[go: up one dir, main page]

RU2798861C9 - Composite material based on in_situ produced alloys reinforced with tungsten carbide and methods for its production - Google Patents

Composite material based on in_situ produced alloys reinforced with tungsten carbide and methods for its production Download PDF

Info

Publication number
RU2798861C9
RU2798861C9 RU2021129988A RU2021129988A RU2798861C9 RU 2798861 C9 RU2798861 C9 RU 2798861C9 RU 2021129988 A RU2021129988 A RU 2021129988A RU 2021129988 A RU2021129988 A RU 2021129988A RU 2798861 C9 RU2798861 C9 RU 2798861C9
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tungsten carbide
tungsten
particles
crystals
mixture
Prior art date
Application number
RU2021129988A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021129988A (en
RU2798861C2 (en
Inventor
Ева ОЛЕЙНИК
Original Assignee
Иннерко Сп. З.О.О.
Filing date
Publication date
Application filed by Иннерко Сп. З.О.О. filed Critical Иннерко Сп. З.О.О.
Publication of RU2021129988A publication Critical patent/RU2021129988A/en
Publication of RU2798861C2 publication Critical patent/RU2798861C2/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2798861C9 publication Critical patent/RU2798861C9/en

Links

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: present invention relates to a composite material based on alloys produced in situ, in particular iron-based alloys, reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles. It can be used for the manufacture of wear parts of machines. A composite material based on iron-based alloys reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles is obtained in the form of a composite layer or composite zone of a cast structural element. The composite material is formed by applying to the cavity or core of the mould a liquid reactive casting coating comprising a mixture of powders comprising tungsten in the range from 90 to 97 wt.% and carbon in the range from 3 to 10 wt.%, and a carrier, or introducing into the mould cavity of at least one casting liner obtained by pressing a mixture comprising tungsten and carbon. An iron-based alloy of high temperature at the same time, the heat coming from the liquid alloy in the form of high temperature is then poured into the mould cavity to provide the energy needed to initiate the in-situ reaction of the ceramic phase in the form of at least one type of tungsten carbide or tungsten carbide with other types of carbides added, which undergo a self-propagating high temperature fusion reaction and are a catalyst for the tungsten carbide synthesis reaction. The microstructure of the composite material comprises faceted crystals and/or faceted particles of tungsten carbide, providing a uniform macroscopic and microscopic distribution, which comprise nano- and/or microregions of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy.
EFFECT: high hardness and resistance to abrasive wear within the working surfaces.
18 cl, 19 dwg, 2 tbl, 8 ex

Description

Настоящее изобретение относится к композиционному материалу на основе сплавов, полученных in situ, в частности, сплавов на основе железа, армированных частицами карбида вольфрама с повышенной износостойкостью. Такой материал особенно подходит для изготовления быстроизнашиваемых деталей. Предметом настоящего изобретения является способ получения указанного композиционного материала в форме композитного слоя и в форме композитной зоны путем применения реакционноспособных компонентов, то есть прессовки и жидкого литейного покрытия.The present invention relates to a composite material based on alloys produced in situ , in particular, iron-based alloys reinforced with tungsten carbide particles with increased wear resistance. This material is especially suitable for the manufacture of wear parts. The subject of the present invention is a method for producing said composite material in the form of a composite layer and in the form of a composite zone by using reactive components, that is, pressing and liquid casting coating.

Одной из существенных проблем, связанных с частотой замены деталей машин, является чрезмерный износ их поверхности. Такой износ приводит к потере исходных размеров и формы, вызывая ухудшение или полную потерю функциональных свойств данного конструктивного элемента. Это требует частой замены указанных элементов, что снижает возможность получения прибыли у пользователей таких машин и устройств. Такое распространенное явление инициирует проектирование функциональных элементов машин с упрочненным наружным слоем. Толщина и форма области износа зависят от условий эксплуатации данной детали и могут даже составлять несколько десятков миллиметров. Указанная проблема главным образом касается таких секторов промышленности, как горнодобывающая промышленность, цементная промышленность, металлургия, энергетика, сельское хозяйство, шельфовая индустрия, рециклинг, перерабатывающая промышленность, где абразивное истирание является основным физическим явлением, позволяющим осуществлять данный процесс, например, дробление, измельчение, фрезерование, бурение, сверление, погрузку, передачу, в том числе энергии, генерируемой за счет ветра и приливов, транспортировку твердых или жидких веществ и их смесей.One of the significant problems associated with the frequency of replacement of machine parts is excessive wear of their surfaces. Such wear leads to loss of original dimensions and shape, causing deterioration or complete loss of the functional properties of a given structural element. This requires frequent replacement of these elements, which reduces the profitability of users of such machines and devices. This common phenomenon initiates the design of functional elements of machines with a hardened outer layer. The thickness and shape of the wear area depend on the operating conditions of the part and can even amount to several tens of millimeters. This problem mainly concerns such industrial sectors as mining, cement industry, metallurgy, energy, agriculture, offshore industry, recycling, processing industry, where abrasion is the main physical phenomenon that allows this process, for example, crushing, grinding, milling, drilling, drilling, loading, transmission, including energy generated by wind and tides, transportation of solid or liquid substances and their mixtures.

В данной области техники существует много известных решений в отношении материалов, которые позволяют защищать конструктивные элементы путем повышения износостойкости. В основном такие решения включают различные виды литейных сплавов и сплавов для обработки металлов давлением. Более часто используют решения, направленные на получение функциональных отливок, т.е. имеющих твердый и износостойкий наружный слой и более пластичную сердцевину. В данном секторе преобладают материалы, нанесенные с применением сварочных, лазерных и плазменных технологий. Отличительной особенностью абразивных материалов, наиболее устойчивых к износу, является высокое содержание керамических фаз, в основном карбидов, расположенных внутри правильно выбранной матрицы на основе металла или металлических сплавов. Наиболее износостойкие материалы содержат в своей микроструктуре керамические фазы в форме карбида титана (TiC), карбида вольфрама (WC) и их смесей в количестве, не превышающем 50% по объему. Высокая объемная доля карбидов указанных типов приводит к тому, что материалы, нанесенные на детали машин полуфабрикатов, демонстрируют лучшее сопротивление износу по сравнению с наиболее устойчивыми к истиранию литейными сплавами или сплавами, разработанными для обработки металлов давлением.There are many known solutions in the art regarding materials that make it possible to protect structural elements by increasing wear resistance. These solutions mainly include various types of casting alloys and metal forming alloys. More often they use solutions aimed at obtaining functional castings, i.e. having a hard and wear-resistant outer layer and a more plastic core. This sector is dominated by materials deposited using welding, laser and plasma technologies. A distinctive feature of abrasive materials that are most resistant to wear is the high content of ceramic phases, mainly carbides, located inside a properly selected matrix based on metal or metal alloys. The most wear-resistant materials contain in their microstructure ceramic phases in the form of titanium carbide (TiC), tungsten carbide (WC) and their mixtures in an amount not exceeding 50% by volume. The high volume fraction of these types of carbides results in materials deposited on semi-finished machine parts exhibiting better wear resistance compared to the most abrasion-resistant casting alloys or alloys developed for metal forming.

Однако применение современных технологий является дорогостоящим и требует много времени вследствие затрат на применение двух или более технологических процессов и ряда промежуточных операций для производства конечной детали. Другим важным недостатком технологий наплавления слоя металла и легирования, известных в данной области техники, является практическое отсутствие возможности или трудности при нанесении слоев или покрытий, устойчивых к абразивному износу, в труднодоступных местах или на участках сложной формы, например, изогнутых трубах, отливках сложной внутренней и внешней формы. Наплавленные поверхности имеют относительно высокую шероховатость, что во многих случаях фактически ограничивает применение данной группы способов при производстве износостойких элементов машин и устройств. Еще один существенный недостаток при изготовлении стойкого к абразивному износу слоя с применением сварочных технологий состоит в необходимости предварительной подготовки поверхности, на которую должен быть нанесен указанный слой. Неправильно подготовленная поверхность приводит к охрупчиванию нанесенного материала. В то же время при нанесении ударным способом часто можно наблюдать охрупчивание фрагментов нанесенных материалов, что фактически приводит к сокращению срока службы.However, the use of modern technologies is expensive and time-consuming due to the costs of using two or more processes and a number of intermediate steps to produce the final part. Another important disadvantage of metal deposition and alloying technologies known in the art is the virtual inability or difficulty in applying layers or coatings that are resistant to abrasion wear in hard-to-reach places or on areas of complex shape, for example, curved pipes, castings with complex internal and external form. The deposited surfaces have a relatively high roughness, which in many cases actually limits the use of this group of methods in the production of wear-resistant elements of machines and devices. Another significant drawback in the manufacture of a layer resistant to abrasive wear using welding technologies is the need for preliminary preparation of the surface on which the specified layer is to be applied. An improperly prepared surface leads to embrittlement of the applied material. At the same time, when applied by impact, one can often observe the embrittlement of fragments of the applied materials, which actually leads to a reduction in service life.

Существуют и другие решения, известные в данной области техники, повышающие устойчивость к абразивному износу наружного слоя элементов машин и устройств, в которых композитные слои, армированные керамическими фазами, например, TiC, получают in situ непосредственно во время процесса литья. Такие решения состоят в нанесении покрытия, содержащего смесь порошков, субстраты реакции образования TiC и жидкость, то есть спирт, на полость пресс-формы, и затем такую пресс-форму подвергают сушке и заполняют жидким сплавом на основе железа. Указанный способ описан в польской заявке на патент PL414755 A. Такие решения позволяют создавать внутри отливки композитный слой, армированный овальными кристаллами или частицами TiC, однако данный слой, полученный с помощью указанного способа, не является сплошным и однородным и может иметь многочисленные дефекты в форме шероховатости, обусловленной присутствием газа. Такая проблема возникает вследствие явления фрагментации и выделения газа, которые сопровождают реакцию синтеза чистого TiC. Проблема газовыделения в ходе реакций СВС (самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) обсуждается в статье Щукина (Shchukin AS, Savchenko SG (2015). International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis, 24, pp. 227-30), в которой доказано, что в рамках первой реакции СВС с образованием TiC происходит быстрая дегазация прессованных порошков Ti и C вместе с выделением значительных объемов газов. Это приводит к капсулированию выделяющихся газов во время кристаллизации сплава в виде пузырьков, образующих шероховатость в зоне композитного слоя. Повышение температуры сплава в зоне реакции является результатом выделения тепловой энергии, которое сопровождает высокоэкзотермическую реакцию синтеза TiC, энтальпия образования такой фазы составляет -187 кДж/моль. Для сравнения, энтальпия образования WC составляет -32 кДж/моль, меди (Cu) только -13 кДж/моль. Вредное явление фрагментации обсуждается в международной заявке на патент WO 2017081665, касающейся получения in situ армированных TiC композитных зон внутри отливок. В указанной заявке описано, что реакционная инфильтрация во время синтеза TiC в присутствии жидкого сплава приводит к разделению фрагментов композитной зоны, которые затем смещаются в полость пресс-формы. В крайних случаях это влияет на полное разрушение локальной зоны армирования или приводит к увеличению объема матрицы за счет частиц TiC. Такое явление определяют как фрагментацию композитных зон. Наличие шероховатости и неравномерность смещения фаз, армированных внутри области композитного слоя, влияет на ухудшение твердости и устойчивости к абразивному износу.There are other solutions known in the art that increase the abrasive wear resistance of the outer layer of machine elements and devices, in which composite layers reinforced with ceramic phases, for example TiC, are produced in situ directly during the casting process. Such solutions consist of applying a coating containing a mixture of powders, TiC reaction substrates and a liquid, ie alcohol, to a mold cavity, and then the mold is dried and filled with a liquid iron-based alloy. This method is described in Polish patent application PL414755 A. Such solutions make it possible to create a composite layer inside the casting, reinforced with oval crystals or TiC particles, however, this layer obtained using this method is not continuous and homogeneous and may have numerous defects in the form of roughness caused by the presence of gas. This problem arises due to the fragmentation and gas evolution phenomena that accompany the synthesis reaction of pure TiC. The problem of gas evolution during SHS reactions (self-propagating high-temperature synthesis) is discussed in the article by Shchukin (Shchukin AS, Savchenko SG (2015). International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis , 24, pp. 227-30), in which it is proven that As part of the first SHS reaction with the formation of TiC, rapid degassing of the pressed Ti and C powders occurs along with the release of significant volumes of gases. This leads to encapsulation of the released gases during crystallization of the alloy in the form of bubbles, forming roughness in the area of the composite layer. The increase in the temperature of the alloy in the reaction zone is the result of the release of thermal energy that accompanies the highly exothermic reaction of TiC synthesis; the enthalpy of formation of such a phase is -187 kJ/mol. For comparison, the enthalpy of formation of WC is -32 kJ/mol, copper (Cu) is only -13 kJ/mol. The detrimental phenomenon of fragmentation is discussed in international patent application WO 2017081665 concerning the in situ production of TiC reinforced composite zones within castings. This application describes that reaction infiltration during the synthesis of TiC in the presence of a liquid alloy leads to the separation of fragments of the composite zone, which are then displaced into the mold cavity. In extreme cases, this affects the complete destruction of the local reinforcement zone or leads to an increase in the volume of the matrix due to TiC particles. This phenomenon is defined as fragmentation of composite zones. The presence of roughness and uneven displacement of phases reinforced within the area of the composite layer affects the deterioration of hardness and resistance to abrasive wear.

К существующему уровню техники также относится заявка на европейский патент EP 2334836 B1, в которой описан композиционный материал иерархической структуры, содержащий сплав на основе железа, армированный овальными частицами TiC в соответствии с заданной геометрией, при этом армированная часть включает чередующуюся макроструктуру миллиметровых зон, обогащенных микрометрическими агломератами сферических частиц TiC, разделенных миллиметровыми зонами, в основном не содержащими зон с микрометрическими сферическими TiC, при этом такие обогащенные микрометрические сферические частицы TiC образуют микроструктуру, в которой микрометрические зазоры между указанными сферическими частицами также заполнены сплавом на основе железа. Кроме того, в приведенной выше заявке описан способ производства путем литья композиционного материала иерархической структуры.The existing state of the art also includes European patent application EP 2334836 B1, which describes a composite material of a hierarchical structure containing an iron-based alloy reinforced with oval TiC particles in accordance with a given geometry, wherein the reinforced part includes an alternating macrostructure of millimeter zones enriched with micrometer ones. agglomerates of spherical TiC particles separated by millimeter-sized zones substantially free of zones of micrometric spherical TiC particles, wherein such enriched micrometric spherical TiC particles form a microstructure in which the micrometric gaps between said spherical particles are also filled with an iron-based alloy. In addition, the above application describes a method for producing a hierarchical structure composite material by casting.

В международной патентной заявке PCT/IB 2016/056825 описан материал и способ его производства, состоящий в получении композитных зон in situ в отливках путем применения субстратов реакции СВС, включающих регулятор в виде смеси металлических порошков. При таком решении регулятор действует как стабилизатор и предотвращает деструктивное явление фрагментации композитных зон, армированных TiC, и позволяет создать композитную матрицу с конкретными конструктивными свойствами. Указанное решение позволяет получать композитную зону с равномерным макроскопическим распределением частиц армирующей фазы, высоким сопротивлением износу и относительно низкой шероховатостью. Однако добавление регулятора, введенного в субстраты реакции, образующие карбиды, подвергающиеся реакции СВС, приводит к уменьшению их объема в полученной зоне, что, в свою очередь, фактически приводит к падению устойчивости к абразивному износу. Кроме того, в случае реакции образования WC добавление регулятора, содержащего Fe, вызывает образование хрупкой фазы eta, например, типа Fe2W2C. Таким образом, в способе согласно изобретению неожиданно были достигнуты результаты, подтверждающие возможность получения стабильных композитных зон на основе WC in situ в отливках, при этом добавление регулятора не требуется. Материал согласно изобретению содержит стабильную зону или композитный слой, армированный частицами и/или кристаллами карбида WC неожиданной характерной морфологии. Такая нетипичная морфология является причиной очень хорошего связывания частиц карбида с матрицей, что подтверждается наличием области неправильной овальной формы, содержащей сплав. Такие области образуются во время роста кристалла и/или частицы in situ в жидком сплаве и инкапсулируются, поглощаются растущим кристаллом и/или частицей и связаны с получением жидких растворов определенного состава во время реакции синтеза WC. Отсутствие добавления регулятора, содержащего Fe, резко ограничивает долю хрупких фаз типа eta, что влияет на очень высокое сопротивление износу и ударную вязкость такого материала. В то же время материал, полученный согласно изобретению, имеет очень низкий уровень микропористости, составляющий до 2% по объему, по сравнению с другими способами, известными в данной области. Это означает, что композиционный материал согласно изобретению обладает неожиданно высокой прочностью на изгиб и устойчивостью к абразивному износу.International patent application PCT/IB 2016/056825 describes a material and a method for its production, which consists of producing composite zones in situ in castings by using SHS reaction substrates, including a regulator in the form of a mixture of metal powders. With this solution, the regulator acts as a stabilizer and prevents the destructive phenomenon of fragmentation of TiC-reinforced composite zones, and allows the creation of a composite matrix with specific structural properties. This solution makes it possible to obtain a composite zone with a uniform macroscopic distribution of particles of the reinforcing phase, high wear resistance and relatively low roughness. However, the addition of a regulator introduced into the reaction substrates that form carbides undergoing the SHS reaction leads to a decrease in their volume in the resulting zone, which, in turn, actually leads to a decrease in resistance to abrasive wear. In addition, in the case of the WC formation reaction, the addition of a regulator containing Fe causes the formation of a brittle eta phase, for example of the Fe 2 W 2 C type. Thus, in the method according to the invention, unexpectedly, results were achieved confirming the possibility of obtaining stable composite zones based on WC in situ in castings, without the need to add a regulator. The material according to the invention contains a stable zone or composite layer reinforced with WC carbide particles and/or crystals of unexpected characteristic morphology. This atypical morphology is the reason for the very good bonding of the carbide particles to the matrix, as evidenced by the presence of an irregular oval shaped region containing the alloy. Such regions are formed during crystal and/or particle growth in situ in a liquid alloy and are encapsulated, absorbed by the growing crystal and/or particle and associated with the production of liquid solutions of a certain composition during the WC synthesis reaction. The absence of the addition of a Fe-containing regulator sharply limits the proportion of brittle phases of the eta type, which affects the very high wear resistance and toughness of such a material. At the same time, the material obtained according to the invention has a very low level of microporosity, amounting to 2% by volume, compared to other methods known in the field. This means that the composite material according to the invention has unexpectedly high flexural strength and abrasion resistance.

Целью настоящего изобретения является разработка композиционного материала, армированного частицами карбида вольфрама, который может характеризоваться повышенной твердостью и устойчивостью к абразивному износу в пределах рабочих поверхностей за счет обеспечения в нем равномерно распределенных твердых и износостойких кристаллов/частиц карбида вольфрама. В то же время в настоящем изобретении решена проблема фрагментации и высокой инфильтрации, которая сопровождает реакцию синтеза TiC in situ. Оба таких явления могут вызывать повреждение композитного слоя в случае полной фрагментации или значительно уменьшать содержание частиц TiC в зоне вследствие высокой степени инфильтрации, которую невозможно избежать физически из-за сильно экзотермического характера реакции синтеза TiC. Во время синтеза TiC in situ степень инфильтрации жидкого сплава в композитную зону можно ограничить путем применения определенных способов, однако конечный объем карбида TiC никогда не достигнет такого уровня, который можно достигнуть при применении соединений и способов согласно настоящему изобретению в случае карбида вольфрама. Это является техническим прогрессом в области получения стойких к истиранию композитных слоев и зон, армированных карбидом вольфрама, устойчивых в случае быстроизнашиваемых деталей машин, устройств и полуфабрикатов.An object of the present invention is to provide a tungsten carbide particle-reinforced composite material that can exhibit increased hardness and abrasion resistance within the working surfaces by providing uniformly distributed hard and wear-resistant tungsten carbide crystals/particles therein. At the same time, the present invention solves the problem of fragmentation and high infiltration that accompanies the TiC in situ synthesis reaction. Both such phenomena can cause damage to the composite layer in the event of complete fragmentation or significantly reduce the content of TiC particles in the zone due to a high degree of infiltration, which cannot be physically avoided due to the highly exothermic nature of the TiC synthesis reaction. During in situ synthesis of TiC, the degree of infiltration of liquid alloy into the composite zone can be limited by the use of certain techniques, but the final volume of TiC carbide will never reach the level that can be achieved using the compounds and methods of the present invention in the case of tungsten carbide. This is a technical advance in the field of obtaining abrasion-resistant composite layers and zones reinforced with tungsten carbide, resistant to wear parts of machines, devices and semi-finished products.

Согласно настоящему изобретению также предложены способы получения композиционных материалов, армированных частицами карбида вольфрама определенной морфологии. Решение согласно настоящему изобретению состоит в получении in situ, т.е. непосредственно в пресс-форме в рамках одностадийного процесса, композитных материалов, армированных равномерно распределенными частицами и/или кристаллами карбида вольфрама или смесью карбидов вольфрама различных типов, что устраняет перечисленные выше недостатки.The present invention also provides methods for producing composite materials reinforced with tungsten carbide particles of a specific morphology. The solution according to the present invention is to obtain in situ , i.e. directly in the mold in a one-step process, composite materials reinforced with uniformly distributed particles and/or crystals of tungsten carbide or a mixture of different types of tungsten carbides, which eliminates the disadvantages listed above.

Целью настоящего изобретения является композиционный материал на основе полученных in situ сплавов, в частности, сплавов на основе железа, армированных карбидом вольфрама в форме кристаллов и/или частиц, который можно охарактеризовать тем, что микроструктура указанного композиционного материала внутри композитного слоя и/или композитной зоны содержит ограненные кристаллы и/или частицы карбида вольфрама, обеспечивающие равномерное макроскопическое и микроскопическое распределение, при этом такие кристаллы и/или частицы карбида вольфрама содержат нано- и/или микрообласти неправильной и/или круглой и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла.The object of the present invention is a composite material based on in situ alloys, in particular iron-based alloys reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles, which can be characterized by the fact that the microstructure of said composite material within the composite layer and/or composite zone contains faceted crystals and/or particles of tungsten carbide, providing uniform macroscopic and microscopic distribution, while such crystals and/or particles of tungsten carbide contain nano- and/or micro-regions of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy .

Нано- и/или микрозоны неправильной и/или круглой и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла, предпочтительно расположены во внутренней части кристаллов и/или частиц карбида вольфрама, а в наружной части, вблизи стенок, их структура является однородной, при этом указанные кристаллы и/или частицы образуются in situ внутри жидкого сплава и присутствуют в матрице, при этом указанная матрица образуется после процесса кристаллизации сплава.Nano- and/or microzones of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy, are preferably located in the inner part of the tungsten carbide crystals and/or particles, and in the outer part, near the walls, their structure is uniform, with wherein said crystals and/or particles are formed in situ within the liquid alloy and are present in a matrix, said matrix being formed after the alloy crystallization process.

Объем карбида вольфрама по меньшей мере одного типа в композиционном материале предпочтительно составляет от 15 до 90% по объему, в частности, от 25 до 75% по объему.The volume of at least one type of tungsten carbide in the composite material is preferably from 15 to 90% by volume, in particular from 25 to 75% by volume.

Размер кристаллов и/или частиц карбида вольфрама в композиционном материале согласно настоящему изобретению предпочтительно составляет от 0,5 до 30 мкм.The size of the crystals and/or particles of tungsten carbide in the composite material according to the present invention is preferably from 0.5 to 30 μm.

В области карбида вольфрама в композиционном материале согласно настоящему изобретению размер областей, заполненных металлом или сплавом, предпочтительно составляет от 0,1 до 4,5 мкм.In the tungsten carbide region of the composite material according to the present invention, the size of the regions filled with metal or alloy is preferably from 0.1 to 4.5 μm.

Композиционный материал согласно настоящему изобретению предпочтительно включает дополнительные типы карбида вольфрама или бориды, подвергающиеся самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности, TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 или их смеси, за исключением для SiC, который термодинамически нестабилен в сплавах на основе железа и растворяется в них.The composite material of the present invention preferably includes additional types of tungsten carbide or borides undergoing a self-propagating high temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB 2 or mixtures thereof, except for SiC, which is thermodynamically is unstable in iron-based alloys and dissolves in them.

Предметом настоящего изобретения также является смесь порошков для получения композиционного материала согласно настоящему изобретению, содержащая вольфрам в диапазоне от 90 до 97% масс. и углерод, в частности, в форме высокочистого углерода или другого носителя с высоким содержанием углерода или их смесей, в диапазоне от 3 до 10% масс., предпочтительно вольфрам в диапазоне от 93 до 95% масс., и углерод в диапазоне от 5 до 7% масс., предпочтительно вольфрам в количестве примерно 94% масс. и углерод в форме графита в количестве примерно 6% масс.The subject of the present invention is also a mixture of powders for obtaining a composite material according to the present invention, containing tungsten in the range from 90 to 97% by weight. and carbon, in particular in the form of high purity carbon or other high carbon content carrier or mixtures thereof, in the range of 3 to 10 wt.%, preferably tungsten in the range of 93 to 95 wt.%, and carbon in the range of 5 to 95 wt.% 7% wt., preferably tungsten in an amount of about 94% wt. and carbon in the form of graphite in an amount of about 6% by weight.

Настоящее изобретение также включает смесь порошков для получения композиционного материала согласно настоящему изобретению, содержащую:The present invention also includes a mixture of powders for obtaining a composite material according to the present invention, containing:

а) вольфрамовый порошок, в частности, в форме микрокристаллического порошка или агломератов наночастиц или другого носителя с высоким содержанием вольфрама,a) tungsten powder, in particular in the form of microcrystalline powder or nanoparticle agglomerates or other carrier with a high tungsten content,

б) углеродный порошок, в частности, в форме графита или другого носителя с высоким содержанием углерода или их смесей, иb) carbon powder, in particular in the form of graphite or other high carbon content carrier or mixtures thereof, and

c) катализатор в форме субстратов реакций образования углерода, отличных от WC, или борида, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности, TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 или их смеси, за исключением SiC.c) a catalyst in the form of substrates for carbon formation reactions other than WC or boride which undergo a self-propagating high temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB 2 or mixtures thereof, excluding SiC .

Согласно такому аспекту объектом настоящего изобретения также является способ получения композиционного материала в форме композитного слоя, включающий следующие стадии:According to such an aspect, the present invention also provides a method for producing a composite material in the form of a composite layer, comprising the following steps:

а) нанесение на полость или стержень пресс-формы, в частности, песчаный стержень, реакционноспособного жидкого литейного покрытия, содержащего смесь порошков согласно настоящему изобретению и носитель,a) applying to the mold cavity or core, in particular the sand core, a reactive liquid casting coating containing a mixture of powders according to the present invention and a carrier,

б) сушку, в частности, при температуре, равной или выше 100°C,b) drying, in particular at a temperature equal to or above 100°C,

c) заливку полости литейной пресс-формы сплавом, в частности, сплавом на основе железа, при этом тепло, поступающее от жидкого сплава в форме высокой температуры, обеспечивает энергию, необходимую для инициирования реакции in situ керамической фазы в форме карбида вольфрама по меньшей мере одного типа или карбида вольфрама с добавлением карбидов других типов, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза и представляют собой катализатор реакции синтеза карбида вольфрама.c) filling the cavity of the casting mold with an alloy, in particular an iron-based alloy, wherein the heat supplied from the liquid alloy in the form of high temperature provides the energy necessary to initiate an in situ reaction of a ceramic phase in the form of tungsten carbide of at least one type or tungsten carbide with the addition of other types of carbides, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction and constitute a catalyst for the tungsten carbide synthesis reaction.

В способе согласно настоящему изобретению носитель предпочтительно представляет собой раствор растворителя с добавлением полимера, более предпочтительно растворитель представляет собой спирт, в частности, этиловый спирт, и наиболее предпочтительно полимер представляет собой смолу с низкой способностью к газообразованию, в частности, канифоль.In the method of the present invention, the carrier is preferably a solvent solution with added polymer, more preferably the solvent is an alcohol, in particular ethyl alcohol, and most preferably the polymer is a low gassing resin, in particular rosin.

В способе согласно настоящему изобретению поверхностная плотность реакционноспособного литого покрытия предпочтительно составляет от 0,29 до 2 г/см2, более предпочтительно от 0,29 до 0,6 г/см2, наиболее предпочтительно она составляет 0,5 г/см2.In the method of the present invention, the surface density of the reactive cast coating is preferably 0.29 to 2 g/cm 2 , more preferably 0.29 to 0.6 g/cm 2 , most preferably it is 0.5 g/cm 2 .

В способе согласно настоящему изобретению процентная доля порошковой смеси, представляющей собой субстраты реакции, образующие карбид вольфрама, относительно носителя предпочтительно составляет от 6:1 до 1:1, более предпочтительно 4:1.In the method of the present invention, the percentage of the powder mixture representing the reaction substrates forming tungsten carbide relative to the support is preferably 6:1 to 1:1, more preferably 4:1.

Согласно другому аспекту объектом настоящего изобретения также является способ получения композиционного материала в форме композитной зоны, включающий следующие стадии:According to another aspect, the present invention also provides a method for producing a composite material in the form of a composite zone, comprising the following steps:

а) получение порошковой смеси согласно настоящему изобретению,a) obtaining a powder mixture according to the present invention,

б) прессование порошковой смеси в форме формовочной пластины, которая может иметь различную форму, предпочтительно гранул, брикетов, преформ или прессовок,b) pressing the powder mixture into the form of a forming plate, which can have various shapes, preferably granules, briquettes, preforms or compacts,

в) введение по меньшей мере одной литейной прессовки в полость литейной пресс-формы с помощью крепежных элементов,c) introducing at least one casting compact into the cavity of the casting mold using fasteners,

г) заливку полости литейной пресс-формы сплавом, в частности, сплавом на основе железа, при этом тепло, поступающее от жидкого сплава в форме высокой температуры, обеспечивает энергию, необходимую для инициирования реакции in situ керамической фазы в форме карбида вольфрама по меньшей мере одного типа или карбида вольфрама с добавлением карбидов других типов, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза и представляют собой катализатор реакции синтеза карбида вольфрама.d) filling the cavity of the casting mold with an alloy, in particular an iron-based alloy, wherein the heat supplied from the liquid alloy in the form of high temperature provides the energy necessary to initiate an in situ reaction of a ceramic phase in the form of tungsten carbide of at least one type or tungsten carbide with the addition of other types of carbides, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction and constitute a catalyst for the tungsten carbide synthesis reaction.

Давление прессования реагентов предпочтительно составляет от 100 до 650 МПа, предпочтительно от 250 до 600 МПа, наиболее предпочтительно от 460 до 550 МПа, в частности, при обеспечении указанного давления путем применения способов прессования, в частности, путем применения холодного изостатического прессования, одно- или двухосного холодного прессования.The pressing pressure of the reactants is preferably from 100 to 650 MPa, preferably from 250 to 600 MPa, most preferably from 460 to 550 MPa, in particular by ensuring said pressure by using pressing methods, in particular by using cold isostatic pressing, single or biaxial cold pressing.

Настоящее изобретение также относится к литому конструктивному элементу, содержащему композиционный материал согласно настоящему изобретению или полученному согласно настоящему изобретению.The present invention also relates to a cast structural member containing a composite material according to the present invention or obtained according to the present invention.

Одним из наиболее распространенных способов получения композитов in situ является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Указанный способ представляет собой основной способ получения композиционных материалов в порошковой металлургии. Однако, несмотря на многие преимущества, в том числе низкое количество подводимой энергии, необходимое для инициирования синтеза керамических фаз, и высокий выход, полученные продукты характеризуются высокой степенью пористости, что значительно ухудшает механические и эксплуатационные свойства промышленных продуктов. Поэтому были проведены исследования, направленные на связывание способа СВС с традиционными технологиями литья, в которых фактором инициирования реакции синтеза является высокая температура жидкого литейного сплава, заливаемого в полость пресс-формы. Применение таких комбинированных способов позволяет получать продукты, лишенные дефектов литья, которые могут характеризоваться очень хорошим связыванием на границе керамической и матричной фаз, не содержащие включений, шероховатости и обладающие хорошими механическими свойствами, и в то же время произведенные в рамках одностадийного технологического процесса. В результате такой исследовательской работы неожиданно был произведен композиционный материал, армированный частицами карбида вольфрама, полученный способом согласно настоящему изобретению путем применения жидких реакционноспособных покрытий и реакционноспособных литейных прессовок.One of the most common methods for producing composites in situ is self-propagating high-temperature synthesis (SHS). This method is the main method for producing composite materials in powder metallurgy. However, despite many advantages, including low energy input required to initiate the synthesis of ceramic phases and high yield, the resulting products are characterized by a high degree of porosity, which significantly impairs the mechanical and performance properties of industrial products. Therefore, studies were carried out aimed at linking the SHS method with traditional casting technologies, in which the factor initiating the synthesis reaction is the high temperature of the liquid casting alloy poured into the mold cavity. The use of such combined methods makes it possible to obtain products free of casting defects, which can be characterized by very good binding at the interface of the ceramic and matrix phases, free of inclusions, roughness and good mechanical properties, and at the same time produced in a single-stage technological process. As a result of such research work, a composite material reinforced with tungsten carbide particles was unexpectedly produced by the method of the present invention by using liquid reactive coatings and reactive casting compacts.

В случае композитных слоев технологический способ их получения включает получение реакционноспособного литейного покрытия, содержащего реагенты, образующие керамическую фазу в форме карбида вольфрама или карбида вольфрама с добавлением других реагентов, подвергающихся реакции СВС. Подвод тепла, необходимого для протекания реакции синтеза керамической фазы in situ, обеспечивают за счет введения жидкого литейного сплава в полость пресс-формы. Высокая температура жидкого металла способствует реакции СВС карбида вольфрама в области композитного слоя/покрытия. Композитная зона армирования, полученная in situ в форме композитного слоя, может характеризоваться микроструктурой в виде частиц или кристаллов карбида вольфрама характерной морфологии. Они отделены друг от друга участками матрицы, образованными после кристаллизации жидкого сплава, залитого в полость пресс-формы. Такое явление является результатом реакционной инфильтрации реакционноспособного покрытия, нанесенного на полость пресс-формы с применением жидкого литейного сплава.In the case of composite layers, the technological method for their production involves the production of a reactive cast coating containing reagents that form a ceramic phase in the form of tungsten carbide or tungsten carbide with the addition of other reagents that undergo an SHS reaction. The heat supply required for the in situ synthesis reaction of the ceramic phase is provided by introducing a liquid casting alloy into the mold cavity. The high temperature of the liquid metal promotes the SHS reaction of tungsten carbide in the area of the composite layer/coating. The composite reinforcement zone, obtained in situ in the form of a composite layer, can be characterized by a microstructure in the form of particles or crystals of tungsten carbide with a characteristic morphology. They are separated from each other by sections of the matrix formed after crystallization of the liquid alloy poured into the cavity of the mold. This phenomenon is the result of reaction infiltration of a reactive coating applied to the mold cavity using liquid casting alloy.

Согласно настоящему изобретению также имеется способ получения композиционного материала, армированного частицами карбида вольфрама, путем применения реакционноспособных литейных прессовок. По меньшей мере одну прессовку вставляют на место полости пресс-формы, которая в реальных условиях будет служить зоной литья, локально армированной композитной зоной. Реакцию синтеза керамической фазы в форме частиц карбида вольфрама инициируют посредством высокой температуры литейного сплава. Подвод достаточного количества тепла способствует инициированию реакции СВС карбида вольфрама в области прессовки. Композитная зона армирования, изготовленная in situ в форме композитной зоны, может характеризоваться однородной микроструктурой в виде частиц или кристаллов карбида вольфрама характерной морфологии, расположенных внутри матрицы на основе сплава, в частности, сплава на основе железа с углеродом и другими элементами. Однако объем керамической фазы значительно больше по сравнению с композитным слоем. Такой слой получают путем нанесения жидкого реакционноспособного покрытия без применения высокого давления, что приводит к увеличению плотности порошка реагентов. Это влияет на меньшую долю кристаллов WC после реакции синтеза и кристаллизации сплава в композитном слое согласно настоящему изобретению. Композитная зона, армированная карбидом вольфрама или карбидами и/или боридами других типов, подвергающимися реакции СВС, содержит матрицу, при этом указанная матрица образуется после кристаллизации сплава и является следствием контролируемого процесса реакционной инфильтрации, которая протекает во время реакции синтеза. Управляемый процесс инфильтрации согласно настоящему изобретению осуществляют путем подходящего выбора давления и способа прессования порошков, их формы и химического состава смеси порошков. В пределах состава указанной смеси катализатор в форме субстратов реакции, образующих карбиды и бориды других типов, добавляют к субстратам реакции, образующим карбид вольфрама в подходящей стехиометрии. Такие параметры, как давление прессования порошков, форма прессованных порошков, химический состав смеси порошков, представляют собой параметры, которые позволяют создавать композитные зоны in situ в литых деталях машин, устройств и полуфабрикатов различной формы и массы.According to the present invention, there is also a method for producing a composite material reinforced with tungsten carbide particles by using reactive casting compacts. At least one compact is inserted into the mold cavity, which in actual conditions will serve as a casting zone, locally reinforced with a composite zone. The synthesis reaction of the ceramic phase in the form of tungsten carbide particles is initiated by high temperature of the casting alloy. The supply of a sufficient amount of heat helps initiate the SHS reaction of tungsten carbide in the pressing area. A composite reinforcement zone fabricated in situ in the form of a composite zone may be characterized by a uniform microstructure in the form of tungsten carbide particles or crystals of characteristic morphology located within an alloy-based matrix, in particular an iron-based alloy with carbon and other elements. However, the volume of the ceramic phase is significantly larger compared to the composite layer. Such a layer is obtained by applying a liquid reactive coating without the use of high pressure, which leads to an increase in the density of the reagent powder. This affects a smaller proportion of WC crystals after the synthesis reaction and crystallization of the alloy in the composite layer according to the present invention. The composite zone, reinforced with tungsten carbide or other types of carbides and/or borides undergoing the SHS reaction, contains a matrix, wherein said matrix is formed after crystallization of the alloy and is a consequence of the controlled process of reaction infiltration that occurs during the synthesis reaction. The controlled infiltration process according to the present invention is carried out by appropriately selecting the pressure and method of pressing the powders, their shape and the chemical composition of the powder mixture. Within the composition of this mixture, the catalyst in the form of reaction substrates forming carbides and borides of other types is added to the reaction substrates forming tungsten carbide in a suitable stoichiometry. Parameters such as the pressing pressure of the powders, the shape of the pressed powders, and the chemical composition of the powder mixture are parameters that make it possible to create composite zones in situ in cast parts of machines, devices and semi-finished products of various shapes and weights.

Смесь порошков, представляющих собой субстраты реакции, образующие карбид вольфрама, получают при заданной стехиометрии. Предпочтительной является смесь порошков, в которой массовая доля вольфрама составляет от 90 до 96%, а остаток находится в форме графита или носителя с высоким содержанием углерода или их смесей. Более предпочтительно, смесь порошков, представляющих собой субстраты для получения карбида вольфрама, содержит примерно 94% масс. вольфрама и примерно 6% масс. углерода в форме графита или другого носителя с высоким содержанием углерода или их смесей. Полученные смеси порошков подвергают процессу гомогенизации для обеспечения однородности свойств по всему объему смеси. На следующей стадии их подвергают сушке, предпочтительно при температуре по меньшей мере 100°C, для удаления спирта и влаги, абсорбированной на поверхности порошков. В зависимости от выбранного способа получения материала, армированного частицами WC, они представляют собой базовый материал для изготовления реакционноспособных литейных покрытий и литейных прессовок.A mixture of powders representing reaction substrates that form tungsten carbide is obtained at a given stoichiometry. Preferred is a mixture of powders in which the mass fraction of tungsten is from 90 to 96%, and the remainder is in the form of graphite or a carrier with a high carbon content or mixtures thereof. More preferably, the mixture of powders representing substrates for the production of tungsten carbide contains approximately 94% of the mass. tungsten and approximately 6% wt. carbon in the form of graphite or other high carbon content carrier or mixtures thereof. The resulting powder mixtures are subjected to a homogenization process to ensure uniform properties throughout the entire volume of the mixture. In the next step, they are dried, preferably at a temperature of at least 100°C, to remove alcohol and moisture absorbed on the surface of the powders. Depending on the chosen method for producing material reinforced with WC particles, they represent the base material for the production of reactive casting coatings and casting compacts.

Термин «реакционноспособное литейное покрытие» означает смесь порошков, содержащих субстраты реакций образования карбидов и/или боридов, которые подвергаются реакции СВС, компоненты которой находятся в виде порошков графита и вольфрама и носителя. Помимо порошков вольфрама и графита и носителя реакционноспособное покрытие предпочтительно может содержать и другие добавки в форме субстратов реакции, образующих карбид титана или другие карбиды и/или бориды, за исключением SiC. Технологический процесс получения композиционного материала с нанесением реакционноспособных литых покрытий включает: приготовление навески порошка субстратов, образующих керамическую фазу, гомогенизированного по всему объему; затем в порошковую смесь добавляют спиртовой раствор с добавлением полимера, например, канифоли, который используют в качестве сохнущего на воздухе клеящего агента и который влияет на физические, химические и технологические свойства покрытий; далее по меньшей мере один слой полученной композиции, представляющий собой литое покрытие, наносят на литой стержень или в полость литейной пресс-формы с помощью кисти, погружения или распыления, при этом на начальной стадии процесса каждый из нанесенных слоев или все вместе высушивают для удаления продуктов термического разложения примененного растворителя и добавок. Затем полость литейной пресс-формы без литейного стержня или с литейным стержнем заполняют выбранным материалом из группы сплавов на основе железа, содержащих углерод и другие элементы, предпочтительно с химическим составом чугунов и литых сталей, однако реакцию синтеза кондиционируют с помощью подходящей температуры основного сплава и подходящей конструкции наполнительного устройства. Аналогичным образом, вместо применения сплавов на основе железа можно использовать другие сплавы, в том числе предпочтительные литейные сплавы, например, на основе кобальта или никеля, в которых может быть инициирована указанная реакция синтеза. Ключевым параметром такого процесса является тепловой баланс между реакционноспособным литейным покрытием, нанесенным на полость и/или стержень пресс-формы, содержащим порошки субстратов реакции образования WC, и жидким сплавом в отливке и его выбором с тем, чтобы количество тепла обеспечивало инициирование реакции. При недостаточном количестве тепла в полости пресс-формы реакция синтеза WC не начинается и в отливке не образуется композитный слой, армированный WC. Параметр теплового баланса следует определять экспериментально или эмпирически для данного типа отливки указанной массы и формы. Применение катализатора в форме субстратов реакции образования TiC с заданной процентной долей предназначено для поддержания протекания реакции синтеза WC, увеличения количества генерируемой энергии во время реакции, что фактически обеспечивает возможность создания более толстых слоев и лучшего связывания с конструктивными элементами в результате инфильтрации. Количество субстратов реакции, образующих TiC, в качестве катализатора реакции, образующего WC, необходимо выбрать экспериментально или эмпирически для данной формы или массы отливки. Роль катализатора могут играть субстраты реакции, образующие карбид, отличный от TiC, или борид, подвергающиеся самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности, TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2. Из карбидов SiC не может быть катализатором, поскольку он, помимо прочего, термодинамически нестабилен для группы сплавов на основе железа.The term "reactive cast coating" means a mixture of powders containing substrates of carbide and/or boride formation reactions that undergo a SHS reaction, the components of which are in the form of graphite and tungsten powders and a carrier. In addition to tungsten and graphite powders and the carrier, the reactive coating may preferably contain other additives in the form of reaction substrates forming titanium carbide or other carbides and/or borides other than SiC. The technological process for producing a composite material with the application of reactive cast coatings includes: preparing a sample of powdered substrates forming the ceramic phase, homogenized throughout the entire volume; then an alcohol solution with the addition of a polymer, for example rosin, is added to the powder mixture, which is used as an air-drying adhesive and which affects the physical, chemical and technological properties of the coatings; then at least one layer of the resulting composition, which is a cast coating, is applied to the cast core or into the cavity of the casting mold by brush, dipping or spraying, while at the initial stage of the process each of the applied layers or all of them is dried to remove products thermal decomposition of the used solvent and additives. The cavity of the casting mold, without or with a casting core, is then filled with a selected material from a group of iron-based alloys containing carbon and other elements, preferably with the chemistry of cast irons and cast steels, but the synthesis reaction is conditioned by a suitable temperature of the base alloy and a suitable filling device design. Likewise, instead of using iron-based alloys, other alloys can be used, including preferred casting alloys, for example, cobalt-based or nickel-based, in which the synthesis reaction can be initiated. A key parameter in such a process is the heat balance between the reactive casting coating applied to the mold cavity and/or core containing the WC reaction substrate powders and the liquid alloy in the casting and its selection so that the amount of heat is sufficient to initiate the reaction. If there is insufficient heat in the mold cavity, the WC synthesis reaction does not begin and a WC-reinforced composite layer does not form in the casting. The heat balance parameter should be determined experimentally or empirically for a given type of casting of the specified mass and shape. The use of a catalyst in the form of TiC formation reaction substrates at a given percentage is intended to keep the WC synthesis reaction going, increasing the amount of energy generated during the reaction, which effectively allows for thicker layers and better bonding to structural components through infiltration. The amount of TiC-forming reaction substrates as a WC-forming reaction catalyst must be selected experimentally or empirically for a given casting shape or weight. The role of a catalyst can be played by reaction substrates that form a carbide other than TiC, or a boride that undergoes a self-propagating high-temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB 2 . Of the carbides, SiC cannot be a catalyst because, among other things, it is thermodynamically unstable for the group of iron-based alloys.

Параметр, определяющий количество литейного покрытия, нанесенного на полость или литейный стержень литейной пресс-формы, представляет собой поверхностную плотность, которую следует понимать как массу литого покрытия к площади, выраженную в г/см2. Поверхностная плотность нанесенного реакционноспособного литого покрытия согласно настоящему изобретению составляет от 0,29 г/см2 до 2 г/см2, предпочтительно от 0,29 до 0,6 г/см2, наиболее предпочтительно 0,5 г/см2.The parameter that determines the amount of cast coating applied to the cavity or core of a casting mold is the areal density, which should be understood as the mass of cast coating to area, expressed in g/cm 2 . The area density of the applied reactive cast coating according to the present invention is from 0.29 g/cm 2 to 2 g/cm 2 , preferably from 0.29 to 0.6 g/cm 2 , most preferably 0.5 g/cm 2 .

Массовая доля порошковой смеси, представляющей субстраты реакции образования карбида вольфрама, составляет от 1 до 6 частей по массе на 1 часть по массе носителя. Более предпочтительно, массовое отношение смеси, представляющей субстраты реакции образования карбида вольфрама, к носителю составляет 4:1.The mass fraction of the powder mixture representing the substrates for the formation of tungsten carbide is from 1 to 6 parts by weight per 1 part by weight of the carrier. More preferably, the weight ratio of the mixture representing the tungsten carbide formation reaction substrates to the support is 4:1.

Указанный носитель был разработан для увеличения адгезии покрытия к полости литейной пресс-формы. Носитель может представлять собой раствор связующего вещества в форме полимера с низкой степенью способности к газообразованию в растворителе в форме спирта с процентной концентрацией от 1 до 10% масс. Наилучшие результаты были достигнуты с носителем, состоящим из 10% раствора канифоли с этиловым спиртом. Применение материалов, характеризующихся низкой степенью газовыделения при термическом разложении, предотвращает образование пористости в области композитного слоя.This carrier was developed to increase the adhesion of the coating to the cavity of the casting mold. The carrier may be a solution of a binder in the form of a low-gassing polymer in a solvent in the form of an alcohol with a percentage concentration of from 1 to 10% by weight. The best results were achieved with a carrier consisting of a 10% solution of rosin with ethyl alcohol. The use of materials characterized by a low degree of gas evolution during thermal decomposition prevents the formation of porosity in the area of the composite layer.

Формовочная пластина представляет собой прессованную под давлением смесь субстратов карбида вольфрама в форме графита или вольфрама. Технологический процесс получения композиционного материала с применением вставки включает: приготовление навески порошков субстратов, образующих керамическую фазу типа MeC, гомогенизированную по всему объему, где Me представляет собой металл, C представляет собой углерод, затем такую навеску порошков подвергают холодному прессованию с применением одноосных прессов или способу изостатического прессования, при котором изготовленную по меньшей мере одну формовочную пластину подходящих размеров вставляют в полость или на стержень литейной пресс-формы с применением элементов крепежной системы в форме гвоздей, болтов, металлических сеток, что приводит к объединению всей системы в процессе литья. Наконец, полученную литейную пресс-форму без/со стержнем заполняют выбранным литейным сплавом, наиболее предпочтительно из группы на основе Fe, при этом реакцию синтеза кондиционируют с помощью ​​подходящей температуры и подходящей структуры наполнительного устройства. Применение добавок в форме субстратов, образующих TiC, предназначено для поддержания реакции синтеза WC путем подачи дополнительной энергии в форме теплоты реакции синтеза TiC. Выбор количества добавок зависит от массы, формы отливки и основного сплава и каждый раз должен быть установлен экспериментально для обеспечения требуемой энергии внутри отливки, необходимой для инициирования реакции синтеза. Согласно настоящему изобретению литейную пресс-форму вместе с установленной в ней прессовкой после заполнения жидким сплавом рассматривают как реактор синтеза карбидов in situ.The forming plate is a pressure-pressed mixture of tungsten carbide substrates in the form of graphite or tungsten. The technological process for producing a composite material using an insert includes: preparing a sample of substrate powders forming a ceramic phase of the MeC type, homogenized throughout the entire volume, where Me is metal, C is carbon, then such a sample of powders is subjected to cold pressing using uniaxial presses or a method isostatic pressing, in which a manufactured at least one molding plate of suitable dimensions is inserted into the cavity or core of a casting mold using elements of a fastening system in the form of nails, bolts, metal mesh, which leads to the integration of the entire system during the casting process. Finally, the resulting casting mold without/with a core is filled with a selected casting alloy, most preferably from the Fe-based group, while the synthesis reaction is conditioned using a suitable temperature and a suitable structure of the filling device. The use of additives in the form of TiC forming substrates is intended to support the WC synthesis reaction by supplying additional energy in the form of heat of the TiC synthesis reaction. The choice of the amount of additives depends on the mass, shape of the casting and the base alloy and must be determined experimentally each time to provide the required energy within the casting necessary to initiate the fusion reaction. According to the present invention, the casting mold together with the compact installed therein after filling with liquid alloy is considered as an in situ carbide synthesis reactor.

Настоящее изобретение представлено в вариантах реализации, не ограничивающих область охранительного действия настоящего изобретения, и изображено на следующих фигурах, на которых:The present invention is presented in embodiments that do not limit the scope of the protective action of the present invention, and is depicted in the following figures, in which:

На фиг. 1 показан слой (a) композиционного материала (b) с кристаллами/частицами карбида вольфрама внутри матрицы на основе сплава на основе железа характерной морфологии (c), содержащими область, заполненную сплавом, находящуюся во внутренней части кристалла (область I), и область, не содержащую участков, заполненных сплавом, в наружной части кристалла (область II), полученный с применением реакционноспособного литого покрытия in situ,In fig. 1 shows a layer (a) of a composite material (b) with tungsten carbide crystals/particles within an iron-based alloy matrix of characteristic morphology (c), containing an alloy-filled region located in the interior of the crystal (region I), and a region free of alloy-filled areas in the outer part of the crystal (region II), obtained using an in situ reactive cast coating,

На фиг. 2 показано поперечное сечение стержня, представляющего собой элемент литейной пресс-формы для изготовления отливки корпуса насоса с нанесенным реакционноспособным литейным покрытием (а), и схема корпуса насоса (b) с полученным in situ композитным слоем, армированным карбидом вольфрама характерной морфологии, а также схемы, относящиеся к тавровой балке (c, d),In fig. Figure 2 shows a cross-section of a rod representing an element of a casting mold for the manufacture of a casting of a pump casing with an applied reactive casting coating (a), and a diagram of a pump casing (b) with a composite layer obtained in situ , reinforced with tungsten carbide of a characteristic morphology, as well as diagrams , related to the T-beam (c, d),

На фиг. 3 показана характерная морфология ограненного кристалла карбида вольфрама внутри слоя, в том числе области неправильной овальной формы, заполненные сплавом на основе металла;In fig. Figure 3 shows the characteristic morphology of a faceted tungsten carbide crystal within the layer, including irregular oval shaped areas filled with a metal-based alloy;

На фиг. 4 показаны гистограммы распределения частиц/кристаллов карбида вольфрама по размерам, а также размеры областей, заполненных сплавом, внутри области отдельных частиц/кристаллов карбида вольфрама.In fig. Figure 4 shows histograms of the size distribution of tungsten carbide particles/crystals, as well as the sizes of the alloy-filled regions within the region of individual tungsten carbide particles/crystals.

На фиг. 5 показана микроструктура поперечного сечения композитного слоя, полученного in situ в отливке, армированного частицами/кристаллами карбида вольфрама, вместе с выбранными увеличенными участками.In fig. Figure 5 shows the cross-sectional microstructure of an in situ cast composite layer reinforced with tungsten carbide particles/crystals, along with selected enlarged areas.

На фиг. 6 показаны типичные микроструктуры слоя с композитом с определенным поверхностным содержанием керамической фазы, т.е. карбида вольфрама, матрица композитного слоя и поверхностное содержание графита, представляющего собой компонент серого чугуна, применяемого для получения отливки.In fig. Figure 6 shows typical microstructures of a layer with a composite with a certain surface content of the ceramic phase, i.e. tungsten carbide, the matrix of the composite layer and the surface content of graphite, which is a component of gray cast iron used to produce the casting.

На фиг. 7 показана микроструктура композитного слоя, а также средний размер частиц карбида вольфрама, определенный как две его диагонали, пересекающиеся под прямым углом,In fig. Figure 7 shows the microstructure of the composite layer, as well as the average particle size of tungsten carbide, defined as its two diagonals intersecting at right angles,

На фиг. 8 показаны фотографии отливки из серого чугуна с композитным слоем, изготовленным in situ, полученным с применением различных поверхностных плотностей литейного реакционноспособного покрытия согласно настоящему изобретению.In fig. 8 shows photographs of a gray iron casting with an in situ composite layer produced using various surface densities of the casting reactive coating according to the present invention.

На фиг. 9 показана микроструктура композитного слоя in situ, полученного с применением смеси реагентов реакции, образующих карбид двух типов (вольфрама и титана), подвергающихся самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза.In fig. Figure 9 shows the microstructure of a composite layer in situ obtained using a mixture of reaction reagents forming two types of carbide (tungsten and titanium) undergoing a self-propagating high-temperature synthesis reaction.

На фиг. 10 показано поверхностное содержание отдельных фаз, представляющих собой микроструктуру композитного слоя in situ, полученного с применением смеси субстратов реакции, образующих карбид двух типов (вольфрама и титана), подвергающихся самораспространяющемуся высокотемпературному синтезу,In fig. Figure 10 shows the surface content of individual phases representing the microstructure of a composite layer in situ , obtained using a mixture of reaction substrates that form two types of carbide (tungsten and titanium), undergoing self-propagating high-temperature synthesis,

На фиг. 11 показаны фотографии полостей литейных пресс-форм с реакционноспособными литейными покрытиями, нанесенными на их поверхности для синтеза in situ композитных слоев, армированных карбидом вольфрама.In fig. 11 shows photographs of casting mold cavities with reactive casting coatings applied to their surfaces for in situ synthesis of tungsten carbide reinforced composite layers.

На фиг. 12 показано влияние поверхностной плотности реакционноспособного литого покрытия на макроструктуру полученного in situ композитного слоя, армированного карбидом вольфрама, при отливке слябов разной толщины.In fig. Figure 12 shows the effect of the surface density of the reactive cast coating on the macrostructure of the in situ produced tungsten carbide reinforced composite layer when casting slabs of different thicknesses.

На фиг. 13 показана микроструктура композиционного материала при применении реакционноспособной прессовки (а) в отливке из литой стали, содержащего кристаллы карбида характерной морфологии (b), содержащие области неправильной овальной формы, заполненные сплавом, и области, не содержащие их.In fig. 13 shows the microstructure of a composite material when using a reactive compact (a) in a cast steel casting containing carbide crystals of a characteristic morphology (b), containing areas of irregular oval shape filled with the alloy and areas not containing them.

На фиг. 14 показана микроструктура композиционного материала, содержащего кристаллы/частицы карбида вольфрама, вместе с графиком, на котором показано следующее поверхностное содержание: керамической фазы в форме карбида вольфрама различных типов и металлической композитной матрицы,In fig. 14 shows the microstructure of a composite material containing tungsten carbide crystals/particles, along with a graph showing the following surface content: ceramic phase in the form of various types of tungsten carbide and a metal composite matrix,

На фиг. 15 показана микроструктура частиц/кристаллов различных типов структуры карбида вольфрама, в том числе карбид типа WC,In fig. 15 shows the microstructure of particles/crystals of various types of tungsten carbide structure, including WC type carbide,

На фиг. 16 показаны результаты сравнения твердости композитных зон согласно настоящему изобретению с твердостью износостойкого эталонного литейного сплава из армированной марганцовистой литой стали, а также композиционного материала, армированного частицами карбида титана (TiC), полученными in situ внутри отливки.In fig. 16 shows the results of a comparison of the hardness of the composite zones according to the present invention with the hardness of a wear-resistant reference casting alloy made of reinforced manganese cast steel, as well as a composite material reinforced with titanium carbide (TiC) particles produced in situ within the casting.

На фиг. 17 показаны результаты сравнения композитных зон с абразивным износом согласно настоящему изобретению с износостойким эталонным литейным сплавом из армированной марганцовистой литой стали, а также с композиционным материалом, армированным частицами карбида титана (TiC), полученными in situ внутри отливки.In fig. 17 shows the results of a comparison of the composite abrasive wear zones of the present invention with a wear-resistant reference casting alloy of reinforced manganese cast steel, as well as with a composite material reinforced with titanium carbide (TiC) particles produced in situ within the casting.

На фиг. 18 показаны типичные схемы конструктивных элементов и их поперечные сечения с полученными in situ зонами, содержащими композиционный материал с кристаллами и/или частицами карбида вольфрама определенной морфологии согласно настоящему изобретению.In fig. 18 shows typical diagrams of structural elements and their cross sections with in situ produced zones containing a composite material with tungsten carbide crystals and/or particles of a certain morphology according to the present invention.

На фиг. 19 показан схематический процесс получения композиционного материала согласно настоящему изобретению в слое отливки (а) и зоне отливки (b).In fig. 19 shows a schematic process for producing a composite material according to the present invention in a casting layer (a) and a casting zone (b).

Пример 1Example 1

Согласно одному из вариантов реализации стержень 1 литейной пресс-формы, предназначенной для изготовления отливки корпуса 4 насоса или тавровой балки, покрывали реакционноспособным покрытием 2 с применением распылителя 3, как показано на фиг. 2а и 2с. В результате получали отливку корпуса 4 насоса или тавровую балку со слоем 5, содержащим композиционный материал (фиг. 2b, 2d), полученный in situ, с видимой морфологией ограненного карбида вольфрама 6, состоящего из двух форм, одной во внутренней части частицы, содержащей области неправильной, круглой, овальной формы, заполненные сплавом, и другой в наружной части частицы, не содержащей области, заполненные сплавом 6, как показано на фиг. 3. Схема процесса изготовления покрытия показана на фиг. 19а.According to one embodiment, the core 1 of a casting mold for producing a casting of a pump housing 4 or a T-beam is coated with a reactive coating 2 using a spray gun 3, as shown in FIG. 2a and 2c. The result was a casting of a pump housing 4 or a T-beam with a layer 5 containing a composite material (Fig. 2b, 2d), obtained in situ , with a visible morphology of faceted tungsten carbide 6, consisting of two shapes, one in the internal part of the particle containing areas irregular, round, oval shaped, filled with alloy, and another in the outer part of the particle, not containing areas filled with alloy 6, as shown in Fig. 3. A flow diagram of the coating manufacturing process is shown in FIG. 19a.

Для формирования во внутренней поверхности корпуса 4 насоса или тавровой балки слоя 5 армированного WC композиционного материала, повергающегося интенсивному износу, изготавливали стержень 1 литейной пресс-формы. Реакционноспособное литейное покрытие 2 наносили непосредственно на поверхность стержня 1, выполненного из кварцевого песка и фурановой смолы. Покрытие 2 получали путем смешивания вольфрамового порошка с размером частиц примерно 5 мкм и графитового порошка с размером частиц примерно 5 мкм. Такую смесь порошков получали, используя 94% масс. вольфрама и 6% масс. графита. Затем навески порошков вносили в жидкий раствор смолы в спирте, представляющий собой носитель и клеящий агент воздушной сушки. Взаимное отношение смеси порошков вольфрама и графита к жидкому раствору клеящего агента в обоих случаях составляло 4:1 частей по массе. Всю смесь целиком подвергали перемешиванию для обеспечения однородной реакционной консистенции литого реакционноспособного покрытия 2. Смешанное реакционноспособное литое покрытие 2 наносили с помощью пистолета-распылителя 3 на литейный стержень 1, имеющий внутреннюю форму тавровой балки. 4. Покрытие наносили послойно до достижения поверхностной плотности 0,5 г/см2 и 0,45 г/см2. Затем стержень 1 устанавливали в полости пресс-формы и далее каждую из пресс-форм собрали и заполняли жидким сплавом с температурой 1380°C. Используя описанный выше способ, получали корпус 4 насоса или тавровую балку.To form a layer 5 of WC-reinforced composite material, subject to intense wear, in the inner surface of the pump housing 4 or T-beam, a casting mold core 1 was made. The reactive casting coating 2 was applied directly to the surface of the rod 1, made of quartz sand and furan resin. Coating 2 was prepared by mixing tungsten powder with a particle size of approximately 5 μm and graphite powder with a particle size of approximately 5 μm. This mixture of powders was obtained using 94% of the mass. tungsten and 6% wt. graphite Then, weighed portions of the powders were added to a liquid solution of resin in alcohol, which was a carrier and an air-drying adhesive agent. The relative ratio of the mixture of tungsten and graphite powders to the liquid solution of the adhesive agent in both cases was 4:1 parts by weight. The entire mixture was mixed to ensure a uniform reaction consistency of the cast reactive coating 2. The mixed reactive cast coating 2 was applied using a spray gun 3 onto a casting core 1 having an internal T-beam shape. 4. The coating was applied layer by layer until a surface density of 0.5 g/cm 2 and 0.45 g/cm 2 was achieved. Then rod 1 was installed in the mold cavity and then each of the molds was assembled and filled with liquid alloy with a temperature of 1380°C. Using the method described above, a pump housing 4 or a T-beam was obtained.

Площадь стержня корпуса 4 насоса, изготовленного указанным способом, составляла примерно 3789 см2. Для этого использовали порошковые смеси двух разных составов, при этом один из составов содержал 96 ат. % W и 4% масс. C, а другой состав содержал 94% масс. W и 6% масс C. В обоих случаях полученные отливки содержали основной сплав с микроструктурой, характерной для серого чугуна с разрозненным чешуйчатым графитом, наружная поверхность которого была армирована композитным слоем 5, содержащим частицы карбида вольфрама 6. Применение литых стержней 1 такой же площади и поверхностной плотности, аналогичной нанесенному реакционноспособному литому покрытию 2, предполагалось и было выполнено с целью демонстрации влияния используемой стехиометрии смеси порошков на целостность композитного слоя. Результаты представлены на фиг. 8 A.1-A.3 и B.1-B.3. Проведенные исследования показали, что нанесение реакционноспособного литейного покрытия 2, содержащего смесь порошков, состоящую из 96 ат. % W и 4% масс. C, позволило обеспечить целостность слоя на уровне примерно 80%, а в случае смеси, состоящей из 94% масс. W и 6% масс. C, указанной в заявке на патент в качестве смеси, разработанной для получения композитного слоя in situ, такой слой характеризовался целостностью на уровне 100%. В корпусах 4 насосов обоих типов композитные слои были армированы WC путем применения реакционноспособных литых покрытий 2 с поверхностной плотностью, приведенной в таблице 1, для обеспечения целостности внутренней поверхности насоса на уровне от 100% до 80%. Полученные результаты показали, что вместе с увеличением в смеси порошков доли атомарного вольфрама ухудшается реакция синтеза, что приводит к отсутствию сплошного композитного слоя. Однако для некоторых промышленных применений целостность слоя на уровне 80% может быть приемлемой.The area of the pump body 4 rod manufactured by this method was approximately 3789 cm 2 . For this purpose, powder mixtures of two different compositions were used, with one of the compositions containing 96 at. % W and 4% wt. C, and the other composition contained 94% wt. W and 6 wt% C. In both cases, the resulting castings contained a base alloy with a microstructure characteristic of gray cast iron with scattered flake graphite, the outer surface of which was reinforced with a composite layer 5 containing particles of tungsten carbide 6. The use of cast rods 1 of the same area and surface density similar to that of Reactive Cast Coating 2 was assumed and performed to demonstrate the effect of the powder mixture stoichiometry used on the integrity of the composite layer. The results are presented in Fig. 8 A.1-A.3 and B.1-B.3. Studies have shown that the application of a reactive casting coating 2 containing a mixture of powders consisting of 96 at. % W and 4% wt. C, made it possible to ensure the integrity of the layer at a level of approximately 80%, and in the case of a mixture consisting of 94% of the mass. W and 6% wt. C, specified in the patent application as a mixture developed to produce a composite layer in situ , such a layer was characterized by 100% integrity. In both types of pump casings 4, the composite layers were reinforced with WC using reactive cast coatings 2 with the area density given in Table 1 to provide 100% to 80% integrity of the pump internal surface. The results obtained showed that, along with an increase in the proportion of atomic tungsten in the powder mixture, the synthesis reaction deteriorates, which leads to the absence of a continuous composite layer. However, for some industrial applications, a layer integrity of 80% may be acceptable.

В результате реакции синтеза в отливке из литой стали образовались локальные композитные зоны армирования, армированные частицами карбида вольфрама по меньшей мере одного типа. Стержень 2 отливки после процесса кристаллизации имел микроструктуру, характерную для данной марки литой стали, однако внутри поверхности отливки образовались кристаллы 6 in situ. Такой кристалл 6 имел морфологию, состоящую из двух разных областей. Одна из областей находилась во внутренней части кристалла 6 карбида вольфрама и содержала микрообласти 7 с формой, похожей на овальную, заполненные сплавом на основе металла, а другая область представляла собой окружающий ее обод 8, не содержащий овальных микрообластей, заполненных сплавом, как показано на фиг. 3. Средний размер частиц предпочтительно составлял от 4 до 18 мкм, средний размер областей, заполненных основным сплавом, составлял от 0,05 до 0,45 мкм, как показано на фиг. 4.As a result of the synthesis reaction, localized composite reinforcement zones reinforced with at least one type of tungsten carbide particles were formed in the cast steel casting. Casting rod 2 after the crystallization process had a microstructure characteristic of this grade of cast steel, however, inside the surface of the casting formed crystals 6in situ. Such crystal 6 had a morphology consisting of two different regions. One of the regions was in the interior of the tungsten carbide crystal 6 and contained oval-shaped micro-regions 7 filled with a metal-based alloy, and the other region was a surrounding rim 8 containing no oval alloy-filled micro-regions, as shown in FIG. . 3. The average particle size was preferably 4 to 18 µm, the average size of the base alloy filled areas was 0.05 to 0.45 µm, as shown in FIG. 4.

Показатель износа, определенный способом «шарик на диске», слоя 5 с композиционным материалом, армированным карбидом вольфрама, в отливке корпуса 4 насоса из серого чугуна с чешуйчатым графитом, представляющим собой основной сплав, составлял от 5 до 8×10-6 мм3/Н×м, а в корпусе 4 насоса из серого чугуна с чешуйчатым графитом, представляющим собой основной сплав, без армирующего слоя, составлял 37,6×10-6 мм3/Н×м. Т.е. слой с композиционным материалом согласно настоящему изобретению изнашивался в от 4,7 до 7,5 раз меньше по сравнению с насосом, выполненным из серого чугуна.The ball-on-disc wear rate of tungsten carbide-reinforced composite layer 5 in gray cast iron pump housing 4 casting with flake graphite as the base alloy ranged from 5 to 8×10 -6 mm 3 / N×m, and in the housing of 4 pumps made of gray cast iron with flake graphite, which is the main alloy, without a reinforcing layer, was 37.6×10 -6 mm 3 /N×m. Those. the layer with the composite material according to the present invention wore out 4.7 to 7.5 times less compared to a pump made of gray cast iron.

Пример 2Example 2

В примере износостойкой отливки со слоем композиционного материала покрытие получали путем смешивания порошка вольфрама с размером частиц примерно 5 мкм и порошка графита с размером частиц менее 5 мкм. Такую смесь порошков получали, используя 96% масс. вольфрама и 4% масс. графита. Затем навески порошков вносили в жидкий раствор смолы в спирте, представляющий собой носитель и клеящий агент воздушной сушки. Взаимное отношение смеси порошков вольфрама и графита к жидкому раствору клеящего агента в обоих случаях составляло 4:1 частей по массе. Всю смесь целиком подвергали перемешиванию для обеспечения однородной реакционной консистенции литого реакционноспособного покрытия 2. Смешанное реакционноспособное литое покрытие 2 наносили путем распыления с помощью пистолета-распылителя 3 на полость литейной пресс-формы. Покрытие 2 наносили послойно до достижения поверхностной плотности по меньшей мере 0,5 г/см2. Затем пресс-форму собирали и заполняли жидким сплавом, имеющим состав марганцовистой литой стали, со следующим содержанием основных легирующих элементов:1,3% C, 0,6% Si, 12,2% Mn и остаток Fe.In the example of a wear-resistant casting with a layer of composite material, the coating was prepared by mixing tungsten powder with a particle size of approximately 5 microns and graphite powder with a particle size of less than 5 microns. This mixture of powders was obtained using 96% of the mass. tungsten and 4% wt. graphite Then, weighed portions of the powders were added to a liquid solution of resin in alcohol, which was a carrier and an air-drying adhesive agent. The relative ratio of the mixture of tungsten and graphite powders to the liquid solution of the adhesive agent in both cases was 4:1 parts by weight. The entire mixture was mixed to ensure a uniform reaction consistency of the cast reactive coating 2. The mixed reactive cast coating 2 was sprayed using a spray gun 3 onto the cavity of the casting mold. Coating 2 was applied layer by layer until a surface density of at least 0.5 g/cm 2 was achieved. The mold was then assembled and filled with a liquid alloy having the composition of manganese cast steel, with the following content of the main alloying elements: 1.3% C, 0.6% Si, 12.2% Mn and the remainder Fe.

Был получен композитный слой, показанный на фиг. 1, с твердостью 724 HV30 (1253 HV1), при этом твердость основного сплава составляла примерно 247 HV30 (517 HV1). Полученные параметры указывают на достижение твердости почти в три раза выше, чем в случае износостойкой марганцовистой литой стали.The composite layer shown in FIG. 1, with a hardness of 724 HV30 (1253 HV1), while the hardness of the base alloy was approximately 247 HV30 (517 HV1). The obtained parameters indicate the achievement of a hardness almost three times higher than in the case of wear-resistant manganese cast steel.

Пример 3Example 3

Для получения композитного слоя 5 in situ, армированного WC, изготавливали песчаный стержень литейной пресс-формы 1 на основе кварцевого песка и растворимого стекла и продували CO2. Полость литейной пресс-формы 1 покрывали реакционноспособным литейным покрытием 2. Покрытие 2 получали путем смешивания вольфрамового порошка с размером частиц 5 мкм и графитового порошка с размером частиц примерно 5 мкм. Такую смесь порошков получали, используя 94% масс. вольфрама и 6% масс. графита. Затем порошки вводили в жидкий раствор канифоли в спирте, представляющий собой носитель и клеящий агент воздушной сушки. Взаимное отношение смеси порошков вольфрама и графита к жидкому клеящему агенту составляло 4:1 частей по массе. Всю смесь целиком подвергали перемешиванию для обеспечения однородной реакционной консистенции литого реакционноспособного покрытия 2. Смешанное реакционноспособное литейное покрытие 2 наносили путем распыления с помощью пистолета-распылителя 3. Покрытие 2 наносили послойно до достижения поверхностной плотности 0,29 г/см2 или 0,4 г/см2. Затем полость литейной пресс-формы высушивали для удаления остатков спирта и влаги с последующим заполнением жидким сплавом при температуре примерно 1400°С. Отливка после процесса кристаллизации имела микроструктуру серого чугуна с чешуйчатым графитом, однако внутри области композитного слоя образовались кристаллы 6 и/или частицы WC in situ, имеющие структуру, образованную двумя разными областями. Одна из областей находилась во внутренней части кристалла 6 или частицы WC и содержала микрообласти 7 с формой, похожей на овальную, заполненные сплавом на основе металла, а другая область представляла собой окружающий ее обод 8, не содержащий овальных микрообластей, заполненных сплавом. Поперечное сечение слоя с выбранными увеличенными областями показано на фиг. 5. Для оценки доли армирующей фазы, определяли поверхностное содержание фаз, идентифицированных в микроструктуре, то есть чешуйчатого графита и основного сплава, представляющего собой матрицу композитного слоя, и карбида вольфрама, представляющего собой армирующую фазу. Типичные микроструктуры с определенной поверхностной долей и полученные результаты представлены на фиг. 6. Поверхностная доля карбидов вольфрама в данном случае составляла 25% и матрица составляла 70%, при этом остаток представлял собой графит, являющийся компонентом основного сплава, используемого для получения отливки. Кроме того, оценивали средний размер частиц карбида вольфрама, который определяли как среднее значение двух измерений диагоналей, пересекающихся под прямым углом. Результаты показали бимодальное распределение по размерам карбида вольфрама в композитном слое, которое достигало первого максимума распределения в диапазоне от 0,5 до 6 мкм, и другого максимума в диапазоне от 7 до 30 мкм. Результаты представлены в форме гистограммы, как показано на фиг. 7.To obtain the in situ WC-reinforced composite layer 5, a sand core of a casting mold 1 based on quartz sand and soluble glass was prepared and blown with CO 2 . The cavity of the casting mold 1 was coated with a reactive casting coating 2. The coating 2 was prepared by mixing tungsten powder with a particle size of 5 μm and graphite powder with a particle size of approximately 5 μm. This mixture of powders was obtained using 94% of the mass. tungsten and 6% wt. graphite The powders were then added to a liquid solution of rosin in alcohol, which was a carrier and air-drying adhesive. The ratio of the mixture of tungsten and graphite powders to the liquid adhesive agent was 4:1 parts by weight. The entire mixture was mixed to ensure a uniform reaction consistency of the cast reactive coating 2. The mixed reactive cast coating 2 was applied by spraying using a spray gun 3. Coating 2 was applied layer by layer until a surface density of 0.29 g/cm 2 or 0.4 g was achieved /cm 2 . The mold cavity was then dried to remove residual alcohol and moisture, followed by filling with liquid alloy at a temperature of approximately 1400°C. The casting after the crystallization process had a microstructure of gray cast iron with flake graphite, however, within the composite layer region, crystals 6 and/or WC particles were formed in situ , having a structure formed by two different regions. One of the regions was in the interior of the WC crystal 6 or particle and contained oval-like micro-regions 7 filled with a metal-based alloy, and the other region was a surrounding rim 8 containing no oval alloy-filled micro-regions. A cross section of the layer with selected enlarged areas is shown in FIG. 5. To estimate the proportion of the reinforcing phase, the surface content of the phases identified in the microstructure was determined, that is, flake graphite and the base alloy, which is the matrix of the composite layer, and tungsten carbide, which is the reinforcing phase. Typical microstructures with a certain surface fraction and the obtained results are presented in Fig. 6. The surface fraction of tungsten carbides in this case was 25% and the matrix was 70%, the remainder being graphite, which is a component of the base alloy used to produce the casting. In addition, the average particle size of tungsten carbide was evaluated, which was determined as the average of two measurements of diagonals intersecting at right angles. The results showed a bimodal size distribution of tungsten carbide in the composite layer, which reached a first distribution maximum in the range of 0.5 to 6 μm, and another maximum in the range of 7 to 30 μm. The results are presented in the form of a histogram as shown in FIG. 7.

Пример 4Example 4

Для получения внутреннего слоя корпуса 4 насоса, подвергающегося интенсивному износу, слоев 5, содержащих композиционный материал, армированный керамическими фазами/частицами, такими как карбиды вольфрама и титана, изготавливали стержень 1 пресс-формы. Реакционноспособное литейное покрытие 2 наносили непосредственно на поверхность стержня 1, выполненного из кварцевого песка и жидкого стекла, и продували CO2. Покрытие 2 изготавливали путем смешивания 80% масс. реакционных субстратов, образующих карбид вольфрама, и 20% масс. реакционных субстратов, образующих карбид титана. Смесь порошков реакционных субстратов, образующих карбид вольфрама, получали при массовом отношении W:C, равном 94:6% масс. Реакционные субстраты, образующие TiC, получали при атомном отношении Ti:C, равном 55:45%. В данном случае использовали следующие порошки: вольфрам микрокристаллической морфологии с размером частиц примерно 4,5 мкм, титан губчатой морфологии с размером частиц 44 мкм и графит чешуйчатой морфологии с размером частиц менее 5 мкм. Полученную смесь порошков вводили в жидкий раствор канифоли в этиловом спирте, представляющий собой носитель и клеящий агент воздушной сушки. Взаимное отношение порошков вольфрама и графита к жидкому клеящему агенту составляло 4:1 частей по массе. Литейное покрытие получали на основе 600 г смеси порошков и 150 г раствора. Всю смесь целиком подвергали перемешиванию для обеспечения однородной реакционной консистенции литого реакционноспособного покрытия 2. Смешанное реакционноспособное литейное покрытие 2 наносили путем распыления с помощью пистолета-распылителя 3. Затем стержень 1 вместе с нанесенным реакционноспособным литейным покрытием 2 высушивали при температуре выше 100°C для удаления остатков спирта и влаги. Стержень 1 устанавливали внутри полости литейной пресс-формы, после чего пресс-форму собирали и заполняли жидким сплавом. Отливка 4 после процесса кристаллизации имела микроструктуру серого чугуна с чешуйчатым графитом, однако в области композитного слоя 5 образовались частицы in situ карбидов вольфрама и титана (фиг. 9). Полученную микроструктуру использовали для определения поверхностной доли отдельных фаз, представляющих собой микроструктуру полученного in situ композитного слоя. Результаты показаны на фиг. 10 с учетом разделения фаз, присутствующих в области матрицы и композитного слоя. Наличие неограненных частиц TiC в микроструктуре указывает на добавление процентной доли чистых субстратов реакции образования TiC. Испытания на твердость, проведенные согласно способу Виккерса (HV1) при нагрузке 1 кг, т.е. 9,81 Н, в области основного сплава и композитного слоя показали значения на уровне 312,3 HV1 и 767,1 HV1, соответственно. Полученные результаты свидетельствуют о более чем двукратном повышении твердости наружного слоя отливки, изготовленной вместе с композитным слоем in situ.To obtain the inner layer of the pump casing 4 subject to intense wear, layers 5 containing a composite material reinforced with ceramic phases/particles such as tungsten and titanium carbides, a mold core 1 was produced. The reactive casting coating 2 was applied directly to the surface of the rod 1, made of quartz sand and liquid glass, and blown with CO 2 . Coating 2 was made by mixing 80% of the mass. reaction substrates forming tungsten carbide, and 20% of the mass. reaction substrates forming titanium carbide. A mixture of reaction substrate powders forming tungsten carbide was prepared at a W:C mass ratio of 94:6 wt%. Reaction substrates forming TiC were prepared at a Ti:C atomic ratio of 55:45%. In this case, the following powders were used: tungsten of microcrystalline morphology with a particle size of approximately 4.5 μm, titanium of spongy morphology with a particle size of 44 μm, and graphite of flake morphology with a particle size of less than 5 μm. The resulting mixture of powders was introduced into a liquid solution of rosin in ethyl alcohol, which was a carrier and air-drying adhesive agent. The relative ratio of tungsten and graphite powders to liquid adhesive agent was 4:1 parts by weight. The casting coating was prepared on the basis of 600 g of a mixture of powders and 150 g of solution. The entire mixture was mixed to ensure a homogeneous reaction consistency of the cast reactive coating 2. The mixed reactive cast coating 2 was applied by spraying with a spray gun 3. Then the rod 1 along with the applied reactive cast coating 2 was dried at a temperature above 100°C to remove residues alcohol and moisture. The rod 1 was installed inside the cavity of the casting mold, after which the mold was assembled and filled with liquid alloy. Casting 4 after the crystallization process had a microstructure of gray cast iron with flake graphite, however, in the area of the composite layer 5, particles of tungsten and titanium carbides were formed in situ (Fig. 9). The resulting microstructure was used to determine the surface fraction of individual phases representing the microstructure of the in situ obtained composite layer. The results are shown in Fig. 10 taking into account the phase separation present in the area of the matrix and the composite layer. The presence of uncut TiC particles in the microstructure indicates the addition of a percentage of pure substrates for the TiC formation reaction. Hardness tests carried out according to the Vickers method (HV1) with a load of 1 kg, i.e. 9.81 N, in the area of the base alloy and composite layer showed values at the level of 312.3 HV1 and 767.1 HV1, respectively. The results obtained indicate a more than twofold increase in the hardness of the outer layer of the casting produced together with the composite layer in situ .

Пример 5Example 5

В данном примере цель состояла в том, чтобы связать поверхностную плотность композитного покрытия и толщину литой стенки в качестве параметра, влияющего на течение и эффективность реакции синтеза карбида вольфрама. Проведенные исследования показали, что применение взаимного отношения порошков W:C, составляющего 96:4% масс., менее эффективно, чем 94:6% масс., поэтому в другом эксперименте использовали состав W:C, соответствующий 94:6% масс. Порошки с таким составом вводили в жидкий раствор канифоли в спирте, представляющий собой носитель и клеящий агент воздушной сушки. Взаимное отношение смеси порошков вольфрама и графита к жидкому клеящему агенту составляло 4:1 частей по массе. Всю смесь целиком подвергали перемешиванию для обеспечения однородной реакционной консистенции литого реакционноспособного покрытия 2. Смешанное реакционноспособное литейное покрытие 2 наносили путем распыления с помощью пистолета-распылителя 3.In this example, the goal was to relate the areal density of the composite coating and the thickness of the cast wall as a parameter influencing the progress and efficiency of the tungsten carbide synthesis reaction. Studies have shown that the use of a W:C powder ratio of 96:4 wt% is less effective than 94:6 wt%, so in another experiment a W:C composition corresponding to 94:6 wt% was used. Powders with this composition were introduced into a liquid solution of rosin in alcohol, which was a carrier and air-drying adhesive agent. The ratio of the mixture of tungsten and graphite powders to the liquid adhesive agent was 4:1 parts by weight. The entire mixture was mixed to ensure a uniform reaction consistency of the cast reactive coating 2. The mixed reactive cast coating 2 was applied by spraying using a spray gun 3.

Для получения отливок слябов толщиной 10 и 90 мм были изготовлены литейные пресс-формы, при этом каждую из полостей разделяли на три равные части. Каждую из отделенных областей песчаной пресс-формы покрывали литым покрытием до достижения поверхностной плотности 0,3 г/см2, 0,4 г/см2, 0,5 г/см2, 0,6 г/см2, 0,7 г/см2 и 0,8 г/см2, как показано на фиг. 11. В свою очередь, на фиг. 12 показана ​​макроструктура отливок с композитными слоями, полученными in situ. Исследования макроструктуры отливок показали, что при поверхностной плотности 0,3 г/см2, 0,4 г/см2 и 0,5 г/см2 можно получить отливку со сплошной рабочей поверхностью, армированную композитным слоем, без какого-либо значительного воздействия толщины стенки отливки. При увеличении количества наносимого покрытия до 0,6 г/см2, 0,7 г/см2 и 0,8 г/см2, соответственно, в случае тонкостенной отливки с толщиной стенки 10 мм могло не наблюдаться реакции синтеза - отсутствие композитного слоя на поверхности отливки. В случае отливки с толщиной стенки 90 мм в макроструктуре имелись области, не содержащие композитного слоя, характеризующиеся структурой, подобной «оболочке». Применением поверхностной плотности реакционноспособного литого покрытия 2 в диапазоне от 0,6 г/см2 до 0,8 г/см2 приводило к отсутствию полной инфильтрации вследствие недостатка энергии, необходимой для протекания реакции синтеза WC in situ. Следует отметить, что такой результат относится к отливкам небольших размеров и небольшой массы, что не должно ограничивать случаи отливок с большей массой, в которых применение более высоких поверхностных плотностей реакционноспособных литых покрытий 2 позволяло получать сплошной композитный слой.To obtain castings of slabs with a thickness of 10 and 90 mm, casting molds were made, with each of the cavities being divided into three equal parts. Each of the separated areas of the sand mold was coated with a cast coating to achieve a surface density of 0.3 g/ cm2 , 0.4 g/ cm2 , 0.5 g/ cm2 , 0.6 g/ cm2 , 0.7 g/cm 2 and 0.8 g/cm 2 as shown in FIG. 11. In turn, in FIG. Figure 12 shows the macrostructure of castings with composite layers obtained in situ . Studies of the macrostructure of castings have shown that with a surface density of 0.3 g/cm 2 , 0.4 g/cm 2 and 0.5 g/cm 2 it is possible to obtain a casting with a continuous working surface, reinforced with a composite layer, without any significant impact casting wall thickness. By increasing the amount of applied coating to 0.6 g/cm 2 , 0.7 g/cm 2 and 0.8 g/cm 2 , respectively, in the case of a thin-walled casting with a wall thickness of 10 mm, no synthesis reaction could be observed - the absence of a composite layer on the surface of the casting. In the case of a casting with a wall thickness of 90 mm, there were areas in the macrostructure that did not contain a composite layer, characterized by a “shell”-like structure. The use of a surface density of reactive cast coating 2 in the range from 0.6 g/cm 2 to 0.8 g/cm 2 resulted in a lack of complete infiltration due to the lack of energy required for the in situ WC synthesis reaction to occur. It should be noted that this result applies to castings of small size and low mass, which should not limit the cases of castings with larger mass, in which the use of higher surface densities of reactive cast coatings 2 made it possible to obtain a continuous composite layer.

Пример 6Example 6

Согласно варианту реализации, в котором использовали реакционноспособную прессовку, были получены локальные композитные зоны армирования, армированные карбидом вольфрама по меньшей мере одного типа в форме кристаллов/частиц. Для этого приготавливали ​​смесь порошков вольфрама и углерода с массовой долей W:C, равной 90:10% масс. Размер частиц вольфрама и графита составлял 4,5 мкм и менее 5 мкм, соответственно. Приготовленные навески порошков перемешивали в течение 60 минут, а затем высушивали при температуре 175°C для испарения поглощенной влаги. Приготовленные навески порошков заданной массы прессовали под давлением 500 МПа, используя способ холодного одноосного прессования. Приготовленные реакционноспособные формовочные пластины вставляли в литейную пресс-форму и прикрепляли к ней в заданном месте с помощью болтов. Затем такую пресс-форму заполняли литейным сплавом на основе железа - литой сталью, содержащей 0,28% C, 1,85% Cr, 0,6% Mn, 1,58% Si, при этом остаток представлял собой Fe (GS30), при температуре 1580°C. Реакцию между вольфрамом и карбидом инициировали путем подвода тепловой энергии за счет жидкого литейного сплава. В результате реакции синтеза образовалась композитная зона, армированная частицами/кристаллами карбида вольфрама по меньшей мере одного типа. Стержень отливки после процесса кристаллизации имел микроструктуру, характерную для данной марки литой стали, однако в области формовочной пластины образовались кристаллы in situ. Кристаллы 6 и/или частицы имели морфологию, состоящую из двух разных областей. Одна из областей находилась во внутренней части кристалла 6 и/или частиц карбида вольфрама и содержала микрообласти 7 с формой, похожей на овальную, заполненные сплавом на основе металла, а другая область представляла собой окружающий ее тонкий обод 8, не содержащий овальных микрообластей, заполненных сплавом, как показано на фиг. 13b.In an embodiment using reactive compaction, localized composite reinforcement zones reinforced with at least one type of crystal/particle tungsten carbide were produced. For this purpose, a mixture of tungsten and carbon powders was prepared with a mass fraction of W:C equal to 90:10 wt%. The tungsten and graphite particle sizes were 4.5 μm and less than 5 μm, respectively. The prepared powder samples were stirred for 60 minutes and then dried at a temperature of 175°C to evaporate the absorbed moisture. Prepared samples of powders of a given mass were pressed under a pressure of 500 MPa using the cold uniaxial pressing method. The prepared reactive molding plates were inserted into the casting mold and secured to it at a predetermined location using bolts. This mold was then filled with an iron-based casting alloy - cast steel containing 0.28% C, 1.85% Cr, 0.6% Mn, 1.58% Si, with the remainder being Fe (GS30), at a temperature of 1580°C. The reaction between tungsten and carbide was initiated by supplying thermal energy through the liquid casting alloy. The synthesis reaction produced a composite zone reinforced with at least one type of tungsten carbide particles/crystals. The casting rod after the crystallization process had a microstructure characteristic of this grade of cast steel, but in situ crystals formed in the area of the forming plate. Crystals 6 and/or particles had a morphology consisting of two different regions. One of the regions was in the interior of the crystal 6 and/or tungsten carbide particles and contained micro-regions 7 with a similar oval shape filled with a metal-based alloy, and the other region was a thin rim 8 surrounding it, containing no oval micro-regions filled with an alloy , as shown in Fig. 13b.

Пример 7Example 7

Был проведен еще один эксперимент, аналогичный примеру 6, однако массовая доля порошков вольфрама к графиту составляла 94:6% масс., при этом температура заполнения составляла 1560°C и давление прессования составляло 500 МПа. После реакции синтеза в литейной пресс-форме получали объем армированной фазы на максимальном уровне, составляющий примерно 74% (фиг. 14). Как показано на фиг. 15, микроструктура области композитной зоны может характеризоваться наличием карбида вольфрама WC характерной морфологии, показанной на фиг. 13b, и карбида типа W2Fe2C. Для подтверждения химического состава были проведены испытания посредством энергодисперсионного рентгеновского микроанализа. При применении такого принятого способа исследования массовую долю углерода следует рассматривать только качественно, а не количественно. Результаты измерений для отдельных отливок представлены в таблице 2. Масса полученной отливки составляла примерно 1,5 кг.Another experiment similar to example 6 was carried out, however, the mass fraction of tungsten powders to graphite was 94:6 wt%, while the filling temperature was 1560°C and the compaction pressure was 500 MPa. After the synthesis reaction in the casting mold, the volume of the reinforced phase at the maximum level was obtained, which was approximately 74% (Fig. 14). As shown in FIG. 15, the microstructure of the composite zone region may be characterized by the presence of tungsten carbide WC with the characteristic morphology shown in FIG. 13b, and carbide type W 2 Fe 2 C. To confirm the chemical composition, tests were carried out by energy dispersive X-ray microanalysis. When applying this accepted method of investigation, the mass fraction of carbon should be considered only qualitatively and not quantitatively. The measurement results for individual castings are presented in Table 2. The mass of the resulting casting was approximately 1.5 kg.

Была получена композитная зона с твердостью выше 1100 HV30 (фиг. 16, WC - тип 2), при этом твердость основного сплава составляла примерно от 250 до 300 HV30. Полученные параметры указывают на достижение твердости, сравнимой с решениями, известными в данной области техники, которые состоят в синтезе внутри отливок, при этом композитные зоны получают на основе карбида титана, при этом твердость такой зоны составляет примерно от 500 до 1200 HV30 (фиг. 16), однако в решении согласно настоящему изобретению неожиданно было обеспечено равномерное распределение твердости по всей зоне, что подтверждается низким значением стандартного отклонения, показанным на фиг. 16.A composite zone with a hardness greater than 1100 HV30 was obtained (Fig. 16, WC - type 2), while the hardness of the base alloy was approximately 250 to 300 HV30. The obtained parameters indicate the achievement of a hardness comparable to solutions known in the art, which consist of synthesis within castings, with composite zones obtained based on titanium carbide, with a hardness of such a zone ranging from approximately 500 to 1200 HV30 (Fig. 16 ), however, the solution according to the present invention surprisingly provided a uniform distribution of hardness throughout the entire zone, as evidenced by the low standard deviation value shown in FIG. 16.

В результате проведенных экспериментов неожиданно был получен материал исключительной износостойкости, показатель абразивного износа которого, определенный способом «шарик на диске», составлял 0,16×10-6 мм3/Н×м (фиг. 17, WC - тип 2), по сравнению с материалами, известными в данной области техники, полученными посредством технологии синтеза in situ в отливках с применением реакционноспособных компонентов, при этом в случае выбранных материалов показатель абразивного износа составлял от 2,7 до 3,83×10-6 мм3/Н×м ( фиг. 17).As a result of the experiments, a material of exceptional wear resistance was unexpectedly obtained, the abrasive wear index of which, determined by the “ball on disk” method, was 0.16×10 -6 mm 3 /N×m (Fig. 17, WC - type 2), according to compared with materials known in the art, obtained through in situ synthesis technology in castings using reactive components, while in the case of the selected materials, the abrasive wear rate ranged from 2.7 to 3.83×10 -6 mm 3 /N× m (Fig. 17).

Пример 8Example 8

В данном случае цель состояла в том, чтобы получить локальные композитные зоны армирования внутри отливки сляба. Для этого приготавливали смесь порошков, содержащую реагенты для синтеза WC, которую прессовали под давлением 450 МПа. Химический состав смеси получали при процентной доле W:C, равной 94:6% масс. Размеры сляба составляли 300 мм, толщина примерно 30 мм и ширина 75 мм. Формовочные пластины толщиной 5 мм устанавливали в полости литейной пресс-формы в местах наибольшего износа, используя металлические элементы, представляющие собой крепежную систему. Для инициирования реакции синтеза WC полость готовой литейной пресс-формы заполняли легированной литой сталью с повышенным содержанием марганца. В результате получали отливку сляба, локально армированную композитными зонами на основе Fe.In this case, the goal was to obtain localized composite reinforcement zones within the slab casting. To do this, a mixture of powders containing reagents for the synthesis of WC was prepared, which was pressed under a pressure of 450 MPa. The chemical composition of the mixture was obtained with a percentage of W:C equal to 94:6 wt%. The slab dimensions were 300 mm, thickness approximately 30 mm and width 75 mm. Forming plates with a thickness of 5 mm were installed in the cavity of the casting mold in areas of greatest wear, using metal elements representing a fastening system. To initiate the WC synthesis reaction, the cavity of the finished casting mold was filled with alloy cast steel with a high manganese content. The result was a cast slab locally reinforced with Fe-based composite zones.

Получали композитную зону с твердостью выше примерно 750 HV30 (фиг. 16, WC - тип 1), при этом твердость основного сплава составляла примерно от 250 до 300 HV30, а после закалки от 400 до 500 HV30 (данные на фиг. 16 не представлены). Полученные параметры указывают на достижение твердости, сравнимой с решениями, известными в данной области техники, которые состоят в синтезе внутри отливок, при этом композитные зоны получают на основе карбида титана, при этом твердость такой зоны составляет примерно от 500 до 1200 HV30 (фиг. 16), однако в решении согласно настоящему изобретению неожиданно было обеспечено равномерное распределение твердости по всей зоне, что подтверждается низким значением стандартного отклонения, показанным на фиг. 16.A composite zone was obtained with a hardness above approximately 750 HV30 (Fig. 16, WC - type 1), while the hardness of the base alloy was approximately 250 to 300 HV30, and after hardening from 400 to 500 HV30 (data not shown in Fig. 16) . The obtained parameters indicate the achievement of a hardness comparable to solutions known in the art, which consist of synthesis within castings, with composite zones obtained based on titanium carbide, with a hardness of such a zone ranging from approximately 500 to 1200 HV30 (Fig. 16 ), however, the solution according to the present invention surprisingly provided a uniform distribution of hardness throughout the entire zone, as evidenced by the low standard deviation value shown in FIG. 16.

В результате проведенных экспериментов неожиданно был получен материал исключительной износостойкости, показатель абразивного износа которого, определенный способом «шарик на диске», составлял 0,58×10-6 мм3/Н×м (фиг. 17, WC - тип 1), по сравнению с материалами, известными в данной области техники, полученными посредством технологии синтеза in situ в отливках с применением реакционноспособных компонентов, при этом в случае выбранных материалов показатель абразивного износа составлял от 2,7 до 3,83×10-6 мм3/Н×м ( фиг. 17).As a result of the experiments, a material of exceptional wear resistance was unexpectedly obtained, the abrasive wear index of which, determined by the “ball on disk” method, was 0.58×10 -6 mm 3 /N×m (Fig. 17, WC - type 1), according to compared with materials known in the art, obtained through in situ synthesis technology in castings using reactive components, while in the case of the selected materials, the abrasive wear rate ranged from 2.7 to 3.83×10 -6 mm 3 /N× m (Fig. 17).

Типичные схемы конструктивных элементов, содержащих полученную in situ композитную зону, содержащую композиционный материал согласно настоящему изобретению, в котором присутствуют кристаллы и/или частицы карбида вольфрама определенной морфологии, показаны на фиг. 18. Представленные схемы не ограничивают область применения при производстве других литых конструктивных элементов.Typical diagrams of structural elements containing an in situ produced composite zone containing a composite material according to the present invention, in which crystals and/or particles of tungsten carbide of a certain morphology are present, are shown in FIG. 18. The presented diagrams do not limit the scope of application in the production of other cast structural elements.

Claims (32)

1. Способ получения in situ композиционного материала на основе сплавов на основе железа, армированных карбидом вольфрама в форме кристаллов и/или частиц, где микроструктура указанного композиционного материала в форме композитного слоя литого конструктивного элемента содержит ограненные кристаллы (6) и/или ограненные частицы карбида вольфрама, обеспечивающие равномерное макроскопическое и микроскопическое распределение, при этом указанные кристаллы (6) и/или частицы карбида вольфрама содержат нано- и/или микрообласти неправильной, и/или круглой, и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла, включающий следующие стадии:1. A method for producing in situ a composite material based on iron-based alloys reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles, where the microstructure of said composite material in the form of a composite layer of a cast structural element contains faceted crystals (6) and/or faceted carbide particles tungsten, providing a uniform macroscopic and microscopic distribution, while said crystals (6) and/or particles of tungsten carbide contain nano- and/or micro-regions of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy, including the following stages: a) нанесение на полость или стержень пресс-формы, в частности песчаный стержень, жидкого реакционноспособного литейного покрытия (2), содержащего смесь порошков, содержащую вольфрам в диапазоне от 90 до 97 мас. % и углерод в диапазоне от 3 до 10 мас. %, и носитель,a) applying to the cavity or core of the mold, in particular the sand core, a liquid reactive casting coating (2) containing a mixture of powders containing tungsten in the range from 90 to 97 wt. % and carbon in the range from 3 to 10 wt. %, and carrier, b) сушку, в частности, при температуре, равной или выше 100°C,b) drying, in particular at a temperature equal to or above 100°C, c) заливку полости пресс-формы сплавом на основе железа, при этом тепло, поступающее от жидкого сплава в форме высокой температуры, обеспечивает энергию, необходимую для инициирования реакции in situ керамической фазы в форме карбида вольфрама по меньшей мере одного типа или карбида вольфрама с добавлением карбидов других типов, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза и представляют собой катализатор реакции синтеза карбида вольфрама.c) filling the mold cavity with an iron-based alloy, wherein the heat supplied from the liquid alloy in the form of high temperature provides the energy necessary to initiate an in situ reaction of a ceramic phase in the form of at least one type of tungsten carbide or tungsten carbide with the addition of carbides of other types, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction and constitute a catalyst for the synthesis reaction of tungsten carbide. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что носитель представляет собой раствор растворителя с добавлением полимера, растворитель предпочтительно представляет собой спирт, в частности этиловый спирт, при этом полимер предпочтительно представляет собой смолу с низкой способностью к газообразованию, в частности канифоль.2. The method according to claim 1, characterized in that the carrier is a solution of a solvent with the addition of a polymer, the solvent is preferably an alcohol, in particular ethyl alcohol, and the polymer is preferably a resin with low gas-forming ability, in particular rosin. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхностная плотность реакционноспособного литого покрытия составляет от 0,29 до 2 г/см2, более предпочтительно от 0,29 до 0,6 г/см2, наиболее предпочтительно 0,5 г/см2.3. The method according to claim 1, characterized in that the surface density of the reactive cast coating is from 0.29 to 2 g/ cm2 , more preferably from 0.29 to 0.6 g/ cm2 , most preferably 0.5 g /cm 2 . 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процентное отношение смеси порошков к носителю составляет от 6:1 до 1:1, предпочтительно 4:1.4. The method according to claim 1, characterized in that the percentage of the mixture of powders to the carrier is from 6:1 to 1:1, preferably 4:1. 5. Способ получения in situ композиционного материала на основе сплавов на основе железа, армированных карбидом вольфрама в форме кристаллов и/или частиц, где микроструктура указанного композиционного материала в форме композитной зоны литого конструктивного элемента содержит ограненные кристаллы (6) и/или ограненные частицы карбида вольфрама, обеспечивающие равномерное макроскопическое и микроскопическое распределение, при этом указанные кристаллы (6) и/или частицы карбида вольфрама содержат нано- и/или микрообласти неправильной, и/или круглой, и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла, включающий следующие стадии:5. A method for producing in situ a composite material based on iron-based alloys reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles, where the microstructure of said composite material in the form of a composite zone of a cast structural element contains faceted crystals (6) and/or faceted carbide particles tungsten, providing a uniform macroscopic and microscopic distribution, while said crystals (6) and/or particles of tungsten carbide contain nano- and/or micro-regions of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy, including the following stages: а) получение смеси порошков, содержащей вольфрам и углерод;a) obtaining a mixture of powders containing tungsten and carbon; b) прессование смеси порошков в виде литейного вкладыша, который может иметь различные формы, в частности гранул, брикетов, преформ или прессовок.b) pressing the mixture of powders into a casting insert, which can take various forms, in particular granules, briquettes, preforms or compacts. c) введение по меньшей мере одного литейного вкладыша в полость пресс-формы с помощью крепежных элементов,c) introducing at least one casting insert into the mold cavity using fasteners, d) заливку полости пресс-формы сплавом на основе железа, при этом тепло, поступающее от жидкого сплава в форме высокой температуры, обеспечивает энергию, необходимую для инициирования реакции in situ керамической фазы в форме карбида вольфрама по меньшей мере одного типа или карбида вольфрама с добавлением карбидов других типов, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза и представляют собой катализатор реакции синтеза карбида вольфрама,d) filling the mold cavity with an iron-based alloy, wherein the heat supplied from the liquid alloy in the form of high temperature provides the energy necessary to initiate an in situ reaction of a ceramic phase in the form of at least one type of tungsten carbide or tungsten carbide with the addition of carbides of other types, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction and represent a catalyst for the synthesis reaction of tungsten carbide, характеризующийся тем, что указанная смесь порошков содержит вольфрам в диапазоне от 90 до 97 мас. % и углерод в диапазоне от 3 до 10 мас. %.characterized in that said mixture of powders contains tungsten in the range from 90 to 97 wt. % and carbon in the range from 3 to 10 wt. %. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что давление прессования смеси порошков составляет от 100 до 650 МПа, предпочтительно от 250 до 600 МПа, наиболее предпочтительно от 460 до 550 МПа, в частности, при обеспечении указанного давления путем применения способов прессования, в частности путем применения холодного изостатического прессования, одно- или двухосного холодного прессования.6. The method according to claim 5, characterized in that the compaction pressure of the powder mixture is from 100 to 650 MPa, preferably from 250 to 600 MPa, most preferably from 460 to 550 MPa, in particular, when ensuring the specified pressure by using pressing methods, in particular through the use of cold isostatic pressing, single- or biaxial cold pressing. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смесь порошков содержит вольфрам в диапазоне от 93 до 95 мас. % и углерод в диапазоне от 5 до 7 мас. %.7. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the mixture of powders contains tungsten in the range from 93 to 95 wt. % and carbon in the range from 5 to 7 wt. %. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смесь порошков содержит вольфрам в количестве от 94 мас. % и углерод в форме графита в количестве 6 мас. %.8. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the mixture of powders contains tungsten in an amount of 94 wt. % and carbon in the form of graphite in an amount of 6 wt. %. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что смесь порошков содержит9. The method according to any of the previous paragraphs, characterized in that the mixture of powders contains a) вольфрамовый порошок, в частности, в форме микрокристаллического порошка или агломератов наночастиц,a) tungsten powder, in particular in the form of microcrystalline powder or nanoparticle agglomerates, b) углеродный порошок, в частности, в форме графита иb) carbon powder, in particular in the form of graphite and c) катализатор в виде исходных веществ реакций образования карбидов, отличных от WC, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC или их смеси, за исключением SiC.c) a catalyst in the form of precursors for the formation of carbides other than WC, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC or mixtures thereof, excluding SiC. 10. Реакционноспособное литейное покрытие, включающее:10. Reactive cast coating, including: a) смесь порошков, содержащую вольфрам в диапазоне от 90 до 97 мас. % и углерод в диапазоне от 3 до 10 мас. %,a) a mixture of powders containing tungsten in the range from 90 to 97 wt. % and carbon in the range from 3 to 10 wt. %, b) носитель; иb) carrier; And c) катализатор в виде исходных веществ реакций образования карбидов, отличных от WC, которые подвергаются самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC или их смеси, за исключением SiC.c) a catalyst in the form of precursors for the formation of carbides other than WC, which undergo a self-propagating high-temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC or mixtures thereof, excluding SiC. 11. Реакционноспособное литейное покрытие по п. 10, отличающееся тем, что указанная смесь порошков содержит вольфрам в диапазоне от 93 до 95 мас. % и углерод в диапазоне от 5 до 7 мас. %.11. Reactive casting coating according to claim 10, characterized in that said mixture of powders contains tungsten in the range from 93 to 95 wt. % and carbon in the range from 5 to 7 wt. %. 12. Реакционноспособное литейное покрытие по п. 10, отличающееся тем, что указанная смесь порошков содержит вольфрам в количестве от 94 мас. %. и углерод в форме графита в количестве 6 мас. %.12. Reactive casting coating according to claim 10, characterized in that said mixture of powders contains tungsten in an amount of 94 wt. %. and carbon in the form of graphite in an amount of 6 wt. %. 13. Литой конструктивный элемент, содержащий композиционный материал на основе сплава, армированного карбидом вольфрама в форме кристаллов и/или частиц, где микроструктура указанного композиционного материала в форме композитного слоя, полученного по любому из пп. 1-4, и/или композиционного материала в форме композитной зоны, полученного по любому из пп. 5-9, содержит ограненные кристаллы (6) и/или ограненные частицы карбида вольфрама, обеспечивающие равномерное макроскопическое и микроскопическое распределение, при этом указанные кристаллы (6) и/или частицы карбида вольфрама содержат нано- и/или микрообласти неправильной, и/или круглой, и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла.13. A cast structural element containing a composite material based on an alloy reinforced with tungsten carbide in the form of crystals and/or particles, where the microstructure of said composite material in the form of a composite layer obtained according to any one of claims. 1-4, and/or a composite material in the form of a composite zone obtained according to any one of paragraphs. 5-9, contains faceted crystals (6) and/or faceted particles of tungsten carbide, providing uniform macroscopic and microscopic distribution, while said crystals (6) and/or particles of tungsten carbide contain nano- and/or microregions of irregularity, and/or round and/or oval, filled with a metal-based alloy. 14. Литой конструктивный элемент по п. 13, отличающийся тем, что нано- и/или микрозоны (7) неправильной, и/или круглой, и/или овальной формы, заполненные сплавом на основе металла, расположены во внутренней части кристаллов (6) и/или частиц карбида вольфрама, и в наружной части, вблизи стенок, структура кристаллов (6) и/или частиц карбида вольфрама является однородной (8), при этом указанные кристаллы (6) и/или частицы образуются in situ внутри жидкого сплава и присутствуют внутри матрицы, при этом указанная матрица образуется после процесса кристаллизации сплава.14. Cast structural element according to claim 13, characterized in that nano- and/or microzones (7) of irregular and/or round and/or oval shape, filled with a metal-based alloy, are located in the inner part of the crystals (6) and/or particles of tungsten carbide, and in the outer part, near the walls, the structure of crystals (6) and/or particles of tungsten carbide is homogeneous (8), while these crystals (6) and/or particles are formed in situ inside the liquid alloy and are present inside the matrix, while the specified matrix is formed after the process of crystallization of the alloy. 15. Литой конструктивный элемент по п. 13 или 14, отличающийся тем, что композиционный материал содержит по меньшей мере один тип карбида вольфрама в количестве от 15 до 90 % по объему, предпочтительно от 25 до 75 % по объему.15. Cast structural element according to claim 13 or 14, characterized in that the composite material contains at least one type of tungsten carbide in an amount of from 15 to 90% by volume, preferably from 25 to 75% by volume. 16. Литой конструктивный элемент по п. 13 или 14, отличающийся тем, что размер частиц и/или кристаллов (10) карбида вольфрама предпочтительно составляет от 0,5 до 30 мкм.16. Cast structural element according to claim 13 or 14, characterized in that the size of the particles and/or crystals (10) of tungsten carbide is preferably from 0.5 to 30 μm. 17. Литой конструктивный элемент по п. 13 или 14, отличающийся тем, что внутри области кристалла (6) карбида вольфрама размер областей, заполненных металлом или сплавом, составляет от 0,1 до 4,5 мкм.17. Cast structural element according to claim 13 or 14, characterized in that inside the region of the tungsten carbide crystal (6) the size of the areas filled with metal or alloy ranges from 0.1 to 4.5 μm. 18. Литой конструктивный элемент по п. 13 или 14, отличающийся тем, что композиционный материал дополнительно содержит карбиды или бориды, подвергающиеся самораспространяющейся реакции высокотемпературного синтеза, в частности TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB2 или их смесь, за исключением SiC.18. Cast structural element according to claim 13 or 14, characterized in that the composite material additionally contains carbides or borides undergoing a self-propagating high-temperature synthesis reaction, in particular TiC, MoC, NbC, ZrC, VC, TaC, TaB, TiB 2 or their mixture, excluding SiC.
RU2021129988A 2019-04-30 Composite material based on in_situ produced alloys reinforced with tungsten carbide and methods for its production RU2798861C9 (en)

Publications (3)

Publication Number Publication Date
RU2021129988A RU2021129988A (en) 2023-05-30
RU2798861C2 RU2798861C2 (en) 2023-06-28
RU2798861C9 true RU2798861C9 (en) 2023-09-13

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2838039C1 (en) * 2024-05-15 2025-04-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН) Method of producing laminar composite material based on titanium and laminar composite material based on titanium

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2414992C2 (en) * 2009-01-19 2011-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) Method of producing tungsten carbide nanopowder
RU2448178C2 (en) * 2009-08-18 2012-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Method for obtaining castable composite alloy of titanium aluminium carbide
CN102423799B (en) * 2011-12-12 2013-02-13 广东新劲刚超硬材料有限公司 Method of in situ synthetic steel bond hard alloy casting composite hammerhead and hammerhead
RU2492261C1 (en) * 2011-12-28 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Cast composite alloy and method of its production
RU2653393C1 (en) * 2017-06-23 2018-05-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Composite with metallic matrix and reinforcement titanium carbide nanoparticles and method for manufacturing thereof
CN109019603A (en) * 2018-07-25 2018-12-18 株洲硬质合金集团有限公司 A kind of preparation method of tungsten-carbide powder

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2414992C2 (en) * 2009-01-19 2011-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) Method of producing tungsten carbide nanopowder
RU2448178C2 (en) * 2009-08-18 2012-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет Method for obtaining castable composite alloy of titanium aluminium carbide
CN102423799B (en) * 2011-12-12 2013-02-13 广东新劲刚超硬材料有限公司 Method of in situ synthetic steel bond hard alloy casting composite hammerhead and hammerhead
RU2492261C1 (en) * 2011-12-28 2013-09-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) Cast composite alloy and method of its production
RU2653393C1 (en) * 2017-06-23 2018-05-08 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Composite with metallic matrix and reinforcement titanium carbide nanoparticles and method for manufacturing thereof
CN109019603A (en) * 2018-07-25 2018-12-18 株洲硬质合金集团有限公司 A kind of preparation method of tungsten-carbide powder

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2838039C1 (en) * 2024-05-15 2025-04-08 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова Российской академии наук (ИСМАН) Method of producing laminar composite material based on titanium and laminar composite material based on titanium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2022204059B2 (en) Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings
US8646192B2 (en) Composite tooth for working the ground or rock
AU2019444038B2 (en) Composite material based on alloys, manufactured in situ, reinforced with tungsten carbide and methods of its production
JP5484468B2 (en) Hierarchical composite material
EP3374107B1 (en) Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings
MX2011003027A (en) Milling cone for a compression crusher.
RU2798861C9 (en) Composite material based on in_situ produced alloys reinforced with tungsten carbide and methods for its production
RU2798861C2 (en) Composite material based on in_situ produced alloys reinforced with tungsten carbide and methods for its production
KR20250027627A (en) Metal matrix composite grinding balls with structural reinforcement
US20220212247A1 (en) Cast Structural Element of a Pump, Filter or Compressor with Wear Resistant Layer Comprising Composite Material Based on Alloys Reinforced with Tungsten Carbide and the Method of Producing Thereof
BR112021021597B1 (en) ALLOY-BASED COMPOSITE MATERIAL, MANUFACTURED IN SITU, REINFORCED WITH TUNGSTEN CARBIDE AND METHODS OF ITS PRODUCTION
CN119522144A (en) Casting method for components in a high-wear industrial environment and such castings
WO2024026576A1 (en) Composition and process for cast molding objects with titanium carbide coating
Moreira et al. Production of TiC-MMCs Reinforcements in Cast Ferrous Alloys Using In Situ Methods. Materials 2021, 14, 5072
Buslavsky Effect of HIP process variations on quality of nickel alloy discs
Perez Metal injection moulding