способ изготовления наноструктурированного сплава на основе модифицированного карбида вольфрама

Формула изобретения

Способ получения наноструктурированного сплава на основе карбида вольфрама, включающий смешивание порошков, содержащих карбид вольфрама, отличающийся тем, что осуществляют смешивание однородных гранул сплава ВК8 размером 1-5 мкм, составляющих (90±1) мас.%, и монокристаллического нанопорошка карбида вольфрама с размером частиц в диапазоне 10-200 нм с логнормальной функцией распределения частиц нанопорошка по размерам в количестве (10±1) мас.%, при этом полученную шихту после перемешивания подвергают одностадийному и низкотемпературному процессу спекания, состоящему в двухступенчатом нагреве формы в вакууме до 600-700°С в течение 3 часов с выдержкой в течение 1 часа и дальнейшем нагреве в течение 1 часа до температуры спекания 1250-1300°С с выдержкой при этой температуре в течение 10 минут и последующим охлаждением формы до нормальной температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для получения изделий из сверхтвердых материалов на основе карбида вольфрама. Режущий инструмент, изготовленный из этого материала, может найти применение в машиностроении, в частности в металлообрабатывающей промышленности для черновой обработки закаленных сталей, для точения с ударом, «прерывистого точения» закаленных сталей, буровых систем и т.д.

Известен патент № 2351676 «Спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама», используемый для изготовления режущего инструмента. Твердый сплав содержит карбид вольфрама и связку, состоящую из молибдена, ниобия, рения и кобальта.

Недостатком данного изобретения является использование чистого карбида вольфрама и содержание редкоземельных металлов в связке, что повышает его стоимость, а также недостаточный предел прочности при изгибе, что ограничивает его применение при высокоскоростных режимах обработки и в ответственных узлах механизмов.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ получения спеченного твердого сплава», патент РФ № 2048569, в котором производят смешивание порошка карбида вольфрама с порошками карбида тантала и кобальта в необходимых соотношениях. Смешивание производят совместным мокрым размолом (например, в среде спирта) в барабанной мельнице или атритторе с размольными шарами. Совместный размол ведут до получения удельной поверхности смеси 2,6-3,8 м²/г. Смесью заполняют формы и спекают в водородной среде или в вакууме.

Недостатком данного способа является многокомпонентный связующий материал, сложный процесс приготовления шихты, процесс спекания в водородной среде.

Задачей изобретения является способ изготовления сплава, использующего гранулы сплава ВК8 и порошка модифицированного карбида вольфрама с низкой себестоимостью его производства.

Техническим результатом от применения способа получения наноструктурированного сверхпластичного сплава является увеличение его технических характеристик, а именно: твердости, прочности на изгиб и сжатие, а также повышение износо- и радиационной устойчивости.

Указанная задача решается за счет того, что предлагаемый способ получения наноструктурированного сверхпластичного сплава, также как известный, содержит порошки, содержащие карбид вольфрама.

Однако в отличие от известного в предлагаемом способе получения наноструктурированного сверхпластичного сплава в шихте в качестве матрицы используют гранулы сплава ВК8 размера 1-5 мкм, составляющие (90±1) мас.%, и монокристаллический нанопорошок карбида вольфрама с размером частиц в диапазоне 10-200 нм с мультифрактальной (логнормальной) функцией распределения частиц нанопорошка по размерам в количестве (10±1) мас.%, при этом полученная шихта, после перемешивания, подвергается одностадийному и низкотемпературному процессу спекания, состоящему в двухступенчатом нагреве формы готового изделия в вакууме до (600-700)°С в течение 3 часов с экспозицией в течение 1 часа и дальнейшим нагревом в течение 1 часа до температуры спекания (1250-1300)°С с экспозицией при этой температуре в течение 10 минут и последующим охлаждением формы готового изделия до нормальной температуры.

Исходные гранулы сплава ВК8, которые могут быть получены, размолом до 1-5 мкм и составляющие основную массу (матрицу) шихты смешивают с монокристаллическим нанопорошком карбида вольфрама с размером частиц от 10 до 200 нм. Особенностью данного способа является то, что частицы нанопорошка карбида вольфрама должны подчиняться мультифрактальной (логнормальной) функции распределения частиц по размерам, получаемых в результате центрифугирования с шагом 20 нм с последующей сборкой функции распределения из отдельных фракций. В результате образуется наноструктурированный материал, не имеющий пустот и обладающий мелкозернистой структурой. Далее шихту помещают в форму и подвергают медленному нагреву в вакууме до (600-700)°С в течение 3-х часов и выдержкой при этой температуре в течение 1 часа. При этом происходит бурный рост кристаллитов нанофазы и формирование плотноупакованной структуры материала. Затем производят нагрев в течение 1 часа до температуры спекания (1250-1300)°С с последующей выдержкой в течение 10 минут. При этой операции из микрокристаллитов матрицы выплавляется Со, заполняя нанопоры и формируя правильные градиенты атомов примеси (т.е. Со) вдоль системы границ, обеспечивающих устойчивость этой системы границ за счет образования кобальтовой связки. После выдержки форму охлаждают до нормальной температуры.

Получаемый сплав обладает техническими характеристиками, существенно более высокими, чем многие сплавы этой категории, в частности твердость HRA не менее 92,2, прочность на изгиб не менее 2910 мПа и на сжатие не менее 4200 мПа, а также повышенной в 7-10 раз по сравнению с ВК-8 износоустойчивостью и радиационной устойчивостью в 2-3 раза по сравнению с чистым карбидом вольфрама. Полученные характеристики достигаются благодаря формированию устойчивой системы внутренних границ и связанным с этим эффектом сверхпластичности - обратимой микроподвижности гранул матрицы сплава ВК8 относительно друг друга, а также за счет интенсивных процессов переноса образующихся при нагрузке дислокации, вдоль системы границ из внутренней части к внешней поверхности сплава.

Преимуществом предлагаемого способа является его низкая себестоимость как за счет компонентов, входящих в сплав, так и за счет использования существующих на производствах печей, способных осуществлять используемый одностадийный низкотемпературный режим спекания.