RU2693415C1 - Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения - Google Patents
Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693415C1 RU2693415C1 RU2018133565A RU2018133565A RU2693415C1 RU 2693415 C1 RU2693415 C1 RU 2693415C1 RU 2018133565 A RU2018133565 A RU 2018133565A RU 2018133565 A RU2018133565 A RU 2018133565A RU 2693415 C1 RU2693415 C1 RU 2693415C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wear
- cobalt
- tungsten carbide
- matrix
- inclusions
- Prior art date
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 66
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 66
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 55
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 title description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 44
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 34
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 23
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 16
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 15
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 14
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000005056 compaction Methods 0.000 claims abstract 4
- INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 1-(chloromethyl)-4-[4-(chloromethyl)phenyl]benzene Chemical compound C1=CC(CCl)=CC=C1C1=CC=C(CCl)C=C1 INZDTEICWPZYJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 18
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 6
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 5
- ZLANVVMKMCTKMT-UHFFFAOYSA-N methanidylidynevanadium(1+) Chemical class [V+]#[C-] ZLANVVMKMCTKMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 4
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims 1
- 230000002085 persistent effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 45
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 abstract description 17
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 8
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 7
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 6
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- -1 cobalt carbides Chemical class 0.000 description 4
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 3
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 2
- 238000009766 low-temperature sintering Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 2
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 2
- 238000004438 BET method Methods 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 1
- 235000010724 Wisteria floribunda Nutrition 0.000 description 1
- UQOXIKVRXYCUMT-UHFFFAOYSA-N [dimethyl-[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]heptan-4-yl)ethyl]silyl]oxy-dimethyl-[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]heptan-4-yl)ethyl]silane Chemical compound C1CC2OC2CC1CC[Si](C)(C)O[Si](C)(C)CCC1CC2OC2CC1 UQOXIKVRXYCUMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N chromium carbide Chemical compound [Cr]#C[Cr]C#[Cr] UFGZSIPAQKLCGR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 239000003966 growth inhibitor Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical group [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000005061 synthetic rubber Substances 0.000 description 1
- 229910003470 tongbaite Inorganic materials 0.000 description 1
- ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N trifluralin Chemical compound CCCN(CCC)C1=C([N+]([O-])=O)C=C(C(F)(F)F)C=C1[N+]([O-])=O ZSDSQXJSNMTJDA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 1
- 230000004222 uncontrolled growth Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/05—Mixtures of metal powder with non-metallic powder
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
- C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
- C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
- C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам на основе карбида вольфрама. Может использоваться в качестве материала режущего инструмента для лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также для изготовления иных износостойких изделий. Спеченный твердый сплав, содержащий карбид вольфрама, цементирующую связку на основе кобальта и карбиды хрома и/или ванадия, состоит из матрицы, содержащей связующее на основе кобальта и карбида вольфрама с размером зерна 0,3-2 мкм, и равномерно распределенных в матрице износостойких включений размером 5-10 мкм в количестве 10-40 об.%, содержащих связующее на основе кобальта и зерна карбида вольфрама размером 0,1-0,2 мкм. При этом матрица и включения содержат разное количество кобальта, а связующее, входящее в состав износостойких включений, содержит η-фазу. Получен путем смешивания износостойких включений с шихтой матрицы сплава, компактирования и спекания. Износостойкие включения получены из шихты, содержащей порошок карбида вольфрама с содержанием углерода, обеспечивающим образование η-фазы, порошок карбида хрома и/или ванадия и порошок кобальта в количестве, отличающемся от количества порошка кобальта в шихте для матрицы сплава, путем смешивания, компактирования и последующего измельчения до получения размера частиц 5-10 мкм. Обеспечивается повышение износостойкости. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 пр.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным твердым сплавам на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве цементирующей связки и карбидами хрома и/или ванадия в качестве ингибиторов роста зерна, обладающих высокой износостойкостью. Разработанный материал предполагается использовать в качестве основы режущего инструмента для лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также для изготовления иных износостойких изделий, таких как мелющие тела и футеровочные элементы высокоскоростных шаровых мельниц, детали трибологического назначения и др.
Особенностью обработки резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов, отличающихся высокой механической прочностью, является значительный износ режущего инструмента [1, с. 34], возникающий под активным абразивным и диффузионным воздействием срезаемого слоя обрабатываемого материала, особенно при повышенных скоростях резания, под влиянием высокой температуры, развиваемой в зоне резания и вызывающей деградацию контактной поверхности режущего материала. Появление новых марок труднообрабатываемых сталей и сплавов, а также необходимость повышения производительности операций металлообработки требуют совершенствования существующих инструментальных материалов в направлении дальнейшего повышения износостойкости, в том числе высокотемпературной.
В настоящее время для лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов используют инструмент из субмикронных твердых сплавов на основе карбида вольфрама с цементирующей кобальтовой связкой в количестве от 6 до 15 мас. % и с добавлением карбидов хрома и/или ванадия в качестве ингибиторов роста зерна в количестве от 0,3 до 1,5 мас. % [2]. Повысить износостойкость твердых сплавов стремятся за счет уменьшения размера зерна карбида вольфрама до наноуровня (dчастиц≤200 нм), включая понижение температуры консолидации до уровня твердофазного спекания. Однако разработанные к настоящему времени наноразмерные твердые сплавы с высокой стойкостью к износу не могут полностью заменить существующие субмикронные твердые сплавы, особенно на операциях чернового и получистового точения, вследствие их недостаточной вязкости разрушения.
Другим способом увеличения стойкости к износу твердых сплавов является введение в их состав компоненты с большей твердостью относительно карбида вольфрама. Выбор подобной компоненты ограничен вследствие заведомо меньшей адгезии к цементирующей фазе твердого сплава - кобальту, поскольку карбид вольфрама лучше всех тугоплавких соединений смачивается кобальтом и сопротивляется механическим нагрузкам.
Большинство разработок по увеличению высокотемпературной износостойкости твердых сплавов направлено на модифицирование их цементирующей связки в направлении увеличения жаропрочности. Это, прежде всего, легирование тугоплавкими компонентами, такими как вольфрам, тантал и рений. Тантал и рений являются дорогостоящими материалами, а вольфрам уже содержится в составе твердых сплавов. Известно [3], что при увеличении концентрации вольфрама в обедненной углеродом цементирующей кобальтовой связке при образовании двойных карбидов вольфрама и кобальта (η-фаза) с одной стороны растет твердость и жаропрочность связки, а также повышается температура ее плавления, с другой стороны снижается вязкость разрушения, что приводит в случае присутствия η-фазы во всем объеме твердого сплава к падению его прочности.
Спеченные твердые сплавы являются композиционными материалами [3]. Одним из способов улучшения композиционных материалов - это армирование частицами, которые отличаются от матрицы своими физико-механическими свойствами. Эффективность армирования зависит от размера частиц, равномерности их распределения и расстояния между ними, то есть концентрации [4].
Известен материал в соответствии с изобретением по патенту JP 4924808 (В2) [5], представляющий собой твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве цементирующей связки и карбидами ванадия и хрома в качестве ингибиторов роста зерна для изготовления инструмента с высокой износостойкостью, которая достигается снижением размера зерна карбида вольфрама в сплаве до ультрадисперсного состояния, а также способом изготовления материала - использованием низкотемпературного спекания (Тспекания=1320°С). Недостатком заявляемого материала является уменьшение вязкости разрушения по причине снижения цементирующей способности прослоек кобальта между зернами карбида вольфрама с уменьшением их размеров. Также существует высокая вероятность появления дефектов микроструктуры вследствие неравномерного роста зерен ультрадисперсного карбида вольфрама в случае недостаточно равномерного распределения карбидов хрома и ванадия в структуре твердого сплава, несмотря на их тонкое диспергирование.
Известен твердый сплав на основе карбида вольфрама и кобальта и способ его получения по разработке в соответствии с авторским свидетельством SU 1455750 (А1) [6], для изготовления которого исходную шихту готовят с использованием более твердой, чем карбид вольфрама, добавки - карбонитрида титана-ниобия. Недостатком данного материала является больший угол смачивания кобальтом твердой добавки по сравнению с карбидом вольфрама, что приводит к уменьшению адгезии цементирующей связки к твердой фазе и, как следствие, к снижению износостойкости заявляемого материала.
Известен материал в соответствии с разработкой по патенту JP 5225274 (В2) [7], который представляет собой твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве цементирующей связки и с карбидами ванадия и хрома в качестве ингибиторов роста зерна для изготовления инструмента с высокой твердостью и прочностью, достигаемых при снижении размера зерна карбида вольфрама в сплаве до ультрадисперсного состояния, а также за счет повышения твердости цементирующей связки вследствие увеличения концентрации вольфрама в ней посредством регулирования содержания углерода в исходной шихте. Недостатком заявляемого материала является наличие во всем объеме сплава η-фазы, снижающей его прочность и износостойкость.
Известен композиционный материал с вязкой матрицей на основе кобальта с износостойкими включениями в виде гранул размером 30-300 мкм, состоящих из твердого сплава WC/Co, с целью одновременного повышения вязкости разрушения и износостойкости материала [8]. Недостатком заявляемого материала является низкий уровень износостойкости материала матрицы, что отрицательно влияет на износостойкость материала в целом. Кроме того, значительный размер добавляемых износостойких включений затрудняет их равномерное распределение по объему матрицы, что ухудшает структуру заявляемого материала, делая ее более неравномерной, и снижает его механические характеристики, в том числе износостойкость.
Наиболее близким к настоящему изобретению техническим решением по материалу является субмикронный твердый сплав в соответствии с разработкой JP 3291562 (В2) [9], состоящий из зерен карбида вольфрама в количестве от 65 до 92 об. % со средним размером зерна не более 0,7 мкм и связки, основу которой составляет кобальт с диспергированными в нем частицами сложного карбида (V, W, Cr)C. При этом содержание сложного карбида (V, W, Cr)C в связке находится в диапазоне от 0,5 до 5 об. % от общего объема материала. В процессе формирования твердого сплава большая часть тугоплавких компонентов в виде сложного карбида концентрируется по поверхности зерен карбида вольфрама. Вследствие чего недостатком данного материала является то, что кобальтовая связка, играющая роль матрицы и равномерно распределенная по всему объему твердого сплава, обеднена тугоплавкими компонентами. Недостаточное количество таких компонентов в связке приводит к снижению ее жаропрочности, что не позволяет обеспечить высокую прочность и износостойкость инструмента при высоких температурах, развиваемых в зоне резания во время обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов, и ограничивает его использование в качестве материала инструмента с относительно невысокой рабочей температурой, развиваемой при сверлении печатных плат и подобных материалов.
Наиболее близким к настоящему изобретению техническим решением по способу получения материала является разработка RU 2533225 (С2) [10], согласно которой способ изготовления износостойкого наноструктурированного твердого сплава на основе карбида вольфрама, предназначенного для черновой обработки труднообрабатываемых закаленных сталей, заключается в приготовлении исходной шихты матричного типа с использованием твердосплавных гранул из среднезернистого твердого сплава ВК8 размером 1-5 мкм, полученных предварительным размолом, и добавки наноразмерного карбида вольфрама, и использовании кратковременного низкотемпературного спекания, минимизирующего рост зерна добавляемого наноразмерного карбида вольфрама в процессе спекания заявляемого материала. Недостатком данного способа получения является неконтролируемый рост добавляемых наночастиц карбида вольфрама в процессе спекания материала, что приводит к неоднородности зернового состава, и как следствие, к снижению его механических характеристик, в том числе износостойкости. Кроме того, по данному способу получаемая микроструктура матрицы с размером частиц карбида вольфрама 1-2 мкм (среднезернистый сплав ВК8) не обеспечивает максимальной износостойкости в отличие от субмикронного твердого сплав с размером частиц менее 1 мкм [2], что неизбежно сказывается на износостойкости материала в целом при заявленной концентрации компонентов сплава.
Увеличить стойкость к износу твердых сплавов можно добавками частиц, которые отвечают следующим требованиям: материал добавки должен превосходить по износостойкости материал матрицы, кроме этого материалы матрицы и добавки не должны образовывать новых соединений в процессе изготовления и обладать хорошей адгезией друг к другу для исключения выкрашивания частиц добавки в процессе работы. Размер частиц добавки должен превосходить размер зерна карбида вольфрама в матрице, при этом не должен значительно превышать размер пятна контакта трения стружки обрабатываемого материала по поверхности режущей пластины, который составляет 1-5 мкм [11]. Концентрация частиц добавки должна обеспечивать преимущественный контакт стружки обрабатываемого материала с их поверхностью.
Задачей настоящего изобретения является получение спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама, обладающего большей износостойкостью относительно существующих субмикронных твердых сплавов. Разработанный материал предполагается использовать в качестве основы режущего инструмента для лезвийной обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов. Способ получения разрабатываемого материала должен обеспечивать возможность организации крупносерийного производства режущего инструмента на его основе.
Указанная задача решается путем создания материала, имеющего матричную микроструктуру, состоящую из матрицы с преимущественным размером зерна карбида вольфрама от 0,3 до 2,0 мкм и равномерно распределенных износостойких включений в количестве от 10 до 40% от общего объема сплава с преобладающим размером от 5 до 10 мкм, основу которых составляют зерна карбида вольфрама с размером от 0,1 до 0,2 мкм. Матрица и включения отличаются, помимо размера зерна, также количеством и фазовым составом цементирующей связки - наличием двойного карбида вольфрама и кобальта (η-фазы). Локализация η-фазы в изолированных включениях позволяет избежать снижения свойств твердого сплава. Регулировать содержание вольфрама в цементирующей связке возможно содержанием углерода в исходной шихте за счет использования исходных карбидов вольфрама с определенным содержанием углерода.
Для создания материала с указанными характеристиками предложен способ получения, включающий стадии подготовки исходных компонентов шихты и их смешивания, компактирования полученной шихты и спекания компактов. Шихта для матрицы и износостойких включений готовится раздельно, причем часть исходных карбидных компонентов, взятая для получения включений, перед введением в состав смеси исходной твердосплавной шихты подвергается предварительной обработке путем ее смешивания и дальнейшей консолидации методами SPS-спекания (англ. spark plasma sintering - искровое плазменное спекание) или твердофазного вакуумно-компрессионного спекания при пониженной температуре спекания (твердофазное спекание) с последующим измельчением до размера частиц от 5 до 10 мкм. При этом используются исходные карбиды с определенным содержанием общего углерода, обеспечивающим образование двойного карбида вольфрама и кобальта при изготовлении износостойких включений или его отсутствие в высокопрочной матрице. Кроме того, различный состав цементирующих связок матрицы и включений обеспечивает различие температур их плавления, что позволяет получить необходимую микроструктуру заявляемого материала при его спекании.
В предлагаемом материале, который представляет собой спеченный твердый сплав, содержащий карбид вольфрама в качестве основы, кобальт в качестве цементирующей связки и карбиды хрома и/или ванадия в качестве ингибиторов роста зерна, технический эффект достигается за счет особой организации матричной микроструктуры, состоящей из матрицы и износостойких включений, при том что матрица и включения содержат связку на основе кобальта и различаются размером зерна, количеством и составом цементирующей связки. Структура матричного типа характеризуется оптимизированными по размеру и концентрации упрочняющими включениями увеличенной твердости, достигаемой как за счет карбидной составляющей посредством уменьшения размеров ее зерна до наноуровня, так и цементирующей связки посредством снижения ее количества, а также образованием в ее составе третьей фазы - твердого двойного карбида вольфрама и кобальта, отсутствующей в матрице, которая представляет собой двухфазный высокопрочный субмикронный твердый сплав с высокой вязкостью разрушения, что в совокупности с твердыми включениями обеспечивает получение заявляемого материала с высокой износостойкостью.
Технический эффект достигается предложенным способом получения материала, при котором шихта для матрицы и износостойких включений готовится раздельно, причем часть исходных карбидных компонентов, взятая для получения включений, перед введением в состав смеси исходной твердосплавной шихты подвергается предварительной обработке. При этом используются исходные карбиды с определенным содержанием общего углерода в зависимости от их дисперсности. Необходимая структура материала формируется на стадии приготовления шихты поэтапным смешением исходных компонентов: вначале смешиваются компоненты субмикронной матрицы, основу которой составляет порошок карбида вольфрама с таким содержанием углерода, при котором достигаются максимальные прочностные характеристики (двухфазный сплав с отсутствием свободного углерода и η-фазы), далее добавляется порошок износостойкого включения, прошедшего предварительную обработку, и смешение продолжается, время этапов смешения оптимизировано до получения необходимой зерновой структуры исходной шихты. Износостойкие включения перед введением в состав шихты проходят предварительную подготовку посредством смешения исходных компонентов, отличающиеся большей дисперсностью, а также содержанием углерода в исходном наноразмерном карбиде вольфрама, которое обеспечивает высокие твердость и жаропрочность цементирующей связки включений за счет образования третьей фазы - двойного карбида вольфрама и кобальта. Полученная смесь износостойких включений компактируется и спекается методами, сохраняющими исходную дисперсность карбида вольфрама, спеченные компакты механически измельчаются с целью получения порошка с необходимой дисперсность, а также дезактивации возможных дефектов микроструктуры, появившихся в материале на стадии спекания, тем самым обеспечивая высокую износостойкость твердых включений. Подготовленная таким поэтапным способом шихта компактируется в заготовки необходимой формы, которые далее спекаются. При этом различный состав цементирующих связок матрицы и износостойких включений с различными температурами плавления обеспечивает формирование необходимой микроструктуры в заявляемом материале.
Предлагаемое изобретение является новым, имеет изобретательский уровень, применимо в промышленных масштабах. Изобретение может быть реализовано при использовании оборудования, применяемого в настоящее время в твердосплавной промышленности.
Ниже приводятся примеры реализации изобретения.
Пример 1
Порошок состава WC / 0,4 мас. % VC / 1,2 мас. % Cr3C2 с удельной поверхностью 5,4 м2/г (dч~70 нм) и содержанием общего углерода 6,12 мас. % смешивают с порошком гранулированного кобальта в количестве 9,0 мас. % с удельной поверхностью 3,4 м2/г (dч~200 нм) в шаровой мельнице в среде этилового спирта твердосплавными шарами в течение 24 часов. После сушки и протирки через сетку №0315 порошок консолидируют в вакууме в SPS-установке при температуре 1200°С и давлении 75 МПа с изотермической выдержкой в течение 10 минут. Средний размер зерна карбида вольфрама в спеченных компактах составляет 0,2 мкм, в микроструктуре присутствует η-фаза в форме «озерков» (по ГОСТ 9391-80).
Полученные компакты измельчают сначала в щековой дробилке, потом в конусной инерционной дробилке КИД-60 с твердосплавными бронями, отсеивают фракцию порошка -0315+100.
Порошок карбида вольфрама марки WC1 с содержанием общего углерода 6,14 мас. % смешивают с порошком кобальта в количестве 10,0 мас. % марки EFS-1 и порошком карбида хрома в количестве 0,5 мас. % с содержанием общего углерода 13,4 мас. % в шаровой мельнице в среде этилового спирта твердосплавными шарами в течение 24 часов. По окончании помола в мельницу добавляют 40 мас. % подготовленного ранее порошка износостойких включений и проводят помол еще в течение 9 часов. За 6 часов до окончания помола в мельницу добавляют связующее - полиэтиленгликоль. Полученную смесь сушат и гранулируют в установке распылительной сушки. Из полученного пресс-порошка прессуют заготовки режущих пластин и спекают в вакуумно-компрессионной печи при температуре 1370°С и давлении аргона 6 МПа. Средний размер зерна карбида вольфрама матрицы полученного материала составляет 0,5 мкм, средний размер износостойких включений - 5-10 мкм, в микроструктуре матрицы η-фаза отсутствует.
Микроструктуру исследовали по ГОСТ 9391-80, удельную поверхность - методом БЭТ на установке TriStar II 3020, содержание общего углерода - по ГОСТ 25599.1-83.
Результаты и условия испытаний износостойкости режущих пластин из данного сплава представлены в таблице 1.
Пример 2
Сплав и способ его получения по примеру 1, в котором при изготовлении исходной твердосплавной шихты в мельницу добавляют 10 мас. % подготовленного ранее порошка износостойких включений.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Пример 3
Сплав и способ его получения по примеру 1, в котором при изготовлении износостойких включений наноразмерный порошок твердой фазы смешивают с гранулированным порошком кобальта в количестве 3 мас. %. Кроме того, при изготовлении исходной твердосплавной шихты в мельницу добавляют порошок карбида вольфрама марки WC3 с содержанием общего углерода 6,15 мас. %, кобальт в количестве 6 мас. %, а также 10 мас. % предварительно подготовленного порошка износостойких включений. Средний размер зерна карбида вольфрама матрицы полученного материала составляет 0,8 мкм, средний размер износостойких включений - 5-10 мкм, в микроструктуре матрицы η-фаза отсутствует.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Пример 4
Сплав и способ его получения по примеру 1, в котором при получении износостойких включений консолидацию порошка производят после его грануляции методом протирки через сетку №050 с отсевом мелкой фракции (в качестве пластификатора используют 10%-ный раствор синтетического каучука в бензине) в вакуумно-компрессионной печи при температуре 1300°С и давлении аргона 6 МПа. После консолидации получают порошок необходимый фракции, поэтому измельчение в дробилках не требуется. Кроме того, при изготовлении исходной твердосплавной шихты в мельницу добавляют порошок карбида вольфрама марки WC06 с содержанием общего углерода 6,19 мас. %, кобальт в количестве 12 мас. %, а также 40 мас. % подготовленного порошка износостойких включений, время помола составляет 48 часов. Средний размер зерна карбида вольфрама матрицы полученного материала составляет 0,3 мкм, средний размер износостойких включений - 5-10 мкм, в микроструктуре матрицы η-фаза отсутствует.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Пример 5
Сплав и способ его получения по примеру 1, в котором износостойкие включения не добавляют, содержание кобальта в сплаве составляет 6 мас. %.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Пример 6
Сплав и способ его получения по примеру 1, в котором сплав состоит полностью из износостойких включений с содержанием кобальта 9 мас. % в отсутствии сплава-матрицы.
Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Проведенные испытания показали, что инструмент из заявляемых сплавов при токарной и фрезерной обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов показал превышение стойкости относительно стандартных сплавов в 1,05-4,00 раза.
Список источников:
1. Баранчиков В.И. и др. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В.И. Баранчиков, А.В. Жаринов, Н.Д. Юдина и др.; Под общ. ред. В.И. Баранчикова. - М.: Машиностороение, 1990. - 400 с.
2. Клячко Л.И. и др. Свойства и области применения твердых сплавов с тонкодисперсной структурой / Л.И. Клячко, В.А. Фальковский, И.В. Кобицкой, A.M. Хохлов // 
- 2000. - №8. - с. 13-14.
3. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: «Металлургия», 1976. - 528 с.
4. Новые материалы // Колл. авторов. Под научной редакцией Ю.С. Карабасова. - М.: «МИСИС». - 2002. - 736 с.
5. JP 4924808 (В2) - Ultrafine particle cemented carbide / Saito M., Matsuno K., Kawakami M., Terada O., Hayashi K.; патентообладатель: Fuji Dies KK [Япония]; опубл. 25.04.2012.
6. SU 1455750 (A1) - Спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама / Масхулия Л.Г., Петров Н.В., Захаров В.М., Иванов И.П., Семенов О.В.; заявитель: Конструкторско-технологическое бюро «Спецпромарматура» [СССР]; опубл. 01.10.1988.
7. JP 5225274 (В2) - Cemented carbide, cutting tool and cutting device / Tanaka Isamu, Ohkuma Takeshi, Kubo Shintaro; патентообладатель: Kyocera Corp. [Япония]; опубл. 03.07.2013.
8. US 5880382 (A) - Double cemented carbide composites / Fang Zhigang, Sue J. Albert; патентообладатель: Smith International, INC [США]; опубл. 09.03.1999.
9. JP 3291562 (B2) - Miniature drill made of cemented carbide with high strength / Yanai Toshiyuki, Okada Kazuki, Tanase Teruyoshi, Sasama Taketo; патентообладатель: Mitsubishi Materials Corp. [Япония]; опубл. 10.06.2002.
10. RU 2533225 (C2) - Способ изготовления наноструктурированного сплава на основе модифицированного карбида вольфрама / Кизнер А.Г., Кизнер В.Г.; патентообладатель: Кизнер А.Г., Кизнер В.Г. [Россия]; опубл. 20.11.2014.
11. Бондаренко В.П. Триботехнические композиты с высокомодульными наполнителями. - Киев: Наук. думка, 1987. - 232 с.
Claims (8)
1. Спеченный твердый сплав, содержащий карбид вольфрама, цементирующую связку на основе кобальта и карбиды хрома и/или ванадия, отличающийся тем, что он состоит из матрицы, содержащей связующее на основе кобальта и карбида вольфрама с размером зерна 0,3-2 мкм, и равномерно распределенных в матрице износостойких включений размером 5-10 мкм в количестве 10-40 об.%, содержащих связующее на основе кобальта и зерна карбида вольфрама размером 0,1-0,2 мкм, при этом матрица и включения содержат разное количество кобальта, а связующее, входящее в состав износостойких включений, содержит η-фазу.
2. Спеченный твердый сплав по п. 1, отличающийся тем, что матрица содержит 6-12 мас. % кобальта, 0,3-1,5 мас. % карбида хрома и/или ванадия, карбид вольфрама - остальное, а износостойкие включения содержат 3-10 мас. % кобальта, 0,3-1,5 мас. % карбида хрома и/или ванадия, карбид вольфрама - остальное.
3. Способ получения спеченного твердого сплава по п. 1, включающий подготовку шихты матрицы сплава, содержащей порошок карбида вольфрама с содержанием углерода, обеспечивающим отсутствие в структуре матрицы свободного углерода и η-фазы, порошок карбида хрома и/или ванадия и порошок кобальта, подготовку шихты износостойких включений, содержащей порошок карбида вольфрама с содержанием углерода, обеспечивающим образование η-фазы, порошок карбида хрома и/или ванадия и порошок кобальта в количестве, отличающемся от количества порошка кобальта в шихте для матрицы сплава, путем смешивания, компактирования и последующего измельчения до получения износостойких включений с размером частиц 5-10 мкм, последующее смешивание износостойких включений с шихтой матрицы сплава, компактирование и спекание.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что компактирование шихты износостойких включений проводят путем импульсной передачи энергии, например за счет SPS-спекания.
5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что компактирование шихты износостойких включений проводят путем низкотемпературного твердофазного спекания, например вакуумно-компрессионным спеканием при температуре, не превышающей температуру появления жидкой фазы.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для приготовления шихты износостойких включений используют карбиды с содержанием общего углерода не выше стехиометрического и с размером частиц ≤200 нм.
7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для приготовления шихты матрицы сплава используют карбиды с содержанием общего углерода не ниже стехиометрического.
.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133565A RU2693415C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133565A RU2693415C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2693415C1 true RU2693415C1 (ru) | 2019-07-02 |
Family
ID=67251887
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018133565A RU2693415C1 (ru) | 2018-09-12 | 2018-09-12 | Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2693415C1 (ru) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2062812C1 (ru) * | 1993-02-01 | 1996-06-27 | Санкт-Петербургский технологический институт | Шихта твердого сплава на основе карбида вольфрама |
| US5880382A (en) * | 1996-08-01 | 1999-03-09 | Smith International, Inc. | Double cemented carbide composites |
| WO2010062649A2 (en) * | 2008-10-28 | 2010-06-03 | University Of Utah Research Foundation | Functionally graded cemented tungsten carbide with engineered hard surface and the method for making the same |
| RU2521937C2 (ru) * | 2009-02-27 | 2014-07-10 | Элемент Сикс Холдинг Гмбх | Твердосплавное тело |
| RU2533225C2 (ru) * | 2013-02-21 | 2014-11-20 | Александр Германович Кизнер | Способ изготовления наноструктурированного сплава на основе модифицированного карбида вольфрама |
| US20170306455A1 (en) * | 2014-12-30 | 2017-10-26 | Korloy Inc. | Cemented carbide with improved toughness |
| US20170306456A1 (en) * | 2014-12-17 | 2017-10-26 | Kennametal Inc. | Cemented carbide articles and applications thereof |
| WO2018142181A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | Tallinn University Of Technology | Method of making a double-structured bimodal tungsten cemented carbide composite material |
-
2018
- 2018-09-12 RU RU2018133565A patent/RU2693415C1/ru active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2062812C1 (ru) * | 1993-02-01 | 1996-06-27 | Санкт-Петербургский технологический институт | Шихта твердого сплава на основе карбида вольфрама |
| US5880382A (en) * | 1996-08-01 | 1999-03-09 | Smith International, Inc. | Double cemented carbide composites |
| WO2010062649A2 (en) * | 2008-10-28 | 2010-06-03 | University Of Utah Research Foundation | Functionally graded cemented tungsten carbide with engineered hard surface and the method for making the same |
| RU2521937C2 (ru) * | 2009-02-27 | 2014-07-10 | Элемент Сикс Холдинг Гмбх | Твердосплавное тело |
| RU2533225C2 (ru) * | 2013-02-21 | 2014-11-20 | Александр Германович Кизнер | Способ изготовления наноструктурированного сплава на основе модифицированного карбида вольфрама |
| US20170306456A1 (en) * | 2014-12-17 | 2017-10-26 | Kennametal Inc. | Cemented carbide articles and applications thereof |
| US20170306455A1 (en) * | 2014-12-30 | 2017-10-26 | Korloy Inc. | Cemented carbide with improved toughness |
| WO2018142181A1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | Tallinn University Of Technology | Method of making a double-structured bimodal tungsten cemented carbide composite material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8382868B2 (en) | Cubic boron nitride compact | |
| JP6139538B2 (ja) | 超硬合金又はサーメット体を作成する方法 | |
| JP5420173B2 (ja) | 粉末組成物を製造する方法、ｃｂｎ成形体、工具インサート | |
| CN101273151B (zh) | 细粒状多晶磨蚀材料 | |
| US20110020163A1 (en) | Super-Hard Enhanced Hard Metals | |
| US20090307987A1 (en) | Abrasive compacts | |
| KR102358312B1 (ko) | 소결된 다결정성 입방정 질화 붕소 물질 | |
| CN110735075A (zh) | 一种高耐磨wc基硬质合金的制备方法 | |
| KR20090042288A (ko) | 연마 콤팩트 | |
| GB2533866A (en) | Superhard constructions & methods of making same | |
| JP2009545463A (ja) | 研磨剤コンパクト | |
| JP6358433B2 (ja) | 炭窒化チタン基サーメット粉末、炭窒化チタン基サーメット焼結体及び炭窒化チタン基サーメット製切削工具の製造方法 | |
| RU2693415C1 (ru) | Спечённый твёрдый сплав на основе карбида вольфрама и способ его получения | |
| RU2675875C1 (ru) | Шихта для изготовления спечённого твёрдого сплава на основе карбида вольфрама | |
| CN111663067A (zh) | 一种用于3d打印的硬质合金材料及其制备工艺 | |
| CN107001156B (zh) | 制备多峰立方氮化硼粉末的方法 | |
| JP6387627B2 (ja) | 耐熱亀裂性に優れた炭化タングステン基超硬合金製工具の製造方法 | |
| EP2647731B1 (en) | Method of making a cemented carbide body | |
| Song et al. | Mechanical properties of WC-Co alloys with various mixing and milling conditions using high energy ball miller | |
| JP6387684B2 (ja) | 炭化タングステン基超硬合金粉末、炭化タングステン基超硬合金焼結体及び炭化タングステン基超硬合金製切削工具の製造方法 | |
| PL245660B1 (pl) | Osnowa do narzędzi metaliczno-diamentowych oraz sposób wytwarzania osnowy | |
| Albdiry et al. | Effect of alumina inclusions on microstructure and mechanical properties of 62 WC, 32 (Ti–W) C and 6 Co compacts | |
| JP2011208268A (ja) | 超微粒超硬合金 | |
| Girardini et al. | Hard Materials: Sintering: WC-Co Consolidation by Means of Spark Plasma Sintering | |
| JPS63121631A (ja) | 精密小物部品微小加工工具用焼結体の製造方法 |