Способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама включает приготовление смеси порошков, содержащей 90-98 мас.% вольфрама, остальное - никель, железо и кобальт, прессование в жесткой матрице, выталкивание порошковой прессовки из матрицы с последующим спеканием. Перед извлечением прессовки из пресс-формы проводят термическую обработку прессовки при температуре 800-1000°С в течение 1-2 часов с охлаждением в матрице пресс-формы. Обеспечивается получение качественных заготовок без трещин и расслоений. 3 пр.

 

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

Известен способ изготовления изделий сложной конфигурации с высокой прочностью из порошкового тяжелого вольфрамового сплава (патент US №5342573, МПК B22F 3/16, опубл. 21.03.1992 г.). Смешивают порошок W с размером частиц 20 мкм (60-80% частиц должны иметь средний размер 0,5-2 мкм, а 20-40% частиц - средний размер 5-15 мкм) с порошком по крайней мере одного металла типа Ni, Fe и Сu с частицами размером 1-5 мкм, в смесь добавляют органическую связку, воск и полиэтилен при объемном соотношении воск/полиэтилен 1:1-4:1 и при содержании органической связки 30-50 об. % и тщательно перемешивают методом ИФ (инжекционное формование), получают заготовки с относительной плотностью 90%, которые обсыпают порошком обожженного Аl₂O₃, смачивают летучим органическим растворителем (предпочтительны трихлорэтан, метиленхлорид, спирт, ацетон и ССl₄) или водой и проводят сушку при 25-100°С, затем заготовки нагревают в вакууме или атмосфере неокислительного газа под давлением 0,1-1 атм со скоростью 20-50°С/ч до температуры 300°С с целью удаления органической связки, далее заготовки выдерживают в атмосфере Н₂ при 600-800°С и спекают в этой же атмосфере при 1200-1300°С.Содержание остаточного углерода в спеченных изделиях должно быть 0,02%.

Недостаток этого способа заключается в образовании раковин в формовке и впадин на поверхности формовки из-за значительного количества органической связки, а также длительности технологического процесса. Парафиновое связующее может быть удалено полностью в процессе длительного разложения при температуре 250°С. Повышение температуры может привести к образованию дефектов, связанных с процессом разложения связующего.

Наиболее близким аналогом является способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама (патент РФ №2332279, МПК B22F 5/10, B22F 3/12, опубл. 24.07.2006 г.), включающий смешивание порошков, содержащих 94-96% по массе вольфрама, остальное - никель и железо, гидростатическое прессование прессовок с размерами и весом, обеспечивающими начальное давление прессовки на подставку перед спеканием, не превышающее 0,03 МПа, жидкофазное спекание полученных прессовок в атмосфере водорода.

К недостаткам этого способа относится невозможность формования прессовок из ультра- и нанопорошков. При механоактивации или других методах получения нанопорошков размер частиц становится меньше, количество дефектов увеличивается, появляются неравновесные твердые растворы, на поверхности порошковых частиц образуются слои с гомогенной структурой и высокой активностью. Появление трещин в прессовках при снятии давления и извлечении их из пресс-формы связано со сверхнапряженным состоянием данных порошков и релаксацией напряжений. Трещины, ориентированные перпендикулярно оси прессования, обычно возникают при выпрессовывании.

Пластифицирование ультратонких порошков усложняет технологию, загрязняет конечное изделие, является источником неконтролируемой пористости.

Задачей изобретения является возможность получения качественных заготовок в основном из смеси ультра- или нанопорошков состава W-Ni-Fe-Co за счет введения технологической операции термической обработки прессовки непосредственно в жесткой матрице. И, как следствие, отсутствие разрушения прессовки в процессе выталкивания из жесткой матрицы.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения: отсутствие разрушения прессованных заготовок после выталкивания их из жесткой матрицы; упрощение технологического процесса за счет возможности работы с порошковой шихтой без применения пластификатора и возможность изготавливать высококачественные изделия с мелкозернистой структурой из ультра- или нанопорошков.

Технический результат достигается тем, что способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама включает приготовление смеси порошков, содержащей 90-98% по массе вольфрама, остальное - никель, железо, кобальт, прессование в жесткой матрице, выталкивание порошковой прессовки из жесткой матрицы с последующим спеканием. Между технологическими операциями прессования и извлечения прессовки из пресс-формы проводится термическая обработка при температуре 800-1000°С в течение 1-2 часов с охлаждением в жесткой матрице пресс-формы.

Тяжелые вольфрамовые сплавы типа вольфрам-никель-железо (кобальт) в основном получают методом порошковой металлургии из стандартных микронных порошков. При использовании ультра- или нанопорошков получают сплавы с ультра- или наноструктурой, которые обладают более высокой прочностью и достаточной пластичностью.

Прессовки из непластифицированной шихты, состоящей из ультра- или нанопорошков вольфрама (90-98% по массе), никеля, железа, кобальта, при выталкивании из жесткой матрицы претерпевают упругое изменение (в сторону увеличения) размеров. Величина этого изменения составляет 0,1-0,4%. Поэтому из-за большого упругого последействия прессуемого материала заготовки и недостаточной прочности в ней появляются трещины.

Заявляемое изобретение отличается от известных аналогов тем, что в стандартной технологии получения тяжелых вольфрамовых сплавов применена дополнительная технологическая операция - термическая обработка прессовки при температуре 800-1000°С в течение 1-2 часов непосредственно в жесткой матрице после прессования с последующим охлаждением. Спекание предварительно прессованных заготовок состава W-Ni-Fe-Co начинается при температуре 800°С. Заготовка начинает упрочняться благодаря развитию диффузионных процессов между частицами порошка на атомном уровне. При 1000°С начинается интенсивное спекание (усадка). Тем более стойкость материала жесткой матрицы при высоких температурах резко уменьшается. Выдержка 1-2 часа достаточна для упрочнения прессовок различного состава. Полученное упрочнение заготовки нивелирует упругое последействие при дальнейшем выталкивании заготовки из жесткой матрицы. Дополнительная операция дает возможность получать заготовки без расслоений и трещин.

Исходными материалами для изготовления цилиндрических заготовок с наноструктурой служили порошки вольфрама, никеля, железа и кобальта, полученные высокоэнергетическим механическим измельчением (механоактивация), и нанопорошки, полученные плазмохимическим восстановлением окислов данных металлов.

Использовали три состава шихты: 1) 90W-7,0Ni-2,0Fe-1,0Co % по массе; 2) 95W-3,5Ni-1,0Fe-0,5Co % по массе; 3) 97,5W-1,75Ni-0,5Fe-0,25Co % по массе.

Шихта приготавливалась механическим смешиванием.

Пример 1. Прессование шихты (90W-7,0Ni-2,0Fe-1,0Co) осуществляли в пресс-форме из графита давлением 20 МПа.

Дополнительную операцию термообработки прессовки, находящейся непосредственно в пресс-форме, осуществляли при температуре 810°С в течение 1 часа в среде осушенного водорода. Охлаждение проводили вместе с печью.

Удаление упрочненной прессовки проводили, выталкивая ее из канала пресс-формы пуансоном.

Спекание заготовки осуществляли в индукционной печи в среде водорода по режиму:

- нагрев до температуры 950°С за 0,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- нагрев до температуры 1350°С за 1,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- охлаждение вместе с печью.

После спекания наличие дефектов на поверхности и внутри (методом гамма-дефектоскопией) цилиндрической заготовки ⌀60×30 мм не обнаружено. Плотность заготовки определяли методом гидростатического взвешивания и согласно соответствующему химическому составу составляла 17,0 г/см³. Пористость практически отсутствовала.

Пример 2. Прессование шихты (95W-3,5Ni-1,0Fe-0,5Co) осуществляли в пресс-форме из графита давлением 25 МПа.

Дополнительную операцию термообработки прессовки, находящейся непосредственно в пресс-форме, осуществляли при температуре 890°С в течение 1,5 часа в среде осушенного водорода. Охлаждение проводили вместе с печью.

Удаление упрочненной прессовки проводили, выталкивая ее из канала пресс-формы пуансоном.

Спекание заготовки осуществляли в индукционной печи в среде водорода по режиму:

- нагрев до температуры 950°С за 0,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- нагрев до температуры 1390°С за 1,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- охлаждение вместе с печью.

После спекания наличие дефектов на поверхности и внутри (методом гамма-дефектоскопией) цилиндрической заготовки ⌀60×30 мм не обнаружено. Плотность заготовки определяли методом гидростатического взвешивания и согласно соответствующему химическому составу составляла 18,1 г/см³. Пористость практически отсутствовала.

Пример 3. Прессование шихты (97,5W-1,75Ni-0,5Fe-0,25Co) осуществляли в пресс-форме из графита давлением 48 МПа.

Дополнительную операцию термообработки прессовки, находящейся непосредственно в пресс-форме, осуществляли при температуре 980°С в течение 2 часов в среде осушенного водорода. Охлаждение проводили вместе с печью.

Удаление упрочненной прессовки проводили, выталкивая ее из канала пресс-формы пуансоном.

Спекание заготовки осуществляли в индукционной печи в среде водорода по режиму:

- нагрев до температуры 950°С за 0,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- нагрев до температуры 1450°С за 1,5 часа;

- выдержка в течение 1 часа;

- охлаждение вместе с печью.

После спекания наличие дефектов на поверхности и внутри (методом гамма-дефектоскопией) цилиндрической заготовки ⌀60×30 мм не обнаружено. Плотность заготовки определяли методом гидростатического взвешивания и согласно соответствующему химическому составу составляла 18,7 г/см³. Пористость практически отсутствовала.

Использование настоящего изобретения позволило получить после спекания качественные изделия из тяжелых вольфрамовых сплавов типа ВНЖ с ультра- и наноструктурой без трещин и расслоений.

Способ изготовления спеченных заготовок из тяжелых сплавов на основе вольфрама, включающий приготовление смеси порошков, содержащей 90-98 мас.% вольфрама, остальное - никель, железо и кобальт, прессование в жесткой матрице, выталкивание порошковой прессовки из жесткой матрицы с последующим спеканием, отличающийся тем, что порошковую прессовку, находящуюся в жесткой матрице, перед выталкиванием подвергают термической обработке при температуре 800-1000°С в течение 1-2 часов и охлаждают в жесткой матрице.