RU2684523C1 - METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS - Google Patents

METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS Download PDF

Info

Publication number
RU2684523C1
RU2684523C1 RU2018113074A RU2018113074A RU2684523C1 RU 2684523 C1 RU2684523 C1 RU 2684523C1 RU 2018113074 A RU2018113074 A RU 2018113074A RU 2018113074 A RU2018113074 A RU 2018113074A RU 2684523 C1 RU2684523 C1 RU 2684523C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
chromium
nickel
chromium carbide
heating
alloys
Prior art date
Application number
RU2018113074A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вера Петровна Вальчук
Леонид Александрович Чернозатонский
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Биохимической Физики Им. Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук (Ибхф Ран)
Priority to RU2018113074A priority Critical patent/RU2684523C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2684523C1 publication Critical patent/RU2684523C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/1003Use of special medium during sintering, e.g. sintering aid
    • B22F3/1007Atmosphere
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10Sintering only
    • B22F3/1017Multiple heating or additional steps
    • B22F3/1028Controlled cooling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C19/00Alloys based on nickel or cobalt
    • C22C19/03Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
    • C22C19/05Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C32/00Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ

Abstract

FIELD: chemistry.SUBSTANCE: invention relates to production of ternary alloy Ni-Cr-C. Method involves heating the initial mixture of powders of micron size consisting of 25–45 wt% of chromium, 3–5 wt% of graphite and the rest of nickel, and its subsequent cooling. Heating of powders mixture is carried out in air at temperature 1,200–1,300 °C for 30–60 minutes, and cooling – in vapor of liquid nitrogen immediately after completion of heating to form Ni-Cr-C alloy containing chromium carbide microwhiskers CrC.EFFECT: higher hardness.1 cl, 2 tbl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению материалов повышенной твердости, содержащих карбид хрома, предназначенных для использования в условиях, требующих повышенной износостойкости.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to the production of materials of increased hardness containing chromium carbide, intended for use in conditions requiring increased wear resistance.

Твердые сплавы, содержащие карбид хрома с никелевой связкой, благодаря высокой твердости, стойкости к износу и коррозии, относятся к числу материалов, которые могут использоваться в условиях одновременного воздействия таких факторов, как трение, абразивный износ, коррозионная среда и повышенные температуры. Эти материалы сравнительно недороги и доступны благодаря невысокой стоимости исходных компонентов. Сплавы карбид хрома - никель (КХН) используют в промышленности для изготовления деталей машин и механизмов, предназначенных для работы в экстремальных условиях, для формирования прочных покрытий на металлических и других поверхностях. Также они находят применение для изготовления металлокерамических зубных протезов. Несмотря на давнюю известность этих материалов, задача повышения их твердости и износоустойчивости не теряет актуальности и в настоящее время. Новые возможности в этом направлении открывают исследования в области нано- и микротехнологий.Hard alloys containing nickel-bonded chromium carbide, due to their high hardness, resistance to wear and corrosion, are among the materials that can be used under conditions of simultaneous exposure to factors such as friction, abrasion, corrosive environment and elevated temperatures. These materials are relatively inexpensive and affordable due to the low cost of the starting components. Chromium carbide - nickel (KHN) alloys are used in industry for the manufacture of machine parts and mechanisms designed to work in extreme conditions, for the formation of durable coatings on metal and other surfaces. They also find application for the manufacture of ceramic-metal dentures. Despite the long-known popularity of these materials, the task of increasing their hardness and wear resistance does not lose relevance at the present time. Research in the field of nano- and microtechnologies opens up new opportunities in this direction.

Известные способы получения КХН сплавов включают совместную термическую обработку порошков карбида хрома и никеля или Ni-содержащих сплавов. Используют готовый карбид хрома [см., например, SU 1163990, опубл. 30.06.1985, SU 1818873, опубл. 20.07.1995, SU 1818874, опубл. 10.05.1995] или получают его, например, из оксида хрома на первой стадии многостадийного технологического процесса [SU 1096034, опубл. 07.06.1984].Known methods for producing KHN alloys include co-thermal processing of powders of chromium carbide and nickel or Ni-containing alloys. Ready-made chromium carbide is used [see, for example, SU 1163990, publ. 06/30/1985, SU 1818873, publ. 07.20.1995, SU 1818874, publ. 05/10/1995] or get it, for example, from chromium oxide in the first stage of a multi-stage process [SU 1096034, publ. 06/07/1984].

В заявке [CN 101760684 А, опубл. 30.06.2010] описан способ получения КХН сплава, содержащего масс. %: углерод 3-23, никель 2-65, хром - остальное, предназначенного для использования при температурах выше 850°С. Способ включает: смешение в шаровой мельнице взятых в нужных количествах карбида хрома и сплава NiCr, агломерацию и гранулирование полученного порошка, расплавление гранул и последующее спекание в вакууме при температуре 1100-1400°С в течение более часа. Получают материал с низкой пористостью, устойчивый к износу и окислению.In the application [CN 101760684 A, publ. 06/30/2010] describes a method for producing KHN alloy containing mass. %: carbon 3-23, nickel 2-65, chromium - the rest, intended for use at temperatures above 850 ° C. The method includes: mixing in a ball mill taken in the right quantities of chromium carbide and NiCr alloy, agglomeration and granulation of the obtained powder, melting of the granules and subsequent sintering in vacuum at a temperature of 1100-1400 ° C for more than an hour. A material with a low porosity that is resistant to wear and oxidation is obtained.

В патенте США [US 6537343 В2, опубл. 25.03.2003] описана износостойкая, устойчивая к коррозии композиция на основе карбида хрома, включающая карбид хрома (предпочтительно 83-87 масс. %) в виде мелких зерен, распределенных и сцементированных в Ni-содержащем связующем. Способ получения композиции включает смешение в шаровой мельнице исходных порошков карбида хрома и никеля, высушивание и прессование смеси с помощью механического пресса и последующее спекание в вакууме при 1200°С в течение часа. В этих условиях, по данным авторов, размер зерен карбида хрома в составе полученной композиции не превышает 10 мкм, что, в сочетании с его высоким количественным содержанием, обеспечивает высокую твердость полученного материала (твердость по Роквеллу составляет 89,5 RA).In US patent [US 6537343 B2, publ. 03/25/2003] described a wear-resistant, corrosion-resistant composition based on chromium carbide, including chromium carbide (preferably 83-87 wt.%) In the form of small grains distributed and cemented in a Ni-containing binder. The method for preparing the composition includes mixing in a ball mill the starting powders of chromium carbide and nickel, drying and pressing the mixture using a mechanical press, and subsequent sintering in vacuum at 1200 ° C for one hour. Under these conditions, according to the authors, the grain size of chromium carbide in the composition obtained does not exceed 10 μm, which, combined with its high quantitative content, ensures high hardness of the obtained material (Rockwell hardness is 89.5 RA).

Описанные способы относятся к классическим технологиям порошковой металлургии и достаточно трудоемки, поскольку включают последовательность нескольких операций, осуществляемых, в том числе, в вакууме, в атмосфере водорода или инертного газа с использованием высокого давления, специальных режимов и оборудования. Высокая твердость получаемых материалов обусловлена, главным образом, высоким массовым содержанием карбидов хрома разной структуры.The described methods relate to the classical technologies of powder metallurgy and are quite laborious since they include a sequence of several operations carried out, including in vacuum, in an atmosphere of hydrogen or inert gas using high pressure, special modes and equipment. The high hardness of the materials obtained is mainly due to the high mass content of chromium carbides of various structures.

Другой подход к получению КХН сплавов предполагает образование карбида хрома непосредственно в процессе термической обработки порошковых смесей, содержащих элементарные никель, хром и углерод. Нами не обнаружено патентных документов, относящихся к получению Ni-Cr-C сплавов непосредственно из элементарных составляющих, однако, известна серия публикаций результатов научных исследований, выполненных во Франции под руководством P. Berthod, посвященных изучению микроструктуры и свойств полученных таким способом материалов, в зависимости от количественного содержания компонентов в исходных порошковых смесях и условий их высокотемпературной обработки. В частности, в работе [О. Hestin, Е. Souaillat, A. Dia, М. Ва, and P. Berthod ISRN Thermodynamics V. 2012, ID Article 587584, (7 p.) doi:10.5402/2012/587584] описано получение тройных сплавов Me-Cr-C, в том числе, способ получения сплава Ni-Cr-C, взятый нами за прототип, включающий сплавление в высокочастотной индукционной печи (частота около 100 кГц) смеси взятых в нужном количестве чистых порошков хрома, никеля и графита с последующим отверждением материала в охлаждаемом водой медном тигле. Температура и время сплавления в работе не сообщаются, однако указано, что для предотвращения окисления материала все операции проводят в атмосфере аргона (300 мбар). Исходные смеси содержат от 25,5 до 37 масс. % Cr и от 3,0 до 5,0 масс. % С, остальное - Ni. Средняя твердость Hc полученных образцов, измеренная на приборе Testwell Wolpert с нагрузкой 30 кг, составляет, по данным авторов, от 322 до 379 HV в зависимости от количественного соотношения компонентов исходной порошковой смеси. В работе [P. Berthod Materials and Corrosion 2012, 63, No. 9999. P. 1-11] показано, что длительное нагревание полученных материалов на воздухе при температурах 1000-1200°С приводит к снижению их твердости в результате окислительных процессов в разных фазовых микроструктурах сплавов.Another approach to the production of QCN alloys involves the formation of chromium carbide directly during the heat treatment of powder mixtures containing elemental nickel, chromium and carbon. We have not found patent documents related to the production of Ni-Cr-C alloys directly from elemental components, however, we know of a series of publications of the results of scientific studies carried out in France under the guidance of P. Berthod, devoted to the study of the microstructure and properties of materials obtained in this way, depending from the quantitative content of the components in the initial powder mixtures and the conditions of their high-temperature processing. In particular, in the work of [O. Hestin, E. Souaillat, A. Dia, M. Ba, and P. Berthod ISRN Thermodynamics V. 2012, ID Article 587584, (7 p.) Doi: 10.5402 / 2012/587584] describes the preparation of ternary Me-Cr-C alloys including the method for producing the Ni-Cr-C alloy, which we took as a prototype, including fusion in a high-frequency induction furnace (frequency of about 100 kHz) of a mixture of pure powders of chromium, nickel and graphite taken in the required amount, followed by curing of the material in cooled water copper crucible. The temperature and fusion time are not reported in the work, however, it is indicated that to prevent oxidation of the material, all operations are carried out in an argon atmosphere (300 mbar). The initial mixture contains from 25.5 to 37 mass. % Cr and from 3.0 to 5.0 wt. % C, the rest is Ni. The average hardness H c of the obtained samples, measured on a Testwell Wolpert instrument with a load of 30 kg, is, according to the authors, from 322 to 379 HV, depending on the quantitative ratio of the components of the initial powder mixture. In [P. Berthod Materials and Corrosion 2012, 63, No. 9999. P. 1-11] it is shown that prolonged heating of the obtained materials in air at temperatures of 1000-1200 ° C leads to a decrease in their hardness as a result of oxidation processes in different phase microstructures of the alloys.

Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением, состоит в оптимизации состава и условий обработки исходных порошковых смесей, включающих никель, хром и углерод, с целью получения тройных сплавов, обладающих повышенной твердостью.The technical problem solved by the present invention is to optimize the composition and processing conditions of the initial powder mixtures, including nickel, chromium and carbon, in order to obtain ternary alloys with high hardness.

Проблема решена предлагаемым способом получения тройных сплавов Ni-Cr-C повышенной твердости, включающим нагрев порошковой смеси, содержащей элементарные никель, хром и графит, и ее последующее охлаждение, отличающимся тем, что нагрев осуществляют на воздухе при температуре 1200-1300°С в течение 30-60 минут, а охлаждение осуществляют в парах жидкого азота немедленно после завершения нагрева, при этом исходная порошковая смесь содержит (% масс.):The problem is solved by the proposed method for producing ternary Ni-Cr-C alloys of increased hardness, including heating a powder mixture containing elemental nickel, chromium and graphite, and its subsequent cooling, characterized in that the heating is carried out in air at a temperature of 1200-1300 ° C for 30-60 minutes, and cooling is carried out in liquid nitrogen vapors immediately after completion of heating, while the initial powder mixture contains (% wt.):

хром: 25-45chrome: 25-45

графит: 3-5graphite: 3-5

никель: остальное.nickel: the rest.

Перечень графических материалов, поясняющих сущность изобретения:The list of graphic materials explaining the invention:

На Фиг. 1 представлены микрофотографии порошков хрома (а) и никеля (б), введенных в состав исходной порошковой смеси.In FIG. 1 shows micrographs of the powders of chromium (a) and nickel (b) introduced into the composition of the initial powder mixture.

На Фиг. 2 представлены микрофотографии сколов образцов сплавов, полученных заявляемым способом, содержащих микростержни (вискеры) карбида хрома. Фиг. 2а - образец получен по примеру 1, Фиг. 2б - образец получен по примеру 2.In FIG. 2 presents microphotographs of chips of alloy samples obtained by the claimed method containing micro rods (whiskers) of chromium carbide. FIG. 2a - the sample obtained in example 1, FIG. 2b - the sample obtained in example 2.

На Фиг. 3 представлены микрофотографии образца, полученного заявляемым способом по примеру 3. 3а - образец приготовлен измельчением и травлением сплава, полученного по примеру 3. 3б - увеличенный фрагмент (сайт 01) образца, показанного на Фиг. 3а.In FIG. 3 presents micrographs of the sample obtained by the inventive method in example 3. 3a - the sample is prepared by grinding and etching the alloy obtained in example 3. 3b is an enlarged fragment (site 01) of the sample shown in FIG. 3a.

На Фиг. 4а представлена микрофотография фрагмента шлифа, приготовленного из образца сплава, полученного заявляемым способом по примеру 2. Измерения микротвердости выполнены на участках 1, 2 и 3 с различной фазовой микроструктурой: 1 - участки, содержащие кристаллические вискеры карбида хрома Cr3C2; 2 - участки, содержащие включения Ni-C, Ni-Cr; 3 - участки, содержащие, преимущественно, никель.In FIG. 4a is a micrograph of a fragment of a thin section prepared from an alloy sample obtained by the inventive method in Example 2. Microhardness measurements were performed in sections 1, 2, and 3 with different phase microstructures: 1 — sections containing crystalline whiskers of chromium carbide Cr 3 C 2 ; 2 - sections containing inclusions Ni-C, Ni-Cr; 3 - sections containing mainly nickel.

На Фиг. 4б распределение на шлифе участков с различной фазовой мироструктурой (см. Фиг. 4а) для наглядности выделено цветом: 1 (синий), 2 (черный) и 3 (белый).In FIG. 4b, the distribution on the section of sections with different phase world structures (see Fig. 4a) is highlighted for clarity: 1 (blue), 2 (black) and 3 (white).

Микрофотографии получены с помощью микроскопа JEOL JSM-700F, соединенного с системой дисперсионного рентгеновского анализа (energy dispersion X-ray-EDX).Microphotographs were taken with a JEOL JSM-700F microscope connected to an energy dispersion X-ray-EDX system.

Заявляемый способ получения тройных сплавов Ni-Cr-C повышенной твердости осуществляют спеканием на воздухе порошковой смеси, содержащей 25-40 масс. % хрома, 3-5 масс. % графита, остальное - никель при температуре от 1200 до 1300°С в течение 30-60 минут и последующим немедленным быстрым охлаждением расплава в парах жидкого азота. Для достижения технического результата - получения тройного сплава Ni-Cr-C с высокими характеристиками твердости, использование атмосферы инертного газа или других специальных условий не требуется.The inventive method for producing ternary alloys Ni-Cr-C of increased hardness is carried out by sintering in air a powder mixture containing 25-40 mass. % chromium, 3-5 mass. % graphite, the rest is nickel at a temperature of from 1200 to 1300 ° C for 30-60 minutes and subsequent immediate rapid cooling of the melt in liquid nitrogen vapor. To achieve a technical result - to obtain a ternary alloy Ni-Cr-C with high hardness characteristics, the use of an inert gas atmosphere or other special conditions is not required.

Сущность изобретения состоит в том, что в процессе спекания смеси микроразмерных порошков графита, никеля и хрома в условиях заявляемого способа в материале формируется многофазная структура, которая, наряду с относительно мягкой матрицей, содержащей никель, его соединения с хромом и углеродом, включения графита, содержит, характеризующиеся высокой твердостью, кристаллические области, образованные, главным образом, карбидом хрома Cr3C2. Карбид хрома присутствует в виде скоплений нитевидных кристаллических структур - вискеров, представляющих собой микростержни, длиной до 100 и более микрометров с поперечником примерно от 1 до нескольких сотен мкм. Чем выше объемная доля кристаллических областей и меньше геометрические размеры вискеров, тем выше твердость получаемого сплава. Объемная доля кристаллических структур в образце, а также их геометрические размеры зависят от массового количественного соотношения и размеров частиц компонентов в исходной порошковой смеси, режимов спекания и охлаждения.The essence of the invention lies in the fact that in the process of sintering a mixture of micro-sized powders of graphite, nickel and chromium under the conditions of the proposed method, a multiphase structure is formed in the material, which, along with a relatively soft matrix containing nickel, its compounds with chromium and carbon, contains graphite, contains characterized by high hardness, crystalline regions formed mainly by chromium carbide Cr 3 C 2 . Chromium carbide is present in the form of clusters of filamentary crystalline structures - whiskers, which are micro rods up to 100 or more micrometers in length from about 1 to several hundred microns in diameter. The higher the volume fraction of crystalline regions and the smaller the geometric dimensions of the whiskers, the higher the hardness of the resulting alloy. The volume fraction of crystalline structures in the sample, as well as their geometric dimensions, depend on the mass quantitative ratio and particle sizes of the components in the initial powder mixture, sintering and cooling conditions.

Есть все основания полагать, что образование микростержней (вискеров) карбида хрома в описанном способе происходит по известному механизму «пар-жидкость-кристалл» описанному в работе [R.S Wagner, W.C. Ellis, Appl. Phys. Lett. 4, 89 (1964)] для роста полупроводниковых нитевидных кристаллов. В трехкомпонентной системе, включающей хром, углерод и никель, последний играет не только роль связующего, но и является катализатором образования микрокристаллического карбида хрома. В условиях способа атомы углерода диффундируют в каплю расплавленного никеля, которая, соприкасаясь с твердой частицей хрома, вызывает химическую реакцию с образованием под каплей кристаллизующегося энергетически выгодного микростержня Cr3C2. Так происходит рост вискера карбида хрома. Таким образом, поперечные размеры формирующегося вискера должны определяться диаметром капли расплава Ni-C, который, в свою очередь, зависит от размера частиц никеля в исходной порошковой смеси. Как показывают эксперименты, использование частиц никеля в микрометровом размерном диапазоне, в частности, использование порошка, в котором основная масса частиц соответствует диапазону 30-70 мкм в поперечнике, позволяет в условиях осуществления способа получить вискеры, геометрические размеры которых обеспечивают высокие показатели локальной микротвердости. Длина микростержня определяется скоростью его роста и зависит от времени нагрева и количественного содержания хрома в окружении растущего вискера. Чем короче время спекания и меньше размер частиц никеля в исходной порошковой смеси, тем меньше геометрические размеры микростержней карбида хрома и тем выше их микротвердость и средняя твердость образца в целом. Немедленное быстрое охлаждение в парах жидкого азота (Т=100К) сразу после завершения нагрева приводит к «замораживанию» (фиксации) формы микрокристаллов, сформировавшихся в микропорах, образовавшихся вследствие перехода частиц графита и хрома в состав вискеров, что и обеспечивает, как следствие, высокие показатели твердости материала при комнатной температуре. При плавном охлаждении микростержни должны были бы потерять свою форму из-за высокой диффузии окружающих их атомов и заполнения пор из-за спекания микростержней с окружающими их более мягкими соединениями никеля с углеродом и хромом. По-видимому, этим можно объяснить сравнительно невысокие показатели твердости тройных сплавов Ni-Cr-C, полученных способом по прототипу.There is every reason to believe that the formation of chromium carbide micro-rods (whiskers) in the described method occurs according to the well-known “vapor-liquid-crystal” mechanism described in [RS Wagner, WC Ellis, Appl. Phys. Lett. 4, 89 (1964)] for the growth of semiconductor whiskers. In a three-component system, including chromium, carbon and nickel, the latter not only plays the role of a binder, but also is a catalyst for the formation of microcrystalline chromium carbide. Under the conditions of the method, carbon atoms diffuse into a drop of molten nickel, which, in contact with a solid chromium particle, causes a chemical reaction with the formation of a crystallizing, energetically advantageous Cr 3 C 2 micro rod under a drop. This is how the growth of chromium carbide whisker occurs. Thus, the transverse dimensions of the forming whisker should be determined by the diameter of the Ni-C melt drop, which, in turn, depends on the size of the nickel particles in the initial powder mixture. As experiments show, the use of nickel particles in the micrometer size range, in particular, the use of a powder in which the bulk of the particles corresponds to a range of 30-70 μm in diameter, allows to obtain whiskers, the geometrical dimensions of which provide high local microhardness. The length of the micro rod is determined by its growth rate and depends on the heating time and the quantitative content of chromium in the environment of the growing whisker. The shorter the sintering time and the smaller the size of nickel particles in the initial powder mixture, the smaller the geometric dimensions of the chromium carbide micro rods and the higher their microhardness and the average hardness of the sample as a whole. Immediate rapid cooling in liquid nitrogen vapor (T = 100K) immediately after heating leads to “freezing” (fixation) of the form of microcrystals formed in micropores formed due to the transition of graphite and chromium particles to the composition of whiskers, which ensures, as a result, high hardness indicators of the material at room temperature. Upon smooth cooling, the micro rods would have to lose their shape due to the high diffusion of the atoms surrounding them and the filling of the pores due to sintering of the micro rods with the softer nickel compounds with carbon and chromium surrounding them. Apparently, this can explain the relatively low hardness indices of the ternary alloys Ni-Cr-C obtained by the prototype method.

Для получения желаемого результата целесообразно использовать в составе исходной смеси порошки хрома и графита с частицами микронных размеров, что обеспечивает быстрое протекание реакции образования микровискеров в межзеренных областях в выбранном интервале температур и обуславливает получение однородного на микроуровне сплава за счет максимального взаимного контакта сплавляемых микрочастиц.To obtain the desired result, it is advisable to use chromium and graphite powders with micron particles in the initial mixture, which ensures a quick reaction of the formation of micro-whiskers in the intergranular regions in the selected temperature range and determines the formation of an alloy uniform at the micro level due to the maximum mutual contact of the alloyed microparticles.

На Фиг. 1 показаны микрофотографии порошков хрома и никеля, введенных в состав исходной порошковой смеси. Порошок хрома (Фиг. 1а) марки ПХ1М содержит не менее 99,1% Cr, размер частиц менее 125 мкм. Порошок никеля марки ПНЭ-1 (Фиг. 1б) чистотой более 99% содержит не менее 30% частиц размером до 45 мкм и не более 4% частиц, размер которых превышает 71 мкм. Как видно на фотографии, частицы никеля формируют конгломераты, которые в процессе нагрева порошковой смеси распадаются с образованием капель меньшего размера. Графит чистотой более 99% измельчен до частиц размером 1-30 мкм.In FIG. 1 shows micrographs of the powders of chromium and nickel introduced into the composition of the initial powder mixture. The chromium powder (Fig. 1a) of the PH1M brand contains at least 99.1% Cr, particle size less than 125 microns. PNE-1 grade nickel powder (Fig. 1b) with a purity of more than 99% contains at least 30% of particles up to 45 microns in size and no more than 4% of particles larger than 71 microns. As can be seen in the photograph, nickel particles form conglomerates, which decompose with the formation of smaller droplets during heating of the powder mixture. Graphite with a purity of more than 99% is crushed to particles with a size of 1-30 microns.

В Табл. 1 показаны примеры осуществления изобретения - состав исходных порошковых смесей, температура и время спекания. Во всех примерах расплавы охлаждают максимально быстро в парах жидкого азота немедленно после завершения нагрева. Также приведены значения средней твердости полученных образцов, значения микротвердости и количественной доли участков образцов, содержащих скопления микровискеров.In Tab. 1 shows examples of the invention - the composition of the initial powder mixtures, temperature and sintering time. In all examples, the melts are cooled as quickly as possible in liquid nitrogen vapor immediately after completion of heating. The values of the average hardness of the obtained samples, the values of microhardness, and the quantitative fraction of the sections of the samples containing clusters of microviskers are also given.

Figure 00000001
Figure 00000001

Для определения морфологии сколы и шлифы полученных образцов исследованы в металлографическом микроскопе Versamet-2 1000-кратного увеличения. Микрофотографии получены с помощью микроскопа JEOL JSM-700F, соединенного с системой дисперсионного рентгеновского анализа. В качестве иллюстрации на Фиг. 2а и 2б показаны микрофотографии сколов образцов материалов, полученных по примерам 1 и 2 соответственно. В никелевой матрице, содержащей, преимущественно, металлический никель, хром, нихром и графит, распределены вискеры в форме нитевидных кристаллов длиной до 100 и более микрометров и сечением примерно от 1 до нескольких сотен мкм2. Увеличение содержания хрома, увеличение температуры и уменьшение продолжительности спекания (примеры 2 и 3) приводит к формированию более мелких кристаллических структур и увеличению их количества. Это хорошо видно на Фиг. 3а, где показана микрофотография образца, полученного измельчением сплава по примеру 3 и вытравливанием из полученного порошка металлических компонентов как описано в [М. Beckert und Н. Klemm, Handbuch der metallographischen Atzverfahren. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoff Industrie, Leipzig, 1976]. Увеличенный фрагмент (сайт 01) показан на Фиг. 3б, на которой виден «лес» тонких микровискеров карбида хрома сечением около 1 мкм.To determine the morphology, chips and thin sections of the obtained samples were studied with a 1000-fold magnification Versamet-2 metallographic microscope. Microphotographs were obtained using a JEOL JSM-700F microscope connected to an X-ray analysis of dispersion. By way of illustration in FIG. 2a and 2b show micrographs of chips of samples of materials obtained in examples 1 and 2, respectively. In a nickel matrix containing mainly metallic nickel, chromium, nichrome and graphite, whiskers are distributed in the form of whiskers with a length of up to 100 or more micrometers and a cross section of about 1 to several hundred microns 2 . An increase in the chromium content, an increase in temperature, and a decrease in the sintering time (examples 2 and 3) lead to the formation of smaller crystalline structures and an increase in their number. This is clearly seen in FIG. 3a, which shows a micrograph of a sample obtained by grinding the alloy of example 3 and etching the metal components from the obtained powder as described in [M. Beckert und N. Klemm, Handbuch der metallographischen Atzverfahren. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoff Industrie, Leipzig, 1976]. An enlarged fragment (site 01) is shown in FIG. 3b, which shows the “forest” of thin micro-whiskers of chromium carbide with a cross section of about 1 μm.

Фазовый анализ порошка микровискеров (дифрактометр Empyrean Panalytical (Netherlands) в сравнении со стандартным спектром Cr3C2 [A. Garcia-Marquez, D. Portehault, С. Giordano, J. Mater. Chem. 21, 2136 (2011)] показывает, что вискеры более, чем на 90% состоят из кристаллитов карбида хрома Cr3C2.Phase analysis of micro-whisker powder (Empyrean Panalytical (Netherlands) diffractometer compared to the standard spectrum of Cr 3 C 2 [A. Garcia-Marquez, D. Portehault, C. Giordano, J. Mater. Chem. 21, 2136 (2011)] shows that whiskers are more than 90% composed of crystallites of chromium carbide Cr 3 C 2 .

Микротвердость образцов определена стандартным методом измерения твердости металлов по Виккерсу на микротвердомере ПМТ-3 (NERKON Со. https://nerkon.ru/) с нагрузками 50 г и 100 г (погрешность измерений 5-7%). Показано, что участки, содержащие, преимущественно, никель с включениями нихрома, хрома и углерода (участки 2 и 3 на Фиг. 4), характеризуются относительно невысокой микротвердостью 300-400 HV. В то же время, участки, соответствующие скоплению вискеров, показывают чрезвычайно высокие усредненные показатели микротвердости (см. Табл. 1). Например, участки образца по примеру 3, занимающие около трети площади шлифа, имеют микротвердость около 3200 HV, превышающую микротвердость ранее полученных материалов с кристаллами карбида хрома [R. Chattopadhay. Surface Wear: Analysis, Treatment, and Prevention, Materials Park, OH: ASM International, p.p. 228-229 (2001)] и превышающую микротвердость нановискеров карбида хрома [S. Motojima, S. Kuzuya, J. Cryst. Growth, 1985, 71, 682].The microhardness of the samples was determined by the standard Vickers method of measuring the hardness of metals on a PMT-3 microhardness tester (NERKON Co. https://nerkon.ru/) with loads of 50 g and 100 g (measurement error 5-7%). It is shown that areas containing mainly nickel with inclusions of nichrome, chromium and carbon (sections 2 and 3 in Fig. 4) are characterized by a relatively low microhardness of 300-400 HV. At the same time, the areas corresponding to the accumulation of whiskers show extremely high averaged microhardness indices (see Table 1). For example, sections of the sample of example 3, occupying about a third of the thin section, have a microhardness of about 3200 HV, exceeding the microhardness of previously obtained materials with crystals of chromium carbide [R. Chattopadhay. Surface Wear: Analysis, Treatment, and Prevention, Materials Park, OH: ASM International, p.p. 228-229 (2001)] and exceeding the microhardness of chromium carbide nanowhiskers [S. Motojima, S. Kuzuya, J. Cryst. Growth, 1985, 71, 682].

Среднюю твердость образцов, полученных по примерам 1-3, определяют, как описано в работе [Z. Dong, L. Zhang, W. Chen, Mater. Sci. Eng., 2012, 552, 24], no результатам измерения микротвердости Н1, Н2 и Н3 на участках 1, 2 и 3 с различной фазовой микроструктурой.The average hardness of the samples obtained in examples 1-3, is determined as described in [Z. Dong, L. Zhang, W. Chen, Mater. Sci. Eng., 2012, 552, 24], no by measuring the microhardness of H 1 , H 2, and H 3 in sections 1, 2, and 3 with different phase microstructures.

В качестве примера в Табл. 2 приведен расчет средней твердости образца, полученного по примеру 2. На Фиг. 4а показан выбор точек на участках 1, 2 и 3 с различной фазовой микроструктурой (по 2 точки для каждой фазы), на которых проведены измерения микротвердости. На Фиг. 4б выделением цветом показано количественное распределение участков с характерной микроструктурой по площади шлифа исследуемого образца.As an example, in Tab. 2 shows the calculation of the average hardness of the sample obtained in example 2. In FIG. 4a shows the selection of points in sections 1, 2, and 3 with different phase microstructures (2 points for each phase), on which microhardness measurements were performed. In FIG. 4b, highlighting shows the quantitative distribution of areas with a characteristic microstructure over the area of the thin section of the test sample.

Расчет средней твердости Нс проводят по формулеThe calculation of the average hardness N with is carried out according to the formula

Нс=H1×V1+H2×V2+H3×V3,N s = H 1 × V 1 + H 2 × V 2 + H 3 × V 3 ,

где H1 Н2 и Н3 - значения микротвердости в точках 1, 2 и 3, усредненные по 3 измерениям в каждой точке; V1, V2 и V3 - доли соответствующих фаз на площади шлифа. Площадь шлифа составляет 80×120 мкм2.where H 1 H 2 and H 3 - values of microhardness at points 1, 2 and 3, averaged over 3 measurements at each point; V 1 , V 2 and V 3 - the proportion of the corresponding phases in the thin section. The area of the thin section is 80 × 120 μm 2 .

Figure 00000002
Figure 00000002

Аналогичным образом определены значения средней твердости образцов, полученных по примерам 1 и 3, приведенные в Табл. 1. Сопоставление этих данных с показателями твердости образцов, полученных по прототипу, показывает, что условия заявляемого способа позволяют получить тройные сплавы Ni-Cr-C, средняя твердость которых в несколько раз превышает среднюю твердость близких по химическому составу образцов, полученных способом по прототипу. Максимальным средним значением твердости (около 1300 HV) характеризуется образец, содержащий 45 масс. % хрома и 5 масс. % углерода. Дальнейшее увеличение содержания хрома и графита и, как следствие, уменьшение содержания никеля в исходной порошковой смеси ниже 50 масс. %, не приводит к повышению содержания вискеров карбида хрома. Уменьшение содержания хрома и графита в исходной порошковой смеси приводит к уменьшению твердости получаемых тройных сплавов вследствие уменьшения доли кристаллической фазы в структуре сплава. Спекание в диапазоне температур 1200-1300°С позволяет быстро, в течение 30-60 минут получить тройной сплав с высокими показателями твердости. Увеличение времени спекания нежелательно, поскольку, как было показано в работе [P. Berthod Materials and Corrosion 2012, 63, No. 9999], длительное нагревание на воздухе может приводить к снижению твердости тройных сплавов Ni-Cr-C вследствие окислительной деструкции в различных фазовых структурах сплава.Similarly determined the average hardness values of the samples obtained in examples 1 and 3, are given in Table. 1. Comparison of these data with the hardness indices of the samples obtained by the prototype shows that the conditions of the proposed method allow to obtain ternary alloys Ni-Cr-C, the average hardness of which is several times higher than the average hardness of the similar in chemical composition of the samples obtained by the prototype method. The maximum average value of hardness (about 1300 HV) is characterized by a sample containing 45 mass. % chromium and 5 mass. % carbon. A further increase in the content of chromium and graphite and, as a consequence, a decrease in the nickel content in the initial powder mixture is below 50 mass. %, does not lead to an increase in the content of whiskers of chromium carbide. A decrease in the content of chromium and graphite in the initial powder mixture leads to a decrease in the hardness of the obtained ternary alloys due to a decrease in the fraction of the crystalline phase in the alloy structure. Sintering in the temperature range of 1200-1300 ° C allows you to quickly, within 30-60 minutes to obtain a triple alloy with high hardness. An increase in sintering time is undesirable, since, as was shown in [P. Berthod Materials and Corrosion 2012, 63, No. 9999], prolonged heating in air can lead to a decrease in the hardness of ternary Ni-Cr-C alloys due to oxidative degradation in various phase structures of the alloy.

Как отмечалось выше, для достижения технического результата - получения материала высокой твердости, существенно важное значение имеет режим охлаждения полученного сплава. В соответствии с изобретением, максимально быстрое охлаждение осуществляют сразу после завершения спекания, для чего образец помещают в пары жидкого азота. Такая «закалка» предотвращает нежелательные диффузионные процессы, которые при медленном плавном охлаждении могли бы приводить к снижению твердости материала вследствие разрушения поверхности кристаллических структур и образования смеси карбидов хрома и NiCr со смешанной стехиометрией.As noted above, in order to achieve a technical result — obtaining a material of high hardness, the cooling mode of the obtained alloy is essential. In accordance with the invention, the fastest cooling is carried out immediately after sintering, for which the sample is placed in a pair of liquid nitrogen. Such "quenching" prevents undesirable diffusion processes, which, with slow smooth cooling, could lead to a decrease in the hardness of the material due to the destruction of the surface of crystalline structures and the formation of a mixture of chromium carbides and NiCr with mixed stoichiometry.

Представляет интерес сравнить характеристики сплавов, полученных заявляемым способом, с характеристиками композиций, описанных в патенте [US 6537343 В2, опубл. 25.03.2003], полученных спеканием при температуре 1200-1225°С исходной порошковой смеси, содержащей карбид хрома Cr3C2 и никель. Несмотря на продемонстрированные высокие показатели твердости полученной композиции, представленные в описании микрофотографии образцов показывают отсутствие кристаллических вискеров в микроструктуре сплава - на разрезе видно большое количество мелких зерен карбида хрома различной формы. Это говорит о том, что в данном случае нет условий для образования вискеров, а высокая твердость материала обусловлена, главным образом, высоким (до 90 масс. %), содержанием карбида хрома в исходной порошковой смеси. В отличие от данного аналога, в условиях заявляемого нами способа оказывается возможным получить аналогичный по твердости материал, содержание карбида хрома в котором составляет около 30% (см. пример 3 в Табл. 1).It is of interest to compare the characteristics of the alloys obtained by the claimed method, with the characteristics of the compositions described in the patent [US 6537343 B2, publ. 03/25/2003] obtained by sintering at a temperature of 1200-1225 ° C of the initial powder mixture containing chromium carbide Cr 3 C 2 and nickel. Despite the high hardness indicators of the obtained composition, the microphotographs of the samples presented in the description show the absence of crystalline whiskers in the microstructure of the alloy — a large number of small grains of chromium carbide of various shapes are visible in the section. This suggests that in this case there are no conditions for the formation of whiskers, and the high hardness of the material is mainly due to the high (up to 90 wt.%) Content of chromium carbide in the initial powder mixture. In contrast to this analogue, under the conditions of our proposed method, it is possible to obtain a material similar in hardness with a chromium carbide content of about 30% (see Example 3 in Table 1).

Можно ожидать, что использование в исходной порошковой смеси наноразмерного никеля позволит получить еще более твердые сплавы за счет формирования нановискеров карбида хрома, характеризующихся еще более высокой микротвердостью.It can be expected that the use of nanosized nickel in the initial powder mixture will make it possible to obtain even harder alloys due to the formation of chromium carbide nanowhiskers characterized by an even higher microhardness.

Claims (3)

1. Способ получения тройного сплава Ni-Cr-C, включающий нагрев исходной смеси порошков элементарных никеля, хрома и графита и ее последующее охлаждение, отличающийся тем, что нагрев смеси порошков осуществляют на воздухе при температуре 1200-1300°С в течение 30-60 мин, а охлаждение - в парах жидкого азота немедленно после завершения нагрева с образованием сплава Ni-Cr-C, содержащего микровискеры карбида хрома Сr3С2, при этом исходная смесь порошков состоит из частиц микронных размеров при следующем содержании компонентов, мас.%:1. A method of producing a ternary alloy Ni-Cr-C, comprising heating the initial mixture of powders of elemental nickel, chromium and graphite and its subsequent cooling, characterized in that the heating of the mixture of powders is carried out in air at a temperature of 1200-1300 ° C for 30-60 min, and cooling in vapor of liquid nitrogen immediately after heating is completed with the formation of an Ni-Cr-C alloy containing chromium carbide microviscr Cr 3 C 2 , while the initial mixture of powders consists of micron particles with the following components, wt.%: ХромChromium 25-45                         25-45 ГрафитGraphite 3-5                 3-5 НикельNickel остальное     rest
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют порошок никеля с размером частиц, не превышающим 71 мкм.2. The method according to p. 1, characterized in that they use nickel powder with a particle size not exceeding 71 microns.
RU2018113074A 2018-04-11 2018-04-11 METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS RU2684523C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018113074A RU2684523C1 (en) 2018-04-11 2018-04-11 METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018113074A RU2684523C1 (en) 2018-04-11 2018-04-11 METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684523C1 true RU2684523C1 (en) 2019-04-09

Family

ID=66090106

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018113074A RU2684523C1 (en) 2018-04-11 2018-04-11 METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2684523C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1818873A1 (en) * 1991-04-04 1995-07-20 Пермский политехнический институт Alloy based on solid solution of chromium carbide in nickel
WO2001014608A1 (en) * 1999-08-23 2001-03-01 Kennametal Inc. Low thermal conductivity hard metal
US6537343B2 (en) * 2001-08-03 2003-03-25 Kennametal Inc. Corrosion and wear resistant cemented carbide
RU2258758C1 (en) * 2004-08-03 2005-08-20 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма региональный плазмотехнический центр "ПЛАЗТЕХ" Powder material
US20080202820A1 (en) * 2001-12-05 2008-08-28 Baker Hughes Incorporated Consolidated hard materials, earth-boring rotary drill bits including such hard materials, and methods of forming such hard materials
RU2338804C2 (en) * 2006-10-26 2008-11-20 Томский научный центр СО РАН Method of production of sintered hard alloy on base of tungsten carbide and sintered hard alloy produced by means of this method (versions)
CN101760684A (en) * 2010-01-08 2010-06-30 朱明生 Chromium carbide nickel-chromium hard alloy and parts thereof

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1818873A1 (en) * 1991-04-04 1995-07-20 Пермский политехнический институт Alloy based on solid solution of chromium carbide in nickel
WO2001014608A1 (en) * 1999-08-23 2001-03-01 Kennametal Inc. Low thermal conductivity hard metal
US6537343B2 (en) * 2001-08-03 2003-03-25 Kennametal Inc. Corrosion and wear resistant cemented carbide
US20080202820A1 (en) * 2001-12-05 2008-08-28 Baker Hughes Incorporated Consolidated hard materials, earth-boring rotary drill bits including such hard materials, and methods of forming such hard materials
RU2258758C1 (en) * 2004-08-03 2005-08-20 Общество с ограниченной ответственностью научно-производственная фирма региональный плазмотехнический центр "ПЛАЗТЕХ" Powder material
RU2338804C2 (en) * 2006-10-26 2008-11-20 Томский научный центр СО РАН Method of production of sintered hard alloy on base of tungsten carbide and sintered hard alloy produced by means of this method (versions)
CN101760684A (en) * 2010-01-08 2010-06-30 朱明生 Chromium carbide nickel-chromium hard alloy and parts thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HESTIN O. Avoiding or Promoting Graphite in Carbon-Rich Chromium-Containing CoNiFer Cast Alloys. Part 2. Microstructures of the Elaborated Alloys. ISRN Thermodynamics, Volume 2012, p. 1-7. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ahamed et al. Role of nano-size reinforcement and milling on the synthesis of nano-crystalline aluminium alloy composites by mechanical alloying
CN111304512B (en) Medium-high entropy alloy material, preparation method and application thereof
KR930009329B1 (en) Ceramic materials and method of making same
KR100334519B1 (en) Disperse hardened platinum material, method of manufacturing and using the material
US7459408B2 (en) Al2O3 dispersion-strengthened Ti2AlN composites and a method for producing the same
KR20110055399A (en) Sputtering target mother material of multi-component alloy system and method for manufacturing complex-coating thin film of multi-function
KR100528046B1 (en) Fabrication method for ultrafine cermet alloys with a homogeneous solid solution grain structure
Huang et al. Preparation, microstructure and mechanical properties of multicomponent Ni3Al-bonded cermets
Tripathy et al. On the carbonitrothermic reduction of vanadium pentoxide
Wang et al. Improvement in strength and thermal conductivity of powder metallurgy produced Cu–Ni–Si–Cr alloy by adjusting Ni/Si weight ratio and hot forging
Kerans et al. Solubility of metals in substoichiometric TiC1‐x
JPH09309715A (en) Composite carbide powder and production thereof
Li et al. Microstructure and mechanical properties of Al2O3 dispersed fine-grained medium heavy alloys with a superior combination of strength and ductility
JP6011946B2 (en) Nickel-based intermetallic compound composite sintered material and method for producing the same
RU2684523C1 (en) METHOD OF PRODUCING Ni-Cr-C ALLOYS OF INCREASED HARDNESS CONTAINING CHROMIUM CARBIDE WHISKERS
Mampuru et al. Effect of silicon carbide addition on the microstructure, hardness and densification properties of spark plasma sintered Ni-Zn-Al alloy
Yang et al. Porous MoAlB ceramic via reactive synthesis: Reaction mechanism, pore structure, mechanical property and high temperature oxidation behavior
Najafizadeh et al. Microstructure and mechanical properties of a high-strength Ti-4Al-2Fe-3Cu alloy fabricated by sintering and hot extrusion
KR100359187B1 (en) Intermetallic Nickel-Aluminum Alloy
JP2004142993A (en) Hexagonal composite carbide, and production method therefor
JP4255877B2 (en) High-strength and high recrystallization temperature refractory metal alloy material and its manufacturing method
CN108950255A (en) Five yuan of FeCoNiMoSi system high-entropy alloys and preparation method thereof
SERKHANE-OUABADI et al. Influence of the liquid phase and the carbon on the reactive sintering in mixtures W-Ni-C
Wang et al. An investigation of the microstructure and mechanical behavior of novel nanocrystalline Al–Fe–V–Si–Mm alloy ribbons
Saghafi Yazdi et al. Mechano-chemical activation of MoO3-CuO/C powder mixture to synthesis nano crystalline Mo-Cu alloy