Способ получения спеченных изделий из электроэрозионных вольфрамосодержащих нанокомпозиционных порошков
METHOD FOR PRODUCING SINTERED PRODUCTS FROM ELECTROSPARKING TUNGSTEN-CONTAINING NANOCOMPOSITE POWDERS

Изобретение относится к способам получения спеченных изделий из твердых сплавов, в которых используются порошки связующей фазы со сферическими неагломерированными частицами.
Спеченные твердые сплавы получают технологией, обычной для порошковой металлургии, которая состоит в смешивании исходных порошков карбидов, вольфрама и возможно других твердых материалов с одновременным механическим измельчением с использованием мельниц, вращающихся шаровых мельниц, вибромельниц, истирающих мельниц и других подобных устройств.
Известен способ получения спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама (патент РФ №2060291, МПК С22С 29/02, 1997). Суть способа заключается в том, что в исходный порошок триоксида вольфрама добавляют порошок карбида вольфрама со средним размером зерна не более 1,5 мкм, смешивают и восстанавливают до вольфрама, а затем проводят карбидизацию. Готовят шихту совместным мокрым размолом карбида вольфрама и металлической связки. Из высушенной шихты прессуют заготовки и спекают.
Недостатком известного способа получения спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама является многооперационность технологического процесса.
Также известен способ получения высокопористых вольфрам-медных материалов, полученных жидкофазным спеканием (В.В. Скороход, С.М. Солонин, Л.И. Чернышев. Высокопористые вольфрам-медные материалы, полученные жидкофазным спеканием. Порошковая металлургия, 1978, №2, С. 17-21). Данный способ включает смешивание порошков вольфрама марки ВЧ с электролитической медью марки ПМЭ-1, в которые добавляют 20 вес.% никеля марки ПНК-1. Металлические порошки смешивали с порошком двууглекислого аммония с размером частиц 100 мкм, прессовка содержала 52 об. % этого порообразователя. После прессования микропористость (пористость областей с мелкими естественными порами, поры в объемах, занятых металлическим порошком) составляла 50%. Из прессовок при температуре 200°С в среде водорода отгонялся порообразователь, что обеспечивало перед спеканием относительный объем крупных пор, образованных порообразователем (макропористость), который составлял 52%. Жидкофазное спекание проводили в среде водорода при температуре 1250°С в течение 1 часа. После спекания пористость образцов состава WNi - 6,4 Cu составила 60%.
Недостатком известных способов являются повышенные трудовые и материальные затраты, связанные с предварительным получением исходных компонентов, а также наличие высокой пористости в материале изделия при использовании указанных режимов спекания и невысокие в связи с этим физико-механические свойства.
В основу изобретения положена задача осуществить такое получение порошкового материала для спекания, чтобы было обеспечено снижение затрат и повышение эффективности процесса спекания, а также уменьшение пористости.
Поставленная задача решается тем, что упомянутый порошок получается электроэрозионным диспергированием отходов стали Р6М5, твердого сплава ВК8 в керосине осветительном на установке ЭЭД при следующих параметрах: отходы быстрорежущей стали марки Р6М5 диспергировали при напряжении на электродах 190-210В, емкости разрядных конденсаторов 55 мкФ, частоте следования импульсов 90-110 Гц; отходы твердого сплава марки ВК8 диспергировали при напряжении на электродах 140-160В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 160-180 Гц, порошки смешивали в пропорции 30% Р6М5 и 70% ВК8, подвергали прессованию, а затем плазменному спеканию при температуре 1200 °С, и давлении 40 МПа в течение 10 минут.
Получаемые этим способом порошковые материалы, имеют в основном сферическую форму частиц. Причем, изменяя электрические параметры процесса диспергирования (напряжение на электродах, емкость конденсаторов и частоту следования импульсов) можно управлять шириной и смещением интервала размера частиц, а также производительностью процесса.
На фигуре 1 представлена схема процесса ЭЭД, на фигуре 2 показана схема консолидации порошков методом искрового плазменного спекания, на фигуре 3 – технология искрового плазменного спекания: А – принципиальная схема SPS синтеза; Б – общая схема нагрева по методу SPS, на фигуре 4 – микроструктура спеченного изделия при разрешающей способности микроскопа 500, на фигуре 5 – элементный состав спеченного изделия, на фигуре 6 – элементный состав спеченного изделия; на фигуре 7 – элементный состав спеченного изделия, на фигуре 8 – результаты исследования пористости спеченного изделия.
Порошковый материал получали в следующей последовательности.
На первом этапе производили сортировку отходов, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой – осветительным керосином, 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 2 прикладывается к электродам 5 и далее к отходам 8 (в качестве электродов так же служили соответственно сталь P6М5 и твердый сплав ВК8). в реакторе 3. При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей среды 10, 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 9). 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 1 предназначен для установки необходимых значений напряжения, а встряхиватель 4 передвигает один электрод, что обеспечивает непрерывное протекание процесса ЭЭД.
На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора.
На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка. Затем полученные порошки смешивали в пропорции 30% P6М5 и 70% ВК 8 соответственно, прессовали и спекали.
Консолидация порошков проведена методом искрового плазменного спекания с использованием системы искрового плазменного спекания SPS 25-10 (Thermal Technology, США) по схеме представленной на фигуре 2. Исходный материал размещали в матрице из графита, помещаемой под пресс в вакуумной камере. Электроды, интегрированные в механическую часть пресса, подводят электрический ток к матрице и создают искровые разряды между спекаемыми частицами материала, обеспечивая интенсивное взаимодействие. Процесс консолидации порошков схематически приведен на фигуре 3 (А – принципиальная схема SPS синтеза; Б – общая схема нагрева по методу SPS).
Преимущества технологии: равномерное распределение тепла по образцу; высокая плотность или контролируемая пористость; связующие материалы не требуются; равномерное спекание однородных и разнородных материалов; короткое время рабочего цикла; изготовление детали сразу в окончательной форме и получение профиля, близкого к заданному.
При этом достигается следующий технический результат: получение спеченных изделий вольфрамсодержащих нанокомпозиционных порошков  с частицами правильной сферической формы с невысокими энергетическими затратами и экологической чистотой процесса способом электроэрозионного диспергирования (ЭЭД). При этом значительно уменьшается пористость и шероховатость, а также увеличивается твердость полученных спеченных изделий.
Способ позволяет получить порошки без использования химических реагентов, что существенно влияет на себестоимость спеченных изделий и позволяет избежать загрязнения рабочей жидкости и окружающей среды химическими веществами.
Пример 1.
Для получения порошков из стали Р6М5 и твердого сплава ВК 8 методом электроэрозионного диспергирования в осветительном керосине 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 па-тентообладатель 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 быстрорежущей стали марки Р6М5 диспергировали при напряжении на электродах 190-210В, емкости разрядных конденсаторов 55 мкФ, частоте следования импульсов 90-110 Гц; отходы твердого сплава марки ВК8 диспергировали при напряжении на электродах 140-160В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 160-180 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка. Полученные порошки смешивали в пропорции 30% P6М5 и 70% ВК 8 соответственно.
Консолидация порошков проведена методом искрового плазменного спекания с использованием системы искрового плазменного спекания SPS 25-10 (Thermal Technology, США) по схеме представленной на Фигуре 2. Исходный материал размещали в матрице из графита, помещаемой под пресс в вакуумной камере. Электроды, интегрированные в механическую часть пресса, подводят электрический ток к матрице и создают искровые разряды между спекаемыми частицами материала, обеспечивая интенсивное взаимодействие. Процесс консолидации порошков схематически приведен Фигуре 3.
Полученное спеченное изделие исследовали различными методами.
3
4
2
3
2
3
Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу) (Фигура 4). Поверхность образцов шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№ 60–70) и мелким зерном (№220–240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90°. 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.
С помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 600 FEG», были получены спектры характеристического рентгеновского излучения в различных точках на поверхности образца и по поперечному шлифу (Фигура 5). Установлено, что основными элементами являются C (2,14 %); O (0,26 %); Ti (13,91 %); Fe (3,93 %); W (78,59 %); Co (0,81 %).
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 8, пористость составляет 0,62 %.
Пример 2.
Для получения порошков из стали Р6М5 и твердого сплава ВК 8 методом электроэрозионного диспергирования в осветительном керосине 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 па-тентообладатель 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 быстрорежущей стали марки Р6М5 диспергировали при напряжении на электродах 190-210В, емкости разрядных конденсаторов 55 мкФ, частоте следования импульсов 90-110 Гц; отходы твердого сплава марки ВК8 диспергировали при напряжении на электродах 140-160В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 160-180 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка. Полученные порошки смешивали в пропорции 30% P6М5 и 70% ВК 8 соответственно.
Консолидация порошков проведена методом искрового плазменного спекания с использованием системы искрового плазменного спекания SPS 25-10 (Thermal Technology, США) по схеме представленной на Фигуре 2. Исходный материал размещали в матрице из графита, помещаемой под пресс в вакуумной камере. Электроды, интегрированные в механическую часть пресса, подводят электрический ток к матрице и создают искровые разряды между спекаемыми частицами материала, обеспечивая интенсивное взаимодействие. Процесс консолидации порошков схематически приведен Фигуре 3.
Полученное спеченное изделие исследовали различными методами.
3
4
2
3
2
3
Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу). Поверхность образцов шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№ 60–70) и мелким зерном (№220–240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90°. 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.
С помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 600 FEG», были получены спектры характеристического рентгеновского излучения в различных точках на поверхности образца и по поперечному шлифу (Фигура 6). Установлено, что основными элементами являются C (33,73 %); O (5,95 %); Ti (5,76 %); Fe (11,25 %); W (39,67 %); Co (2,44 %).
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. В результате исследования пористость составила 1,25 %.
Пример 3.
Для получения порошков из стали Р6М5 и твердого сплава ВК 8 методом электроэрозионного диспергирования в осветительном керосине 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 па-тентообладатель 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 быстрорежущей стали марки Р6М5 диспергировали при напряжении на электродах 190-210В, емкости разрядных конденсаторов 55 мкФ, частоте следования импульсов 90-110 Гц; отходы твердого сплава марки ВК8 диспергировали при напряжении на электродах 140-160В, емкости разрядных конденсаторов 65 мкФ, частоте следования импульсов 160-180 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка. Полученные порошки смешивали в пропорции 70% P6М5 и 30% ВК 8 соответственно.
Консолидация порошков проведена методом искрового плазменного спекания с использованием системы искрового плазменного спекания SPS 25-10 (Thermal Technology, США) по схеме представленной на Фигуре 2. Исходный материал размещали в матрице из графита, помещаемой под пресс в вакуумной камере. Электроды, интегрированные в механическую часть пресса, подводят электрический ток к матрице и создают искровые разряды между спекаемыми частицами материала, обеспечивая интенсивное взаимодействие. Процесс консолидации порошков схематически приведен Фигуре 3.
Полученное спеченное изделие исследовали различными методами.
3
4
2
3
2
3
Методом оптической микроскопии было проведено исследование микроструктуры образцов (по поперечному шлифу). Поверхность образцов шлифовали и полировали. Шлифование производили металлографической бумагой с крупным (№ 60–70) и мелким зерном (№220–240). В процессе шлифования образец периодически поворачивали на 90°. 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.
С помощью энерго-дисперсионного анализатора рентгеновского излучения фирмы EDAX, встроенного в растровый электронный микроскоп «QUANTA 600 FEG», были получены спектры характеристического рентгеновского излучения в различных точках на поверхности образца и по поперечному шлифу (Фигура 7). Установлено, что основными элементами являются C (1,38 %); O (1,61 %); Ti (0,11 %); Fe (77,75 %); W (5,00 %); Co (10,87 %).
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. В результате исследования пористость составила 2,15 %.