способ изготовления тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида

Формула изобретения

1. Способ изготовления тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида, включающий подготовку формы с верхним отверстием, размещение в форме пресс-массы, содержащей порошок карбида и пластификатор, виброуплотнение с получением формовки, удаление пластификатора, спекание в неокислительной среде, размещение пропитывающего металла и нагрев в неокислительной среде до температуры, превышающей температуру ликвидуса пропитывающего металла и обеспечивающей инфильтрацию формовки, отличающийся тем, что используют форму из огнеупорного материала, химически не взаимодействующего с расплавом пропитывающего металла и имеющего точку плавления выше температуры инфильтрации, а удаление пластификатора, спекание и инфильтрацию формовки проводят в одной и той же форме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пластификатора используют этиловый спирт.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что виброуплотнение осуществляют с приложением внешнего давления.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление пластификатора, спекание и инфильтрацию осуществляют за одну операцию.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление пластификатора и спекание осуществляют отдельно от инфильтрации.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форму, изготовленную из стали, облицованной слоем из огнеупорных окислов, химически не взаимодействующих с расплавом пропитывающего металла.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форму, изготовленную из огнеупорных окислов.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка карбида используют порошок карбида титана.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошка карбида используют порошок карбида вольфрама.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве пропитывающего металла используют медные сплавы, никелевые жаропрочные сплавы, хромоникелевые стали, вольфрамомолибденовые стали.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют форму, в нижней части которой выполнено отверстие, закрытое пористой крышкой со сквозными порами из карбида, контактирующей с дном керамического тигля из материала, химически не взаимодействующего с расплавом пропитывающего металла, при этом пропитывающий металл размещают в тигле, а инфильтрацию формовки производят через крышку.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к изготовлению износостойких тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида, в частности шаровых затворов, втулок для подшипников скольжения и т.д.

Известен способ изготовления изделий из композита, включающий подготовку пресс-массы на основе порошка карбида титана с добавкой пластификатора (синтетический каучук, парафин, стеарат цинка) в количестве до 15%, ее прессование в форме, извлечение формовки из формы, удаление пластификатора и спекание в неокислительной среде для превращения формовки в тугоплавкое пористое тело. Далее формовку инфильтруют расплавами переходных металлов также в неокислительной среде при температурах 1400...1600°С. Полученные изделия сочетают высокую твердость и износостойкость тугоплавкой основы и прочность металлической связки [Киффер Р., Бенезовский Ф. Твердые сплавы. Перевод с немецкого. М. Металлургия, 1971. - 390 с.].

Недостатками способа являются трудность получения равнопористых по объему тонкостенных формовок или формовок с внутренней полостью в связи с плохой прессуемостью непластичных карбидных частиц даже при введении в пресс-массу большого объема пластификатора, подлежащего впоследствии удалению, трудность извлечения формовки без ее разрушения из формы, а также склонность к деформации формовки и получаемого изделия (заготовки) при инфильтрации из-за изолирования частиц формовки прослойками пропитывающего металла и нарушения ее целостности.

Известен способ (прототип) изготовления изделий из композита, в частности сложнопрофильных матриц, заключающийся в изготовлении из порошков тугоплавких карбидов пористой формовки и последующей ее инфильтрации расплавом металла. В этом способе по модели изготавливают податливую форму из силиконовых каучуков. К тугоплавкому порошку добавляют пластификатор, пресс-массу подогревают и загружают в форму в вакууме для удаления из нее летучих веществ и отверждения связки, после чего полученную формовку, имеющую достаточную прочность, извлекают из формы. С целью лучшей формуемости используют виброуплотнение. Податливость формы позволяет без разрушения извлекать из нее сложнопрофильные формовки. Далее формовку нагревают для выжигания связки и инфильтруют расплавом металла [Патент США №4327156, индекс МПК B22F 3/00, С22С 1/05, заявлено 12.05.1980, опубликовано 27.04.1982].

Недостатки прототипа и аналога идентичны - склонность к деформации пористой формовки и получаемой заготовки при инфильтрации и трудность получения тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида.

Задачей изобретения является упрощение технологического процесса изготовления тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида при сохранении их качества.

Поставленная задача решается способом изготовления тонкостенных изделий или изделий с внутренней полостью из композита на основе карбида, включающим подготовку формы с верхним отверстием, размещение в форме пресс-массы, содержащей порошок карбида и пластификатор, виброуплотнение с получением формовки, удаление пластификатора, спекание в неокислительной среде, размещение пропитывающего металла и нагрев в неокислительной среде до температуры, превышающей температуру ликвидуса пропитывающего металла и обеспечивающей инфильтрацию формовки, отличающимся тем, что используют форму из огнеупорного материала, химически не взаимодействующего с расплавом пропитывающего металла и имеющего точку плавления выше температуры инфильтрации, а удаление пластификатора, спекание и инфильтрацию формовки проводят в одной и той же форме.

В качестве пластификатора может быть использован этиловый спирт.

Виброуплотнение может быть осуществлено с приложением внешнего давления.

Удаление пластификатора, спекание и инфильтрация могут быть осуществлены за одну операцию.

Удаление пластификатора и спекание могут быть осуществлены отдельно от инфильтрации.

Может быть использована форма, изготовленная из стали, облицованная слоем из огнеупорных окислов, химически не взаимодействующих с расплавом пропитывающего металла.

Может быть использована форма, изготовленная из огнеупорных окислов.

В качестве порошка карбида может быть использован порошок карбида титана.

В качестве порошка карбида может быть использован порошок карбида вольфрама.

В качестве пропитывающего металла могут быть использованы медные сплавы, никелевые жаропрочные сплавы, хромоникелевые стали, вольфрамомолибденовые стали.

Может быть использована форма, в нижней части которой выполнено отверстие, закрытое пористой крышкой со сквозными порами из карбида, контактирующей с дном керамического тигля из материала, химически не взаимодействующего с расплавом пропитывающего металла, при этом пропитывающий металл размещают в тигле, а инфильтрацию формовки производят через крышку.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:

Фиг.1 - стальная форма для изготовления тонкостенной втулки подшипника:

1 - стальная форма;

2 - огнеупорный слой;

3 - пресс-масса из карбида вольфрама;

4 - пропитывающий металл.

Фиг.2 - заготовка тонкостенной втулки подшипника:

5 - заготовка тонкостенной втулки.

Фиг.3 - керамическая форма из окиси алюминия для изготовления заготовки шарового затвора с пресс-массой и пропитывающим металлом:

4 - пропитывающий металл;

6 - керамическая форма;

7 - стояк керамической формы;

8 - пресс-масса из карбида титана;

9 - перфорированная крышка;

10 - сквозные отверстия;

12 - пуансон.

Фиг.4 - твердосплавная заготовка шаровой пробки:

11 - заготовка шаровой пробки.

Фиг.5 - вариант исполнения формы с нижней крышкой:

4 - пропитывающий металл;

13 - нижнее отверстие керамической формы;

14 - крышка;

15 - керамический тигель;

16 - зазор.

Пример 1.

Изготавливали точную заготовку тонкостенной втулки подшипника из композита на основе карбида вольфрама в стальной форме 1 (фиг.1). На внутреннюю поверхность стальной формы после травления кислотами наносили керамический слой окунанием в суспензию на основе окиси алюминия. После сушки и термообработки при температуре 500°С на внутренней стенке формы образовывался огнеупорный слой 2 толщиной 0,3-0,5 мм. Далее готовили пресс-массу на основе порошка карбида вольфрама с размерами частиц 10-20 мкм с добавкой пластификатора - этилового спирта в количестве 10% по объему. В данном случае этиловый спирт использовался для улучшения формуемости порошка. Пресс-массу 3 размещали в полости формы. Форму закрепляли на вибростоле и порошок уплотняли в течение 30 с при колебаниях с частотой 30 Гц и амплитудой 0,5-0,6 мм. Далее на порошковой формовке размещали пропитывающий металл 4, представляющий собой сплав меди с 40% никеля по массе. Форму ставили в камеру вакуумной электропечи, вакуумировали и включали нагрев. При температуре 1000°С давали выдержку в течение 1,0 ч для спекания частиц карбидного порошка, в результате чего получали спеченную формовку в полости формы пористостью 45-47%. Далее температуру доводили до 1250°С, форму выдерживали при ней в течение 0,5 ч для инфильтрации формовки расплавом металла и выключали нагрев. После охлаждения и воздействия на форму ударных нагрузок из нее извлекали беспористую точную заготовку тонкостенной втулки подшипника 5 (фиг.2) из композита с содержанием карбида вольфрама ориентировочно 53-55% по объему, твердость материала равнялась 50...55 HRC. В дальнейшем стальная форма использовалась многократно для изготовления втулок из композита.

Пример 2.

Изготавливали точную заготовку шарового затвора Ду50 (полый шар с наружным диаметром 90, толщиной стенки 5, диаметрами входного и выходного отверстий 50 мм) из композита путем инфильтрации формовки из карбида титана, размещенной в огнеупорной форме из окиси алюминия, никелевым жаропрочным сплавом марки ЖС6У (фиг.3). Форму изготавливали многократным нанесением на легкоплавкую модель керамических слоев путем ее окунания в суспензию из тонкомолотого электрокорунда (окиси алюминия) и обсыпки электрокорундовым песком в «псевдокипящем» слое с последующей вакуумно-аммиачной сушкой. После получения достаточной толщины оболочки, удаления модели из нее, сушки и спекания в камерной печи при температуре 980°С получали огнеупорную форму из окиси алюминия.

В подготовленной форме 6 со стояком 7 размещали пресс-массу из порошка карбида титана 8 фракции 63/10 мкм в количестве 0,25 кг с добавлением этилового спирта. После закрепления формы на вибростоле пресс-массу уплотняли вибрацией с частотой колебаний 30 Гц и их амплитудой 0,6 мм. В результате получали формовку пористостью 45% и средним размером пор 35 мкм. Формовку сверху закрывали перфорированной крышкой 9 из спеченного электрокорунда со сквозными отверстиями 10. На крышку помещали мерные кусочки металла 4 - сплава ЖС6У массой 0,30 кг, т.е. с некоторым избытком по массе для гарантированного заполнения всего объема пор карбидной формовки.

Процесс инфильтрации формовки расплавом металла вели в вакуумной электропечи модели ОКБ-8086, контроль температуры осуществляли вольфрам-вольфрамрениевой термопарой. Подготовленную форму с формовкой и металлом помещали в камеру электропечи, ее герметизировали и после достижения в ней остаточного давления не более 1,0 Па включали нагрев. Нагрев формы вели ступенчато по режиму:

- нагрев до температуры 1300±10°С и спекание формовки при этой температуре в течение 2,0 ч;

- нагрев до температуры 1500±10°С и выдержка при этой температуре 0,5 ч для расплавления пропитывающего металла и полной инфильтрации спеченной формовки через перфорированную крышку;

- охлаждение формы при выключенном нагреве.

В результате получали беспористую заготовку шарового затвора 11 из твердого сплава на основе карбида титана со связкой из сплава ЖС6У (фиг.4). Заготовку извлекали из формы путем ее разрушения и обрабатывали абразивным инструментом для получения готовой детали. Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 54-56%, твердость композита равнялась 60...63 HRC.

Пример 3.

Изготавливали точную заготовку шарового затвора по примеру 2. При этом формовку придавливали стальным пуансоном 12 (фиг.3) с полированной торцовой поверхностью для создания статической нагрузки на порошок карбида титана. После виброуплотнения пуансон удаляли, а формовку сверху закрывали перфорированной крышкой. Далее процесс производили по примеру 2.

Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 60-62%, твердость композита равнялась 63...66 HRC.

Пример 4.

Изготавливали точную заготовку шарового затвора по примеру 3. При этом после виброуплотнения формовку спекали в вакууме при температуре 1500±10 С в течение 2,0 ч, после чего производили самопроизвольное охлаждение при выключенном нагреве. После разгерметизации и открытии камеры формовку закрывали перфорированной крышкой, на ней укладывали металл 4, камеру закрывали, вакуумировали, форму нагревали до температуры 1500±10°С и выдерживали при ней 0,5 ч. Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 64-67%, твердость композита равнялась 65...68 HRC.

Пример 5.

Изготавливали заготовку шарового затвора по примеру 2. При этом в качестве металла брали сталь хромоникелевую марки 12Х18Н10Т массой 0,28 кг.Температуру инфильтрации выдерживали равной 1550±10°С.

В результате проведения процесса получали беспористую заготовку шарового затвора из твердого сплава на основе карбида титана со стальной связкой. Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 54-56%, твердость композита равнялась 58...61 HRC.

Пример 6.

Изготавливали заготовку шарового затвора по примеру 2. При этом в качестве металла брали сталь вольфрамомолибденовую марки Р6М5 массой 0,30 кг. Температуру инфильтрации выдерживали равной 1550±10°С.

В результате проведения процесса получали беспористую заготовку шарового затвора из композита на основе карбида титана со стальной связкой. Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 54-56%, твердость композита равнялась 63...65 HRC.

Пример 7.

Изготавливали заготовку шарового затвора по примеру 2. При этом в нижней части формы выполняли отверстие 13 (фиг.5), которую перед размещением пресс-массы закрывали крышкой 14. Нижнюю крышку изготовляли по известной технологии путем прессования порошка карбида титана с размерами частиц фракции 63/10 мкм и его спекания при температуре 1550±10°С с получением в ней открытой пористости, равной 45%, и среднего диаметра сквозных пор ориентировочно 30 мкм.

Форму ставили в предварительно изготовленный керамический тигель 15 таким образом, чтобы крышка 14 всей нижней торцовой поверхностью контактировала с дном тигля. Тигель изготовляли из огнеупорного материала, например электрокорунда, химически не взаимодействующего с расплавом металла. В тигле размещали навеску металла 4 массой 0,34 кг. Между дном керамического тигля и оболочковой формой обеспечивали зазор 16 для поступления расплава металла к крышке 14. При этом инфильтрацию проводили через нижнюю крышку формы. Расплав металла инфильтровывал нижнюю крышку и через нее - спеченную формовку из карбида титана.

В результате проведения процесса получали беспористую заготовку шарового затвора из композита карбида титана. Объемное содержание карбидной основы в композите составляло 54-56%, твердость композита равнялась 60...63 HRC.

Пример 8.

По технологии прототипа изготавливали шайбу диаметром 30 мм и высотой 10 мм (из-за невозможности изготовления тонкостенных и с внутренними полостями изделий аналогично изобретению). Из пресс-массы на основе карбида титана с добавкой гранулированного парафина (5% по массе) в податливой форме из силиконового каучука с использованием вибрации получали формовку, которую удаляли из формы и спекали в вакуумной печи при температуре 1500±10°С в течение 0,5 ч. Полученную спеченную формовку - шайбу пористостью около 45% инфильтровали сплавом ЖС6У при температуре 1500±10°С в течение 0,5 ч. В результате получали беспористое изделие - шайбу из композита с твердостью 60-63 HRC.

Таким образом, способ по настоящему изобретению позволяет упростить технологический процесс изготовления тонкостенных изделий или изделий с внутренними полостями из композита на основе карбида с обеспечением высокой твердости и отсутствием их деформации.