Способ получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах Российский патент 2024 года по МПК B22F1/52 B22F3/12 C22C1/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах.

Изобретение может быть использовано для получения спеченных материалов с заданными физико-механическими свойствами.

При жидкофазном спекании твердых сплавов, медистых сталей, сплавов «кобальт-медь-олово» и других сплавов наблюдается рост зерна твердой фазы за счет перекристаллизации ее вещества через жидкую фазу. Формирование крупнозернистой структуры приводит к ухудшению механических свойств. В связи с этим существует ряд способов предотвращения роста зерна и получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах.

Известен способ получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах по патентам 2002043130 USA, EP 0834589, US 6228139, US 5993730, включающий введение в спекаемый материал ингибиторов роста зерна. Способ применяют для получения мелкозернистой структуры в вольфрамокобальтовых твердых сплавах. В качестве ингибиторов в указанные сплавы добавляют порошки карбидов тугоплавких металлов, например, VC, NbC, TaC, TiC, Mo₂C, Cr₃C₂, ZrC, HfC. При жидкофазном спекании эти добавки адсорбируются на поверхности частиц твердой фазы и блокируют их рост. Недостатком известного способа является образование хрупких прослоек между частицами карбида вольфрама и кобальтовой связкой. Как следствие снижается ударная вязкость спеченных твердых сплавов.

Известен также способ получения мелкозернистой структуры в вольфрамокобальтовых твердых сплавах по патенту EP 1043412, включающий нанесение на частицы карбида вольфрама металлического покрытия, замедляющего рост зерна при спекании. Для покрытия используют хром, ванадий, молибден или вольфрам. Покрытие частиц карбида вольфрама указанными металлами препятствует перекристаллизации карбида вольфрама через жидкую кобальтовую связку. Тем самым предотвращается рост зерна карбида вольфрама при спекании. Способ применяют для изготовления твердосплавного режущего инструмента. Режущие пластины, изготовленные по известному способу, показывают высокую ударную вязкость при обработке нержавеющих сталей. Данный способ имеет ограниченное применение и может быть использован для получения мелкозернистой структуры только в вольфрамокобальтовых спеченных сплавах.

Из уровня техники известен способ, включающий введение в материал мелкодисперсных (в том числе, наноразмерных) тугоплавких частиц, являющихся дополнительными центрами кристаллизации жидкой фазы. Указанный способ используют для получения мелкозернистой структуры в литых сталях (патенты RU2332469, RU2335377C1), в сварных швах (патенты RU2509717C2, RU2613243C2) и спеченных порошковых материалах.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ, включающий введение в порошковый материал углеродных наночастиц в количестве до 1 % (масс.) [Витязь П.А., Жорник И.В., Ковалева С.А., Кукаренко В.А. Изменение структуры и свойств спеченных сплавов под влиянием наноразмерных углеродных добавок // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. №4. С. 12-18.]. Углеродные наночастицы, обладающие высокой химической активностью, влияют на структурообразование материала при спекании, способствуют формированию дисперсных карбидов, твердых интерметаллидных соединений. При охлаждении материала после жидкофазного спекания тугоплавкие наночастицы играют роль дополнительных центров кристаллизации. В результате жидкая фаза спекаемого материала кристаллизуется в виде мелкозернистой структуры. Недостатком известного способа является то, что тугоплавкие наночастицы не влияют на процесс перекристаллизации вещества твердой фазы через жидкую фазу. Вследствие этого твердая фаза при спекании приобретает крупнозернистое строение. После спекания в материале получается неоднородная структура, состоящая из крупных зерен тугоплавкой составляющей и мелких зерен легкоплавкой составляющей (бывшей жидкой фазы). Такая структура снижает физико-механические свойства спеченных материалов.

Задачей изобретения является повышение механических свойств, таких как твердость и прочность спеченных материалов.

Техническим результатом изобретения является получение однородной мелкозернистой структуры в спеченном материале.

Указанный результат достигается тем, что в порошковый материал, в качестве тугоплавких наночастиц, вводят наночастицы тугоплавких металлов, имеющих более высокую поверхностную энергию, чем компоненты спекаемого материала. При этом наночастицы вводят в количестве 1-20 % от массы спекаемого материала.

В системах, состоящих из двух твердых металлов и жидкой фазы, массоперенос направлен к металлу, имеющему наибольшую поверхностную энергию [Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1976. – 203 с.]. Поэтому, при введении в спекаемый материал наночастиц с высокой поверхностной энергией происходит перенос вещества твердой фазы на поверхность наночастиц.

В отличие от прототипа, в предлагаемом способе наночастицы являются центрами кристаллизации твердой фазы, переносимой на их поверхность через жидкую фазу. В результате из перекристаллизованной твердой фазы формируется однородная мелкозернистая структура.

Увеличение содержания наночастиц свыше 20 % (масс.) не целесообразно, так как приводит к увеличению хрупкости и повышению стоимости спеченного материала.

Реализация изобретения и достигаемый положительный эффект показаны в приведенном ниже примере.

Пример. Изготавливали образцы из порошкового материала «кобальт-медь-олово», содержащего равноосные частицы порошка размером: кобальт 0,5–1,5 мкм, медь 45–70 мкм, олово 17–30 мкм. В целях получения мелкозернистой структуры в материал вводили наночастицы вольфрама равноосной формы размером 50–80 нм, полученные плазмотермическим способом.

По данным работы [Vitos L., Ruban A.V., Skriver H.L., Kollar J. The surface energy of metals // Surface Science. 1998. Vol. 411. P. 186-202] величина поверхностной энергии кобальта составляет 2,7 Дж/м², меди 1,9 Дж/м², олова 0,6 Дж/м². Вольфрам обладает более высокой по сравнению с другими компонентами поверхностной энергией, величина которой составляет 4 Дж/м².

Содержание наночастиц вольфрама выбирали из таблицы. Материал уплотняли статическим односторонним прессованием в стальной пресс-форме с усилием в 12 т/см² и спекали в вакууме при температуре 820°С в течение 40 мин. При температуре спекания образуется медно-оловянная жидкая фаза, растворяющая в себе некоторое количество кобальта. При спекании большая часть кобальта остается в твердой фазе.

Содержание нанопорошка вольфрама,
% (масс.) Размер частиц кобальта после спекания,
мкм Предел прочности, МПа Твердость, HRB - 10-14 351-359 96-98 1 2-4 463-470 100-102 5 1-3 471-482 102-104 10 0,7-2 478-490 105-107 15 0,5-1,8 491-502 106-108 20 0,5-1,8 480-493 107-110

Введение в материал наночастиц вольфрама создает дополнительные центры кристаллизации кобальта. Кобальт осаждается из жидкой фазы на наночастицы вольфрама, имеющего высокую поверхностную энергию. Это позволяет блокировать перенос кобальта через жидкую фазу от одних кобальтовых частиц к другим и тем самым предотвратить рост кобальтовых частиц.

В результате в спеченных материалах сформировалась структура, состоящая из зерен кобальта размером 0,5–4 мкм, медно-оловянной фазы и наночастиц вольфрама. Механические свойства полученных материалов приведены в таблице. По таблице видно, что с увеличением содержания наночастиц вольфрама уменьшается величина зерна, возрастают твердость и прочность спеченных материалов.

В аналогичном материале, содержащем углеродные наночастицы в виде алмазно-графитовой шихты в количестве 1 % (масс.), размер частиц кобальта после спекания, составляет 6–14 мкм. Предел прочности при сжатии для материала по прототипу составляет 354–386 МПа.

Таким образом, введение в порошковый материал тугоплавких наночастиц, имеющих высокую поверхностную энергию, способствует формированию в спеченном материале мелкозернистой структуры и повышению механических свойств.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения порошкового материала для получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах с заданными физико-механическими свойствами. Способ включает введение в порошковый спекаемый материал, содержащий кобальт, медь и олово, наночастиц вольфрама равноосной формы размером 50-80 нм, полученных плазмотермическим способом. При этом наночастицы вольфрама вводят в количестве 1-20 мас.% от массы спекаемого порошкового материала. Обеспечивается получение однородной мелкозернистой структуры, повышение твердости и прочности в спеченном материале. 1 табл., 1 пр.

Способ получения порошкового материала для получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах, включающий введение в порошковый спекаемый материал, содержащий кобальт, медь и олово, наночастиц вольфрама, отличающийся тем, что в качестве наночастиц вольфрама используют наночастицы равноосной формы размером 50-80 нм, полученные плазмотермическим способом, и вводят их в количестве 1-20 мас.% от массы спекаемого порошкового материала.