RU2098233C1

RU2098233C1 - Method of manufacturing composite material from tungsten-containing mineral raw material based on scheelite concentrate

Info

Publication number: RU2098233C1
Application number: RU95118534A
Authority: RU
Inventors: С.В. Николенко; А.Д. Верхотуров; В.В. Гостищев
Original assignee: Институт материаловедения Дальневосточного отделения РАН
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 1997-12-10

Abstract

FIELD: composite materials. SUBSTANCE: invention relates to powder composite materials and compact electrode material involving aluminothermics technique. Method includes preparing charge by mixing scheelite concentrate with aluminum followed by thermal reduction, the charge being supplemented with boron compound in weight proportion to tungsten oxide contained in concentrate (0.15-0.3): 1, whereas aluminum to tungsten oxide weight ratio ranges from 0.2:1 to 0.3:1. In a particular case, boron carbide and/or oxide are used as boron compound. EFFECT: widened choice of constituents for composite materials. 2 cl

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности получения порошковых и компактных электродных материалов алюмотермией. The invention relates to powder metallurgy, in particular the production of powder and compact electrode materials with aluminothermy.

Известен способ получения материала из вольфрамсодержащего минерального сырья алюмотермией, согласно которому шихту, содержащую шеелитовый концентрат, алюминий, оксид железа, нитрид натрия и фторид кальция подвергают термической обработке в печи. Металлическая фаза полученного продукта содержит 75-83% вольфрама, 16-24% железа и до 1% алюминия, (см. положительное решение по заявке N 93057819 от 29.12.93 г. "Способ получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья"). Известный способ в отличие от предлагаемого направлен на получение материала, состоящего из металлической фазы вольфрама, железа и алюминия. A known method of producing material from tungsten-containing mineral raw materials by aluminothermy, according to which a mixture containing scheelite concentrate, aluminum, iron oxide, sodium nitride and calcium fluoride is subjected to heat treatment in an oven. The metal phase of the obtained product contains 75-83% tungsten, 16-24% iron and up to 1% aluminum, (see the positive decision on the application N 93057819 dated 12.29.93, "Method for producing electrodes from tungsten-containing mineral raw materials"). The known method, unlike the proposed one, is aimed at obtaining a material consisting of a metal phase of tungsten, iron and aluminum.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ получения керамического материала из вольфрамсодержащего минерального сырья, в том числе и шеелита, смешением последнего, карбида кальция, порошкообразного алюминия и окиси железа. Соотношение компонентов в шихте регулируют таким образом, чтобы после инициирующего нагрева экзотермическая реакция в шихте шла при 2450^oC без подвода тепла извне. На 1 мас. ч. вольфрама в шихту вводят 3,5 мас. ч. оксида железа, 0,2-0,4 мас. ч. карбида кальция и 0,35-1,6 мас. ч. алюминия. Шихту делят на части и одну из них загружают в печь, нагретую до 700^oC. После начала реакции остальные порции загружают по очереди с такой скоростью, чтобы обеспечить спокойное течение реакции при заданной температуре. В результате получают кристаллический карбид вольфрама, содержащий часть непрореагировавших карбида кальция и алюминия. После охлаждения смеси карбид вольфрама отселяют от шлакообразных соединений, измельчают и промывают водой и кислым растворителем для железа (см. патент Австралии N 424648).The closest in technical essence and the achieved result to the proposed is a method of producing a ceramic material from tungsten-containing mineral raw materials, including scheelite, by mixing the latter, calcium carbide, powdered aluminum and iron oxide. The ratio of components in the charge is controlled so that after initiating heating the exothermic reaction in the charge occurs at 2450 ^o C without supplying heat from the outside. For 1 wt. including tungsten in the charge is introduced 3.5 wt. including iron oxide, 0.2-0.4 wt. including calcium carbide and 0.35-1.6 wt. including aluminum. The mixture is divided into parts and one of them is loaded into a furnace heated to 700 ^o C. After the start of the reaction, the remaining portions are loaded in turn at such a rate as to ensure a smooth flow of the reaction at a given temperature. The result is crystalline tungsten carbide containing a portion of unreacted calcium and aluminum carbide. After cooling the mixture, tungsten carbide is separated from the slag-like compounds, ground and washed with water and an acidic solvent for iron (see Australian patent N 424648).

Основным недостатком известного способа является усложненная технологическая схема, требующая периодической загрузки шихты в печи, дополнительных операций по отмывке водой и растворителем примесей, сопутствующих основному продукту. The main disadvantage of this method is the complicated technological scheme, requiring periodic loading of the mixture in the furnace, additional operations of washing with water and solvent impurities associated with the main product.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа получения композиционного керамического электронного материала, который позволил бы при комплексном использовании вольфрамсодержащего минерального сырья снизить затраты на процесс за счет упрощения схемы. The objective of the proposed technical solution is to develop a method for producing a composite ceramic electronic material, which would allow for the complex use of tungsten-containing mineral raw materials to reduce the cost of the process by simplifying the scheme.

Поставленная задача заключается в том, что в способе получения композиционного материала из вольфрамсодержащего минерального сырья, преимущественно шеелитового концентрата, включающем подготовку шихты смешением концентрата с алюминием и последующее термическое восстановление, согласно изобретению предложено в шихту дополнительно вводить соединения бора в массовом соотношении с оксидом вольфрама в концентрате (0,15-0,3):1, а массовое соотношение алюминия с оксидом вольфрама в шихте поддерживать в пределах (0,2-0,3): 1, при этом в качестве соединений бора в шихте использовать карбид и/или оксид бора. The task is that in the method of producing a composite material from tungsten-containing mineral raw materials, mainly scheelite concentrate, including preparing the mixture by mixing the concentrate with aluminum and subsequent thermal reduction, according to the invention, it is proposed to additionally introduce boron compounds in the mixture in a mass ratio with tungsten oxide in the concentrate (0.15-0.3): 1, and the mass ratio of aluminum with tungsten oxide in the charge to maintain within (0.2-0.3): 1, while as a soybean boron in the charge use carbide and / or boron oxide.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что при упрощенной схеме по сравнения с известным способом возможно получение материала, используемого для электроискрового легирования, лазерной наплавки, в качестве абразивного материала и режущих пластинок для инструмента. The advantages of the proposed method are that with a simplified scheme in comparison with the known method, it is possible to obtain a material used for electric spark alloying, laser surfacing, as an abrasive material and cutting inserts for a tool.

Использование в шихте соединений бора в соотношении к оксиду вольфрама менее 0,15 мас.ч. а алюминия соответственно более 0,3 мас. ч. приводит к бурному процессу протекания реакции с большими потерями продукта синтеза и образованием большого количества оксида алюминия. При соотношении соединений бора к оксиду вольфрама более 0,3 мас.ч. и алюминия менее 0,2 мас.ч. реакция замедляется с накоплением большого количества непрореагировавших боридообразующих компонентов. The use of boron compounds in the mixture in the ratio to tungsten oxide is less than 0.15 wt.h. and aluminum, respectively, more than 0.3 wt. including leads to a rapid process of the reaction with large losses of the synthesis product and the formation of a large amount of alumina. When the ratio of boron compounds to tungsten oxide is more than 0.3 wt.h. and aluminum less than 0.2 wt.h. the reaction slows down with the accumulation of a large number of unreacted boride-forming components.

Пример. Для подготовки шихты использовали шеелитовый концентрат в количестве 100 г с содержанием основных компонентов, мас. CaWO₄ 5, оксид кремния 3, остальное оксид вольфрама, который смешивали с порошком алюминия (25 г) и соединениями бора (22 г) в виде оксида бора и/или карбида бора, взятых в случае смеси в массовом соотношении 1:1. Шихту, в которой массовое соотношение компонентов составило: алюминия с оксидом вольфрама 0,25:1, а соединения бора с оксидом вольфрама 0,22:1, загружали в керамический тигель, реакцию горения инициировали с помощью нихромовой спирали, раскаленной под действием электрического тока.Example. To prepare the mixture used scheelite concentrate in an amount of 100 g with the content of the main components, wt. CaWO ₄ 5, silicon oxide 3, the rest is tungsten oxide, which was mixed with aluminum powder (25 g) and boron compounds (22 g) in the form of boron oxide and / or boron carbide, taken in the case of the mixture in a mass ratio of 1: 1. A mixture in which the mass ratio of the components was: aluminum with tungsten oxide 0.25: 1, and boron compounds with tungsten oxide 0.22: 1, were loaded into a ceramic crucible, the combustion reaction was initiated using a nichrome spiral heated by electric current.

Синтез боридов при использовании карбида бора предпочтительно вести на воздухе, а при использовании оксида бора в вакууме, при использовании их смеси синтез проводят, как в вакууме, так и на воздухе. Процесс ведут без подвода внешних источников тепла. Реакция протекала 5-10 с. Полученный продукт после охлаждения измельчили до размера частиц 30-50 мкм и как показали рентгенофазовый и металлографический анализы состоит из частиц борида вольфрама 80% с металлическим блеском и стекловидной фазы серого цвета оксида алюминия 20% Сравнительное исследование характеристик полученного продукта по микротвердости (HB при нагрузке 50 H) были проведены на приборе ПМТ-3, по износостойкости на машине трения МТ-22 П. The synthesis of borides when using boron carbide is preferably carried out in air, and when using boron oxide in vacuum, when using their mixture, the synthesis is carried out both in vacuum and in air. The process is conducted without supplying external heat sources. The reaction took 5-10 s. After cooling, the obtained product was crushed to a particle size of 30-50 μm and, as shown by X-ray phase and metallographic analyzes, it consists of 80% tungsten boride particles with a metallic sheen and a glassy gray phase of aluminum oxide 20%. A comparative study of the microhardness of the obtained product (HB at a load of 50 H) were carried out on a PMT-3 device, on wear resistance on a friction machine MT-22 P.

Микротвердость материала составила 31 ГПа, (у стандартного материала ВК8 18-20 ГПа). Удельная величина износа покрытия, образованного из полученного материала, в 2 раза ниже, чем покрытия из материала стандартного электрода ВК8. The microhardness of the material was 31 GPa, (for the standard material VK8 18-20 GPa). The specific wear of the coating formed from the obtained material is 2 times lower than the coating of the material of the standard VK8 electrode.

Пример осуществления способа приведен с наиболее оптимальным количественным соотношением компонентов в шихте, т.к. интервал граничных значений невелик. Предлагаемый способ позволит получать композиционный керамический материал при относительно небольших затратах за счет упрощенной технологической схемы и использования в качестве исходного компонента - минерального сырья. An example implementation of the method is shown with the most optimal quantitative ratio of components in the charge, because the range of boundary values is small. The proposed method will allow to obtain composite ceramic material at relatively low cost due to the simplified technological scheme and the use of mineral raw materials as the initial component.

Claims

1. A method of producing a composite material from tungsten-containing mineral raw materials based on scheelite concentrate, comprising preparing the charge by mixing the concentrate with aluminum and conducting subsequent thermal recovery, characterized in that boron compounds are additionally introduced into the charge in a mass ratio with tungsten oxide in concentrate 0.15 0 , 3 1, and the mass ratio of aluminum to tungsten oxide is supported by 0.2 0.3 1.

2. The method according to p. 1, characterized in that as boron compounds in the charge using carbide and / or boron oxide.