Способ изготовления металлокерамических твердых сплавов Советский патент 1935 года по МПК B22F3/24 C22C1/04 

Наиболее распространенным способом изготовления твердых сплавов для режущих и других инструментов является так называемый металлокерамический способ, состоящий в том, что смешивают порошок какого-либо твердого вещества (например карбид вольфрама или титаново-молибденовый карбид и т. п.) с порошком цементирующего металла (например кобальта, железа и т. п.). Эту смесь прессуют в изделиях нужной формы и затем спрессованные пористые изделия спекают в восстановительной атмосфере при температуре близкой к точке плавления цементирующего металла в течение часов.

Во время спекания происходит процесс перекристаллизации части твердого вещества, в результате чего значительная часть пор, оставшихся после прессовки (около 40% от объема спрессованного тела) заполняется при спекании. Однако, в результате описанного процесса, спеченные твердые сплавы все же сохраняют заметную пористость, что снижает их твердость, прочность и производительность. Так, например, спеченные сплавы карбида вольфрама с кобальтом обладают пористостью до 3%%.

Были предложены способы горячей прессовки твердых сплавов, в результате которой получаются более плотные и твердые тела, однако, так как процесс

(170)

горячей прессовки и остывания после него идет гораздо быстрее, чем процесс обычного спекания, то в результате получается сплав, отличающийся по структуре от обычно-спеченного сплава (отмечаются зернистость и состав компонентов, в частности, состав цемента и т. д.), вследствие чего горяче - прессованные твердые сплавы проявляют большую хрупкость, что и служит главным препятствием к их широкому распространению в технике.

Предлагаемый способ имеет целью получение металлокерамических твердых сплавов, плотность и твердость которых не уступала бы плотности и твердости горяче-прессованных сплавов, но которые были бы лишены хрупкости последних, а по прочности превосходили спеченные сплавы.

Для достижения поставленной цели составляется обычным способом смесь порошков твердого вещества (или веществ) с цементирующим металлом (или металлами или сплавами), причем по крайней мере часть твердой составляющей смеси должна образовывать с цементирующим металлом эвтектику и твердый раствор. Эта смесь подвергается кратковременной (от 1 до 30 мин.) прессовке при температуре близкой к точке плавления эвтектики, затем спрессованное комплектное изделие быстро охлаждйетСя и подвергается вторичному нагреву без давления при температуре близкой к точке плавления эвтектики или немного ниже или выше ее (взависимости от желаемых свойств продукта). Вторичный нагрев производится в течение значительно более продолжительного времени, чем первый (около 1 -1 часов) и с более медленным охлаждением.

В результате получается беспористый сплав, структура и состав компонентов которого более приближаются к равновесному состоянию; например, может произойти явление аналогичное старению, т. е. выделение твердой составляющей из пересыщенного твердого раствора в цементе и т. д. Регулируя температуру и время вторичного нагрева, можно, по мнению автора, подобрать для данного состава наивыгоднейшие условия, которые устраняют повышенную хрупкость и улучшают механические свойства твердого сплава до такой степени, которая недостижима существовавшими до сих .пор способами. Дополнительным преимуществом этого способа является то, что благодаря быстро появляющейся в самой первой стадии термической обработки компактной форме прессуемого тела устраняется опасность взаимодействия веществ сплава с газами окружающей атмосферы печи, что в условиях обычно практикуемого спекания пористого тела часто ведет к нежелательным явлениям, как-то: декарбонизации или излишней карбонизации, поглощению значительного количества газов (например, в случае наличия водорода в печи) с последующим их выделением и образованием пузыристости и т. д.

Устранение этих явлений особенно важно с целью облегчения введения в состав цемента присадочных улучшающих металлов, как то хром, марганец, вольфрам и т. п., которые в обычной практике производства спеченных сплавов, будучи введенными в цемент в свободном виде (не связанные с углеродом), в процессе спекания неравномерно карбонизуются за счет действия газовой среды, создавая так называемые сердцевины, пленки и другие виды брака спеченных твердых сплавов.

Пример. Замешивается смесь пброшков: 1) карбид-вольфрама 75%, 2) карбид-ванадия 13%, 3) кобальта 10% и 4) хрома 2%.

После размалывания смеси в шаровой стальной мельнице она засыпается в прессформу для горячего прессования и подвергается прессованию при давлении около 100 KilcM и одновременному нагреванию (путем пропускания электрического тока) при 1480° в течение 5-15 минут (в зависимости от величины прессуемого изделия). При этом часть карбида вольфрама с кобальтом и хромом образует жидкоплавкую эвтектику, которая под действием внешнего давления быстро заполняет все поры, и происходит быстрая усадка (что можно заметить по указателю, связанному с давящим пунсоном). Когда усадка (движение пунсона) закончится, что будет указывать на заполнение всех пор, электрический ток сразу выключается, и благодаря малой тепловой инерции прессформы для горячего прессования (в отличие от обычно применяемых печей для спекания с массивной теплоизоляцией или большой теплоемкости больших загрузок), а в случае необходимости и за счет искусственного охлаждения - спрессованное изделие быстро остывает и расплавившийся в нем цемент быстро затвердевает в форме пересыщенного твердого раствора системы вольфрамуглерод-хром в кобальте.

Затем это изделие закладывается в обычную трубчатую электропечь и выдерживается там около часов при температуре 1350°-1420° в инертной атмосфере, и затем медленно остужается (в печи или путем выдвигания из печи вместе с массивным закрытым угольным патроном). В результате получается, по опытам автора, весьма плотный сплав, более твердый, чем сплавы, полученные обычным спеканием, и более прочный и вязкий, чем сплавы, полученные обычной горячей прессовкой. При этом внесенный в смесь карбид ванадия остается равномерно вкрапленным в сплав в форме мелких частиц - улучшая его режущие способности. Присутствие частиц постороннего вещества- карбида ванадия - не помешало процессу спекания сплава, благодаря сильмому уплотняющему воздействию горячей прессовки.

Подобным же образом карбид вольфрама может быть заменен карбидом молибдена или ниобия и т. п., кобальт- никелем, железом, яром-марганцем.

Предмет изобретения.

Способ изготовления металлокерамических твердых сплавов из смеси простой или сложной карбидной (или иной твердой) составляющей (например WC,

МОг, С и др.) и связующей добавки (например Со, Сг) по методу горячего прессования при давлениях порядка 100 атм. и температуре около 1400°, отличающийся тем, что готовое изделие после прессования подвергают дополнительной термической обработке в инертной атмосфере в течение 1-1,5 часов при температурах, близких к температуре плавления эвтектики, образуемой твердой составляющей сплава и связующей добавкой.