способ получения твердого сплава на основе литого эвтектического карбида вольфрама и твердый сплав, полученный этим способом

Формула изобретения

1. Способ получения твердого сплава на основе литого эвтектического карбида вольфрама фазового состава (WC-W₂C), включающий смешивание порошка литого эвтектического карбида вольфрама с порошком металлического связующего, прессование и спекание или горячее изостатическое прессование, отличающийся тем, что смешиванию подвергают порошок литого эвтектического карбида вольфрама чешуйчатой формы, смешивание со связующим осуществляют до формирования на поверхности порошка эвтектического карбида вольфрама покрытия из металлического связующего, а прессованию подвергают полученный композиционный порошок размером 1-10 мкм, состоящий из ядра эвтектического карбида вольфрама и покрытия из металлического связующего.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошки смешивают в следующем соотношении, мас.%: эвтектический карбид вольфрама - 80-95, металлическое связующее - остальное.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве металлического связующего используют порошок Со, Ni, Fe или сплавов на их основе.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что литой эвтектический карбид вольфрама чешуйчатой формы получают методом центробежного распыления расплава на водоохлаждаемую поверхность.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что получают частицы порошка литого эвтектического карбида вольфрама чешуйчатой формы, имеющие толщину 1-5 мкм, ширину 1-2 мкм и длину 3-10 мкм.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед смешиванием со связующим порошок литого эвтектического карбида вольфрама измельчают.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве связующего используют сплав на основе меди.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве связующего используют мелкодисперсный порошок сплава на основе меди, содержащего 6-10 мас.% Ni и 9-14 мас.% Mn.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что порошок сплава на основе меди предварительно получают методом центробежного распыления.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при смешивании чешуйчатого порошка литого эвтектического карбида вольфрама со связующим осуществляют измельчение порошка до размера частиц 1-2 мкм.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что смешивание и измельчение проводят в вибрационной шаровой мельнице в атмосфере защитного газа, в частности аргона.

12. Спеченный твердый сплав на основе литого эвтектического карбида вольфрама фазового состава (WC-W₂C), содержащий металлическую связку, отличающийся тем, что он получен способом по любому из пп.1-11 и имеет структуру с равномерно распределенной фазой карбида вольфрама с размером зерна менее 10 мкм.

13. Твердый сплав по п.12, отличающийся тем, что он содержит литой эвтектический карбид вольфрама в количестве 80-95 мас.%.

14. Твердый сплав по п.12, отличающийся тем, что в качестве металлической связки он содержит Со, Ni, Fe или сплавы на их основе.

15. Твердый сплав по п.12, отличающийся тем, что в качестве металлической связки он содержит сплав на основе меди, содержащий 6-10 мас.% Ni и 9-14 мас.% Mn.

16. Твердый сплав по п.12, отличающийся тем, что величина зерна эвтектического карбида вольфрама составляет 1-2 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам, и может быть использовано в различных отраслях деятельности для изготовления износостойких и ответственных деталей, подверженных интенсивному изнашиванию в процессе эксплуатации.

Эксплуатационные свойства спеченных твердых сплавов в основном определяются их износостойкостью и прочностью. К примеру, недостаточная прочность твердых сплавов ограничивает режим при резании металлов или силу при бурении и заставляет подбирать марку твердого сплава, обладающую минимально допустимой прочностью для возможно незначительного повышения износостойкости. В связи с чем проблема повышения прочности твердых сплавов при сохранении уровня износостойкости является весьма актуальной.

В последнее время большое распространение получил новый материал - литой эвтектический карбид вольфрама фазового состава (WC-WC₂), называемый рэлитом, который нашел применение в качестве наплавочного материала для инструмента, в частности для бурового. Основным достоинством рэлита является то, что при наплавке он остается в твердом состоянии в отличие от других твердых сплавов. Порошок рэлита обладает высокой плотностью и практическим отсутствием дефектов, что обусловливает его высокую твердость, в связи с чем разработка технологии создания твердых сплавов, содержащих рэлит, может значительно увеличить срок службы ответственных изделий, работающих в условиях многоцикловых и ударных нагрузок.

Попытки создания подобных сплавов по стандартным технологиям известны из уровня техники. Так известен твердый сплав на основе литого эвтектического карбида вольфрама, полученный способом, при котором порошок литого эвтектического карбида вольфрама размещают в графитовой форме, а затем подвергают инфильтрации расплавленным связующим из сплава на основе меди (GB 2393449 A, опубл. 31.03.2004). Также известен твердый сплав на основе карбида вольфрама, в котором присутствуют частицы литого карбида вольфрама, полученный способом, включающем компактирование размещенного в прессформе порошка карбида вольфрама и порошка связующего - никеля, кобальта или железа, и последующее спекание с инфильтрацией связующим (DE 3626031 A1, опубл. 11.02.1988).

Наиболее близким к предложенному изобретению является способ получения твердого сплава на основе литого эвтектического карбида вольфрама, включающий смешивание сферических гранул литого эвтектического карбида вольфрама со связующим металлом и спекание при температуре выше температуры плавления связующего. В качестве связующего используют по меньшей мере один металл, выбранный из кобальта, никеля, железа (WO 2005/106183 A1, опубл. 10.11.2005). Из указанного источника известен также твердый сплав, содержащий литой эвтектический карбид вольфрама в количестве 60-65 об.%, остальное - связующее, полученный по приведенной выше технологии. Несмотря на то что указанный сплав содержит большое количество литого карбида вольфрама, имеющего высокую твердость, сплав, полученный по стандартной технологии, имеет недостаточную прочность вследствие неравномерного распределения связующей фазы и разрушения карбидных зерен после весьма малой пластической их деформации в результате концентрации напряжений, вызванной скоплением у граней карбидных кристаллов групп дислокации, возникших в связующей фазе.

Задачей изобретения является разработка технологии получения твердых сплавов на основе литого эвтектического карбида вольфрама, позволяющей получить сплав с высокими эксплуатационными характеристиками.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и твердости сплава на основе литого эвтектического карбида вольфрама при сохранении высокого уровня износостойкости.

Технический результат достигается тем, что в способе получения твердого сплава на основе литого эвтектического карбида вольфрама фазового состава (WC-W₂ C), включающем смешивание порошка литого эвтектического карбида вольфрама с порошком металлического связующего, прессование и спекание или горячее изостатическое прессование, смешивают порошок литого эвтектического карбида вольфрама чешуйчатой формы, смешивание со связующим осуществляют до получения композиционного порошка размером 1-10 мкм, состоящего из ядра эвтектического карбида вольфрама и покрытия из металлического связующего.

В частных случаях реализации порошки смешивают в следующем соотношении, мас.%: эвтектический карбид вольфрама - 80-95, металлическое связующее - остальное. В качестве металлического связующего можно использовать порошок Со, Ni, Fe или сплавов на их основе. Также в качестве связующего можно использовать сплавы на основе меди, которые могут быть получены методом центробежного распыления, в частности сплав на основе меди, содержащий 6-10 мас.% Ni и 9-14 мас.% Mn. Литой эвтектический карбид вольфрама чешуйчатой формы получают методом центробежного распыления расплава на водоохлаждаемую поверхность с получением частиц порошка чешуйчатой формы, имеющих толщину 1-5 мкм, ширину 1-2 мкм и длину 3-10 мкм. Перед смешиванием со связующим порошок литого эвтектического карбида вольфрама измельчают, в частности до размера частиц 1-2 мкм, а в качестве связующего при смешивании используют мелкодисперсный порошок. Возможно измельчение чешуйчатого порошка литого эвтектического карбида вольфрама при смешивании со связующим, при этом смешивание и измельчение проводят в вибрационной шаровой мельнице в атмосфере защитного газа, в частности аргона.

Технический результат достигается также в полученном по предложенному способу спеченном твердом сплаве на основе литого эвтектического карбида вольфрама фазового состава (WC-W₂C), содержащем металлическую связку и имеющем структуру с равномерно распределенной фазой карбида вольфрама с размером зерна менее 10 мкм, в частности 1-2 мкм. При этом содержание литого эвтектического карбида вольфрама в сплаве может достигать 80-95 мас.%, в качестве металлической связки он может содержать Со, Ni, Fe или сплавы на их основе или сплавы на основе меди, в частности сплав на основе меди, содержащий 6-10 мас.% Ni и 9-14 мас.% Mn.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Прочностные свойства твердых сплавов определяются не только составом и структурой, но и дефектами: макроскопической и микроскопической пористостью, микротрещинами, состоянием границ зерен. Известно, что механические свойства резко понижаются с увеличением пористости.

Согласно предложенному способу операцию смешивания осуществляют до образования композиционного порошка, состоящего из ядра эвтектического карбида вольфрама и равномерно распределенного по поверхности ядра тонкого слоя покрытия из металлического связующего. При последующем жидкофазном спекании на его начальных стадиях наличие на карбидных частицах тонкой пленки способствует их равномерному перераспределению. В результате при спекании формируется сплошной карбидный скелет с включениями в него связующей фазы, образующей связующий скелет, тонкие прослойки которого равномерно обволакивают зерна литого эвтектического карбида вольфрама, что приводит к снижению пористости твердого сплава, улучшению состояния границ зерен, снижению микротрещин, а следовательно, к повышению его прочности и твердости.

Развитая поверхность порошка литого эвтектического карбида вольфрама чешуйчатой формы улучшает при смешивании диффузию связующего металла в решетку карбида вольфрама, в результате формируется равномерный тонкий слой покрытия в композиционных частицах, влияющий на получение равномерной структуры сплава, а следовательно, и на повышение прочностных характеристик.

Выбор размера композиционного порошка объясняется следующим. Известно, что с увеличением размера зерна прочность любого сплава снижается. Экспериментально установлено, что увеличение размера композиционного порошка более 10 мкм снижает прочностные характеристики сплава. Использование композиционного порошка с размером меньше 1 мкм приводит при спекании к появлению областей с неравномерно распределенными зернами, что также отрицательно сказывается на прочностных свойствах сплава.

Далее приведены примеры реализации.

1. Изготавливали твердый сплав из порошков рэлита и кобальта.

Предварительно получали порошок твердого сплава (рэлита) с чешуйчатой формой частиц методом центробежного распыления с последующим дроблением полученного порошка до требуемого размера.

Для получения порошка исходную крупку рэлита в форме дробленого рэлита с частицами неправильной формы размером от 0,1 до 3 мм загружали в приемный бункер-дозатор установки центробежного распыления. В качестве распылителя и кристаллизатора использовали вращающийся медный водоохлаждаемый тигель с соосно закрепленным на нем медным водоохлаждаемым экраном-кристаллизатором. Экран-кристаллизатор представляет собой раскрывающийся от тигля усеченный конус с углом при вершине 120°, причем экран кристаллизатор жестко закреплен на тигле и представляет вместе с ним единую водоохлаждаемую конструкцию, которая вращается с единой угловой скоростью от привода вращения. Диаметр кромки тигля 60 мм. Наружный диаметр экрана-кристаллизатора 160 мм. Установку вакуумировали и заполняли инертным газом (аргон) до атмосферного давления. Включали водяное охлаждение тигля и кристаллизатора. Тигель с закрепленным на нем экраном-кристаллизатором приводили во вращение до скорости 1500 об/мин. Между внутренней полостью тигля и неплавящимся вольфрамовым электродом, расположенным над тиглем, возбуждали электрическую дугу, анодное пятно которой фиксировали на внутренней боковой поверхности тигля. Ток дуги был равен 600-620 А, напряжение на дуге 40-45 В. Во внутреннюю полость тигля из бункера-дозатора подавали крупку релита со скоростью 8 кг/час. Попадая в полость вращающегося тигля, материал крупки плавится под действием тепла дуги. Образующийся расплав поднимается по стенке тигля, достигает кромки и под действием центробежных сил отрывается от кромки тигля в виде мелких расплавленных капель. Пролетев в свободном полете расстояние примерно 2-4 см, капля расплава достигает поверхности вращающегося экрана-кристаллизатора с углом встречи ~12-14°. Ударившись о поверхность водоохлаждаемого экрана, жидкая капля растекается по нему и быстро затвердевает в частицу, фиксирующую форму. Полученный таким образом чешуйчатый порошок дополнительно измельчали в вибрационной шаровой мельнице в атмосфере аргона до получения однородного порошка с размером частиц 1-2 мкм. Измельченный порошок смешивали с порошком кобальта в соотношении: 85 мас.% - порошок релита, 15 мас.% - порошок кобальта, до получения композиционного порошка. Полученный композиционный порошок прессовали «на холоду» в таблетки диаметром 10 мм, высотой 5 мм до плотности 65-70% и спекали в вакууме при температуре 1230°C в течение 30 мин. Полученный сплав имел твердость 90 HRA и прочность на сжатие 6320 МПа.

Пример 2. Изготавливали твердый сплав из порошков релита и никеля.

Предварительно получали порошок твердого сплава (релита) с чешуйчатой формой частиц методом центробежного распыления с последующим дроблением полученного порошка до требуемого размера по технологии примера 1 до получения однородного по форме порошка с размером частиц 1-2 мкм. Измельченный порошок релита смешивали с порошком никеля в соотношении: 90 мас.% - порошок релита, 10 мас.% - порошок никеля до образования композиционного порошка. Полученный порошок прессовали «на холоду» в таблетки диаметром 10 мм, высотой 5 мм до плотности 65-70% и спекали в вакууме при температуре 1250°C в течение 30 мин. Полученный сплав имел твердость 92 HRA и предел прочности на сжатие 6152 МПа.

Пример 3. Изготавливали твердый сплав из порошков релита и сплава медь-никель-марганец.

Предварительно получали порошок твердого сплава (релита) и порошок связки медь-никель-марганец методом центробежного распыления с получением порошков с чешуйчатой формой частиц. Полученные порошки смешивали в соотношении: 90 мас.% - порошок релита, 10 мас.% - порошок сплава медь-никель-марганец. Полученную смесь помещали в вибрационную шаровую мельницу в атмосфере аргона и проводили обработку смеси до получения однородного композиционного порошка с размером частиц 1-2 мкм. Горячим прессованием в вакууме в графитовой прессформе при температуре 1150°C получали компактный сплав диаметром 10 мм, высотой 6 мм. Твердость полученного сплава составила 93 HRA, предел прочности на сжатие составил 6280 МПа.

Пример 4. Изготавливали твердый сплав из порошков релита и кобальта.

Предварительно получали порошок твердого сплава (релита) с чешуйчатой формой частиц методом центробежного распыления. Полученный чешуйчатый порошок релита с размером частиц: толщина 1-3 мкм, ширина 1-2 мм, длина 3-7 мм, смешивали с мелкодисперсным порошком кобальта в соотношении 85 мас.% - порошок релита, 15 мас.% - порошок кобальта. Полученную смесь помещали в шаровую мельницу и проводили обработку до получения однородного композиционного порошка с размером частиц 1-2 мкм. Полученный композиционный порошок прессовали «на холоду» в таблетки диаметром 10 мм, высотой 5 мм до плотности 65-70% и спекали в вакууме при температуре 1230°C в течение 30 мин. Полученный сплав имел твердость 90 HRA и предел прочности на сжатие - 6350 МПа.

Таким образом, предложена технология получения твердых сплавов на основе литого эвтектического карбида вольфрама, позволяющая получать твердые сплавы на его основе, обладающие высоким уровнем прочностных свойств, отвечающих за эксплуатационные характеристики материала.