RU2815694C1 - Способ получения супермелкозернистого твердого сплава - Google Patents
Способ получения супермелкозернистого твердого сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815694C1 RU2815694C1 RU2023110920A RU2023110920A RU2815694C1 RU 2815694 C1 RU2815694 C1 RU 2815694C1 RU 2023110920 A RU2023110920 A RU 2023110920A RU 2023110920 A RU2023110920 A RU 2023110920A RU 2815694 C1 RU2815694 C1 RU 2815694C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphene
- charge
- sintering
- minutes
- hard alloy
- Prior art date
Links
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 56
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 44
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 19
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000007580 dry-mixing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001238 wet grinding Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 abstract description 4
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000004137 mechanical activation Methods 0.000 description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 3
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 3
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000003966 growth inhibitor Substances 0.000 description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 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 description 1
- ZAKOWWREFLAJOT-CEFNRUSXSA-N D-alpha-tocopherylacetate Chemical compound CC(=O)OC1=C(C)C(C)=C2O[C@@](CCC[C@H](C)CCC[C@H](C)CCCC(C)C)(C)CCC2=C1C ZAKOWWREFLAJOT-CEFNRUSXSA-N 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000006249 magnetic particle Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к металлургии, а именно к способам получения инструментальных твердых сплавов с особо мелкозернистой структурой, где размер зерна менее 0,5 мкм составляет более 50% и может использоваться для изготовления инструмента для обработки труднообрабатываемых сплавов и сталей. Способ получения супермелкозернистого твердого сплава включает смешивание порошков шихты твердого сплава, совместный мокрый размол, сушку, сухое смешивание порошка графена и шихты, прессование и спекание. Предварительно проводят механоактивацию графена в течение 5-15 мин с внесением на его поверхность наночастиц железа концентрацией 0,5-2% от веса графена, а графен добавляют в количестве 0,01-0,099% от веса шихты. Спекание проводят при изотермической выдержке в течение 25-30 мин. Обеспечивается получение и сохранение высоких прочностных характеристик. 1 ил., 2 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способам получения инструментальных твердых сплавов с особо мелкозернистой структурой, где размер зерна менее 0,5 мкм составляет более 50% и может использоваться для изготовления режущего инструмента для обработки труднообрабатываемых сплавов и сталей.
Одним из путей повышение физико-механических характеристик твердого сплава является уменьшение размера зерна, создание твердого сплава с особомелкозернистой структурой. Сохранение мелкозернистой структуры возможно за счет введения различных модификаторов. Одни из них действуют как ингибиторы процесса роста зерна, другие ускоряют процесс проникновения жидкого связующего в поры тем самым сокращая время спекания, за которое может вырасти зерно. Очевидно, что наиболее выгодным подходом будет соединение этих двух способов. Например, введение модификаторов ускоряющих процесс спекания в марки твердого сплава содержащие ингибиторы роста зерна.
Известен способ получения мелкозернистого спеченного твердого сплава, включающий размол порошка карбида вольфрама до удельной поверхности 3,6 м2/г и наличии ингибиторов роста зерна TaC,VC и др., а спекание проводят в диапазоне температур 1340-1480°С в течение 1 ч (патент СССР №1748935 МПК B22F 1/00, B22F 3/12, опубл.27.10.1989 г.).
Недостатками этого способа является то, что высокая температура спекания и продолжительная выдержка в течение 1 часа, даже при наличии ингибиторов ведет к росту зерна. Доля зерен с размером зерна более 1 мкм составляет 70-80%.
В качестве модификаторов ускоряющих процесс спекания можно рассматривать графен. Графен является двумерным наноматериалом, обладающим набором уникальных физико-механических и физико-химических свойств.
В работе (Li М. et al. WC+ Со+ graphene platelet composites with improved mechanical, tribological and thermal properties //Ceramics International. - 2021. - Vol.47. - №. 21. - P. 308. в твердый сплав аналогичный марке ВК8 вводили графен с концентрацией 0,45-0,70 вес.%, в работе (Hezaveh Т., Moazami-Goudarzi М., Kazemi A. Effects of GNP on the mechanical properties and sliding wear of WC-10wt% Co cemented carbide //Ceramics International. - 2021. - Vol.47. - №. 13. - P. 180.) в марку твердого сплава ВК10 вводили до 0,5 вес.% графена. При этом наблюдалось увеличение прочности и трещинностойкости твердого сплава.
Однако недостатками этих методов является возможная агломерация частиц графена, что приводит к охрупчиванию твердого сплава. Удельная поверхность порошка твердого сплава после размола доходит до 4 м2/г, удельная поверхность графена в среднем составляет в 10 раз больше. Таким образом, при введении графена необходимо учитывать удельную поверхность, в идеале частички графен, должны соотноситься по размеру с размером спекаемого порошка, тогда графен будет равномерно покрывать поверхность порошка, а его вводимое количество значительно снизиться.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения мелкозернистого спеченного твердого сплава, заключающийся в том, в процессе сухого смешивания в шихту (патент вводят порошка графена в количестве 0,1-1,5% от веса шихты, а спекание проводят при температуре 1290-1350°С и изотермической выдержке в течение 15-25 мин (РФ №2780165 С22С 1/05, B22F 3/12, С22С 29/06 опубл. 20.09.2022)
Недостатком этого метода является введение графена, который не содержит на свой поверхности магнитных частиц. Их отсутствие приводит к тому, что графен слабо держится на поверхности твердосплавной шихты (только за счет электростатических сил) и в процессе спекания графен сползает в межузловое зернограничное пространство, где идет рост графита (агломерация графена). Таким образом, возникают отдельные включения графита, которые значительно снижают механические характеристики твердосплавных изделий.
Задачей предлагаемого технического решения является получение супермелкозернистого твердого сплава, который сохранит прочностные характеристики.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что в способе получения супермелкозернистого твердого сплава, включающего смешивание порошков шихты твердого сплава, совместный мокрый размол, сушку, сухое смешивание порошка графена и шихты, прессование и спекание, предварительно проводят механоактивацию графена в аппарате вихревого слоя в течение 5-15 мин с внесением на поверхность графена наночастиц железа с концентрацией 0,5-2.% от веса графена, а графен добавляют в процессе сухого смешивания с шихтой твердого сплава в количестве 0,001-0,099%, от веса шихты, далее проводится изготовление изделий по отработанной схеме: пластификация, прессование и спекание при температуре 1290-1310°С и изотермической выдержки в течение 25-30 мин.
Операция механоактивации проводится в течение 5-15 мин с использованием аппарата вихревого слоя и позволяет снизить концентрацию графена и увеличить его удельную поверхность. Методика обработки в установке вихревого слоя подразумевает размол порошка графена при контакте его со стальными иголками во вращающемся магнитном поле, но также происходит намол наночастиц железа. После процесса механоактивации графен измельчается до удельной поверхности, а
поверхность частичек графена покрывается наночастицами железа, что дополнительно создает адгезию к поверхности твердосплавного порошка за счет магнитных сил (рисунок 1). Высокая удельная активированная поверхность позволяет вводить графен в твердосплавный порошок концентрацией от 0,001 до 0,099 вес.%.
Пример
Способ осуществляется следующим образом. Было изготовлено 5 образцов с добавлением в шихту для сплава ВК6ОМ разного количества механоактивированного графена. Шихту, состоящую в вес.% из карбида ванадия - 0,6, кобальта - 6,0 и карбида вольфрама - остальное, помещали в барабан для мокрого размола. После размола смесь порошков, спирта и размольных тел выливали из барабана в металлическую кювету. Отгонку спирта осуществляли в вакуумном сушильном шкафу марки Н - SPT 200 (Польша) при температуре 45±5°С в течение 120 минут. После отгонки размольной жидкости в шихту добавляли механоактивированный графен в количестве 0,01-0,099% от веса шихты и проводили сухое смешивание в течение 120 минут. Механоактивацию графена проводили в аппарате вихревого слоя (Аппарат вихревого слоя АВС-80) в течение 1-20 мин.
В процессе механоактивации происходит не только размол графена но и намол железа, которое распределяется в виде наночастиц по поверхности частиц графена (рисунок 1).
Известно, что при превышении концентрации железа в сплаве выше 0,1 вес.% концентрации физико-механические характеристики твердого сплава снижаются. В этой связи необходимо подбирать оптимальный режим механоактивации в аппарате вихревого слоя (таблица 1).
Как видно из таблицы 1 при процессе механоактивации в течение 1 минуты размер порошка незначительно изменяется. В диапазоне обработки 5-15 минут порошок графена измельчается и удовлетворяет параметрам для добавления его в твердый сплав. При механоактивации в течение 20 минут, концентрация железа становится критичной, а удельная поверхность и размер порошка незначительно изменяются.
После этого размольные тела отделяли от шихты с помощью сита с размером ячеек 300 мкм. Далее проводили прессование на гидравлическом прессе Fontijne Grotnes B.V. Lab Econ 600 (Нидерланды). Навеску порошка засыпали в матрицу стальной пресс-формы с диаметром пресс-формы 12 мм. Затем выполняли операцию прессования по двухсторонней схеме при давлении 100 МПа. Для спекания использовали вакуумно-компрессионную печь GN-3312-6MPa-6. Отгонка пластификатора осуществлялась при температуре 290-350°С, затем проводился дальнейший нагрев до температуры спекания 1300°С. После достижения максимальной температуры спекания проводили изотермическую выдержку в течение 25 минут. Затем осуществлялось остывание образцов вместе с печью. Были проведены испытания полученных образцов, измерены размер зерна, плотность и твердость, результаты представлены в таблице 2.
Из таблицы 2 видно, что наилучшие результаты получаются при добавления в шихту ВК 6 ОМ 0,01-0,099% вес. графена и проведения режима спекания при температуре 1290-1310°С и времени изотермической выдержки порядка 25-30 мин. Добавление в шихту менее 0,01% вес.механоактивированного графена не дает эффекта уплотнения и измельчения зерна, т.к. механоактивированный графен успевает раствориться в жидком кобальте и эффект критического смачивания отсутствует.
При введении механоактивированного графена больше 0,099 вес.% эффект критического смачивания присутствует и особо мелкозернистая структура образуется, однако избыточный углерод выпадает в виде графитовых включений, которые резко снижают плотность и увеличивают пористость сплава. Это в конечном итоге снижает прочность и эксплуатационные свойства твердого сплава. Обычно спекание таких сплавов проводят при температуре 1380°С. Введение механоактивированного графена за счет эффекта критического смачивания и его высокой удельной поверхности резко активизирует диффузионные процессы и позволяет снизить температуру спекания до 1290-1310°С (табл.2). При этом скорость роста зерна замедляется в 3-5 раз. Скорость заполнения капилляров и пустот образующимся жидким расплавом в присутствии графена также в несколько раз выше, чем обычно, за счет увеличения коэффициента диффузии на три порядка. Это позволяет снизить время спекания с 40 минут до 25-30 минут (табл.2). Нанесение наночастиц железа на поверхность графена и его равномерное распределение по частицам твердого сплава, при нагревании выше 1000°С приводит к взаимодействие железа находящегося на поверхности графена с карбидом вольфрама, что закрепляет частицу графена и не дает ей сползти в межузловое зернограничное пространство, где идет рост графита(агломерация графена).
Таким образом область технологических параметров, позволяющих повысить эксплуатационные свойства режущего инструмента, создать супермелкозернистую структуру находящуюся в следующем диапазоне: введение механоактивированного графена с концентрацией наночастиц железа на его поверхности 0,5-2 вес.% от веса графена в твердосплавную шихту в количестве 0,01-0,099% вес, температура спекания 1290-1310°С, время изотермической выдержки 25-30 мин. Эти условия позволяют получить твердые сплавы с особо мелкозернистой структурой, где размер зерна менее 0,5 мкм составляет до 70%.
Claims (1)
- Способ получения супермелкозернистого твердого сплава, включающий смешивание порошков шихты твердого сплава, совместный мокрый размол, сушку, сухое смешивание порошка графена и шихты, прессование и спекание, отличающийся тем, что предварительно проводят механоактивацию графена в течение 5-15 мин с внесением на его поверхность наночастиц железа концентрацией 0,5-2% от веса графена, а графен добавляют в количестве 0,01-0,099% от веса шихты, при этом спекание проводят при изотермической выдержке в течение 25-30 мин.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2815694C1 true RU2815694C1 (ru) | 2024-03-20 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120324703A1 (en) * | 2009-11-06 | 2012-12-27 | The Boeing Company | Graphene nanoplatelet metal matrix |
CN103388097B (zh) * | 2013-06-29 | 2016-05-25 | 蚌埠市鸿安精密机械有限公司 | 一种硬质合金刀具 |
RU2638866C1 (ru) * | 2016-06-15 | 2017-12-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения высокотемпературного порошкового композиционного материала на основе карбидов кремния и титана |
CN107794429A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-13 | 无锡市锦润合金工具有限公司 | 一种硬质合金刀具 |
RU2780165C1 (ru) * | 2021-05-13 | 2022-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС") | Способ получения особо мелкозернистого сплава |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20120324703A1 (en) * | 2009-11-06 | 2012-12-27 | The Boeing Company | Graphene nanoplatelet metal matrix |
CN103388097B (zh) * | 2013-06-29 | 2016-05-25 | 蚌埠市鸿安精密机械有限公司 | 一种硬质合金刀具 |
RU2638866C1 (ru) * | 2016-06-15 | 2017-12-18 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Способ получения высокотемпературного порошкового композиционного материала на основе карбидов кремния и титана |
CN107794429A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-03-13 | 无锡市锦润合金工具有限公司 | 一种硬质合金刀具 |
RU2780165C1 (ru) * | 2021-05-13 | 2022-09-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов" (ФГУП "ВНИИТС") | Способ получения особо мелкозернистого сплава |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6179886B1 (en) | Method for producing abrasive grains and the composite abrasive grains produced by same | |
EP3250538B1 (en) | Friable ceramic-bonded diamond composite particles and methods to produce the same | |
DK2433727T3 (en) | A process for preparing a sintered composite member | |
EP1019338B1 (en) | A method for producing abrasive grains and the abrasive grains produced by this method | |
Kaviyarasan et al. | Experimental investigation of dry sliding wear behaviour on ceramic reinforced magnesium composite by powder metallurgy technique | |
Samal et al. | Investigation of impact performance of aluminum metal matrix composites by stir casting | |
RU2815694C1 (ru) | Способ получения супермелкозернистого твердого сплава | |
RU2335556C2 (ru) | Способ получения алмазосодержащего материала | |
US4880600A (en) | Method of making and using a titanium diboride comprising body | |
CN114318163B (zh) | 一种用于金刚石工具的超细多元预合金粉末及其制备方法 | |
US4859124A (en) | Method of cutting using a titanium diboride body | |
Simsir et al. | Effects of sintering temperature and addition of Fe and B 4 C on hardness and wear resistance of diamond reinforced metal matrix composites | |
RU2780165C1 (ru) | Способ получения особо мелкозернистого сплава | |
Yekinni et al. | Effect of coconut shell ash and graphite particles on microstructure and mechanical properties of recycled aluminium composites | |
EP0148821B1 (en) | Method of making and using a titanium diboride comprising body | |
JP5087776B2 (ja) | 複合ダイヤモンド体を製造する方法 | |
US4885030A (en) | Titanium diboride composite body | |
Tkachenko et al. | Effect of Shock Sintering Temperature and Carbon Content of the WC–Co Hardmetal Anode on the Mass Transfer in Electrospark Deposition | |
US4661155A (en) | Molded, boron carbide-containing, sintered articles and manufacturing method | |
JP7425872B2 (ja) | 鉄含有バインダーを含む多結晶ダイヤモンド | |
EP0234099A2 (en) | Powder metallurgy high speed tool steel article and method of manufacture | |
HRP20220467A1 (hr) | TVRDI METAL SASTAVA WC-1.0Cr3C2-0.2Co I NJEGOVA PRIMJENA | |
CA1235579A (en) | Method of making and using a titanium diboride comprising body | |
RU2082552C1 (ru) | Состав смеси для получения твердого сплава на основе карбида или карбонитрида титана и способ получения твердого сплава | |
de Oliveira et al. | The use of PM ferritic matrix for the processing of diamond cutting tools |