PL239428B1

PL239428B1 - Powder composition for producing foundry inserts, a foundry insert and method for producing local composite zones in castings

Info

Publication number: PL239428B1
Application number: PL419422A
Authority: PL
Inventors: Ewa Olejnik; Anna Jesiołowska
Original assignee: Innerco Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2021-11-29
Also published as: PL419422A3

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

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.The subject of the invention is a composition of powders for the production of casting inserts used to obtain local composite zones resistant to abrasion, and a casting insert, which make it possible to increase the abrasive wear resistance of cast machine parts operating in conditions of high mechanical loads. The subject of the invention is also a method of producing local composite zones in castings, which increases the resistance of castings to degradation processes and abrasive wear of machines operating under strong mechanical loads.

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.In the technology of producing castings with increased resistance to impact and abrasion in selected areas, the in situ synthesis of silicon carbide SiC uses the method of Self-Propagating High Temperature Synthesis (SHS). The process of synthesizing titanium carbide TiC is well known in the field of classical powder metallurgy. Equally well known are the problems of controlling the SHS reaction, which is a self-sustaining reaction when initiated, i.e. the amount of heat generated by the reaction allows the synthesis reaction to spread further. The quenching of this reaction occurs only when more heat is removed from the system than the amount of heat generated during the reaction.

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.For casting processes, the methods disclosed in US2011 / 0226882A1 are known, in which local composite reinforcements are produced in cast parts of machines and devices. The disclosed method consists in placing in the cavity of the mold a shaped body or granulate of the reactants for the formation of titanium carbide TiC, which are flooded with a liquid iron-based alloy. Then the thermal energy supplied by the liquid alloy initiates the synthesis reaction of titanium carbide TiC. The in situ synthesis process in the liquid melt is subject to physical phenomena occurring in liquids. This applies in particular to the reactive infiltration supported by capillary phenomena, intensified by the high temperature of the poured alloy and the high value of thermal energy generated during the synthesis of titanium carbide TiC. After the initiation of the synthesis reaction, the nucleating and growing in the liquid alloy TiC crystals of titanium carbide can form bridges and coalesce. However, said reactive infiltration causes the liquid melt to spread between the nucleating and growing crystals or coagulated TiC particles. As a result, the particles or crystals of the titanium carbide TiC are separated by a liquid. Since the TiC crystals or particles are affected by the buoyancy force resulting from the difference in density between the liquid iron-based alloy and the titanium carbide, this results in an uneven distribution of these elements in the casting. This can lead to fragmentation of the composite zone, which prevents the casting of an effective local composite reinforcement. The devastating phenomenon of crack propagation is particularly undesirable in castings. Material cracks are initiated by microcracks that may appear in those areas where the most brittle phase of the material is located, which in this case are titanium carbide particles, TiC. It is therefore preferable and desirable that the brittle regions of the titanium carbide TiC be thoroughly separated from each other by the metallic matrix material, as a greater amount of metallic matrix material between the TiC titanium carbide particles inhibits their propagation.

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.From the US patent specification US 20110303778A1 a method is known that allows the phenomenon of crack propagation to be reduced. This aim was achieved by the use of a hierarchical structure of the material in which the reinforced phase has distributed, in the iron-based alloy, millimeter-sized granules containing micron-sized coagulated particles of titanium carbide TiC, the areas between the titanium carbide particles TiC are also filled with an iron-based alloy. In order to implement the presented structure, the previously prepared granules of compressed Ti and C powders are placed in selected places of the casting mold, secured against dispersion by means of separating elements, and then the mold is poured with an iron-based alloy. The granular structure of the composite makes it possible to control the size of the areas containing the TiC carbide clusters and to partially control the distance between these clusters. In addition, it also facilitates the process of removing gases generated during SHS synthesis, which results in a reduction in the number of pores in the casting. However, the granular structure does not provide sufficient abrasive wear resistance of the material. Increased distances between the granules with TiC titanium carbide particles are not advantageous because the erosion process of the infiltration material is facilitated, and this in turn promotes the crushing of TiC titanium carbide agglomerates. Therefore, it is purposeful to search for such a composite structure that would be resistant to the phenomenon of crack propagation and at the same time resistant to the phenomenon of erosion.

PL 239 428 B1PL 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.For the implementation of modern elements of machines and devices manufactured by casting technique, new simplified methods of making local zones with increased strength and resistance to abrasive wear are sought, which ensure further improvement of the durability of the cast elements of machines and devices, at the same time they can be conveniently and easily used and do not require additional equipment.

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.The essence of the invention is a composition of powders for the production of casting inserts used to obtain local composite zones resistant to abrasion, where the composite zones are reinforced with carbides and borides formed in situ in castings, characterized by the fact that it contains: powders of the substrates of the carbide formation reaction and / or boride selected from the group: TiC, the amount of TiC carbide forming substrate powders is up to 3 to 50 wt.%, either WC, or ZrC, or NbC, or TaC, or TiB2, or ZrB2, or their mixtures, which after crystallization forms reinforcing particles of the composite zones in the casting and moderator powders constituting a mixture containing powders of metals selected from the group: Fe, Co, Ni, Mo, Cr, W, Al or a mixture of these powders, which, after crystallization, form the matrix of the composite zone in the casting.

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.Preferably, the amount of the TiC carbide forming reactant powders in the composition according to the invention is up to 3 to 40 wt.%. and the amount of the moderator powders is from 60 to 97 wt%.

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.It is also preferred that the amount of the powders of the WC carbide-forming reactants in the composition according to the invention is from 40 to 99% by weight. and the amount of the moderator powders is from 1 to 60 wt%.

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.It is also preferred that the amount of the mixture of substrate powders for the conjugated TiC and WC carbide forming reaction in the composition according to the invention is from 10 to 70 wt.%. and the amount of the moderator powders is from 30 to 90 wt%.

Korzystnie, gdy proszki substratów reakcji tworzenia węglika i/lub borku posiadają wielkość cząstek nie większą niż 100 μm, korzystnie nie więcej niż 45 μm.Preferably, the powders of the reactants for carbide and / or boride formation have a particle size of not more than 100 µm, preferably not more than 45 µm.

Równie korzystnie, gdy proszki moderatora dodatkowo zawierają niemetal w postaci C.It is also preferred that the moderator powders additionally contain a non-metal in the form of 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.Preferably, the carbon as the substrate powder is: graphite, amorphous graphite, carbon-bearing material or mixtures thereof, and in the case of Ti, W, Zr, Nb, Ta are pure metal powders or their alloys with other elements or mixtures thereof.

Szczególnie korzystnie, gdy proszki moderatora dodatkowo zawierają, co najmniej jeden proszek wybrany z grupy: Mn, Si, Cu, B lub mieszaninę tych proszków.It is particularly preferred that the moderator powders additionally contain at least one powder selected from the group: Mn, Si, Cu, B or a mixture of these powders.

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.Preferably, the moderator powders have a chemical composition such as an alloy selected from the group: gray cast iron, white cast iron, chrome cast iron, chrome cast steel, unalloyed cast steel, low-alloy cast steel, Hadfield manganese cast steel or Ni-Hard chrome cast iron4.

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.In another formulation of the invention, the moderator powder is a mixture of selected powders from the group: (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.Preferably, the moderator powders additionally comprise: powders of ceramic phases increasing wear resistance, especially selected from the group: ZrO2, stabilized with ZrO2, Al2O3 or a mixture thereof; and / or a reducing component in the form of Al and / or Si, the amount of reducing component being not more than 5 wt.%. in the composition of powders.

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.The essence of the invention is also a casting insert for the production of wear-resistant local composite zones in a casting, containing the reactants of carbide and / or boride formation, the insert in the form of shapes, lumps, preforms or granules, characterized in that it contains a compacted composition of powders according to the invention .

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.In another sense, the invention also relates to a method of producing local composite zones in castings, which uses a self-propagating thermal synthesis (SHS) reaction, in which a powder mixture containing carbide and / or boron-forming reactants is prepared and then pressed to give a compressed of the composition of powders, the mold, especially shapes, lumps, preforms or granules constituting the casting inserts, and then at least one casting insert is placed inside the mold, after which the mold is poured with sufficient liquid casting alloy to initiate the SHS reaction characterized in that it makes is a powder mixture containing carbide and / or boride forming reactants, which is the powder composition according to the invention, and wherein pressing takes place at a pressure ranging from 450 MPa to 650 MPa.

Korzystnie, gdy po sporządzeniu mieszaniny proszków suszy się je, korzystnie w temperaturze 200°C do uzyskania wilgotności nie większej niż 2%.Preferably, after preparing the powder mixture, they are dried, preferably at a temperature of 200 ° C, until a moisture content of not more than 2% is obtained.

PL 239 428 B1PL 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.Also preferably, the casting inserts are placed in the mold cavity in a specific position, the insert preferably being screwed to the mold or placed on the insert on a steel frame placed inside the mold, and preferably the steel frame consists of bars onto which moldings having holes are threaded. .

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.The composite zones produced in the castings in situ due to the use of a moderator have predictable, stabilized dimensions, and the TiC titanium carbide crystals are of similar submicron sizes. Due to the large number of fine titanium carbide crystals TiC, relatively evenly distributed, the composite zone shows increased abrasion resistance and at the same time the impact resistance has been improved, because in the vicinity of fine crystals mechanical stresses are reduced, while the smaller distances between the fine crystals increase the composite zone's resistance to erosion .

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.The method according to the invention provides much more precise control of the SHS process during casting. As already mentioned, a typical SHS process is self-propelling, i.e. once initiated, it takes place in an avalanche, until the entire input material is reacted. Since the reaction is highly exothermic and results in high temperature rise and gas emissions, fissures and pores are likely to form. In the solution according to the invention, by the precise selection of a moderator composition which not only effectively absorbs excess thermal energy, but also increases the hardness of the composite matrix and its wear resistance, and has the ability to absorb gases, the above-mentioned disadvantages are minimized.

W obrębie opisu wynalazku i zastrzeżeń patentowych następujące terminy należy rozumieć zgodnie z poniższymi definicjami:Within the specification of the invention and the claims, the following terms are to be understood in accordance with the following definitions:

„Proszek metalu” oznacza sproszkowaną, rozdrobnioną dowolną metodą postać metalu."Metal powder" means a powdered form of metal which may be comminuted by any method.

„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" means a mixture of metal powders, which may also contain non-metals, which during the SHS reaction of the synthesis of the selected carbide or their mixtures melt and form the matrix of the composite zone, the fundamental role of the moderator introduced into the reactants of the formation of the compound undergoing the SHS reaction is to reduce the amount of energy released, it follows this is from replacing the part by weight of the substrates with the corresponding moderator. The role of the moderator is to limit the reactive infiltration taking place during the high-exothermic SHS synthesis reaction of the selected ceramic phase, and with it the unfavorable fragmentation phenomenon that destroys the composite zones produced in situ. An additional role of the moderator is to reduce the size of the particles formed as a result of the reaction, SHS, through the influence of the moderator on the particle crystallization process. The moderator also influences the relatively uniform distribution of particles within the composite zone and increases the hardness and wear resistance of the composite zones.

„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."Ceramic moderator" means a ceramic powder, preferably ZrO2 and / or Al2O3, which is incorporated to increase the wear resistance of the composite zones as well as to control the phenomenon of reactive infiltration and limit the disadvantageous phenomenon of complete fragmentation.

„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."Reducing component" means an additive in the form of a powder, preferably Al and / or Si, which binds the gas atoms released during the SHS reaction in the casting in the region of the in situ generated composite zone, serves to reduce or eliminate porosity defects.

„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.A "casting insert" is a compacted composition of powders for in situ production in the casting of composite zones reinforced with carbides and / or oxides, the key element of which is the addition of a moderator. The moderator contained in the casting insert prevents the unfavorable phenomenon of zone fragmentation, which causes the zones to split into pieces and their movement in the liquid melt poured into the mold cavity. The casting insert may have the shape of any body, preform or may also be in the form of granules and it is placed in the cavity of the casting mold. The insert should be installed in such a way that it does not move in the casting while pouring the mold cavity.

„Stop bazowy” oznacza stop odlewniczy, który zostaje zalany do wnęki formy z umieszczoną w jej wnętrzu wkładką odlewniczą do wytwarzania stref kompozytowych w odlewie."Base alloy" means a casting alloy that is poured into a mold cavity with a casting insert disposed therein to create composite zones in the casting.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania nie ograniczających jego zakresu oraz na rysunku, na którym:The subject of the invention is shown in non-limiting examples and in the drawing, in which:

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 zawierająceFig. 1 illustrates the successive steps of the method of producing composite zones, including the mold cavity in which the casting inserts are placed (a), the assembly method of the casting inserts (b), and then the visible composite zones on the milled cross-section of the lower part of the casting (c) and on a milled cross-section of the upper part of the casting, which shows scattered fragments of composite zones made on the basis of casting inserts containing

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);PL 239 428 Β1 reactants for the formation of titanium carbide (TiC) and less than 50% by weight of the moderator in the form of a powder with the composition of high manganese cast steel 21% by weight. Mn of the Hadfield type (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. 2 illustrates: a mold cavity for receiving casting inserts (a) and a ground cast section (b) for composite zone forming materials containing titanium carbide (TiC) forming reactants and a pure iron powder moderator;

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. 3 illustrates: a mold cavity in which the casting inserts (a) are placed, a milled casting section (b) and a ground casting section (c) for composite zone forming materials containing titanium carbide (TiC) forming reactants and a moderator in the form of high-manganese cast steel 21 wt.% Hadfield type Mn;

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. 4 illustrates: the mold cavity in which the casting inserts (a) are placed, a milled casting section (b) and a ground casting section (c) for composite zone forming materials containing titanium carbide (TiC) forming reactants and a moderator in the form of powders with the composition of chromium cast iron with the addition of Ni, of the Ni-Hard4 type;

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. 5 illustrates: the mold cavity, in which the casting inserts (a) and a ground cast cross-section (b) for the materials for creating composite zones containing the reactants of the tungsten carbide (WC) formation reaction and the moderator in the form of powders with the composition of chromium cast iron with the addition of Ni, of the Ni-Hard4 type;

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. 6 illustrates the mold cavity in which the casting inserts (a) and ground casting sections (bc) are placed for the materials for the formation of composite zones containing the substrates of the conjugated reaction of titanium and tungsten carbide (TiC, WC) formation and the moderator in the form of powders of the composition chromium cast iron with the addition of Ni, type 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;Figures 7-9 illustrate the cross-sectional microstructure of the transition area between the composite zone and the remainder of the casting and the microstructure of the composite zone depending on the composition of the powders used to make the casting inserts, including the amount of moderator;

fig. 10 ilustruje ogólny schemat realizacji sposobu wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach według wynalazku;Fig. 10 illustrates a general scheme of the implementation of a method for producing local composite zones in castings according to the invention;

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.Figures 11-16 illustrate the dependence of the variation in hardness of composite zones obtained in situ in the casting depending on the composition of the powder compositions used to make the casting inserts, including the amount by weight of the moderator contained in the powder composition used to make the inserts.

Niniejszy wynalazek ilustrują następujące przykłady wykonania.The following examples illustrate the present invention.

Przykład 1Example 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.In the first experiment, a mold cavity with casting inserts was prepared for the production of TiC-carbide-reinforced composite zones (Fig. 1a) in which the casting inserts were mounted by means of assembly systems (Fig. 1b). The casting inserts were prepared using a mixture of powders containing TiC formation reactants and a moderator with the composition of high-manganese cast steel containing 21% Mn. The composition of the powders used to produce the casting inserts and the results obtained are presented in Table 1. The signs: "+" and in tables 1-6 represent "yes" and "no" respectively in the schematic description of the results observed on the cut of the casting where zones were generated in situ composite. The chemical composition of the moderator with the composition of Hadfield high-manganese cast steel is given in Table 8.

Tabela 1Table 1

Nr próbki: Sample no .: Al Al A2 A2 A3 A3 A4 A4 A5 A5 A6 A6 Substraty reakcji tworzenia TiC [% wag.j Substrates of the TiC forming reaction [wt.% J 100 100 90 90 70 70 50 50 30 thirty 10 10 Moderator o składzie staliwa wysokomanganowego 21 % Mn, typu Hadfield [% wag.j Moderator with the composition of high-manganese cast steel 21% Mn, of the Hadfield type [wt.% J 0 0 10 10 30 thirty 50 50 70 70 90 90 Wi doczność stref k ompozytowych Visibility of composite zones - - - - - - + + + + + + Całkowita fragmentacja strefy Complete zone fragmentation + + + + + + - - - - - - Częściowa fragmentacja strefy Partial zone fragmentation - - - - - - + + - - - - Udział makroporowatości i fragmentów strefy’ w górnej części odlewu The share of macroporosity and zone fragments in the upper part of the casting + + + + + + - - - - - -

PL 239 428 Β1PL 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.In this experiment, casting inserts were mounted to produce composite zones reinforced with TiC carbide in a mold as in Figures 1a and 1b. The inserts contained various amounts of moderator in the form of a powder mixture composed of Mn 21% by weight of Hadfield manganese cast steel and TiC-forming reactants. The atomic fraction of the substrates was respectively 50 at. Ti: 50% at. C. The inserts were made by compacting under a pressure of 600 MPa. The dimensions of the inserts were 20 × 100 χ X mm, where X was respectively from 8 to 15 mm for individual fittings. Then, a casting was made of L35GSM cast steel, weighing 6 kg, dimensions 70 × 150 × 150 mm, where in Fig. 1c composite zones created in situ based on casting inserts containing, respectively: 50%, 70% and 90% by weight are visible. of the moderator addition (zones A4 to A6) and the zones to be produced: 0%, 10% and 30% by weight. the moderator are scattered and invisible (the area denoted by A1 to A3 in Fig. 1c). Fragments of the dispersed composite zones are shown in the milled upper surface of the casting shown in 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.In the case of the composite zone produced without the addition of moderator and with its addition in the amount of 10% and 30% by weight (the composition of the moldings Α1, A2 and A3, respectively, included in Table 1), the fragmentation of the zone is observed (Fig. 1 c) and a significant share of macroporosity and fragments layers in the upper part of the casting (Fig. 1d). This macrostructure is the result of intensive infiltration caused by a significant increase in temperature during the SHS synthesis reaction of TiC carbide, due to an insufficient amount of moderator. Since the synthesis reaction is highly exothermic, a significant increase in temperature favors the infiltration process as well as the production and dissolution of gases. As a result, the casting does not obtain stable zones, but only randomly distributed zone fragments with TiC carbide. Along with the increase in the percentage of moderator having the composition of high-manganese cast steel 21% Mn, a tendency to stabilize the dimensions is visible, at the same time the macroporosity within individual zones disappears. As shown in Fig. 1 and Fig. 2, at 70 wt. of the moderator content, the macroscopically best dimensional stability and the smallest macroporosity share in the casting were obtained. When this moderator is used, only those zones in which the percentage of the moderator powders are greater than 50% by weight remain relatively stable in terms of dimensions. 1d, the upper surface of the casting shows fragments for the 0%, 10%, 30% by weight zones. moderator, which fragmented and flowed upwards during the in situ reaction of TiC in the liquid melt. This effect was observed in a series of 15 trials. The results of the experimental studies carried out show that if the foundry inserts for in situ production in the casting of composite zones contain only powders of the substrates of the TiC synthesis reaction, then local composite zones are not formed due to the unfavorable phenomenon of their fragmentation.

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.In a second experiment, a mold cavity with casting inserts was prepared for the production of TiC carbide-reinforced composite zones (Fig. 2a) in which the casting inserts were mounted by means of assembly systems. The casting inserts were prepared with the use of a powder mixture containing TiC-forming reactants and a moderator with the composition of pure Fe powder in the amounts indicated in Table 2. The composition of the powders used to produce the casting inserts and the obtained results are presented in Table 2. The atomic content of the substrates was 55% at, respectively . Ti: 45 at% C. The inserts were made by compacting under a pressure of 500 MPa and had dimensions of 20 × 50 × mm, where X is from 15 to 25 mm, respectively, for individual fittings.

Tabela 2Table 2

Nr próbki: Sample no .: BI BI B2 B2 B3 B3 B4 B4 B5 B5 B6 B6 B7 B7 B8 B8 B9 B9 Substraty reakcji tworzenia TiC, [% wag.J Substrates of the TiC forming reaction, [wt.% J. 100 100 90 90 70 70 50 50 40 40 30 thirty 20 twenty 10 10 3 3 Moderator o składzie czystego Fe [% wag.l Moderator with the composition of pure Fe [wt.% L 0 0 10 10 30 thirty 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 97 97 Widoczność stref kompozytowych Visibility of composite zones - - - - - - + + + + + + 4- 4- + + + + Całkowita fragmcntacja strefy Total fragmentation of the zone + + + + + + - - - - - - - - - - - - Częściowa fragmentacja strefy Partial zone fragmentation - - - - - - + + - - - - - - - - - - Udział makroporowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu Share of macroporosity and zone fragments in the upper part of the casting + + + + + + - - - - - - - - - - - -

W trzecim eksperymencie zamontowano wkładki odlewnicze do wytworzenia stref kompozytowych wzmacnianych węglikiem TiC w formie, jak na fig. 3a. Wkładki zawierały różne ilości moderatoraIn a third experiment, casting inserts were installed to produce TiC carbide-reinforced composite zones in a mold as shown in Figure 3a. The inserts contained varying amounts of moderator

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.PL 239 428 Β1 in the form of high-manganese cast steel powder 21 wt.%. Me The composition of the powders used to produce the casting inserts and the results obtained are presented in Table 3. The atomic content of the substrates was 55 at%, respectively. Ti: 45 at% C. The inserts were made by compacting under a pressure of 500 MPa and had dimensions of 20 × 50 × mm, where X is, respectively, for individual fittings from 15 to 25 mm. Then, two sections of the L450 cast steel, weighing 7 kg, dimensions 43 × 70 × 250 mm and wall thickness 48 mm, were prepared: milled (Fig. 3b) and ground (Fig. 3c). Both cross-sections show composite zones created in situ based on casting inserts containing, respectively: 50%, 60%, 70% A, 70% B, 80%, 90% and 97% by weight. addition of moderator (samples C3-C8), while zones containing 10% and 30% moderator (samples C1-C2) are scattered and invisible due to the phenomenon of complete fragmentation in the casting. The zone produced with a proportion of 50 wt. the moderator was partially fragmented, which is illustrated by the visible separation of the zones by the alloy.

Tabela 3Table 3

Nr próbki: Sample no .: Cl Cl C2 C2 C3 C3 C4 C4 C5 C5 C6 C6 C7 C7 C8 C8 C9 C9 Substraty reakcji tworzenia TiC, |% wag. | Substrates of the TiC-forming reaction, | wt. | 90 90 70 70 50 50 40 40 30A 30A 30B 30B 20 twenty 10 10 3 3 Moderator o składzie staliwa wysokomanganowego 21% wag. Mn typu Hadficld, |%wag.| Moderator with a high-manganese cast steel composition of 21% by weight. Type me Hadficld, | wt.% | 10 10 30 thirty 50 50 60 60 70A 70A 70B 70B 80 80 90 90 97 97 Widoczność stref kompozytowych Visibility of composite zones - - - - + + + + + + + + + + + + + + Całkowita fragmcntacja strefy Total fragmentation of the zone + + 4- 4- - - - - - - - - - - - - - - Częściowa fragmcntacja strefy' Partial fragmentation of the zone - - - - + + - - - - - - - - - - - - Udział mak ropo rowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu Share of oilseeds and zone fragments in the upper part of the casting + + + + - - - - - - - - - - - - - -

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.In the fourth experiment, powder compositions were tested for the production of local composite zones reinforced with TiC carbide, which contained a moderator in the form of a powder mixture composed of chromium cast iron with the addition of Ni-Ni-Hard4 type. The composition of the powders used for the production of the casting inserts and the results obtained are presented in Table 4. The atomic content of the substrates was 55 at%, respectively. Ti: 45 at% C. The inserts were made by compacting under a pressure of 500 MPa and had dimensions of 20 × 50 × mm, where X is, respectively, for individual fittings from 15 to 25 mm. The inserts were mounted in a cavity of the casting mold as in Fig. 4a. Then, the mold cavity with casting inserts was filled with the L450 alloy, the composition of which is presented in Table 8. A cast with composite zones with a weight of about 7 kg and dimensions of 43 × 70 × 250 mm and a wall thickness of 48 mm was produced. Then, two sections of the L450 cast steel casting were prepared: milled (Fig. 4b) and ground (Fig. 4c). Both sections show composite zones created in situ based on casting inserts containing, respectively: 50%, 60%, 70%, 80%, 90% and 97% by weight of moderator additive (C3-C8 samples), while zones containing 0% , 10% and 30% of the moderator (C1-C2 samples) are dispersed and invisible due to the phenomenon of their complete fragmentation in the casting. The zone produced with a proportion of 50 wt. the moderator was partially fragmented, which is illustrated by the visible separation of the zones by the alloy.

Tabela 4Table 4

Nr próbki: Sample no .: Dl For D2 D2 D3 D3 D4 D4 D5 D5 D6 D6 D7 D7 D8 D8 D9 D9 Substraty reakcji tworzenia TiC, [%wag.] Substrates of the TiC forming reaction, [wt.%] 100 100 90 90 70 70 50 50 40 40 30 thirty 20 twenty 10 10 3 3 Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni-Hard4, [% wag.] Moderator composed of chromium cast iron with the addition of Ni, type Ni-Hard4, [wt.%] 0 0 10 10 30 thirty 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 97 97 Widoczność stref kompozytowych Visibility of composite zones - - - - - - + + + + + + + + + + + + Całkowita fragmcntacja strefy’ Total fragmentation of the zone ' + + + + + + - - - - - - - - - - - - Częściowa fragmcntacja strefy Partial fragmentation of the zone - - - - - - + + - - - - - - - - - - Udział makroporowatości i fragmentów strefy w górnej części odlewu Share of macroporosity and zone fragments in the upper part of the casting + + -1- -1- -1- -1- - - - - - - - - - - - -

PL 239 428 Β1PL 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.During the experimental tests, the wall thickness of the casting was set in the range from 50 to 150 mm, which is a typical value for many cast structural elements used in cone, jaw, hammer and impact crushers, as well as rollers or balls in ball or roller mills. Within the given range, zones with a moderator content above 60% by weight. they were stable and did not fragment. In the case of greater wall thickness, a powder composition with a higher moderator content can be used, which will reduce infiltration and allow for the formation of stable composite zones in such castings.

Przykład 2Example 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.In Example 2, casting inserts were mounted in a mold to form WC-carbide-reinforced composite zones as shown in Fig. 5a. The casting inserts contained the reactants for the WC formation and various amounts of the moderator in the form of a powder composed of white cast iron with the addition of NiHard 4 type nickel. 94.93% W: 5.07% C. The addition of a deoxidizer in the form of Al powder in the amount of 2% by weight was introduced into the moderator of the casting inserts E2-E9. The inserts were made by compacting under a pressure of 500 MPa and their dimensions were 20 × 50 × mm, where X was the dimension resulting from the compaction of the individual powder compositions. For the production of moldings E1-E8, weights of the powder composition were used, weighing 100 g, and for E9 150 g. Then, a ground section (Fig. 5b) of a L450 cast steel casting was prepared (Fig. 5b), weighing 7 kg, dimensions 43 × 70 × 250 mm and wall thickness 48 mm ground. The cross-section (cut) shows composite zones created in situ based on the E1-E5 casting inserts, where dimensionally stable composite zones reinforced with WC are visible, and the E6-E9 zones have disadvantages in the form of poor reaction of moldings with a higher moderator content. This indicates a different nature of the SHS reaction of TiC and WC carbides. In the case of TiC, fragmentation occurs due to the high energy of the accompanying reaction and the relatively low activation energy, and it is preferable to use a moderator above 60 wt.%. for WC carbide, it is preferable to use less than 60 wt. moderator, because with higher moderator content, the reaction is suppressed and inefficient. This causes defects within the composite zone. The energies accompanying the SHS reaction and the activation energies for TiC and WC carbides are different, which means that the process of zone production in castings based on these carbides is different and it is necessary to use other ranges of the moderator addition. In composite zones based on WC carbide, there is no fragmentation phenomenon and they can be formed with a low moderator content.

Tabela 5Table 5

Nr próbki: Sample no .: El El E2 E2 E3 E3 E4 E4 E5 E5 E6 E6 E7 E7 E8 E8 E9 E9 Substrat; tworzenia reakcji WC [% wag ] Substrate; WC reaction formation [wt%] 100 100 90 90 70 70 50 50 40 40 30 thirty 20 twenty 10 10 3 3 Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni- Hard4. [%wag.] Moderator composed of chrome cast iron with the addition of Ni-Hard4 type. [wt.%] 0 0 10 10 30 thirty 50 50 60 60 70 70 80 80 90 90 97 97 Widoczność stref kompozytowych Visibility of composite zones + + + + + + + + + + - - - - - - - - Całkowita fragmentacja strefy Complete zone fragmentation - - - - - - - - - - - - - - - - - - Częściowa fragmcntacj strefy Partial fragmentation of the zone - - - - - - - - - - - - - - - - - - Udział makroporowatości i brak reakcji Contribution of macroporosity and no reaction - - - - - - - - - - + + + + + + + +

Przykład 3Example 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 XIn Example 3, casting inserts for SHS coupled synthesis reaction in which (Ti, W) C carbide were produced in a mold as in Fig. 6a. The casting inserts contained TiC and WC substrates for the coupled reaction of SHS carbide (Ti, W) C and various amounts of moderator in the form of a powder mixture composed of white cast iron with the addition of Ni-Ni-Hard4 type. The composition of the powders used to produce the casting inserts and the results obtained are presented in Table 6. The weight content of the substrates was 50% TiC (where: 55 at.% Ti: 45% at. C) and 50% by weight of the substrates, respectively. WC (where: 94.93 at.% W: 5.07% at. C). The aluminum powder deoxidizer was added to the F1-F4 casting inserts in the amount of 5%, and in the case of the F5-F8 inserts, the amount of the deoxidizer was reduced to 0.1%. The inserts were made by compacting under a pressure of 500 MPa and had dimensions of 20 χ 60 χ X mm, where 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.PL 239 428 Β1 is the dimension resulting from the compactability of the individual powder compositions. Next, a ground section (Fig. 5b) of a LGS30 cast steel casting, weighing 7 kg, dimensions 43 × 70 × 250 mm and wall thickness 48 mm, was prepared. Both sections show composite zones created in situ on the basis of casting inserts. The use of the coupled synthesis of SHS TiC and WC allowed for the production of dimensionally stable and non-fragmentation composite zones reinforced with (Ti, W) C carbide with a moderator content from 55 to 89.9% by weight. Macroscopic observations revealed the presence of gas defects in zones F6-F8 produced with a low content of 0.1 wt% deoxidizer. Zones created with the addition of 5 wt. Al have no defects in the form of porosity.

Tabela 6Table 6

Nr próbki: Sample no .: FI FI F2 F2 F3 F3 F4 F4 F5 F5 F6 F6 F7 F7 F8 F8 Substraty reakcji tworzenia węglika (Ti,W)C [% wag.] Substrates of the carbide forming reaction (Ti, W) C [wt.%] 40 40 30 thirty 20 twenty 10 10 40 40 30 thirty 20 twenty 10 10 Ilość odtleniacza w postaci czystego Al [% wag.] The amount of deoxidizer in the form of pure Al [wt.%] 5 5 5 5 5 5 5 5 0,1 0.1 0,1 0.1 0,1 0.1 0,1 0.1 Moderator o składzie żeliwa chromowego z dodatkiem Ni typu Ni- Hard4, [%wag ] Moderator composed of chromium cast iron with the addition of Ni-Hard4 type, [wt%] 55 55 65 65 75 75 85 85 59,9 59.9 69,9 69.9 79,9 79.9 89,9 89.9 Widoczność stref kompozytowych Visibility of composite zones + + + + + + + + + + + + + + + + Całkowita fragmentacja strefy Complete zone fragmentation - - - - - - - - - - - - - - - - Częściowa fragmentacji strefy Partial zone fragmentation - - - - - - - - - - - - - - - - Udział makroporowatości i wad w' postaci pęcherzy gazowych Contribution of macroporosity and defects in the form of gas bubbles - - - - - - - - - - + + + + + +

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.For selected compositions of materials for the production of local composite zones according to the invention, tests of the microstructure of the cross-section of the transition area between the composite zone and the remaining part of the cast steel and the microstructure of the zone were carried out. The tests were performed in the experimental systems presented in Table 7.

Tabela 7Table 7

Nr próbki Sample No. Dl For D2 D2 D9 D9 Osnowa Warp staliwo L35GSM cast steel L35GSM staliwo L35GSM cast steel L35GSM staliwo L450 cast steel L450 Rodzaj moderatora Type of moderator staliwo wysokomanganowe 21% wag. Mn high-manganese cast steel 21% by weight Me żeliwo chromowe typu Ni-Hard4 Ni-Hard chrome cast iron 4 Ilość moderatora Number of moderator 70% wag. 70 wt.% 90% wag. 90 wt.% 97 % wag. 97 wt.% Wyniki Results Fig. 5 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 7 Komentarz Comment 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 each of Figs. 7-9 in photo (a) is a cross-sectional view of the boundary between the composite zone and the matrix, and Figs. 7-9 (b) - (d) or (b) - (f) show the enlargements for the area composite zone Obserwowany efekt Observed effect ciągła granica, bez pęknięć, porowatości, bardzo dobre połączenie dzięki infiltracji continuous border, no cracks, no porosity, very good connection thanks to infiltration widoczne są submikronowe oraz nanometryczne TiC submicron and nanometric TiC are visible widoczne są submikronowe oraz nanometry czne TiC both submicron and nanometer TiC are visible

PL 239 428 Β1PL 239 428 Β1

Tabela 8. Składy chemiczne moderatorów użytych w przykładach wykonaniaTable 8. Chemical compositions of moderators used in the working examples

Skład moderatora Composition of the moderator Skład chemiczny [% wag.j Chemical composition [wt.% J C C. Mn Me Si Si Ni Ni Cr Cr Mo Mo Fe Fe Staliwo wysokomanganowc 21% Mn typu Hadfield High-manganese cast steel 21% Mn, Hadfield type 1,2 1.2 21 21 0,5 0.5 - - - - - - reszta rest Żeliwo chromowe z dodatkiem niklu typu NiHard 4 Chromium cast iron with the addition of NiHard 4 3,6 3.6 0,8 0.8 2,2 2.2 5,5 5.5 10 10 0,5 0.5 reszta rest Żeliwo wysokochromowe High-chromium cast iron 3,31 3.31 0,69 0.69 0,87 0.87 - - 26,6 26.6 1,25 1.25 reszta rest

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.Figures 7 and 8 show pictures of microstructures in composite zones produced in the L35GSM cast steel. Composite zones were made on the basis of casting inserts containing 70 wt. addition of a moderator with the composition of manganese cast steel 21% by weight. Mn of the Hadfield type, which was a mixture of powders: Fe, FeMn, C, FeSi, Al. The transition zone shown in Fig. 7a between the composite zone and the rest of the casting has a good connection obtained by a controlled process of infiltration and liquid diffusion occurring between the in situ reaction zone area and the liquid melt poured into the mold cavity. The boundary between the composite zone and the rest of the casting forms a straight line and is characterized by continuity and dimensional stability. In the produced composite zone, mainly submicron-sized TiC carbides distributed evenly within the zone were obtained. The visible comminution effect favors the development of the TiC carbide surface and its even distribution within the zone, as shown in Fig. 7 c-d. With a high moderator content of 90% by weight. The moderator, as shown in Fig. 8, the distribution of TiC titanium carbide crystals in the composite zone is less uniform, and the TiC crystal clusters also take the form of the characteristic self-assembling structures in the form of rings and chains, which are shown in Fig. 8f. The rings of these chains are of submicron and manometric thickness.

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.The use of a powder moderator has a positive effect on the nucleation and growth kinetics of crystals in the liquid alloy during the carbide synthesis reaction, e.g. titanium TiC, WC, (W, Ti) C and other carbides contributing to the SHS reaction taking place between the powders of the substrates of the given carbide formation present in the a compressed composition of powders forming a casting insert after pressing. Particularly preferred is an excellent crystal dispersion, e.g. TiC, in the matrix of the composite zone. It makes it possible to obtain favorable operating parameters with a relatively low percentage of carbide, e.g. titanium TiC, in the composite zone. The addition of a moderator in the form of a mixture of metal and non-metal powders significantly improves the hardness and wear resistance of composite zones obtained in situ in castings.

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.Tests of hardness of composite zones obtained from materials for the production of local composite zones according to the invention with different composition and with different moderator content and with the method according to the invention were also carried out. The results are shown in Figures 10-13. The dependence of the hardness of the composite zones was tested in castings weighing 7 kg, dimensions 43 × 70 × 250 mm and wall thickness 48 mm, which contained composite zones obtained 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).The results of the Vickers hardness tests presented in Figs. 11-14 were prepared on the basis of samples, each with a quantity of 30 pcs. In the graph: dot - indicates the average value; dash - specifies the median of 50%; frame - determines the boundary of the confidence interval for the 2σ deviation; χ, x - define extreme values. The hardness test was performed for the loads: 9.807 N (HV1) (a) and 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.The matrix of the composite zone according to the invention, in contrast to known methods, can be made on the basis of a chemical composition with different properties than the base alloy of the casting, with which the mold cavity was poured. Thanks to this, it is possible to carefully select the alloy that provides predictable mechanical and functional properties, repeatable course of the synthesis process and repeatable distribution of carbide crystals, e.g. titanium TiC in local composite zones.

Korzystne cechy nowej metody potwierdzają przedstawione na fig. 11 i fig. 12 porównawcze wyniki badań twardości, gdzie: fig. 11 przedstawia zależność twardości stref kompozytowych,The advantageous features of the new method are confirmed by the comparative hardness test results presented in Fig. 11 and Fig. 12, where: Fig. 11 shows the dependence of the hardness of composite zones,

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.Obtained in situ in a L450 cast steel casting, on the amount of the moderator in the form of pure iron powder, which has properties similar to the base alloy; while Fig. 12 shows the dependence of the hardness of composite zones obtained in situ in the L35GSM cast steel casting, where TiC-forming reactants were used, mixed with moderator powders, which, as a result of the SHS reaction, form chromium cast iron, i.e. an alloy different from the base alloy of the casting.

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.The results of the experimental tests carried out indicate two important parameters influencing the course of the dependence of changes in hardness. The first is the influence of the moderator, which, by stabilizing the reactive infiltration process, affects the dimensional stability of the composite zones. The dimensional stability ensures that the maximum volume fraction of the carbide within the zone is obtained with the given content of the reactants for its formation and the composite hardness corresponding to this fraction. Apart from the volume fraction of the obtained carbides, their morphology and the mutual connection of e.g. formed bridges are also important. As can be seen in Figures 11-14, the highest hardness values for the TiC carbide reinforced zones are obtained when the mass of the moderator is 60-70 wt.%. in the composition of powders used to make the casting insert. This range of the percentage of moderator content in the composite zone is optimal for moderators based on: pure iron powders, a mixture of powders with the composition of chromium cast iron, a mixture of powders with the composition of high-manganese cast steel 21% Mn of the Hadfield type and powders with the composition of chromium cast iron with the addition of Ni type Ni -Hard4. The moderator with the composition of chromium cast iron Ni-Hard4 (70% by weight) was selected as the optimal one for increasing the hardness of composite zones produced in the relatively soft L450 cast steel. The obtained high hardness value (1400 HV1, Fig. 13) is the result of the synergy of using the moderator powders forming the phases typical for Ni-Hard4 chrome cast iron in the amount of 70% by weight. and Titanium Carbide Forming Substrates 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).Also a moderator with the composition of manganese cast steel (Fig. 14), in the amount of 70% by weight. provides a high hardness value for the composite zone (1200 HV1) with a relatively low hardness of the base cast steel 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.Optionally, the moderator composition can be supplemented with ceramic phases such as: aluminum oxide Al2O3 or zirconium oxide ZrO2, including its stabilized variants. The introduction of ceramic phases into the composite zones allows to increase the percentage of substrates of the titanium carbide formation reaction by limiting infiltration and thus significantly increasing the abrasion resistance. The oxide ceramic phases themselves also increase the wear resistance of the zones and are cheaper than, for example, the Ti used to form the TiC carbide. The use, in this case, of an increased percentage of reactants for the formation of titanium carbide TiC does not cause fragmentation of the composite zone, because the ceramic phases, especially aluminum oxide, due to high specific heat, absorb heat during SHS synthesis, so it is possible to maintain control SHS process. The use of Al2O3 aluminum oxide or ZrO2 zirconium oxide in the moderator makes it possible to create composite zones that are highly wear-resistant, but the use of this type of inserts is limited only to those applications where high impact resistance is not required.

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.In the case of WC-carbide reinforced composite zones, the highest hardness shown in Fig. 15 occurs with a low moderator content, but it does not significantly decrease with increasing moderator addition. This makes it advantageous to use the addition of a moderator, and it is possible to create reinforcement in the casting by using less expensive W tungsten.

Strefy kompozytowe wzmacniane węglikiem (Ti,W)C wytworzone w wyniku sprzężonej reakcji syntezy posiadają korzystną twardość uwidocznianą na fig. 16 przy zawartości 55% moderatora.The (Ti, W) C carbide-reinforced composite zones produced by the coupled synthesis reaction have the advantageous hardness shown in Fig. 16 at a moderator content of 55%.

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].In addition to the hardness test results for individual composite zones shown in Figures 11-14, Table 9 summarizes the abrasion resistance test results for selected composite zones. The wear index of composite zones and L35GSM cast steel were measured using the Ball-on-Disc method, in accordance with the ISO 20808: 2004 standard. The test results presented in the table below confirm that the composite zones with high hardness are characterized by a low wear index. For example, a composite zone made on the matrix of Ni-Hard4 chromium cast iron, for which the measured hardness value is 1400 HV1, has the lowest wear ratio of 7.07 * 10-6 [mm ³ / Nm].

PL 239 428 Β1PL 239 428 Β1

Tabela 9Table 9

Nazwa strefy kompozytowej Composite zone name Skład chemiczny moderatora Chemical composition of the moderator Moderator Moderator Substraty reakcji tworzenia TiC Substrates of the TiC formation reaction Wskaźnik zużycia dysku [W* 10-6] Disk usage indicator [W * 10-6] % wag. wt.% % wag. wt.% % wag. wt.% [mm3/N*m] [mm3 / N * m] Strefa kompozytowa na osnowie żeliwa chromowego Ni-Hard4 Composite zone based on Ni-Hard chrome cast iron 4 3,6-C; 2,2-Si; 0,8-Mn; 5,5Ni; 10-Cr; 0,5-Mo, Fe reszta; 3.6-C; 2,2-Si; 0.8-Mn; 5.5Ni; 10-Cr; 0.5-Mo, Fe rest; 70 70 30 thirty 7,07 7.07 Strefa kompozytowa na osnowie staliwa Hadficlda Composite zone based on Hadficld's cast steel 12-Mn; 0,4-Si; 0,32-C; Fc-rcszta 12-Mn; 0.4-Si; 0.32-C; Fc-r rest 70 70 30 thirty 14,11 14.11 Strefa kompozytowa na osnowie staliwa Hadfielda z dodatkiem moderatorów AI2O3 oraz Ζ1Ό2-Υ2Ο3 Composite zone based on Hadfield cast steel with the addition of AI2O3 and Ζ1Ό2-Υ2Ο3 moderators 70% (12-Mn; 0,4-Si; 0,32C; Fe- reszta); 15% (AhOs - 7,5; ZrO₂-Y2O₃ - 7,5)70% (12-Mn; 0.4-Si; 0.32C; Fe- remainder); 15% (AhOs - 7.5; ZrO ₂ -Y2O ₃ - 7.5) 85 85 15 15 17,80 17.80 Strefa kompozytowa na osnowie żeliwa wysokochromowego Composite zone based on high-chromium cast iron 3,31-C; 0,87-Si; 0,69-Mn; 26,6-Cr, Fe reszta 3.31-C; 0.87-Si; 0.69-Mn; 26,6-Cr, Fe rest 70 70 30 thirty 21,95 21.95 Strefa kompozytowa na osnowie czystego żelaza Composite zone based on pure iron 100-Fc 100-Fc 70 70 30 thirty 137,23 137.23 Staliwo L35GSM Cast steel L35GSM - - - - - - 860 860

Sposób wytwarzania lokalnych stref kompozytowych w odlewach według wynalazku ilustruje fig. 11 oraz przedstawiono w przykładach 4-7.The method of producing local composite zones in castings according to the invention is illustrated in Fig. 11 and in Examples 4-7.

Przykład 4Example 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.Composite casting for applications in an environment of high abrasive wear and low dynamic loads. A mixture of Ti powders with an average diameter less than 44.5 µm and C powders with an average diameter less than 3 µm were prepared with a 1: 1 atomic ratio to each other. Up to 40 wt.% 59 wt.% of the titanium carbide TiC-forming reaction substrate powder mixture a moderator consisting of a mixture of powders composed of chromium cast iron with the addition of Ni of the Ni-Hard4 type, containing: Fe, Cr, Ni, Mn, Si, Mo and C, some of which were introduced in the form of ferroalloys. Additionally, 1 wt.% Was introduced into the powder mixture. the reducing component in the form of Al powder. Then all the powders were mixed, dried to eliminate the moisture and pressed at a pressure of 500 MPa. 34 casting inserts with dimensions of 10 × 20 × 100 mm were obtained, which were mounted in the area of greatest wear of the casting, weighing 17 kg, by means of an assembly system in the cavity of the casting mold.

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.The mold with the mounted set of casting inserts was heated with a gas burner in order to further remove moisture. Then the mold was poured with a liquid casting alloy composed of chromium cast iron. A cast was obtained, reinforced with composite zones containing mainly submicron oval TiC carbides arranged in a matrix containing austenite and Cr? C3 carbides.

Przykład 5Example 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 związaniaComposite casting for applications in an environment of high abrasive wear and high dynamic loads. A mixture of titanium powders with an average diameter less than 44.5 µm and carbon powders with an average diameter less than 3 µm were prepared with a 1: 1 atomic ratio to each other. Up to 30 wt.% 69 wt.% of the titanium carbide TiC-forming reaction substrate powder mixture a moderator consisting of a mixture of powders with the composition of high-manganese cast steel 21% Mn, containing: Fe, Mn, Si, C, some of which were introduced in the form of ferroalloys and small additions of other elements. Additionally, 1 wt.% Was introduced into the powder mixture. the reducing component in the form of Al powder. The reducing component was introduced to bind

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.Of the gases generated during the SHS TiC reaction of those contained in the compact. Then all the powders were mixed, dried and pressed under a pressure of 500 MPa. The obtained molding inserts with dimensions of 15 × 20 × 100 mm, in the amount of 100 pieces, were placed in the anticipated area of the greatest wear of a 200 kg casting. Then, the mold and the installed system of casting inserts were heated with a gas burner in order to remove the moisture. Then the mold was poured with a liquid casting alloy composed of manganese cast steel containing 18 wt. Me A cast was obtained, reinforced with composite zones containing mainly submicron TiC carbides arranged in an austenitic matrix.

P r z y k ł a d 6P r x l 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.Production of an ultra-abrasive wear-resistant casting for applications in an environment without high dynamic loads. The mixture of Ti powders with an average diameter of less than 44.5 μm and C powders with a diameter of less than 3 μm was prepared with the atomic ratio of 1: 1 to each other. Up to 50 wt.% the mixture of the powders of the starting reactants, moderators were introduced: 10 wt. ZrO2-Y2O3, 10% Al2O3 and 29 wt.% a mixture of powders with the composition of high-manganese cast steel containing 21 wt. manganese. Additionally, 1% of the reducing component in the form of Al powder was added to the powder mixture to bind the gases present in the compact. Then all the powders were mixed, dried and pressed under a pressure of 500 MPa. Casting inserts with dimensions of 10 × 20 × 100 mm were obtained, which were placed in the cavity of the casting mold by means of an assembly system. The mold with the mounted set of casting inserts was heated with a gas burner in order to remove the moisture. Then the mold was poured with a liquid casting alloy composed of high-manganese cast steel containing 18% by weight of Mn. A cast was obtained, weighing 40 kg, reinforced with zones with a hybrid composite of the TiC / AUO3 / ZrO2Y2O3 type / matrix, containing mainly particles of: submicron and micron TiC carbide as well as millimeter and micron oxide Al2O3 and ZrO2-Y2O3.

P r z y k ł a d 7P r z 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.Production of an ultra-wear-resistant casting for applications in an environment without high dynamic loads. A mixture of Ti powders with an average diameter less than 44.5 μm and C powders with an average diameter less than 3 μm was prepared with a mutual atomic fraction of about 1: 1. Up to 30 wt.% 39 wt.% of the titanium carbide TiC-forming reaction substrate powder mixture a moderator consisting of a mixture of powders with the composition of high-manganese cast steel 21% Mn containing: Fe, Mn, Si, C, some of which were introduced in the form of ferroalloys and small additions of other elements with an average diameter of less than 44.5 μm and 30% by weight. a ceramic moderator in the form of stabilized Y2O3 ZrO2 powder with an average diameter of less than 1 mm. Additionally, 1 wt. aluminum powder as a reducing component. The reducing component was introduced to bind the gases present in the compact. Then all the powders were mixed, dried and pressed under a pressure of 500 MPa.

P r z y k ł a d 8aP r z 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.Casting inserts were obtained based on the mixture of powders from Example 7 with dimensions of 15 × 20 × 100 mm, which in the amount of 5 were placed in the anticipated area of the greatest consumption of a casting with a mass of 7 kg. Then, the mold and the installed system of casting inserts were dried using a gas burner in order to remove the absorbed moisture. Then the mold was poured with a liquid casting alloy composed of cast steel L35GSM. A cast was obtained, reinforced with zones with a hybrid composite of the TiC / ZrO2-Y2O3 type / matrix, containing mainly particles of: submicron and micron TiC carbide and micron and millimeter ZrO2-Y2O3 oxide.

P r z y k ł a d 8b ‘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, wysuCasting insert, second version, first version. A mixture of Ti powders with an average diameter less than 44.5 μm and C powders with an average diameter less than 3 μm was prepared with a mutual atomic fraction of about 1: 1. Up to 45 wt.% 10 wt.% of the titanium carbide TiC-forming reaction substrate powder mixture a moderator consisting of a mixture of powders with the composition of chromium cast iron: Fe, Cr, Mn, Mo, Si, C, some of which were introduced in the form of ferroalloys and small additions of other elements with an average diameter of less than 44.5 μm and 45% by weight. ceramic moderator in the form of 5 wt.%. of stabilized Y2O3 ZrO2 powder with an average diameter less than 100 Pm and 40 wt. Al2O3 with an average diameter less than 130 μm. Additionally, 1% of the reducing component in the form of Al powder was introduced into the powder mixture. Then all the powders were mixed, put out

PL 239 428 B1 szono i sprasowano pod ciśnieniem 500 MPa w celu wytworzenia wkładek odlewniczych o wymiarach 15 χ 20 χ 100 mm.The material was pressed and pressed under a pressure of 500 MPa in order to produce casting inserts with dimensions of 15 × 20 × 100 mm.

P r z y k ł a d 8cP r z 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.Casting insert, second version, second version. A mixture of Ti powders with an average diameter less than 44.5 μm and C powders with an average diameter less than 3 μm was prepared with a mutual atomic fraction of about 1: 1. Up to 20 wt.% 19 wt.% of the titanium carbide TiC-forming reaction substrate powder mixture a moderator consisting of a mixture of powders with the composition of chromium cast iron: Fe, Cr, Mn, Si, C, some of which were introduced in the form of ferroalloys and 60 wt. a ceramic moderator in the form of stabilized Y2O3 ZrO2 powder with an average diameter of less than 0.5 mm. Additionally, 1 wt.% Was introduced into the powder mixture. the reducing component in the form of Al powder. Then all the powders were mixed, dried and pressed under a pressure of 500 MPa in order to produce casting inserts with dimensions of 15 × 20 × 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.Local composite zones are produced by placing in the cavity of the casting mold casting inserts obtained by compacting a mixture of powders containing: carbide formation reactants undergoing the SHS synthesis reaction, e.g. TiC and mixtures of selected metal and non-metal powders, which after the casting crystallization process constitute the composite matrix, which is Fe-based casting alloy. The moderator introduced in the amount of 60% to 97% by weight ensures the stabilization of the geometric dimensions of the composite zones and prevents the zone fragmentation during reactive infiltration during the TiC titanium carbide synthesis reaction in castings with a wall thickness of 10 to 150 mm. The minimum amount of TiC-forming reactants for in situ formation of the matrix of the composite is 3% by weight. The use of a smaller amount of reactants for the formation of titanium carbide TiC is ineffective and does not lead to the achievement of the designed matrix structure of the composite within the composite zone. The use of ceramic structures based on aluminum oxide and zirconium oxide makes it possible to increase the percentage of TiC crystals (> 30%) in the composite zone, thus it is possible to significantly increase the hardness and abrasion resistance.

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. 5In the case of the synthesis of composite zones reinforced with WC carbide, the moderator can be used in an amount of up to 60% by weight, because above this content, the reaction takes place without spending and is quenched. Using reactants for the formation of WC with the addition of a moderator up to 60% by weight. it is possible to obtain dimensionally stable composite zones, as illustrated in 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.It is also possible to produce composite zones according to the invention by using mixtures of reactants for the formation of, for example, TiC and WC carbides, as shown in Fig. 6. Then, as a result of the coupled synthesis reaction in the casting, carbides of the (W, Ti) C or (Ti, W) type are formed. ) C, having a core-ring structure. Due to the coupled synthesis reaction, it is possible to use a higher moderator content and to control the mechanical properties of the zone.

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.The compositions of the powder compositions and the casting insert for the production of composite zones in situ in the castings according to the invention therefore allow the wide use of various types of carbides and borides undergoing SHS reaction. In the examples of the production of composite zones in castings, two extreme cases and their mixture were included, respectively, these are carbides, i.e. TiC, WC and (W, Ti) C.

Claims

A composition of powders for the production of casting inserts for obtaining local composite zones resistant to abrasion, the composite zones being reinforced with carbides and borides or their mixtures formed in situ in castings, characterized in that it comprises:

powders of carbide or boride forming reactants selected from the group: TiC, the amount of TiC carbide forming reactant powders is up to 3 to 50 wt.%, either WC or ZrC or NbC or TaC or TiB2 or ZrB2 or their mixtures, which after crystallization forms particles reinforcing the composite zones in the casting and moderator powders constituting a mixture containing powders of metals selected from the group: Fe, Co, Ni, Mo, Cr, W, Al or a mixture of these powders, which, after crystallization, form the matrix of the composite zone in the casting.

PL 239 428 B1

2. The powder composition according to claim 1, The process of claim 1, wherein the amount of the powders of the TiC carbide forming reactants is up to 3 to 40 wt.%. and the amount of the moderator powders is from 60 to 97 wt%.

3. A powder composition according to claim 1, The method of claim 1, wherein the amount of the substrate powders for the WC carbide forming reaction is from 40 to 99 wt.%. and the amount of the moderator powders is from 1 to 60 wt%.

4. A powder composition according to claim 1 The process of claim 1, characterized in that the amount of the mixture of the substrate powders for the coupled reaction of TiC and WC carbide formation ranges from 10 to 70 wt.%. and the amount of the moderator powders is from 30 to 90 wt%.

5. The powder composition according to claim 1 The process of claim 1, wherein the powders of the carbide-forming reactants have a particle size of not more than 100 µm, preferably not more than 45 µm.

6. A powder composition according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that the carbon as the substrate powder is: graphite, amorphous graphite, carbon-bearing material or mixtures thereof, and in the case of Ti, W, Zr, Nb, Ta are pure metal powders or their alloys with other elements or their mixtures.

7. The powder composition according to claim 1 The method of claim 1, wherein the moderator powders additionally contain a non-metal in the form of C.

8. The powder composition according to claim 1, The method of claim 1 or 7, characterized in that the moderator powders additionally contain at least one powder selected from the group: Mn, Si, Cu, B or a mixture of these powders.

9. The powder composition according to claim 1 1, characterized in that the moderator powders have a chemical composition as an alloy selected from the group: gray cast iron, white cast iron, chromium cast iron, chrome cast steel, unalloyed cast steel, low-alloy cast steel, Hadfield manganese cast steel or chrome cast iron with the addition of Ni-Hard type nickel4.

10. A powder composition according to claim 1, The process of claim 1, wherein the moderator powder is a mixture of selected powders from the group: (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. A powder composition according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that the moderator powders additionally comprise: powders of ceramic phases increasing wear resistance, especially selected from the group: ZrO2, stabilized with ZrO2, Al2O3 or a mixture thereof; and / or a reducing component in the form of Al and / or Si, the amount of reducing component being not more than 5 wt.%. powder compositions.

12. A casting insert for the production of wear-resistant local composite zones in casting, containing carbide-forming reactants, the insert in the form of shapes, lumps, preforms or granules, characterized in that it comprises a compacted powder composition as defined in claims 1 to 11.

13. A method for the production of local composite zones in castings, which uses the self-propagating thermal synthesis (SHS) reaction, in which a powder mixture containing carbide-forming reactants is prepared, and then pressed to give the compressed powder composition the form of, in particular, shapes, lumps, preforms or granules constituting the casting inserts, and then, at least one casting insert is placed inside the mold, after which the mold is poured with the liquid casting alloy in an amount sufficient to initiate the SHS reaction, characterized in that a powder mixture containing carbide-forming reactants is prepared, which is a powder composition as defined in claims 1 to 11, and wherein pressing takes place at a pressure ranging from 450 MPa to 650 MPa.

14. The method according to p. The process according to claim 13, characterized in that, after preparing the powder mixture, it is dried, preferably at a temperature of 200 ° C, until a moisture content of not more than 2% is obtained.

15. The method according to p. 13. A method according to claim 13, characterized in that the casting inserts are placed in the mold cavity in a specific position, the insert preferably being screwed to the mold or placed on the insert on a steel frame placed inside the mold, preferably the steel frame consists of bars on which the moldings are threaded. holes.