RU2472866C2 - Wear-resistant powder material, and method for its manufacture - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: wear-resistant powder alloy includes wear-resistant component in the form of powder wastes of solid alloys and plastic matrix based on copper containing chrome and titanium. Component ratio of wear-resistant alloy, wt %, is the following: copper 25-30; chrome 0.8-1.0; titanium 0.1-0.2; wastes of solid alloys are the rest. Mixture of powders is loaded to a prefabricated and degreased container; container is sealed, heated to the temperature of 1150-1200°C and exposed during 15-30 minutes; after that, it is cooled to temperature of 950-1000°C and pressed at pressure of 150-200 MPa.

EFFECT: improving wear resistance of material at reduction of its prime cost.

3 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к изготовлению порошкового износостойкого материала, и может быть использовано в машиностроении для защиты деталей машин от изнашивания.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the manufacture of powder wear-resistant material, and can be used in mechanical engineering to protect machine parts from wear.

Известен наплавочный износостойкий материал [патент РФ №2164200]. Материал в качестве износостойкой фазы содержит частицы твердого сплава ВК8, полученные дроблением отходов твердосплавных элементов режущих инструментов, а в качестве матричной связки - никелевый порошок. Недостатком материала является высокая температура плавления никеля, что затрудняет его применение при инфильтрации частиц твердого сплава. Кроме того, повышенная дефицитность и стоимость никеля ограничивают возможность применения предлагаемого материала.Known hardwearing wear-resistant material [RF patent No. 2164200]. The material as a wear-resistant phase contains VK8 carbide particles obtained by crushing the waste of carbide elements of cutting tools, and nickel powder as a matrix binder. The disadvantage of this material is the high melting point of nickel, which makes it difficult to use it in the infiltration of hard alloy particles. In addition, the increased scarcity and cost of nickel limit the possibility of using the proposed material.

Материал для износостойкого покрытия [патент РФ №2349621] содержит связующее и наполнитель, при этом в качестве связующего он содержит медный сплав - латунь (в % маc: Sn 1-4; Zn 30-39; Cu - остальное). Наполнителем являются промышленные отходы высокотвердых материалов, в том числе отходы твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом. Слишком крупные (2-4 мм) частицы твердого сплава не обеспечивают равномерное распределение наполнителя в структуре сплава, а следовательно, снизят износостойкость материала.The material for a wear-resistant coating [RF patent No. 2349621] contains a binder and a filler, while it contains a copper alloy - brass as a binder (in% wt: Sn 1-4; Zn 30-39; Cu - the rest). Filler is industrial waste of high hard materials, including waste of hard alloys based on tungsten carbide with cobalt. Too large (2-4 mm) hard alloy particles do not provide a uniform distribution of the filler in the alloy structure, and therefore, reduce the wear resistance of the material.

Общим недостатком приведенных аналогов является возможность окисления и загрязнения материала посторонними примесями, что приводит к снижению его механических свойств и износостойкости.A common drawback of the above analogues is the possibility of oxidation and contamination of the material with impurities, which leads to a decrease in its mechanical properties and wear resistance.

Известен способ получения износостойкой конструкционной порошковой стали [Патент РФ № 2171159]. Способ включает приготовление порошковой смеси компонентов, прессование смеси в закрытой пресс-форме до получения пористого брикета, нагрев его в защитной атмосфере и горячую обработку давлением, при этом в порошковую смесь дополнительно вводят высокотемпературный полимер фтор-лигнин, прессование брикета из порошковой смеси в закрытой пресс-форме проводят до достижения остаточной пористости, а последующий нагрев брикета проводят с определенной скоростью и выдержкой. Недостатком способа является высокая остаточная пористость материала.A known method of obtaining a wear-resistant structural powder steel [RF Patent No. 2171159]. The method includes preparing a powder mixture of components, compressing the mixture in a closed mold to obtain a porous briquette, heating it in a protective atmosphere and hot working with pressure, while the high-temperature fluorine-lignin polymer is additionally introduced into the powder mixture, pressing the briquette from the powder mixture in a closed press -form is carried out until the residual porosity is achieved, and the subsequent heating of the briquette is carried out with a certain speed and exposure. The disadvantage of this method is the high residual porosity of the material.

Известен способ изготовления низкопористых порошковых материалов [патент РФ №2167741]. Способ включает формование двухслойной пористой порошковой заготовки путем засыпки в пресс-форму порошка подложки и его подпрессовки давлением с последующей засыпкой легкоплавкого материала определенной массы, спекание заготовки, совмещенное с пропиткой, при этом в качестве легкоплавкого материала поверхностного слоя двухслойной заготовки используют стружковые отходы цветных сплавов на основе меди, при определенном давлении. Недостатком способа является возможность окисления материала при спекании и пропитке или необходимость применения дорогих средств защиты от окисления.A known method of manufacturing low-porous powder materials [RF patent No. 2167741]. The method includes molding a two-layer porous powder billet by filling the substrate powder into a mold and pressing it with pressure, followed by filling a fusible material of a certain mass, sintering the billet combined with impregnation, using non-ferrous non-ferrous chip waste as a fusible material on the surface layer of a billet copper base, at a certain pressure. The disadvantage of this method is the possibility of oxidation of the material during sintering and impregnation or the need to use expensive means of protection against oxidation.

В качестве прототипа выбран «Материал матриц алмазного и абразивного инструментов и способ его изготовления» [патент РФ №2136479]. Материал матриц алмазного и абразивного инструментов содержит релит при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбид вольфрама 31-59, кобальт 1,5-8, релит 20, медь 37-41, никель 4. Недостатком материала является его высокая стоимость, поскольку в качестве исходной шихты применяются дорогие первичные порошки карбида вольфрама, релита и кобальта.As a prototype of the selected material of the matrix of diamond and abrasive tools and the method of its manufacture "[RF patent No. 2136479]. The matrix material of diamond and abrasive tools contains relit in the following ratio of components, wt.%: Tungsten carbide 31-59, cobalt 1.5-8, relit 20, copper 37-41, nickel 4. The disadvantage of this material is its high cost, since expensive primary powders of tungsten carbide, relite and cobalt are used as the initial charge.

Способ изготовления материала включает смешивание компонентов, прессование смеси на гидравлических прессах в пресс-формах с удельным давлением от 30 до 80 МПа, нагрев прессовок совместно с пропиточным сплавом токами высокой частоты до температуры 500-600°С со скоростью 20-30°С/мин с последующим нагревом до температуры (1083-1140)+20°С со скоростью 90-100°С мин и выдержкой для инфильтрации пропиточного сплава в жидкотекучем состоянии и прессовку материала в течение 120-240 с. Недостатками способа являются окисление материала и снижение его механических свойств и износостойкости вследствие нагрева до 1140°С и выдержки для инфильтрации. Проведение этой операции в защитной атмосфере для предотвращения окисления потребует применения сложного и дорогостоящего оборудования.A method of manufacturing the material involves mixing the components, pressing the mixture on hydraulic presses in molds with a specific pressure of 30 to 80 MPa, heating the compacts together with the impregnating alloy with high frequency currents to a temperature of 500-600 ° C at a speed of 20-30 ° C / min followed by heating to a temperature of (1083-1140) + 20 ° C at a speed of 90-100 ° C min and holding for infiltration of the impregnating alloy in a liquid state and pressing the material for 120-240 s. The disadvantages of the method are the oxidation of the material and a decrease in its mechanical properties and wear resistance due to heating to 1140 ° C and exposure to infiltration. Carrying out this operation in a protective atmosphere to prevent oxidation will require the use of sophisticated and expensive equipment.

Задачей изобретения является повышение износостойкости материала, снижение его себестоимости.The objective of the invention is to increase the wear resistance of the material, reducing its cost.

Предложен порошковый износостойкий материал, содержащий в качестве износостойкой компоненты порошки из отходов твердых сплавов, а в качестве пластичной матрицы - медь, хром и титан в следующем соотношении, мас.%: медь 25-30; хром 0,8-1,0; титан 0,1-0,2; отходы твердых сплавов - остальное.A powder wear-resistant material is proposed that contains powders from solid alloy waste as a wear-resistant component, and copper, chromium and titanium in the following ratio, wt.%: Copper 25-30; chrome 0.8-1.0; titanium 0.1-0.2; hard alloy waste - the rest.

Предложен способ изготовления порошкового износостойкого материала, который заключается в том, что смесь порошков засыпают в предварительно изготовленный и обезжиренный контейнер, осуществляют герметизацию контейнера, нагревают его до температуры 1150-1200°С, выдерживают 15-30 мин, после чего охлаждают до температуры 950-1000°С и прессуют при давлении 150-200 МПа.A method of manufacturing a powder wear-resistant material is proposed, which consists in pouring a mixture of powders into a prefabricated and fat-free container, sealing the container, heating it to a temperature of 1150-1200 ° C, keeping it for 15-30 minutes, and then cooling to a temperature of 950- 1000 ° C and pressed at a pressure of 150-200 MPa.

Контейнер может быть выполнен из низкоуглеродистой стали.The container may be made of low carbon steel.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что:The solution to this problem is provided by the fact that:

- материал содержит в качестве износостойкой компоненты отходы твердых сплавов, что значительно снижает его себестоимость, а матрица из меди обеспечивает необходимую вязкость и пластичность. Материал содержит хром, который растворяется в меди и придает ей повышенную прочность, и титан, который при нагреве поглощает газы, что обеспечивает повышение механических свойств материала;- the material contains solid alloy waste as a wear-resistant component, which significantly reduces its cost, and the copper matrix provides the necessary viscosity and ductility. The material contains chromium, which dissolves in copper and gives it increased strength, and titanium, which absorbs gases when heated, which ensures an increase in the mechanical properties of the material;

- в способе нагрев и выдержка порошковой смеси при высокой температуре в герметичном контейнере предотвращает окисление и загрязнение смеси, а горячее прессование смеси в герметичном контейнере обеспечивает устранение остаточных пор и повышает механические свойства материала и износостойкость.- in the method, heating and holding the powder mixture at high temperature in an airtight container prevents oxidation and contamination of the mixture, and hot pressing of the mixture in an airtight container eliminates residual pores and increases the mechanical properties of the material and wear resistance.

Совокупность отличительных признаков является необходимой и достаточной для решения поставленной задачи.The combination of distinctive features is necessary and sufficient to solve the problem.

Медь в количестве 25-30% заполняет поры между частицами твердого сплава и регулирует соотношение твердости и прочности материала. При содержании меди менее 25% остаются незаполненными отдельные поры и прочность материала снижается. При содержании меди более 30% снижается твердость материала. При содержании хрома менее 0,8% упрочняющий эффект реализуется не полностью. Содержание хрома более 1,0% не создает дополнительного упрочнения. При содержании титана менее 0,1% его сорбционная емкость недостаточна для поглощения всех газов. Содержание титана более 0,2% не влияет на пористость, но повышает себестоимость сплава. При температуре нагрева контейнера менее 1150°С жидкая медь не обладает достаточной жидкотекучестью для заполнения мелких поровых каналов. Нагрев до температуры свыше 1200°С не требуется по техническим соображениям и приведет к излишнему расходу энергии. Выдержка контейнера с порошковой смесью в течение 15-30 мин требуется для полной инфильтрации износостойкой компоненты медным сплавом. При выдержке менее 15 мин возможно наличие в материале незаполненных медным сплавом пор. При выдержке более 30 мин имеет место излишний расход энергии. Охлаждение контейнера с инфильтрованным порошковым материалом до 950-1000°С необходимо для затвердевания медного сплава, поскольку последующее прессование контейнера при наличии в нем жидкой фазы недопустимо по соображениям техники безопасности. Охлаждение до температуры выше 1000°С не гарантирует полного отсутствия жидкой фазы. Охлаждение до температуры ниже 950°С повысит сопротивление материала уплотнению при последующем прессовании. Давление прессования в интервале 150-200 МПа обеспечивает устранение остаточной пористости и несплошностей в контейнере, образовавшихся в результате возможной усадки материала. При давлении менее 150 МПа возможно содержание в структуре материала повышенной пористости. При давлении более 200 МПа имеет место излишний расход энергии и повышенный износ технологической оснастки.Copper in an amount of 25-30% fills the pores between the particles of the hard alloy and regulates the ratio of hardness and strength of the material. When the copper content is less than 25%, individual pores remain unfilled and the strength of the material decreases. When the copper content is more than 30%, the hardness of the material decreases. When the chromium content is less than 0.8%, the strengthening effect is not fully realized. A chromium content of more than 1.0% does not create additional hardening. When the titanium content is less than 0.1%, its sorption capacity is insufficient to absorb all gases. A titanium content of more than 0.2% does not affect the porosity, but increases the cost of the alloy. At a container heating temperature of less than 1150 ° C, liquid copper does not have sufficient fluidity to fill small pore channels. Heating to temperatures above 1200 ° C is not required for technical reasons and will lead to excessive energy consumption. Exposure of the container with the powder mixture for 15-30 minutes is required for complete infiltration of the wear-resistant component with a copper alloy. With a shutter speed of less than 15 minutes, pores that are unfilled with a copper alloy may be present in the material. Exposure for more than 30 minutes leads to excessive energy consumption. Cooling the container with the infiltrated powder material to 950-1000 ° C is necessary for the solidification of the copper alloy, since subsequent pressing of the container in the presence of a liquid phase in it is unacceptable for safety reasons. Cooling to temperatures above 1000 ° C does not guarantee the complete absence of a liquid phase. Cooling to a temperature below 950 ° C will increase the resistance of the material to compaction during subsequent pressing. The pressing pressure in the range of 150-200 MPa ensures the elimination of residual porosity and discontinuities in the container formed as a result of possible shrinkage of the material. At a pressure of less than 150 MPa, it is possible that the structure of the material contains increased porosity. At a pressure of more than 200 MPa there is an excessive energy consumption and increased wear of technological equipment.

Для получения материала и реализации способа предварительно изготавливают тонкостенный контейнер коробчатой формы из низкоуглеродистой, хорошо сваривающейся стали, например Ст.10, Ст.20. Смешивают порошки, полученные механическим измельчением твердого сплава, например сплава ВК6, порошки меди, хрома и титана в заданном соотношении. Порошковую смесь засыпают в контейнер и герметизируют его приваркой крышки. Контейнер с порошковой смесью загружают в нагревательное устройство, например в муфельную электрическую печь, нагревают до заданной температуры, выдерживают заданное время для инфильтрации, охлаждают до заданной температуре и прессуют (осаживают) под прессом при заданном давлении.To obtain material and implement the method, a thin-walled box-shaped container is preliminarily made from low-carbon, well-welded steel, for example, Art. 10, Art. 20. The powders obtained by mechanical grinding of a hard alloy, for example, VK6 alloy, are mixed with powders of copper, chromium and titanium in a given ratio. The powder mixture is poured into the container and sealed by welding the lid. The container with the powder mixture is loaded into a heating device, for example, in a muffle electric furnace, heated to a predetermined temperature, maintained for a predetermined time for infiltration, cooled to a predetermined temperature, and pressed (deposited) under pressure at a given pressure.

Контроль качества материала осуществляют по пределу прочности при изгибе (σ_изг), твердости (HV) и наличию остаточных пор. Качество считается удовлетворительным при σ_изг≥1200 МПа, HV≥3000 МПа и пористости ≤1%. Конкретные примеры осуществления изобретения при разных исходных параметрах представлены в таблице.Quality control material is performed on the bending strength (σ _mfd), hardness (HV) and the presence of residual pores. Quality was considered satisfactory when σ _mfd ≥1200 MPa, HV≥3000 MPa and porosity ≤1%. Specific examples of carrying out the invention with different initial parameters are presented in the table.

№ опытаExperience number Cu %Cu% Cr %Cr% Ti %Ti% Отходы твердых сплавов %Hard alloy waste% t_н °Сt _n ° C Т минT min t_ох °Сt _oh ° C Р МПаR MPa σ_изг МПаσ _ex MPa HV МПаHV MPa % Пор.% Por. 1one 20twenty 1,01,0 0,20.2 78,878.8 12001200 30thirty 950950 200200 11801180 33003300 ≤1≤1 22 2525 1,01,0 0,20.2 73,873.8 12001200 30thirty 950950 200200 12001200 32103210 ≤1≤1 33 2727 1,01,0 0,20.2 71,871.8 12001200 30thirty 950950 200200 12251225 31203120 ≤1≤1 4four 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12451245 30103010 ≤1≤1 55 3535 1,01,0 0,20.2 63,863.8 12001200 30thirty 950950 200200 12601260 27702770 ≤1≤1 66 30thirty 0,60.6 0,20.2 69,269.2 12001200 30thirty 950950 200200 11501150 29002900 ≤1≤1 77 30thirty 0,80.8 0,20.2 69,069.0 12001200 30thirty 950950 200200 12101210 31103110 ≤1≤1 88 30thirty 0,90.9 0,20.2 68,968.9 12001200 30thirty 950950 200200 12251225 32303230 ≤1≤1 99 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12501250 33003300 ≤1≤1 1010 30thirty 1,01,0 0,10.1 68,968.9 12001200 30thirty 950950 200200 12001200 31203120 ≤1≤1 11eleven 30thirty 1,01,0 0,150.15 68,8568.85 12001200 30thirty 950950 200200 12451245 31503150 ≤1≤1 1212 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12701270 31903190 ≤1≤1 1313 30thirty 1,01,0 0,30.3 68,768.7 12001200 30thirty 950950 200200 12901290 32003200 ≤1≤1 14fourteen 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 11001100 30thirty 950950 200200 11901190 28002800 ≤1≤1 15fifteen 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 11501150 30thirty 950950 200200 12001200 31003100 ≤1≤1 1616 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 11751175 30thirty 950950 200200 12601260 30603060 ≤1≤1 1717 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12901290 30003000 ≤1≤1 18eighteen 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 1010 950950 200200 10501050 26002600 ≤1≤1 1919 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 15fifteen 950950 200200 12001200 31503150 ≤1≤1 20twenty 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 2525 950950 200200 12401240 31003100 ≤1≤1 2121 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12701270 30003000 ≤1≤1 2222 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 900900 200200 10901090 29002900 ≤1≤1 2323 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12401240 31003100 ≤1≤1 2424 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 975975 200200 12601260 30503050 ≤1≤1 2525 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 10001000 200200 12901290 30003000 ≤1≤1 2626 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 11001100 200200 12401240 29002900 ≤1≤1 2727 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 100one hundred 11851185 27002700 ≥5≥5 2828 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 150150 12001200 30003000 ≤1≤1 2929th 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 175175 12201220 31403140 ≤1≤1 30thirty 30thirty 1,01,0 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 200200 12451245 32603260 ≤1≤1 3131 30thirty 1one 0,20.2 68,868.8 12001200 30thirty 950950 250250 12701270 33503350 ≤1≤1 ПрототипPrototype 10501050 25202520 ≥10≥10 t_н, t_ox - температура нагрева и охлаждения контейнера с порошковой смесью; Т - время выдержки при нагреве; Р - давление прессования.t _n , t _ox is the temperature of heating and cooling the container with the powder mixture; T is the exposure time when heated; P is the pressing pressure.

Предложенный износостойкий материал, полученный описанным выше способом, обладает высокими прочностью (σ_изг - 1200 МПа) и твердостью (HV≥3000 МПа), низкой пористостью (≤1%), и низкой себестоимостью.The proposed wear-resistant material obtained by the method described above has high strength (σ _ar - 1200 MPa) and hardness (HV≥3000 MPa), low porosity (≤1%), and low cost.

Claims (3)

1. Порошковый износостойкий сплав, содержащий износостойкий компонент в виде порошка твердого сплава и пластичную матрицу на основе меди, отличающийся тем, что в качестве износостойкой компоненты сплав содержит порошок отходов твердого сплава, а матрица на основе меди дополнительно содержит хром и титан, при следующем соотношении компонентов сплава, мас.%:
медь 25-30 хром 0,8-1,0 титан 0,1-0,2 отходы твердых сплавов остальное 1. A wear-resistant powder alloy containing a wear-resistant component in the form of a hard alloy powder and a plastic matrix based on copper, characterized in that the alloy contains solid alloy waste powder as a wear-resistant component, and the copper-based matrix additionally contains chromium and titanium, in the following ratio alloy components, wt.%:
copper 25-30 chromium 0.8-1.0 titanium 0.1-0.2 hard alloy waste rest 2. Способ изготовления порошкового износостойкого сплава по п.1, включающий смешивание порошков, засыпку смеси в предварительно изготовленный и обезжиренный контейнер, герметизацию контейнера, нагрев его до температуры 1150-1200°С, выдержку в течение 15-30 мин для инфильтрации, последующее охлаждение до температуры 950-1000°С и прессование при давлении 150-200 МПа.2. A method of manufacturing a powder wear-resistant alloy according to claim 1, comprising mixing the powders, filling the mixture into a prefabricated and fat-free container, sealing the container, heating it to a temperature of 1150-1200 ° C, holding for 15-30 minutes for infiltration, followed by cooling to a temperature of 950-1000 ° C and pressing at a pressure of 150-200 MPa. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что контейнер выполнен из низкоуглеродистой стали. 3. The method according to claim 2, characterized in that the container is made of low carbon steel.