RU2746657C1 - Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов - Google Patents
Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746657C1 RU2746657C1 RU2020129205A RU2020129205A RU2746657C1 RU 2746657 C1 RU2746657 C1 RU 2746657C1 RU 2020129205 A RU2020129205 A RU 2020129205A RU 2020129205 A RU2020129205 A RU 2020129205A RU 2746657 C1 RU2746657 C1 RU 2746657C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- powder
- ceramic
- density
- powder press
- refractory
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title abstract description 10
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 title abstract description 4
- 229910000753 refractory alloy Inorganic materials 0.000 title description 4
- 229910002110 ceramic alloy Inorganic materials 0.000 title description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 96
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 claims abstract description 15
- 238000009694 cold isostatic pressing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052574 oxide ceramic Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 26
- 239000011195 cermet Substances 0.000 claims description 9
- 238000003825 pressing Methods 0.000 abstract description 19
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 229910002109 metal ceramic alloy Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 239000000078 metal ceramic alloy Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 48
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 30
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 20
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 19
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 18
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 16
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 10
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 10
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 8
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 8
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 6
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 5
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 238000001513 hot isostatic pressing Methods 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000007596 consolidation process Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 description 2
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 208000007356 Fracture Dislocation Diseases 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001080 W alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910009043 WC-Co Inorganic materials 0.000 description 1
- ZGUQGPFMMTZGBQ-UHFFFAOYSA-N [Al].[Al].[Zr] Chemical compound [Al].[Al].[Zr] ZGUQGPFMMTZGBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N isosorbide dinitrate Chemical compound [O-][N+](=O)O[C@H]1CO[C@@H]2[C@H](O[N+](=O)[O-])CO[C@@H]21 MOYKHGMNXAOIAT-JGWLITMVSA-N 0.000 description 1
- 238000000462 isostatic pressing Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000006259 organic additive Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 238000009700 powder processing Methods 0.000 description 1
- 239000011214 refractory ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000009865 steel metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000003826 uniaxial pressing Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/02—Compacting only
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/02—Compacting only
- B22F3/04—Compacting only by applying fluid pressure, e.g. by cold isostatic pressing [CIP]
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к прессованию порошковых смесей металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких материалов. Может использоваться для изготовления изделий больших размеров и сложной формы. Порошок тугоплавкого материала, представляющего собой сплав на основе тугоплавкого металла, или металлокерамический сплав, или оксидную керамику с размером зерен от 3 мкм до 30 мкм, подвергают холодному изостатическому прессованию без пластификатора при давлении от 0,8 до 1,5 ГПа. Обеспечивается получение порошковых пресс-заготовок с высокой плотностью до 70% и со значительной долей зерен с субмикронным размером. 3 пр., 2 ил.
Description
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к прессованию металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких порошковых смесей и может быть использовано для изготовления изделий больших размеров и сложной формы.
Современное состояние технологий изготовления металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких материалов показывает, что далеко не исчерпаны способы в создании конкурентно способных технологий изготовления высококачественных изделий из этих материалов.
Вследствие высокой температуры плавления основных компонентов эти материалы и изделия из них производят практически только методами порошковой металлургии.
Разработка технологии получения высокоплотных порошковых пресс-заготовок и материалов на основе тугоплавких керамик (WC и AL2O3) и тугоплавких материалов W и Mо является актуальной задачей.
До 90-х годов прошлого столетия размер зерна тугоплавких материалов простирался до нескольких десятков микронов. При проведении широких исследований тугоплавкие материалы с субмикронной величиной зерна показали экстраординарные рост популярности и применение в течение прошедших трех десятилетий. Были разработаны и постоянно усовершенствуются технологии получения прессования и спекания тонко-, ультра- и нанопорошков. Исходным сырьем для диспергирования и получения субмикронных порошков используют порошки с размерами зерен от десятков до сотни микрон.
Металлокерамику, минералокерамику и тугоплавкие сплавы получают путем спекания порошковых пресс-заготовок из тонких дисперсных порошков.
Известные технологии получения тугоплавких сплавов содержат следующие этапы:
- Исходный порошок основной фракции WC, AL2O3, W и Mо с крупными зернами до десятков микрон измельчают до мелкозернистого порошка. Методы измельчения могут быть механические (шаровая мельница), взрывом проволоки или плазмохимические. Последние два метода позволяют получить нанодисперсные порошки.
Следует сразу отметить, что нанопорошок представляет собой ансамбль агломератов нано частиц с широким диапазоном размеров. Такое состояние наночастиц в агломератах приводит к особенностям прессования порошковых пресс-заготовок и образования структуры материала при спекании.
- Полученные мелкозернистые или агломерированные нанопорошки основной фракции смешивают с пластификатором, с необходимыми добавками для каждого материала и прессуют. Способы получения порошковой пресс-заготовки: холодное одноосное или двустороннее прессование в металлической пресс-форме при давлении 0,4ГПа, холодное изостатическое прессование при давлении не более 0,2 ГПа.
Следующий этап обработки порошка - спекание порошковой пресс-заготовки.
Порошковая пресс-заготовка с мелкозернистыми или агломерированными нанопорошками обладает низкой плотностью и содержит большое количество закрытых и открытых пор. Поэтому спеченные по традиционной технологии изделия также содержат незалеченные при спекании открытые и закрытые поры разного типа и обладают низкой плотностью. Для получения качественных изделий с тонкодисперсной структурой используют современную технологию двухстадийного спекания - горячее изостатическое прессование (ГИП) при давлении 0,2 ГПа в атмосфере аргона при температурах 1400°-1700°С предварительно спеченного изделия по традиционной технологии. При этом изостатическом давлении и температуре происходит дополнительное уплотнение предварительно спеченного изделия и подавляется рекристаллизация тонкой дисперсной структуры.
В отличие от металлокерамических материалов, например, твердых сплавов с кобальтом, минералокерамика не содержит металла связки. В её состав входят только твердые компоненты, например, оксид алюминия. Приготовление мелкозернистых порошков, порошковых пресс-заготовок и спекание качественных изделий из оксидной (белой) керамики Al2O3 является более сложным процессом. Для повышения уплотнения порошковой пресс-заготовки оксидной керамики и для препятствования росту зерна при высоком температурном спекании применяют объемное легирование оксидами иттрия, магния, циркония, нитридом титана и др.
Получение мелкозернистого или нанопорошка основной фракции материала при диспергировании исходных порошков с крупными зернами до десятков микрон, горячее и горячее изостатическое прессование являются сложными, энергозатратными и дорогими операциями.
При любом известном способе прессования плотность пластифицированной порошковой пресс-заготовки агломерированного мелкозернистого или нанопорошка не превышает 50-60% от плотности спеченного материала. Относительная плотность спеченного материала не превышает 70-80% от теоретической плотности материала. Большое количество пор в порошковой пресс-заготовке, неоднородность плотности по объему способствует рекристаллизации зерен при спекании, что приводит к снижению прочностных характеристик материала и требует специальных мер и добавок для торможения рекристаллизации. Особо значимы эти проблемы при работе с мелкозернистыми и нанопорошками, так как агломераты зерен этих порошков обладают высокой прочностью и не пластичны.
Приведенные выше способы получения спеченных материалов сложны по своему исполнению и дорогостоящие.
Настоящее изобретение позволяет получить качественный материал более простым и экономически эффективным способом и избежать многих проблем, присущих выше описанным способам.
Во всех известных технологиях низкое холодное давление прессования от 0,2 ГПа до 0,4 ГПа применяется как метод консолидации пластифицированного мелкозернистого и нанопорошка для получения порошковой пресс-заготовки с максимально достижимой плотностью при этих давлениях для дальнейшего спекания материала с дисперсной микроструктурой. К сожалению, порошковая пресс-заготовка и спеченный материал имеют высокую пористость и низкую плотность.
Недостатки известных технологий могут быть преодолены, если использовать высокое холодное изостатическое давление от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа для получения высокоплотной порошковой пресс-заготовки без пластификатора и для диспергирования в процессе прессования порошковой пресс-заготовки исходных крупных зерен до мелкозернистого и нано состояния.
Ключевым пунктом в технологии получения качественных спеченных порошковых материалов настоящего изобретения является применение высокого холодного изостатического прессования порошка без пластификатора при давлении 0,8 ГПа - 1,5 ГПа.
Известны способы изготовления металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов, включающий приготовление мелкозернистого или наноразмерного порошка основной фракции сплава (WC, AL2O3, W и Mо), смешивание порошка с необходимыми добавками с пластификатором для повышения уплотнения и формообразования, прессование при холодном изостатическом давлении до 0,2 ГПа, спекание в садочной или тоннельной печи при выдержке 1-2 часа.
В работе «Влияние связующих и пластифицирующих временных органических добавок на структуру и свойства керамики» Н.С. Белоусова, Р.И. Кузьмин и др. (Международная конференция с элементами научной школы, Томск, 09-11 ноября 2015 г., Сборник трудов, с. 179-183) [1] описан способ получения порошковых пресс-заготовок методом сухого одноосного прессования при давлении 0,1 ГПа, плотность полученных порошковых пресс-заготовок α-оксида алюминия компании Almais с фракционным составом зерен более 10 мкм в агломератах с размером до 300 мкм была 2,15 г/см³, что составляет 55% от плотности (3,9 г/см³) спеченных образцов. Образцы имели высокую пористость (0,2%) и большое количество макродефектов, которые не залечились в процессе спекания.
В работе «Влияние времени выдержки при спекании на структуру и свойства плотной керамики» С.В. Веселов, Н.Ю. Черкасова и др. (Международная конференция с элементами научной школы, Томск, 09-11 ноября 2015 г., Сборник трудов, с. 183-185) [2] описан способ получения образцов из алюмоциркониевой керамики путем одноосного сухого прессования порошковой пресс-заготовки при давлении до 0,5 Гпа и последующего спекания, при этом пористость спеченных образцов была 2% и выше. На этапе прессования в порошковой пресс-заготовке образовалось большое количество пор в виде острых трещин, которые не залечиваются при спекании при выдержке до 5 часов. Длительное время спекания приводит к росту зерна. Диспергирование порошка для порошковой пресс-заготовки в указанных работах проводилась механическим способом, т.е. порошок был агломерированным.
В работе Томского политехнического института «Исследование процессов консолидирования керамики на основе оксида и нитрида алюминия и свойств спеченной керамики» В.О. Алексенко, С.В. Матрёнин (Международная конференция с элементами научной школы, Томск, 09-11 ноября 2015 г., Сборник трудов, с. 219-223) [3] описан способ получения образцов керамики, в котором использовали нано кристаллические порошки Al2O3. Описана сложная технология получения нано кристаллического порошка Al2O3. На первой стадии методом плазмохимического синтеза или электрическим взрывом проволоки получают нанопорошок алюминия в виде сферических агломератов с размерами до 100 мкм. Нанопорошок Al2O3 получен из продуктов сгорания нанопорошка алюминия. Таким образом, сгоранию подвергались агломераты нано частиц алюминия, что сопровождается сложным процессом окисления отдельных частиц в агломерате. В работе отмечено, что «для улучшения технологических характеристик и повышения активности порошки обрабатывали в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице в течение 20 минут при частоте 20 Гц». Это свидетельствует о стремлении разрушить наиболее крупные агломераты зерен Al2O3. При спекании низкоплотной порошковой пресс-заготовки нанопорошка Al2O3 с большим количеством крупных пор происходит активная рекристаллизация зерен, и получают изделия с низкой плотностью, с низкими физико-механическими свойствами и с размерами зерен до 5 мкм. Пластифицированный нанопорошок прессовали в холодном изостате при давлении 0,5ГПа. Спеченные образцы имели высокую остаточную пористость и низкую плотность 3,34 г/см³ (85% от теоретической плотности материала). При спекании не происходит залечивание пор, существующих в порошковой пресс-заготовке. В этом случае отрицательная роль принадлежит агломератам нано частиц в порошковой пресс-заготовке, препятствующим уплотнению порошка при прессовании и получению порошковой пресс-заготовки без большого количества крупных пор.
Наиболее близким к предложенному является известный способ прессования порошковой пресс-заготовки и спекания тугоплавкого металла вольфрама, описанный в работе Национального исследовательского Томского политехнического университета «Исследование влияния добавок порошков никеля и кобальта на активацию процесса спекания тугоплавких металлов W и Mo» Д.В. Манжина, Ю.В. Мячин. (Международная конференция с элементами научной школы, Томск, 09-11 ноября 2015 г., Сборник трудов, с. 214-219) [4]. Для исследования в качестве основной фракции материала были взяты нанопорошки вольфрама и промышленные порошки крупной фракции материала с дисперсностью до 80 мкм. В качестве добавки к основной фракции материала использовали нанопорошок никеля. Смешанную порошковую шихту W с добавками Ni и пластификатора формовали для порошковой пресс-заготовки холодным двусторонним прессованием при давлении 0,4 ГПа. Порошковые пресс-заготовки спекали при температуре 1450°С и выдержке 1 час.
В результате наиболее высокая относительная плотность (70% от теоретической плотности материала) спеченных образцов нанопорошка W получилась у образца с добавкой 0,5% Ni, при добавке 2% Ni плотность спеченного образца составляет 50% от теоретической плотности материала. С увеличением добавок никеля количество пор увеличивается. Порошок W с фракцией от 40 мкм до 80 мкм с добавками нанопорошка никеля испечь не удалось. Данный способ принят за прототип.
Первым недостатком известных способов является то, что механическое или изостатическое прессование при холодном давлении 0,2-0,5 ГПа мелкозернистых и особенно нано размерных порошков с пластификатором приводит к низкой и неоднородной плотности порошковой пресс-заготовки, особенно при прессовании крупногабаритных и длинномерных порошковых пресс-заготовок. Плотность порошковой пресс-заготовки не превышает 40-50% от плотности спеченного материала и содержит большое количество пор различных по размеру и форме.
Вторым недостатком является то, что наличие пор разного размера и формы в порошковой пресс-заготовке приводит при спекании к рекристаллизации зерен материала и к получению спеченного материала с большим количеством пор и с относительной плотностью 70% от теоретической плотности материала.
Третий недостаток известных способов связан с особенностями поведения нано частиц при спекании. Порошки нано частиц представляют собой ансамбль агломератов со сферической формой и с размерами до 100 мкм и более [Фиг.1]. При достижении температуры твердофазного спекания около 700°-800°С все агломераты нано частиц в прессовке любого материала кристаллизуются. Объем каждого кристалла значительно меньше объема материнского агломерата. В результате в материале увеличивается общий объем пор. При температуре спекания материала происходит рекристаллизация кристаллов и отсутствует залечивание пор. Остаточный объем пор в спеченном материале может быть значительным. Для борьбы с рекристаллизацией в порошковом материале присутствуют специальные добавки и присадки, понижающие температуру и время спекания.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является разработка более простой и экономически выгодной технологии прессования материала без пластификатора и получения высокоплотной порошковой пресс-заготовки с диспергированными зернами.
Техническая проблема решается способом получения высокоплотной порошковой пресс-заготовки на основе тугоплавкого материала, включающий высокое холодное изостатическое прессование порошка тугоплавкого материала с получением порошковой пресс-заготовки, при этом используют порошок тугоплавкого материала, представляющего собой сплав на основе тугоплавкого металла, или металлокерамический сплав, или оксидную керамику с размером зерен от 3 мкм до 30 мкм, а холодное изостатическое прессование осуществляют без пластификатора при давлении от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа.
Техническим результатом изобретения является получение высокоплотных порошковых пресс-заготовок материалов на основе тугоплавких металлов, корундовой керамики на основе оксида алюминия и твердых сплавов с низкой пористостью, с высокой дисперсностью основной фракции материала, с высокой плотностью (до 70% от теоретической плотности спеченного материала) и со значительной долей зерен с субмикронным размером.
В конечном результате спеченные материалы на основе полученных высокоплотных порошковых пресс-заготовок будут обладать высокой прочностью, износостойкостью и низкими остаточными напряжениями.
Предложенное изобретение исключает применение сложных дорогостоящих технологий получения мелкозернистых и нано размерных порошков основной фракции материала, использование горячего и горячего изостатического прессования и позволяет использовать стандартное печное оборудование для спекания пресс-заготовки.
Прочностные свойства тугоплавких материалов определяются микроструктурой, высокой дисперсностью основной фракции материала (WC, Al2O3, W и Mo), высокой плотностью и с низкими остаточными технологическими напряжениями.
Согласно предложенному способу создание качественного тугоплавкого материала с высокой дисперсностью основной фракции материала (WC, AL2O3, W и Mо), с высокой плотностью и с низкими остаточными технологическими напряжениями обеспечивается на технологической операции прессования порошковой пресс-заготовки без пластификатора высоким холодным изостатическим давлением от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа и получения порошковой пресс-заготовки с плотностью до 80% от теоретической плотности спеченного материала. Стандартная плотность при прессовании порошковых пресс-заготовок тугоплавких материалов не превышает 50-60% от плотности конечного продукта.
При обжатии тугоплавкого материала без пластификатора высоким холодным изостатическим давлением от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа одновременно происходит два самых важных изменения в состоянии материала. При этой операции достигается высокое уплотнение тугоплавкого материала в порошковой пресс-заготовке и активное разрушение (диспергирование) исходных зерен основной фракции материала до малых размеров. Каждое зерно в заготовке контактирует с несколькими зернами. Площадь таких контактов очень мала. При сжатии порошковой пресс-заготовки высоким холодным изостатическим давлением от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа в области контактов возникают большие напряжения. Под действием давления происходит перемещение окружающих зерен, смещение контактов, и зерно испытывает дополнительные сдвиговые напряжения. В результате в зерне образуются дислокации, приводящие к разрушению зерна на мелкозернистые фрагменты вплоть до наноразмеров. Фрагменты в разрушенном зерне плотно прилегают друг к другу, и между ними не образуются дополнительные поры. Некоторые фрагменты выпадают и заполняют поры между разрушенными частицами. При жидкофазном спекании между фрагментами в разрушенном зерне образуется тончайшая прослойка связки.
В порошковой пресс-заготовке после воздействия высокого холодного изостатического давления остаются мелкие поры между диспергированными зернами, которые будут активно залечиваться за счет незначительной рекристаллизации фрагментов разрушенного зерна, прилегающих к поре и за счет фрагментов, попавших в пору при разрушении зерна. Плотно прилегающие друг к другу фрагменты в разрушенном зерне не подвержены рекристаллизации, так как между ними отсутствуют поры.
Таким образом, получение высокоплотной порошковой пресс-заготовки без пластификатора с разрушенными зернами при высоком холодном изостатическом прессовании под давлением от 0,8 ГПа до 1,5 ГПа способствует получению высокоплотного и высокодисперсного спеченного материала с уменьшением температуры и выдержки при спекании без использования мелкозернистых и нанопорошков основной фракции, дорогостоящего оборудования при горячем изостатическом прессовании и с использованием стандартного печного оборудования.
При стандартной технологии остаточные технологические напряжения возникают в материале во время спекания при рекристаллизации зерен основной фракции материала. Остаточные технологические напряжения образуются на контактах между зернами. В металлургии тугоплавких материалов отсутствует технология для снятия остаточных напряжений в спеченном материале подобно технологии отпуска в металлургии стали.
При использовании высокого холодного изостатического давления напряжения на контактах между крупными разрушенными частицами в порошковой пресс-заготовке воспринимаются ансамблем мелких зерен в разрушенной частице, и происходит релаксация напряжений на границах субзерен. В результате в тугоплавких материалах, полученных с использованием высокого холодного изостатического давления, остаточные технологические напряжения в десятки раз меньше (5-10 МПа) остаточных технологических напряжений в материалах, полученных по известным технологиям (300 МПа).
Предлагаемый способ поясняется микрофотографиями.
На фиг. 1 представлена микрофотография нанопорошка карбида вольфрама, полученного методом плазмохимического синтеза. Нано частицы карбида вольфрама образуют «губчатые» агломераты с размерами до 200 мкм.
На фиг. 2 представлена микрофотография шлифа спеченного вольфрама, полученного предложенным способом. На переднем плане представлена частица вольфрама после дислокационного разрушения при высоком изостатическом давлении 1,5 ГПа.
Далее приведены примеры реализации предложенного способа получения высокоплотных порошковых пресс-заготовок тугоплавких материалов.
Пример 1. Получение порошковой пресс-заготовки металлокерамического сплава.
Для эксперимента были выбраны два металлокерамических твердых сплава карбида вольфрама с кобальтом WC-Co. Один твердый сплав содержал 8 масс.% Со, другой твердый сплав содержат 15 масс.% Со. Размер зерна крупнозернистого карбида вольфрама в каждом сплаве был 3-20 мкм. При обжатии твердого сплава с 8 масс.% Со без пластификатора высоким холодным изостатическим давлением 0,8 ГПа была получена порошковая пресс-заготовка с плотностью 11 г/см³, что составляет 76% от плотности стандартного спеченного твердого сплава с 8 масс.% Со (14,4 г/см³). При обжатии твердого сплава с 15 масс.% Со порошковая пресс-заготовка приобрела однородную плотность 11 г/см³, что составляет 79% от плотности стандартного твердого сплава с 15 масс.% Со (13,9 г/см³).
Пример 2. Получение порошковой пресс-заготовки тугоплавкого металлического сплава.
Получали высокоплотную порошковую пресс-заготовку тугоплавкого вольфрама с добавкой 7 масс. % никеля. В исходном порошке частицы вольфрама имели размер до 30 мкм. Размер частиц никеля составлял 2-3 мкм. Порошковая пресс-заготовка без пластификатора была подвергнута воздействию высокого холодного изостатического давления 1,2 ГПа и затем спечена при температуре 1000°С в течение 10 минут. При воздействии высокого холодного изостатического давления в порошковой пресс-заготовке происходит диспергирование зерен вольфрама. Плотность порошковой пресс-заготовки составила 70% от плотности спеченного материала (17,8 г/см³). На микрофотографии [Фиг. 2] спеченного образца представлено электронное изображение одной из частиц вольфрама. Крупная частица вольфрама разрушена на мелкие многогранники различной формы, плотно прилегающие друг к другу. Плотное прилегание субзерен свидетельствует о дислокационном характере разрушения исходной частицы вольфрама. Разрушение частицы начинается от внешней поверхности с уменьшением размера субзерен в направлении к центру. При спекании никель диффундирует по границам между прилегающими друг к другу фрагментами разрушенных частиц и выполняет роль прочной связки в материале.
Пример 3. Получение порошковой пресс-заготовки минералокерамического материала.
Получали порошковую пресс-заготовку из оксидной (белой) керамики Al2O3. В качестве исходного материала использовали порошок оксида алюминия, произведенного Донецким заводом химреактивов. Порошок Al2O3 состоял из агломератов различной формы с размерами до 300 мкм. Размер зерен Al2O3 в агломератах был от 10 мкм до 30 мкм. При воздействии высокого холодного изостатического давления 1,5ГПа в порошковой пресс-заготовке происходит разрушение агломератов и диспергирование состоящих в них зерен Al2O3 до 3-5 мкм. Плотность порошковой пресс-заготовки составляет 2,75 г/см³, т.е. 70% от теоретической плотности материала Al2O3 (3,99 г/см³) в отличие от плотности 55% порошковой пресс-заготовки Al2O3 в работе [1], в которой использовался агломерированный порошок Al2O3 фирмы Almais с фракционным составом зерен более 10 мкм в агломератах с размерами до 300 мкм.
Claims (1)
- Способ получения высокоплотной порошковой пресс-заготовки на основе тугоплавкого материала, включающий холодное изостатическое прессование порошка тугоплавкого материала с получением порошковой пресс-заготовки, отличающийся тем, что используют порошок тугоплавкого материала, представляющего собой сплав на основе тугоплавкого металла, или металлокерамический сплав, или оксидную керамику с размером зерен от 3 мкм до 30 мкм, а холодное изостатическое прессование осуществляют без пластификатора при давлении от 0,8 до 1,5 ГПа.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020129205A RU2746657C1 (ru) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020129205A RU2746657C1 (ru) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2746657C1 true RU2746657C1 (ru) | 2021-04-19 |
Family
ID=75521318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020129205A RU2746657C1 (ru) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2746657C1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080029186A1 (en) * | 2006-02-14 | 2008-02-07 | Stanley Abkowitz | Homogeneous titanium tungsten alloys produced by powder metal technology |
| US20090010792A1 (en) * | 2007-07-02 | 2009-01-08 | Heraeus Inc. | Brittle metal alloy sputtering targets and method of fabricating same |
| EA018035B1 (ru) * | 2009-10-07 | 2013-05-30 | Компания Адма Продактс, Инкорпорейтед | Способ получения изделий из титановых сплавов |
| CN106834865A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-06-13 | 江西理工大学 | 耐高温氧化高强度Ti3SiC2硬质合金及其制备工艺 |
| RU2647424C1 (ru) * | 2017-02-27 | 2018-03-15 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Nb3Al (Варианты) |
-
2020
- 2020-10-13 RU RU2020129205A patent/RU2746657C1/ru active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080029186A1 (en) * | 2006-02-14 | 2008-02-07 | Stanley Abkowitz | Homogeneous titanium tungsten alloys produced by powder metal technology |
| US20090010792A1 (en) * | 2007-07-02 | 2009-01-08 | Heraeus Inc. | Brittle metal alloy sputtering targets and method of fabricating same |
| EA018035B1 (ru) * | 2009-10-07 | 2013-05-30 | Компания Адма Продактс, Инкорпорейтед | Способ получения изделий из титановых сплавов |
| CN106834865A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-06-13 | 江西理工大学 | 耐高温氧化高强度Ti3SiC2硬质合金及其制备工艺 |
| RU2647424C1 (ru) * | 2017-02-27 | 2018-03-15 | Общество с ограниченной ответственностью "МЕТСИНТЕЗ" | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Nb3Al (Варианты) |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| MANZHINA D.V. et al. "Investigation of the effect of additives of nickel and cobalt powders on the activation of the sintering process of refractory metals W and Mo". Collection of works. International conference with elements of a scientific school, Tomsk, November 09-11, 2015, pp. 214-219. * |
| МАНЖИНА Д.В и др. "Исследование влияния добавок порошков никеля и кобальта на активацию процесса спекания тугоплавких металлов W и Mo". Сборник трудов. Международная конференция с элементами научной школы, Томск, 09-11 ноября 2015 г., стр.214-219. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pasebani et al. | Oxide dispersion strengthened nickel based alloys via spark plasma sintering | |
| Ota et al. | Application of high pressure gas jet mill process to fabricate high performance harmonic structure designed pure titanium | |
| JP5550013B2 (ja) | 磁性ナノコンポジット及びその製造方法 | |
| Parvin et al. | The characteristics of alumina particle reinforced pure Al matrix composite | |
| Bhatt et al. | Synthesis of nanostructured Al–Mg–SiO2 metal matrix composites using high-energy ball milling and spark plasma sintering | |
| Babalola et al. | Comparative study of spark plasma sintering features on the densification of Ni-Cr binary alloys | |
| Ružić et al. | Synthesis and characterization of Cu-ZrB2 alloy produced by PM techniques | |
| Stalin et al. | Synthesis and characterization of brass–AlN composites synthesized by ball milling | |
| Moon et al. | A study on the microstructure of D023 Al3Zr and L12 (Al+ 12.5 at.% Cu) 3Zr intermetallic compounds synthesized by PBM and SPS | |
| Kumar et al. | Influence of ceramic particles on the microstructure and mechanical properties of SAC305 lead-free soldering material | |
| RU2746657C1 (ru) | Способ получения высокоплотных пресс-заготовок с диспергированными зёрнами в порошковой металлургии металлокерамических, минералокерамических и тугоплавких сплавов | |
| Lee et al. | Processing of net‐shaped nanocrystalline Fe‐Ni material | |
| Mansourirad et al. | Synthesis and characterization of Ag-8% wt Cr2O3 composites prepared by different densification processes | |
| White et al. | Freeze-dried tungsten heavy alloys | |
| JP2014055074A (ja) | Ｔｉ３ＳｉＣ２常圧焼結体及びその製造方法 | |
| JPS62196306A (ja) | 複層タングステン合金の製造方法 | |
| Chang et al. | Investigation of vacuum hot-press sintering temperatures on the sintered characteristics of Cr-31.2 mass% Ti alloys | |
| KR20180021536A (ko) | 소결용 조성물 | |
| Xia | Bulk ultrafine and nanostructured materials from consolidation of particles by severe plastic deformation | |
| JPH02259029A (ja) | アルミナイドの製造法 | |
| Tsakiris et al. | Characterization of Al matrix composites reinforced with alumina nanoparticles obtained by PM method | |
| Goodarzi et al. | Microwave-Assisted Two-Step Sintering of Al/8wt% TiC Composite Prepared by Powder Metallurgy | |
| Kim et al. | Microstructural characteristics of ti-al-Dy alloy ProDuceD by high energy ball Milling | |
| Chandra Sekhar et al. | Effect of Milling Time on Consolidation of Al5083 Nanocomposite by Equal Channel Angular Pressing | |
| Azizi et al. | Comparison of ZAMAK 2 and ZAMAK 3 alloys produced by powder metallurgy process |