СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛСОДЕРЖАЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК C01B31/30 C04B35/56 

Данное изобретение относится к способу изготовления металлсодержащих композиционных материалов, таких как цементированный карбид.

В патенте США 5505902 описан способ, согласно которому одна или несколько солей, по меньшей мере, одного металла группы железа, содержащих органические остатки, растворяются в, по меньшей мере, одном полярном растворителе, например этаноле, метаноле, воде, и образуют комплекс с, по меньшей мере, одним комплексообразователем, содержащим функциональные группы в виде ОН или NR₃ (R= H или алкил). К раствору добавляется порошок упрочняющего компонента, и может быть добавлен растворимый источник углерода. Растворитель выпаривают, а оставшийся порошок подвергают термообработке в инертной и/или восстановительной атмосфере. В результате получают порошок упрочняющего компонента с покрытием на основе, по меньшей мере, одного металла группы железа, который после добавления агента, способствующего прессованию, подвергают прессованию и спеканию стандартным методом с получением заготовки, содержащей упрочняющие компоненты в фазе связующего. Недостаток вышеупомянутого способа состоит в том, что раствор обычно содержит довольно небольшое количество металла группы железа, что приводит к необходимости применения больших объемов раствора и, следовательно, требуется длительное время для испарения при получении покрытия на порошке упрочняющего компонента с высоким содержанием связующего. Следовательно, обычно получается порошок упрочняющего компонента, содержащий менее 5% связующего, и к этому порошку добавляется порошок металлического связующего до достижения желаемого состава. Это требует дополнительной стадии и довольно тщательного перемешивания для получения однородной микроструктуры.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование способа, описанного в патенте США 550590, а именно обеспечение необходимого содержания связующего без проведения дополнительных стадий процесса.

Эта задача решается благодаря добавлению в раствор кроме растворимых солей способной к восстановлению гидроокиси металлов группы железа, и при этом можно достичь равномерной и однородной структуры цементированного карбида.

Способ согласно данному изобретению включает следующие стадии, где Me= Co, Ni или Fe:
1. По меньшей мере одну соль или другое соединение металла, содержащее органические или неорганические группы, растворяют в, по меньшей мере, одном полярном растворителе, таком как этанол, метанол, вода, ацетонитрил, диметилформамид или диметилсульфоксид, или в смесях растворителей, например, метанол - этанол и вода - гликоль, предпочтительно, метанол и/или вода.

Можно добавлять при перемешивании комплексообразователь - триэтаноламин в количестве 0,1-2,0 моля комплексообразователя на 1 моль металла, предпочтительно, примерно 0,5 моля комплексообразователя на 1 моль металла.

2. В растворе затем суспендируют одну или несколько нерастворимых и восстанавливаемых органических или неорганических солей или других соединений металла, предпочтительно, гидроокись Me. Предпочтительно, чтобы размер частиц солей составлял менее 2 мкм.

3. Можно также добавлять сахар (С₁₂Н₂₂О₁₁) или другой растворимый источник углерода, такой как другие типы карбогидратов и/или органические соединения, которые разлагаются с образованием углерода при температуре в интервале 100-500^oС в неокислительной среде (<2,0 моля С/моль металла, предпочтительно, около 0,5 молей С/моль металла), и нагревать раствор до 40^oС для улучшения растворимости источника углерода. Углерод используют для восстановления МеО, образовавшегося при нагревании и регулирования содержания углерода в порошке.

4. Порошок WC и, возможно, порошки других упрочняющих компонентов добавляют при умеренном перемешивании и для ускорения испарения растворителя повышают температуру. После того как смесь становится довольно вязкой, пастообразную смесь пластицируют при перемешивании и, когда она станет почти сухой, ее измельчают для того, чтобы облегчить испарение (избежать включений растворителя).

5. Рыхлый комок порошка, полученный на предыдущей стадии, термообрабатывают в атмосфере азота и/или водорода примерно при 400-1100^oС, предпочтительно, при 400-800^oС. Для получения полностью восстановленного порошка необходима постоянная температура. Время термообработки зависит от параметров процесса, таких как толщина слоя порошка, величина загрузки, состав газа и температура обработки, и должна определяться опытным путем, хорошо известным специалисту в данной области. Было установлено, что время, нужное для восстановления 5 кг порошка в среде чистого водорода при 500^oС, составляет от 60-120 мин. Обычно используют азот и/или водород, но можно применять также Аr, NН₃, СО и C₂O (или их смеси), при этом состав и микроструктура порошка могут быть модифицированы.

6. Термообработанный порошок сам по себе или в смеси с другими упрочняющими компонентами и /или металлами, входящими в состав связующего, и/или углеродом смешивают с агентом, облегчающим прессование, в этаноле с получением композиции желаемого состава. Затем суспензию сушат, прессуют и спекают обычным способом с получением спеченной заготовки, представляющей собой смесь упрочняющих компонентов в связующем. Большую часть растворителя можно выделить.

По другому методу агент, облегчающий прессование, можно добавлять с порошком упрочняющего компонента на стадии 3, затем смесь сушат, прессуют и спекают.

Следующие примеры приведены для иллюстрации различных аспектов изобретения.

Изобретение описано на примере металлов группы железа. Очевидно, что можно применять и другие металлы VIII группы.

Пример 1
Цементированный карбид WC - 10% Co получают согласно данному изобретению следующим путем:
84 г тетрагидрата ацетата кобальта (Со(С₂Н₃O₂)₂•4Н₂О) растворяют в 1200 мл метанола (СН₃ОН). К раствору добавляют 126 г гидроокиси кобальта (Со(ОН)₂). К этому раствору при перемешивании добавляют 30 г триэтаноламина ((C₂H₅O)₃N). После этого добавляют 900 г WC_wc(d=2,1 мкм) и повышают температуру до примерно 70^oС. Во время испарения метанола до получения вязкой смеси осуществляют тщательное перемешивание. Пастообразную смесь измельчают при легком давлении до тех пор, пока она не станет почти сухой.

Полученный порошок обжигают до 500^oС в печи в виде пористого слоя толщиной примерно 1 см в атмосфере азота в закрытом сосуде при скорости нагрева 10^oС/мин с последующим восстановлением водородом в течение 90 мин и охлаждением в атмосфере азота со скоростью 10^oС/мин. Между стадией обжига и стадией восстановления охлаждение не используют.

Полученный порошок смешивают с агентом, облегчающим прессование, в этаноле, регулируя содержание углерода (сажа), сушат, прессуют и спекают, используя обычный метод для сплавов WC-Co. Получают плотный цементированный карбид с пористостью А00 и твердостью HV3=1320. На чертеже показана микроструктура порошка до смешения при увеличении 5000Х.

Пример 2
Цементированный карбид состава WC - 10% Со получают точно так же, как в Примере 1, но без добавления триэтаноламина (С₂H₅O)₃N) к раствору. Получают тот же результат, что и в Примере 1.

Пример 3
Цементированный карбид состава WC - 10% Со получают так же, как описано в Примере 1, но вместо метанола (CH₃OH) добавляют 1200 мл воды. Получают тот же результат, что и в Примере 1.

Пример 4
Цементированный карбид состава WC - 1,0% ТаС - 0,3% NbC - 10% Со получают, как описано в Примере 1, но с добавлением 12,5 г (Ta, Nb) С (80/20). Получают плотный цементированный карбид с пористостью А00 и твердостью HV3= 1350.

Пример 5
Цементированный карбид состава WC - 1,0% TiC - 10% Со получают как в Примере 1, но с добавлением 20,0 г (W, Ti)C (50/50). Получают плотный цементированный карбид с пористостью А00 и твердостью HV3=1330.

Пример 6
Цементированный карбид состава WC - 10% Ni получают как в Примере 1, но с добавлением вместо тетрагидрата ацетата кобальта (Со(C₂H₃O₂)₂•4Н₂O) и гидроокиси кобальта тетрагидрата ацетата никеля (Ni(C₂Н₃O₂)₂•4Н₂О) и гидроокиси никеля (Ni(OH)₂). Получают цементированный плотный карбид с пористостью А00 и твердостью HV3=1280.

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при получении цементированных карбидов. Соль, по меньшей мере, одного металла подгруппы железа, содержащую органические группы, например тетрагидрат ацетата кобальта, растворяют в, по меньшей мере, одном полярном растворителе, например этаноле, метаноле, воде, ацетонитриле, диметилформамиде. К раствору добавляют нерастворимую соль или гидроксид металла подгруппы железа, например гидроксид кобальта. В полученную суспензию можно добавить 0,1-2,0 моля комплексообразователя - триэтаноламина, на 1 моль металла или растворимый источник углерода, например сахар. Вводят порошок упрочняющего компонента, например карбида вольфрама. Повышают температуру для испарения растворителя при перемешивании. Полученную порошкообразную массу термообрабатывают в инертной и/или восстановительной атмосфере. Порошок смешивают с агентом, облегчающим прессование, прессуют, спекают. Получают плотный цементированный карбид WC-Co. Изобретение позволяет регулировать содержание карбида и металла подгруппы железа, получать плотные цементированные карбиды с равномерной и однородной структурой, исключить отдельную стадию введения связующего. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления порошкообразной смеси с упрочняющим компонентом, содержащей, по меньшей мере, один металл группы железа, включающий следующие стадии: получение раствора растворением, по меньшей мере, одной соли, по меньшей мере, одного металла группы железа, содержащей органические группы, в, по меньшей мере, одном полярном растворителе; добавление порошка упрочняющего компонента; получение порошкообразной массы испарением растворителя; термообработку порошка в инертной и/или восстановительной атмосфере с получением порошковой смеси, отличающийся тем, что в растворе суспендируют, по меньшей мере, одну нерастворимую, способную к восстановлению соль, по меньшей мере, одного металла группы железа. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в раствор добавляют комплексообразователь, в качестве которого используют триэтаноламин. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что к раствору добавляют растворимый источник углерода.