Способ получения тугоплавких материалов
METHOD OF PRODUCING REFRACTORY MATERIALS

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения тугоплавких материалов, основанных на самораспространяющемся высокотемпературном синтезе (СВС) и компактировании целевого продукта, и может быть использовано для изготовления режущего инструмента, тугоплавких и износостойких изделий, мишеней для нанесения композитных покрытий и других целей.
Известен способ получения тугоплавких материалов включает приготовление экзотермической смеси и «химической печки», формование слоевой шихтовой заготовки, инициирование реакции горения (СВС) и прессование продуктов синтеза. Он отличается тем, что «химическую печку» готовят из стехиометрической смеси порошков титана и сажи, экзотермическую смесь помещают внутри «химической печки», толщины слоев экзотермической смеси и «химической печки» выбирают из соотношения 1:0,5-1:4, экзотермическую смесь отделяют от «химической печки» слоем графита толщиной 0,1-1,0 мм, реакции горения слоев инициируют одновременно в «химической печке» и экзотермической смеси при давлении 5-20 МПа и через 1-20 секунд после инициирования продукт СВС прессуют давлением 100-450 МПа в течение 1-30 секунд. Способ позволяет получить тугоплавкие материалы, обладающие высокой плотностью, твердостью и выходом годного.
Известен способ получения изделий из тугоплавких материалов, включающий приготовление экзотермической смеси порошков, формование шихтовой заготовки, локальное инициирование реакции экзотермического синтеза и прессование горячего целевого продукта синтеза [Питюлин А.Н. Силовое СВС-компактирование твердых сплавов переменного состава, Черноголовка, Издательство "Территория", 2001, с. 333-354]. Недостатком известного способа является высокая остаточная пористость, низкая твердость полученных материалов и выход годного.
Известен способ получения мишеней из тугоплавких материалов, включающий приготовление трех экзотермических смесей, послойное размещение на металлической подложке промежуточного, распыляемого и инициирующего слоев, инициирование реакции горения (СВС) и прессование продуктов синтеза давлением 20 МПа. Инициирующий слой, содержащий Ti - 75,6; C - 12,0; B - 12,4 мас. %, использовали в качестве «химической печки», тепловыделение которой нагревает распыляемый слой и инициирует в ней реакцию СВС. Однако использованная схема не обеспечивает необходимый тепловой режим СВС-компактирования тугоплавких материалов на основе боридов. Последовательное сгорание экзотермических слоев увеличивает время задержки прессования и снижает эффективность использования «химической печки». Снижение температуры горения затрудняет уплотнение продуктов СВС [Патент России RU 2305717 C2, C23C 14/36, B22F 3/105, 10.09.2007 г.].
Наиболее близким техническим решением является способ, включающий приготовление экзотермической смеси и «химической печки». Слой экзотермической смеси помещают между двумя слоями «химической печки». Для предотвращения взаимодействия шихтовую заготовку отделяют от «химической печки» бумагой из терморасширенного графита. Синтез проводят в реакционной пресс-форме на гидравлическом прессе ДА-1532Б с применением песка в качестве передающей давление среды. Горение инициируют вольфрамовой спиралью, раскаленной электрической. После окончания горения горячий продукт синтеза прессуют давлением 7-20 МПа. Полученные образцы разгружают из пресс-формы и охлаждают в песке [Потанин А.Ю. «Получение керамических материалов в системах Mo-Si-B И Cr-Al-Si-B методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», Диссертация на соискание ученой степени к.т.н., Москва, МиСиС, 2014, стр. 59-60, http://www.misis.ru/Portals/0/Avtoreferat/2014/Potanin_A.U._disser.pdf].
Недостатком известного способа является высокая остаточная пористость тугоплавкого материала. Причиной нарушения теплового режима СВС-компактирования является то, что реакцию СВС инициируют в экзотермической смеси, а затем от нее зажигается смесь порошков химической печки. В этом случае тепло отводится из центрального слоя к наружному, что снижает эффективность использования химической печки и увеличивает пористость целевого продукта.
Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение остаточной пористости, увеличение твердости материала и выхода годного.
Технический результат достигается тем, что способ получения тугоплавкого материала включает приготовление экзотермической смеси порошков и смеси порошков химической печки, формование слоевой шихтовой заготовки, инициирование в ней реакции горения в виде самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с прессованием полученного продукта СВС, причем смесь порошков химической печки готовят из стехиометрической смеси порошков титана и сажи, формование слоевой шихтовой заготовки ведут путем размещения экзотермической смеси порошков внутри смеси порошков химической печки при соотношении толщин слоев экзотермической смеси порошков и смеси порошков химической печки, равном 1:0,5-1:4, при этом экзотермическую смесь порошков отделяют от смеси порошков химической печки слоем графита толщиной 0,1-1,0 мм, инициирование реакции горения в виде СВС ведут одновременно в смеси порошков химической печки и экзотермической смеси порошков при давлении 5-20 МПа и через 1-20 с после инициирования полученный продукт СВС прессуют под давлением 100-450 МПа в течение 1-30 секунд, после чего охлаждают и отделяют полученный тугоплавкий материал от продуктов горения смеси порошков химической печки.
Сущность изобретения заключается в следующем. Для решения поставленной задачи необходимо использовать дополнительный источник тепла, чтобы повысить температуру и пластичность продукта СВС. Этот полученный продукт СВС прессуют под давлением 100-450 МПа в течение 1-30 секунд, после чего охлаждают и отделяют полученный тугоплавкий материал от продуктов горения смеси порошков химической печки.
Сущность изобретения заключается в следующем. Для решения поставленной задачи необходимо использовать дополнительный источник тепла, чтобы повысить температуру и пластичность продукта СВС. Это достигается тем, что шихтовую заготовку экзотермической смеси порошков помещают внутри смеси порошков химической печки, тепловыделение которой создает тепловой режим СВС-компактирования. Для предотвращения взаимодействия целевого материала с продуктами горения смеси порошков химической печки, между экзотермическим слоями помещают слой графита толщиной 0,1-1,0 мм. Использование слоя графита толщиной менее 0,1 мм является недостаточным для эффективного разделения тугоплавкого материала и продуктов горения смеси порошков химической печки. При толщине слоя графита более 1,0 мм нарушается тепловой режим СВС-компактирования, что приводит к увеличению остаточной пористости получаемого материала.
Другим условием является выбор состава и толщины слоя «сильно» экзотермической смеси. В предложенном техническом решении химическую печку готовят из стехиометрической смеси порошков титана и сажи, а толщину слоев экзотермической смеси порошков и смеси порошков химической печки выбирают из соотношения 1:0,5-1:4. Выбор толщин слоев из указанного соотношения является оптимальным для получения тугоплавкого материала с минимальной пористостью, высокой твердостью и выходом годного. Уменьшение соотношения толщин слоев менее 1:0,5 не обеспечивает дополнительного нагрева, необходимого для повышения пластичности целевого продукта. Увеличение соотношения более чем 1:4 затрудняет удаление примесного газа, выделившегося в ходе экзотермической реакции, который препятствует компактированию тугоплавкого материала.
Условие одновременного инициирования экзотермических слоев связано с осуществлением необходимого теплового режима СВС-компактирования тугоплавкого материала. В случае последовательного горения оптимальный режим СВС-компактирования нарушается из-за увеличения времени экзотермического взаимодействия и увеличения теплопотерь.
СВС тугоплавкого материала осуществляют при давлении 5-20 МПа в течение 1-20 секунд, а компактирование - при давлении 100-450 МПа в течение 1-30 секунд. Выбор указанных интервалов давлений и временных выдержек является оптимальным для получения тугоплавкого материала, сочетающего высокую плотность, твердость и выход годного. Снижение давления на стадии СВС менее 5 МПа приводит к снижению скорости и температуры горения экзотермических смесей, и, соответственно, к снижению пластичности продукта СВС. Увеличение давления более 20 МПа нецелесообразно, так как ухудшаются условия для удаления из продуктов СВС примесного газа, выделившегося в ходе экзотермической реакции. Соответственно, уменьшение времени задержки прессования менее 1 секунды приводит к неполному удалению примесного газа, а увеличение более 20 секунд - к уменьшению температуры продукта СВС.
Снижение давления на стадии компактирования продукта СВС менее 100 МПа приводит к снижению скорости пластической деформации и увеличению остаточной пористости продукта СВС. Увеличение давления более 450 МПа нецелесообразно, так как возрастает уровень термических напряжений, приводящих к образованию трещин и снижению выхода годного. Уменьшение времени прессования менее 1 секунды или увеличение более 20 секунд приводит к увеличению остаточной пористости.
Заявленный способ осуществляют следующим образом.
Пример 1. Готовят смесь порошков химической печки, содержащую 80 мас. % титана марки ПТМ (ТУ 14-1-3086-80) и 20 мас. % технического углерода (сажа) марки П804Т (ТУ 38-1154-88), и экзотермическую смесь порошков, содержащую 73,35 мас. % титана марки ПТМ (ТУ 14-1-3086-80), 18,65 мас. % бора марки аморфный Б-99А (ТУ 1-92-154-90) и 8,0 мас. % технического углерода (сажа) марки П804Т (ТУ 38-1154-88). Из экзотермической смеси порошков формуют брикет диаметром 58 мм, высотой 16 мм и относительной плотностью 0,6. Цилиндрическую и торцевые поверхности брикета покрывают слоем терморасширенного графита толщиной 0,1 мм. Затем помещают в смесь порошков химической печки и формуют шихтовую заготовку диаметром 90 мм, высотой 48 мм (соотношение толщин слоев 1:1) и относительной плотностью 0,6. Шихтовую заготовку помещают в пресс-форму и на боковой (цилиндрической) поверхности устанавливают инициирующее устройство, состоящее из вольфрамовой спирали и слоя поджигающего состава. Свободное пространство в пресс-форме заполняют передающей давление дисперсной средой, в качестве которой используют порошок оксида кремния дисперсностью 200-300 мкм. Схема пресс-формы, с размещенной в ней шихтовой заготовкой, представлена на чертеже. Собранную пресс-форму устанавливают на рабочем столе гидравлического пресса усилием 160 тонн. Затем в пресс-форме создают давление 10 МПа и инициируют реакцию горения в виде самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в экзотермических слоях. Через 3 секунды с момента инициирования давление прессования увеличивают до 250 МПа и выдерживают в течение 5 секунд. Полученный продукт извлекают из пресс-формы и охлаждают в песке. После остывания синтезированный материал отделяют от продуктов горения смеси порошков химической печки. Полученный тугоплавкий материал состоит из карбида титана и диборида титана. Остаточная пористость составляет 0,3%, а твердость по Виккерсу - 28 ГПа. Выход годного - 100%.
Пример 2. Готовят смесь порошков химической печки, содержащую 80 мас. % титана марки ПТМ (ТУ 14-1-3086-80) и 20 мас. % технического углерода (сажа) марки П804Т (ТУ 38-1154-88), и экзотермическую смесь порошков, содержащую 48,5 мас. % циркония марки ПЦрК-2, 33,3 мас. % хрома ПХ-1С (ГОСТ 5905-79) и 18,2 мас. % бора марки аморфный Б-99А (ТУ 1-92-154-90). Из экзотермической смеси порошков формуют брикет диаметром 58 мм, высотой 16 мм и относительной плотностью 0,6. Цилиндрическую и торцевые поверхности брикета покрывают бумагой из терморасширенного графита.
Затем помещают в смесь порошков химической печки и формуют шихтовую заготовку диаметром 90 мм, высотой 48 мм (соотношение толщин слоев 1:1) и относительной плотностью 0,6. Шихтовую заготовку помещают в пресс-форму и на ее боковой (цилиндрической) поверхности устанавливают инициирующее устройство, состоящее из вольфрамовой спирали и слоя поджигающего состава. Свободное пространство в пресс-форме заполняют передающей давление дисперсной средой, в качестве которой используют порошок оксида кремния дисперсностью 200-300 мкм. Схема пресс-формы, с размещенной в ней шихтовой заготовкой, представлена на чертеже. Собранную пресс-форму устанавливают на рабочем столе гидравлического пресса усилием 160 тонн. Затем в пресс-форме создают давление 10 МПа и инициируют реакцию горения в виде самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в экзотермических слоях. Через 3 секунды с момента инициирования давление прессования увеличивают до 250 МПа и выдерживают в течение 5 секунд. Полученный продукт извлекают из пресс-формы и охлаждают в песке. После остывания синтезированный материал отделяют от продуктов горения смеси порошков химической печки. Полученный тугоплавкий материал состоит из диборида циркония 30% мас. борида хрома. Остаточная пористость составляет 0,3%, а твердость по Виккерсу - 25 ГПа. Выход годного - 100%.
Другие примеры получения изделий из тугоплавких материалов, их характеристики и характеристики прототипа сведены в Таблице. Видно, что предложенный способ получения изделий из тугоплавких материалов (примеры 1-4) позволяет в сравнении с известным способом (пример 5) уменьшить остаточную пористость, увеличить твердость тугоплавких материалов и выход годных изделий.
Таким образом, данный способ позволяет получать изделия из тугоплавких материалов повышенной твердости за счет уменьшения остаточной пористости, что позволяет его использовать для изготовления режущего инструмента, тугоплавких и износостойких изделий, мишеней для нанесения композитных покрытий и других целей.