PL239428B1 - Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach - Google Patents
Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach Download PDFInfo
- Publication number
- PL239428B1 PL239428B1 PL419422A PL41942216A PL239428B1 PL 239428 B1 PL239428 B1 PL 239428B1 PL 419422 A PL419422 A PL 419422A PL 41942216 A PL41942216 A PL 41942216A PL 239428 B1 PL239428 B1 PL 239428B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- powders
- casting
- moderator
- powder
- tic
- Prior art date
Links
- 239000000843 powder Substances 0.000 title claims description 167
- 238000005266 casting Methods 0.000 title claims description 159
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims description 145
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 133
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 58
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 53
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 51
- 229910001208 Crucible steel Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 45
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 42
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 41
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 40
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 39
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 37
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 33
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 32
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 30
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 26
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 26
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims description 23
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 22
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 16
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 13
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 12
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000008187 granular material Substances 0.000 claims description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 9
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 claims description 8
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims description 6
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001037 White iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001060 Gray iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910019802 NbC Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N Tantalum carbide Chemical compound [Ta+]#[C-] DUMHRFXBHXIRTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910007948 ZrB2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910026551 ZrC Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N boron;zirconium Chemical compound B#[Zr]#B VWZIXVXBCBBRGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 2
- 229910003468 tantalcarbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 101
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 29
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 25
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 25
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 22
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 14
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 description 13
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 description 13
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 10
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 8
- 229910001021 Ferroalloy Inorganic materials 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 5
- -1 TiC carbides Chemical class 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003466 anti-cipated effect Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910015136 FeMn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005347 FeSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007545 Vickers hardness test Methods 0.000 description 1
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 230000001976 improved effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000010952 in-situ formation Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002843 nonmetals Chemical class 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych służących do uzyskania lokalnych stref kompozytowych odpornych na zużycie ścierne oraz wkładka odlewnicza, które umożliwiają zwiększenie odporności na zużycie abrazyjne odlewanych części maszyn pracujących w warunkach dużych obciążeń mechanicznych. Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach, który zwiększa odporność odlewów na procesy degradacji oraz zużycie abrazyjne maszyn pracujących w warunkach silnych obciążeń mechanicznych.
W technologii wytwarzania odlewów posiadających w wybranych obszarach zwiększoną odporność na udary i ścieranie, proces syntezy in situ węglika krzemu SiC wykorzystuje metodę samopodtrzymującej się wysokotemperaturowej syntezy (ang. Self-Propagating High Temperatura Synthesis, SHS). Proces syntezy węglika tytanu TiC jest dobrze znany w obszarze klasycznej metalurgii proszków. Równie dobrze znane są problemy dotyczące kontroli reakcji SHS, która po zainicjowaniu jest reakcją samopodtrzymującą się, to znaczy ilość ciepła wytworzonego na skutek reakcji umożliwia dalsze rozprzestrzenianie się reakcji syntezy. Wygaszenie tej reakcji następuje tylko w przypadku, gdy z układu odprowadzana jest większa ilość ciepła niż ilość ciepła generowana podczas reakcji.
W przypadku procesów odlewniczych znane są metody ujawnione w amerykańskim opisie patentowym US2011/0226882A1, w których wytwarza się lokalne wzmocnienia kompozytowe w odlewanych częściach maszyn i urządzeń. Ujawniona metoda polega na umieszczeniu we wnęce formy kształtki lub granulatu substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC, które zalewane są ciekłym stopem na bazie żelaza. Wówczas energia cieplna dostarczona przez ciekły stop, inicjuje reakcję syntezy węglika tytanu TiC. Zachodzący in situ proces syntezy w ciekłym stopie i podlega zjawiskom fizycznym występującym w cieczach. Dotyczy to szczególnie reaktywnej infiltracji wspomaganej zjawiskami kapilarnymi, intensyfikowanymi wysoką temperaturą zalewanego stopu oraz wysoką wartością energii cieplnej wytworzonej podczas reakcji syntezy węglika tytanu TiC. Po zainicjowaniu reakcji syntezy zarodkujące i wzrastające w ciekłym stopie kryształy węglika tytanu TiC mogą tworzyć mostki i ulegać koalescencji. Jednak wspomniana reaktywna infiltracja powoduje rozprzestrzenianie się ciekłego stopu pomiędzy zarodkującymi i wzrastającymi kryształami lub skoagulowanymi cząstkami TiC. W efekcie cząstki lub kryształy węglika tytanu TiC zostają rozdzielone cieczą. Ponieważ na kryształy lub cząstki węglika tytanu TiC działa siła wyporu hydrostatycznego wynikająca z różnicy gęstości pomiędzy ciekłym stopem na bazie żelaza, a węglikiem tytanu skutkuje to nierównomiernym rozkładem tych elementów w odlewie. Może to prowadzić do fragmentacji strefy kompozytowej, co uniemożliwia wytworzenie w odlewie efektywnego lokalnego wzmocnienia kompozytowego. Szczególnie niepożądane w odlewach jest dewastujące zjawisko propagacji pęknięć. Pęknięcia materiału inicjowane są przez mikropęknięcia, które mogą się pojawić w tych obszarach, gdzie jest zlokalizowana najbardziej krucha faza materiału, którym, w tym przypadku są cząsteczki węglika tytanu TiC. Jest, zatem korzystne i pożądane, aby kruche obszary węglika tytanu TiC były dokładnie od siebie odseparowane za pośrednictwem materiału metalicznej osnowy, ponieważ większa ilość materiału metalicznej osnowy pomiędzy cząsteczkami węglika tytanu TiC powstrzymuje ich propagację.
Z amerykańskiego opisu patentowego US 20110303778A1 znany jest sposób, który umożliwia zredukowanie zjawiska propagacji pęknięć. Cel ten osiągnięto przez zastosowanie hierarchicznej struktury materiału, w której wzmocniona faza ma rozlokowane, w stopie na bazie żelaza, milimetrowych rozmiarów granule zawierające mikronowych rozmiarów skoagulowane cząsteczki węglika tytanu TiC, przy czym obszary pomiędzy cząsteczkami węglika tytanu TiC są również wypełnione stopem na bazie żelaza. W celu zrealizowania przedstawionej struktury, przygotowane wcześniej granule sprasowanych proszków Ti i C umieszcza się w wybranych miejscach formy odlewniczej, zabezpiecza przed rozproszeniem za pośrednictwem elementów separujących, po czym formę zalewa się stopem na bazie żelaza. Granulowa struktura kompozytu umożliwia kontrolę wielkości obszarów zawierających skupiska węglika tytanu TiC oraz częściową kontrolę odległości pomiędzy t ymi skupiskami. Ponadto, ułatwia także proces wyprowadzenia gazów powstających podczas syntezy SHS, co skutkuje zmniejszeniem liczby porów w odlewie. Jednakże, granulowa struktura nie zapewnia dostatecznej odporności materiału na zużycie abrazyjne. Zwiększone odległości pomiędzy granulami z cząsteczkami węglika tytanu TiC nie są korzystne, ponieważ ułatwiony jest proces erozji materiału infiltracyjnego, a to z kolei, sprzyja wykruszaniu aglomeratów węglika tytanu TiC. Celowe są, zatem poszukiwania mające na celu realizację takiej struktury kompozytu, która byłaby odporna na zjawisko propagacji pęknięć i jednocześnie odporna na zjawisko erozji.
PL 239 428 B1
Dla realizacji współczesnych elementów maszyn i urządzeń wytwarzanych techniką odlewania poszukuje się nowych uproszczonych sposobów wykonania lokalnych stref o zwiększonej wytrzymałości i odporności na zużycie ścierne, które zapewniają dalszą poprawę trwałości odlewanych elementów maszyn urządzeń jednocześnie mogą być wygodnie i łatwo zastosowane i niewymagające dodatkowego oprzyrządowania.
Istotą wynalazku jest kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych służących do uzyskania lokalnych stref kompozytowych odpornych na zużycie ścierne, przy czym strefy kompozytowe wzmacnia się węglikami i borkami tworzącymi się in situ w odlewach charakteryzuje się tym, że zawiera: proszki substratów reakcji tworzenia węglika i/lub borku wybranego z grupy: TiC, przy czym ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika TiC wynosi do 3 do 50% wag., albo WC, albo ZrC, albo NbC, albo TaC, albo TiB2, albo ZrB2 lub ich mieszanin, który po krystalizacji tworzy cząstki wzmacniające strefy kompozytowej w odlewie oraz proszki moderatora stanowiące mieszaninę zawierającą proszki metali wybranych z grupy: Fe, Co, Ni, Mo, Cr, W, Al lub mieszaninę tych proszków, które po krystalizacji tworzą osnowę strefy kompozytowej w odlewie.
Korzystnie, gdy ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika TiC w kompozycji według wynalazku wynosi do 3 do 40% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 60 do 97% wag.
Równie korzystnie, gdy ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika WC w kompozycji według wynalazku wynosi od 40 do 99% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 1 do 60% wag.
Także korzystnie, gdy ilość mieszaniny proszków substratów sprzężonej reakcji tworzenia węglika TiC i WC w kompozycji według wynalazku wynosi od 10 do 70% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 30 do 90% wag.
Korzystnie, gdy proszki substratów reakcji tworzenia węglika i/lub borku posiadają wielkość cząstek nie większą niż 100 μm, korzystnie nie więcej niż 45 μm.
Równie korzystnie, gdy proszki moderatora dodatkowo zawierają niemetal w postaci C.
Korzystnie, gdy węgiel, jako proszek substrata stanowi: grafit, grafit amorficzny, substancja węglonośna lub ich mieszaniny, a w przypadku Ti, W, Zr, Nb, Ta stanowią proszki czystych metali lub ich stopy z innymi pierwiastkami lub ich mieszaniny.
Szczególnie korzystnie, gdy proszki moderatora dodatkowo zawierają, co najmniej jeden proszek wybrany z grupy: Mn, Si, Cu, B lub mieszaninę tych proszków.
Korzystnie, gdy proszki moderatora posiadają skład chemiczny jak stop wybrany z grupy: żeliwo szare, żeliwo białe, żeliwo chromowe, staliwo chromowe, staliwo niestopowe, staliwo niskostopowe, staliwo manganowe typu Hadfield lub żeliwo chromowe z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4.
W innym ujęciu kompozycji według wynalazku, proszek moderatora stanowi mieszanina wyselekcjonowanych proszków z grupy: (a) Fe, Cr, Mn, Si, Mo, C; (b) Fe, Cr, Mn, Si, C; (c) Co, Cr, W, C; (d) Co, Fe, Ni, Mo, Cr, C; (e) Ni, Cr, Mo, Nb, Al, Ti, Fe, Mn, Si; (f) Ni, Cr, Co, W, Nb, Al, Ti, C, B, Zr; (g) Co, Ni, Fe.
Korzystnie, gdy proszki moderatora dodatkowo zawierają: proszki faz ceramicznych zwiększające odporność na zużycie, zwłaszcza wybrane z grupy: ZrO2, stabilizowane ZrO2, Al2O3 lub ich mieszaninę; i/lub składnik redukujący w postaci Al i/lub Si, przy czym ilość składnika redukującego jest nie większa niż 5% wag. w kompozycji proszków.
Istotą wynalazku jest także wkładka odlewnicza do wytwarzania w odlewie lokalnych stref kompozytowych odpornych na zużycie, zawierająca substraty reakcji tworzenia węglika i/lub borku, przy czym wkładka ma postać kształtek, brył, preform lub granulatu charakteryzująca się tym, że zawiera sprasowaną kompozycję proszków według wynalazku.
W innym ujęciu, wynalazek także dotyczy sposobu wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach, w których wykorzystuje się reakcję samorozprzestrzeniającej się syntezy termicznej (SHS), w którym sporządza się mieszaninę proszków zawierającą substraty reakcji tworzenia węglików i/lub borków, po czym prasuje się nadając sprasowanej kompozycji proszków formę zwłaszcza kształtek, brył, preform lub granulatu stanowiących wkładki odlewnicze, a następnie, co najmniej jedną wkładkę odlewniczą umieszcza się we wnętrzu formy, po czym formę zalewa się płynnym stopem odlewniczym w ilości wystarczającej do zainicjowania reakcji SHS charakteryzujący się tym, że sporządza się mieszaninę proszków zawierającą substraty reakcji tworzenia węglików i/lub borków, którą stanowi kompozycja proszków według wynalazku oraz gdzie prasowanie następuje pod ciśnieniem w zakresie od 450 MPa do 650 MPa.
Korzystnie, gdy po sporządzeniu mieszaniny proszków suszy się je, korzystnie w temperaturze 200°C do uzyskania wilgotności nie większej niż 2%.
PL 239 428 B1
Także korzystnie, gdy wkładki odlewnicze umieszcza się we wnęce formy w określonym położeniu, przy czym korzystnie wkładkę mocuje się do formy śrubami lub umieszcza się na wkładkę na stalowym stelażu umieszczanym wewnątrz formy, a korzystnie stalowy stelaż stanowią pręty, na które nawleka się wypraski posiadające otwory.
Strefy kompozytowe wytworzone w odlewach in situ dzięki zastosowaniu moderatora posiadają przewidywalne ustabilizowane wymiary, a kryształy węglika tytanu TiC mają zbliżone submikronowe rozmiary. Dzięki dużej ilości drobnych kryształów węglika tytanu TiC, stosunkowo równomiernie rozłożonych, strefa kompozytowa wykazuje zwiększoną odporność na ścieranie i jednocześnie poprawiona została odporność na udary, ponieważ w otoczeniu drobnych kryształów naprężenia mechaniczne są pomniejszone, natomiast pomniejszone odległości pomiędzy drobnymi kryształami zwiększają odporność strefy kompozytowej na erozję.
Sposób według wynalazku zapewnia znacznie bardziej precyzyjną kontrolę procesu SHS w czasie odlewania. Jak już zostało wspomniane, typowy proces SHS ma przebieg samonapędzający się, czyli raz zainicjowany zachodzi lawinowo aż przereagowany zostanie cały materiał wejściowy. Ponieważ reakcja jest silnie egzotermiczna i skutkuje wysokim przyrostem temperatury oraz emisją gazów, istnieje duże prawdopodobieństwo powstawania szczelin i porów. W rozwiązaniu według wynalazku poprzez precyzyjny dobór kompozycji stanowiącej moderator, która nie tylko skutecznie absorbuje nadmiar energii cieplnej, ale również zwiększa twardość osnowy kompozytu i jego odporność na zużycie oraz posiada zdolność absorpcji gazów, wymienione niedogodności zostały zminimalizowane.
W obrębie opisu wynalazku i zastrzeżeń patentowych następujące terminy należy rozumieć zgodnie z poniższymi definicjami:
„Proszek metalu” oznacza sproszkowaną, rozdrobnioną dowolną metodą postać metalu.
„Moderator” oznacza mieszaninę proszków metali, mogącą zawierać także niemetale, które podczas reakcji SHS syntezy wybranego węglika lub ich mieszaniny ulegają stopieniu i tworzą osnowę strefy kompozytowej, fundamentalną rolą moderatora wprowadzanego do substratów reakcji tworzenia związku ulegającego reakcji SHS jest obniżenie ilości wydzielanej energii, wynika to z zastąpienia części wagowej substratów odpowiednio moderatorem. Rolą moderatora jest ograniczenie reaktywnej infiltracji zachodzącej podczas wysokoegzotermicznej reakcji syntezy SHS wybranej fazy ceramicznej, a wraz z nią niekorzystnego zjawiska fragmentacji niszczącego in situ wytwarzane strefy kompozytowe. Dodatkową rolą moderatora jest zmniejszenie wielkości cząstek powstających w wyniku reakcji, SHS poprzez wpływ moderatora na proces krystalizacji cząstek. Moderator wpływa również na relatywnie równomierny rozkład cząstek w obrębie strefy kompozytowej oraz zwiększa twardość i odporność na zużycie stref kompozytowych.
„Moderator ceramiczny” oznacza proszek ceramiczny, korzystnie ZrO2 i/lub Al2O3, który wprowadza się w celu zwiększenia odporności na zużycie ścierne stref kompozytowych, jak również kontroli zjawiska reaktywnej infiltracji i ograniczenie niekorzystnego zjawiska całkowitej fragmentacji.
„Składnik redukujący” oznacza dodatek w postaci proszku, korzystnie Al i/lub Si, który powoduje związanie atomów gazów uwalniających się podczas reakcji SHS przebiegającej w odlewie w obszarze wytwarzanej in situ strefy kompozytowej, służy do ograniczenia lub wyeliminowania wad w postaci porowatości.
„Wkładka odlewnicza” jest zagęszczoną kompozycją proszków do wytwarzania in situ w odlewie stref kompozytowych wzmacnianych węglikami i/lub tlenkami, której kluczowym elementem jest dodatek moderatora. Moderator zawarty we wkładce odlewniczej zapobiega niekorzystnemu zjawisku fragmentacji stref, które powoduje podział stref na kawałki i ich przemieszczanie się w ciekłym stopie zalanym do wnęki formy. Wkładka odlewnicza może posiadać kształt dowolnej bryły, preformy lub może też występować w postaci granulatu i umieszcza się ją we wnęce formy odlewniczej. Wkładka powinna być tak zamontowana, aby w czasie zalewania wnęki formy nie uległa przemieszczaniu w odlewie.
„Stop bazowy” oznacza stop odlewniczy, który zostaje zalany do wnęki formy z umieszczoną w jej wnętrzu wkładką odlewniczą do wytwarzania stref kompozytowych w odlewie.
Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania nie ograniczających jego zakresu oraz na rysunku, na którym:
fig. 1 ilustruje kolejne etapy realizacji sposobu wytwarzania stref kompozytowych, w tym wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a), sposób montażu wkładek odlewniczych (b), a następnie widoczne strefy kompozytowe na frezowanym przekroju dolnej części odlewu (c) oraz na frezowanym przekroju górnej części odlewu, w którym widoczne są rozproszone fragmenty stref kompozytowych wykonanych w oparciu o wkładki odlewnicze zawierające
PL 239 428 Β1 substraty reakcji tworzenia węglika tytanu (TiC) i mniej niż 50% wagowych moderatora w postaci proszku o składzie staliwa wysokomanganowego 21% wag. Mn typu Hadfield (d);
fig. 2 ilustruje: wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a) oraz szlifowany przekrój odlewu (b) dla materiałów do tworzenia stref kompozytowych zawierających substraty reakcji tworzenia węglika tytanu (TiC) i moderator w postaci proszku czystego żelaza;
fig. 3 ilustruje: wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a), frezowany przekrój odlewu (b) oraz szlifowany przekrój odlewu (c) dla materiałów do tworzenia stref kompozytowych zawierających substraty reakcji tworzenia węglika tytanu (TiC) i moderator w postaci staliwa wysokomanganowego 21% wag. Mn typu Hadfield;
fig. 4 ilustruje: wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a), frezowany przekrój odlewu (b) oraz szlifowany przekrój odlewu (c) dla materiałów do tworzenia stref kompozytowych zawierających substraty reakcji tworzenia węglika tytanu (TiC) i moderator w postaci proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni, typu Ni-Hard4;
fig. 5 ilustruje: wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a) oraz szlifowany przekrój odlewu (b) dla materiałów do tworzenia stref kompozytowych zawierających substraty reakcji tworzenia węglika wolframu (WC) i moderator w postaci proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni, typu Ni-Hard4;
fig. 6 ilustruje wnękę formy, w której umieszcza się wkładki odlewnicze (a) oraz szlifowane przekroje odlewu (b-c) dla materiałów do tworzenia stref kompozytowych zawierających substraty sprzężonej reakcji tworzenia węglika tytanu i wolframu (TiC, WC) i moderator w postaci proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni, typu Ni-Hard4;
fig. 7-9 ilustruje mikrostrukturę przekroju obszaru przejściowego pomiędzy strefą kompozytową, a pozostałą częścią odlewu oraz mikrostrukturę strefy kompozytowej w zależności od zastosowanego składu kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych, w tym od ilości moderatora;
fig. 10 ilustruje ogólny schemat realizacji sposobu wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach według wynalazku;
fig. 11-16 ilustruje zależność zmian twardości stref kompozytowych, otrzymanych in situ w odlewie w zależności od zastosowanego składu kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych, w tym od wagowej ilości moderatora zawartej w kompozycji proszków użytych do wykonania wkładek.
Niniejszy wynalazek ilustrują następujące przykłady wykonania.
Przykład 1
W pierwszym eksperymencie przygotowano wnękę formy z wkładkami odlewniczymi do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC (fig. 1a), w której za pomocą systemów montażowych zamontowano wkładki odlewnicze (fig. 1 b). Wkładki odlewnicze przygotowano z użyciem mieszaniny proszków zawierających substraty reakcji tworzenia TiC oraz moderatora o składzie staliwa wysokomanganowego zawierającego 21% Mn. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 1. Znaki: „+” i w tabelach 1-6 odpowiednio symbolizują „tak” i „nie” w schematycznym opisie rezultatów obserwowanych na szlifie odlewu, w którym wytwarzano in situ strefy kompozytowe. Skład chemiczny moderatora o składzie staliwa wysokomanganowego typu Hadfield podano w tabeli 8.
Tabela 1
| Nr próbki: | Al | A2 | A3 | A4 | A5 | A6 |
| Substraty reakcji tworzenia TiC [% wag.j | 100 | 90 | 70 | 50 | 30 | 10 |
| Moderator o składzie staliwa wysokomanganowego 21 % Mn, typu Hadfield [% wag.j | 0 | 10 | 30 | 50 | 70 | 90 |
| Wi doczność stref k ompozytowych | - | - | - | + | + | + |
| Całkowita fragmentacja strefy | + | + | + | - | - | - |
| Częściowa fragmentacja strefy | - | - | - | + | - | - |
| Udział makroporowatości i fragmentów strefy’ w górnej części odlewu | + | + | + | - | - | - |
PL 239 428 Β1
W eksperymencie tym zamontowano wkładki odlewnicze do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC w formie, jak na fig. 1 a i 1 b. Wkładki zawierały różne ilości moderatora w postaci mieszaniny proszków o składzie staliwa manganowego Mn 21% wagowych typu Hadfield oraz substratów reakcji tworzenia TiC. Udział atomowy substratów wynosił odpowiednio 50% at. Ti : 50% at. C. Wkładki wykonano poprzez zagęszczanie pod ciśnieniem 600 MPa. Wymiary wkładek wynosiły 20 χ 100 χ X mm, gdzie X wynosiło odpowiednio dla poszczególnych kształtek od 8 do 15 mm. Następnie wykonano odlew ze staliwa L35GSM, o masie 6 kg, wymiarach 70 χ 150 χ 150 mm, gdzie widoczne są na fig. 1c strefy kompozytowe wytworzone in situ w oparciu o wkładki odlewnicze zawierające odpowiednio: 50%, 70% i 90% wag. dodatku moderatora (strefy od A4 do A6), natomiast strefy do wytworzenia, których użyto: 0%, 10% i 30% wag. moderatora są rozproszone i niewidoczne (obszar oznaczony symbolami od A1 do A3 na fig. 1 c). Fragmenty rozproszonych stref kompozytowych pokazano na przefrezowanej górnej powierzchni odlewu widocznej na fig. 1d.
W przypadku strefy kompozytowej wytworzonej bez dodatku moderatora i z jego dodatkiem w ilości 10% i 30% wagowych (odpowiednio skład wyprasek Α1, A2 i A3 zawarty w tabeli 1), obserwuje się fragmentację strefy (fig. 1 c) oraz znaczny udział makroporowatości i fragmentów warstwy w górnej części odlewu (fig. 1d). Taka makrostruktura jest efektem intensywnej infiltracji wywołanej znacznym wzrostem temperatury podczas reakcji syntezy SHS węglika TiC, na skutek niedostatecznej ilości moderatora. Ponieważ reakcja syntezy jest silnie egzotermiczna, znaczny wzrost temperatury sprzyja procesowi infiltracji, jak również produkcji i rozpuszczaniu gazów. W efekcie w odlewie nie uzyskuje się stabilnych stref, a jedynie rozmieszczone przypadkowo ich fragmenty strefy z węglikiem TiC. Wraz ze wzrostem procentowej zawartości moderatora posiadającego skład staliwa wysokomanganowego 21% Mn widoczna jest tendencja do stabilizacji wymiarów, jednocześnie zanikają makroporowatości w obrębie poszczególnych stref. Jak uwidoczniono na fig. 1 oraz fig. 2, przy 70% wag. zawartości moderatora uzyskano makroskopowo najlepszą stabilność wymiarową oraz najmniejszy udział makroporowatości w odlewie. W przypadku zastosowania tego moderatora relatywnie stabilne wymiarowo pozostają jedynie te strefy, w których procentowa zawartość proszków moderatora jest większa niż 50% wag. Widoczna na fig. 1d górna powierzchnia odlewu ujawnia fragmenty dla stref 0%, 10%, 30% wag. moderatora, które podczas reakcji in situ TiC w ciekłym stopie uległy fragmentacji i wypłynęły do góry. Efekt taki obserwowano w serii 15 prób. Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych wskazują, że jeżeli wkładki odlewnicze, do wytwarzania in situ w odlewie stref kompozytowych, zawierają wyłącznie proszki substratów reakcji syntezy TiC, to nie tworzą się lokalne strefy kompozytowe z powodu niekorzystnego zjawiska ich fragmentacji.
W drugim eksperymencie przygotowano wnękę formy z wkładkami odlewniczymi do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC (fig. 2a), w której za pomocą systemów montażowych zamontowano wkładki odlewnicze. Wkładki odlewnicze przygotowano z użyciem mieszaniny proszków zawierających substraty reakcji tworzenia TiC oraz moderatora o składzie czystego proszku Fe w ilościach wskazanych w tabeli 2. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 2. Udział atomowy substratów wynosił odpowiednio 55% at. Ti : 45% at. C. Wkładki wykonano poprzez zagęszczanie pod ciśnieniem 500 MPa i posiadały wymiary 20 χ 50 χ X mm, gdzie X wynosi odpowiednio dla poszczególnych kształtek od 15 do 25 mm.
Tabela 2
| Nr próbki: | BI | B2 | B3 | B4 | B5 | B6 | B7 | B8 | B9 |
| Substraty reakcji tworzenia TiC, [% wag.J | 100 | 90 | 70 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 3 |
| Moderator o składzie czystego Fe [% wag.l | 0 | 10 | 30 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 97 |
| Widoczność stref kompozytowych | - | - | - | + | + | + | 4- | + | + |
| Całkowita fragmcntacja strefy | + | + | + | - | - | - | - | - | - |
| Częściowa fragmentacja strefy | - | - | - | + | - | - | - | - | - |
| Udział makroporowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu | + | + | + | - | - | - | - | - | - |
W trzecim eksperymencie zamontowano wkładki odlewnicze do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC w formie, jak na fig. 3a. Wkładki zawierały różne ilości moderatora
PL 239 428 Β1 w postaci proszku staliwa wysokomanganowego 21% wag. Mn. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 3. Udział atomowy substratów wynosił odpowiednio 55% at. Ti : 45% at. C. Wkładki wykonano poprzez zagęszczanie pod ciśnieniem 500 MPa i posiadały wymiary 20 χ 50 χ X mm, gdzie X wynosi odpowiednio dla poszczególnych kształtek od 15 do 25 mm. Następnie przygotowano dwa przekroje odlewu ze staliwa L450 o masie 7 kg, wymiarach 43 χ 70 χ 250 mm i grubości ścianki 48 mm: frezowany (fig. 3b) oraz szlifowany (fig. 3c). Na obydwu przekrojach widoczne są strefy kompozytowe wytworzone in situ w oparciu o wkładki odlewnicze zawierające odpowiednio: 50%, 60%, 70%A, 70%B, 80%, 90% i 97% wag. dodatku moderatora (próbki C3-C8), natomiast strefy zawierające 10% i 30% moderatora (próbki C1-C2) są rozproszone i niewidoczne z uwagi na zjawisko całkowitej ich fragmentacji w odlewie. Strefa wytworzona z udziałem 50% wag. moderatora uległa częściowej fragmentacji, co obrazują widoczne rozdzielnia strefy przez stop.
Tabela 3
| Nr próbki: | Cl | C2 | C3 | C4 | C5 | C6 | C7 | C8 | C9 |
| Substraty reakcji tworzenia TiC, |% wag. | | 90 | 70 | 50 | 40 | 30A | 30B | 20 | 10 | 3 |
| Moderator o składzie staliwa wysokomanganowego 21% wag. Mn typu Hadficld, |%wag.| | 10 | 30 | 50 | 60 | 70A | 70B | 80 | 90 | 97 |
| Widoczność stref kompozytowych | - | - | + | + | + | + | + | + | + |
| Całkowita fragmcntacja strefy | + | 4- | - | - | - | - | - | - | - |
| Częściowa fragmcntacja strefy' | - | - | + | - | - | - | - | - | - |
| Udział mak ropo rowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu | + | + | - | - | - | - | - | - | - |
W czwartym eksperymencie testowano kompozycje proszków do wytwarzania lokalnych stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC, który zawierał moderator w postaci mieszaniny proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 4. Udział atomowy substratów wynosił odpowiednio 55% at. Ti : 45% at. C. Wkładki wykonano poprzez zagęszczanie pod ciśnieniem 500 MPa i posiadały wymiary 20 χ 50 χ X mm, gdzie X wynosi odpowiednio dla poszczególnych kształtek od 15 do 25 mm. Wkładki zamontowano we wnęce formy odlewniczej jak na fig. 4a. Następnie wnękę formy z wkładkami odlewniczymi zalano stopem L450, którego skład zawarto w tabeli 8. Wytworzono odlew ze strefami kompozytowymi o masie około 7 kg i wymiarach 43 χ 70 χ 250 mm oraz grubości ścianki 48 mm. Następnie przygotowano dwa przekroje odlewu ze staliwa L450: frezowany (fig. 4b) oraz szlifowany (fig. 4c). Na obydwu przekrojach widoczne są strefy kompozytowe wytworzone in situ w oparciu o wkładki odlewnicze zawierające odpowiednio: 50%, 60%, 70%, 80%, 90% i 97% wagowych dodatku moderatora (próbki C3-C8), natomiast strefy zawierające 0%, 10% i 30% moderatora (próbki C1-C2) są rozproszone i niewidoczne z uwagi na zjawisko całkowitej ich fragmentacji w odlewie. Strefa wytworzona z udziałem 50% wag. moderatora uległa częściowej fragmentacji, co obrazują widoczne rozdzielnia strefy przez stop.
Tabela 4
| Nr próbki: | Dl | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 | D9 |
| Substraty reakcji tworzenia TiC, [%wag.] | 100 | 90 | 70 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 3 |
| Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4, [% wag.] | 0 | 10 | 30 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 97 |
| Widoczność stref kompozytowych | - | - | - | + | + | + | + | + | + |
| Całkowita fragmcntacja strefy’ | + | + | + | - | - | - | - | - | - |
| Częściowa fragmcntacja strefy | - | - | - | + | - | - | - | - | - |
| Udział makroporowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu | + | -1- | -1- | - | - | - | - | - | - |
PL 239 428 Β1
Przy realizacji badań eksperymentalnych grubość ścianki odlewu ustalono w zakresie od 50 do 150 mm, co jest typową wartością dla wielu odlewanych elementów konstrukcyjnych stosowanych w kruszarkach stożkowych, szczękowych, młotkowych, udarowych, jak również rolkach lub kulach w młynach kulowych, czy rolkowych. W podanym zakresie strefy o zawartości moderatora powyżej 60% wag. były stabilne i nie ulegały fragmentacji. W przypadku większej grubości ścianki można użyć kompozycji proszków o wyższej zawartości moderatora, co ograniczy infiltrację i pozwali na wytworzenia w takich odlewach stabilnych stref kompozytowych.
Przykład 2
W przykładzie 2 zamontowano wkładki odlewnicze w formie do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem WC, jak na fig. 5a. Wkładki odlewnicze zawierały substraty reakcji tworzenia WC i różne ilości moderatora w postaci proszku o składzie żeliwa białego z dodatkiem niklu typu NiHard 4. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 5. Udział atomowy substratów do wytworzenia węglika WC wynosił odpowiednio 94,93% W : 5,07% C. Do moderatora wkładek odlewniczych E2-E9 wprowadzono dodatek odtleniacza w postaci proszku Al w ilości 2% wag. Wkładki wykonano poprzez zagęszczenie pod ciśnieniem 500 MPa i posiadały one wymiary 20 χ 50 χ X mm, gdzie X był wymiarem wynikającym z zagęszczenia poszczególnych kompozycji proszków. Do wytworzenia wyprasek E1-E8 użyto naważek kompozycji proszków o masie 100 g, a dla E9 150 g. Następnie przygotowano przekrój szlifowany (fig. 5b) odlewu ze staliwa L450 o masie 7 kg, wymiarach 43 χ 70 χ 250 mm i grubości ścianki 48 mm szlifowany. Na przekroju (szlifie) widoczne są strefy kompozytowe wytworzone in situ w oparciu o wkładki odlewnicze E1-E5 gdzie widoczne są stabilne wymiarowo strefy kompozytowe wzmacniane WC, a strefy E6-E9 posiadają wady w postaci złego przereagowania wyprasek z większą zawartością moderatora. Wskazuje to na odmienny charakter reakcji SHS węglików TiC i WC. W przypadku TiC z racji dużej energii towarzyszącej reakcji i względnie niskiej wartości energii aktywacji dochodzi do fragmentacji i korzystnie jest używać moderatora powyżej 60% wag. zaś dla węglika WC korzystnie jest użyć poniżej 60% wag. moderatora, gdyż przy większej jego zawartości reakcja jest wygaszana i niewydajna. Powoduje to powstawanie wad w obrębie strefy kompozytowej. Energie towarzyszące reakcji SHS oraz energie aktywacji dla węglików TiC i WC się różne, co powoduje, że proces wytwarzania stref w odlewach na bazie tych węglików jest inny i trzeba stosować inne zakresy dodatku moderatora. W strefach kompozytowych na bazie węglika WC nie występuje zjawisko fragmentacji i mogą one powstawać z niską zawartością moderatora.
Tabela 5
| Nr próbki: | El | E2 | E3 | E4 | E5 | E6 | E7 | E8 | E9 |
| Substrat; tworzenia reakcji WC [% wag ] | 100 | 90 | 70 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 3 |
| Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni- Hard4. [%wag.] | 0 | 10 | 30 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 97 |
| Widoczność stref kompozytowych | + | + | + | + | + | - | - | - | - |
| Całkowita fragmentacja strefy | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Częściowa fragmcntacj strefy | - | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Udział makroporowatości i brak reakcji | - | - | - | - | - | + | + | + | + |
Przykład 3
W przykładzie 3 zamontowano wkładki odlewnicze do reakcji syntezy sprzężonej SHS, w której wytworzono węglik (Ti,W)C w formie, jak na fig. 6a. Wkładki odlewnicze zawierały substraty TiC i WC do reakcji sprzężonej SHS węglika (Ti,W)C oraz różne ilości moderatora w postaci mieszaniny proszku o składzie żeliwa białego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4. Skład kompozycji proszków użytych do wytworzenia wkładek odlewniczych i uzyskane rezultaty ujęto w tabeli 6. Udział wagowy substratów wynosił odpowiednio 50% TiC (gdzie: 55% at. Ti : 45% at. C) i 50% wag. WC (gdzie: 94,93% at. W : 5,07% at. C). Do wkładek odlewniczych F1-F4 wprowadzono dodatek odtleniacza w postaci proszku aluminium w ilości 5%, zaś w przypadku wkładek F5-F8 zmniejszono ilość odtleniacza do 0,1%. Wkładki wykonano poprzez zagęszczenie pod ciśnieniem 500 MPa i posiadały wymiary 20 χ 60 χ X mm, gdzie X
PL 239 428 Β1 to wymiar wynikający z zagęszczalności poszczególnych kompozycji proszków. Następnie przygotowano przekrój szlifowany (fig. 5b) odlewu ze staliwa LGS30 o masie 7 kg, wymiarach 43 χ 70 χ 250 mm i grubości ścianki 48 mm szlifowany: szlifowany na powierzchni górnej (fig. 6b) oraz bocznej (fig. 6c). Na obydwu przekrojach widoczna są strefy kompozytowe wytworzone in situ w oparciu o wkładki odlewnicze. Wykorzystanie reakcji sprzężonej syntezy SHS TiC i WC pozwoliło na wytworzenie stabilnych wymiarowo i nie ulęgających fragmentacji stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem (Ti,W)C przy zawartości moderatora od 55 do 89,9% wag. Obserwacje makroskopowe wykazały obecność wad gazowych w strefach F6-F8 wytworzonych z małą zawartością odtleniacza w ilości 0,1% wagowych. Strefy wytworzone z dodatkiem 5% wag. Al nie posiadają wad w postaci porowatości.
Tabela 6
| Nr próbki: | FI | F2 | F3 | F4 | F5 | F6 | F7 | F8 |
| Substraty reakcji tworzenia węglika (Ti,W)C [% wag.] | 40 | 30 | 20 | 10 | 40 | 30 | 20 | 10 |
| Ilość odtleniacza w postaci czystego Al [% wag.] | 5 | 5 | 5 | 5 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni- Hard4, [%wag ] | 55 | 65 | 75 | 85 | 59,9 | 69,9 | 79,9 | 89,9 |
| Widoczność stref kompozytowych | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Całkowita fragmentacja strefy | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Częściowa fragmentacji strefy | - | - | - | - | - | - | - | - |
| Udział makroporowatości i wad w' postaci pęcherzy gazowych | - | - | - | - | - | + | + | + |
Dla wybranych składów materiałów do wytwarzania lokalnych stref kompozytowych według wynalazku wykonano badania mikrostruktury przekroju obszaru przejściowego pomiędzy strefą kompozytową, a pozostałą częścią odlewu ze staliwa oraz mikrostruktury strefy. Testy wykonano w układach eksperymentalnych ujętych w tabeli 7.
Tabela 7
| Nr próbki | Dl | D2 | D9 |
| Osnowa | staliwo L35GSM | staliwo L35GSM | staliwo L450 |
| Rodzaj moderatora | staliwo wysokomanganowe 21% wag. Mn | żeliwo chromowe typu Ni-Hard4 | |
| Ilość moderatora | 70% wag. | 90% wag. | 97 % wag. |
| Wyniki | Fig. 5 | Fig. 6 | Fig. 7 |
| Komentarz | na każdym z fig. 7-9 na zdjęciu (a) widoczny jest przekrój przez granicę pomiędzy strefą kompozytową a osnową, a kolejne fig. 7-9 (b)-(d) lub (b)-(f) przedstawiają powiększenia dla obszaru strefy kompozytowej | ||
| Obserwowany efekt | ciągła granica, bez pęknięć, porowatości, bardzo dobre połączenie dzięki infiltracji | widoczne są submikronowe oraz nanometryczne TiC | widoczne są submikronowe oraz nanometry czne TiC |
PL 239 428 Β1
Tabela 8. Składy chemiczne moderatorów użytych w przykładach wykonania
| Skład moderatora | Skład chemiczny [% wag.j | ||||||
| C | Mn | Si | Ni | Cr | Mo | Fe | |
| Staliwo wysokomanganowc 21% Mn typu Hadfield | 1,2 | 21 | 0,5 | - | - | - | reszta |
| Żeliwo chromowe z dodatkiem niklu typu NiHard 4 | 3,6 | 0,8 | 2,2 | 5,5 | 10 | 0,5 | reszta |
| Żeliwo wysokochromowe | 3,31 | 0,69 | 0,87 | - | 26,6 | 1,25 | reszta |
Na fig. 7 i 8 przedstawione zostały obrazy mikrostruktur w strefach kompozytowych wytworzonych w staliwie L35GSM. Strefy kompozytowe wytworzono w oparciu o wkładki odlewnicze zawierające 70% wag. dodatku moderatora o składzie staliwa manganowego 21% wag. Mn typu Hadfield, który stanowiła mieszanina proszków: Fe, FeMn, C, FeSi, Al. Widoczna na fig. 7a strefa przejściowa pomiędzy strefą kompozytową, a pozostałą częścią odlewu posiada dobre połączenie uzyskane poprzez kontrolowany proces infiltracji oraz dyfuzji w stanie ciekłym zachodzącej pomiędzy obszarem strefą reakcji in situ oraz ciekłym stopem zalanym do wnęki formy. Granica pomiędzy strefą kompozytową, a pozostałą częścią odlewu tworzy linię prostą i charakteryzuje się ciągłością, stabilnością wymiarową. W wytworzonej strefie kompozytowej otrzymano głównie submikronowej wielkości węgliki TiC rozmieszczone równomiernie w obrębie strefy. Widoczny efekt rozdrobienia sprzyja rozwinięciu powierzchni węglika TiC oraz jego równomiernemu rozmieszczaniu w obrębie strefy, co uwidoczniono na fig. 7 c-d. Przy dużej zawartości moderatora w ilości 90% wag. moderatora, który uwidoczniono na fig. 8 rozkład kryształów węglika tytanu TiC w strefie kompozytowej jest mniej równomierny, a skupiska kryształów TiC mają również postać charakterystycznych samoorganizujących się struktur w postaci pierścieni i łańcuchów, które ukazano na fig. 8f. Pierścienie tych łańcuchów posiadają submikronową i manometryczną grubość.
Zastosowanie moderatora w postaci proszku korzystnie wpływa na kinetykę zarodkowania i wzrostu kryształów w ciekłym stopie podczas reakcji syntezy węglika np. tytanu TiC, WC, (W,Ti)C i innych węglików ulęgających reakcji SHS zachodzącej pomiędzy proszkami substratów reakcji tworzenia danego węglika znajdujących się w sprasowanej kompozycji proszków tworzących po sprasowaniu wkładkę odlewniczą. Szczególnie korzystna jest doskonała dyspersja kryształów np. TiC w osnowie strefy kompozytowej. Umożliwia ona uzyskanie korzystnych parametrów eksploatacyjnych przy stosunkowo niskiej procentowej zawartości węglika np. tytanu TiC w strefie kompozytowej. Dodatek moderatora w postacie mieszaniny proszków metali i niemetali wpływa istotnie na poprawę twardości i odporność na zużycie stref kompozytowych otrzymywanych in situ w odlewach.
Przeprowadzono także badania twardości stref kompozytowych otrzymanych z materiałów do wytwarzania lokalnych stref kompozytowych według wynalazku o różnym składzie i różnej zawartości moderatora oraz sposobem według wynalazku. Wyniki przedstawiono na fig. 10-13. Zależność twardości stref kompozytowych testowano w odlewach o masie 7 kg, wymiarach 43 χ 70 χ 250 mm i grubości ścianki 48 mm, które zawierały strefy kompozytowe otrzymane in situ.
Przedstawione na fig. 11-14 wyniki badań twardości w skali Vickersa zostały opracowane na bazie próbek, każda o liczności 30 szt. Na wykresie: kropka - określa wartość średnią; kreska - określa medianę 50%; ramka - określa granicę przedziału ufności dla odchylenia 2σ; χ, x - określają wartości ekstremalne. Badanie twardości wykonano dla obciążeń: 9,807 N (HV1) (a) oraz 294,2N (HV30) (b).
Osnowa strefy kompozytowej według wynalazku, w przeciwieństwie do znanych metod, może być wykonana w oparciu o skład chemiczny o odmiennych właściwościach niż stop bazowy odlewu, którym zalano wnękę formy. Dzięki temu możliwe jest staranne wyselekcjonowanie stopu zapewniającego przewidywalne właściwości mechaniczne i użytkowe, powtarzalny przebieg procesu syntezy oraz powtarzalny rozkład kryształów węglika np. tytanu TiC w lokalnych strefach kompozytowych.
Korzystne cechy nowej metody potwierdzają przedstawione na fig. 11 i fig. 12 porównawcze wyniki badań twardości, gdzie: fig. 11 przedstawia zależność twardości stref kompozytowych,
PL 239 428 B1 otrzymanych in situ w odlewie ze staliwa L450, od ilości moderatora w postaci czystego proszku żelaza, który ma właściwości zbliżone do stopu bazowego; natomiast fig. 12 przedstawia zależność twardości stref kompozytowych otrzymanych in situ w odlewie ze staliwa L35GSM, gdzie zastosowano substraty reakcji tworzenia węglika tytanu TiC zmieszane z proszkami moderatora, które na skutek reakcji SHS tworzą żeliwo chromowe, a więc stop odmienny od stopu bazowego odlewu.
Wyniki przeprowadzonych badań eksperymentalnych wskazują na dwa istotne parametry wpływające na przebieg zależności zmian twardości. Pierwszy z nich to wpływ moderatora, który poprzez stabilizację procesu reaktywnej infiltracji, wpływa na stabilność wymiarową stref kompozytowych. Stabilność wymiarowa zapewnia uzyskanie maksymalnego udziału objętościowego węglika w obrębie strefy przy danej zawartości substratów reakcji jego tworzenia oraz odpowiadającej temu udziałowi twardości kompozytu. Poza udziałem objętościowym otrzymanych węglików istotna jest również ich morfologia oraz wzajemne połączenie np. formowanych mostków. Jak można zauważyć na fig. 11-14, najwyższe wartości twardości dla stref wzmacnianych węglikiem TiC uzyskuje się, jeżeli masa moderatora stanowi 60^70% wag. w kompozycji proszków użytych do wykonania wkładki odlewniczej. Ten zakres procentowej zawartości moderatora w strefie kompozytowej jest optymalny dla moderatorów wykonanych w oparciu o: czyste proszki żelaza, mieszaninę proszków o składzie żeliwa chromowego, mieszaninę proszków o składzie staliwa wysokomanganowego 21% Mn typu Hadfield oraz proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4. Moderator o składzie żeliwa chromowego Ni-Hard4 (70% wag.) został wybrany, jako optymalny dla zwiększenia twardości stref kompozytowych wytwarzanych w relatywnie miękkim staliwie L450. Uzyskana wysoka wartość twardości (1400 HV1, fig. 13) jest skutkiem synergii zastosowania proszków moderatora tworzącego fazy typowe dla żeliwa chromowego typu Ni-Hard4 w ilości 70% wag. i substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC.
Również moderator o składzie staliwa manganowego (fig. 14), w ilości 70% wag. zapewnia wysoką wartość twardości dla strefy kompozytowej (1200 HV1) przy stosunkowo niskiej twardości bazowego staliwa L450 (550 HV1).
Opcjonalnie, skład moderatora może być uzupełniony o fazy ceramiczne takie jak: tlenek aluminium Al2O3 lub tlenek cyrkonu ZrO2, w tym jego stabilizowane odmiany. Wprowadzenie faz ceramicznych do stref kompozytowych pozwala na zwiększenie procentowej zawartości substratów rea kcji tworzenia węglika tytanu poprzez ograniczenie infiltracji i tym samym znaczne zwiększenie odporności na ścieranie. Same fazy ceramiczne w postaci tlenków również podwyższają odporność na zużycie stref i są tańsze niż np. Ti użyty do tworzenia węglika TiC. Zastosowanie, w tym przypadku, zwiększonej procentowej zawartości substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC nie powoduje fragmentacji strefy kompozytowej, ponieważ fazy ceramiczne, a zwłaszcza tlenek aluminium, z uwagi na duże ciepło właściwe, absorbują ciepło w czasie syntezy SHS, a więc możliwe jest utrzymanie kontroli procesu SHS. Zastosowanie w składzie moderatora tlenku aluminium Al2O3 lub tlenku cyrkonu ZrO2, umożliwia wytworzenie bardzo odpornych na zużycie ścierne stref kompozytowych, jednakże zastosowanie tego typu wkładek jest ograniczone jedynie do tych zastosowań, gdzie duża odporność na udary nie jest wymagana.
W przypadku stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem WC najwyższa twardość przedstawiona na fig. 15 występuje przy małej zawartości moderatora, jednak nie ulega ona istotnemu obniżeniu wraz ze wzrostem dodatku moderatora. Powoduje to, że korzystnie jest stosować dodatek moderatora, można wytworzyć wzmocnienie w odlewie stosując mniejszą ilość drogiego wolframu W.
Strefy kompozytowe wzmacniane węglikiem (Ti,W)C wytworzone w wyniku sprzężonej reakcji syntezy posiadają korzystną twardość uwidocznianą na fig. 16 przy zawartości 55% moderatora.
W uzupełnieniu do przedstawionych na fig. 11-14 wyników badań twardości poszczególnych stref kompozytowych, w tabeli 9 zestawiono wyniki badań odporności na ścieranie dla wybranych stref kompozytowych. Wskaźnik zużycia stref kompozytowych oraz staliwa L35GSM zostały zmierzone metodą Ball-on-Disc, zgodnie z normą ISO 20808:2004. Przedstawione w poniższej tabeli wyniki badań potwierdzają, że strefy kompozytowe o wysokiej twardości charakteryzują się małym wskaźnikiem zużycia. Przykładowo, strefa kompozytowa wykonana na osnowie żeliwa chromowego Ni-Hard4, dla której zmierzona wartość twardości wynosi 1400 HV1 posiada najmniejszy wskaźnik zużycia 7,07*10-6 [mm3/Nm].
PL 239 428 Β1
Tabela 9
| Nazwa strefy kompozytowej | Skład chemiczny moderatora | Moderator | Substraty reakcji tworzenia TiC | Wskaźnik zużycia dysku [W* 10-6] |
| % wag. | % wag. | % wag. | [mm3/N*m] | |
| Strefa kompozytowa na osnowie żeliwa chromowego Ni-Hard4 | 3,6-C; 2,2-Si; 0,8-Mn; 5,5Ni; 10-Cr; 0,5-Mo, Fe reszta; | 70 | 30 | 7,07 |
| Strefa kompozytowa na osnowie staliwa Hadficlda | 12-Mn; 0,4-Si; 0,32-C; Fc-rcszta | 70 | 30 | 14,11 |
| Strefa kompozytowa na osnowie staliwa Hadfielda z dodatkiem moderatorów AI2O3 oraz Ζ1Ό2-Υ2Ο3 | 70% (12-Mn; 0,4-Si; 0,32C; Fe- reszta); 15% (AhOs - 7,5; ZrO2-Y2O3 - 7,5) | 85 | 15 | 17,80 |
| Strefa kompozytowa na osnowie żeliwa wysokochromowego | 3,31-C; 0,87-Si; 0,69-Mn; 26,6-Cr, Fe reszta | 70 | 30 | 21,95 |
| Strefa kompozytowa na osnowie czystego żelaza | 100-Fc | 70 | 30 | 137,23 |
| Staliwo L35GSM | - | - | - | 860 |
Sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach według wynalazku ilustruje fig. 11 oraz przedstawiono w przykładach 4-7.
Przykład 4
Odlew kompozytowy do zastosowań w środowisku dużego zużycia abrazyjnego i niskich obciążeń dynamicznych. Mieszaninę proszków Ti o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 pm oraz proszków C o średniej średnicy mniejszej niż 3 pm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy 1:1. Do 40% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC wprowadzono 59% wag. moderatora stanowiącego mieszaninę proszków o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4 zawierającego: Fe, Cr, Ni, Mn, Si, Mo i C, z których część wprowadzano w formie żelazostopów. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1% wag. składnika redukującego w postaci proszku Al. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysuszono w celu wyeliminowania wilgoci i prasowano pod ciśnieniem 500 MPa. Otrzymano 34 wkładki odlewnicze o wymiarach 10 χ 20 χ 100 mm, które zamontowano w obszarze największego zużycia odlewu o masie 17 kg za pomocą systemu montażu we wnęce formy odlewniczej.
Formę wraz z zamontowanym zestawem wkładek odlewniczych wygrzano za pomocą palnika gazowego, w celu dodatkowego usunięcia wilgoci. Następnie formę zalano ciekłym stopem odlewniczym o składzie żeliwa chromowego. Otrzymano odlew wzmocniony strefami kompozytowymi zawierającymi głównie submikronowe owalne węgliki TiC rozmieszczone w osnowie zawierającej austenit oraz węgliki Cr?C3.
Przykład 5
Odlew kompozytowy do zastosowań w środowisku dużego zużycia abrazyjnego i dużych obciążeń dynamicznych. Mieszaninę proszków tytanu o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 pm oraz proszków węgla o średniej średnicy mniejszej niż 3 pm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy 1:1. Do 30% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC wprowadzono 69% wag. moderatora stanowiącego mieszaninę proszków o składzie staliwa wysokomanganowego 21% Mn zawierającą: Fe, Mn, Si, C, z których część wprowadzano w formie żelazostopów oraz niewielkie dodatki innych pierwiastków. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1% wag. składnika redukującego w postaci proszku Al. Składnik redukujący wprowadzono w celu związania
PL 239 428 B1 gazów powstających podczas reakcji SHS TiC tych, które zawarte były w wyprasce. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysuszono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa. Otrzymane wkładki odlewnicze o wymiarach 15 χ 20 χ 100 mm, w ilości 100 sztuk, umieszczono w przewidywanym obszarze największego zużycia odlewu o masie 200 kg. Następnie formę wraz z zamontowanym systemem wkładek odlewniczych wygrzano za pomocą palnika gazowego, w celu usunięcia wilgoci. Po czym formę zalano ciekłym stopem odlewniczym o składzie staliwa manganowego zawierającego 18% wag. Mn. Otrzymano odlew wzmocniony strefami kompozytowymi zawierającymi głównie submikronowe węgliki TiC rozmieszczone w osnowie austenitycznej.
P r z y k ł a d 6
Wytworzenie odlewu ultra-odpomego na zużycie ścierne do zastosowań w środowisku bez dużych obciążeń dynamicznych. Mieszaninę proszków Ti o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz proszków C o średnicy mniejszej niż 3 μm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy 1:1. Do 50% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia wprowadzono moderatory: 10% wag. ZrO2-Y2O3, 10% Al2O3 oraz 29% wag. mieszaniny proszków o składzie staliwa wysokomanganowego zawierającego 21% wag. manganu. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1% składnika redukującego w postaci proszku Al w celu związania gazów występujących w wyprasce. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysuszono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa. Otrzymano wkładki odlewnicze o wymiarach 10 χ 20 χ 100 mm, które umieszczono za pomocą systemu montażu we wnęce formy odlewniczej. Formę wraz z zamontowanym zestawem wkładek odlewniczych wygrzano za pomocą palnika gazowego, w celu usunięcia wilgoci. Następnie formę zalano ciekłym stopem odlewniczym o składzie staliwa wysokomanganowego zawierającego 18% wagowych Mn. Otrzymano odlew o masie 40 kg wzmocniony strefami z kompozytem hybrydowym typu TiC/AUO3/ZrO2Y2O3/osnowa, zawierającym głównie cząstki: submikronowego i mikronowego węglika TiC oraz milimetrowego i mikronowego tlenku Al2O3 oraz ZrO2-Y2O3.
P r z y k ł a d 7
Wytworzenie odlewu ultra-odpornego na zużycie ścierne do zastosowań w środowisku bez dużych obciążeń dynamicznych. Mieszaninę proszków Ti o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz proszków C o średniej średnicy mniejszej niż 3 μm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy około 1:1. Do 30% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC wprowadzono 39% wag. moderatora stanowiącego mieszaninę proszków o składzie staliwa wysokomanganowego 21% Mn zawierającą: Fe, Mn, Si, C, z których część wprowadzano w formie żelazostopów oraz niewielkie dodatki innych pierwiastków o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz 30% wag. moderatora ceramicznego w postaci stabilizowanego Y2O3 proszku ZrO2 o średniej średnicy mniejszej niż 1 mm. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1% wag. składnika redukującego w postaci proszku aluminium. Składnik redukujący wprowadzono w celu związania gazów występujących w wyprasce. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysuszono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa.
P r z y k ł a d 8a
Otrzymano wkładki odlewnicze na bazie mieszaniny proszków z przykładu 7 o wymiarach 15 χ 20 χ 100 mm, które w ilości 5 szt. umieszczono w przewidywanym obszarze największego zużycia odlewu o masie 7 kg. Następnie formę wraz z zamontowanym systemem wkładek odlewniczych wysuszono za pomocą palnika gazowego, w celu usunięcia zaabsorbowanej wilgoci. Po czym formę zalano ciekłym stopem odlewniczym o składzie staliwa L35GSM. Otrzymano odlew wzmocniony strefami z kompozytem hybrydowym typu TiC/ZrO2-Y2O3/osnowa zawierający głównie cząstki: submikronowego i mikronowego węglika TiC oraz mikronowego i milimetrowego tlenku ZrO2-Y2O3.
P r z y k ł a d 8b ‘
Wkładka odlewnicza odmiana druga wykonanie pierwsze. Mieszaninę proszków Ti o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz proszków C o średniej średnicy mniejszej niż 3 μm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy około 1:1. Do 45% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC wprowadzono 10% wag. moderatora stanowiącego mieszaninę proszków o składzie żeliwa chromowego: Fe, Cr, Mn, Mo, Si, C, z których część wprowadzano w formie żelazostopów oraz niewielkie dodatki innych pierwiastków o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz 45% wag. moderatora ceramicznego w postaci 5% wag. stabilizowanego Y2O3 proszku ZrO2 o średniej średnicy mniejszej niż 100 μm i 40% wag. Al2O3 o średniej średnicy mniejszej niż 130 μm. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1 % składnika redukującego w postaci proszku Al. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysu
PL 239 428 B1 szono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa w celu wytworzenia wkładek odlewniczych o wymiarach 15 χ 20 χ 100 mm.
P r z y k ł a d 8c
Wkładka odlewnicza odmiana druga, wykonanie drugie. Mieszaninę proszków Ti o średniej średnicy mniejszej niż 44,5 μm oraz proszków C o średniej średnicy mniejszej niż 3 μm sporządzono zachowując wzajemny udział atomowy około 1:1. Do 20% wag. mieszaniny proszków substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC wprowadzono 19% wag. moderatora stanowiącego mieszaninę proszków o składzie żeliwa chromowego: Fe, Cr, Mn, Si, C, z których część wprowadzano w formie żelazostopów oraz 60% wag. moderatora ceramicznego w postaci stabilizowanego Y2O3 proszku ZrO2 o średniej średnicy mniejszej niż 0,5 mm. Dodatkowo, do mieszaniny proszków wprowadzono 1% wag. składnika redukującego w postaci proszku Al. Następnie wszystkie proszki wymieszano, wysuszono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa w celu wytworzenia wkładek odlewniczych o wymiarach 15 χ 20 χ 100 mm.
Lokalne strefy kompozytowe wytwarza się poprzez umieszczenie we wnęce formy odlewniczej wkładek odlewniczych otrzymanych poprzez zagęszczenie mieszaniny proszków zawierających: substraty reakcji tworzenia węglika ulegającego reakcji syntezy SHS np. TiC oraz mieszaniny wyselekcjonowanych proszków metali i niemetali, które po procesie krystalizacji odlewu stanowią osnowę kompozytu, która jest stopem odlewniczym na bazie Fe. Moderator wprowadzony w ilości wynosi od 60% do 97% wagowych zapewnia stabilizację wymiarów geometrycznych stref kompozytowych i zapobiega fragmentacji strefy podczas reaktywnej infiltracji podczas reakcji syntezy węglika tytanu TiC w odlewach o grubości ścianki od 10 do 150 mm. Minimalna ilość substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC, zapewniająca formowanie in situ osnowy kompozytu wynosi 3% wagowych. Użycie mniejszej ilości substratów reakcji tworzenia węglika tytanu TiC jest nieskuteczne i nie prowadzi do uzyskania projektowanej struktury osnowy kompozytu w obrębie strefy kompozytowej. Zastosowanie struktur ceramicznych opartych o tlenek aluminium i tlenek cyrkonu umożliwia zwiększenie procentowej zawartości kryształów TiC (> 30%) w strefie kompozytowej, tym samym możliwe jest znaczne zwiększenie twardości i odporności na ścieranie.
W przypadku syntezy stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem WC moderator może być użyty w ilości do 60% wagowych, gdyż powyżej tej zawartości reakcja przebiega niewydanie i ulega wygaszeniu. Stosując substraty reakcji tworzenia WC z dodatkiem moderatora do 60% wag. możliwe jest otrzymywanie stabilnych wymiarowo stref kompozytowych, co zobrazowano na fig. 5
Możliwie jest również wytwarzanie stref kompozytowych według wynalazku poprzez stosowanie mieszanin substratów reakcji tworzenia przykładowo węglików TiC i WC, co zobrazowano na fig. 6. Wówczas w wyniku sprzężonej reakcji syntezy przebiegającej w odlewie powstają węgliki typu (W,Ti)C lub (Ti,W)C, posiadające strukturę rdzeń - pierścień. Dzięki sprzężonej reakcji syntezy możliwe jest stosowanie wyższej zawartości moderatora oraz sterowanie właściwościami mechanicznymi strefy.
Składy kompozycji proszków oraz wkładka odlewnicza do wytwarzania stref kompozytowych in situ w odlewach według wynalazku pozwalają, więc na szerokie wykorzystanie różnych typów węglików i borków ulegających reakcji SHS. W przykładach wytworzenia stref kompozytowych w odlewach zawarto dwa skrajne przypadki oraz ich mieszaninę, odpowiednio są to węgliki tj. TiC, WC oraz (W,Ti)C.
Claims (15)
1. Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych służących do uzyskania lokalnych stref kompozytowych odpornych na zużycie ścierne, przy czym strefy kompozytowe wzmacnia się węglikami i borkami lub ich mieszaninami tworzącymi się in situ w odlewach, znamienna tym, że zawiera:
proszki substratów reakcji tworzenia węglika lub borku wybranego z grupy: TiC, przy czym ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika TiC wynosi do 3 do 50% wag., albo WC albo ZrC albo NbC albo TaC albo TiB2 albo ZrB2 lub ich mieszanin, który po krystalizacji tworzy cząstki wzmacniające strefy kompozytowej w odlewie oraz proszki moderatora stanowiące mieszaninę zawierającą proszki metali wybranych z grupy: Fe, Co, Ni, Mo, Cr, W, Al lub mieszaninę tych proszków, które po krystalizacji tworzą osnowę strefy kompozytowej w odlewie.
PL 239 428 B1
2. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika TiC wynosi do 3 do 40% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 60 do 97% wag.
3. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że ilość proszków substratów reakcji tworzenia węglika WC wynosi od 40 do 99% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 1 do 60% wag.
4. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że ilość mieszaniny proszków substratów sprzężonej reakcji tworzenia węglika TiC i WC wynosi od 10 do 70% wag. oraz ilość proszków moderatora wynosi od 30 do 90% wag.
5. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że proszki substratów reakcji tworzenia węglika posiadają wielkość cząstek nie większą niż 100 μm, korzystnie nie więcej niż 45 μm.
6. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że węgiel jako proszek substratu stanowi: grafit, grafit amorficzny, substancja węglonośna lub ich mieszaniny, a w przypadku Ti, W, Zr, Nb, Ta stanowią proszki czystych metali lub ich stopy z innymi pierwiastkami lub ich mieszaniny.
7. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że proszki moderatora dodatkowo zawierają niemetal w postaci C.
8. Kompozycja proszków według zastrz. 1 lub 7, znamienna tym, że proszki moderatora dodatkowo zawierają, co najmniej jeden proszek wybrany z grupy: Mn, Si, Cu, B lub mieszaninę tych proszków.
9. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że proszki moderatora posiadają skład chemiczny jak stop wybrany z grupy: żeliwo szare, żeliwo białe, żeliwo chromowe, staliwo chromowe, staliwo niestopowe, staliwo niskostopowe, staliwo manganowe typu Hadfield lub żeliwo chromowe z dodatkiem niklu typu Ni-Hard4.
10. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienny tym, że proszek moderatora stanowi mieszanina wyselekcjonowanych proszków z grupy: (a) Fe, Cr, Mn, Si, Mo, C; (b) Fe, Cr, Mn, Si, C; (c) Co, Cr, W, C; (d) Co, Fe, Ni, Mo, Cr, C; (e) Ni, Cr, Mo, Nb, Al, Ti, Fe, Mn, Si; (f) Ni, Cr, Co, W, Nb, Al, Ti, C, B, Zr; (g) Co, Ni, Fe.
11. Kompozycja proszków według zastrz. 1, znamienna tym, że proszki moderatora dodatkowo zawierają: proszki faz ceramicznych zwiększające odporność na zużycie, zwłaszcza wybrane z grupy: ZrO2, stabilizowane ZrO2, AI2O3 lub ich mieszaninę; i/lub składnik redukujący w postaci Al i/lub Si, przy czym ilość składnika redukującego jest nie większa niż 5% wag. kompozycji proszków.
12. Wkładka odlewnicza do wytwarzania w odlewie lokalnych stref kompozytowych odpornych na zużycie, zawierająca substraty reakcji tworzenia węglika, przy czym wkładka ma postać kształtek, brył, preform lub granulatu, znamienna tym, że zawiera sprasowaną kompozycję proszków określoną w zastrzeżeniach od 1 do 11.
13. Sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach, w których wykorzystuje się reakcję samorozprzestrzeniającej się syntezy termicznej (SHS), w którym sporządza się mieszaninę proszków zawierającą substraty reakcji tworzenia węglików, po czym prasuje się nadając sprasowanej kompozycji proszków formę zwłaszcza kształtek, brył, preform lub granulatu stanowiących wkładki odlewnicze, a następnie, co najmniej jedną wkładkę odlewniczą umieszcza się we wnętrzu formy, po czym formę zalewa się płynnym stopem odlewniczym w ilości wystarczającej do zainicjowania reakcji SHS, znamienny tym, że sporządza się mieszaninę proszków zawierającą substraty reakcji tworzenia węglików, którą stanowi kompozycja proszków określona w zastrzeżeniach od 1 do 11 oraz gdzie prasowanie następuje pod ciśnieniem w zakresie od 450 MPa do 650 MPa.
14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że po sporządzeniu mieszaniny proszków suszy się, korzystnie w temperaturze 200°C do uzyskania wilgotności nie większej niż 2%.
15. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że wkładki odlewnicze umieszcza się we wnęce formy w określonym położeniu, przy czym korzystnie wkładkę mocuje się do formy śrubami lub umieszcza się na wkładkę na stalowym stelażu umieszczanym wewnątrz formy, korzystnie stalowy stelaż stanowią pręty, na które nawleka się wypraski posiadające otwory.
Priority Applications (16)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| MYPI2018701788A MY191977A (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| PE2018000750A PE20181032A1 (es) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Composicion de polvos para la fabricacion de insertos de fundicion, los insertos de fundicion y el metodo de obtencion de zonas locales compuestas en piezas de fundicion |
| MX2018005895A MX2018005895A (es) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Composicion de polvos para la fabricacion de insertos de fundicion, los insertos de fundicion y el metodo de obtencion de zonas locales compuestas en piezas de fundicion. |
| JP2018525423A JP6942702B2 (ja) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | 鋳造インサート製造用の粉末組成物および鋳造物に局所複合ゾーンを得る鋳造インサートおよび方法 |
| US15/775,142 US11077493B2 (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| PCT/IB2016/056825 WO2017081665A1 (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| BR112018009390-4A BR112018009390B1 (pt) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Composições de pós para a fabricação de insertos de lingote, inserto de lingote, e, método para obter zonas compósitas locais em lingotes |
| CA3003685A CA3003685C (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| PL419422A PL239428B1 (pl) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach |
| AU2016352319A AU2016352319B2 (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| MYPI2021004544A MY199159A (en) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| CL2018001259A CL2018001259A1 (es) | 2015-11-12 | 2018-05-09 | Composición de polvos para la fabricación de insertos de fundición, los insertos de fundición y el método de obtención de zonas locales compuestas en piezas de fundición |
| MX2024004476A MX2024004476A (es) | 2015-11-12 | 2018-05-10 | Composicion de polvos para la fabricacion de insertos de fundicion, los insertos de fundicion y el metodo de obtencion de zonas locales compuestas en piezas de fundicion. |
| ZA201803339A ZA201803339B (en) | 2015-11-12 | 2018-05-18 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| US17/369,492 US11548065B2 (en) | 2015-11-12 | 2021-07-07 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
| AU2022204059A AU2022204059B2 (en) | 2015-11-12 | 2022-06-10 | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL419422A PL239428B1 (pl) | 2016-11-11 | 2016-11-11 | Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL419422A3 PL419422A3 (pl) | 2018-05-21 |
| PL239428B1 true PL239428B1 (pl) | 2021-11-29 |
Family
ID=62142537
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL419422A PL239428B1 (pl) | 2015-11-12 | 2016-11-11 | Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL239428B1 (pl) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025186847A1 (en) * | 2024-03-07 | 2025-09-12 | F.A.R. - Fonderie Acciaierie Roiale S.P.A. | Method for producing an article and article thus obtained |
-
2016
- 2016-11-11 PL PL419422A patent/PL239428B1/pl unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2025186847A1 (en) * | 2024-03-07 | 2025-09-12 | F.A.R. - Fonderie Acciaierie Roiale S.P.A. | Method for producing an article and article thus obtained |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL419422A3 (pl) | 2018-05-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11548065B2 (en) | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings | |
| CA2735877C (en) | Composite impactor for impact crusher | |
| US8999518B2 (en) | Hierarchical composite material | |
| US8646192B2 (en) | Composite tooth for working the ground or rock | |
| US8602340B2 (en) | Milling cone for a compression crusher | |
| EP3374107B1 (en) | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings | |
| JP7354289B2 (ja) | インサイチューで製造され、炭化タングステンで強化された合金基の複合材料とその製造方法 | |
| PL239428B1 (pl) | Kompozycja proszków do wytwarzania wkładek odlewniczych, wkładka odlewnicza oraz sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach | |
| CN119522144A (zh) | 用于高磨损工业环境中的部件的铸造方法以及此类铸件 | |
| CA3003685C (en) | Powder composition for the manufacture of casting inserts, casting insert and method of obtaining local composite zones in castings | |
| RU2798861C2 (ru) | Композиционный материал на основе полученных in situ сплавов, армированных карбидом вольфрама, и способы его получения | |
| CN119403636A (zh) | 碳化钨和碳化钛增强锰钢 |