СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА НА ОСНОВЕ ТУГОПЛАВКОГО СОЕДИНЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК B22F9/04 B22F9/16 C22C29/00 

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при получении порошка на основе тугоплавкого соединения, в частности безвольфрамового твердого сплава.

Порошок безвольфрамового твердого сплава представляет собой порошковую композицию на основе карбида или карбонитрида титана с никель-молибденовой связкой. Безвольфрамовые твердые сплавы на основе карбонитрида титана по прочностным свойствам, износостойкости и режущим свойствам при чистовом и получистовом точении соответствуют вольфрамосодержащим твердым сплавам. В связи с этим основной областью использования порошка безвольфрамового твердого сплава является твердосплавная промышленность.

Известные способы получения порошка безвольфрамового твердого сплава включают операции получения карбонитрида титана, размол карбонитрида титана, смешивание карбонитрида титана с никелем и молибденом, сушку, рассев. Указанные способы отличаются друг от друга технологией получения порошка карбонитрида титана и количественным соотношением никельмолибденовой связки с каронитридом титана. Общим недостатком указанных способов является большая длительность процесса, многооперационность, энергоемкость.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения порошка на основе тугоплавкого соединения. Способ заключается в одновременном проведении размола и синтеза в процессе размола в атмосфере реагирующего газа в вибромельнице. Однако известный способ получения порошка на основе тугоплавкого соединения взрывоопасен, поскольку предусматривает проведение процесса в режиме теплового взрыва (скачкообразное повышение температуры механореактора). Так, например, заявке при синтезе 24 гр. безвольфрамового твердого сплава стенки механореактора массой 2,5 кг, разогревались на 1 2 с с 62 до 108^oC. Увеличение массы загрузки исходных компонентов приводило к еще большему разогреву механореактора. Тем самым возникает необходимость водяного охлаждения механореактора, установки системы предохранительных клапанов. Все это усложняет технологический процесс и не устраняет вероятность взрыва реактора. Существуют и другие способы предотвращения взрыва реактора, так, например, в технологиях СВС уменьшают загрузку исходных компонентов, вводят инертные разбавители, проводят процесс при избыточном давлении. Применение указанных способов приводит к увеличению длительности процесса и уменьшению выхода конечного продукта.

Цель изобретения повышение эффективности процесса за счет увеличения скорости и безопасности процесса, увеличение выхода мелкодисперсного порошка.

Для этого в способе получения порошка на основе тугоплавкого соединения, включающем размол и синтез в процессе размола в атмосфере реагирующего газа в вибромельнице, размол проводят в два этапа, которые разделяют паузой, при этом продолжительность первого этапа размола принимают равной 0,7 0,8 от длительности процесса размола, необходимого для инициирования теплового взрыва, продолжительность паузы и второго этапа размола принимают равной 0,05 0,1 от длительности первого этапа размола.

Предлагаемые временные режимы поэтапного размола позволяют предотвратить тепловой взрыв в процессе механохимической активации исходных компонентов и тем самым исключить вероятность взрыва реактора, которая резко возрастает с увеличением массы загрузки;
обеспечить возможность роста массы загрузки, в свою очередь, позволяет увеличить производительность оборудования;
установлено, что использование предлагаемого способа позволяет изменить длительность процесса получения порошка на основе тугоплавкого соединения, увеличить выход мелкой фракции.

Сущность технического решения основана на открытом явлении взрывного механохимического синтеза (ВМС), заключающегося в том, что процесс размола и синтеза проводят в режиме теплового взрыва до скачкообразного повышения температуры механореактора.

Однако для высокоэкзотермических реакций осуществление ВМС нетехнологично, поскольку возрастает вероятность взрыва реактора, снижается производительность процесса. В этой связи нами было предложено осуществить синтез безвольфрамового твердого сплава не по взрывной кинетике, а по квазивзрывной.

Кинетические кривые указанных режимов приведены на фиг.1, где кинетические кривые реакций: 1 квазивзрывной, 2 взрывной.

Для того, чтобы общее время квазивзрывной реакции было меньше взрывной, т. е. τ_кваз<τ_взр,, предложено осуществить процесс в три последовательных типа.

Их разработка основывалась на теории теплового взрыва. Для осуществления теплового взрыва экзотермической реакции необходимо создание определенных теплофизических условий, определяемых соотношением между теплоприходом и теплоотводом. Тепловой взрыв наступает тогда, когда квазистационарный режим нарушается и теплоотвод становится меньше теплоприхода. В зависимости от этого соотношения различают различные режимы воспламенения: взрывное, изотермическое, самовоспламенение, зажигание. Таким образом, управляя процессами теплоприхода, возможно одну и ту же реакцию провести в различных кинетических режимах.

В предлагаемом техническом решении процесс состоял из трех взаимосвязанных этапов. Каждый из этапов и их последовательность обеспечивали уменьшение времени процесса по сравнению с процессом, проводимым в режиме теплового взрыва, и увеличивало производительность процесса. Первый этап состоял в активации исходных компонентов. Время активации ограничивали определенным интервалом 0,7 0,8. За это время исходные компоненты поглощали определенную дозу механической энергии, необходимую при последующей стабилизации для запуска реакции по квазивзрывной кинетике. Если τ₁<0,7τ_взр, то система не получала необходимой дозы для запуска квазивзрывной реакции после стабилизации. В результате этого нарушалось условие τ₁+τ₂+τ₃<τ_взр. Если τ₁>0,8τ_взр, то система получала избыток свободной энергии. В этом случае возможны два варианта: либо реакция переходит в тепловой взрыв, либо для ее срыва необходимо резко увеличить время стабилизации τ₂.. Во втором случае общая длительность процесса стала бы больше, чем у процесса, проводимого в режиме теплового взрыва, т.е. имело бы место неравенство τ₁+τ₂+τ₃>τ_взр.

Второй этап заявляемого технического решения состоял в стабилизации системы (прекращение размола). Этот этап необходим для срыва теплового взрыва и перевода реакции в квазивзрывной режим.

Время стабилизации ограничивали определенным временным интервалом 0,05τ^*≅τ₂≅0,1τ^**, где τ*1

-0,7τ_взр,τ**1-0,8τ_взр. Если τ₂>0,1τ**взр, то времени стабилизации было достаточно для отдыха системы и релаксации, полученной во время размола энергии. Вследствие этого квазивзрывной реакции не наблюдалось и нарушалось условие τ₁+τ₂+τ₃<τ_взр, уменьшался выход годного продукта (табл. 1). Если τ₂<0,05τ**1, то время стабилизации было недостаточно для срыва теплового взрыва и реакция проходила по взрывной кинетике (табл.1). При времени стабилизации от 0,05τ**1 до 0,1τ**1 сохранялось достаточно энергии для последующего перевода системы в режим квазивзрывной реакции, а происходящая при этом релаксация запасенной энергии позволяла предотвратить тепловой взрыв. Кроме того, заявляемые параметры 0,05τ**1≅τ₂≅0,1τ**1, обеспечивали сохранение неравенства τ₁+τ₂+τ₃<τ_взр.

Третий этап заявляемого способа состоял в возобновлении активации исходных компонентов и запуске реакции по квазивзрывной кинетике. Время данного этапа определялось неравенством 0,05τ**1

≅τ₃≅0,1τ**1. В течение этого времени проходил синтез безвольфрамового твердого сплава по квазивзрывной кинетике с высоким выходом мелкодисперсного порошка на основе тугоплавкого соединения. В случае синтеза безвольфрамового твердого сплава химическая реакция имела вид
Ti+C+Ni+Mo _→ TiC+Ni+Mo..

Если τ₃<0,05τ**1

, то реакция не проходила до конца и выход порошка на основе тугоплавкого соединения был невысок, или реакция проходила по взрывной кинетике (табл. 1). В случае τ₃>0,1τ₁ порошок наклепывался, загрязнялся и выход порошка был невысок (табл.1). При τ₃= 0,05-0,1τ₁ реакция проходила по квазивзрывной кинетике, соблюдалось неравенство τ₁+τ₂+τ₃<τ_взр и увеличивался выход порошка тугоплавкого соединения.

На фиг. 2 приведены термограммы заявляемого способа и взрывного механохимического синтеза.

Проведенный анализ аналогов на предмет наличия в них признаков, отличающих предлагаемое техническое решение от прототипа, а именно поэтапного проведения процесса в вибромельнице с соблюдением нижеследующих временных параметров:

3 этап 0,05τ*1

≅τ₃≅0,1τ**1
с обеспечением достижения сходных функциональных целей позволяет считать, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показаны кинетические кривые реакций в квазивзрывном и взрывном режимах; на фиг.2 показана термограмма предлагаемого способа и прототипа.

Способ осуществляют в следующем порядке (предлагаемый способ проиллюстрирован на примере получения порошка безвольфрамового твердого сплава). В герметичный механореактор вибромельницы загружают порошок титана, активированный уголь, порошок никеля, порошок молибдена в количестве необходимом для получения безвольфрамового твердого сплава. Отношение веса загружаемых шаров к весу исходных компонентов составляет 20:1, объем их занимает 0,4 0,6 от объема механореактора. Затем реактор продувают углекислым газом. Измельчение осуществляют в энергонапряженной вибромельнице шарами в герметичном механореакторе. Процесс осуществляют до выхода реакции в режим теплового взрыва, который фиксируют по скачкообразному повышению температуры механореактора. При этом фиксируют продолжительность процесса механохимической активации до инициирования теплового взрыва (τ_взр). Затем вышеописанные операции повторяют с тем отличием, что процесс механохимической активации осуществляют в три этапа:
1 этап активации в течение 0,7τ_взр≅τ₁≅0,8τ_взр;
2 этап стабилизации в течение 0,05τ*1

≅τ₂≅0,1τ**1;;
3 этап активации в течение 0,05τ*1≅τ₃≅0,1τ**1.

После третьего этапа процесс прекращают, механореактор охлаждают до комнатной температуры, разгерметизируют и осуществляют выгрузку порошка.

Пример осуществления способа получения безвольфрамового твердого сплава. Исходные компоненты порошок титана в количестве 32 г, активированный уголь весом 6,4 г, порошок никеля весом 7,3 г, порошок молибдена весом 2,92 г загружают в механореактор вибромельницы (мощность мельницы 100 Вт). Затем загружают шары диаметром 19,5 мм и весом 980 г. Объем стальных шаров составляет 0,5 от объема механореактора. Затем пропускают углекислый газ, после чего реактор герметизируют. Размол осуществляют в вибромельнице при частоте колебаний механореактора 16 Гц и амплитуде 90 мм. Для определения времени активации, необходимого для скачкообразного повышения температуры механореактора (τ_взр), процесс осуществляют непрерывно. Температуру стенок механореактора определяют с помощью инфракрасного радиометра ИКР-4. После резкого повышения температуры механореактора с 72 до 167^oC вибромельницу выключают и фиксируют время τ_взр. Время составило τ_взр 70 мин. Затем реактор охлаждают и порошок выгружают. После чего вышеописанные операции повторяют, только процесс проводят в три этапа. Первоначально осуществляют активацию в течение 56 мин, затем процесс прекращают, осуществляют выдержку в течение 5 мин, после чего возобновляют активацию в течение 5 мин, а затем процесс прекращают. Реактор охлаждают до комнатной температуры, разгерметизируют и осуществляют выгрузку порошка.

В табл. 1 показано влияние параметров τ₁;τ₂;τ₃ предлагаемого способа на общее время процесса, тип реакции и выход порошка безвольфрамового твердого сплава. Время, необходимое для осуществления скачкообразного повышения температуры механореактора при проведении процесса по ВМС, составило 70 мин. Как видно из табл.1, согласно заявляемым параметрам, а именно 49≅τ₁≅56; 2,45≅τ₂≅5,6; 2,45≅τ₃≅5,6, цель изобретения достигается. Таким образом, для осуществления заявляемого технического решения при известном τ_взр 70 мин, необходимо придерживаться следующих режимов 49≅τ₁≅56; 2,45≅τ₂≅5,6; 2,45≅τ₃≅5,6.

В табл. 2 приведена сравнительная оценка заявляемого технического решения и прототипа по получению безвольфрамового твердого сплава.

В сравнении с прототипом предлагаемый способ получения порошка на основе тугоплавкого соединения имеет следующие преимущества:
сокращается длительность процесса в 1,4 раза за счет проведения синтеза по квазивзрывной кинетике;
повышается техника безопасности за счет предотвращения теплового взрыва;
увеличивается производительность процесса за счет увеличения разовой загрузки исходных компонентов и уменьшение времени процесса.

Предлагаемый способ получения порошка на основе тугоплавкого соединения возможно использовать при получении безвольфрамовых твердых сплавов, а также других сплавов на основе тугоплавких соединений.

Сущность способа: в герметичный механореактор вибромельницы загружают порошок титана, активированный уголь, порошок никеля, порошок молибдена в количестве, необходимом для получения безвольфрамового твердого сплава, отношение веса загружаемых шаров к весу исходных компонентов составляет 20:1, объем их занимает 0,4 - 0,6 от объема механореактора. Затем продувают реактор углекислым газом. Измельчение осуществляют в энергонапряженной вибромельнице шарами. Процесс осуществляют в три стадии. На первой стадии размол ведут при продолжительности 0,7 - 0,8 от продолжительности размола, необходимой для инициирования теплового взрыва, затем делают паузу, вибромельницу останавливают в течение 0,05 - 0,1 длительности первой стадии, а затем размол продолжают в течение 0,05 - 0,1 длительности первой стадии. Способ обеспечивает сокращение длительности процесса в 1,4 раза за счет проведения синтеза в условиях квазивзрывной кинетики, повышение безопасности процесса за счет предотвращения теплового взрыва, увеличение производительности процесса за счет увеличения разовой загрузки компонентов и уменьшения времени процесса. Способ может быть реализован при получении порошка безвольфрамовых твердых сплавов. 2 табл., 2 ил.

Способ получения порошка на основе тугоплавкого соединения, включающий размол исходных компонентов шихты и синтез в процессе размола в атмосфере реагирующего газа, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса за счет увеличения скорости и безопасности процесса и увеличения выхода мелкодисперсного порошка, размол осуществляют в две стадии с промежуточной паузой, причем первую стадию проводят при продолжительности 0,7 0,8 от длительности размола для инициирования теплового взрыва, а паузу и вторую стадию размола проводят при продолжительности 0,05 0,1 от продолжительности первой стадии.