RO115339B1 - Material sinterizat pe bază de carburi metalice şi procedeu de obţinere a acestuia - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un material sinterizat pe bază de carburi metalice, în special pe bază de carburi de wolfram şi la un procedeu de obţinere a acestuia. Materialul conform invenţiei are în structură o dispunere gradată, de cobalt, pe o anumită direcţie, cu diferenţe de până la 15% în greutate, între două suprafeţe opuse, ce delimitează o piesă, restul fiind carbură de wolfram cu aceeaşi structură granulometrică sau cu structuri granulometrice diferite, dispuse în cel puţin două straturi, din care unul poate fi carbură complexă de wolfram conţinând carbură de titan, carbură de tantal, carbură de niobiu. Procedeul pentru realizarea materialului, conform invenţiei, prevede ca cel puţin două amestecuri de pulberi din sistemul carbură de wolfram - cobalt, cu conţinut diferit de cobalt de până la 20% procente în greutate, şi o structură granulometrică definită printr-un diametru mediu Fisher care poate diferi cu până la 15 microni pentru diferite pulberi, să fie dozate succesiv într-o matriţă şi compactate printr-o singură aplicare a forţei de presare, definită printr-o presiune de până la 3000 daN/cm, sau într-o altă variantă, presate succesiv la presiuni specifice de până la 1500 daN/cmşi apoi compactate printr-o singură aplicare a unei forţe de presare, definită printr-o presiune specifică de până la 3000 daN/cm, comprimatul astfel format, din cel puţin două straturi, fiind supus unui tratament termic de sinterizare, precedat de un tratament termic de deliere în cazul în care cel puţin unul din amestecurile de pulberi conţine lubrifiant de presare, sinterizarea având loc la o temperatură apropiată de cea a materialului cu conţinutul cel mai ridicat în cobalt şi la o durată astfel încât să se evite uniformizarea structurală.

Description

RO 115339 B

Invenția se referă la un material sintetizat pe bază de carburi metalice, în special, pe bază de carbură de wolfram și la un procedeu de obținere a acestuia.

Sunt cunoscute materiale sintetizate, pe bază de carburi de wolfram, cum ar fi, de exemplu, aliajele dure sintetizate din sistemul de carbură de wolfram-cobalt, materialele având tenacitate ridicată la creșterea conținutului de cobalt (max.30%] sau atunci când se folosesc granulații de 5 - 6 μ, ale fazei a (WC), conținuturile maimici de cobalt [min.3%], granulațiile mai fine, micronice sau chiar submicronice ale fazei a conducând la durități mai mari. Pentru anumite utilizări, o parte din carbura de wolfram este înlocuită cu carbură de titan, carbură de tantal, carbură de niobiu, carbură de crom sau carbură de vanadiu, fiecare din acestea conferindu-i materialului proprietăți specifice. De exemplu, prezența carburii de titan conduce la creșterea durității și rezistenței la oxidare.

Aceste materiale au o structură omogenă, fazele prezentate a, β sau γ fiind uniform distribuite în volumul piesei sintetizate. Proprietățile fizico-chimice ale materialului sintetizat și implicit destinația acestuia în utilizare, depind de compoziția chimică, de granulația fazelor prezente și de modul de distribuție a acestora în structură.

Sunt cunoscute procedee de obținere a materialelor sintetizate pe bază de carburi metalice, specifice metalurgiei pulberilor, în care un amestec omogen de pulberi de o anumită compoziție chimică este format, de exemplu, prin presare, pentru obținerea unor piese cu o configurație geometrică dorită, ce sunt apoi supuse unui tratament termic de sintetizare, care în cazul aliajelor pe bază de carburi de wolfram și cobalt este o sintetizare cu fază lichidă, datorită formării eutecticului WC-Co, la temperaturi de peste 12DD°C, temperatura de sintetizare și timpul de menținere la temperatura de sintetizare, fiind în strânsă corelație cu conținutul de cobalt al materialului. în urma sinterizării, piesa presată își mărește considerabil densitatea, de exemplu, de la 7 la 14 g/cm³, în structura sintetizată, luând naștere legături stabile între fazele prezente: a (WC] și β(Οο] sau α,β și y(WC-TîC, sau WC-TiC-Ta(Nb]C).

Sunt cunoscute, de asemenea, procedee chimice sau fizice, de depunere pe suprafața exterioară a unor piese sintetizate din sistemul WC-Co a unor straturi extradure de TiC, TiN, Ti[C,N] sau AI₂0₃ (grosimi ce nu depășesc 20 pm] pentru creșterea rezistenței la uzare a unor piese sintetizate, cum sunt de exemplu plăcuțele așchietoare.

Procedeele prezentate permit obținerea unor piese monostrat sau multistrat în care o matrice monostrat din sistemul WC-Co este acoperită superficial cu straturi extradure de grosime micronică, raportul între grosimea matricei și a straturilor superficiale fiind un multiplu de 10³.

Piesele realizate, conform procedeelor prezentate, au o utilizare limitată conferită de compoziția chimică și fazică a monostratului sinterizat.

Problema tehnică, pe care o rezolvă invenția, constă în realizarea unor piese sintetizate din sistemul WC-Co, în care faza β(ΰο) este dispusă gradat în volum, pe o anumită direcție, iar celelalte faze a(WC] sau y(WC-TiC sau WC-TiC-Ta(Nb]C sunt poziționate, total sau parțial, în anumite zone ale piesei, configurația geometrică a piesei corespunzând unor solicitări fizico-mecanice ale piesei în exploatare.

Problema este rezolvată cu un material, care are în structura sintetizată o dispunere gradată a cobaltului într-o masă de fază a cu sau fără prezența altor faze care pot diferi ca mărime de grăunte de la dimensiuni submicronice la dimensiuni de până la 15 pm în anumite zone ale piesei, în funcție de configurația geometrică a acesteia.

RO 115339 B

Procedeul de obținere a materialului, conform invenției, prevede formarea piesei, din cel puțin două straturi din pulberi cu conținut diferit de cobalt, piesa 50 multistrat, după eliminarea liantului de formare fiind supusă unui tratament termic de sintetizare la o temperatură apropiată de a materialului cu conținutul cel mai ridicat în cobalt și la o durată, astfel, încât fenomenele de transfer de masă, datorate fazei lichide WC-Co să nu ducă la uniformizare structurală.

Materialul și procedeul, conform invenției, prezintă următoarele avantaje: 55

- permit realizarea unor piese sintetizate din sistemul WC-Co cu gradient structural, care răspund unor solicitări complexe în exploatare presupunând tenacitate și rezistență la șoc și la uzare;

- asigură utilizarea într-o gamă mai largă a pieselor sintetizate, conferită de compoziția chimică și structurală a materialelor. 60

Se dau, în continuare .niște exemple de realizare a invenției în legătură și cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig. 1, vedere a unei plăcuțe obținută prin presare bilaterală într-o matriță conform configurației geometrice;

- fig.2, secțiune longitudinală printr-o piesă din material pe bază de carburi, 65 având o configurație de sculă de deformare.

Exemplul *1. Inserțiile așchietoare pentru foraj constituie partea activă a unui burghiu (sfredel rotopercutant] sau a unei sape. în timpul forajului, roca este dizlocată, în principal, prin așchiereîn timpul mișcării de rotație, parțial sfărâmată și apoi, îndepărtată în timpul mișcării de percuție. Forajul presupune, deci, mișcări consecutive de 70 rotație și lovire în direcția de înaintare a sculei (sfredel sau sapă).

Părțile active ale sculei (inserțiile) se produc din aliaje dure sintetizate WC-Co cu un conținut de cobalt ce variază, de la 9 la 16% și o dimensiune a grăunților de WC de 3-4 pm sau 4-6 pm.

Compozițiile cu 9% Co și 81% WC (granulație de 3-4 pm) sunt utilizate în 75 forajul rocilor cu duritate mică sau medie (roci sedimentare, calcar, etc.).

Compozițiile cu 16% Co și 84% WC (granulație de 4-6 pm sunt utilizate în forajul rocilor cu duritate ridicată (roci metamorfice, cuarț, etc.].

Foarte utilizate sunt compozițiile cu 12% Co sau 15%Co, rest WC și o dimensiune a grăunților de carbură de wolfram corespunzătoare unei pulberi de WC cu 80 diametrul mediul Fisher de 3-4 pm.

Compoziția cu 12% Co și 88% WC acoperă o utilizare destinată forajului unor straturi, în care predomină rocile cu duritate medie, iar compoziția cu 15% Co și 85% WC acoperă o utilizare, în care predomină rocile cu duritate ridicată.

Sunt însă frecvente cazurile în care scula de foraj trebuie să traverseze zone 85 cu duritate diferită, inclusiv zone compacte de granit sau cuarț.

Pentru astfel de utilizări, dar și pentru celelalte prezentate anterior se propune realizarea unor inserții WC-Co cu gradient structural, în care dispunerea gradată a cobaltului în masa de WC-Co se obține pe direcția de acțiune a inserției.

într-o matriță cu presare bilaterală, proiectată pentru realizarea configurației 90 geometrice a inserției, se introduce o cantitate de pulbere, cu 15% Co și 85% WC (dimetru mediu Fisher 3-4 pm), ce reprezintă 25% din masa în grame a inserției, peste care se introduce o altă cantitate de pulbere cu 12% Co și 88% WC [diametrul mediu Fisher 3-4 pm), ce reprezintă 75% din masa în grame a inserției.

După închiderea matriței cu poansonul superior, întreaga cantitate de pulbere 95 se presează la o forță corespunzătoare unei presiuni de 1500 daN/cm², ce se calculează pe direcția de acțiune a forței de presare. După extragerea poansonului

RO 115339 B superior, cu poansonul inferior se scoate din matriță comprimatul presat. Inserția, în această fază, este compusă din două straturi de material ,cu 12% Co, respectiv, 15% Co, restul fiind carbură de wolfram.

Comprimatul presat se supune unui tratament de deliere, în care liantul de presare, conținut de cele două amestecuri de pulberi (parafină, polietilenglicol, cauciuc, etc.] este eliminat, până la o temperatură de circa 600°C, în atmosferă protectoare (H₂, Ar, N₂ sau vid]. Apoi, inserțiile deliate se sintetizează în vid, conform unei diagrame termice, în care temperatura maximă, numită temperatură de sintetizare este de 1370°C. Timpul de menținere la această temperatură de sintetizare este de 30...40 min, iar timpul total, în intervalul, de 13OO...137O°C este de 70 min, în care este inclus și palierul de sintetizare, de la 1370°C. De la un gradient staționar al cobaltului în piesa presată 15...12%. se obține un gradient continuu al cobaltului (dispunere gradată), de la 14 la 12,5%.

Exemplul 2. Pentru așchierea unor anumite materiale, sculele trebuie să aibă durități ridicate, în condițiile în care vitezele de așchiere depășesc 100 m/min, iar muchia tăietoare trebuie să-și mențină integritatea la unghiuri de ascuțire, de 30°C sau mai mici.

Pentru astfel de “tăișuri vii”, cele mai bune rezultate se obțin când muchia tăietoare este constituită din aliaje dure sintetizate cu conținut ,de până la 10% Co, și o granulație submicronică a carburii de wolfram.

□ durabilitate superioară se obține când într-o matrice cu gradient de cobalt, ce variază de la 8...9% până la 7...7,5%. în partea activă, carbura de wolfram are o granulație submicronică, iar în restul plăcuței carbura de wolfram are o granulație de 2...3 pm (fig. 1).

Plăcuța prezentată în fig. 1 se obține prin presare bilaterală într-o matriță proiectată conform configurației geometrice. Este de preferat, ca unghiul a să se realizeze după sintetizare, prin rectificare cu discuri diamantate.

Inițial se obține o piesă presată din două straturi, 1 și 2, stratul 1 superior fiind format dintr-o pulbere cu 8,5% Co și 91,5%WC și cu granulația 2...3 pm, iar celălalt dintr-o pulbere cu 6,8% Co și 93,2%WC având granulația de 0,8 pm]. Matrița se alimentează succesiv cu pulberi, în proporție de 65/35, compactându-se împreună la o presiune de 1500 daN/cm^s.

Gradientul structural 8,24% Co - 7,2% se obține în urma sintetizării în condiții similare cu cele prezentate în exemplul 1. Temperatura și palierul de sintetizare sunt cele stabilite pentru pulberea cu 8,5% Co și 91,5% WC.

Exemplul 3. în exemplul 1 și 2 comprimatul multistrat s-a realizat paralel cu direcția de presare, prin dozări succesive de pulberi și o singură aplicare a forței de presare, gradientul de cobalt ajungând la configurația finală în urma procesului de sintetizare.

O piesă cu gradient structural de cobalt se poate realiza și perpendicular pe direcția de presare. După dozări și presări succesive, comprimatul multistrat se sintetizează.

î n fig. 2 se prezintă o piesă cu configurație de sculă de deformare (filieră, duză de ghidare, etc.).

O piesă similară, cu cea prezentată în fig. 2 se realizează prin presare, într-o matriță cu diametrul interior corespunzător diametrului exterior al piesei, Φ1, prevăzută cu două rânduri de dornuri, ce se monteză succesiv, în poansonul inferior, cu diametrul exterior Φ1 și cu două poansoane superioare: unul cu diametrul interior corespunzător diametrului Φ2, iar celălalt corespunzător diametrului Φ1. între cele trei diametre există relația Φ1 > Φ2 > Φ3.

Claims (6)

1. RO 115339 B

   Inițial se montează matrița de presare, cu dornul de Φ2 ,în poansonul inferior. Se introduce în matriță o cantitate de pulbere WC-Co corespunzătoare realizării unei piese cu configurația geometrică din fig. 2 și diametrul interior de Φ2. Se introduce 150 poansonul superior cu diametrul interior Φ2 și se presează la o forță, corespunzătoare unei presiuni de 600 daN/cm². Se scot poansoanele de presare, comprimatul rămânând în interiorul matriței. Pe poansonul inferior se montează dornul cu Φ3 și se reintroduce în matriță. în spațiul dintre dornul Φ3 și piesa formată anterior, se introduce o cantitate de pulbere WC-TiC-Co sau WC-TiC-Ta(Nb)C-Co, corespun- 155 zătoare realizării unei bucșe cu diametrul exterior Φ2 și diametrul interior Φ3. Se montează poansonul superior cu diametrul interior de Φ3 și se presează întreg ansamblul la o forță, corespunzătoare unei presiuni de 1500 daN/cm². După scoaterea poansonului superior, cu poansonul inferior se extrage comprimatul presat. în stare presată, piesa are un gradient staționar al cobaltului, de la interior spre 160 exterior, perpendicular cu direcția de presare, de la 9,5%, în materialul WC-TiC-Co sau WC-TiC-Ta(Nb)C la 8,5% ,în materialul (WC-Co).

   După un tratament termic de eliminare a liantului de presare, comprimatele se sintetizează, în vid la o temperatură, specifică sintetizării pulberii, cu 9,5%Co, din sistemul WC-TiC-Co sau WC-TiC-Ta(Nb)C-Co. 165

   Durata de sintetizare, în intervalul de temperaturi 1300°C - temperatura de sintetizare specifică pentru pulberea cu 9,5% cobalt va fi de maximum 70 min, în care se include și durata de menținere la temperatura de sintetizare.

   După sintetizare, de la interior spre exterior (Φ₃ - Φ^, piesa prezintă o dispunere gradată a cobaltului, de la 8,2 la 8,65% și o poziționare distinctă a fazelor, în 170 volumul delimitat de diametrele Φ₂ și Φ₃: a(WC), β(WC-TiC sau WC-TiC-Ta(Nb]C și β(Οο], iar în volumul delimitat de diametrele Φ_Ξ și Φρ a(WC), β[Οο).

   Revendicări

   175

   1. Material sintetizat pe bază de carburi metalice destinat obținerii unor piese sintetizate din sistemul carbură de wolfram-cobalt, caracterizat prin aceea că în structura sintetizată cobaltul are o dispunere gradată pe o anumită direcție, cu diferențe, de până la 15% în greutate, între două suprafețe opuse ce delimitează piesa, restul fiind carbură de wolfram, cu aceeași structură granulometrică. 180
2. 2. Material sintetizat pe bază de carburi de wolfram și cobalt, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că în structura sintetizată, carbura de wolfram se dispune în minimum două straturi, distincte din punct de vedere granulometric, din care, cel puțin un strat are granulație submicronică.
3. 3. Material sintetizat pe bază de carburi de wolfram și cobalt, conform 185 revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că, cel puțin un strat de carbură de wolfram este înlocuit cu carbură complexă de wolfram ce conține carbură de titan, până la 50% și/sau carbură de tantal până la 50% ce poate conține până la 30% carbură de niobiu.
4. 4. Procedeu pentru realizarea unor piese din materiale sintetizate, conform 190 revendicării 1, caracterizat prin aceea că, cel puțin două amestecuri de pulberi din sistemul carbură de wolfram-cobalt cu conținut diferit de cobalt, de până la 20% procente în greutate și o structură granulometrică, definită printr-un diametru mediu Fisher ce poate diferi, cu până la 2 μ, pentru diferite pulberi sunt dozate succesiv întro matriță și compactate printr-o singură aplicare a forței de presare, definită printr-o 195 presiune de până la 3000 daN/cm², sau, într-o altă variantă, presate succesiv la

   RO 115339 B presiuni specifice de până la 1500 daN/cm² și apoi .compactate printr-o singură aplicare a unei forțe de presare de presare, definită printr-o presiune specifică, de până la 3000 daN/cm^s, comprimatul astfel format, din cel puțin două straturi, fiind supus unui tratament termic de sinterizare, ce este precedat de un tratament termic de deliere, în cazul, în care, cel puțin unul din amestecurile de pulberi conține lubrifiant de presare, sintetizarea fiind efectuată .astfel, încât să se evite uniformizarea structurală prin alegerea unei temperaturi de sinterizare identică sau cât mai apropiată de cea a materialului cu conținutul cel mai ridicat de cobalt, durata de încălzire în intervalul de temperaturi 1200°C-temperatura de sinterizare fiind ,de maximum 180 min, în care se include și durata de menținere la temperatura de sinterizare.
5. 5. Procedeu pentru realizarea unor piese din materiale sintetizate, conform revendicărilor 2 și 4, caracterizat prin aceea că, cel puțin unul din amestecurile de pulberi carbură de wolfram-cobalt are o structură granulometrică, definită printr-un diametru mediu Fisher sub 1 ,□ p, celălalt (celelalte] strat(uri] având o structură granulometrică caracterizată prin diametrul mediu Fisher al pulberilor utilizate de până la 15 μ.
6. 6. Procedeu pentru realizarea unor piese din materiale sintetizate, conform revendicărilor 3 și 4, caracterizat prin aceea că, cel puțin unul din amestecurile de pulberi face parte din sistemul carbură de wolfram-carbură de titan-cobalt sau carbură de wolfram-carbură de tantal(niobiu] - cobalt sau carbură de wolfram - carbură de titan - carbură de tantal(niobiu] - cobalt, având o structură granulometrică definită printr-un diametru mediu Fisher similar cu al(e) celuilalt (celorlalte] strat(uri] sau un diametru mediu Fisher submicronic.

   Președintele comisiei de examinare: ing. Anghel Radu

   Examinator: ing. Spătaru Magdalena