Ультрадисперсний твердий сплав з високим вмістом зв’язуючого

Ультрадисперсний твердий сплав з високим вмістом зв'язуючого, що містить карбід вольфраму і кобальтове зв'язуюче, який відрізняється тим, що твердий сплав характеризується середньою хордою частинок карбідної фази LWC = 0,3-0,5 мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC = 0,050,15, рівномірним розподілом металевого зв'язуючого при вмісті компонентів, мас. %: кобальтова зв'язуюче 20-50 карбід вольфраму решта. (19) (21) u200603701 (22) 04.04.2006 (24) 16.10.2006 (46) 16.10.2006, Бюл. № 10, 2006 р. (72) Лаптєв Анатолій Васильович, Толочин Олександр Іванович, Ковальченко Михайло Савич (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 3 Недоліком даного сплаву є те, що свою ефективність зазначена структура показала на сплавах із вмістом кобальту 10мас.%, які використовуються в якості зубків врубових коронок для буріння твердих гірських порід, а для сплавів із вмістом зв'язки понад 20мас.% спостерігається більш низький рівень межі міцності при згині і пластичності. Відомо спечений твердий сплав, призначений для роботи при динамічних навантаженнях, що складається з кобальтової зв'язки в кількості 2050мас.% і карбіду вольфраму в кількості 5080мас.%, при розмірі карбідних зерен 3-10мкм (крупнозерниста структура) [Ивенсен В.А., Эйдук О.Н., Пивоваров Л.Х. О некоторых закономерностях деформации металлокерамических твердых сплавов WC-Со // Порошковая металлургия 1964.-№4.-С.43-57]. Недоліком даного сплаву при роботі в умовах високих динамічних навантажень є низький рівень межі міцності при згині ( зг=1700-2580МПа) і межі текучості при стиску ( 0,2=460-1100МПа). Це пов'язано з наявністю в структурі сплаву великих скупчень кобальтової зв'язки і скупчень карбідних зерен, що є наслідком спікання твердого сплаву в рідкій фазі при температурі вище 1350°С. Крім того, великі карбідні зерна є найменш міцною ланкою в структурі сплаву й ініціюють зародження і поширення тріщини. Найбільш близьким за технічною суттю та суттєвими ознаками є твердий сплав, що складається з карбіду вольфраму в кількості 80-90мас.%, кобальту в кількості 10-20мас.% і карбіду хрому в кількості 0,5-1мас.%. Спікання твердих сплавів у твердій фазі при температурі 1200-1280°С з наступним гарячим ізостатичним пресуванням у середовищі аргону при тиску 101МПа і температурі 12501280°С забезпечує одержання сплаву із субмікронною структурою, де розмір карбідних частинок складає 0,55-0,65мкм. Недоліком даного сплаву є неможливість одержання структури з низьким ступенем контакту карбідних частинок і рівномірним розподілом фаз, що знижує механічні характеристики твердого сплаву. Відомі тверді сплави, як правило, одержують спіканням в рідкій фазі, що забезпечує високу щільність. Однак при переході до дрібних порошків (розмір частинок менше 1мкм) спікання в рідкій фазі супроводжується інтенсивним зростанням карбідних частинок і, у результаті, приводить до крупнозернистої структури, що характеризується зниженими характеристиками міцності. Для гальмування росту карбідних частинок у дрібнозернисті сплави вводять інгібітори, що ускладнюють технологічний процес виготовлення твердих сплавів. Крім того, дрібнозернисті тверді сплави з високим вмістом зв'язки схильні утворювати при спіканні досить великі скупчення карбідних частинок і металевої фази, а також мають підвищений ступінь контакту карбідних частинок. Отже, стандартний спосіб спікання твердих сплавів без застосування спеціальних добавок або інгібіторів, що гальмують ріст карбідних частинок, непридатний для одержання висококобальтових твердих сплавів з ультрадисперсною структурою. 17773 4 В основу корисної моделі, що заявляється, "Ультрадисперсний твердий сплав з високим вмістом зв'язки", поставлено задачу такого удосконалення твердого сплаву, при якому на твердих сплавах із вмістом зв'язки 20-50мас.% реалізується ультрадисперсна структура з рівномірним розподілом металеві зв'язки. Така структура на сплавах з високим вмістом зв'язки забезпечує кращий комплекс механічних властивостей для випадків їхньої експлуатації при ударних навантаженнях. А саме, більш високі характеристики міцності при згині ( зг), тріщиностійкості (KIc) і межі текучості при стиску ( т0,2) досягаються при збереженні високих значень твердості (HV), пластичної деформації ( ) і роботи руйнування при стиску (Азагдеф). Поставлена задача вирішується створенням ультрадисперсної структури твердого сплаву, що характеризується середньою хордою частинок карбідної фази LWC=0,3-0,5мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC=0,05-0,15, рівномірним розподілом металевої зв'язки, при вмісті карбіду вольфраму 50-70мас.% і вмісті кобальтової зв'язки 20-50мас.%. Зменшення розміру карбідних частинок у стандартних твердих сплавах до ультрадисперсного стану, тобто до розміру менше 0,5 мкм, сприяє підвищенню твердості зразків, і в ряді випадків, міцності при стиску. У той же час цей шлях приводить до зниження таких важливих характеристик як: міцності при згині, тріщиностійкісті, пластичної деформації. Це викликано тим, що зі зменшенням середнього розміру карбідних частинок при постійному вмісті металевої складової товщина прошарків пластичної зв'язки зменшується, а ступінь контакту карбідних частинок збільшується. У результаті цей сплав стає крихким. Тому для запобігання крихкості сплавів при значному зменшенні середнього розміру частинок карбіду вольфраму необхідно збільшувати об'ємний вміст металевої фази для збереження товщини металевого прошарку на оптимальному рівні. Однак ультрадисперсні суміші порошків з високим вмістом металевої компоненти не вдається спекти за традиційною технологією зі збереженням вихідного розміру частинок і рівномірному розподілі компонентів. Зниження температури спікання, що дозволяє загальмувати ріст частинок карбіду вольфраму і запобігти перерозподілу компонентів, приводить до наявності підвищеної пористості, що неприпустимо для твердих сплавів. Таким чином, за традиційною технологією неможливо одержати якісні ультрадисперсні тверді сплави із вмістом зв'язки 20-50 мас. %. Цим фактом можна пояснити відсутність ультрадисперсних твердих сплавів, що працюють в умовах дії ударно-циклічних навантажень. Забезпечення високої щільності твердих сплавів при спіканні в твердій фазі (105-1250°С) ультрадисперсних порошкових сумішей досягається за рахунок використанням методу високоенергетичного гарячого пресування з питомою енергією пресування 300-500МДж/см3. А це, у свою чергу, дозволило зменшити зростання карбідних частинок і їхній ступінь контакту, а також запобігти утворенню скупчень карбідних частинок і зв'язки. 5 17773 На Фіг.1 представлена ультрадисперсна структура сплаву WC-20мас.% Co, що характеризується середньою хордою карбідних частинок (світлі поля на шліфі - частинки WC, темні поля - кобальт) LWC=0,36мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC=0,134, середньою товщиною прошарку зв'зки LCo=0,25мкм, питомою повною поверхнею карбідних частинок SVWC=5,315мкм-1. На Фіг.2 представлена ультрадисперсна структура сплаву WC-30мас.% Co, що характеризується середньою хордою карбідних частинок LWC=0,31мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC=0,078, середньою товщиною прошарку зв'язки LCo=0,37мкм, питомою повною поверхнею карбідних частинок SVWC=5,104мкм-1. На Фіг.3 представлена ультрадисперсна структура сплаву WC-40мас.% Со, що характеризується середньою хордою карбідних частинок LWC=0,35мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC=0,082, середньою товщиною прошарку зв'язки LCo=0,45мкм, питомою повною поверхнею карбідних частинок SVWC=0,35мкм-1. На Фіг.4 представлена ультрадисперсна структура сплаву WC-50мас.% Co, що характеризується середньою хордою карбідних частинок LWC=0,38мкм, ступенем контакту карбідних частинок CWC=0,061, середньою товщиною прошарку зв'язки LCo=0,75мкм, питомою повною поверхнею 6 карбідних частинок SVWC=4,593мкм-1. Така структура забезпечує кращий комплекс механічних властивостей для твердих сплавів, що експлуатуються в екстремальних умовах при наявності ударних навантажень. А саме, при збереженні високих значень твердості, пластичної деформації і роботи руйнування при стиску досягаються більш високі характеристики міцності при згині, тріщиностійкості і межі текучості при стиску. Конкретні механічні властивості зазначені в таблиці. Приклад 1. Порошок карбіду вольфраму з розміром зерен 0,9-1,1мкм розмелюють у середовищі бензину, ацетону, спирту або гексану протягом 96 годин при співвідношенні маси куль до маси порошкової суміші 10:1, після чого розмір карбідних зерен відповідає 0,1-0,2мкм. У розмелений карбід додають необхідну кількість порошку кобальту і роблять розмел-змішування суміші протягом 120 годин. Далі задана кількість суміші висушується і пресується при кімнатній температурі в брикет заданої форми при тиску 100МПа. Брикет переміщується в експериментальну установку і нагрівається зі швидкістю 2-3°С в хвилину. По досягненні температури 1050-1250°С проводиться ізотермічна витримка протягом 30 хвилин, після чого брикет подається в робочу зону й ущільнюється з енергією 300500Дж/см3. Таблиця № п/п Склад твердого сплаву, мас. % WC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Co 80 70 70 65 65 65 60 60 60 50 50 50 20 30 30 35 35 35 40 40 40 50 50 50 Температура ущільн ення Т, 0 С 1250 1150 1250 1150 1250 1330 1050 1150 1250 1050 1150 1250 Розмір хорди карбідних частинок LWC, мкм 0,36 0,31 0,47 0,33 0,37 0,46 0,37 0,35 0,43 0,36 0,38 0,33 Товщина прошарку зв’язки LCo, мкм 0,25 0,37 0,50 0,37 0,39 0,51 0,46 0,45 0,60 0,77 0,75 0,69 Питома повна карбідна поверхня SVWC, мкм-1 5,315 5,104 3,750 5,855 5,527 4,291 5,930 5,306 4,065 2,804 2,874 3,102 Запропонований спосіб дозволив одержати твердий сплав з ультрадисперсною структурою при високому вмісті зв'язки, що характеризується середньою хордою карбідних частинок LWC=0,30,4мкм, ступенем контакту карбідних зерен (суміжністю) СWC/WC=0,06-0,13, рівномірним розподілом твердої і пластичної фаз між собою і яка забезпечує високий рівень механічних властивостей твердого сплаву, див. таблицю, приклади 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12. Приклад 2. Підготовку порошкових сумішей проводили за прикладом 1. Брикет переміщується в експериментальну устанівку і нагрівається зі швидкістю 2-3°С в хвилину до температури 1330°С, де проводиться ізотермічна витримка протягом 30 хвилин, після чого брикет подається в робочу зону й ущільнюється з енергією 300-500Дж/см3. Суміж ність C WC/WC 0,134 0,078 0,080 0,086 0,082 0,09 0,064 0,082 0,098 0,063 0,061 0,056 Механічні характеристики зг, МПа 2790 2750 2790 3180 3500 2750 3020 3250 3100 3090 3290 3110 cт, МПа 3905 3270 3110 3060 2840 2710 2780 2820 2700 2470 2510 2330 0,2,М Па 3570 2970 2630 2880 2640 2410 2350 2350 2360 1780 2070 1900 КІс, МПа м1/2 18,7 23,3 22,9 24,2 23,5 22,4 24,6 27,5 28,5 27,9 33,1 42,4 НV30, МПа 11940 9130 9000 8600 8550 8200 7160 7540 7540 6470 6500 6470 ,% 1,6 3,5 5,6 4,0 4,8 3,4 7,5 7,2 6,3 10,7 9,1 8,4 Aзагдеф, МДж/м3 71 128 173 132 153 100 201 196 181 237 219 195 Таким чином отримуємо твердий сплав, структура якого представлена на фіг. 5, яка характеризується середньою хордою карбідних частинок LWC=0,46 мкм, ступенем контакту карбідних зерен CWC/WC=0,09, і нерівномірним розподілом твердої і пластичної фаз між собою, що знижує механічні властивості твердого сплаву, див. таблицю, приклад 6. Тверді сплави WC-Co із вмістом зв'язки 2050мас.% можуть ефективно використовуватися для виготовлення інструменту, який використовують для обробки металів тиском, зокрема: а) на операціях холодного висадження голівок болтів (шестигранні й круглі із внутрішнім шестигранником), гвинтів (із сферичною й потайною голівками), заклепок (із сферичною й потайною голівками), шурупів (із звичайним шліцем і хрестоподібним), цвяхів; 7 17773 б) на операціях холодного штампування кульок і роликів для підшипників кочення, корпусів запальних свічок і шатунних вкладишів автомобіля; в) на операціях вирубки-пробивання лез із нержавіючої сталі, трансформаторних "П-Т-І" пластин і роторних "Y" пластин для електродвигуна з електротехнічної сталі, деталей різних контактів; Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 8 г) на операціях витяжки й ударного холодного видавлювання деталей стрижневого типу, балонів, труб (аерозольні балони, пивні банки, тюбики для розфасовки мазей і клеїв); д) на операціях гарячого видавлювання, наприклад, заготівок ключів-голівок. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601