Способ получения безвольфрамового твердого сплава КНТ из порошковых материалов, полученных в воде дистиллированной
METHOD FOR PRODUCING TUNGSTEN-FREE HARD ALLOY CST FROM POWDER MATERIALS OBTAINED IN DISTILLED WATER

Изобретение относится к способам получения спеченных изделий из безвольфрамовых твердых сплавов, в которых используются порошки связующей фазы со сферическими неагломерированными частицами, и может быть использовано при изготовлении изделий общего металлообрабатывающего назначения.
-1
o
o
Известен способ получения твердого сплава. Порошкообразный карбонитрид или оксикарбонитрид или легированный оксикарбонитрид смешивают с порошками металлических никеля и молибдена при определенном их соотношении, взятом в количестве, необходимом для получения предлагаемого соотношения сплава. Полученную смесь подвергают размолу в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 60 - 84 ч до дисперсии 2 - 3μк. Затем смесь сушат, замешивают с пластификатором (5%-ный раствор синтетического каучука в бензине), снова сушат, гранулируют и прессуют в изделия требуемой формы. После этого спекают в вакуумной печи при давлении (2 - 5)·10 и температуре 1500 – 1600C в течение 0,5 - 1 ч со скоростью нагрева и охлаждения 16 – 18 /мин. (патент Российской Федерации № RU 2133 296 C1, 1998).
-3
-4
o
Известен также способ изготовления твердого сплава на основе карбонитрида титана. Порошок карбонитрида титана смешивают с порошкообразными металлическим титаном, нитридом, карбидом или карбонитридом металла IVA-VIA групп и никелидом титана в заявляемых соотношениях, полученную смесь подвергают размолу в жидкой среде, например, в среде этилового спирта в мельнице, футерованной твердым сплавом, в течение 1,5-2 часов. Затем смесь сушат, добавляют пластификатор, например 5-%-ный раствор синтетического каучука в бензине, и формуют в изделия требуемой формы. Изделия спекают в вакууме 10-10 мм рт. ст. в течение 10-20 минут при температуре 1360-1450C (патент Российской Федерации №RU 2164542C2, 2001).
Недостатками этих способов являются многооперационность, ресурсоемкость, относительно высокие затраты времени на подготовку компонентов и спекание изделия.
В основу изобретения положена задача разработать технологию получения обеспечивающую высокий выход пригодных к практическому применению высококачественных твердосплавных изделий, отличающихся высокой эксплуатационной стойкостью.
Посталвенная задача достигается тем что, в способе получения безвольфрамового твердого сплава КНТ из порошковых материалов, полученных в воде дистиллированной, включающий горячее прессование порошкового материала в пресс-форме, используют порошковый материал, полученный электроэрозионным диспергированием отходов безвольфрамовых твердых сплавов КНТ16 в воде дистиллированной, при этом горячее прессование ведут в вакууме с пропусканием высокоамперного тока через пресс-форму и прессуемый порошковый материал при температуре 1200°С в течение 5 минут.
На экспериментальной установке для получения порошков из токопроводящих материалов диспергировали безвольфрамовый твердый сплав марки КНТ16. В качестве рабочей жидкости использовали спирт этиловый.
Процесс проводили при следующих электрических параметрах: емкость разрядных конденсаторов 25,5 мкФ, напряжение 195…205 В, частота следования импульсов 95…105 Гц.
В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала отходов с образованием дисперсных частиц порошкового материала.
Из порошковых материалов, полученных из отходов безвольфрамовых твердых сплавов марки КНТ16 в спирте этиловом, получили спеченные заготовки. Твердосплавные заготовки получали методом горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 1200°С в течение 5 минут, из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием отходов безвольфрамовых твердых сплавов КНТ16.
В основе процесса лежит модифицированный метод горячего прессования, при котором электрический ток пропускается: непосредственно через пресс-форму и прессуемую заготовку, а не через внешний нагреватель. С помощью импульсного электротока и так называемого «эффекта плазмы искрового разряда» («spark plasma effect») достигается очень быстрый нагрев и исключительно малая продолжительность рабочего цикла. Это позволяет подавить рост зерна и получить равновесное состояние, что открывает возможности для создания новых материалов с ранее недоступными композициями и свойствами, материалов с субмикронным или наномасштабным зерном, а также композитных.
На фигуре 1 представлена схема процесса ЭЭД, на фигуре 2 – микроструктура спеченного изделия, на фигуре 3 – элементный состав спеченного изделия, на фигуре 4 – дифрактограмма спеченного образца, на фигуре 5 – гистограмма распределения пор по размеру.
Порошковый материал получали в следующей последовательности.
На первом этапе производили сортировку отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей жидкостью – спиртом этиловым, отходы загружали в реактор. Монтировали электроды. Смонтированные электроды подключали к генератору. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.
На втором этапе – этапе электроэрозионного диспергирования включали установку. Процесс ЭЭД представлен на фигуре 1. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и далее к отходам 3 (в качестве электродов так же служили соответственно отходы свинцовой бронзы) в реакторе 4. При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырём 6). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил, капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка 7. Регулятор напряжения 8 предназначен для установки необходимых значений напряжения, а встряхиватель 9 передвигает один электрод, что обеспечивает непрерывное протекание процесса ЭЭД.
На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошковым материал из реактора.
На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка. Затем полученный диспергированный материал прессовали и спекали.
Пример 1.
Для получения порошковых материалов из отходов безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 методом электроэрозионного диспергирования в спирте этиловом использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 диспергировали при напряжении на электродах 200…205 В, емкости разрядных конденсаторов 65,5 мкФ, частоте следования импульсов 100…105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошкового материала.
Безвольфрамовые твердосплавные заготовки получали методом горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 1200°С в течение 5 минут, из порошкового материала, полученного электроэрозионным диспергированием отходов безвольфрамовых твердых сплавов марки КНТ16.
Полученное спеченное изделие исследовали различными методами.
3
4
2
3
2
3
Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу). Поверхность образца шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№№ 60-70) и мелким зерном (№№ 220-240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90°. В процессе шлифования зафиксирована рыхлость краев образцов, которая приводила к откалыванию частиц и разрушению поверхности шлифа. Смывали частицы абразива водой и подвергали полированию на круге суспензиями из оксидов металла (FеO, СrO, АlО). После достижения зеркального блеска, поверхность шлифа промывали водой, спиртом и просушивали фильтровальной бумагой.
Для изучения элементного состава и морфологии полученного спеченного изделия с помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 200 3D», были получены спектры характеристического рентгеновского излучения в различных точках на поверхности образца и по поперечному шлифу. Микроструктура спеченного образца представлена на фигуре 2. Элементный состав спеченного образца представлен на фигуре 3. Установлено что основными элементами являются Ti (65,3 %); Ni (18,02 %); C (10,21 %); Mo (6,47 %).
α
3
Исследование фазового состава спеченного образца проводили методом рентгеновской дифракции на дифрактометре Rigaku Ultima IV в излучении Cu-K (длина волны λ = 0.154178 нм) с использованием щелей Соллера. На основании фигуры 5 было установлено, что основными фазами в спеченном образце являются TiC, MoNi, Ni, Mo.
2
Пористость определяли с помощью оптического инвертированного микроскопа Olympus GX51 с программным обеспечением для количественного анализа изображения. Подготовленные образцы не имели следов шлифования, полирования или выкрашивания структурных составляющих. Шлиф изготовляли по поперечному сечению (излому) целого изделия или части его площадью < 2 см. ПО “SIAMS Photolab”, которым оснащен микроскоп, разработано с учётом специфики применения  методов цифровой микроскопии  и анализа изображений для металлографического анализа соединений. Результаты исследования пористости представлены на фигуре 5, пористость составляет 0,18%.
Испытания твердости образцов по поверхности и поперечному шлифу проводили с помощью автоматической системы анализа микротвердости DM-8 по методу микро-Виккерса при нагрузке на индентор 50 г по десяти отпечаткам со свободным выбором места укола в соответствии с ГОСТом 9450-76 (Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников). Время нагружения индентора составило 15 с. В результате средняя твердость составила 1290 HV.
Пример 2.
Для получения порошковых материалов из отходов безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 методом электроэрозионного диспергирования в спирте этиловом использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 диспергировали при напряжении на электродах 200…205 В, емкости разрядных конденсаторов 65,5 мкФ, частоте следования импульсов 100…105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошкового материала.
Безвольфрамовые твердосплавные заготовки получали методом горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 1000°С в течение 5 минут, из порошкового материала, полученного электроэрозионным диспергированием отходов безвольфрамовых твердых сплавов марки КНТ16.
Заготовка, полученная при данных режимах спекания, не обладает наилучшими физико-механическими свойствами.
Пример 3.
Для получения порошковых материалов из отходов безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 методом электроэрозионного диспергирования в спирте этиловом использовали установку ЭЭД (Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и патентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13). При получении порошка использовали следующие параметры установки: отходы безвольфрамового твердого сплава марки КНТ16 диспергировали при напряжении на электродах 200…205 В, емкости разрядных конденсаторов 65,5 мкФ, частоте следования импульсов 100…105 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошкового материала.
Безвольфрамовые твердосплавные заготовки получали методом горячего прессования с пропусканием высокоамперного тока в вакууме при температуре 1100°С в течение 5 минут, из порошкового материала, полученного электроэрозионным диспергированием отходов безвольфрамовых твердых сплавов марки КНТ16.
Заготовка, полученная при данных режимах спекания, не обладает наилучшими физико-механическими свойствами.