СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
METHOD FOR PRODUCING TUNGSTEN CARBIDE-BASED HARD ALLOY PRODUCTS

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению и упрочнению твердых сплавов на основе карбида вольфрама, которые могут быть использованы для изготовления бурового инструмента, износостойких деталей и режущего инструмента.
Из патентного исследования известны следующие решения.
Известен способ упрочнения твердых сплавов, включающий спекание твердых сплавов при температуре 1650°С, охлаждение, вакуумный отпуск с нагревом до температуры 1050°С - 1250°С и выдержкой 1 час с последующим охлаждением вместе с печью в течение 4 часов (Патент РФ №2534670, опубликованный 10.12.2014).
Недостатком указанного способа является необходимость проведения дополнительной операции термообработки, что приводит к повышению трудоемкости и стоимости изделий, а также недостаточно высокое качество полученных сплавов.
Наиболее близким аналогом к патентуемому решению является способ изготовления твердосплавных металлокерамических изделий (см. патент РФ №2145916, опубликованный 27.02.2000), включающий приготовление компонентов шихты W-C-Co, измельчение, смешивание, засыпку шихты в форму, формование и спекание путем нагрева и выдержки при температуре спекания. Согласно одному из вариантов способа после спекания изделия его подвергают подстуживанию до температуры 1250-900°С со скоростью охлаждения не более 3°С/с, а дальнейшее охлаждение ведут в режиме закаливания со скоростью охлаждения не менее 3°С/с до температуры +300°С - (-196°С), после чего изделие подвергают стабилизирующему отжигу нагревом до максимальной температуры, составляющей 0,35-0,5 максимальной температуры режима закаливания, затем изделие охлаждают, при этом после первого цикла закаливания или после стабилизирующего отжига изделие подвергают не менее чем одному повторному режиму закаливания, включающему повторный нагрев до температуры 900-1250°С и выдержку.
Недостатками указанного способа являются необходимость проведения нескольких дополнительных операций термообработки, высокая трудоемкость и длительность процесса, а также недостаточно высокое качество полученных металлокерамических изделий.
Задачей патентуемого решения является устранение указанных недостатков. Повышение качества твердого сплава, получение более мелкой и равномерной структуры осуществляется за один процесс спекания. За счет исключения операций дополнительной термообработки достигается упрощение технологии получения твердого сплава и значительное сокращение времени изготовления деталей.
Техническим результатом патентуемого решения является повышение качества полученного твердого сплава за счет получения более мелкой и равномерной структуры, снижение трудозатрат и упрощение процесса получения твердых сплавов.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления патентуемого способа получения изделий из твердого сплава на основе карбида вольфрама, согласно которому проводят спекание сплава при температуре в диапазоне от 1360 до 1550°C и охлаждение до комнатной температуры, при этом охлаждение сплава осуществляют вместе с печью до 950°С, далее сплав охлаждают до 800°С со скоростью от 1,0°С/мин до 3,5°С/мин с последующим охлаждением вместе с печью до комнатной температуры.
За счет низкой скорости охлаждения от 1°С/мин (0,017°С/с) до 3,5°С/мин (0,058°С/с) в диапазоне температур от 950°С до 800°С растворенные в связке соединения вольфрама выпадают в связку в виде наночастиц. Происходит равномерное измельчение структуры, дисперсионное упрочнение связки и повышение механических свойств полученного сплава.
Охлаждение вместе с печью от температуры спекания до 950°С и от 800°С до комнатной температуры позволяет экономить электроэнергию, так как в это время нагреватели печи выключены.
Предложенный способ получения твердого сплава на основе карбида вольфрама осуществляют следующим образом.
Спекание твердых сплавов осуществляют при температуре в диапазоне от 1360°С до 1550°С. При нагреве от комнатной температуры до 750°С процесс проводится в атмосфере водорода, от 750°С до температуры спекания - в вакууме. При максимальной температуре осуществляется выдержка в течение 45 минут. Затем подается аргон под давлением 6-10 МПа и нагрев выключается. Последующее охлаждение от температуры спекания до 950°С происходит вместе с печью в атмосфере аргона. Средняя скорость охлаждения в этом интервале температур составляет 12°С/мин. При достижении температуры 950°С нагреватели включаются и далее происходит контролируемое охлаждение со скоростью от 1°С/мин до 3,5°С/мин до температуры 800°С. Скорость охлаждения задается программой на терморегуляторе. После 800°С нагреватели выключаются и далее до температуры 100°С охлаждение происходит вместе с печью. При температуре 100°С печь вскрывается. До 600°С скорость охлаждения составляет 4,5°С/мин, далее скорость охлаждения постепенно замедляется до нуля.
При контролируемой скорости охлаждении от 1,0°С/минуту до 3,5°С/минуту в интервале температур от 950 до 800°С происходят процессы выпадения растворенных в связке соединений вольфрама, углерода и кобальта в виде наночастиц.
Далее изобретение поясняется с помощью примеров.
Пример 1. Получение твердых сплавов ВК8, ВК10, ВК15 и ВК20 осуществляли согласно графику, представленному на фигуре 1, путем нагрева спекаемого порошка до температуры 1450°С, выдержке при данной температуре и охлаждения до комнатной температуры вместе с печью.
Пример 2. Получение твердых сплавов ВК8, ВК10, ВК15 и ВК20 осуществляли согласно графику, представленному на фигуре 4, в соответствии с предложенным способом.
В результате испытаний полученных образцов по первому и второму примерам были определены их механические свойства. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 следует, что получение твердых сплавов на основе карбида вольфрама по предложенному способу дает заметный прирост показателей физико-механических свойств (прочности, твердости и коэрцитивной силы).
Повышение скорости охлаждения более 3,5°С/мин практически не дает эффекта по улучшению свойств твердого сплава по сравнению с обычным спеканием.
При уменьшении скорости охлаждения ниже 1°С/мин эффект повышения свойств сохраняется, но длительность спекания увеличивается, что экономически нецелесообразно.
На фигуре 2 представлено фото микроструктуры образца твердого сплава ВК15, полученного по способу, указанному в примере 1.
На фигуре 3 - диаграмма распределения зерен карбида вольфрама по размерам в образце твердого сплава ВК15, полученного по способу, указанному в примере 1. На оси абсцисс указаны размеры зерен в микрометрах, на оси ординат - процент зерен, имеющих заданный размер.
На фигуре 5 представлено фото микроструктуры образца твердого сплава ВК15, спеченного по способу, указанному в примере 2 (предложенный способ).
Фиг. 6 - диаграмма распределения зерен по размерам в образце твердого сплава ВК15, полученного по способу, указанному в примере 2. На оси абсцисс указаны размеры зерен в микрометрах, на оси ординат - процент зерен, имеющих заданный размер.
Исходя из диаграммы распределения зерен по размерам в образце твердого сплава ВК15 следует, что полученные по предложенному способу твердые сплавы на основе карбида вольфрама имеют более мелкодисперсную и однородную структуру по сравнению со способом, указанным в примере 2.
Кроме того, на образцах твердых сплавов ВК8, ВК10, ВК20, полученных в соответствии с предложенным способом, наблюдалась аналогичная картина с более мелкозернистой структурой сплава по сравнению со способом по примеру 1.
Таким образом, заявленный способ позволяет повысить физико-механические свойства твердого сплава без дополнительной термообработки с использованием традиционного оборудования.