Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама



Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама
Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама

 


Владельцы патента RU 2444418:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам изготовления пористых изделий из композиционного псевдосплава на основе вольфрама. Может использоваться для изготовления коррозионностойких материалов, способных эффективно рассеивать механическую энергию при динамических нагрузках и при соударении с преградой увеличивать плотность. В шихту, содержащую 94-98 мас.% вольфрама, остальное никель и железо в соотношении 7:3, вводят порообразователь NaBr дисперсностью менее 0,071 мм. Вольфрамовый порошок имеет средний размер частиц по Фишеру 3,9 мкм. Шихту прессуют при давлении не более 150 МПа и спекают при температуре 1300-1320°С в течение 0,5-1,0 часа в среде водорода. Полученный высокопористый коррозионностойкий псевдосплава на основе вольфрама имеет пористость 50-60%, высокую прочность на сжатие, равномерную мелкодисперсную структуру при отсутствуии трещинообразования в спеченных крупногабаритных заготовках. 2 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам изготовления пористых изделий из сплавов на основе вольфрама.

Известен способ получения пористых вольфрамовых дисков, заключающийся в том, что в качестве порообразователя в шихту вводят от 2 до 15 вес.% фторидов лантана или иттрия (А.С. №406639; МПК B22F 1/00, B22F 3/12, опубл. в БИ №46 от 21.11.1973 г.).

Недостаток этого способа заключается в высокой термической стойкости фторидов лантана и иттрия и, как следствие, спекание происходит при высоких температурах (более 2000°С), что не позволяет получить композиционные псевдосплавы на основе вольфрама типа вольфрам-никель-железо с высокой пористостью 55-60%.

Так же известен способ получения высокопористых вольфрам-медных материалов, полученных жидкофазным спеканием (В.В.Скороход, С.М.Солонин, Л.И.Чернышев. Высокопористые вольфрам-медные материалы, полученные жидкофазным спеканием. - Порошковая металлургия, 1978, №2, с.17-21). Данный способ включает смешивание порошков вольфрама марки ВЧ с электролитической медью марки ПМЭ-1, в которые к меди добавляют 20 вес.% никеля марки ПНК-1. Металлические порошки смешивали с порошком двууглекислого аммония с размером частиц 100 мкм, прессовка содержала 52 об.% этого порообразователя. После прессования микропористость (пористость областей с мелкими естественными порами, поры в объемах, занятых металлическим порошком), составляла 50%. Из прессовок при температуре 200°С в среде водорода отгонялся порообразователь, что обеспечивало перед спеканием относительный объем крупных пор, образованных наполнителем (макропористость), который составлял 52%. Жидкофазное спекание проводили в среде водорода при температуре 1250°С в течение 1 часа. После спекания пористость образцов состава WNi - 6,4 Cu составила 60%.

Недостатком способа является наличие в псевдосплаве на основе вольфрама меди, которая при длительном хранении в различных климатических условиях подвержена коррозии, что отрицательно сказывается на прочности конечного пористого изделия. Также химический состав материала, представленного в данном способе, не позволяет получить плотность компактного состояния данного материала после интенсивной динамической нагрузки более 18 г/см3.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления пористых изделий из тугоплавких материалов, заключающийся в том, что в порошок тугоплавкого материала вводят наполнитель бромистый калий при соотношении размеров частиц порошка тугоплавкого материала и наполнителя 1/10-1/300 (А.С. №424658; МПК B22F 1/00, B22F 3/10, опубл. в БИ №15 от 25.04.1974 г.). Прессованные изделия предварительно спекают в вакууме с целью удаления наполнителя при температурах, превышающих температуру начала спекания тугоплавкого материала, а затем окончательно с целью получения прочного пористого изделия.

К недостаткам способа необходимо отнести отсутствие оптимизации технологических режимов для улучшения качества пористого материала, а именно повышения предела прочности при сжатии и создания условий для исключения трещинообразования в процессе изготовления крупногабаритных заготовок.

Задачей изобретения является повышение качества пористых заготовок из вольфрамового сплава, содержащего 94-98% по массе вольфрама, остальное - никель и железо, а именно, улучшение стабильности и равномерности пористой структуры, увеличение прочности, ликвидация трещинообразования в спеченных крупногабаритных заготовках за счет оптимизации технологических режимов изготовления.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, следующий:

- получение пористого вольфрамового сплава, содержащего 94-98% по массе вольфрама, остальное - никель и железо, с пористостью 50-60% (плотность 7,3-8,7 г/см3) и высокой стойкостью к коррозии;

- достижение предела прочности на сжатие пористого спеченного вольфрамового сплава более 150 Н/мм2;

- наличие равномерной мелкодисперсной структуры;

- отсутствие трещин в сплаве в процессе изготовления;

- получение из сплава крупногабаритных изделий.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама, приготавливается шихта с химическим составом W 94-98 (% по массе), остальное Ni и Fe в соотношении 7:3, с добавлением порообразователя NaBr в количестве 40 (% по массе), производится прессование, удаление порообразователя, твердофазное спекание в среде водорода. Вольфрамовый порошок используется со средним размером частиц по Фишеру 3,9 мкм, порообразователь - дисперсностью менее 0,071 мм, прессование шихты производят давлением не более 150 МПа, а спекание проводят при температуре 1300-1320°С в течение 0,5-1,0 часа.

Предлагаемый способ обеспечивает получение изделий с равномерной мелкозернистой структурой. Таким образом, степень контакта между зернами вольфрама и никелево-железной матрицей возрастает, что увеличивает прочность спеченного сплава. Высокопористые изделия со значительной внутренней поверхностью из псевдосплава W-Ni-Fe по сравнению с W-Ni-Cu обладают повышенной стойкостью к окислению и коррозии. Благодаря содержанию 94-98% по массе вольфрама в псевдосплавах W-Ni-Fe, конечная плотность сжатого до компактного состояния пористого изделия при динамическом разгоне и ударе о преграду приближается к плотности 18,7 г/см3, что повышает эффективность пробития преграды.

Сущностью изобретения является способ изготовления пористых изделий из сплавов на основе вольфрама, включающий в себя:

- подготовку порообразователя NaBr (обезвоживание в вакууме 2 Па при температуре 60-80°С в течение не менее 5 час, просеивание через сито 0,071 мм);

- приготовление шихты путем перемешивания порошков вольфрама, никеля, меди и порообразователя в биконическом смесителе в течение не менее 10 час в нейтральной атмосфере;

- гидростатическое прессование шихты давлением не более 150 Н/мм2 в эластичной пресс-форме в нейтральной атмосфере;

- удаление порообразователя в среде водорода по режиму: нагрев со скоростью не более 5°С/мин до 1000-1250°С; выдержка не более 1 час;

- спекание заготовки в среде водорода по режиму: нагрев от 1200-1250°С до температуры 1300-1320°С со скоростью не более 5°С/мин; выдержка при данной температуре не более 1 час;

- охлаждение в среде водорода вместе с печью.

Подготовка порообразователя NaBr по вышеуказанной технологии позволяет получить ультрамелкий обезвоженный продукт, продукты реакции которого с водородом в дальнейшем при нагреве равномерно удаляются из прессовки, оставляя после себя равномерную макропористость.

Перемешивание металлических порошков по вышеуказанной технологии обеспечивает однородность шихты. После 10 часов перемешивания со v=50 об/мин гомогенность химического состав по объему шихты стабилизируется на уровне W 95±0,2; Ni 3,5±0,1; Fe 1,5±0,1 (W 97,5±0,2 - Ni 1,75±0,1 - Fe 0,75±0,1) + (NaBr - 40±0,2) % по массе.

Загрузка шихты в эластичную пресс-форму производится в боксе с контролируемой нейтральной атмосферой.

В ходе гидростатического прессования усилием не более 150 Н/мм2 шихта, включая порообразователь, достаточно уплотняется, что обеспечивает транспортабельность и технологичность прессовки. Прессование давлением более 150 Н/мм2 приводит к перепрессовке (появлению трещин) заготовки. Гидростатическое прессование обеспечивает равномерное распределение плотности по объему прессовки, что приводит к минимальной разноплотности после спекания.

После разгрузки пресс-формы прессовка не должна находиться в контакте с воздушной атмосферой более 3 мин, так как начинается самопроизвольный разогрев и растрескивание прессовки.

Удаление продуктов реакции порообразователя и водорода происходит в динамической водородной среде с расходом водорода 0,3 м3/час при температуре 1000-1250°С по реакции:

2NaBr (ж) + Н2=2Na (г) + 2НВr (г)

В результате этого появляется необходимая открытая пористость.

Спекание заготовки в среде водорода при температуре 1300-1320°С и выдержке не более 1 часа сопровождается объемной усадкой 55-60%, что приводит к достижению необходимой плотности 7,3-8,7 г/см3. Узкий температурный интервал получения необходимой плотности (пористости), отраженный на фигуре 1, свидетельствует о том, что полностью удалены продукты химической реакции с участием порообразователя и началось интенсивное спекание данного материала. Твердофазное спекание начинает формировать микроструктуру, состоящую из α-фазы на основе вольфрама в виде зерен округлой формы размером 10-50 мкм и γ-фазы матрицы твердого раствора (Ni, Fe, W), располагающейся в виде прослоек между зернами α-фазы (фиг.2 - светлая область).

На фигуре 1 изображена диаграмма уплотняемости вольфрамовой шихты, содержащей W 94-98 (% по массе), остальное Ni и Fe в соотношении 7:3, с добавлением порообразователя NaBr в количестве 40 (% по массе), в зависимости от температуры спекания.

На фигуре 2 изображена типовая структура пористого вольфрамового сплава, в частности W 95 - Ni 3,5 - Fe 1,5 с пористостью 58% (плотностью 7,5 г/см3).

Ниже приведен пример осуществления способа.

Цель: изготовление заготовок диаметром ⌀60 мм, высотой h 120 мм из псевдосплава состава W 95 - Ni 3,5 - Fe 1,5 (% по массе) и W 97,5 - Ni 1,75 - Fe 0,75 (% по массе) с пористостью 55-58%.

В качестве порообразователя использовался натрий бром NaBr, который обезвоживали в вакууме 2 Па в вакуумном сушильном шкафу при температуре 80°С в течение 5 часов и просеивали через сито 0,071 мм. Приготавливали шихту состава W 95 - Ni 3,5 - Fe 1,5 (W 97,5 - Ni 1,75 - Fe 0,75) + NaBr 40,0 (% по массе) механическим смешиванием в биконическом смесителе (в отношении с металлическими шарами 1:10 (шары)) при скорости вращения 50 об/мин в течение 10 часов. Просеивали шихту через сито 0,071 мм. Шихту загружали в эластичную пресс-форму в атмосфере аргона, затем пресс-форму герметизировали. Прессование осуществляли гидростатическим методом давлением 150 Н/мм2. Разгрузку пресс-формы осуществляли в атмосфере аргона. Затем прессовку помещали в печь сопротивления с контролируемой водородной атмосферой. Удаление порообразователя из прессовки проводилось в среде водорода во время нагрева до температуры 1250°С и выдержке в течение 1 часа. Затем проводили нагрев со скоростью 5°С/мин до температуры 1300-1320°С и при этой температуре выдерживали 1 час. Режим оптимизирован применительно к порошку вольфрама по дисперсности со средним размером частиц порошка по Фишеру - 3,9 мкм. Охлаждение заготовок проводили вместе с печью.

Пористость заготовок определяли методом гидростатического взвешивания. Предел прочности на сжатие изучали на цилиндрических образцах (⌀/h=1/2), изготовленных по аналогу и по заявленному способу. При одинаковой пористости 58% предел прочности на сжатие по заявленному способу составляет 160-170 Н/мм2, а по прототипу - 100-104 Н/мм2.

Таким образом, получение спеченных пористых изделий из композиционного псевдосплава W-Ni-Fe заявленным способом позволило улучшить механические свойства изделий, их качество, стойкость к коррозии. Стало возможным расширить область применения изделий в качестве конструкционного демпфера ударной волны, способного рассеивать механическую энергию и при ударе в динамике сжиматься до плотности компактного состояния 18,0-18,7 г/см3.

Способ изготовления спеченных пористых изделий из псевдосплава на основе вольфрама, включающий введение в шихту порообразователя, прессование и спекание, отличающийся тем, что шихта содержит вольфрама 94-98% по массе, остальное никель и железо в соотношении 7:3, причем используют вольфрамовый порошок со средним размером частиц по Фишеру 3,9 мкм, и порообразователь NaBr дисперсностью менее 0,071 мм, при этом прессование шихты осуществляют давлением не более 150 МПа, а спекание проводят при температуре 1300-1320°С в течение 0,5-1,0 ч в среде водорода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. .
Изобретение относится к металлургии, а именно к получению металлического молибдена и ферромолибдена из молибденитового концентрата. .

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам изготовления пористых изделий из композиционного псевдосплава на основе вольфрама.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам металлотермического получения ферровольфрама. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов на основе интерметаллида молибдена. .

Изобретение относится к композиции металлических сплавов, а именно к износо-, эрозионно- и химически стойкому материалу на основе вольфрама, легированному углеродом, причем углерод в пересчете на полный вес материала составляет от 0.01 вес.% до 0.97 вес.%.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к композиционным материалам для металлокерамических спаев. .
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в качестве материалов для изготовления обшивки летательных аппаратов. .
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления оснастки и инструмента металлообрабатывающей промышленности, деталей оборудования нефтяной и стекольной промышленности.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в качестве материалов вставок критических сечений сопел, деталей ракет, обшивки летательных аппаратов.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из композиционных материалов на основе пеноалюминия. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из слоистых композитов на основе пеноалюминия. .

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству изделий из металлических порошков. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. .

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при защите расплава латуни в кристаллизаторе машины непрерывного литья. .
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности спеченным высокопрочным композиционным материалам на основе алюминия, используемым в качестве конструкционных материалов в авиакосмической и транспортной промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению вторичных титановых сплавов. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым композиционным материалам на основе меди. .
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению изделий из композиционных материалов на основе медных матриц, используемых в качестве антифрикционных элементов подшипников скольжения.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к металлическим составным композиционным материалам. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым изделиям из тяжелых сплавов на основе вольфрама. .
Наверх