Способ получения изделий из карбидов переходных металлов

 

Сущность изобретения: получают заготовку из карбида переходных металлов нестехиометрического состава, деформируют ее до получения размеров и формы конечного изделия при температуре 1,05 - 1,7 от температуры хрупко-пластичного перехода материала заготовки со скоростью деформирования 0,1 - 250 мм/мин и насыщают ее углеродом до стехиометрического состава в атмосфере углеродсодержащих газов или в засыпке из углеродного порошка. Насыщение углеродом проводят при температуре 0,75 - 0,95 от температуры плавления материала заготовки при времени более 10 мин, например в несколько этапов при повышении температуры на 50 - 200°С на каждом этапе, но ниже температуры в 0,95 от температуры плавления материала изделия на последнем этапе. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения изделий из карбидов переходных металлов.

Известен способ получения изделий из карбидов переходных металлов, включающий прессование заготовки из порошка и последующее спекание в защитной атмосфере. К недостаткам данного способа относятся низкие прочностные и эксплуатационные свойства полученных изделий из-за высокой остаточной пористости, из-за неравномерности пористости при получении тонкостенных изделий, например стаканов, из-за сложностей, возникающих при прессовании и хранении заготовки до спекания, большой усадки и коробления изделий при спекании.

Также известен способ получения изделий из карбидов переходных металлов, включающий получение заготовки, ее нагрев и деформирование до получения конечной формулы изделия. Данный способ как наиболее близкий к предлагаемому принят за прототип.

В связи с тем, что температура хрупко-пластичного перехода карбидов переходных металлов достаточно высока, например для карбида титана она превышает 1200^оС, штамповку карбидов необходимо производить при температуре более 1300^оС в защитной атмосфере из-за интенсивного окисления, что резко снижает производительность процесса, снижает технологические возможности способа. Одновременно возникают трудноразрешимые проблемы с системой нагрева, штамповым материалом, с адгезией материала заготовки со штамповым материалом со смазкой. Исходя из вышеизложенного, современный уровень техники хотя и позволяет штамповать карбиды переходных металлов, но полученные изделия слишком дороги и поэтому производить штамповку изделий из карбидов нерентабельно.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа за счет изготовления сложно- профильных, преимущественно тонкостенных изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения изделий из карбидов переходных металлов, включающем получение заготовки, нагрев и деформацию, получают заготовку из карбида нестехиометрического состава, преимущественно с составом, соответствующим нижнему пределу области гомогенности, нагрев производят до температуры в 1,05-1,7 раза выше температуры хрупко-пластичного перехода материала заготовки, деформируют заготовку со скоростью деформирования 0,1-250 мм/мин до получения конечной формы изделия, после чего производят насыщение материала изделия углеродом, например до получения стехиометрического состава, путем отжига в атмосфере углеродсодержащих или в засыпке из углеродного порошка.

Насыщение углеродом материала изделия рекомендуется производить при температуре в 0,75-0,95 от температуры плавления материала заготовки в течение более 10 мин. Рекомендуется производить насыщение углеродом изделия в несколько этапов при повышении температуры на 50-200^оС на каждом этапе, но ниже температуры в 0,95 от температуры плавления материала изделия на последнем этапе.

Сущность заявляемого способа состоит в том, что температура хрупко-пластичного перехода карбидов переходных металлов зависит от химического состава карбидов, так температура хрупко-пластичного перехода карбида титана стехиометрического состава, как правило, превышает 1200^оС, а нестехиометрического состава, как правило, превышает 1200^оС, а нестехиометрический карбид титана с составом на нижнем пределе области гомогенности TiC_0,47 имеет температуру хрупко-пластичного перехода 700^оС. Совокупность реальных с точки зрения технологии температур при штамповке нестехиометрических карбидов, которые позволяют реализовать большие степени деформации и получать сложнопрофильные изделия с возможностью сквозного науглероживания изделия из нестехиометрического карбида титана дает возможность получать сложнопрофильные, в том числе и тонкостенные, изделия из карбидов переходных металлов стехиометрического состава.

Экспериментальным путем было установлено, что при снижении температуры деформирования заготовки ниже 1,05 от температуры хрупко-пластичного перехода нецелесообразно из-за малой допустимой степени деформации и возможного образования и развития трещин в процессе деформации. Превышение температуры деформации величины 1,7 от температуры хрупко-пластичного перехода также нерационально, так как температура деформирования в данном случае приближается к температуре деформирования стехиометрических карбидов, при этом возникают перечисленные проблемы, характерные для реализации способа-прототипа.

Было также установлено, что поскольку температура хрупко-пластичного перехода зависит от многих параметров, данная температура наиболее полно отражает структурные состояния материала заготовки и является надежной точкой отсчета. Температура плавления карбида в данном случае не может быть использована, так как оптимальная температура деформации может изменяться более, чем на 200^оС при различной степени загрязненности карбида азотом или кислородом при совершенно идентичных параметрах структуры.

Снижение скорости деформирования ниже 0,1 мм/мин нецелесообразно из-за снижения производительности процесса и роста эксплуатационных затрат. При этом увеличивается также коррозия и вероятность адгезионных процессов между материалом штампа и заготовки. Превышение скорости деформирования выше 250 мм/мин также нецелесообразно из-за возможности появления и развития трещин в материале заготовки.

Поскольку процесс науглероживания карбидов нестехиометрического состава - диффузионный, то снижение температуры науглероживания изделий ниже температуры науглероживания изделий ниже температуры в 0,75 от температуры плавления материала изделий нецелесообразно из-за резкого уменьшения скорости диффузии и, соответственно, увеличения времени, необходимого для сквозной карбидизации изделия. При повышении температуры в 0,95 от температуры плавления материала изделия возможно частичное оплавление изделия, потеря им геометрической формы и эксплуатационных свойств.

Время карбидизации - науглероживания менее 10 мин задавать нецелесообразно из-за низкой скорости диффузии углерода в нестехиометрическом карбиде титана и, соответственно, из-за возможности карбидизации изделия не на полную глубину. Верхний предел времени науглероживания устанавливать нецелесообразно, так как он зависит от размеров и формы обрабатываемого изделия. Если даже необходимое время карбидизации будет превышено, насыщение изделия углеродом прекратится при достижении карбидом стехиометрического состава.

Время ограничения науглероживания подбирается для каждого вида изделия индивидуально в зависимости от свойств и структуры. Поскольку скорость диффузии углерода в карбиде титана возрастает с повышением температуры и, соответственно, сокращается время насыщения углеродом, целесообразно с увеличением содержания углерода в изделии поднимать температуру насыщения изделия, но поднимать на каждом этапе температуру менее, чем на 50^оС, нецелесообразно из-за слабого различия коэффициентов диффузии углерода при данном интервале температур. Повышение температуры более чем на 200^оС также нецелесообразно из-за возможности прорыва пленки карбида на поверхности изделия жидким карбидом нестехиометрического состава, который мог сохраниться при неполной карбидизации изделия.

В доступной патентной и научно-технической литературе не обнаружено каких-либо упоминаний о технологических процессах, в которых были бы совмещены штамповка керамики и насыщение углеродом отштампованных деталей, а также какие-либо способы, в которых для получения изделий из одного материала предварительно бы штамповали заготовку из материала с другим химическим составом.

Получали тонкостенный стакан из карбида титана с высотой 30 мм, внешним диаметром 20 мм, с толщиной стенок и дна 1 мм. Для этого смешивали шихту из порошков титана и углерода в соотношении необходимом для получения карбида титана с составом TiC_0,5. Шихту прессовали в заготовку диаметром 100 мм, укладывали заготовку в реакционную пресс-форму, инициировали в заготовке реакцию горения и компактировали до малопористого состояния. В результате была получена заготовка диаметром 100 мм и высотой 12 мм из карбида титана с составом TiC_0,5, в котором размер зерна составил 8 мкм, а пористость не превышала 5% (объемных). Из данных заготовок на электроэрозионном станке вырезали заготовку под штамповку диаметром 20 мм, укладывали заготовку в штамп нагревали ее до температуры 950^оС, что соответствовало 1,36 от температуры хрупко-пластичного перехода и деформировали до получения формы конечного изделия со скоростью деформирования 1 мм/мин. Отштампованные изделия извлекали из штампа, обрезали верхнюю часть стакана под размер готового изделия алмазной дисковой пилой и производили насыщение изделия углеродом в засыпке из активированного угля сначала при температуре 1600^оС в течение 4 ч в вакууме глубиной 10^-4 мм рт.ст. Затем в течение 10 ч при температуре 1800^оС и 1 ч при температуре 2000^оС. В результате был получен стакан указанных размеров из стехиометрического карбида титана. Пористость материала составляла 0,3% (объемных).

Кроме того, было выполнено еще 4 эксперимента по штамповке стаканов из карбида титана с составом TiC_0,5.

Штамповали изделие при температуре 735^оС (1,05 от температуры хрупко-пластичного перехода) со скоростью деформирования 0,1 мм/мин и при температуре 1200^оС (1,7 от температуры хрупко-пластичного перехода) со скоростью 250 мм/мин. В обоих случаях были получены годные изделия.

Также штамповали упомянутые изделия при температуре 710^оС и скорости деформирования 0,05 мм/мин и при 1250^оС и скорости деформирования 280 мм/мин. В обеих случаях трещины, возникшие в процессе деформирования в верхней части изделия достигли его дна, т.е. был получен неисправимый брак.

Годные изделия насыщали углеродом в засыпке из активированного угля при температуре 1150^оС, 1240^оС, 1570^оС, 1600^оС, что соответствует температурам в 0,7; 0,75; 0,95; 0,97 от температуры плавления карбида титана с составом TiC_0,5. Во 2-м и 3-м случаях были получены годные изделия. В первом случае сквозное насыщение углеродом до стехиометрического состава не наступило даже через 250 ч, что делает изготовление изделий экономически невыгодным. В последнем случае было получено покоробленное изделие из-за частичного подплавления.

Таким образом, при реализации способа появляется возможность получения особо тонкостенных, беспористых изделий из карбидов переходных металлов, которые получать методами порошковой металлургии или сложно или невозможно, что расширяет технологические возможности способа-прототипа.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ КАРБИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, включающий получение заготовки, нагрев и деформирование, отличающийся тем, что заготовку получают из карбида нестехиометрического состава, преимущественно состава, соответствующего нижнему пределу области гомогенности, нагрев проводят до температуры в 1,05 - 1,7 раз выше температуры хрупкопластичного перехода материала заготовки, деформирование осуществляют со скоростью 0,1 - 250,0 мм/мин до получения конечной формы изделия, после чего проводят насыщение материала изделия углеродом до получения стехиометрического состава путем отжига в атмосфере углеродсодержащих газов или в засыпке из углеродсодержащего порошка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение углеродом проводят при температуре 0,75 - 0,95 температуры плавления материала заготовки в течение времени более 10 мин.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение углеродом проводят в несколько этапов при повышении температуры на 50 - 200^oС на каждом этапе, но ниже температуры 0,95 температуры плавления материала изделия на последнем этапе.