Спосіб одержання твердих сплавів

Спосіб одержання твердих сплавів, який включає пресування шихти, спікання при нагріванні зі швидкістю 35-40град./хв. до 800-850°С з наступною витримкою упродовж 30-40хв., нагрівання зі швидкістю 50-55град./хв. до температури рідкофазного спікання з наступною витримкою, який відрізняє ться тим, що після нагрівання до температури рідкофазного спікання проводять витримку упродовж 3-20хв., а після цього температуру знижують до температури твердофазного спікання 1200-1250°С і здійснюють витримку упродовж 60120хв. Винахід відноситься до області порошкової металургії, а саме до одержання твердих сплавів з підвищеними характеристиками твердості і міцності і може бути використаний для виготовлення інструменту. Відомо, що тверді сплави групи WC-Co на сьогодні значно випереджають інші матеріали за обсягом використання для виготовлення різного роду металорізального, деформуючого і бурового інструменту, що експлуатується в умовах інтенсивного зносу та під дією високих температур і навантажень. Тому підвищення експлуатаційних характеристик такого інструменту в умовах постійного зменшення запасів сировини, енергоресурсів є надзвичайно важливим технічним завданням. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є одержання твердого сплаву з підвищеними характеристиками твердості і міцності за рахунок створення високощільної, однорідної, дрібнодисперсної (діаметр зерна менше 1,5мкм) структури з вузьким інтервалом розмірів зерен WC ізоструктурної форми. Характеристики твердості і міцності є конкуруючими характеристиками і тому одночасне підвищення їх неможливо у разі використання відомих способів одержання твердого сплаву. Відомий спосіб одержання твердих сплавів [див. B.C. Панов, А. М. Чувилин «Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них», МИСИС, 2001. с. 126, 133-138, 142-143], згідно з яким спікання спресованої заготовки здійснюють шляхом нагрівання її до температури вище температури 1350-1480°С, тобто до температури утворення рідкої фази, витримки при цій температурі упродовж 30-120хв. і охолодження її до кімнатної температури. Недоліком даного способу є формування неоднорідної структури - наявністю в ній зерен карбіду вольфраму розміром 0,5-10мкм (окремі зерна і їх скупчення мають розмір до 30мкм), кобальтового прошарку розміром 0,2...2мкм, великої залишкової пористості, а також крупних (>50мкм) пор, які є найменш міцною ланкою структурі сплаву, ініціюють зародження і поширення тріщини, що в значній мірі знижує механічну міцність, пластичність і експлуатаційні характеристики твердого сплаву. Степінь проявлення цих недоліків способу збільшується при зменшенні розміру карбідних (19) UA (11) 85351 (13) C2 (21) a200806399 (22) 14.05.2008 (24) 12.01.2009 (46) 12.01.2009, Бюл.№ 1, 2009 р. (72) ПРОКОПІВ МИКОЛА МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, ХАРЧЕНКО ОЛЕГ ВАЛЕНТИНОВИЧ, UA, ПРОКОПІВ НАЗАР МИКОЛАЙОВИЧ, U A (73) ІНСТИТУТ НАДТВЕРДИ Х МАТЕРІАЛІВ ІМ. В.М. БАКУЛЯ НАН УКРАЇНИ, UA, ПРОКОПІВ МИКОЛА МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, ХАРЧЕНКО ОЛЕГ ВАЛЕНТИНОВИЧ, UA, ПРОКОПІВ НАЗАР МИКОЛАЙОВИЧ, UA (56) UA, 77690, C2, 12.03.2004 RU, 2048266, C1, 20.11.1995 EP, 1052297, A1, 15.11.2000 WO, 9614441, 17.05.1996 US, 4801330, 31.01.1989 3 85351 зерен, дефектності кристалічної комірки, неоднорідності хімічного складу, а також співвідношення їхні х розмірів у ви хідному стані. Тому такий спосіб реалізується в основному в технології промислового виробництва виробів із крупнозернистих твердих сплавів. Відомий спосіб виготовлення виробів із дрібнодисперсних сплавів WC-Co, [В.А. Фальковський, Л.И. Клячко. «Твердые сплавы. - М. Издательский дом «Руда и металлы». 2005. с. 347, 366, 372-373, 380-389], згідно з яким спресовані зразки із суміші WC-10% Co спікали в дві стадії: попередньо при 650°С в водні, а кінцеве спікання зразка - в вакуумі з витримкою 30хв, при температурі 1400°С. В даному способі карбід ванадію може бути замінений на карбід хрому, ти тану, танталу, ніобію або їх сумішей, які в процесі рідкофазного спікання гальмують загальний ріст зерен, підвищуючи твердість сплаву. В той же час, наявність в структурі твердого сплаву ви щенаведених карбідів перешкоджають локальному росту карбідних зерен. Цей фактор, а також розчинність їх в пластичній зв'язці приводить до зменшення механічної міцності твердого сплаву. Найближчим технічним рішенням прийнятим за прототип є спосіб одержання твердих сплавів [патент РФ №2048266, МПК B22F3/12 (С22С1/05), опубл. 1995.11.20], який включає пресування шихти, спікання при нагріванні зі швидкістю 3540град./хв. до 800-850°С з наступною витримкою упродовж 30-40хв., а потім - із швидкістю 5055град./хв. до температури рідкофазного спікання з наступною витримкою, при цьому спікання здійснюють в псевдозрідженому шарі попередньо спеченого оксиду алюмінію у відновлюваній атмосфері при нагріванні з швидкістю 35-40град./хв. до 1350-1400°С і наступною витримкою упродовж 5060хв. Недоліком описаного способу є висока неоднорідність структури сплаву, яка пов'язана з ростом зерен карбіду вольфраму в процесі рідкофазного спікання і формуванням гострокутної призматичної форми в широкому інтервалі розмірів, що знижує його експлуатаційні характеристики. В основу винаходу покладено завдання такого вдосконалення способу одержання твердих сплавів, при якому забезпечується підвищення однорідності структури сплаву і, як наслідок, підвищення густини, твердості і механічної міцності. Поставлене завдання досягається тим, що в способі одержання твердих сплавів, який включає спікання попередньо спресованої заготовки шляхом нагрівання зі швидкістю 35-40град./хв. до 800850°С з наступною витримкою упродовж 30-40хв., а потім - із швидкістю 50-55град./хв. до температури рідкофазного спікання з наступною витримкою, згідно винаходу рідкофазне спікання здійснюють при витримці 3-20хв., а після цього температуру знижують до 1200-1250°С і здійснюють витримку упродовж 60-120хв. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляється і технічними результатами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному: завдяки витримці упродовж 3-20хв. при тем 4 пературі 1350-1470°С забезпечується повне ущільнення спресованої заготовки, утворення і ріст контактів між зернами карбіду вольфраму, але при цьому не відбувається значного їх росту, яке б привело до відповідного зменшення властивостей твердого сплаву. При витримці менше 3хв при цій температурі не забезпечується повне ущільнення спресованої заготовки і, як наслідок, зменшення твердості і механічної міцності твердого сплаву. При збільшенні витримки більше як 20хв відбувається ріст карбідних зерен і відповідне зменшення вищенаведених характеристик твердого сплаву. Максимальне значення витримки рекомендується при спікання твердих сплавів із середнім розміром карбідного зерна 1,5мкм. Зменшення витримки до 3хв. е фективно в разі зменшення розміру карбідного зерна до нанорозмірної величини (30...100нм). У випадку зниження температури до 12001250°С на контактах між зернами карбіду вольфраму, а також між ними і кобальтом, продовжується взаємодія, але вже по механізму твердофазної коалесценції з утворенням міцних міжзеренних та міжфазних контактів. Тобто остаточне спікання сплаву буде проходити за умов, коли домінуючим механізмом буде механізм формування контактів між зернами карбіду вольфраму, а не розчинення карбідних зерен в рідкій фазі та їх як загальний, так і локальний ріст з утворенням гострокутної призматичної форми, що сприяє підвищенню щільності структури сплаву. При нагріванні до температури менше 1200°С не досягаються необхідні фізико-механічні і експлуатаційні властивості твердого сплаву, а ви ще 1250°С можлива поява рідкої фази, тобто виникнуть ті ж самі умови спікання в рідкій фазі, які виникають у способі, взятого в якості прототипу. Витримка при цій температурі упродовж 60...120хв. забезпечує досягнення необхідної якості твердого сплаву. У випадку, коли витримка менше 60хв. спостерігається зменшення показників твердості, механічної міцності твердого сплаву. Витримка більше 120хв. не приводить до подальшого покращення цих характеристик сплаву. Рекомендується збільшення витримки здійснювати також у випадку збільшення розміру карбідного зерна у вихідній суміші. Запропонований спосіб можна реалізовувати, як в вищенаведених умовах, так і при спіканні у вакуумі, і під тиском газу до 10МПа. Пропонований спосіб здійснюється наступним чином. Приклад 1. В алундову трубу діаметром 32мм і висотою 143мм розміщували спресовану заготовку із сплаву ВК20 у вигляді циліндру з внутрішнім отвором. Зовнішній діаметр заготовки - 21мм. Діаметр отвору - 4,5мм, висота - 41мм. Заготовку засипали попередньо спеченим оксидом алюмінію і подавали водень. Після цього включали нагрівання зі швидкістю 35град/хв. По досягненню температури 800±5°С зразок витримували упродовж 30хв, а потім знову нагрівали зі швидкістю 50град/хв до 1350°С і витримували упродовж 10хв. Після витримки знижували температур у до 1250°С 5 85351 і витримували 60хв. Після останньої витримки нагрівання відключали. Спосіб було реалізовано також при граничних (приклади 1-3) і при виході за границі (приклади 49) пропонованих режимних параметрів. Дані зведено в таблицю, додається. 6 Як видно з таблиці, при реалізації запропонованих за пропонованим способом режимних параметрів, одержано твердий сплаву ВК20, показники твердості і міцності при згині якого, в 1,2-1,5 і на 1,2 HRA, а щільності на 0,1-0,2г/см 3 перевищують відповідні показники твердого сплаву ВК20, одержаного за способом, який взято в якості прототипу. Додаток Таблиця режимів спікання твердого сплаву ВК20 і його властивості Режими спікання Температура Температура Об'єкт випро- № Час виЧас витвердобувань п/п рідкофазного тримки, спікання, °С тримки, хв. фазного спіхв. кання, °С 1 1350 10 1230 90 2 1350 3 1250 120 3 1350 20 1200 60 Спосіб за ви4 1350 1 1230 90 находом 5 1350 25 1230 90 6 1350 10 1170 60 7 1350 10 1270 120 8 1350 10 1250 50 9 1350 10 1230 130 Спосіб за про10 тотипом Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін Підписне Властивості сплаву Густина γ, Твердість Міцність при згині г/см 3 HRA Rbm, МПа 13,77 13,76 13,76 13,6 13,73 13,64 13,75 13,71 13,77 84,7 84,75 83,9 83,45 83,75 84,7 84,5 84,48 84,7 2568 2425 2388 1980 2080 1875 2100 2008 2468 13,75 83,5 2100 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601