способ измельчения спеченных твердых сплавов

Формула изобретения

1. Способ измельчения спеченных твердых сплавов, включающий нагрев материала, отличающийся тем, что измельчение ведут непосредственно после нагрева материала до температуры не ниже температуры солидуса сплава и не выше 1800°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев материала ведут в печи с защитной атмосферой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дробления или измельчения различных материалов и может быть использовано для получения порошков твердых сплавов и переработки вторичного сырья в порошковой металлургии.

В настоящее время основная часть отходов твердых сплавов подвергается химической переработке для извлечения ценных компонентов, главным образом кобальта и вольфрама [1, стр.373]. Скорость химических процессов при разделении компонентов твердого сплава часто контролируется внутренней диффузией, что обусловливает медленное протекание этих процессов и малую производительность переработки. Например, для пластин твердого сплава толщиной 4 мм при «цинковом способе» переработки полное извлечение кобальта достигается лишь за 130 минут [1, стр.376].

Известен способ переработки твердых сплавов, в котором для уменьшения прочности перерабатываемого материала перед механическим дроблением проводят закалку материала в ледяной воде от температур 1300-1400°С [1, стр.373]. По другому варианту [2] нагрев осуществляют до 750-850°С, а охлаждение ведут в 5-15% водном растворе хлорида натрия. После такой многократной обработки в твердом сплаве образуется сеть мелких трещин, что несколько облегчает процесс измельчения, но в этом случае значителен износ инструмента.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, по которому из компактного твердосплавного материала сначала выжигают металлическую связку, а затем, после охлаждения, подвергают его механическому измельчению [1, стр.373] (прототип). Для выжигания кобальтовой связки материал нагревают до температур 2300-2500°С. При таких температурах кобальтовая связка интенсивно испаряется и в сплаве, в местах ее расположения, образуется сеть мелких пустот, что значительно облегчает измельчение материала после его охлаждения.

Недостатком способа-прототипа является значительный расход энергии на нагрев материала и практически полная потеря кобальта.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение расхода энергии на термическую обработку и уменьшение потерь ценных компонентов материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измельчения спеченных твердых сплавов, включающем нагрев материала, согласно изобретению, материал нагревают до температуры не ниже температуры солидуса сплава и не выше 1800°С, а его измельчение ведут непосредственно после нагрева. Кроме того, нагрев материала ведут в печи с защитной атмосферой.

Нагрев спеченного твердого сплава перед измельчением до температуры не ниже температуры солидуса, когда в структуре сплава появляется жидкая фаза, обеспечивает ослабление сцепления между твердыми частицами материала и резкое снижение его прочности и твердости. В результате материал при измельчении его непосредственно после нагрева ведет себя подобно мягкой и хрупкой горной породе типа мела. При этом существенно сокращается время дробления материала, а также снижается износ инструмента. Температура солидуса твердого сплава определяется его химически составом, а в пределах марки сплава зависит также от содержания углерода. Для сплавов группы ВК (карбид вольфрама с кобальтовой связкой) температура солидуса изменяется в пределах 1300-1360°С, а у сплавов группы ТК (карбиды вольфрама и титана на кобальтовой связке) температура начала плавления выше - 1360-1380°С [3].

Верхняя граница диапазона температур нагрева материала выбрана 1800°С, поскольку экспериментально установлено, что при нагревании твердого сплава перед его дроблением до температур более 1800°С материал заметно размягчается, при этом даже крупные его куски прочно спекаются и прилипают к тиглю, что делает невозможным контролируемое перемещение материала в устройство для измельчения.

Указанный диапазон температур (от температуры солидуса до 1800°С) нагрева материала перед измельчением заметно снижает энергозатраты на нагрев. Кроме того, в данном диапазоне температур нагрева твердого сплава практически полностью исключены потери кобальта на испарение, поскольку давление насыщенного пара кобальта при температуре 1700°С не превышает 0,3 мм рт.ст., в то время как при 2500°С давление составляет около 300 мм рт.ст. (оценка по термодинамическим данным [4]).

Нагревание материала в печи с защитной атмосферой (например, в атмосфере печи Таммана, содержащей оксид углерода) предотвращает потерю ценных компонентов сплава за счет уменьшения их окисления при нагреве.

Способ измельчения спеченных твердых сплавов заключается в следующем. Отходы твердого сплава помещают в тигель и загружают в печь, нагретую до температуры не ниже температуры солидуса сплава и не выше 1800°С. Непосредственно после нагрева материал переносят в устройство для измельчения и дробят.

Примеры выполнения способа.

1. Измельчали отходы твердосплавных зубков от бурового инструмента. Материал зубков - сплав ВК16, диаметр 12 мм, температура солидуса 1330±5°С (определена методом дифференциального термического анализа). Порцию исходного материала массой около 300 г помещали в графитовый тигель и загружали в предварительно нагретую до 1380±5°С печь Таммана. После нагрева сплава в течение 8 мин тигель извлекали из печи и нагретый материал пересыпали в напольную стальную ступу, в которой вручную дробили материал с помощью стального песта (диаметр ступы 200 мм, масса 15 кг, масса песта 3 кг) в течение 10 сек. В результате из компактного спеченного сплава получали порошок фракцией 0,3-1,0 мм.

2. Измельчали твердосплавные пластинки для режущего инструмента. Материал - сплав Т5К10, размеры 20×8×5 мм. В качестве измельчающего устройства использовали лабораторную валковую дробилку ДГ 200×125 (диаметр валков 200 мм, материал - сталь 45, твердость 42 HRC). Нагрев материала осуществляли порциями по 300 г до температуры 1400°С в индукционной печи с графитовым тиглем. После нагрева материал плавно пересыпали по желобу в загрузочное устройство работающей дробилки, в которой был установлен зазор между валками 3 мм. Измельчение нагретого материала по мере поступления происходило легко и практически мгновенно. Всего было переработано 10 кг сплава.. Износа и повреждения валков (риски, вмятины) не обнаружено. Нагрев инструмента незначителен. В результате опытов был получен порошок, большая часть которого представлена приблизительно изометрическими зернами размером менее 2,5 мм.

Химический анализ исходного и измельченного материала показал идентичность их состава в пределах точности измерений, что свидетельствовало об отсутствии угара ценных компонентов сплава.

Опыты с измельчением нагретого спеченного твердого сплава показали, что для дробления может быть применен инструмент из простой малоуглеродистой стали, поскольку его износ незначителен.

Источники информации

1. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, 2001. - 428 с.

2. Описание изобретения к патенту РФ № 2170646, B22F 9/04, 2001.

3. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. - М.: Металлургия, 1991. - 205 с.

4. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. - М.: Металлургия, 1982. - 392 с.