Способ изготовления твердосплавных изделий

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

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Примеры реализации способа

1. Пример для пункта 1 формулы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Пример для пункта 1 и 2 формулы

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

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

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

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

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

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

3. Пример для пункта 3 формулы.

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

4. Пример для пункта 4 формулы.

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

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

- одна треть части кобальтовой компоненты - кобальт.

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

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

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

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

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