ТВЕРДЫЙ СПЛАВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C22C32/00 C22C29/10 B22F3/26 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к получению твердых сплавов, которые могут быть использованы для изготовления различного металлообрабатывающего инструмента.

В настоящее время известен ряд твердых сплавов на основе нитридов металлов co связкой на основе никелида титана, в частности, твердый сплав [a.c. СССР N 1090497, кл. B 22 F 3/00; приор. 01.10.82 г.], содержащий нитрид и никелид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%: никелид титана - 10-80, нитрид титана - остальное.

Основными недостатками этого сплава являются низкие пластичность, прочность и вязкость разрушения, что ограничивает использование его в качестве металлообрабатывающего или штампового инструмента.

Известен способ получения твердых сплавов [заявка Великобритании N 1324210, кл. C 7 D, 1973 г.], заключающийся в формовании смеси компонентов и спекании при 1250-1400^oC. Однако этим способом невозможно получить предлагаемый сплав с высокими механическими свойствами (прочность, пластичность и ударная вязкость).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является твердый сплав на основе карбида титана [заявка Великобритании N 1324210, кл. C 7 D, 1973 г.], обладающий повышенными параметрами прочности, пластичности и ударной вязкости, содержащий 5-20 мас.% никелида титана, остальное - карбид титана.

Однако высокие прочностные свойства, пластичность и ударная вязкость этого сплава возможно реализовать только в узком температурном интервале вследствие узкого температурного интервала мартенситного превращения в матрице, что ограничивает возможности его применения.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является способ получения твердых сплавов, содержащих нитрид и никелид титана, включающий формование смеси компонентов, спекание при 1250-1400^oC и закалку в воду от температуры 800-1100^oC [а.с. СССР N 1090497, кл. B 22 F 3/00; приор. 01.10.82 г.].

Недостатком известного способа является то, что после закалки в материале формируются внутренние напряжения, вызывающие повышение его хрупкости, что не позволяет использовать их в качестве инструмента, работающего при повышенных нагрузках.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в разработке твердого сплава, обладающего высокими значениями прочности, пластичности, ударной вязкости в широком температурном диапазоне, и способа его получения.

Указанный технический результат достигается тем, что твердый сплав, содержащий никелид титана, дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы элементов, понижающих температуру мартенситного превращения, и/или по крайней мере один элемент из группы элементов, повышающих температуру мартенситного превращения, и/или по крайней мере один элемент из группы элементов, увеличивающих демпфирующую способность при мартенситном превращении.

В частности, твердый сплав содержит в качестве упрочняющей фазы карбид титана, в качестве матрицы - никелид титана, в качестве элементов, понижающих температуру мартенситного превращения Fe и/или Co, и/или Ni, в качестве элементов, повышающих температуру мартенситного превращения Pd и/или Pt, и/или Au, в качестве элементов, увеличивающих демпфирующую способность при мартенситном превращении Cu и/или Mo и имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Никелид титана - 5.0-50
Fe и/или Co, и/или Ni - 0.1-4.0
Pb и/или Pt, и/или Au - 2.0-20.0
Cu и/или Mo - 1.0-8.0
Карбид титана - Oстальное
Кроме того, заявляемый твердый сплав имеет следующие варианты соотношений компонентов, мас.%:
1. Никелид титана - 5.0-50.0
Fe и/или Co, и/или Ni - 0.1-4.0
Pb и/или Pt, и/или Au - 2.0-20.0
Карбид титана - Остальное
2. Никелид титана - 5.0-50.0
Pd и/или Pt, и/или Au - 2.0-20.0
Cu и/или Mo - 1.0-8.0
Карбид титана - Остальное
3. Никелид титана - 5.0-50.0
Fe и/или Co, и/или Ni - 0.1-4.0
Cu и/или Mo - 1.0-8.0
Карбид титана - Остальное
4. Никелид титана - 5.0-50.0
Fe и/или Co, и/или Ni - 0.1-4.0
Карбид титана - Остальное
5. Никелид титана - 5.0-50.0
Pd и/или Pt, и/или Au - 2.0-20.0
Карбид титана - Остальное
6. Никелид титана - 5.0-50.0
Cu и/или Mo - 1.0-8.0
Карбид титана - Остальное
Способ получения предлагаемого твердого сплава, включающий приготовление шихты, формование заготовки, спекание и последующую термообработку, заключается в том, что перед формованием заготовки в шихту вводят легирующие элементы, после спекания заготовку пропитывают расплавом никелида титана при температуре 1280-1350^oC в вакууме, а термообработку осуществляют путем диффузионного отжига при температуре 700-900^oC в вакууме в течение 1-6 ч.

Твердый сплав предлагаемого состава обладает высокой прочностью, пластичностью, имеет большую ударную вязкость и по сравнению с известным сохраняет значения этих параметров в широком температурном интервале (от -100^oC до +900^oC). Концентрация вводимых элементов групп Fe и/или Co, и/или Ni, Pd и/или Pt, и/или Au, Cu и/или Mo определяется тем, что при таких значениях расширяется интервал мартенситных превращений, увеличивается демпфирующая способность при мартенситном превращении, не изменяя при этом фазовых границ существования никелида титана в B2 (типа CsCl) исходной кристаллической структуре.

Соотношение карбида титана как упрочняющей фазы и никелида титана как связующей фазы определяется общими правилами соотношений между упрочняющей и связующей фазами в твердых сплавах.

Содержание по крайней мере одного элемента из группы (Fe, Co, Ni), понижающих температуру МП, определяется тем, что при концентрациях менее 0,1 мас.% не удается получить высокие значения прочности, пластичности и ударной вязкости при низких температурах (ниже Т_ком), а при концентрациях более 4 мас. % в TiNi в матрице происходит выпадение вторичных фаз с нарушением исходной В2-структуры.

Содержание по крайней мере одного элемента из группы (Pd, Pt, Au), повышающих температуру МП, определяется тем, что при концентрациях менее 2 мас. % не удается получить высокие значения прочности при высоких температурах (выше 600^oC), а при концентрациях более 20 мас.% в матрице так же, как и в первом случае, может происходить выделение вторичных фаз с нарушением В2-структуры.

Содержание по крайней мере одного элемента из группы (Cu, Mo), увеличивающих демпфирующую способность при МП определяется тем, что при концентрациях менее 1 мас.% эффект повышения прочности, пластичности и ударной вязкости не достигается, а при концентрациях более 8 мас.% в матрице, как и в первых двух случаях, может происходить выпадение вторичных фаз.

Получение твердого сплава с высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью, которые проявляются в широком температурном интервале от -100^oC до +900^oC невозможно известными способами.

Особенность предлагаемого способа заключается в пропитке спеченной заготовки, в которую предварительно введены необходимые легирующие элементы, расплавом никелида титана при температуре 1280-1350^oC в вакууме. Температура и степень вакуума выбирались из оптимизации пропитки каркаса спеченной заготовки с последующим получением вышеуказанных свойств материала. Так, нижняя температура пропитки 1280^oC определяется температурой плавления TiNi матрицы, верхняя тем, что при температурах выше 1350^oC нарушается стехиометрическое соотношение матрицы при пропитке.

Последующий диффузионный отжиг позволяет достичь необходимого растворения вышеуказанных элементов в микрообъемах матрицы, создавая в этих микрообъемах микроградиентные структуры, претерпевающие мартенситные превращения при разных температурах, способствуя тем самым созданию высокодемпфирующей микроградиентной матрицы с высокими упрочняющими свойствами в широком диапазоне температур, что в конечном итоге приводит к расширению температурного диапазона проявления высокой прочности, пластичности и ударной вязкости.

Температура диффузионного отжига определяется тем, что ниже 700^oC процесс диффузии вводимых элементов в TiNi матрицу замедляется, а выше 900^oC, согласно диаграмме состояний, из матрицы часть титана связывается углеродом, что нарушает ее структурное состояние.

Выбор времени диффузионного отжига от 1 до 6 ч обусловлен тем что, при времени отжига менее 1 ч диффузия вводимых элементов недостаточна для формирования микроградиентной матрицы, при времени более 6 ч происходит взаимная диффузия вводимых в матрицу компонентов и нарушается эффект микроградиентности.

Выбор и соотношение вводимых элементов в любой из трех групп элементов произвольны и определены только интервалом содержания элементов этой группы в твердом сплаве, согласно формуле изобретения.

При разработке способа получения предлагаемого твердого сплава исходят из того, что только формованием и последующим спеканием порошка TiC с вводимыми элементами можно создать каркас из упрочняющей фазы, позволяющий при дальнейшей его пропитке получить твердый сплав с требуемыми свойствами. Введение элементов-добавок в порошковую смесь на стадии формования и спекания обусловлено тем, что иначе невозможно создать в матрице твердого сплава после процесса пропитки микроградиентность. Температура пропитки и степень откачки выбирались из оптимизации пропитки каркаса. Диффузионный отжиг и режим его проведения обусловлены оптимизацией процесса формирования микроградиентной матрицы в упрочняющем каркасе и придания изделию требуемых свойств.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Смесь порошков карбида титана (дисперсность 1-5 мкм) в количестве 47 г, железа (дисперсность 0.5-1 мкм) - 2 г, палладия (дисперсность 0.5-1 мкм) - 15 г, меди (дисперсность 0.5-1 мкм) - 6 г перемешивают в течение 5 ч в среде ацетона, после чего сушат и подвергают прессованию под давлением 2 т/см для достижения необходимой плотности. Прессованную заготовку спекают при Т= 2000^oC в вакууме 10^-5 мм рт.ст. для достижения требуемой пористости. Спеченный каркас пропитывают расплавом никелида титана (30 г по массе впитываемого расплава) в вакууме не ниже 10^-4 мм рт.ст. при температуре 1350^oC. Образовавшийся в результате пропитки твердый сплав отжигают в вакууме не ниже 10^-4 мм рт. ст. при температуре +800^oC 4 ч. Характеристики полученного сплава приведены в таблице (пример 10). Подобным образом приготовлены другие составы твердых сплавов.

Анализ полученных результатов по механическим испытаниям твердых сплавов при разных температурaх (см. таблицу) показывает, что предложенные твердые сплавы имеют значение прочности, пластичности и ударной вязкости в области средних температур (+20 - +200^oC) на уровне сплава-прототипа. В температурном диапазоне (-100 - +20^oC) указанные характеристики выше по значениям на 30-50%, а в области высоких температур прочность повышается в 1.2-1.3 раза, пластичность и ударная вязкость в 1.4 раза, чем у известного сплава. Это позволяет существенно расширить область применения предлагаемого сплава в качестве элементов штампового, металлорежущего инструмента, повысить его надежность.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления различного металлообрабатывающего инструмента. Твердый сплав, содержащий никелид титана, содержит в качестве упрочняющей фазы карбид титана и дополнительно в качестве элементов, понижающих температуру мартенситного превращения Fе и/или Со, и/или Ni, в качестве элементов, повышающих температуру мартенситного превращения Pd и/или Рt, и/или Аu, в качестве элементов, увеличивающих демпфирующую способность при мартенситном превращении Сu и/или Мо при следующем соотношении компонентов, мас.%: никелид титана 5,0 - 50,0; Fe и/или Со, и/или Ni 0,1 - 4,0; Pd и/или Pt, и/или Au 2,0 - 20,0; Сu и/или Мо 1,0 - 8,0; карбид титана остальное. Способ получения твердого сплава включает приготовление шихты, формование заготовки, спекание и последующую термообработку, при этом перед формованием заготовки в шихту вводят легирующие элементы, после спекания заготовку пропитывают расплавом никелида титана при 1280 - 1350°С в вакууме, а термообработку осуществляют путем диффузионного отжига при 700 - 900°С в вакууме в течение 1 - 6 ч. Изобретение обеспечивает получение твердого сплава, обладающего высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Твердый сплав, содержащий никелид титана, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере один элемент из группы элементов, понижающих температуру мартенситного превращения, и/или по крайней мере один элемент из группы элементов, повышающих температуру мартенситного превращения, и/или по крайней мере один элемент из группы элементов, увеличивающих демпфирующую способность при мартенситном превращении. 2. Твердый сплав по п.1, отличающийся тем, что он содержит в качестве упрочняющей фазы карбид титана, в качестве элементов, понижающих температуру мартенситного превращения Fe и/или Co, и/или Ni, в качестве элементов, повышающих температуру мартенситного превращения Pd и/или Pt, и/или Au, в качестве элементов, увеличивающих демпфирующую способность при мартенситном превращении Cu и/или Mo и имеет следующее соотношение компонентов, мас.%:
Никелид титана - 5,0 - 50,0
Fe и/или Co и/или Ni - 0,1 - 4,0
Pd и/или Pt и/или Au - 2,0 - 20,0
Cu и/или Mo - 1,0 - 8,0
Карбид титана - Остальное
3. Способ получения твердого сплава, включающий приготовление шихты, формование заготовки, спекание и последующую термообработку, отличающийся тем, что перед формованием заготовки в шихты вводят легирующие элементы, после спекания заготовку пропитывают расплавом никелида титана при 1280 - 1350^oС в вакууме, а термообработку осуществляют путем диффузионного отжига при 700 - 900^oС в вакууме в течение 1 - 6 ч.