RU2636538C1

RU2636538C1 - METHOD FOR SINTERING ARTICLES MADE OF POWDERS OF GROUP WC-Co SOLID ALLOYS

Info

Publication number: RU2636538C1
Application number: RU2016151545A
Authority: RU
Inventors: Сергей Васильевич Новиков; Павел Юрьевич Перетягин; Екатерина Викторовна Кузнецова; Юрий Олегович Пристинский; Павел Валерьевич Фокин
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2017-11-23

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: sintering articles of powders of WC-Co group solid alloys by electro-impulse pressing at pressure of 50-500 mpa, current pulse density of 50-500 kA/cmand current pulse duration of not more than 10s followed by cooling. During cooling when the article reaches Curie temperature, it is subjected to magnetic-pulse treatment with field strength of 400-2000 kA/m for at least 0.01 s.EFFECT: improved quality of products due to reduced structural non-uniformity and free energy of the article material.2 cl, 2 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам электроимпульсной консолидации порошковых материалов с прогнозируемыми свойствами, и может быть использовано при изготовлении изделий с высокими физико-механическими характеристиками из порошков твердых сплавов группы WC-Co.The invention relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods for electropulse consolidation of powder materials with predictable properties, and can be used in the manufacture of products with high physical and mechanical characteristics from powders of hard alloys of the WC-Co group.

Известен способ получения наноструктурированного сплава (Заявка: 2013107616, 21.02.2013, опубл. 27.08.2014, C22C 29/08, C22C 1/05, B22F 3/10), включающий смешивание порошков, содержащих карбиды вольфрама, согласно которому в шихте в качестве матрицы используют однородные гранулы сплава ВК8 размером 1-5 мкм, составляющие 90±1 мас. % и монокристаллический нанопорошок карбида вольфрама с размером частиц в диапазоне 10-200 нм с мультифрактальной (логнормальной) функцией распределения частиц нанопорошка по размерам в количестве 10±1 мас. %, при этом полученную шихту после перемешивания подвергают одностадийному и низкотемпературному процессу спекания, состоящему в двухступенчатом нагреве формы в вакууме до 600-700°C в течение 3 часа с экспозицией в течение 1 часа при дальнейшем нагреве в течение 1 часа до температуры спекания 1250-1300°C с экспозицией при этой температуре в течение 10 минут и последующим охлаждением формы до нормальной температуры.A known method of producing a nanostructured alloy (Application: 2013107616, 02.21.2013, publ. 08.28.2014, C22C 29/08, C22C 1/05, B22F 3/10), comprising mixing powders containing tungsten carbides, according to which in the charge as matrices use homogeneous granules of the VK8 alloy with a size of 1-5 μm, comprising 90 ± 1 wt. % and single crystal tungsten carbide nanopowder with a particle size in the range of 10-200 nm with a multifractal (lognormal) size distribution function of the nanopowder particles in an amount of 10 ± 1 wt. %, while the resulting mixture after stirring is subjected to a single-stage and low-temperature sintering process, consisting of a two-stage heating of the mold in vacuum to 600-700 ° C for 3 hours with exposure for 1 hour with further heating for 1 hour to a sintering temperature of 1250- 1300 ° C with exposure at this temperature for 10 minutes and then cooling the mold to normal temperature.

Недостатком данного способа является остаточная пористость и рост зерен карбида вольфрама из-за длительного процесса спекания, что в конечном итоге приводит к снижению физико-механических характеристик полученных материалов.The disadvantage of this method is the residual porosity and grain growth of tungsten carbide due to the long sintering process, which ultimately leads to a decrease in the physical and mechanical characteristics of the obtained materials.

Известен способ искрового плазменного спекания порошков (Основы процесса искрового плазменного спекания нанопорошков. Монография / Р. Торресильяс Сан Миллан, Н.В. Солис Пинарготе, А.А. Окунькова, П.Ю. Перетягин. - М.: Техносфера, 2014, с. 7), в том числе группы WC-Co, путем нагрева его в вакууме или другой защитной атмосфере при давлении до 100 МПа серией низковольтных импульсов постоянного тока. Длительность отдельного импульса не более 3×10^-3 с и амплитуда тока 1-10 кА/см². При этом достигается температура образования жидкой фазы Со ~ 1250-1300°C. Время спекания составляет от секунд до нескольких минут в зависимости от материала порошка, размера получаемого изделия, конфигурации и мощности оборудования.A known method of spark plasma sintering of powders (Fundamentals of the process of spark plasma sintering of nanopowders. Monograph / R. Torresillas San Millan, N.V. Solis Pinargote, A.A. Okunkova, P.Yu. Peretyagin. - M .: Technosphere, 2014, p. . 7), including the WC-Co group, by heating it in a vacuum or other protective atmosphere at a pressure of up to 100 MPa with a series of low-voltage direct current pulses. The duration of a single pulse is not more than 3 × 10 ^-3 s and the current amplitude is 1-10 kA / cm ² . In this case, the temperature of formation of the liquid phase Co ~ 1250-1300 ° C is achieved. Sintering time is from seconds to several minutes, depending on the material of the powder, the size of the obtained product, configuration and power of the equipment.

Недостатками данного способа являются рост зерен карбида вольфрама, обусловленный длительностью процесса спекания (несколько минут), и низкая производительность, обусловленная необходимостью использования вакуума или другой защитной атмосферы.The disadvantages of this method are the growth of tungsten carbide grains, due to the duration of the sintering process (several minutes), and low productivity, due to the need to use a vacuum or other protective atmosphere.

Наиболее близким по совокупности признаков к заявленному техническому решению (прототипом) является способ спекания изделий из порошков, в том числе твердых сплавов группы WC-Co, путем электроимпульсного прессования при давлении 50-500 МПа, плотности импульса тока 50-500 кА/см² и длительности импульса тока не более 10^-3с с достижением температуры образования жидкой фазы Со ~ 1250-1300°C и последующим охлаждением (Электроимпульсная технология формирования материалов из порошков. / Е.Г. Григорьев, Б.А. Калин. - М.: МИФИ, 2008, с. 33).The closest set of features to the claimed technical solution (prototype) is a method of sintering powder products, including hard alloys of the WC-Co group, by electropulse pressing at a pressure of 50-500 MPa, a current density of 50-500 kA / cm ² and the duration of the current pulse is not more than 10 ^-3 s with reaching the temperature of the formation of the liquid phase Co ~ 1250-1300 ° C and subsequent cooling (Electropulse technology for the formation of materials from powders. / EG Grigoryev, B. A. Kalin. - M .: MEPhI, 2008, p. 33).

Достоинством прототипа является возможность получения изделий с заданной прочностью, пластичностью и с сохранением исходных размеров зерен порошков в консолидированном материале.The advantage of the prototype is the ability to obtain products with a given strength, ductility and preserving the original size of the grains of powders in a consolidated material.

Недостатком данного способа является высокая структурная неоднородность и свободная энергия спеченного изделия, что снижает физико-механические и эксплуатационные характеристики полученных материалов. Избыточная свободная энергия материала связана с концентрацией внутренних и поверхностных напряжений.The disadvantage of this method is the high structural heterogeneity and free energy of the sintered product, which reduces the physical, mechanical and operational characteristics of the obtained materials. The excess free energy of a material is related to the concentration of internal and surface stresses.

Задача изобретения - снижение структурной неоднородности и свободной энергии получаемых изделий.The objective of the invention is the reduction of structural heterogeneity and free energy of the resulting products.

Технический результат - повышение качества получаемых изделий путем улучшения физико-механических характеристик за счет снижения структурной неоднородности и свободной энергии материала изделия.The technical result is to improve the quality of the products obtained by improving the physical and mechanical characteristics by reducing the structural heterogeneity and free energy of the product material.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе спекания изделий из порошков твердых сплавов группы WC-Co путем электроимпульсного прессования при давлении 50-500 МПа, плотности импульса тока 50-500 кА/см² и длительности импульса тока не более 10^-3с с последующим охлаждением, в процессе охлаждения по достижении изделием температуры Кюри Со его подвергают магнитно-импульсной обработке напряженностью поля 400-2000 кА/м в течение не менее 0,01 с, оптимально изделие подвергать магнитно-импульсной обработке в течение не более 1 с. The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that in the method of sintering products from powders of hard alloys of the WC-Co group by electropulse pressing at a pressure of 50-500 MPa, a current density of 50-500 kA / cm ² and a current pulse of no more 10 ^-3 s followed by cooling, during cooling upon reaching the Curie temperature of Co product subjected to magnetic field strength pulse treatment 400-2000 kA / m for at least 0.01 seconds, optimally expose the product magnetic pulse treatment for not more than 1 s.

Изобретение поясняется иллюстрациями, где:The invention is illustrated by illustrations, where:

- на Фиг. 1 приведен график зависимости предела прочности на изгиб и теплопроводности обрабатываемого изделия (твердого сплава группы WC-Co) от напряженности магнитного поля;- in FIG. Figure 1 shows a graph of the dependence of the flexural strength and thermal conductivity of the workpiece (hard alloy of the WC-Co group) on the magnetic field strength;

- на Фиг. 2 приведен график зависимости предела прочности на изгиб и теплопроводности обрабатываемого изделия (твердого сплава группы WC-Co) от длительности магнитно-импульсной обработки.- in FIG. Figure 2 shows a graph of the dependence of the flexural strength and thermal conductivity of the workpiece (WC-Co hard alloy) on the duration of magnetic pulse processing.

Сущность магнитно-импульсной обработки (МИО) состоит в том, что при магнитно-импульсном воздействии вещество изменяет свои физические и механические свойства. Улучшение свойств у ферромагнитных материалов (в составе твердого сплава группы WC-Co присутствует ферромагнитный Со), прошедших МИО, достигается за счет направленной ориентации свободных электронов вещества внешним полем, вследствие чего увеличивается тепло- и электропроводность материала детали. При этом, как показывает опыт (Фиг. 1), вышеуказанный эффект для твердых сплавов группы WC-Co проявляется в диапазоне 400-2000 кА/м, более точно оптимум для каждого конкретного сплава может быть определен экспериментально в пределах указанного диапазона.The essence of magnetic pulse processing (MIO) is that when a magnetic pulse exposure, the substance changes its physical and mechanical properties. Improving the properties of ferromagnetic materials (ferromagnetic Co is present in the WC-Co hard alloy) that have undergone MIR are achieved due to the directional orientation of the free electrons of the substance by the external field, which increases the thermal and electrical conductivity of the material of the part. Moreover, as experience shows (Fig. 1), the above effect for hard alloys of the WC-Co group is manifested in the range of 400-2000 kA / m, more precisely, the optimum for each specific alloy can be determined experimentally within the specified range.

Взаимодействие импульсного магнитного поля с деталью из токопроводящего материала происходит тем интенсивнее, чем выше структурная и энергетическая неоднородность вещества. Поэтому, чем выше концентрация поверхностных и внутренних напряжений в данных изделиях, тем больше вероятность локальной концентрации в них микровихрей внешнего поля, которые нагревают участки вокруг кристаллов напряженных блоков и неоднородностей структуры металла.The interaction of a pulsed magnetic field with a part of a conductive material occurs the more intensively, the higher the structural and energy inhomogeneity of the substance. Therefore, the higher the concentration of surface and internal stresses in these products, the greater the likelihood of a local concentration of microvortices of the external field in them, which heat the areas around the crystals of stressed blocks and inhomogeneities of the metal structure.

В местах концентрации остаточных напряжений, связанных с технологией производства, теплота, наведенная при МИО вихревыми токами, частично уменьшает избыточную энергию составляющих кристаллитов и зерен структуры изделия особенно в зоне контакта напряженных участков. Как следует из экспериментальных данных (Фиг. 2), физико-механические свойства изделия (повышаются теплопроводность и предел прочности на изгиб) улучшаются в течение 0,01-1,0 с. Дальнейшая МИО свыше 1 с существенного влияния на физико-механические свойства изделия не оказывает, поэтому в этот момент МИО рекомендовано (п. 2 формулы изобретения) прекратить в целях снижения энергозатрат.In places of concentration of residual stresses associated with the production technology, the heat induced by eddy currents during MIR partially reduces the excess energy of the constituent crystallites and grains of the product structure, especially in the contact zone of stressed sections. As follows from the experimental data (Fig. 2), the physicomechanical properties of the product (thermal conductivity and flexural strength increase) are improved within 0.01-1.0 s. Further MIO over 1 s does not significantly affect the physicomechanical properties of the product; therefore, at this moment it is recommended that MIO (paragraph 2 of the claims) be stopped in order to reduce energy consumption.

Кроме того, как показала практика, вихревое магнитное поле обуславливает более равномерное охлаждение детали.In addition, as practice has shown, the vortex magnetic field causes a more uniform cooling of the part.

Для каждого изделия существует определенная оптимальная величина напряженности импульсного магнитного поля, а следовательно, и величина магнитной энергии, которая поглощается материалом в течение времени обработки и максимально улучшает его физико-механические и эксплуатационные характеристики.For each product, there is a certain optimal value of the intensity of the pulsed magnetic field, and therefore the magnitude of the magnetic energy that is absorbed by the material during the processing time and maximizes its physical, mechanical and operational characteristics.

Пример конкретной реализации способаAn example of a specific implementation of the method

Для реализации предложенного способа использовали порошок твердого сплава ВК-10. Проводили электроимпульсное прессование без МИО и с МИО. Плотность тока в обоих случаях составляла 100 кА/см², давление 200 МПа и длительность импульса тока 10^-4с. МИО проводилась при напряженности поля 1000 кА/м и длительности 1 с. Результаты определения физико-механических свойств полученных изделий приведены в Таблице 1.To implement the proposed method, VK-10 hard alloy powder was used. Pulse pressing was carried out without MIO and with MIO. The current density in both cases was 100 kA / cm ² , the pressure was 200 MPa, and the current pulse duration was 10 ^-4 s. MIO was carried out at a field strength of 1000 kA / m and a duration of 1 s. The results of determining the physico-mechanical properties of the obtained products are shown in Table 1.

За счет МИО теплопроводность твердого сплава ВК-10 и предел прочности на изгиб увеличиваются, что повышает износостойкость режущей кромки за счет повышения теплоотводности и сопротивляемость выкрашиванию за счет повышения прочности на изгиб.Due to MIO, the thermal conductivity of the VK-10 carbide and the flexural strength increase, which increases the wear resistance of the cutting edge by increasing heat dissipation and resistance to chipping due to increased bending strength.

Таким образом можно сделать вывод о том, что поставленная задача - снижение структурной неоднородности и свободной энергии получаемых изделий - решена, а заявленный технический результат - повышение качества получаемых изделий путем улучшения физико-механических характеристик за счет снижения структурной неоднородности и свободной энергии материала изделия - достигнут.Thus, we can conclude that the task - reducing the structural heterogeneity and free energy of the products obtained - is solved, and the claimed technical result - improving the quality of the products by improving the physical and mechanical characteristics by reducing the structural heterogeneity and free energy of the product material - is achieved .

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.Analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable population, unknown at the priority date from the prior art, sufficient to obtain the required synergistic (super-total) technical result.

Свойства, регламентированные в заявленном способе отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.The properties regulated in the claimed method by individual features are well known in the art and require no further explanation.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:The above information indicates the following conditions are met when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области порошковой металлургии, в частности к способам электроимпульсной консолидации порошковых материалов с прогнозируемыми свойствами, и может быть использован при изготовлении изделий с высокими физико-механическими характеристиками из порошков твердых сплавов группы WC-Co;- an object embodying the claimed technical solution, when implemented, relates to the field of powder metallurgy, in particular to methods for electropulse consolidation of powder materials with predictable properties, and can be used in the manufacture of products with high physical and mechanical characteristics from powders of hard alloys of the WC-Co group ;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the claimed object in the form described in the claims, the possibility of its implementation using the above-described in the application materials known from the prior art on the priority date of the means and methods is confirmed;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the object embodying the claimed technical solution, when implemented, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.

Claims

1. A method of manufacturing a sintered product from powders of hard alloys of the WC-Co group, comprising electropulse pressing of powders at a pressure of 50-500 MPa, a current pulse density of 50-500 kA / cm ² and a current pulse duration of not more than 10 ^-3 s, followed by cooling, characterized in that during the cooling process, when the product reaches the Curie temperature of cobalt, it is subjected to magnetic pulse treatment with a field strength of 400-2000 kA / m for at least 0.01 s.

2. The method according to p. 1, characterized in that the product is subjected to magnetic pulse processing for no more than 1 s.