СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗВОЛЬФРАМОВОГО ТВЕРДОГО СПЛАВА ИЗ ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ СПЛАВА ТН20 В ИЗОПРОПИЛОВОМ СПИРТЕ Российский патент 2024 года по МПК C22C1/51 B22F3/14 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению твердых сплавов.

Известен способ получения твердых сплавов, согласно которому спекание прессованных заготовок осуществляют в восстановительной атмосфере или в вакууме [Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М. Металлургия, 1976, с. 382]. При применении восстановительной атмосферы спекание проводят в горизонтальных печах трубчатого или муфельного типа, нагревательный элемент которых расположен с внешней стороны. В некоторых случаях нагревателем является графитовая труба, служащая одновременно и рабочим пространством печи. При применении вакуума спекание проводят либо в вертикальных печах периодического действия, либо в горизонтальных непрерывного действия.

Недостаток данного способа наличие градиента температур как по длине, так и по сечению трубы или муфеля, что снижает качество спеченных твердосплавных изделий.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения твердых сплавов [Патент РФ №2048266 Способ получения твердых сплавов], включающий прессование шихты, спекание в псевдоожиженном слое предварительно спеченного оксида алюминия в восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что спекание проводят, осуществляя нагрев со скоростью 35…40 град./мин до 800…850 °С с последующей выдержкой в течение 30…40 мин, а затем со скоростью 50…55 град./мин до 1350…1400°С и последующей выдержкой в течение 50…60 мин.

Недостатком известного способа является многооперационность процесса получения твердого сплава, а также высокие затраты энергии на получение расплавов, а также относительно низкое качество твердого сплава вследствие относительно высокой конечной пористости и невысокие в связи с этим физико-механические свойства сплава.

В основу изобретения положена задача получения безвольфрамового твердого сплава с улучшенными физико-механическими свойствами и низкой себестоимостью.

Поставленная задача решается тем, что упомянутый твердый сплав получаются в результате искрового плазменного спекания безвольфрамовых твердосплавных порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в изопропиловом спирте.

Процесс электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.

Регулируя электрические параметры установки для электроэрозионного диспергирования (ЭЭД), можно получать за определенные промежутки времени требуемое количество порошка заданных размеров и качества. Получаемые электроэрозионным способом порошковые материалы имеют в основном сферическую форму частиц.

Получение спеченных изделий искровым плазменным спеканием в условиях быстрого нагрева и малой продолжительности рабочего цикла способствует повышению физико-механических свойств по сравнению с промышленными сплавами, из которых были получены исходные частицы порошка, за счет подавления роста зерна и получения равновесного состояния с субмикронным и наномасштабным зерном. Использование метода искрового плазменного спекания для получения безвольфрамовых твердосплавных изделий из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием сплава ТН20, позволит повысить физико-механические свойства безвольфрамового твердого сплава за счет мелкозернистого строения, равномерного распределения карбидных фаз и отсутствие значительных пор, трещин и несплошностей.

На фигуре 1 представлена схема процесса ЭЭД, на фигуре 2 показаны методика и режимы искрового плазменного спекания, на фигуре 3 - микроструктура спеченного изделия, на фигуре 4 - спектрограмма элементного состава спеченного изделия, на фигуре 5 - дифрактограмма спеченного образца, на фигуре 6 - сводная таблица свойств спеченного безвольфрамового твердосплавного изделия в сравнении с промышленным безвольфрамовым твердым сплавом.

Безвольфрамовый твердосплавный порошок получали в следующей последовательности.

На первом этапе производили сортировку твердосплавных отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой - спиртом изопропиловым, отходы загружали в реактор.

На втором этапе - этапе электроэрозионного диспергирования включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 1. В начале осуществлялась сборка электродов 5 и 6 из диспергируемых отходов твердого сплава ТН20 8. Далее в реактор 3 загружались гранулы диспергируемого сплава ТН20 и заливалась рабочая жидкость - изопропиловый спирт 10. На пульте управления генератора импульсов 2 устанавливались требуемые для электродиспергирования металлоотходов параметры: емкость разрядных конденсаторов и частота следования импульсов. Затем при помощи регулятора напряжения 1 устанавливалось такое напряжение, при котором происходил электрический пробой рабочей жидкости 10, находящийся в межэлектродном пространстве. При образовании канала разряда куски твердого сплава в точке разряда плавились и испарялись. Рабочая жидкость 10 в канале электрического разряда также кипела и испарялась, образуя газовый пузырь 9. Капли расплавленного и испаряющегося безвольфрамового твердого сплава попадали в жидкую рабочую среду с образованием сферических и эллиптических частиц 7, а также агломератов. Встряхиватель 4 перемещал один из электродов и обеспечивал непрерывное протекание процесса электродиспергирования.

На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с безвольфрамовым твердосплавным порошком из реактора.

На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка. Затем полученный порошок подвергали искровому плазменному спеканию в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США).

При этом достигается следующий технический результат: спеченный безвольфрамовый твердый сплав с улучшенными физико-механическими свойствами без существенного увеличения затрат на их изготовление.

Пример 1.

Для получения безвольфрамового твердосплавного порошка использовали отходы твердого сплава марки ТН20, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в изопропиловом спирте на установке (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. - № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При диспергировании отходов ТН20 использовали следующие параметры установки: ёмкость конденсаторов 57,5…60,0 мкФ; напряжение на электродах от 140…160 В; частота следования импульсов 200…220 Гц.

В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение отходов безвольфрамового твердого сплава с образованием частиц безвольфрамового твердосплавного порошка.

Спекание безвольфрамового твердосплавного порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 1200 °С, давлении Р = 30 МПа и времени выдержки t = 10 мин.

При данных режимах консолидация частиц порошка не произошла и твердосплавный порошок не спекся.

Пример 2.

Для получения безвольфрамового твердосплавного порошка использовались отходы безвольфрамового твердого сплава марки ТН20, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в керосине осветительном на установке (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. - № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При диспергировании отходов ТН20 использовали следующие параметры установки: ёмкость конденсаторов 57,5…60,0 мкФ; напряжение на электродах от 140…160 В; частота следования импульсов 200…220 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение отходов твердого сплава с образованием частиц безвольфрамового твердосплавного порошка.

Спекание безвольфрамового твердосплавного порошка осуществлялось в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 1250 °С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 15 мин.

Полученное спеченное твердосплавное изделие исследовалось различными методами.

Микроструктуру сплавов исследовали на электронно-ионном сканирующем (растровом) микроскопе с полевой эмиссией электронов «QUANTA 600 FEG» (Нидерланды). Анализ микроструктуры сплава, показал, что он имеет мелкозернистое строение, без включений, равномерное распределение фаз и отсутствие значительных пор, трещин и несплошностей.

Рентгеноспектральный микроанализ сплавов проводили на энергодисперсионном анализаторе рентгеновского излучения фирмы «EDAX» (Нидерланды), встроенном в растровый электронный микроскоп «QUANTA 200 3D» (Нидерланды). На основе анализа спектрограмм элементного состава установлено, что на поверхности сплава содержится углерод, а все остальные элементы Ti, Ni и Mо распределены относительно равномерно.

Фазовый анализ твердого сплава выполняли на рентгеновском дифрактометре «Rigaku Ultima IV» (Япония). Анализ дифрактограмма фазового состава исследуемого сплава показал наличие в нем карбидной фазы TiС и интерметаллида TiNi₃.

Пористость и размер зерна в безвольфрамовых твердых сплавах исследовали на оптическом инвертированном микроскопе «OLYMPUS GX51» (Япония), оснащенного системой автоматизированного анализа изображений «SIMAGIS Photolab». Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием твердосплавного порошка, имеют размер зерна порядка 0,46 мкм, а количество пор до 0,56%. Мелкодисперсность и низкая пористость безвольфрамового твердого сплава объясняется высокой дисперсностью исходного безвольфрамового твердосплавного порошка и эффекта «подавления роста зерна» при искровом плазменном спекании за счет короткого времени рабочего цикла, высокого давления и равномерного распределения тепла по образцу при воздействии на него импульсного электрического тока и так называемого «эффекта плазмы искрового разряда».

Микротвердость сплава определяли с помощью прибора «Instron 402 MVD» (Великобритания). Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием безвольфрамового твердосплавного порошка, имеют микротвердость порядка 11154 МПа. Отмечено, что полученные сплавы обладают более высокой микротвердостью по сравнению с аналогичными промышленными сплавами. Данный эффект достигается при искровом плазменном спекании диспергированных электроэрозией частиц практически беспористой структурой и наличием высокотвердых фазовых составляющих. Экспериментально установлено, что наличие карбидов в твердосплавном порошке, полученном в керосине, способствует повышению микротвердости сплавов.

Твердость сплавов определяли с помощью прибора «Instron 600 MRD» (Великобритания). Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием безвольфрамовых твердосплавных порошков, имеют твердость порядка HRA 95. Установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы имеют более высокую твердость по сравнению с аналогичными промышленными. Данный эффект достигается при искровом плазменном спекании порошков с мелким размером зерна, высокой микротвердостью, практически беспористой и бездефектной структурой и фазовым составом. Экспериментально установлено, что наличие карбидов в порошке, полученном в изопропиловом спирте, способствует повышению твердости безвольфрамовых твердых сплавов.

Предел прочности при изгибе образцов сплавов определяли помощью прибора «Instron 300 LX-B1-C3-J1C» (Великобритания). Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием безвольфрамовых твердосплавных порошков, имеют предел прочности при изгибе порядка 1250 МПа. Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием безвольфрамового твердосплавного порошка, обладают более высоким пределом прочности по сравнению с промышленными металлами и сплавами. Повышению прочности новых сплавов способствует высокая дисперсность и сферическая форма частиц, а также относительно мелкий размер зерна и беспористая бездефектная структура.

Пример 3.

Для получения безвольфрамового твердосплавного порошка использовали отходы безвольфрамового твердого сплава марки ТН20, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в изопропиловом спирте на установке (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. - № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При диспергировании отходов ТН20 использовали следующие параметры установки: ёмкость конденсаторов 57,5…60,0 мкФ; напряжение на электродах от 140…160 В; частота следования импульсов 200…220 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение отходов твердого сплава с образованием частиц безвольфрамового твердосплавного порошка.

Спекание безвольфрамового твердосплавного порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 1300 °С, давлении Р = 50 МПа и времени выдержки t = 20 мин.

При данных режимах имелись раковины и поры на поверхности твердого сплава.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению безвольфрамовых твердых сплавов. Безвольфрамовый твердый сплав получают путем искрового плазменного спекания порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в изопропиловом спирте, при температуре 1250°С, давлении 40 МПа и времени выдержки 15 мин. Обеспечивается улучшение физико-механических свойств сплава. 6 ил., 3 пр.

Способ получения безвольфрамового твердого сплава из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в изопропиловом спирте, отличающийся тем, что упомянутый сплав получают в результате искрового плазменного спекания порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в изопропиловом спирте, при температуре Т = 1250°С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 15 мин.