной из наиболее актуальных задач, особенно в связи с расширившимся применением топлив с высоким содержанием серы, т.к. ресурс агрегатов гидроавтоматики определяется ресурсом золотниковых деталей, применяемых в них. Традиционные пары, такие как бронза-сталь и сталь-сталь, не выдерживают жестких условий эксплуатации применения новых топлив из-за недостаточной прочности и износостойкости (для бронз) или из-за склонности к схватыванию при превышении определенных условий эксплуатации.
Дальнейшее повышение ресурсных характеристик золотниковых деталей возможно за счет разработки нового сплава, который бы сочетал в себе высокую коррозионную стойкость с более высокими прочностными характеристиками и твердостью, что позволит повысить износостойкость медно-никелевой композиции.
Известен сплав (CN 1405343, опубл. 26.03.2003 г. ) имеющий следующий химический состав в мас.%:
Медь
28,0-33,0
Железо
1,0-2,0
Кремний
0,1-1,0
Марганец
1,0-2,0
Титан
0,40-0,80
Алюминий
2,0-4,0
Углерод
0,05-0,30
Никель
остальное
3
Недостатками указанного сплава является низкая износостойкость, поскольку основной упрочняющей фазой является не силицидная, имеющая исключительно высокую микротвердость, а типичная для жаропрочных сплавов γ′-фаза типа Ni(Al, Ti), имеющая меньшую микротвердость. Изделия имеют склонность к схватыванию при превышении определенных условий эксплуатации. Из данного сплава изготавливаются рабочие валы топливных насосов, инструменты и приборы для нефтяных скважин, хирургические инструменты.
Из уровня техники (патент РФ №2278178, МПК С22С 19/03, опубл. 20.06.2006 г. ) известен сплав на основе никеля, который применятся в деталях узлов трения систем автоматического управления ГТД следующего состава в мас.%:
Медь
30,0-33,0
Кремний
2,5-3,2
Алюминий
2,5-3,2
Титан
0,5-0,1
Магний
0,03-0,30
Лантан
0,07-0,25
Скандий
0,01-0,03
Никель
остальное
Недостатком указанного сплава и изделий из него является его недостаточно высокие механические свойства.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип (патент РФ №2191843, МПК С22С 19/03, опубл. 19.01.2001 г. ), является сплав следующего состава, в мас.%:
Медь
30,0-32,0
Железо
1,5-2,8
Кремний
3,9-4,3
Марганец
0,5-1,5
Титан
0,05-0,25
Углерод
0,05-0,30
Магний
0,03-0,20
Ниобий
0,05-0,25
Никель
остальное
в
Недостатками этого сплава является низкий предел прочности σ=1200 МПа, а также невысокие значение твердости HRC 38-40 ед., что негативно сказывается в работе, поскольку в жестких условиях эксплуатации, а также вследствие недостаточной прочности и износостойкости сплав имеет склонность к схватыванию.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка состава нового деформируемого высокопрочного износо- и коррозионностойкого медно-никелевого сплава для деталей узлов трения систем автоматического управления и опытных технологий его получения.
Техническим результатом изобретения является разработка сплава на основе никеля и изделия, выполненного из него, обладающих по сравнению с прототипом более высокими механическими свойствами, такими как ударная вязкость, предел прочности и твердости.
Для достижения поставленного технического результата предлагается сплав на основе никеля, содержащий медь, железо, кремний, марганец, титан, магний, углерод, дополнительно содержащий молибден, вольфрам, диспрозий, кальций и церий при следующем соотношении компонентов в мас.%:
Медь
29,5-32,5
Железо
1,6-2,9
Кремний
4,7-5,1
Марганец
0,5-1,8
Молибден
0,1-0,3
Вольфрам
0,8-1,2
Титан
0,1-0,3
Углерод
0,05-0,35
Магний
0,03-0,30
Диспрозий
0,035
Кальций
0,02
Церий
0,07
Никель
остальное,
и изделие, выполненное из этого сплава.
Введение дополнительного компонента в сплав - вольфрама - в заявленном соотношении с другими компонентами позволяет повысить ударную вязкость, причем вольфрам также компенсирует снижение ударной вязкости с ростом содержания кремния до 5,1%.
Введение титана и молибдена в указанных количествах обусловлено необходимостью комплексного модифицирования структуры, которое способствует измельчению микрозерна за счет образования дополнительных плоскостей скольжения в процессе деформации и тем самым повышает твердость сплава. Для обеспечения низких значений уровня газовых примесей в качестве технологических добавок вводят щелочноземельные элементы магний и кальций в количестве 0,07 и 0,02% соответственно, а в качестве раскислителя - церия и диспрозия на 0,07 и 0,035%.
Введение углерода, помимо частичного раскисляющего действия, обеспечивает образование карбидов, способствующих повышению твердости сплава.
Примеры осуществления изобретения.
Сплав выплавляют в вакуумных индукционных печах с использованием как чистых шихтовых материалов, так и отходов собственного производства на стандартном оборудовании по принятой технологии. Разлив металла производится, в основном, в металлические формы (медные, чугунные изложницы). Затем слитки сплава подвергают деформации на прессе на прутки, поковки, шайбы. Полученные литые заготовки продеформируют с 045-90 на прутки 015-50 мм. Прутки подвергают термообработке, состоящей из закалки и старения.
Составы и свойства предлагаемого сплава и сплава-прототипа приведены в таблицах 1 и 2.
Из таблицы 2 видно, что заявленным изобретением обеспечивается прирост механических свойств предлагаемого сплава по сравнению со сплавом-прототипом: по пределу прочности на 10%, по твердости на 15-10%.
Использование предлагаемого сплава позволит повысить ресурс и надежность изделий авиационной техники.