Способ получения спеченного твердого сплава

Изобретение относится к получению спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама. Способ получения спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей порошки карбида вольфрама, кобальта и нанопорошковую добавку, ее прессование и спекание. В качестве нанопорошковой добавки используют нанопорошок алюминия. Шихту готовят путем смешивания упомянутой добавки в этиловом спирте при помощи ультразвукового диспергирования и последующего введения в полученную суспензию порошков карбида вольфрама и кобальта. Спекание полученной шихты проводят в два этапа, на первом из которых спекание ведут при температуре 550°С с обеспечением образования дисперсно-упрочняющих частиц оксида алюминия из наночастиц алюминия, а на втором - при температуре 1370°С с обеспечением окончательного спекания. Дисперсные включения наноразмерного оксида алюминия Al2O3 предотвращают интенсивную рекристаллизацию зерен карбида вольфрама, способствуют формированию и сохранению фрагментарно наноструктурированного твердосплавного композиционного материала, повышению однородности структуры и комплекса прочностных свойств композита. 2 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к спеченным твердым сплавам, и может быть использовано для изготовления инструмента обработки металлов резанием, давлением, а также для материалов, работающих в условиях абразивного износа.

Известен, способ изготовления спеченного твердого сплава [заявка на изобретение RU №2010124757, С22С 1/00, опубл. 27.12.2011 г.], для изготовления режущего инструмента, согласно которому шихту на основе порошков карбида вольфрама фракциями до 2 мкм и 4-30 мкм, содержащую порошок кобальта, перемешивают с пластификатором с последующим прессованием и спеканием. При этом перемешивание двух разноразмерных по зерну шихт производится раздельно, с добавлением в шихту фракциями до 2 мкм дополнительно порошка трехокиси алюминия фракциями до 0,2 мкм.

Недостатком предложенного технического решения являются наличие в структуре крупных зерен карбида вольфрама, неравномерность структуры и, как результат, низкие прочностные характеристики.

Известен состав спеченного твердого сплава [А.с. 1749286; С22С 29/08, опубл. 22.03.1992 г.], на основе карбида вольфрама, содержащий кобальт. С целью повышения износостойкости и прочности сплава, он дополнительно содержит ультрадисперсные частицы оксида алюминия фракциями до 0,1 мкм. Соотношение компонентов масс. %: Кобальт 4-20, ультрадисперсный оксид алюминия 0,1-0,4, Карбид вольфрама остальное.

Недостатком предложенного технического решения являются относительная неоднородность структуры сформированной зернами карбида вольфрама WC, кобальтовой прослойкой и наноразмерными частицами оксида алюминия. При этом частицы наноразмерного оксида алюминия распределяются по объему кобальтовой прослойки недостаточно равномерно, поскольку смесь компонентов твердого сплава (WC, Со, Al2O3) получают простым механическим перемешиванием.

Известен состав твердосплавного композита на основе карбида вольфрама и кобальта [Y.I. Gordeev et al., "Design and Investigation of Hard Metal Composites Modified by Nanoparticles", Advanced Materials Research, Vol. 1040, pp. 13-18, 2014; DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR. 1040.13], модифицированного добавками ультрадисперсных частиц Al2O3 - ингибиторов роста карбидного зерна в количестве от 0,1 до 0,5%.

Твердосплавные композиты этого состава получают механическим смешиванием-размолом исходных порошков в нужной пропорции, сушкой, пластифицированием и прессованием полученных смесей в заготовки требуемой формы и размеров. Последующее спекание в вакууме в две стадии при температуре окончательного спекания около 1420°С обеспечиваются требуемые показатели по структуре и физико-механическим свойствам. В области оптимального количества добавок частиц 0,1-0,25% формируется и сохраняется мелкозернистая структура со средним размером зерна WC не более 2,2 мкм, повышается структурная однородность и, как результат, возрастает прочность на 25-50% по сравнению с коммерческими сплавами (с 1800 до 2400 МПа) и трещиностойкость по Палмквисту с 12 до 18 МПа м1/2 и снижаются значения абразивного износа с 0,6 до 0,5 мг/м.

Недостатком получения твердого сплава этого состава механическим смешиванием исходных порошков является неоднородность распределения порошков по объему шихты и структурная неоднородность спеченного твердого сплава. Не удается исключить конгломерирование наночастиц Al2O3 до более крупных образований с размерами 0,5-0,8 мкм. Это снижает эффект дисперсного упрочнения связующего и является потенциальным источником микрорастрескивания твердого сплава, снижения трещиностойкости, особенно в условиях циклического ударного нагружения.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения спеченных твердых сплавов [Патент RU 2548846 С2, опубл. 20.04.2015 БИ №6] согласно которому повышение прочности твердого сплава обеспечивается за счет более равномерного распределения добавок наноразмерных частиц Al2O3 по объему структуры гетерогенного твердосплавного композита WC-Co. Для этого наноразмерный порошок оксида алюминия в количестве от 0,05 до 0,25% масс. предварительно замешивают в водном растворе поливинилового спирта с помощью диспергирования до получения суспензии, которую затем смешивают с порошками карбида вольфрама до образования на их поверхности плакирующего слоя, полученную смесь дошихтовывают кобальтом и дополнительно перемешивают до получения однородной смеси с последующим пластифицированием. Это позволяет повысить структурную однородность распределения фазовых составляющих композита WC-Co-Al2O3 и, как результат, повысить прочность и износостойкость. Однако, введение наночастиц оксидов не позволяет предотвратить процесс рекристаллизации карбидного зерна в полной мере (средний размер зерна WC около 2,4 мкм).

Недостатком известного способа получения материала твердосплавного композита является то, что введение наночастиц в виде оксидов Al2O3 не позволяет предотвратить процесс рекристаллизации карбидного зерна в полной мере (средний размер зерна WC около 2,4 мкм).

Недостатком известного состава материала твердого сплава является конгломерирование наночастиц Al2O3 до более крупных образований с размерами 0,5-0,8 мкм. Это снижает эффект дисперсного упрочнения связующего и является потенциальным источником микрорастрескивания твердого сплава, снижения трещиностойкости, особенно в условиях циклического ударного нагружения.

В основу изобретения положена задача повышения физико-механических и эксплуатационных характеристик твердого сплава за счет повышения однородности микроструктуры, предотвращения интенсивной рекристаллизации карбидного зерна и снижения конгломерирования наночастиц Al2O3.

Поставленная задача решается тем, что способ получения спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей порошки карбида вольфрама, кобальта и нанопорошковую добавку, ее прессование и спекание, отличается тем, что в качестве нанопорошковой добавки используют нанопорошок алюминия, шихту готовят путем смешивания упомянутой добавки в этиловом спирте при помощи ультразвукового диспергирования и последующего введения в полученную суспензию порошков карбида вольфрама и кобальта при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок кобальта 8

нанопорошок алюминия 0,17

порошок карбида вольфрама остальное

при этом спекание полученной шихты проводят в два этапа, на первом из которых спекание ведут при температуре 550°С с обеспечением образования дисперсно-упрочняющих частиц оксида алюминия из наночастиц алюминия, а на втором - при температуре 1370°С с обеспечением окончательного спекания.

На фиг. 1 приведена микроструктура спеченного твердого сплава, на фиг. 2 EDS-карта локального залегания компонентов на поверхности твердосплавного композита, изготовленного на основе карбида вольфрама с добавками оксида алюминия.

Предлагаемое изобретение осуществляется следующим образом: для получения твердого сплава с оптимальными свойствами порошок карбида вольфрама (WC), кобальта (Со) и наноразмерного алюминия (Al) подвергают раздельному мокрому размолу в спиртовой среде. Частицы наноразмерного алюминия вводятся в состав спиртовой суспензии, при этом ее состав варьируется путем изменения содержания добавок наноразмерного алюминия 0,05-0,4 мас. %, от предполагаемой загрузки смеси WC-Co.

Перемешивание суспензии спирта с частицами наноразмерного алюминия происходит с помощью ультразвукового диспергирования для равномерного распределения частиц, далее получившуюся суспензию вместе с карбидом вольфрама механически подвергают смешиванию - размолу в течение 18-24 часов. Полученная смесь дошихтовывается кобальтом в нужной пропорции в соответствии с составом твердого сплава на основе карбида вольфрама и дополнительно размалывается в шаровой мельнице (аттриторе). Приготовленную смесь просушивают при 80°С и после пластифицирования гранулируют путем протирки через сетку 300 мкм, прессуют в заготовки требуемой формы и размера.

Спекание проводят в соответствии с технологическими инструкциями для каждой марки сплава в среде водорода при различных скоростях продвижения или в вакууме 10-2 мм рт. ст. Процесс спекания происходит в две стадии. На первом этапе при температуре около 550°С происходит интенсивный высокоскоростной термореактивный синтез нанофаз оксида алюминия из наночастиц алюминия, которые были однородно распределены по объему порошковой смеси (WC-Co-Al) на стадии смешивания-размола и импортированы по объему прессовки. Источником кислорода для протекания химической реакции превращения алюминия в оксид является окисная пленка и абсорбированный кислород на поверхности порошков кобальта в составе смеси и прессовки. Поскольку наночастицы алюминия имеют высокую удельную поверхность (S около 10 м2/г) и повышенную реакционную способность по отношению к кислороду, то в области предплавильных температур алюминия происходит реакция восстановления-окисления в системе металлов Со - Al. Дополнительным положительным эффектом предлагаемого состава исходной порошковой шихты для твердосплавного материала с добавками наночастиц алюминия является устранение окисной пленки и абсорбированного кислорода на поверхности кобальта. Это способствует улучшению смачиваемости по межфазным границам WC-Co и ускорению процессов массопереноса на втором этапе окончательного спекания и, кроме того, обеспечивает формирование и сохранение фрагментарно наноструктурированных твердосплавных композитов (WC-Co-Al2O3) при пониженной температуре спекания 1350-1370°С.

Таким образом, за счет нового способа получения твердосплавного материала на основе карбида вольфрама включающего приготовление шихты, содержащей порошки карбида вольфрама, кобальта и нанопорошковую добавку (WC-Co-Al), ее прессование и спекание происходит образование новых керамических (оксидных) дисперсных наноразмерных включений Al2O3 в объеме кобальтового связующего твердого сплава (WC-Co-Al2O3) (см. фиг. 1) непосредственно в процессе спекания за счет интенсивного внутреннего окисления наночастиц алюминия (Al).

Такие химические превращения в составе и соответствующие структурные метаморфозы приводят к дисперсному упрочнению металлической фазы связующего, образованию оксидных перемычек между зернами карбида, что существенно увеличивает сопротивление разрушению материала связки и композита в целом, изменяет механизм образования и распространения микротрещин. В результате возрастают прочность и микротвердость прослойки связующего, прочность и трещиностойкость композиционного материала в целом.

Кроме того, дисперсные включения наноразмерного оксида алюминия Al2O3 синтезированные на первом этапе спекания не склонны к образованию конгломератов, однородно и дисперсно распределены по структуре. На стадии окончательного спекания они предотвращают интенсивную рекристаллизацию зерен карбида вольфрама. В совокупности это способствует формированию мелкозернистой структуры твердого сплава и повышению комплекса прочностных свойств композита.

Микроструктура, сформированная в результате простого спекания твердого сплава, является бимодальной по размеру карбидных зерен, состоит из практически изолированных микронных карбидных зерен со средним размером до 2 мкм, частично перекрывающихся за счет пластичной оболочки кобальта (Фиг. 1). Межкарбидное пространство заполнено связкой кобальта и дисперсно распределенными по ее объему субмикронных карбидных зерен (0,3-0,5 мкм) и включений наночастиц Al2O3. Результаты элементного химического анализа свидетельствуют о полноте протекания реакции окисления (превращения) порошка алюминия из состава первоначальной смеси в наночастицы оксида алюминия (Фиг. 1б, таблица 1) и однородности распределения компонентов материала по структуре (Фиг. 2).

Результаты измерений физико-механических характеристик твердых сплавов различного состава приведены в таблице 2. Состав твердого сплава варьируется пропорционально изменению массовой доли частиц наноразмерного алюминия.

Значения плотности, прочности на изгиб, твердости измерены в соответствии со стандартами: предел прочности на изгиб (ISO/CD 3327); твердость (ИСО ISO 3878); трещиностойкость (ISO/DIS 28079) - по методу Палмквиста путем измерения длины трещины, распространяющейся от угла отпечатка пирамидки Виккерса (нагрузка 30 кгс).

Величину абразивного износа определяют на машине трения при нагрузке 50Н при протяжке по абразивной ленте карбида кремния. Через каждые 10 м пути трения определяют потерю веса образцов, которая принята за параметр износа.

Из таблицы 2 следует, что предложенный способ получения твердого сплава превосходит известные технические решения по всем параметрам.

Технико-экономические преимущества изобретения заключаются в повышении прочностных характеристик материалов и стойкости к абразивному износу, в увеличении срока службы изделий (эксплуатационной стойкости инструмента), изготовленных из предлагаемого твердого сплава.

*Примечание: остальное в содержании компонентов смеси и твердого сплава - WC

Способ получения спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей порошки карбида вольфрама, кобальта и нанопорошковую добавку, ее прессование и спекание, отличающийся тем, что в качестве нанопорошковой добавки используют нанопорошок алюминия, шихту готовят путем смешивания упомянутой добавки в этиловом спирте при помощи ультразвукового диспергирования и последующего введения в полученную суспензию порошков карбида вольфрама и кобальта при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок кобальта 8
нанопорошок алюминия 0,17
порошок карбида вольфрама остальное,

при этом спекание полученной шихты проводят в два этапа, на первом из которых спекание ведут при температуре 550°С с обеспечением образования дисперсно-упрочняющих частиц оксида алюминия из наночастиц алюминия, а на втором - при температуре 1370°С с обеспечением окончательного спекания.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к спеченным твердым сплавам на основе карбида вольфрама, которые могут быть использованы для изготовления режущего инструмента для работы по труднообрабатываемым сталям и сплавам.

Группа изобретений относится к цементированному карбиду для компонента, подвергаемого воздействию давления текучей среды. Согласно варианту 1 цементированный карбид содержит Со, Ni, TiC, Mo, WC и Cr3C2.

Изобретение относится к технологии изготовления трехмерных объектов, предназначенных для работы в условиях повышенного износа, селективным лазерным плавлением из порошковой композиции WC-Co.

Изобретение относится к получению объектов из композиционных материалов методами аддитивного производства и может быть использовано для производства изделий, работающих в условиях высокого абразивного изнашивания.

Изобретение относится к способу аддитивного изготовления компонента из композиционного материала с металлической матрицей. Способ включает расплавление электронным пучком порошкообразной смеси, которая содержит порошкообразный карбид вольфрама в количестве от 45 до 72 мас.% от массы порошкообразной смеси и порошкообразное связующее в количестве от 28 до 55 мас.% от массы порошкообразной смеси.

Изобретение относится к изготовлению твердосплавных сферических тел на основе карбида вольфрама c карбидным покрытием. Способ включает смешивание твердосплавной смеси ВК8 с пластификатором, ее прессование, размол прессовки, ситовое разделение на фракции с отсевом гранул до 400 мкм и не менее 130 мкм, смешивание отсеянных гранул с порошком более мелкодисперсной инертной неспекаемой засыпкой, отжиг и выделение спеченных гранул путем ситового отсева инертной порошковой засыпки.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам твердых спеченных сплавов на основе карбида вольфрама. Может использоваться для изготовления резцов, фрез и другого инструмента.
Изобретение относится к изготовлению твердосплавных гранул, включающий смешивание порошков карбида вольфрама и кобальта, пластифицирование полученной смеси с использованием растворенного в бензине каучука, прессование, размол, ситовое разделение на фракции с отсевом гранул размером до 400 мкм и не менее 130 мкм, смешивание отсеянных гранул с порошком более мелкодисперсной инертной не спекаемой засыпки, отжиг, выделение спеченных гранул путем ситового отсева инертной порошковой засыпки.

Изобретение относится к электроимпульсной консолидации порошков твердых сплавов. Проводят спекание изделий из порошков твердых сплавов группы WC-Co путем электроимпульсного прессования при давлении 50-500 МПа, плотности импульса тока 50-500 кА/см2 и длительности импульса тока не более 10-3с с последующим охлаждением.

Изобретение относится к получению изделий из твердого сплава на основе карбида вольфрама. Способ включает спекание порошка в печи при температуре в диапазоне от 1360 до 1550°C с получением изделия и его охлаждение.

Изобретение относится к получению материалов с металлической матрицей из алюминия или его сплавов, содержащих гадолиний, и может быть использовано в атомной энергетике для изготовления нейтронно-поглощающих экранов и перегородок, транспортно-упаковочных контейнеров.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению разветвленных нанонитей из тугоплавких металлов, которые могут использоваться в высокотемпературных приборах, в электронных устройствах и датчиках, в магнитных записывающих устройствах, в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике и материаловедении.

Изобретение относится к получению порошка на основе тугоплавких соединений. Способ включает приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла, размещение приготовленной смеси в цилиндрическом реакторе, инициирование реакции горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) тугоплавких соединений, сдвиговое деформирование продуктов горения с получением порошка.

Изобретение относится к изготовлению распыляемой композитной мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2MnSi, которая может быть использована при производстве микроэлектроники.

Изобретение относится к изготовлению распыляемых композитных мишеней сплава Гейслера Co2MnSi, которые могут найти применение при производстве микроэлектроники. Способ включает механическое смешивание порошков компонентов сплава с получением однородной порошковой смеси и ее спекание.

Изобретение относится к получению алюминиевых сплавов, содержащих медь и углерод. Способ получения алюминиевого сплава, содержащего Cu и C, включает приготовление расплава Al, содержащего Cu, добавление к расплаву частиц графита и частиц ускорителя науглероживания, содержащего бор или соединение бора, при температуре в от 800°C до 1000°C в атмосфере с низкой концентрацией кислорода или атмосфере защитного газа, удаление шлакового ускорителя науглероживания, который образуется из частиц ускорителя науглероживания и всплывает на поверхности расплава после диспергирования графита в расплаве и литье полученного расплава в литейную форму.

Группа изобретений относится к изготовлению спеченных изделий из порошка вентильных металлов. Порошок вентильного металла содержит кислород в количестве более 4100 ч.н.м.⋅г/м2, азот в количестве менее 300 ч.н.м., бор в количестве менее 10 ч.н.м., серу в количестве менее 20 ч.н.м., кремний в количестве менее 20 ч.н.м., мышьяк в количестве менее 10 ч.н.м.

Группа изобретений относится к производству танталовых сплавов. Формируют смесь реагентов, содержащую порошок пентаоксида тантала, порошок пероксида бария, порошок металлического алюминия, порошок металлического вольфрама и по меньшей мере один порошок, выбранный из группы, состоящей из порошка оксида железа (III) и порошка оксида меди (II).

Изобретения относятся к области порошковой металлургии, в частности к получению антифрикционных материалов из металлических порошков, и могут быть использованы для изготовления узлов трения высоконагруженных деталей различных механизмов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к инварным сплавам и составам, характеризующимся значением коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР), не превышающим 2×10-6 К-1 в рабочем диапазоне температур, и может быть использовано в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной и ракетно-космической, лазерной и криогенной технике.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины, косметики и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта крапивы характеризуется тем, что сухой экстракт крапивы добавляют в суспензию гуаровой камеди в бензоле в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 1000 об/мин, далее приливают ацетон, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро:оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Изобретение относится к получению спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама. Способ получения спеченного твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, включающий приготовление шихты, содержащей порошки карбида вольфрама, кобальта и нанопорошковую добавку, ее прессование и спекание. В качестве нанопорошковой добавки используют нанопорошок алюминия. Шихту готовят путем смешивания упомянутой добавки в этиловом спирте при помощи ультразвукового диспергирования и последующего введения в полученную суспензию порошков карбида вольфрама и кобальта. Спекание полученной шихты проводят в два этапа, на первом из которых спекание ведут при температуре 550°С с обеспечением образования дисперсно-упрочняющих частиц оксида алюминия из наночастиц алюминия, а на втором - при температуре 1370°С с обеспечением окончательного спекания. Дисперсные включения наноразмерного оксида алюминия Al2O3 предотвращают интенсивную рекристаллизацию зерен карбида вольфрама, способствуют формированию и сохранению фрагментарно наноструктурированного твердосплавного композиционного материала, повышению однородности структуры и комплекса прочностных свойств композита. 2 ил., 2 табл.

Наверх