СПОСОБ СФЕРОИДИЗАЦИИ ПОРОШКА ТУГОПЛАВКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2012 года по МПК B22F9/00 B22F1/00 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для термообработки и сфероидизации порошков тугоплавких материалов, применяемых для получения твердых сплавов, композиционных материалов, покрытий различного назначения и т.д.

Порошки тугоплавких материалов сферической формы обычно получают с использованием электроплазменной технологии, по которой дробленую крупку обрабатываемого материала, такого как карбиды, нитриды, карбонитриды металлов и др., просыпают через вертикально стоящую трубу, внутри которой создают высокочастотную плазму от внешнего индуктора. Проходя в свободном полете через плазменную область, частицы исходной крупки плавятся под действием тепла плазмы и сфероидизируются. Получаемый сферический порошок собирается в бункере. Подобные технические решения раскрыты, например в следующих патентах и авторских свидетельствах: SU 1810025 А1, опубликованном 15.05.1994, RU 2133172 С1, опубликованном 20.07.1998, JP 2005-008504, опубликованном 13.01.2005, JP 2004-344797, опубликованном 09.12.2004.

Наиболее близким к предложенному является способ обработки дисперсных тугоплавких материалов с получением сферических частиц, включающий введение исходного порошкового материала в высокотемпературную область плазменного потока и его нагрев при прохождении через указанную область (RU 2128148 С1, опубл. 27.03.1999). Традиционный метод экономически не выгоден, так как для его реализации требуется сложное оборудование, содержащее плазматроны. Для создания плазмы необходимы значительные энергозатраты. Кроме того, зона плазмы ограничена по протяженности, в результате чего частицы крупных размеров, проходя через нее, не успевают приобретать сферическую форму.

Задачей изобретения является создание простого, экономически выгодного способа получения сферических частиц из тугоплавких материалов с размерами различной дисперсности.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии, снижение энергозатрат и расширение технологических возможностей за счет возможности сфероидизации частиц крупных размеров.

Технический результат достигается тем, что разработан принципиально новый метод сфероидизации частиц из тугоплавкого материала, согласно которому дробленую крупку из тугоплавкого материала засыпают в вертикально установленную в вакуумируемой камере трубу, выполненную из композиционного материала углерод-углерод и предварительно нагретую прямым прохождением тока до температуры выше температуры плавления материала крупки, со скоростью, выбираемой в зависимости от размера крупки, нагрев крупки осуществляют в среде защитного газа при прохождении ее через зону нагрева трубы, в частности длинной до 1 м.

В качестве защитного газа может быть использован азот. Трубу можно нагревать до температуры 3000°С. Крупку в полость нагретой трубы можно подавать через зазор шириной 4-6 диаметров подаваемой крупки, образованный двумя концентрично размещенными кольцевыми элементами. В частных случаях реализации перед подачей в трубу дробленую крупку тугоплавкого материала предварительно нагревают до температуры 0,8-0,9 Т_пл материала крупки, причем предварительный нагрев крупки может быть осуществлен за счет нагрева лотка, по которому подается в трубу крупка.

По указанной технологии сфероидизации можно подвергать дробленую крупку литого эвтектического карбида вольфрама, при этом при размере частиц 80-100 мкм крупку подают в трубу со скоростью 4,5 кг/час, а при размере частиц 0,7-0,8 мм крупку подают в трубу со скоростью 2 кг/час.

Следует отметить, что возможность применения способа не ограничивается приведенными выше частными случаями используемого литого эвтектического карбида вольфрама. Специалисту понятно, что сфероидизации по указанной технологии может быть подвергнут любой дробленый тугоплавкий материал: тугоплавкие металлы, сплавы на их основе, карбиды, бориды, нитриды, карбонитриды металлов и т.д.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Способ получения сферического порошка по предложенной технологии прост в реализации и не требует сложного оборудования. В вакуумируемой камере устанавливается труба, выполненная из композиционного материала углерод-углерод, имеющего высокую температуру плавления, что позволяет нагревать ее до температур выше температур плавления тугоплавкого материала. Нагрев осуществляют токами, проходящими по трубе. Причем длину зоны нагрева трубы можно увеличивать до требуемого размера, в результате чего значительно, по сравнению с плазменной технологией, увеличивается зона нагрева частиц, что позволяет осуществлять обработку крупки довольно крупных размеров. Подача дробленой крупки, осуществляемая из дозатора, установленного над трубой, с определенной в зависимости от размера частиц крупки скоростью, позволяет свободно падающим через зону нагрева трубы частицам оплавиться и под действием сил поверхностного натяжения принять сферическую форму.

Кроме того, для повышения эффективности нагрева и сокращения габаритов установки исходная крупка предварительно может быть подогрета до температуры 0,8-0,9 Т_пл материала. Этот предварительный подогрев осуществляют на лотке, по которому движется крупка. Эффективность такого нагрева значительно выше, чем в газе, т.к. нагрев осуществляется прямой передачей тепла от нагретого лотка к крупке за счет контактной теплопроводности.

Кроме того, порошок в полость нагретой трубы можно подавать через зазор шириной 4-6 диаметров подаваемого порошка, образованный двумя концентрично размещенными кольцевыми элементами (размер зазора определяется требованием свободного истечения порошка через отверстие).

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1. Проводили сфероидизацию литого эвтектического карбида вольфрама (релита), имеющего температуру плавления 2785°С, в установке сфероидизации.

Исходную дробленую крупку релита (плавленый карбид вольфрама с содержанием углерода 4,0% масс.) с частицами неправильной формы размером 80-100 мкм засыпали в дозатор, расположенный над вертикально стоящей трубой, установленной в вакуумируемой камере и изготовленной из материала углерод-углерод. Внутренний диаметр трубы 80 мм, длина 600 мм. Установку вакуумировали до остаточного давления 2.10^-3 мм рт.ст. и затем заполняли азотом до атмосферного давления. Включали нагрев трубы проходящим током и нагревали ее до температуры 3000±20°С. Крупку релита из дозатора просыпали через внутреннюю полость трубы со скоростью 4,5 кг/час. В процессе свободного пролета крупки через нагретую трубу материал крупки плавится, частицы принимают сферическую форму и затвердевают в форме сфер. Мощность нагревателя составляла 20 кВт. Расчетный расход электроэнергии на сфероидизацию релита по предлагаемому способу составляет 4,4 кВт/кг. Для сравнения, расход энергии при высокочастотной сфероидизации аналогичного порошка по известной технологии составляет 8,2 кВт/кг, т.е. ввиду более высокого КПД эффективность нагрева по предложенной технологии выше, а энергозатраты меньше.

Пример 2. Сфероидизировали дробленую крупку релита с частицами неправильной формы размером 0,7-0,8 мм по технологии и на установке, описанной в примере 1. Сфероидизацию проводили на установке при мощности 20 кВт. Скорость подачи крупки 2 кг/час.

Полученный порошок имел сферическую форму. Количество сферических частиц составляло ~98%. Для проведения сфероидизации в высокочастотной плазме за счет более низкого КПД процесса требуется значительно большая мощность, ~60 кВт, при этом выход частиц сферической формы не превышает 80% [аналогично примеру 1].

Пример 3. Проводили сфероидизацию армко-железа, имеющего температуру плавления 1539°С, по технологии и на установке, описанных в примерах 1 и 2.

Фрезерованием предварительно изготовили стружку железа и раздробили ее в крупку на вибрационной шаровой мельнице. Размер частиц крупки находился в пределах от 0,4 до 0,8 мм. При обработке по предложенному способу весь порошок принял сферическую форму. Скорость подачи крупки в установку сфероидизации составляла 8 кг/час.

Пример 4. Установку оснастили устройством для предварительного подогрева крупки материала перед подачей ее в трубчатый сфероидизатор. Сфероидизировали дробленую крупку релита с частицами неправильной формы размером 0,7-0,8 мм по технологии и на установке, описанной в примере 1. Лоток, по которому подавали крупку в трубу, нагревали до температуры 2500°С. Сфероидизацию проводили на установке при мощности 20 кВт. Скорость подачи крупки составила 5 кг/час.

Полученный порошок полностью имел сферическую форму.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для термообработки и сфероидизации порошков тугоплавких материалов, применяемых для получения твердых сплавов, композиционных материалов, покрытий различного назначения. Дробленую крупку из тугоплавкого материала засыпают в вертикально установленную в вакуумируемой камере трубу, выполненную из композиционного материала углерод-углерод и предварительно нагретую проходящими токами до температуры выше температуры плавления материала крупки, со скоростью, выбираемой в зависимости от размера крупки, нагрев крупки осуществляют в среде защитного газа при прохождении ее через зону нагрева трубы. В качестве защитного газа используют азот, трубу нагревают до температуры 3000°С, крупку в полость нагретой трубы подают через зазор шириной 4-6 диаметров подаваемой крупки, образованный двумя концентрично размещенными кольцевыми элементами, перед подачей в трубу дробленую крупку тугоплавкого материала предварительно нагревают до температуры 0,8-0,9 Т_пл материала крупки, причем предварительный нагрев крупки может быть осуществлен за счет нагрева лотка, по которому подается в трубу крупка. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии, снижение энергозатрат и возможность сфероидизации частиц крупных размеров. 9 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Способ сфероидизации порошка тугоплавкого материала, включающий засыпку дробленой крупки тугоплавкого материала в зону нагрева и ее нагрев, отличающийся тем, что крупку засыпают в вертикально установленную в вакуумируемой камере трубу, выполненную из композиционного материала углерод-углерод и предварительно нагретую проходящим током до температуры выше температуры плавления материала крупки, со скоростью, выбираемой в зависимости от размера крупки, нагрев крупки осуществляют в защитной атмосфере при прохождении ее через зону нагрева трубы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного газа используют азот.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубу нагревают до температуры 3000°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что зона нагрева трубы имеет длину до 1 м.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед подачей в трубу дробленую крупку тугоплавкого материала предварительно нагревают до температуры 0,8-0,9 Т_пл материала крупки.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что предварительный нагрев крупки осуществляют за счет нагрева лотка, по которому подается в трубу крупка.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что дробленую крупку подают в полость нагретой трубы через зазор шириной 4-6 диаметров подаваемой крупки, образованный двумя концентрично размещенными кольцевыми элементами.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в качестве тугоплавкого материала используют литой эвтектический карбид вольфрама.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что при сфероидизации литого эвтектического карбида вольфрама с размером частиц 80-100 мкм крупку подают в трубу со скоростью 4,5 кг/ч.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что при сфероидизации литого эвтектического карбида вольфрама с размером частиц 0,7-0,8 мм крупку подают в трубу со скоростью 2 кг/ч.