Износостойкий сплав

Изобретение относится к области металлургии, а именно к износостойкому сплаву, используемому для получения формованных продуктов, отлитых продуктов, покрытий, а также проволок, электродов, порошков и смесей. Сплав содержит от 13 до 16 вес. процентов никеля (Ni), от 13,5 до 16,5 вес. процентов хрома (Cr), от 0,5 до 3 вес. процентов молибдена (Mo), от 3,5 до 4,5 вес. процентов кремния (Si), от 3,5 до 4 вес. процентов бора (B) и от 1,5 до 2,1 вес. процентов углерода (C), остаток - железо (Fe). Обеспечиваются высокие износостойкость и химическая стойкость при низкой стоимости. 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл., 1 пр.

 

Данное изобретение касается материала, содержащего сплав на основе железа, включающий C, B, Cr, Ni, Si и Мо.

Материал или сплав можно применять для получения формованных продуктов, отлитых продуктов, покрытий, деталей, покрытых деталей, проволок, электродов, порошков и порошковых смесей.

Известный уровень техники

В промышленности существует потребность в сплавном материале, имеющем отличную стойкость к износу и коррозии и с низкой стоимостью.

Применение сплавов на основе никеля с добавками хрома и молибдена для получения защиты от износа и коррозии было давно известно. Такие сплавы раскрыты, например, в патентах США №№6027583 А, 6187115 А и 6322857 А.

В европейской заявке ЕР 1788104 А1 раскрывают материал для производства деталей или покрытий, адаптированных для быстрого изнашивания и применений с интенсивным трением. Материал содержит сплав на основе никеля с добавкой твердых частиц, таких как WC.

Элементы Ni и W являются дорогостоящими, и разыскиваются альтернативы.

Самоплавкие сплавы на основе железа являются альтернативной группой материалов с низкой стоимостью, и обнаружили много материалов, которые проявляют умеренную износостойкость.

Такой сплав на основе железа известен из патента Германии DE 19733306 C1. В нем раскрывают термический покрывающий материал на основе железа. Сплав применяют как добавочный материал в форме смеси, сплава с распыленным газом, агломерированного металлического порошка, проволоки с заполнением между жилами, ленты с заполнением между жилами, спекшейся ленты или отлитого обшитого стержневого электрода и применяют для термического покрытия компонентов, которые подвержены трению. Предпочтительной композицией сплава для нанесения слоя с низким трением и низкой стойкостью для компонента скольжения в соединении с хорошей выносливостью и ударопрочностью является следующая (по весу): 20-25% Mn, 13-20% Cr, 0,1-2% Ni, 3-6% W, 0,1-0,15% C, 1,5-2,5% B, остаток - Fe. Другой предпочтительной композицией сплава для нанесения слоя с низким трением с высоким сопротивлением истиранию и более высокой термической допускаемой нагрузкой является следующая (по весу): 18-25% Mn, 13-25% Cr, 0,1-2% Ni, 3-5% W, 0,1-0,15% C, 4-6% B, остаток - Fe.

В патенте Германии DE 19901170 А1 раскрывают другой сплав железа с высокими содержаниями углерода, бора, ванадия, хрома, молибдена и никеля. Предложили следующую композицию (по весу): 2,0-4,0% C, 2,0-4,5% B, 0,5-3,5% Si, 6,0-15,0% Cr, 1,5-7,5% Mo, 6,0-14,0% V, 0-3,0% W, 0-1,5% Mn, 0-2,0% Cu, 2,0-7,0% Ni, остаток - Fe и примеси. Сплав применяли для внутренней наплавки твердым сплавом металлических цилиндров центробежным литьем или горячим изостатическим прессованием.

Патент Канады СА 2416950 А1 раскрывает материал для изготовления деталей и средств для применения при повышенной температуре, содержащий сплав на основе железа, включающий C, Si, Mn, Cr, Ni и N в определенных концентрациях. Сплав образован холодной штамповкой до твердости, по меньшей мере, 230 НВ.

Однако остаются две проблемы с такими сплавами на основе Fe. Первая: износостойкость этих сплавов на основе Fe все еще хуже сплавов на основе Ni с WC. Чтобы быть ближе к тем свойствам, в основном сплаве нужно применять дорогостоящие сплавляющие элементы, такие как W, Nb, или добавлять большие количества WC частиц. Эти сплавляющие элементы увеличивают цену и делают материал очень твердым (более чем 65 HRC), что приводит к дополнительной обработке и проблемам применения с растрескиванием. Вторая: материалы на основе Fe не обладают хорошей коррозионной стойкостью, такой как сплавы на основе Ni, особенно в смешанных коррозионных средах.

Цель данного изобретения

Следовательно, целью данного изобретения является обеспечение альтернативного материала более низкой стоимости, который подходит для образования деталей или покрытий, обладающих высокой износостойкостью и также высокой химической стойкостью.

Цель достигли при помощи материала, включающего сплав, содержащий от 13 до 16 вес. процентов никеля (Ni), от 13,5 до 16,5 вес. процентов хрома (Cr), от 0,5 до 3 вес. процентов молибдена (Mo), от 3,5 до 4,5 вес. процентов кремния (Si), от 3,5 до 4 вес. процентов бора (B), от 1,5 до 2,1 вес. процентов углерода (C) и от 0,2 до 0,5 вес. процентов меди (Cu), остаток - железо (Fe).

Обнаружили, что такие сплавы на основе железа с C, B, Cr, Ni, Si и Mo проявляют высокую износостойкость и на удивление высокую химическую стойкость.

Материал содержит сплав на основе железа с дополнительными компонентами C, B, Cr, Ni, Si и Mo. Материал включает чистый сплав и покрытия с композицией сплава.

Сплав содержит только C, B, Cr, Ni, Si и Mo как основные компоненты, помимо основного компонента Fe. Обычно сплав содержит следы или незначительные количества других элементов, которые в общем являются обычными примесями. Менее предпочтительно, сплав может содержать другие элементы в концентрациях, которые существенно не изменяют его химическое поведение. Такие факультативные добавки называются сопровождающими элементами.

Сплав применим для образования или покрытий на металлической подложке, или для производства формованных продуктов, отлитых продуктов, покрытий, деталей, покрытых деталей, проволок, электродов или порошков.

В основном сплав содержит 13-16 вес. процентов (вес.%) никеля (Ni), 13,5-16,5 вес. процентов хрома (Cr), 0,5-3 вес. процентов молибдена (Mo), 3,5-4,5 вес. процентов кремния (Si), 3,5-4 вес. процентов бора (B) и 1,5-2,1 вес. процентов углерода (C), остаток - железо (Fe) и возможные примеси.

Обычно примеси присутствуют и вообще неизбежны. Содержание примесей в сплаве обычно менее чем 1 вес. процент, предпочтительно менее чем 0,5 вес. процента и наиболее предпочтительно менее чем 0,2 вес. процента. Все упомянутые весовые проценты основываются на весе всей композиции, который составляет 100 вес. процентов. Все числовые значения являются приблизительными значениями.

В менее предпочтительной альтернативе сплав может содержать один или более сопутствующих элементов. Содержание сопутствующего элемента в сплаве обычно менее чем 3 вес. процента, предпочтительно менее чем 2 вес. процента и наиболее предпочтительно менее чем 1 вес. процент. Все содержание сопутствующих элементов в сплаве обычно менее чем 5 вес. процентов, предпочтительно менее чем 3 вес. процента и наиболее предпочтительно менее чем 2 вес. процента.

Предпочтительная композиция сплава включает от 13 до 14 вес. процентов никеля (Ni), от 14 до 16 вес. процентов хрома (Cr), от 1 до 3 вес. процента молибдена (Mo), от 3,5 до 4,5 вес. процентов кремния (Si), от 3,5 до 4 вес. процентов бора (B), от 1,8 до 2,1 вес. процентов углерода (C) и от 0,2 до 0,5 вес. процентов меди (Cu), остаток - железо (Fe) и возможные примеси.

Сплав имеет необычную хорошую коррозионную стойкость в смешанных коррозионных условиях, где большинство износостойких материалов на основе Ni или на основе Fe не соответствуют. Примечательно, что сплав на основе Fe не содержит добавления других твердых частиц для увеличения своей твердости, таких как карбид вольфрама (WC).

Обычно сплавы обладают твердостью в диапазоне от 35 HRC до 60 HRC, в частности в диапазоне от 55 HRC до 60 HRC, типично приблизительно 58 HRC, что является необычно низким для такого износостойкого материала. Это дает преимущество в обработке и эксплуатации, поскольку это делает сплав менее чувствительным к растрескиванию.

В данном документе единица "HR" представляет собой так называемую "твердость по Роквеллу". Существует несколько шкал Роквелла для разных диапазонов твердости. Самой общепринятой является шкала B (HRB), которая подходит для мягких металлов, и шкала C (HRC) для твердых металлов. Способ для измерения твердости по Роквеллу предусмотрен в DIN EN ISO 6508- ASTM Е-18. Числа твердости по Роквеллу не пропорциональны данным твердости по Виккерсу, но существуют таблицы преобразования, согласно которым вышеупомянутый диапазон от 35 до 60 HRC отвечает твердости по Виккерсу от 345 до 780 HV/10.

Сплавы обычно имеют точку плавления в диапазоне от 1000 до 1150°C, типично приблизительно 1080°C. Это является очень низкой температурой плавления для такого сплава с этими свойствами, которая снижает стоимость при обработке и дает преимущество в применении.

Сплав получают обычным образом плавлением компонентов или смешиванием порошков или соединений.

Сплав можно отлить в продукты любой формы.

Сплав применяют для производства деталей или покрытий на деталях, которые обычно являются металлическими подложками или металлическими деталями, в особенности изготовленными из стали. Металлическими деталями являются, например, роторы, втулки, опоры, болты, лезвия и т.д.

Материал, в частности сплав, предпочтительно применяют для производства проволок, присадочных проволок, лент, продуктов в форме нитей, электродов, порошков, паст, взвесей или материала литой заготовки, которые применяют, например, для литья, сварки, плазменной сварки (РТА), плазменной наплавки порошка или дуговой сварки, пайки твердым припоем, газоплазменного напыления, в частности, высокоскоростного газоплазменного напыления (HVOF), сплавления спеканием и подобных способов.

Данное изобретение также содержит способ нанесения материала по данному изобретению для производства покрытий с высоким уровнем стойкости к коррозии и износу на изделие термическим процессом покрытия, в котором материал покрытия в форме порошка сплавлен и распылен из расплава или агломерирован из различных сплавленных и несплавленных металлических порошков.

Покрытия или защитные слои сплава на деталях, в частности металлических деталях, получены предпочтительно общепринятыми способами нанесения порошка заливкой, отливкой, погружением, распылением, выдавливанием с последующей обработкой термическим сплавлением или термическими способами, такими как газоплазменное напыление, и предпочтительно высокоскоростным газоплазменным напылением (HVOF), или сварили плазменной сваркой. Такие способы покрытия описаны, например, в патенте США №№6187115 А и 6322857 А, которые можно применять аналогично и которые включены ссылкой.

Такие покрытия можно получить, как упомянуто выше, термическими процессами, применяя материалы, содержащие сплав, такие как порошки, проволоки, электроды или другие обычные формы, или нанесением двух или более материалов, которые отклоняются в композиции от полученного в результате готового сплава, где материалы отделены или смешаны, например, различные электроды или смешанные порошки, приводя в результате к покрытиям с композицией сплава.

Такие покрытия или защитные слои служат для получения защиты от износа и коррозии в химической промышленности, фармацевтической промышленности, бумажной промышленности, стекольной промышленности, энергетической промышленности, цементной промышленности, переработке отходов, целлюлозно-бумажной промышленности и промышленности обработки пластмассы. Покрытые детали также применяют преимущественно для применений в разработке нефти и газа.

Обычно покрытия имеют толщину в диапазоне от 0,1 до 20 мм, предпочтительно от 1 до 10 мм.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

Данное изобретение будет объяснено более подробно со ссылкой на вариант осуществления и графический материал, который показан детально.

Фиг.1 является диаграммой степени потери объема в стандартизированном испытании на абразивный износ (ASTM G65) в зависимости от композиции сплава,

Фиг.2 является диаграммой степени потери веса в стандартизированном испытании на коррозию при контакте с HCl в зависимости от содержания Ni в сплаве Х5; и

Фиг.3 является диаграммой степени потери веса в стандартизированном испытании на коррозию при контакте с HNO₃ в зависимости от содержания Ni в сплаве Х5.

Пример 1 (Образец Х5)

Серию сплавов приготовили сплавлением металлических элементов и соединений в расплав и образованием двух порошков, которые представлены в таблице 1 ниже:

Таблица 1
	Fe	С	Si	Cr	Ni	Mo	В
Порошок А	3,7	0,26	4,58	16,4	59,76	12,9	2,87
Порошок В	71,47	2,03	3,12	14,01	5,62	0	3,59

Порошок В (который является сплавом на основе Fe) смешали с Порошком А переменного вес.% (который представляет собой износостойкий сплав на основе Ni, который также обозначается №"53606") и затем сплавили при 1080°C. Обнаружили, что оптимальный % порошка А для результатов износа и коррозии может быть от 10 до 40 вес % и что лучшие результаты получили с 15% Порошка А, смешанного с Порошком В.

Это показано на Фиг.1. Кривые 3 являются базовыми координатами интенсивности изнашивания, полученные из той же сплавленной смеси, но испытывались способом ASTM G65 в трех независимых сериях испытания (различное время и места). Потерю объема нанесли на график на ось y в [мм³] в зависимости от содержания Порошка А в [вес.%]. Для всех трех серий испытания характерную низкую потерю объема и, следовательно, лучшую износостойкость получили приблизительно с 15% Порошка А, смешанными с Порошком В.

Далее эту 15% смесь сплава Порошка А в Порошок В называли "Х5". "Х5" представляет собой сплав на основе Fe, не содержащий добавок других твердых частиц для увеличения его твердости, таких как карбид вольфрама (WC). В следующей таблице 2 показана композиция сплава Х5 по сравнению со сплавом на основе Fe, как это раскрыто в заявке DE 19901170 A1. Очевидно, что содержание Ni в сплаве Х5 выше, и его V-содержание ниже (а именно, нулевое), и уровни углерода и хрома также отличаются.

Таблица 2
	C	Si	Cr	Ni	Mo	B	V
Х5	1,7	3.5	16,0	16.0	2,0	3,5	0
DE 19901170 A1	2,0-4,0	0,5-3,5	6,0-15	2,0-7,0	1,5-7,5	2,0-4,5	6,0-14,0

Для обоих сплавов: остатком является Fe (в случае Х5 остаток Fe равен 57 вес.%). Сплав Х5 имеет температуру плавления 1080°C и низкую твердость 58 HRC.

Испытание на износ

В ASTM G65 испытании на абразивный износ песком на резиновом колесе стандартное значение износа потери 13,68 мм³ записали после 2000 оборотов колеса. Это полученное в результате значение износостойкости является подобным хорошо установленному износостойкому материалу на основе никеля, называемому "12112", продаваемому Castolin Eutectic. Этот сплав 12112 является смесью матрицы сплава NiCrBSi 12496 с 35% WC, имеющей следующую композицию:

Таблица 3
	Fe	C	Cr	B	Ni	Si	Mo
Матрица сплава 12496	3,88	0,78	14,8	3,13	73,3	4,1	0

Этот сплав 12112 на основе Ni (= смесь сплава сплав 12496 сплава с 35% WC) продавали, по меньшей мере, 20 лет и применяли для получения сплавленных порошковых пластин, продаваемых под названием СР 112, Castolin Eutectic.

Тот факт, что сплав Х5 достигал того же результата износостойкости G65, как установленный 12112, является неожиданным и важным, поскольку 12112 должен иметь 35% дорогостоящего WC, добавленного для получения этого значения, и дорогостоящей матрицы на основе Ni. Сплав Х5 является продуктом на основе Fe и не имеет присутствующего WC.

Испытание на коррозию

Близкие к цилиндрической форме образцы для испытаний на коррозию приготовили плавлением исследуемого материала в керамических тиглях и порезали на ломтики с двумя наружными круговыми поверхностями. Измерения веса и площади поверхности записали.

Исследуемым материалом является вышеупомянутый Порошок В на основе Fe (таблица 1) и Ni-порошки А (таблица 1, №53606), а также порошки стандартных сплавов на основе Ni, известные как "12496" и "12497" (легкая химическая модификация сплава 12496). Указанные порошки на основе Ni смешали с порошком В на основе Fe (таблица 1) при различных соотношениях смешивания.

Образцы ломтиков подвергали HCl (33%), HNO₃ (55%), H₂SO₄ (96%) и уксусной кислоте (80%) и измеряли потерю веса через 24 часа, 48 часов и 120 часов. Определяли коррозионную стойкость как потерю удельного веса (потеря веса в мг на см и 24 ч.).

Диаграмма Фиг.2 иллюстрирует результаты испытания на коррозию трех серий испытания для различных композиций, подвергающихся HCl (33%). Три кривые являются базовыми координатами потери веса, полученными из испытаний на коррозию, как объяснено выше. Потерю веса нанесли на график на ось у в [мг/(см²×час)] в зависимости от фракции соответствующего порошка А на основе Ni смешанных порошков для приготовления образцов.

Диаграмма Фиг.3 иллюстрирует результаты испытания на коррозию трех серий теста для различных сплавов, подвергавшихся HNO₃ (55%). Три кривые являются базовыми координатами потери веса, полученными из испытаний на коррозию, как объяснено выше. Потерю веса нанесли на график на ось у в [мг/(см²×час)] в зависимости от содержания соответствующего порошка А на основе Ni смешанных порошков для приготовления образцов.

Результаты следующие:

- Сплавы на основе Ni (А, 12496, 12497) показали хорошую устойчивость к коррозии против HCl. На основе Fe не показали (Порошок В). С повышением содержания порошка на основе Ni в соответствующих порошковых смесях устойчивость к коррозии против HCl возрастает.

- Сплав на основе Fe (B) показал хорошую устойчивость к коррозии против HNO₃. С повышением содержания порошка на основе Fe в соответствующих порошковых смесях устойчивость к коррозии против HNO₃ возрастает.

- Сплавы на основе Ni и Fe устойчивы к уксусной кислоте и H₂SO₄.

- Добавление порошков на основе Ni (А, 12496, 12497) к Порошку В улучшает устойчивость к коррозии против HCl, но снижает устойчивость против HNO₃. Лучший баланс достигли с процентным соотношением порошка на основе Ni 5-15%, как видно на фиг.2 и 3.

Оптимальная смесь сплава порошка на основе Ni в композиции Порошка В на основе Fe равна 15% (в вес.% порошка на основе Ni) для HCl и HNO₃, с применением Порошка А как лучшего источника сплава на основе Ni. Эта смесь 15%/85% дает композицию Х5 согласно данному предпочтительному варианту осуществления данного изобретения. Эта композиция Х5 также дает самые низкие результаты G65 износостойкости.

1. Износостойкий сплав, содержащий от 13 до 16 вес. процентов никеля (Ni), от 13,5 до 16,5 вес. процентов хрома (Cr), от 0,5 до 3 вес. процентов молибдена (Mo), от 3,5 до 4,5 вес. процентов кремния (Si), от 3,5 до 4 вес. процентов бора (B) и от 1,5 до 2,1 вес. процентов углерода (C), остаток - железо (Fe).

2. Сплав по п.1, причем он имеет состав от 13 до 14 вес. процентов никеля (Ni), от 14 до 16 вес. процентов хрома (Cr), от 1 до 3 вес. процентов молибдена (Mo), от 3,5 до 4,5 вес. процентов кремния (Si), от 3,5 до 4 вес. процентов бора (B), от 1,8 до 2,1 вес. процентов углерода (C) и от 0,2 до 0,5 вес. процентов меди (Cu), остаток - железо (Fe).

3. Сплав по п.1, причем он имеет твердость менее чем 60 HRC.

4. Сплав по п.1, причем он имеет точку плавления менее чем 1150°C.

5. Сплав по п.1, причем он представляет собой порошок или проволоку, или покрытие на металлической основе.

6. Сплав по п.1, причем он не содержит предварительно сформованных твердых частиц, особенно из карбида вольфрама.

7. Сплав по любому из предыдущих пунктов, причем он содержит менее чем 1 вес. процент ванадия, наиболее предпочтительно он не содержит ванадия.

8. Сплав по п.2, причем он имеет твердость менее чем 60 HRC.

9. Сплав по п.2, причем он имеет точку плавления менее чем 1150°C.

10. Сплав по п.2, причем он представляет собой порошок или проволоку, или покрытие на металлической основе.

11. Сплав по п.2, причем он не содержит предварительно сформованных твердых частиц, особенно из карбида вольфрама.

12. Сплав по любому из пп.8-11, причем он содержит менее чем 1 вес. процент ванадия, наиболее предпочтительно он не содержит ванадия.

13. Сплав по п.3, причем он имеет точку плавления менее чем 1150°C.

14. Сплав по п.3, причем он представляет собой порошок или проволоку, или покрытие на металлической основе.

15. Сплав по п.3, причем он не содержит предварительно сформованных твердых частиц, особенно из карбида вольфрама.

16. Сплав по любому из пп.13-15, причем он содержит менее чем 1 вес. процент ванадия, наиболее предпочтительно он не содержит ванадия.