Патент на изобретение №2264278

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ИЗДЕЛИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению твердосплавного инструмента. В способе, включающем приготовление порошкообразной смеси, содержащей карбидосодержащие компоненты с регламентированным размером зерна и кобальтовую компоненту, формование заготовки и ее спекание, согласно изобретению используют кобальтовую компоненту, насыщенную вольфрамом и углеродом. Причем насыщение кобальтовой компоненты осуществляют предварительно с получением твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод, который затем измельчают. Количество вольфрама в твердом растворе кобальт-вольфрам-углерод составляет 15-18%. Кобальтовую компоненту образуют путем смешения двух третей от массы кобальтовой компоненты измельченного твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод и одной трети порошка кобальта. Обеспечивается получение, инструмента с повышенной трещиностойкостью и работоспособностью. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к технологии получения твердосплавного инструмента для лезвийной обработки поверхностей катания бывших в эксплуатации колес железнодорожных вагонов.

Известно (Патент RU №2110598 С1) решение, принятое за ближайший аналог, в котором перед традиционным замешиванием смеси компонентов, формированием заготовки изделия и спеканием изделия карбидосодержащие компоненты (упрочняющую фазу) предварительно измельчают в процессе размола до размера зерна 0,2-0,4 мкм.

Недостатком способа является относительно низкая работоспособность изделий при жестких условиях эксплуатации из-за низкой трещиностойкости (способности сопротивляться образованию и росту микротрещин) материала изделия.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение работоспособности (периода стойкости) изделий за счет повышения трещиностойкости материала изделия.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления твердосплавных изделий, включающем приготовление порошкообразной смеси, содержащей карбидосодержащие компоненты с регламентированным размером зерна и кобальтовую компоненту, формование заготовки и ее спекание, согласно изобретению используют кобальтовую компоненту, насыщенную вольфрамом и углеродом.

При этом насыщение кобальтовой компоненты осуществляют предварительно с получением твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод, который затем измельчают. Количество вольфрама в твердом растворе кобальт-вольфрам-углерод составляет 15-18%. Кобальтовую компоненту образуют путем смешения двух третей от массы кобальтовой компоненты измельченного твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод и одной трети порошка кобальта.

Предварительное насыщение кобальтовой компоненты (связующей фазы) вольфрамом и углеродом снижает скорость роста зерен при жидкофазном спекании из-за сниженной первоначальной (т.к. кобальт уже находится в менее активном состоянии) скорости растворения карбидосодержащих компонент в кобальтовой компоненте и это соответственно приводит к более равномерному гранулометрическому составу изделия с уменьшенным размером зерен упрочняющей фазы, обладающего повышенной трещиностойкостью.

Таким образом, заявляемый объект, как и ближайший аналог, имеют следующие ограничительные признаки: способы содержат приготовление смеси из компонентов с регламентированным размером зерна карбидосодержащих компонент. Среди компонент обязательно есть кобальтовая.

Однако заявляемый объект отличается тем, что используют кобальтовую компоненту, насыщенную вольфрамом и углеродом. Насыщение осуществляют на любом этапе изготовления изделия, пока кобальт еще не находится в связанном виде либо способен к восстановлению. Например, насыщение возможно на первой стадии жидкофазной фазы при введении в печь хлоридов вольфрама и углерода.

Наиболее технологически просто насыщение произвести предварительно, т.е. заранее. Например, можно термохимической обработкой заранее получить твердый раствор кобальт – вольфрам – углерод, затем измельчить его и в таком виде вводить как кобальтовую компоненту в смесь с другими (упрочняющими) компонентами. Затем такую смесь пластифицируют, формируют и спекают.

Наличие в смеси кобальтовой компоненты, насыщенной вольфрамом и углеродом, снижает скорость роста зерен при жидкофазном спекании за счет снижения (т.к. кобальт связан) первоначальной скорости растворения карбидных зерен. В результате структура спеченного изделия имеет более равномерный гранулометрический состав со средним размером зерна на 20-25% меньше, чем при обычных смесях (без насыщения кобальта вольфрамом и углеродом). Это в свою очередь позволяет повысить трещиностойкость изделия на 20-40%, что естественно влечет за собой повышение работоспособности изделия, к росту его периода стойкости или ресурса.

Примеры реализации способа

1. Пример для пункта 1 формулы.

1.1. Готовили смесь с компонентами: кобальт 6-12%, карбид вольфрама 63-89%, карбид титана 3-8%, карбид тантала 2-7%. Смесь перемешивали, пластифицировали. Из смеси формировали заготовки режущей пластины для обточки железнодорожных колес. Часть заготовок пластин спекали по типовой технологии и получали типовые режущие пластины П1.

Другую часть заготовок пластин спекали по предлагаемому способу, т.е. с насыщением кобальта вольфрамом и карбидом. Для этого при температуре начала образования жидкой фазы кобальта в вакуумную печь спекания вводили в паро-фазовом виде хлориды вольфрама и карбида. В итоге получали режущие пластины П2.

1.2. Пластины изучали на электронном микроскопе и на обычном металловедческом микроскопе. Выявили (в зависимости от соотношения компонент в смеси):

1. Гранулометрический состав пластин П2 более равномерен, чем пластин П1.

2. Средний размер зерен у пластин П2 меньше на 22,5% (на 20-25%), чем у пластин П1.

3. В пластинах П2 кобальт находится в свободном (несвязанном) виде и в связанном виде. В пластинах П1 кобальта в связанном виде значительно (на порядок) меньше, причем он связан, преимущественно, не вольфрамом.

В пластинах П2 связанный кобальт имеет градиентный характер, а именно:

– в объеме пластин он связан (в нем растворены) теми же компонентами, что и в пластинах П1;

– по мере приближения к поверхности пластины в нем доминирует вольфрам;

– на поверхности пластин (до 20-50 мкм) кобальт связан вольфрамом и углеродом, причем вольфрама до 18%, углерода по предельной растворимости в кобальте.

1.3. Методом индентирования определяли трещиностойкость (коэф. вязкости разрушения K_1c) материала пластин П1 и П2.

Выявили, что у пластин П1 трещиностойкость выше на 20-40%.

1.4. Пластины использовали при точении бывших в эксплуатации колес железнодорожных грузовых вагонов. Фиксировали число колес, обработанных режущей кромкой пластины до ее скола или предельнодопустимого износа. Выявили: число колес, обработанных пластинами П2, выше на 20-30%, чем число колес, обработанных пластинами П1.

2. Пример для пункта 1 и 2 формулы

2.1. Брали в порошковом виде кобальт, вольфрам и углерод в разных соотношениях. Замешивали смеси. Формовали заготовки. Их спекали в вакуумной печи до образования твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод, т.е. кобальт предварительно насыщали вольфрамом и углеродом.

Заготовки дробили и измельчали до 0,2-0,4 мкм. Это и являлось компонентой для введения в смесь изделия.

2.2. Готовили смесь по пункту 1.1, но вместо кобальта вводили компоненту, полученную по пункту 2.1.

2.3., 2.4 и 2.5 выполняли соответственно по пунктам 1.2, 1.3 и 1.4.

Выявили аналогичные результаты, но связанный кобальт в изделии не имел градиентный характер, он был стабилен по всему объему материала изделия. Также более стабильной была работоспособность пластин П2 (прирост числа обработанных колес на 25-30%).

Сделан вывод: этот пример реализуется более просто и имеет аналогичные результаты.

3. Пример для пункта 3 формулы.

В ходе реализации примера 2 выявили, что при подготовке порошков кобальта, вольфрама и углерода их соотношение влияет на работоспособность пластин. Она наиболее высока (30%) в том случае, когда соотношение приводит к насыщению кобальта вольфрамом в количестве 15-18% (остальное – углерод по предельной растворимости в кобальте в присутствии вольфрама).

4. Пример для пункта 4 формулы.

При подготовке смеси по пункту 1.1 вводили и порошок кобальта и порошок твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод. Т.е. кобальтовая компонента содержала какую-то часть кобальта и какую-то часть раствора кобальт-вольфрам-углерод. Соотношением частей варьировали. Выявили, что тот же результат (повышение работоспособности пластин на 20-30%) достигается при соотношении:

– две трети части кобальтовой компоненты – это раствор кобальт-вольфрам-углерод при насыщении 15-18% вольфрамом;

– одна треть части кобальтовой компоненты – кобальт.

Сделан вывод: этот пример экономически выгоден, т.к. сокращает затраты на приготовление твердого раствора (его требуется на одну треть меньше).

Формула изобретения

1. Способ изготовления твердосплавных изделий, включающий приготовление порошкообразной смеси, содержащей карбидосодержащие компоненты с регламентированным размером зерна и кобальтовую компоненту, формование заготовки и ее спекание, отличающийся тем, что используют кобальтовую компоненту, насыщенную вольфрамом и углеродом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что насыщение кобальтовой компоненты осуществляют предварительно с получением твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод, который затем измельчают.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что количество вольфрама в твердом растворе кобальт-вольфрам-углерод составляет 15-18%.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что кобальтовую компоненту образуют путем смешения двух третей от массы кобальтовой компоненты измельченного твердого раствора кобальт-вольфрам-углерод и одной трети порошка кобальта.