СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЗВОЛЬФРАМОВОГО ТВЕРДОГО СПЛАВА ИЗ ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННЫМ ДИСПЕРГИРОВАНИЕМ ОТХОДОВ СПЛАВА ТН20 В ВОДЕ Российский патент 2025 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 получают в результате искрового плазменного спекания безвольфрамовых твердосплавных порошков, получаемых электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в воде дистиллированной.

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 нужное 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 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.

Твердосплавный безвольфрамовый порошок получали в следующей последовательности.

На первом этапе производили сортировку твердосплавных отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой – водой дистиллированной, 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 8. Далее в реактор 3 загружались гранулы диспергируемого сплава ТН20 8 и заливалась рабочая жидкость – вода дистиллированнная 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, находящейся 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 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 твердосплавным безвольфрамовым 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 воде дистиллированной 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 60,0-62,5 мкФ, напряжение на электродах 120-140 В и частота следования импульсов 120-140 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 = 1000 °С, давлении Р = 30 МПа и времени выдержки t = 5 мин.

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

Пример 2.

Для получения безвольфрамового твердосплавного порошка использовали отходы твердого сплава марки ТН20, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной 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 60,0-62,5 мкФ, напряжение на электродах 120-140 В и частота следования импульсов 120-140 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 = 1200 °С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 10 мин.

Полученное спеченное твердосплавное изделие исследовали 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 кислород, а все остальные элементы Ti, Ni и Mо распределены относительно равномерно.

Фазовый анализ твердого сплава выполняли на рентгеновском дифрактометре «Rigaku Ultima IV» (Япония). Анализ дифрактограмм фазового состава исследуемых сплавов показал наличие в них оксидных фаз Ti₃О₅ и Ti₆О, карбидной фазы TiС и интерметаллидов TiNi₃ и TiNi₂.

Пористость и размер зерна в безвольфрамовых твердых сплавах исследовали на оптическом инвертированном микроскопе «OLYMPUS GX51» (Япония), оснащенном системой автоматизированного анализа изображений «SIMAGIS Photolab». Экспериментально установлено, что новые безвольфрамовые твердые сплавы, полученные искровым плазменным спеканием безвольфрамового твердосплавного порошка, имеют размер зерна порядка 0,58 мкм, а количество пор до 0,72%. Мелкодисперсность и низкая пористость безвольфрамового твердого сплава объясняется высокой дисперсностью исходной электроэрозионной шихты и эффектом «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 10386 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 воде, 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 безвольфрамового твердосплавного порошка, имеют твердость порядка HRA 92. 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 воде, 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 безвольфрамового твердосплавного порошка, имеют предел прочности при изгибе порядка 1180 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 твердого сплава марки ТН20, которые измельчали методом электроэрозионного диспергирования в воде дистиллированной 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 60,0-62,5 мкФ, напряжение на электродах 120-140 В и частота следования импульсов 120-140 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 твердосплавной заготовки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению безвольфрамовых твердых сплавов. Безвольфрамовый твердый сплав получают путем искрового плазменного спекания порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в воде, при температуре 1200 °С, давлении 40 МПа и времени выдержки 10 мин. Обеспечивается улучшение физико-механических свойств. 6 ил., 3 пр.

Способ получения безвольфрамового твердого сплава из порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в воде, отличающийся тем, что упомянутый сплав получают в результате искрового плазменного спекания порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ТН20 в воде, при температуре Т = 1200 °С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 10 мин.