Сплав на основе кобальта

(5)5 С 22 С 19/ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ПАТЕНТУ и 09,вес.% дверга- ЯТМ, ны сплакобаль орро меет зота Целью изобрете ние стойкости к корр Кроме того, спла нию, можно легко по щую стоимость, он с количество высокодо ческих металлов, т.е т,п.ия является улучшезии и износу. в согласно изобретелучить за конкурирую.- держит минимальное огостоящих стратеги- колумбия, тантала и еделена й корропри корозия в ытания)ний при тижения именяли Др торые о област описан Исп розии.угие чев и те я, конной авом. йко тоикость к точеч рро ли в ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(54) СПЛАВ НА ОСНОВЕ КОБАЛЬТА бретение касается сплава на основе а, который является исключительно ионностойким и износостойким и ритическое содержание углерода и преимущества иэображе идны для специалистов в хники, достигаются со сп в табл.1.тания на с н оценки стойкости к точечнойиспытываемые сплавы погру(57) Изобретение касается сплава на основе кобальта, который имеет ценную комбинацию свойств коррозионной стойкости и иэносостойкости. Сплав содержит, мас.%: хром 25,5, никель 8.5, железо 3,0, молибден 5, вольфрам 2, кремний 0,40, марганец 0,75, углерод 0,06, азот 0,08 и кобальт плюс обычные примеси - остал.ьное. Сплав может также включать медь и некоторые карбидообраэователи (т.е. колумбий, тантал, титан, ванадий и т.п.) для связи избыточного количества углерода и/или азота. который может присутствовать. 3 з.п, ф-лы, 9 табл. раствор Огееп Оеатп - "зеленая с(7 об.% Н 2304 + 3 об,% НС +ЕеОз+ 1 вес.% СОС 2) затем их поли процедуре согласно стандарту АДля сравнения также были испытавы 6 В 21 и 25,Для каждого сплава была опркритическая температура точечноэии (т.е. самая низкая температураторой начинается точечная кортечение 24-часового периода исппосредством проведения испытанескольких температурах, Для достемператур выше точки кипения правтоклав, При каждой температуревали два образца каждого сплава,После испытания образцы исследовали од бинокулярным микроскопом. Присутстие только одной точки коррозии на образце читалось отрицательным результатом, 1836475Испытание на коррозионное растрескивание под напряжением,Стойкость испытываемых сплавов.исплавов 6 В 21 и 25 к коррозионному растре скиванию под напряжением определили путем испытания в кипящих растворах 45 , иЗО;6 хлорида магния согласно способам,описанным в стандарте АСТМ. Применяли двухстадийный способ нагружения 0-образного образца, причем все образцы былиприготовлены из отожженного материалатолщиной 0,125 дюйма (32 мм).Три образца каждого материала испытывали в каждой из двух сред, и образцыпроверяли через определенные интервалывремени (1,6,24,168,336,504,672, 840,1008 ч),Испытания на кавитационную эрозию.Для определения стойкости материаловк кавитационной эрозии применяли вибрационное испытание на кавитационную эрозию, описанное в стандарте АСТМ,устройство для проведения такого испытания содержит по существу преобразователь(источник вибраций), конусообразный цилиндрический элемент для усиления колебаний и контейнер с регулируемойтемпературой, в которой содержится жидкость для проведения испытания, Из образцов, которые приготовили из отожженноголиста толщиной 0,75 дюйма (19 мм), приготовили цилиндрические диски диаметром14,0 мм с резьбовым концом и их вставилив резьбовое отверстие на конце скошенного цилиндра для испытания. Некоторые образцы испытывали в,ечение 48 ч,а другие в течение 96 ч, в дистиллированной воде (поддерживали при температуре60 Е - (15,56 С) при частоте 20 КГц и амплитуде 2 мил, Потери в массе измеряли синтервалами 24 ч. Измеряя отдельно плотность испытываемых материалов, вычислили среднюю глубину эрозии. Испытывалидва образца каждого сплава. Сплавы согласно изобретению испытывали вместе с известными кобальтовыми сплавами, как описано в табл.2. На протяжении примерно 80 лет сплава 6 В, полученныйЗлвудом Хайнсем, был хорошо известен как сплав на кобальтовой основе с выдающимисвойствами иэносостойкости и сравнительно низкой коррозиостойкостью. Сплавы 21 и 25, поставляемые фирмой "Хайнес Интернэшнл", Инк", под их торговой маркой Наупез, представляют хорошоизвестные сплавы на кобальтовой основе с достаточно хорошей коррозиестойкостьюили сравнительно низкой износостойкостью. Сплав на основе никеля Наз 1 еПоу фирмы "Хайнес-Интернэшнл, Инк" особенно50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 известен за свою стойкостью к точечной коррозии,В табл.З и 7 указаны составы экспериментальных сплавов, которые были приготовлены для испытания вместе с известными сплавами, описанным в табл.2.Образцы для различного испытания приготовили обычным способом для сплавов этого класса, Сплавы плавили индукционным способом под вакуумом в виде 50-фунтовых плавок, затем электрошлаковым переплавом (ЕЗВ), Продукты ЗШП подвергали ковке затем их прокатывали в горячем состоянии при температуре 2200 Р (1204 С) в 3/4 дюймовый (19,1 мм) лист и, наконец, отжигали в растворе, Одну половину отожженного 3/4 дюймового (19,1 мм) листа дополнительно прокатывали в горячем состоянии при температуре 2200 Р (1204 С) в 1/8 дюймовый (3,2 мм) лист и затем отжигали в растворе, Испытание на кавитационную эрозию проводили с 3/4 дюймовым (19,1 мм) листом, тогда как все другие. испытания проводили с 1/8 дюймовым (3,2 мм) листом,Простота плавки, литья и обработки экспериментальных сплавов ясно указывает на то, что из сплавов согласно изобретению можно легко получить литые, ковкие продукты (листы, трубы, проволока и т.п,), продукты порошковой металлургии (путем спекания, распыления и т,д.), сварные материалы и т,п.Составы, уазанные в табл,1, включают в себя кобальт плюс примеси для равновесия. В производстве кобальтовых сплавов этого класса в конечном продукте присутствуют примеси от многих источников. Эти так называемые "примеси" необязательно всегда являются вредными, а некоторые из них даже могут быть в действительности полезными либо иметь безвредный эффект.Некоторые из этих "примесей" могут присутствовать в качестве остаточных элементов в результате определенных стадий обработки, присутствовать главным образом в материалах шихты либо их можно преднамеренно добавлять для достижения преимуществ, известных в технике, например; кальций, магний, ванадий, титан, алюминий, цирконий, марганец, редкоземельные металлы, например, церий, лантан, иттрий и т.п,Как известно в технике, определенные элементы (ванадий, колумбий, тантал, гафний, титан и т.п,) могут присутствовать в количестве вплоть до 8 О, предпочтительноменьше пяти процентов в общем количестве в качестве так называемых "карбидообразующих элементов" для связи углерода и/или35 5055 азота, который может присутствовать в расплаве в избыточном количестве.Хорошо известно, что молибден и вольфрам являются взаимозаменяемыми во многих системах сплавов, В заявленном сплаве эти элементы могут быть взаимозаменяемыми, но только частично, Предпочтителен молибден, благодаря экономическим преимуществам и тому факту, что было обнаружено, что он является более эффективным в придании сплавам этого типа стойкости к восстановительным кислотам, Таким образом молибден должен присутствовать в сплаве согласно этому изобретению в количестве не меньше, чем Зо для достижения оптимальных экономических и технических преимуществ. В технике хорошо известно, что состав необходимо регулировать из-за различий в атомном весе этих элементов, определенном как примерно Мо = 1/2, Например, для получения эквивалента 6,0 молибдена необходимо иметь 5 О молибдена и 2,0 вольфрама. Благодаря .,возможной замене содержание молибдена и плюс вольфрама может составлять в общем вплоть до 15 оь в сплаве согласно изобретению. Вообще в этой области техники обнаружено, что по каким-то причинам молибден предпочтителен в никелевых сплавах, а вольфрам в кобальтовых сплавах. Напротив, кобальтовый сплав согласно этому изобретению требует, чтобы молибден преобладал над вольфрамом,Бор может присутствовать в сплаве согласно изобретению в небольшом, но эффективном количестве, например, от примерно 0,01 до 0,015 для получения.определенных преимуществ, известных в технике.Никель должен присутствовать в сплаве для достижения ценной комбинации требуемых свойств. Улучшаются механические, физические свойств и способность к обработке. Содержание никеля может изменяться от примерно 4 до 16 Д в зависимости от требований определенных специальных применений, Например, содержание никеля примерно 7 - 10% и предпочтительно примерно 8,5; позволяет получить сплавы, которые имеют выдающиеся свойства коррозиестойкости и износостойкости вместе со стойкостью к кавитационной эрозии, точечной коррозии "Огееп Оеай" и также к трещинообразованию в зоне плавления.Как покажут данные испытаний, это - непредвиденно выдающаяся комбинация свойств, Обычно считают, что вообще эти свойства являются часто взаимно исключающимися. 5 10 15 20 25 30 Ключом этого изобретения является открытие, что в определенных пределах комбинация углерода и азота значительно увеличивает коррозиестойкость Со-Сг-Мосплавов и что стойкость к кавитационной эрозии этих углерод- и азотсодержащих материалов примерно одинакова со стойкостью кобальтового сплава, содержащегообилие карбидных вцделений.Во время этого открцтия несколько экспериментальных сплавов с различным содержанием углерода и азота расплавляли. изготавливали ковкий лист и пластину и испытывали. Эти сплавы перечислены в табл.З. В сплаве 46 содержание углерода и азота поддерживали по возможности низкое. В сплавах 48 и 49 количество этих двух, элементов увеличивали независимо до. уровней, приближающих к пределам растворимости (считали, что добавки выше этих пределов вызовут значительное выделение, которое будет ухудшать коррозиестойкость). Наконец, в сплавах 89, 90 и 91 углерод и азот добавляли в комбинации доуровней, которые будут упрощать обработку (было обнаружено, что азот в количестве 0,19 вес. вызывает проблемы трещинообразования во время обработки) и предельную чувствительность во время сварки. Сплав 91 содержит большое количество азота плюс углерод,Для сравнения были также испытаны известные кобальтовые сплавы 6 В и 21,Изучение табл.4 и 5 показывает степень улучшения коррозиостойкости, достигаемой посредством комбинации углерода и азота. Что касается стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением (табл.4), то улучшение предполагалось с увеличением содержания углерода в пределах растворимости, поскольку известно, что он стабилизирует форму гранецентрированной кубической ячейки кобальта и это, как можно ожидать, в свою очередь увеличивает энергию дефектов упаковки, следовательно стойкость к транскристаллическому разрушению, Однако было обнаружено, что роль углерода более сложная, поскольку раннее повреждение сплава 46(низкое содержание углерода и азота) было по своей природе межкристаллитным. Также бь 1 ло неожиданным положительное влияние азота и сильное влияние комбинации углерода и азота (общий уровень углерода и азота 0,19 вес.оь был более эффективным, чем содержание 0,19 вес. азота при низком содержании углерода). Таким образом. сущность изобретения состоит в критичности углерода и азота, присутствующих по существу в одинаковом количестве.10 35 40 50 55 Что касается стойкости к точечной коррозии, то можно было предвидеть некоторое улучшение при увеличении содержания азота на основе работы с,сплавами Ю - СгМо, Однако положительное влияние углерода в пределах этой системы сплавов и благоприятные эффекты углерода и азота в комбинации не были отмечены,Известная информация, относящаяся к кавитационной эрозии сплавов на основе кобальта, высказывает предположение, что в пределах интервала растворимости углерод должен оказывать вредный эффект иэза его влияния на энергию дефектов упаковки(требования к стойкости кавитационной эрозии противоположны требованиям к стойкости к коррозионному растрескиванию под напряжением с точки зрения микроструктуры), Вне этого предела растворимости углерод, как известно, оказывает благоприятный эффект при его содержании вплоть до примерно 0,25 вес.% и затем он является относительно безвредным в интервале примерно 0,25 - 1,4 вес,%. Эффекты азота были раньше неизвестны,Во время этого открытия было отмечено неожиданное положительное влияние углерода на стойкость к кавитационной эрозии, как это видно из табл,б, если сравнить сплавы 46 и 48, Кроме того стойкость сплава 48 (содержит 0,06 вес,% углерода) примерно одинаковая со стойкостью сплава 6 В (содержит примерно 1,1 вес.% углерода), Положительный эффект азота в отдельности и в сочетании с углеродом также не был отмечен.Если сравнить результаты испытаний сплавов 89 и 90, то можно увидеть, что никель, который также известен как стабилизатор формы гранецентрированной кубической ячейки кобальта, не оказывает сильного влияния нэ свойства, когда его содержание находится в интервале 5,3 - 9,8 вес %Что касается стандартных кобальтовых сплавов, применяемых для сравнения, и составы которых даны в табл.2, то видно, что сплавы 6 В и 21, хотя и являются очень стойкими к кавитационной эрозии, однако они имеют более плохую коррозиестойкость, чем сплавы согласно этому изобретению, Только в сплавах согласно изобретению обнаруживается в комбинации хорошая стойкость к коррозии и кавитационной эрозии.Испытания на стойкость к мокрой коррозии были проведены нэ выбранных сплавах, как показано в табл,9. Испытание проводили согласно стандартным методам испытания АСТМ 31, Результаты показывают, что стойкость сплавов согласно этому испытанию к мокрой коррозии явно превосходит стойкость известных сплавов за исключением сплава С - 22. Однако сплав С - 22 не имеет соответствующую стойкость к кавитационной эрозии. Сплав 92 имеет хорошую коррозиестойкость, но также и недостаточную стойкость к кавитэционной эрозии, Следует отметить, что коррозиестойкость сплавов согласно изобретению в среде кипящих кислот превосходит стойкость сплава 25 на основе кобальта, которыйне имеет отличительные признаки этого изобретения.Специалистам в данной области техники очевидно, что новые принципы описанного здесь предложенного решения в связи с представленными специальными примерами допускают возможность различных других модификаций и их применение, Однако при определении объема приложенной формулы изобретения не следуетограничиваться описанными специальными примерами.Формула изобретения1, Сплав на основе кобальта, включающий хром, никель, железо, молибден, вольфрам, кремний, марганец и углерод, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения стойкости к коррозии и износу, он дополнительно содержит азот при следующем содержании компонентов, мас.%: хром 24-27; никель 7 - 10; железо 2 - 4; молибден 4,5 - 5,5; вольфрам 1,5 - 2,5; кремний 0,4 - 0,6; марганец 0,5-10; углерод 0,03- 0,09; азот 0,06 - 0,12; кобальт остальное, при суммарном содержании углерода и азота 0,09-0,19%,2. Сплав по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он дополнительно содержит не более 0,24 мас,% меди и не более 0,75 мэс,% карбидообразователей,3. Сплав по и 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он содержит 25,5 мас.% хрома, 8,5 мас.% никеля, 3,0 мас.% железа, 5,0 мас.% молибдена, 2,0 мас,% вольфрама; 0,4 мас,% кремния, 0,45 мас.% марганца, 0,06 мас.% углерода и 0,08 мэс.% азота,4. Сплав по и 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он имеет структуру литого, кованого или порошкового материала,1 О 1 В 36475Таблица 1Предложенный сплавСодержание молибдена должно всегда превышать содержание вольфрамаТаблица 2Известные сплавы= меньще, цем1836475 Таблица 3 родолжение табл изобретению.- меньше, чем Сплавы 89, 90 и 91 - сплавы согла нные испытаний на стойкость к корр трескивэнию под напряжением, 30магний при 118 ОС Таблица ионному рас лористый131418364Продолжение табл. 4- без растрескивания- не может изгибаться в О-образную формуТаблица 5Данные испытания на точечную коррозиюСреда:7 об.о Н 2504+ 3 об. ДНС+ 1 вес РеСз+ 1++ вес СоОр - , вес. Период; 24 ча баные испытания на кавитационную эрозиюцо ол льь 4 ц 1ОСЧ сЧ . СЧ Ю С л О СЧ С Фь Щ С 4 44 СО л л СЧ Ю л О СЧ-1 ц н 4 Е СЧ С ) ш м л 1- 4:С СЧ С-) ш Е н 4 Оь 1 СЧ С.Э ш В 4 44 1- С) ш н о Ф 0 СЧ С Э ш 0 ОЪ С СО СО ОЪ и о о ш ш ш СЧ (Ь С.Э ш Щ СЧ С) ш О СЧ ш О С) ш 1 111 3111 41Ь - 41 11 31 Ф 43 4 13В31, 1333111,0 11836475 Таблица 8 Результаты испытания на кавитационную эрозию Средняя глубина эрозии Сплав 72 24 ч 89 90 91 92 25 аблица Испытание выбранных сплавов на стойкость к мокрой коррозии Составитель Е. Носырева Редактор Е, Полионова Техред М,Моргентал Корректор Н, Милюковаказ 3010 ВНИИПИ Госуд Тиражственного комитета по изобретен 113035, Москва, Ж, Раушская Подписноем и открытиям при ГКНТ СССРаб., 4/5 твенно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина Произ С - 22 ЕС 89 ЕС 90 ЕС 91 ЕС 92 Е С 25. ЕС 26 ЕС 27 0,0048 0,0067 0,0068 0,0153 0,0244 0.0084 .0,1122 0,0048 0,0067 0,0068 0,0153 0,0089 0,0094 0,0067 0,0186 0,0242 0,0234 0,0392 0,0536 0,0236 0,1935 0,0186 0.0242 0,0234 0,0392 0,0286 0,0277 0,0221 0.03 0,04 0,04 0,0625 0,0856 0,0361 0,2499 0,0332 0,0412 0,0410 0,0625 0,0488 0,0467 0,0379 0.0495 0,0605 0,0582 0,0877 0,1151 0,0495 0,2965 0,0495 0,0605 0,0582 0.0877 0,0700 0,0648 0,0538