Способ получения спеченного изделия из твердого сплава
Сущность изобретения является способ получения спеченного изделия из металлокерамического твердого сплава, содержащего одну и более твердых составляющих и связующую фазу на основе кобальта, никеля и/или железа. При приготовлении шихты по крайней мере часть порошка связующей фазы используют в виде неагломерированных частиц сферической формы. Порошок связующей фазы имеет размер менее 1 мкм. Шихту измельчают, прессуют и спекают. Спекание проводят при температуре 1375-1450oC. Способ позволяет улучшить свойства изделий из твердых сплавов. 15 з. п. ф-лы, 6 табл.
Изобретение относится к способам получения спеченных изделий из твердых сплавов, в которых используются порошки связующей фазы со сферическими неагломерированными частицами.
Спеченные твердые сплавы получают технологией, обычной для порошковой металлургии, которая состоит в смешивании исходных порошков карбидов, кобальта и возможно других твердых материалов с одновременным механическим измельчением с использованием мельниц, вращающихся шаровых мельниц, вибромельниц, истирающих мельниц и других подобных устройств. Известная технология включает операции гранулирования измельченной смеси, сушку, прессование и спекание. [1] Известный способ предусматривает использование традиционно полученных порошков кобальта, которые имеют широкую область распределения частиц по крупности и тяжелы для измельчения, поскольку между элементарными частицами в образующих из них агмератах существуют крепкие связи. Известен способ получения спеченного изделия из твердого сплава, включающий приготовление шихты с ее измельчением, содержащей 3-25 мас. кобальта в виде порошка дисперсностью 0,1-2 мкм, прессование и спекание при температуре 1250-1500oC с выдержкой в течение 2-10 мин [2] Этот способ является наиболее близким аналогом предложенного. В этом способе порошок связующего кобальта является сверхтонким. Недостатком известных способов является наличие пористости в материале изделия при использовании указанных режимов спекания и невысокие в связи с этим физико-механические свойства. Технический результат, достигаемый описываемыми изобретением, заключается в том, что при использовании неагломерированных кобальтовых порошков сверхтонких фракций сферической формы получают твердый сплав со сниженной пористостью. При этом степень измельчения может быть снижена, что способствует уменьшению энергозатрат. Благодаря использованию сверхтонких неагломерированных порошков кобальта сферической формы может быть снижена температура спекания, что позволяет использовать в составе шихты компоненты, которые не представлялось вводить по традиционной технологии. Сущность изобретения поясняется следующими примерами. Пример 1. Суспензию гидроксида кобальта поместили в смесь моноэтиленгликоля и диэтиленгликоля при перемешивании. Суспензию, содержащую около 200 г на литр гидроксида кобальта, нагрели до температуры по крайней мере 200oC во время сильного перемешивания. Затем в моноэтиленгликоль добавили раствор нитрата серебра с тем, чтобы ввести от 0,07 до 3 г серебра на литр. Смесь сохраняли при той же самой температуре в течение 2 ч, а затем оставили для охлаждения до комнатной температуры. Таким образом получили кобальтовый порошок (обозначенный Р 1) со следующими свойствами: SEM диаметр частиц: 0,4![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Свободный углерод: 0,10% по весу
Ниобий 9,09% по весу. Кобальт (обозначенный F) получили восстановлением оксида водородом в соответствии с традиционным способом:
Источник: Eurotungstene Poudres
Диаметр по Фишеру 1,30
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
С 0,012% по весу. С помощью этих материалов приготовили следующие смеси:
Кобальт 3% или 6,5% по весу
Карбид тантала 0,5% по весу
Карбид вольфрама остальное. Порошковую смесь (500 г) получили измельчением в мельнице типа "Истиратель" емкостью 9 л, содержащей 3,5 кг измельчающей среды (шары из металлокерамического сплава диаметром 3 мм) вращающейся со скоростью 250 оборотов в минуту в присутствии 200 мл этилового спирта (или ацетона) и при добавлении полиэтиленгликоля (2 г на 100 г смеси). Порошок измельчали в течение 7 или 14 ч и затем гранулировали с использованием сита с номером сита 120
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Вид кобальта: P1; F
Пористость АО2; АО3/04. Рекристаллизация: R2/F3; R4/R5. в) Кобальт: 6,5% по весу. Измельчение 7 ч. Спекание 1450oC. Результаты:
Вид кобальта P1; F. Пористость AO2; AO4. Рекристаллизации R2; R2/R3. с) Кобальт 3% по весу
Измельчение 14 ч. Спекание 1375, 1410, 1450oC
Результаты перед НIР
Результаты. Температура спекания, 0oC 1375, 1410, 1450. Вид кобальта PIF, PIF, PIF. Пористость АО2 АО8; AO2 AO4; AO2 AO3. хЗоны ликвации кобальта. хСреднее число зон ликвации кобальта определяли подсчетом (на оптическом микроскопе) зон ликвации на 10 оптических полях при кратности увеличения 1500 раз и взятии среднего. S несколько
N многочисленные
d) Кобальт 3% по весу. Измельчение 14 ч. Результаты после НIР. HIP обработка состоит в помещении проб, спеченных во время предшествующего опыта в HIP печи при 1350oC в течение 2 ч под давлением 100 МПа (атмосфера аргон). Результаты. Температура спекания, 0oC: 1375, 1410, 1450
Вид кобальта PIF, PIF, PIF,
Пористость: AOI AOI, AOI AOI, AOI AOI,
Зоны ликвации кобальта SN, ON, ON,
S несколько
N многочисленные
О нет. Эти опыты ясно показали, что при всех других одинаковых факторах, использование кобальта в соответствии с настоящим изобретением само по себе показывает выгоду в сравнении с традиционным кобальтом, поскольку оно влечет за собой уменьшение пористости и количества зон ликвации кобальта. Пример 2
Две лабораторные загрузки порошка металлокерамического сплава приготавливали с использованием той же самой загрузки карбида вольфрама, эта загрузка имеет средний размер частиц около 1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Приведенные в табл.2 результаты показывают, что при использовании сверхтонких сферических кобальтовых порошков достигают заметного снижения уровня пористости. Таким образом, может быть использована более низкая температура спекания, и опять же обеспечивается усовершенствованная степень допуска изменения температуры в печи. Пример 4
Упорные стержни для системы производства 60 мм алмаза испытывали согласно характеристике, представленной как продолжительность службы при производстве алмаза. Упорные стержни производили в трех различных фракциях металлокерамического сплава и пронумеровали произвольно перед испытанием. Эксплуатационные испытания при производстве алмаза проводили, используя "обычные" рабочие условия, поскольку полученные результаты по продолжительности сравнивали с продолжительностью службы упорных стержней, используемых в настоящее время. Все упорные стержни имеют сердцевину, состоящую из незначительного количества (2%) эта-фазы в структуре. Упорные стержни фракции А производили в соответствии с традиционным производством металлокерамического сплава и использовали в качестве эталона в испытании. Упорные стержни производили, как описано в примере 1, с использованием 6% по весу традиционного кобальта, восстановленного водородом, и незначительного добавления карбида хрома. Температура спекания составила 1450oC, а металлокерамический сплав имел микропористость АО2. Микроструктура не показала зон ликвации кобальта. Упорные стержни фракций В имели состав, подобный тому, который описан для упорных стержней фракции А, но без содержания карбида хрома. Упорные стержни подвергали горячему изостатическому прессованию при 4 МПа и 1410oC вместо стандартного спекания. В микроструктуре не была получена микропористость, а присутствовала 5,2 зон ликвидации кобальта на область, как показал микроскопический осмотр металлокерамического твердого сплава. Микроструктура была равной и не было видно влияния прерывистого или распространенного лишь местами роста зерна. Упорные стержни фракции С мели состав в соответствии с изобретением, который описан в примере 2, но без содержания карбида хрома. Упорные стержни подвергали горячему изостатическому прессованию при тех же самых условиях, как и для упорных стержней фракции В. Осмотр микроструктуры металлокерамического сплава не показал микропористость (АОС) или зоны ликвации кобальта. Структура была равной без влияния прерывистого роста зерна.
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/945.gif)
Крупнозернистый карбид вольфрама с размером зерна 18 mм находился в таком состоянии, которое используют для получения испытуемых загрузок очень крупнозернистого металлокерамического сплава для конкретных асфальторежущих инструментов. Металлокерамический твердый сплав с низким содержанием кобальта и очень крупным размером зерна нуждается в достижении оптимального сочетания вязкости и износостойкости вместе с максимальным сопротивлением растрескиванию и термической усталости. Использовали ту же самую процедуру, что и в примере 3, кроме того, что время измельчения уменьшили до 9,5 ч. Фракцию Х получали с использованием 6% традиционного кобальта, а фракцию у получали с использованием сверхтонкого сферического кобальтового порошка с размером частиц 0,3
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Строгально-режущие наконечники для дорожного полотна производили из двух испытуемых загрузок и сравнивали с традиционной фракцией Z с 8 W/о Со, размером зерен WC 5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Пример 6
Из маленьких порций продукции производили головки для цилиндрических сверл диаметром 12 мм, которые имели многофазную структуру. Средний размер частиц WC составил 3,5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Фракция А (со сверхтонким кобальтом):
Эта-фазная сердцевина: (диаметр 5,0 мм)
Средний размер зерна эта-фазы: 4,1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Среднее содержание кобальта: 11,5% вес. Зона "богатая" кобальтом: (ширина 1,5 мм)
Среднее содержание кобальта: 14,2% вес. Зона, обедненная кобальтом: (ширина 2,0 мм)
Среднее содержание кобальта: 10,0% вес. Фракция В (согласно предшествующему уровню в данной области, использующей традиционный кобальт)
Эта-фазная сердцевина (диаметр 7,0 мм)
Средний размер зерна эта-фазы: 4,8
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Среднее содержание кобальта: 11,5% вес. Зона "богатая" кобальтом: (ширина 1 мм)
Среднее содержание кобальта: 15,3% вес. Зона, обедненная кобальтом: (ширина 1,5 мм)
Среднее содержание кобальта: 8,7% вес. На поверхностной зоне пористости не было видно, очевидно, что головки, полученные в соответствии с изобретением, дали более отчетливую многофазную структуру с более высоким градиентом кобальта на поверхностной зоне. Пример 7
Проводили испытания на износ и ударную вязкость вращающихся буров в карьере медного месторождения. Вращающиеся буры были типа CS размером 9 7/8 дюйма и состояли из 3 цилиндрический корпусов со сферическими головками. Диаметр головок составил 12 мм. Для одного вращающегося бура головки в соответствии с изобретением располагали во всех положениях в ряду 1. При испытаниях использовали 3 типа вращающихся буров. Бур А. Головки располагали в соответствии с примером 6 за исключением сравнительных головок, имеющих состав согласно предшествующему уровню в данной области. Бур Б. Сравнительные головки примера 6, соответствующие предшествующему уровню в данной области, находятся во всех положениях. Бур С. Стандартный металлокерамический твердый сплав с тем же самым составом, что и в примере 6, но не содержащий эта-фазу и без многослойной структуры. Оборудование для бурения: 1 рсе. ВЕ 45R
Питание:
Исходный материал: 0-60000 фунтов
Число оборотов в минуту: 60 85
Глубина отверстия: 18 20 м
Тип породы: биотитовый гнейс, слюдяной сланец
Результаты представлены в табл.6
Фракции в соответствии с изобретением имеют тем больший срок службы, чем больше скорость бурения. Измеряли изнашиваемость головок после того, как было пробурено 800 м. Результаты. Фракция А
Ряд 1. Головки в соответствии с изобретением средняя изнашиваемость 3,0 мм. Ряд 2. Средняя изнашиваемость 2,8 мм. Ряд 3. Средняя изнашиваемость 2,5 мм. Профиль изнашиваемости показал эффект самозаточки, благодаря изнашиваемости, похожей на "яичную скорлупу". Этот эффект был наиболее заметен в ряду 1. Одна головка в ряду 1 отсутствовала. Фракция В
Ряд 1. Средняя изнашиваемость 3,2 мм. Ряд 2. Средняя изнашиваемость 2,8 мм. Ряд 3. Средняя изнашиваемость 2,4 мм. Износ головок был типа "яичной скорлупы". 3 головки из одного цилиндрического конуса ряда 1 и две головки соответственно первые из двух других конусов отсутствовали. В ряду 2 отсутствовали 2 головки. Фракция С. Ряд 1. Средняя изнашиваемость 3,6 мм. Ряд 2. Средняя изнашиваемость 3,0 мм. Ряд 3. Средняя изнашиваемость 2,6 мм. Пять головок из одного цилиндрического конуса ряда 1 и четыре соответственно первые из двух других конусов отсутствовали. Скорость проникновения была замедленной после того, как пробурили 800 м. Этот опыт дал удивительно хорошие результаты для вращающихся буров, снабженных головками, выполненными в соответствии с изобретением. Проникновение вращающегося бура было также очень хорошим. Пример 8
Из 91,0 8,5 WC (2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/956.gif)
Основные гранулы 53
Модифицированные гранулы 46
После прессования и спекания металлокерамических твердый сплав приготавливали с основными и модифицированными гранулами. Определяли твердость по Викерсу, были получены следующие результаты (НV50):
Основные гранулы 1455
Модифицированные гранулы 1300
Как ожидалось, твердость металлокерамического сплава с модифицированными гранулами была меньше, чем таковая металлокерамического сплава с основными гранулами с точки зрения более высокого содержания кобальта. Структура карбидов, полученных с модифицированными гранулами, была удовлетворительной.
Формула изобретения
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/177.gif)
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2