СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКА КАРБИДА ВОЛЬФРАМА
METHOD OF PRODUCING TUNGSTEN CARBIDE NANOPOWDER

Изобретение относится к области разработки технологии получения наноразмерных частиц тугоплавких металлов и сплавов с заданными свойствами для последующего компактирования из них наноструктурных твердых сплавов.
Твердые сплавы применяются при изготовлении высокопрочных инструментов (ножей, фильер, резцов, фрез и т.д.) в машиностроении, производстве полимеров, нефтегазодобывающей, деревообрабатывающей и ряде других отраслей промышленности. Наиболее высокими эксплуатационными свойствами обладают твердые сплавы на основе высокотвердых частиц тугоплавких химических соединений, в частности карбида вольфрама.
Все известные твердые сплавы получают технологией порошковой металлургии, включающей стадии подготовки порошковых смесей и их спекания в композиционный материал дисперсного строения. Основными характеристиками спеченных твердых сплавов, определяющими их эксплуатационные свойства, являются дисперсность высокотвердого компонента и его остаточная пористость. С увеличением дисперсности высокотвердого компонента и с уменьшением остаточной пористости прочность, ударная вязкость, стойкость в режиме резания, износостойкость твердых сплавов увеличиваются [1]. Наиболее прочные и стойкие в эксплуатации твердые сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой характеризуются дисперсностью карбидной фазы (1-3) мкм и остаточной пористостью 0.1%. В рамках возможностей традиционной порошковой металлургии твердых сплавов указанные характеристики являются предельными.
Переход к наноразмерным порошковым компонентам, в частности, к нанопорошку карбида вольфрама позволяет сформировать нанодисперсную структуру в твердых сплавах и значительно повысить их физико-механические свойства [2].
2
2
Известны способы получения карбида вольфрама, основанные на плавлении вольфрама в дуговой или трубчатой графитовой печи [3]. Данные способы позволяют получить карбид вольфрама WC или близкую по составу к эвтектике смесь WC+WC. Для получения наиболее оптимальной модификации карбида вольфрама WC известен способ, основанный на плавлении ангидрида вольфрама, железа и углерода с последующим растворением и выделением карбида вольфрама данной модификации [3].
Одним из известных способов получения нанопорошков карбида вольфрама является двухстадийный процесс, включающий плазмохимический восстановительный синтез ультрадисперсной многофазной системы вольфрам-углерод и низкотемпературный синтез из этой системы монокарбида вольфрама модификации WC [4].
2
Для осуществления плазмохимического восстановительного синтеза использовалась дуговая плазменная установка. В азотоводородную плазменную струю температурой (3500÷5000) К вводилось сырье - трехокись вольфрама и газообразный углеводород. В результате комплекса физико-химических превращений образуются наночастицы, представляющие смесь фаз системы вольфрам-углерод (W, WC, α-WC, β-WC, С).
Ближайшим аналогом по технической сущности заявленного изобретения является способ, раскрытый в патенте CN 1608983 A, B22F 9/00, 27.04.2005 г. [5]. В известном способе при получении нанопорошка карбида вольфрама осуществляют нагрев в герметичном реакторе смеси нанопорошка вольфрама с размером частиц не менее 90 нм и графита до температуры не выше 1000°С в течение не более 60-80 мин.
Техническим результатом изобретения является разработка способа получения нанопорошка вольфрама модификации WC высокой степени чистоты без углеродных добавок.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан способ получения нанопорошка карбида вольфрама, включающий нагрев в герметичном реакторе смеси нанопорошка вольфрама и графита до температуры не выше 1000°С, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в течение не более 70 часов при вращении герметичного реактора с угловой скоростью не более (50÷60) оборотов в минуту, при этом используют графит в виде графитовых стержней и наночастицы вольфрама с размером частиц (10÷200) нм, при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.%:
графитовые стержни
6
нанопорошок вольфрама
94
Пример реализации заявляемого способа приведен на чертеже. Устройство состоит из нагревательной печи 1 с электрической спиралью накаливания, внутри которой расположен герметичный реактор 2 цилиндрической формы, изготовленный из кварца. Реактор 2 соединен полой осью 3 с электродвигателем 4, обеспечивающим вращение реактора. В полой оси 4 установлен клапан 5 для сброса избыточного давления в реакторе в ходе процесса карбидизации вольфрама. Реактор снабжен устройством для загрузки графитовых стержней 6 и нанопорошка вольфрама 7.
С целью получения карбида вольфрама без углеродных добавок в реактор вводилось 6÷10 стержней диаметром 0.5 см и длиной 10 см, изготовленных из графита, применяемого в практике спектрального анализа. Вольфрам вводился в реактор в виде нанопорошка с размером частиц (10÷200) нм, полученного методом электрического взрыва проволочек [6, 7]. Соотношение компонентов вольфрам-графит составляло 94/6 мас.%.
В процессе получения карбида вольфрама осуществляется вращение реактора с угловой скоростью (50÷60) оборотов в минуту в течение (10÷70) часов. Выбранный уровень температуры процесса (порядка 1000°С) и непрерывное вращение рабочей зоны предотвращало возможный коагуляционный рост нанопорошка WC.
Полученный положительный эффект заявляемого способа подтвержден проведением дисперсного и рентгеноструктурного анализа полученных нанопорошков карбида вольфрама. Дисперсный анализ, проведенный с использованием электронного микроскопа СМ-30 Philips, показал, что дисперсность полученного нанопорошка карбида вольфрама соответствует дисперсности исходного порошка вольфрама и составляет (10-200) нм. Результаты рентгеноструктурного анализа, проведенные с использованием дифрактометра XRD-6000, показали высокую степень чистоты нанопорошка карбида вольфрама (99.9% содержания модификации WC).
ЛИТЕРАТУРА
1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы порошковой металлургии. - М.: Изд-во МИСиС, 2000. - 320 с.
2. Андриевский Р.А. Получение и свойства нанокристаллических тугоплавких соединений // Успехи химии. - 1994. - Т.63. - №5. - С.431-448.
3. Cook E., Sigel B. Carbide Synthesis by Metal Explosions in Acetylene // Journal of Inorganic Chemistry. - 1968. - Vol.30. - pp.1699-1706.
4. Цветков Ю.В., Благовещенский Ю.В., Самохин А.В., Боровский Г.В., Клячко Л.И., Абрамов А.В. Наноструктурные твердые сплавы для создания инструмента с повышенными эксплуатационными свойствами // Сб. тез. докл. Международного форума по нанотехнологиям "Rusnantech-2008". - Москва, 2008.
5. CN 1608983 A, B22F 9/00, 27.04.2005 г.
6. Давидович В.И., Лернер М.И. Энергетические характеристики электрического взрыва Fe и W проводников // Тез. докл. Всесоюз. науч. совещания "Электроимпульсные технологии и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах". - Томск. 1982.
7. Лернер М.И., Шаманский В.В. Формирование наночастиц при воздействии на металлический проводник импульса тока большой мощности // Журнал структурной химии. - 2004. - Т.45. - №1. - С.112-115.