способ получения деталей из инфильтрированных композиционных материалов

Формула изобретения

Способ получения деталей из композиционного материала сталь - твердый сплав, выключающий приготовление шихты, прессование и спекание с одновременной инфильтрацией, отличающийся тем, что готовят шихту для получения стальной подложки, содержащую легкие или выгорающие при спекании добавки, обеспечивающие понижение плотности подложки, готовят шихту из твердого сплава для получения износостойкого слоя, в полость матрицы засыпают шихту для износостойкого слоя, а затем шихту для получения стальной подложки, проводят их совместное прессование и осуществляют спекание с одновременной инфильтрацией износостойкого слоя и подложки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления конструкционных и износостойких деталей для которых требуется сочетание хороших механических свойств, низкой плотности, высоких износо- и коррозионной стойкости.

До недавнего времени лучшим материалом, обеспечивающим сочетание требуемых эксплуатационных характеристик, подавляющего большинства пар трения были твердые сплавы. Технология изготовления из твердых сплавов деталей включает: подготовку исходных материалов, смешивание, формование и спекание /Порошковая металлургия. Справочник / Под ред. И.М.Федорченко. - Киев: Наук. Думка, 1985. - 624 с/. Известны и недостатки твердых сплавов: относительно высокая стоимость компонентов (прежде всего кобальта), относительно невысокая коррозионная стойкость (при замене кобальта другими элементами или сплавами заметно ухудшаются механические свойства и износостойкость), большие изменения размеров при спекании (порядка 20%), высокий удельный вес. Частично решает проблему больших стоимости кобальта и удельного веса, обеспечивает высокую износостойкость применение карбидосталей (ферротиков), но проблемы значительных объемных изменений при спекании и получения одновременно высоких прочности и вязкости остаются. Кроме того, добавляется еще и операция термообработки, проведение которой не всегда возможно /Гуревич Ю.Г., Нарва В.К., Фраге И.Р. Карбидостали. М.: Металлургия, 1988. 144 с. Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. 216 c./. Получение инфильтрированных медными сплавами карбидосталей хотя и решает проблему изменения размеров, но данные материалы требуют применения термообработки, а по износо- и коррозионной стойкости они уступают твердым сплавам /Шацов А.А., Смышляева Т.В. Инфильтрированные медью карбидостали со структурно-неустойчивой матрицей// Трение и износ.1998. Т.19, №1. С.108-115/.

Решение проблемы состоит в создании композиционных материалов с относительно тонкими слоем износо- и коррозионностойкого материала. Для материала слоя не могут быть применены традиционные твердые сплавы и карбидостали, т.к. температура их спекания обычно выше или близка к температуре солидус сталей. В качестве прототипа выбран способ изготовления деталей, включающий особую технологию подготовки исходных материалов, когда в композицию на основе релита вводят заданное количество дисперсных частиц твердого сплава (содержание твердого сплава может зависеть от условий функционирования конкретной детали), формование, которое совмещают с запрессовкой шихты в полость стальной детали, и спекание, совмещенное с пропиткой никелевым или медно-никелевым сплавом /Авторское свидетельство СССР №847763. Способ изготовления контактных поверхностей тяжело нагруженных пар трения/ Хамзин Ш.Х., Кагарменов Н.Ф., Булгаков К.Ш. и др./. Способ-прототип позволяет получать детали с тонким слоем износо- и коррозионностойкого материала с трех сторон окруженного сталью. Таким образом, способ-прототип за счет создания композиционного материала сталь - износостойкий слой позволяет решить основные проблемы аналогов, но и он не лишен недостатков.

1. Относительно высокая плотность твердого сплава и сталей, что исключает применение данного способа в тех случаях, когда требуется невысокая плотность, например, торцевые уплотнения роторно-поршневого двигателя.

2. Относительно низкая прочность связи между стальной подложкой и износостойким слоем, что может привести к катастрофическому разрушению и исключает применение данной технологии для ответственных деталей, если износостойкий слой не зафиксирован в стальной подложке с трех сторон.

3. Присутствие на контактной поверхности материалов с сильно отличающимися электродными потенциалами (износостойкий слой и сталь) позволяет использовать такие композиты только в средах с низкими скоростями протекания электрохимических реакций.

Целью изобретения является повышение прочности связи между износостойким слоем и подложкой, улучшение коррозионной стойкости и износостойкости контактной поверхности, уменьшение плотности изделий.

Поставленную цель достигали тем, что осуществляли совместные прессование и спекание, совмещенное с одновременной инфильтрацией износостойкого слоя и подложки, а в состав подложки вводили компоненты, обеспечивающие требуемую плотность изделия. Сопоставление с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемое изобретение отличается от прототипа улучшенными значениями прочности связи между слоями (совместное прессование и спекание с инфильтрацией создают неразделимый композит, прочность на границе раздела которого превышает прочность износостойкого слоя), коррозионной стойкостью при работе в агрессивных средах (на контактной поверхности только износостойкий слой, а сталь отсутствует) и плотностью (в состав шихты вводят требуемое количество легких или выгорающих при спекании добавок), а значит соответствует критерию "новизна".

Из сравнения с известным способом получения порошковых деталей ясно, что заявляемый метод позволяет получать детали совместным прессованием износостойкого слоя и подложки, совместным спеканием, совмещенным с инфильтрацией, и введением на стадии прессования в шихту добавок, обеспечивающих понижение плотности. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже предлагаем примеры реализации изобретения.

Пример 1.

Детали приготовлены по следующей технологии:

- шихту для подложки, содержащую 7 мас.% порошка стекла; 1% порошка графита и 92% порошка железа марки ПЖР 3.200.28 перемешивали 8 часов в двуконусном смесителе вводя для улучшения прессуемости 0,8% стеарата цинка;

- шихту для износостойкого слоя готовили по принятой технологии производства твердых сплавов: осуществляли перемешивание, гранулирование и сушку шихты, содержащей 25% дисперсного порошка твердого сплава марки ВК6 и 75% порошка релита;

- засыпали в полость матрицы шихту для износостойкого слоя, выравнивали поверхность и засыпали шихту для формования подложки;

- прессовали при давлении 400 МПа в закрытых стальных пресс-формах детали;

- прессовали при давлении 300 МПа пропитывающие брикеты из смеси: 20% железо, остальное - медь;

- спекание, совмещенное с пропиткой, проводили в атмосфере диссоциированного аммиака при температуре 1160°С, 40 минут.

В результате детали имели верхний слой из коррозионно- и износостойкого твердого сплава на основе карбидов вольфрама со связующим на основе бронзы. Удельный вес деталей был не более 8, 4 г/см³ , разрушения на границе раздела отсутствовали, а по износостойкости в рабочих средах, содержащих разбавленные водные растворы солей, они в 1,5-2 раза превосходили прототип и твердые сплавы типа ВК6, ВК8.

Пример 2.

Детали приготовлены по следующей технологии:

- шихту для износостойких частей детали готовили по принятой технологии производства твердых сплавов: осуществляли перемешивание, гранулирование и сушку шихты, содержащей 20% дисперсного порошка твердого сплава марки ВК8 и 80% порошка релита;

- для элементов деталей, не контактирующих с рабочей средой, от которых не требуется высокая коррозионная стойкость и не испытывающих при функционировании износа, готовили из шихты, содержащей до 7 мас.% порошков оксидов; остальное - порошок железа марки ПЖР 3.200.28, перемешивали 8 часов в двуконусном смесителе вводя для улучшения прессуемости 10% пластификатора, высушивали и при необходимости формовали при относительно невысоком давлении;

- попеременно вводили в полость матрицы шихту для износостойких частей деталей, материал, не контактирующий с рабочей средой, и заполняли полость пресс-формы шихтой для подложки;

- полученную композицию прессовали при давлении 350 МПа в закрытых стальных пресс-формах детали;

- прессовали при давлении 300 МПа пропитывающие брикеты из смеси: 20% железо, остальное - медь;

- спекание, совмещенное с пропиткой, проводили в атмосфере диссоциированного аммиака при температуре 1160°С, 40 минут.

В результате все рабочие части деталей были выполнены из коррозионно- и износостойкого твердого сплава на основе карбидов вольфрама со связующим на основе бронзы. Разрушений по границе раздела отсутствовали. Способ-прототип такие детали изготовлять не позволял. По износостойкости в рабочей абразивсодержащей среде детали (керны для формирования отверстий в кирпичах) превосходили ранее применявшиеся для этих целей карбидостали в 15 раз.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить прочность на границе раздела, коррозионную- и износостойкость деталей из инфильтрированных композиционных материалов, уменьшить их удельный вес, а также обеспечивает изготовление детали в тех случаях, когда способ-прототип неприменим.