СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ПОРОШКА МОНОКАРБИДА ВОЛЬФРАМА WC
METHOD OF PRODUCING SPHERICAL POWDER OF TUNGSTEN MONOCARBIDE WC

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению сферических порошков монокарбида вольфрама, который является основным компонентом металлокерамических твердых сплавов, применяемых для изготовления инструмента, обладающего высокой твердостью и коррозионной стойкостью, для изготовления буровых коронок, который также применяется для легирования сталей, для наплавки износостойких покрытий на детали, работающих в условиях интенсивного изнашивания и т.д.
2
Монокарбид вольфрама синтезируют из вольфрама или его соединений, например таких, как оксид или кислота, при их контакте с углеродом или углеродосодержащими материалами. Например, известен способ синтеза порошка монокарбида вольфрама, при котором порошки вольфрама и сажи подвергали интенсивной механической обработке и отжигу (А.С. Курлов и др. Размер частиц нанокристаллических порошков как функция параметров механического размола. Письма в ЖГТ, 2007, т. 33, вып. 19, с. 46-54). Известен также способ получения порошка на основе монокарбида вольфрама, включающий восстановление в плазменном реакторе кислородосодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда с получением смеси порошков, состоящей из WC, WC, вольфрама и свободного углерода, и последующей обработке смеси в присутствии водорода при температуре 800-1300°С для восстановления карбидов и удаления кислорода с получением порошка на основе монокарбида вольфрама (РФ 2349424 C1, B22F 9/22, 20.03.2009). Монокарбид вольфрама, полученный по приведенным выше технологиям, формируется в виде порошка с неправильной формой частиц. Однако, для многих применений необходимо использовать порошок со сферической формой частиц. Структура сферических зерен характеризуется высокой плотностью и практическим отсутствием дефектов, свойственных дробленому порошку, следствием этого является повышенная прочность сферических частиц.
Сферический порошок большинства материалов получают в основном распылением расплавов различными методами, такими, как распыление потоками газа, центробежное распыление, плазменная сфероидизация и т.п. Так известен способ получения сферического порошка карбида вольфрама, в котором несферические частицы WC предварительно покрывают углеродосодержащим соединением, а затем нагревают плазмой до формирования сферического порошка (US 9079778 В2, С01В 31/34, 14.07.2015). Известен также способ получения сферического порошка карбида вольфрама, включающий расплавление исходного материала карбида вольфрама при температуре на 150-300°С выше температуры его плавления, выдержку и распыление расплава потоками инертного газа (US 5089182 A, B22F 9/04, 18.02.1992). Приведенный выше способ принят в качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения.
2
2
Однако получить только порошок монокарбида вольфрама со сферической формой частиц распылением расплава невозможно, т.к. в процессе нагрева монокарбид вольфрама разлагается по перитектической реакции при температуре 2500°С на WC и свободный углерод (С), а при последующем охлаждении расплава в структуре твердого материала фиксируются фазы в соответствии с диаграммой состояния, а именно WC, WC, С. Т.е. получить порошок, содержащий практически полностью сферический монокарбид вольфрама, распылением расплава заданного состава невозможно.
Задачей изобретения является разработка способа получения сферического порошка монокарбида вольфрама.
Техническим результатом изобретения является увеличение содержания в конечном продукте порошка монокарбида вольфрама более 70 об.%.
2
Технический результат достигается тем, что в способе получения сферического порошка монокарбида вольфрама WC, включающем расплавление исходного материала, распыление расплава с формированием сферическою порошка, согласно изобретению в качестве исходного материала используют крупку монокарбида вольфрама, расплавление и распыление исходного материала осуществляют путем непрерывной подачи крупки во вращающийся тигель установки центробежного распыления в атмосфере азота и плавления ее плазменной дутой, после чего осуществляют отжиг полученного порошка при температуре 1200-1400°С в течение времени, необходимого для распада WC с последующим охлаждением с печью. Также технический результат достигается полученным заявленным способом порошком монокарбида вольфрама.
В частных случаях реализации изобретения в качестве исходного материала используют крупку монокарбида вольфрама WC с размером частиц 20-80 мкм, отжиг полученного порошка осуществляют в течение 1,5-2 часов.
В результате использования заявленного способа получают порошок с размером частиц от 10 мкм до 2,5 мм.
Сущность изобретения заключается в следующем.
На рис. 1 представлен внешний вид сферического порошка монокарбида вольфрама (а) и сечение частиц после травления (б).
На рис. 2 представлена типичная рентгенограмма сферических частиц порошка монокарбида вольфрама непосредственно после распыления.
На рис. 3 представлена типичная рентгенограмма сферических частиц порошка монокарбида вольфрама после отжига.
2
2
2
2
В соответствии с диаграммой состояния монокарбид вольфрама образуется по перитектической реакции при температуре ~2500°С. При температуре полного плавления (2870°С) монокарбид вольфрама распадается на WC и углерод, а при кристаллизации расплава в процессе распыления выделяются фазы WC, WC и свободный углерод. Таким образом, полученный при распылении расплава сферический порошок представляет собой смесь перечисленных выше фаз. Отжиг полученной распыленной смеси порошков позволяет привести ее в равновесное состояние, фаза WC переходит в частице в фазу WC. При этом подбор режимов и условий охлаждения позволяет получить образующиеся фазы, по возможности, как можно дисперстнее, с тем, чтобы диффузионные процессы перехода в равновесное состояние проходили быстрее. Экспериментально установлено, что проведение отжига распыленного сферического порошка при температуре 1200-1400°С с выдержкой, необходимой для распада WC, и последующее медленное охлаждение с печью позволяет получать сферический порошок с содержанием монокарбида вольфрама более 70 об.%. При этом наилучшие результаты получаются при отжиге порошка в течение 1,5-2 часов.
Примеры реализации
Исходный порошок монокарбида вольфрама WC с частицами неправильной формы (исходная крупка) распыляли на установке центробежного распыления из вращающегося гарниссажного тигля. Плавление крупки осуществляли непосредственно во вращающемся тигле за счет тепла плазменной дуги, горящей между плазмотроном и внутренней полостью тигля. Исходную крупку непрерывно подавали во внутреннюю полость тигля.
Для оценки влияния состава газовой атмосферы в рабочей камере и размера частиц на их свойства распыление проводили в атмосфере аргона, гелия и азота при атмосферном давлении. В зависимости от режимов распыления получали сферический порошок с размером частиц от 10 мкм до 2,5 мм.
Во всех случаях частицы получаемого порошка имеют сферическую форму, рис. 1.
2
Независимо от размера частиц и условий распыления фазовый состав распыленного материала одинаков и представляет собой смесь частиц следующих фаз WC(~31-35 vol. %), WC (~42-58 vol. %), С (~10-23 vol.%), рис. 2, таблица 1.
Отжиг полученного сферического порошка проводили при температурах выше 1200°С с различным временем выдержки.
В таблице 1 приведено соотношение фаз в материале сферического порошка в зависимости от условий распыления и режимов термической обработки, а на рис. 3 показана типичная рентгенограмма сферического порошка монокарбида вольфрама после отжига.
Во всех случаях в структуре материала порошка наблюдается изменение фазового состава материала после термической обработки по сравнению с фазовым составом материала непосредственно после распыления.
2
2
В зависимости от режимов термической обработки содержание фазы WC значительно уменьшается и она практически исчезает. Содержание фазы WC при наиболее эффективных режимах обработки не превышает 0,5 об.%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает получение практически чистого монокарбида вольфрама в виде распыленного порошка со сферической формой частиц.