[go: up one dir, main page]

RU2813253C1 - Method for obtaining fine-grained structure of sintered materials - Google Patents

Method for obtaining fine-grained structure of sintered materials Download PDF

Info

Publication number
RU2813253C1
RU2813253C1 RU2023118770A RU2023118770A RU2813253C1 RU 2813253 C1 RU2813253 C1 RU 2813253C1 RU 2023118770 A RU2023118770 A RU 2023118770A RU 2023118770 A RU2023118770 A RU 2023118770A RU 2813253 C1 RU2813253 C1 RU 2813253C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sintered
grained structure
nanoparticles
fine
powder
Prior art date
Application number
RU2023118770A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Георгиевич Соколов
Александр Витальевич Озолин
Дмитрий Александрович Голиус
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВО "КубГТУ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2813253C1 publication Critical patent/RU2813253C1/en

Links

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: invention related to methods for producing powder material to obtain a fine-grained structure in sintered materials with specified physical and mechanical properties. The method involves introducing tungsten nanoparticles of equiaxial shape with a size of 50-80 nm, obtained by a plasma-thermal method, into a powder sintered material containing cobalt, copper and tin. In this case, tungsten nanoparticles are introduced in an amount of 1-20 wt.% by weight of the sintered powder material.
EFFECT: obtaining a homogeneous fine-grained structure, increasing hardness and strength in the sintered material.
1 cl, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах. The invention relates to powder metallurgy, namely to methods for obtaining a fine-grained structure in sintered materials.

Изобретение может быть использовано для получения спеченных материалов с заданными физико-механическими свойствами. The invention can be used to produce sintered materials with specified physical and mechanical properties.

При жидкофазном спекании твердых сплавов, медистых сталей, сплавов «кобальт-медь-олово» и других сплавов наблюдается рост зерна твердой фазы за счет перекристаллизации ее вещества через жидкую фазу. Формирование крупнозернистой структуры приводит к ухудшению механических свойств. В связи с этим существует ряд способов предотвращения роста зерна и получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах.During liquid-phase sintering of hard alloys, cuprous steels, cobalt-copper-tin alloys and other alloys, grain growth of the solid phase is observed due to recrystallization of its substance through the liquid phase. The formation of a coarse-grained structure leads to a deterioration in mechanical properties. In this regard, there are a number of ways to prevent grain growth and obtain a fine-grained structure in sintered materials.

Известен способ получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах по патентам 2002043130 USA, EP 0834589, US 6228139, US 5993730, включающий введение в спекаемый материал ингибиторов роста зерна. Способ применяют для получения мелкозернистой структуры в вольфрамокобальтовых твердых сплавах. В качестве ингибиторов в указанные сплавы добавляют порошки карбидов тугоплавких металлов, например, VC, NbC, TaC, TiC, Mo2C, Cr3C2, ZrC, HfC. При жидкофазном спекании эти добавки адсорбируются на поверхности частиц твердой фазы и блокируют их рост. Недостатком известного способа является образование хрупких прослоек между частицами карбида вольфрама и кобальтовой связкой. Как следствие снижается ударная вязкость спеченных твердых сплавов. There is a known method for obtaining a fine-grained structure in sintered materials according to patents 2002043130 USA, EP 0834589, US 6228139, US 5993730, including the introduction of grain growth inhibitors into the sintered material. The method is used to obtain a fine-grained structure in tungsten-cobalt hard alloys. Powders of refractory metal carbides, for example, VC, NbC, TaC, TiC, Mo 2 C, Cr 3 C 2 , ZrC, HfC, are added to these alloys as inhibitors. During liquid-phase sintering, these additives are adsorbed on the surface of solid phase particles and block their growth. The disadvantage of this known method is the formation of brittle layers between the tungsten carbide particles and the cobalt binder. As a result, the impact strength of sintered hard alloys decreases.

Известен также способ получения мелкозернистой структуры в вольфрамокобальтовых твердых сплавах по патенту EP 1043412, включающий нанесение на частицы карбида вольфрама металлического покрытия, замедляющего рост зерна при спекании. Для покрытия используют хром, ванадий, молибден или вольфрам. Покрытие частиц карбида вольфрама указанными металлами препятствует перекристаллизации карбида вольфрама через жидкую кобальтовую связку. Тем самым предотвращается рост зерна карбида вольфрама при спекании. Способ применяют для изготовления твердосплавного режущего инструмента. Режущие пластины, изготовленные по известному способу, показывают высокую ударную вязкость при обработке нержавеющих сталей. Данный способ имеет ограниченное применение и может быть использован для получения мелкозернистой структуры только в вольфрамокобальтовых спеченных сплавах.There is also a known method for obtaining a fine-grained structure in tungsten-cobalt hard alloys according to patent EP 1043412, which includes applying a metal coating to tungsten carbide particles that slows down grain growth during sintering. Chromium, vanadium, molybdenum or tungsten are used for coating. Coating the tungsten carbide particles with these metals prevents the tungsten carbide from recrystallizing through the liquid cobalt binder. This prevents the tungsten carbide grain from growing during sintering. The method is used for the manufacture of carbide cutting tools. Cutting inserts manufactured using a known method show high impact strength when machining stainless steels. This method has limited application and can be used to obtain a fine-grained structure only in tungsten-cobalt sintered alloys.

Из уровня техники известен способ, включающий введение в материал мелкодисперсных (в том числе, наноразмерных) тугоплавких частиц, являющихся дополнительными центрами кристаллизации жидкой фазы. Указанный способ используют для получения мелкозернистой структуры в литых сталях (патенты RU2332469, RU2335377C1), в сварных швах (патенты RU2509717C2, RU2613243C2) и спеченных порошковых материалах. A method is known from the prior art, which involves introducing into the material finely dispersed (including nano-sized) refractory particles, which are additional centers of crystallization of the liquid phase. This method is used to obtain a fine-grained structure in cast steels (patents RU2332469, RU2335377C1), in welds (patents RU2509717C2, RU2613243C2) and sintered powder materials.

Ближайшим по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ, включающий введение в порошковый материал углеродных наночастиц в количестве до 1 % (масс.) [Витязь П.А., Жорник И.В., Ковалева С.А., Кукаренко В.А. Изменение структуры и свойств спеченных сплавов под влиянием наноразмерных углеродных добавок // Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2014. №4. С. 12-18.]. Углеродные наночастицы, обладающие высокой химической активностью, влияют на структурообразование материала при спекании, способствуют формированию дисперсных карбидов, твердых интерметаллидных соединений. При охлаждении материала после жидкофазного спекания тугоплавкие наночастицы играют роль дополнительных центров кристаллизации. В результате жидкая фаза спекаемого материала кристаллизуется в виде мелкозернистой структуры. Недостатком известного способа является то, что тугоплавкие наночастицы не влияют на процесс перекристаллизации вещества твердой фазы через жидкую фазу. Вследствие этого твердая фаза при спекании приобретает крупнозернистое строение. После спекания в материале получается неоднородная структура, состоящая из крупных зерен тугоплавкой составляющей и мелких зерен легкоплавкой составляющей (бывшей жидкой фазы). Такая структура снижает физико-механические свойства спеченных материалов.The closest in technical essence and achieved positive effect is a method involving the introduction of carbon nanoparticles into the powder material in an amount of up to 1% (wt.) [Vityaz P.A., Zhornik I.V., Kovaleva S.A., Kukarenko V.A. . Changes in the structure and properties of sintered alloys under the influence of nanosized carbon additives // Izv. universities Powder metallurgy and functional coverings. 2014. No. 4. pp. 12-18]. Carbon nanoparticles, which have high chemical activity, affect the structure formation of the material during sintering and contribute to the formation of dispersed carbides and solid intermetallic compounds. When cooling the material after liquid-phase sintering, refractory nanoparticles play the role of additional crystallization centers. As a result, the liquid phase of the sintered material crystallizes in the form of a fine-grained structure. The disadvantage of this known method is that refractory nanoparticles do not affect the process of recrystallization of solid phase matter through the liquid phase. As a result, the solid phase acquires a coarse-grained structure during sintering. After sintering, a heterogeneous structure is obtained in the material, consisting of large grains of a refractory component and small grains of a low-melting component (former liquid phase). This structure reduces the physical and mechanical properties of sintered materials.

Задачей изобретения является повышение механических свойств, таких как твердость и прочность спеченных материалов.The objective of the invention is to increase the mechanical properties, such as hardness and strength of sintered materials.

Техническим результатом изобретения является получение однородной мелкозернистой структуры в спеченном материале. The technical result of the invention is to obtain a homogeneous fine-grained structure in the sintered material.

Указанный результат достигается тем, что в порошковый материал, в качестве тугоплавких наночастиц, вводят наночастицы тугоплавких металлов, имеющих более высокую поверхностную энергию, чем компоненты спекаемого материала. При этом наночастицы вводят в количестве 1-20 % от массы спекаемого материала. This result is achieved by introducing into the powder material, as refractory nanoparticles, nanoparticles of refractory metals having a higher surface energy than the components of the sintered material. In this case, nanoparticles are introduced in an amount of 1-20% by weight of the sintered material.

В системах, состоящих из двух твердых металлов и жидкой фазы, массоперенос направлен к металлу, имеющему наибольшую поверхностную энергию [Шатинский В.Ф., Збожная О.М., Максимович Г.Г. Получение диффузионных покрытий в среде легкоплавких металлов. – Киев: Наукова думка, 1976. – 203 с.]. Поэтому, при введении в спекаемый материал наночастиц с высокой поверхностной энергией происходит перенос вещества твердой фазы на поверхность наночастиц. In systems consisting of two solid metals and a liquid phase, mass transfer is directed to the metal having the highest surface energy [Shatinsky V.F., Zbozhnaya O.M., Maksimovich G.G. Preparation of diffusion coatings in the environment of low-melting metals. – Kyiv: Naukova Dumka, 1976. – 203 p.]. Therefore, when nanoparticles with high surface energy are introduced into the sintered material, the solid phase substance is transferred to the surface of the nanoparticles.

В отличие от прототипа, в предлагаемом способе наночастицы являются центрами кристаллизации твердой фазы, переносимой на их поверхность через жидкую фазу. В результате из перекристаллизованной твердой фазы формируется однородная мелкозернистая структура.Unlike the prototype, in the proposed method, nanoparticles are centers of crystallization of the solid phase, transferred to their surface through the liquid phase. As a result, a homogeneous fine-grained structure is formed from the recrystallized solid phase.

Увеличение содержания наночастиц свыше 20 % (масс.) не целесообразно, так как приводит к увеличению хрупкости и повышению стоимости спеченного материала.Increasing the content of nanoparticles above 20% (wt.) is not advisable, as it leads to increased fragility and increased cost of the sintered material.

Реализация изобретения и достигаемый положительный эффект показаны в приведенном ниже примере.The implementation of the invention and the positive effect achieved are shown in the example below.

Пример. Изготавливали образцы из порошкового материала «кобальт-медь-олово», содержащего равноосные частицы порошка размером: кобальт 0,5–1,5 мкм, медь 45–70 мкм, олово 17–30 мкм. В целях получения мелкозернистой структуры в материал вводили наночастицы вольфрама равноосной формы размером 50–80 нм, полученные плазмотермическим способом. Example. Samples were made from cobalt-copper-tin powder material containing equiaxed powder particles of size: cobalt 0.5–1.5 μm, copper 45–70 μm, tin 17–30 μm. In order to obtain a fine-grained structure, tungsten nanoparticles of equiaxial shape with a size of 50–80 nm, obtained by the plasmathermal method, were introduced into the material.

По данным работы [Vitos L., Ruban A.V., Skriver H.L., Kollar J. The surface energy of metals // Surface Science. 1998. Vol. 411. P. 186-202] величина поверхностной энергии кобальта составляет 2,7 Дж/м2, меди 1,9 Дж/м2, олова 0,6 Дж/м2. Вольфрам обладает более высокой по сравнению с другими компонентами поверхностной энергией, величина которой составляет 4 Дж/м2. According to the work [Vitos L., Ruban AV, Skriver HL, Kollar J. The surface energy of metals // Surface Science. 1998. Vol. 411. P. 186-202] the surface energy of cobalt is 2.7 J/m 2 , copper 1.9 J/m 2 , tin 0.6 J/m 2 . Tungsten has a higher surface energy compared to other components, the value of which is 4 J/m 2 .

Содержание наночастиц вольфрама выбирали из таблицы. Материал уплотняли статическим односторонним прессованием в стальной пресс-форме с усилием в 12 т/см2 и спекали в вакууме при температуре 820°С в течение 40 мин. При температуре спекания образуется медно-оловянная жидкая фаза, растворяющая в себе некоторое количество кобальта. При спекании большая часть кобальта остается в твердой фазе. The content of tungsten nanoparticles was selected from the table. The material was compacted by static one-sided pressing in a steel mold with a force of 12 t/ cm2 and sintered in vacuum at a temperature of 820°C for 40 minutes. At the sintering temperature, a copper-tin liquid phase is formed, dissolving a certain amount of cobalt. During sintering, most of the cobalt remains in the solid phase.

Содержание нанопорошка вольфрама,
% (масс.)
Tungsten nanopowder content,
% (wt.)
Размер частиц кобальта после спекания,
мкм
Size of cobalt particles after sintering,
µm
Предел прочности, МПаTensile strength, MPa Твердость, HRBHardness, HRB
-- 10-1410-14 351-359351-359 96-9896-98 11 2-42-4 463-470463-470 100-102100-102 55 1-31-3 471-482471-482 102-104102-104 1010 0,7-20.7-2 478-490478-490 105-107105-107 1515 0,5-1,80.5-1.8 491-502 491-502 106-108106-108 2020 0,5-1,80.5-1.8 480-493480-493 107-110107-110

Введение в материал наночастиц вольфрама создает дополнительные центры кристаллизации кобальта. Кобальт осаждается из жидкой фазы на наночастицы вольфрама, имеющего высокую поверхностную энергию. Это позволяет блокировать перенос кобальта через жидкую фазу от одних кобальтовых частиц к другим и тем самым предотвратить рост кобальтовых частиц. The introduction of tungsten nanoparticles into the material creates additional cobalt crystallization centers. Cobalt is deposited from the liquid phase onto tungsten nanoparticles, which have high surface energy. This makes it possible to block the transfer of cobalt through the liquid phase from one cobalt particle to another and thereby prevent the growth of cobalt particles.

В результате в спеченных материалах сформировалась структура, состоящая из зерен кобальта размером 0,5–4 мкм, медно-оловянной фазы и наночастиц вольфрама. Механические свойства полученных материалов приведены в таблице. По таблице видно, что с увеличением содержания наночастиц вольфрама уменьшается величина зерна, возрастают твердость и прочность спеченных материалов.As a result, a structure consisting of cobalt grains 0.5–4 μm in size, a copper-tin phase, and tungsten nanoparticles was formed in the sintered materials. The mechanical properties of the resulting materials are given in the table. The table shows that with an increase in the content of tungsten nanoparticles, the grain size decreases and the hardness and strength of the sintered materials increase.

В аналогичном материале, содержащем углеродные наночастицы в виде алмазно-графитовой шихты в количестве 1 % (масс.), размер частиц кобальта после спекания, составляет 6–14 мкм. Предел прочности при сжатии для материала по прототипу составляет 354–386 МПа.In a similar material containing carbon nanoparticles in the form of a diamond-graphite charge in an amount of 1% (mass), the size of cobalt particles after sintering is 6–14 μm. The compressive strength for the prototype material is 354–386 MPa.

Таким образом, введение в порошковый материал тугоплавких наночастиц, имеющих высокую поверхностную энергию, способствует формированию в спеченном материале мелкозернистой структуры и повышению механических свойств. Thus, the introduction of refractory nanoparticles with high surface energy into the powder material promotes the formation of a fine-grained structure in the sintered material and improves the mechanical properties.

Claims (1)

Способ получения порошкового материала для получения мелкозернистой структуры в спеченных материалах, включающий введение в порошковый спекаемый материал, содержащий кобальт, медь и олово, наночастиц вольфрама, отличающийся тем, что в качестве наночастиц вольфрама используют наночастицы равноосной формы размером 50-80 нм, полученные плазмотермическим способом, и вводят их в количестве 1-20 мас.% от массы спекаемого порошкового материала.A method for producing powder material for obtaining a fine-grained structure in sintered materials, including the introduction of tungsten nanoparticles into the powder sintered material containing cobalt, copper and tin, characterized in that equiaxed nanoparticles with a size of 50-80 nm, obtained by a plasma-thermal method, are used as tungsten nanoparticles , and they are introduced in an amount of 1-20 wt.% by weight of the sintered powder material.
RU2023118770A 2023-07-17 Method for obtaining fine-grained structure of sintered materials RU2813253C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813253C1 true RU2813253C1 (en) 2024-02-08

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2432250C2 (en) * 2009-12-18 2011-10-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Binder for production of diamond tool
US9156137B2 (en) * 2010-03-01 2015-10-13 Federal State Budgetary Institution <Federal Agency for Legal Protection of Military, Special and Dual Use Intellectual Activity Results> Copper based binder for the fabrication of diamond tools
RU2725485C1 (en) * 2019-09-09 2020-07-02 Александр Витальевич Озолин Binder for the manufacture of diamond tool

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2432250C2 (en) * 2009-12-18 2011-10-27 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Binder for production of diamond tool
US9156137B2 (en) * 2010-03-01 2015-10-13 Federal State Budgetary Institution <Federal Agency for Legal Protection of Military, Special and Dual Use Intellectual Activity Results> Copper based binder for the fabrication of diamond tools
RU2725485C1 (en) * 2019-09-09 2020-07-02 Александр Витальевич Озолин Binder for the manufacture of diamond tool

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ОЗОЛИН А.В. Разработка функциональных алмазно-металлических композитов со связками Sn-Cu-Co, модифицированными наночастицами вольфрама. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Новочеркасск, 2022, с.4, 11, 13, 18, 19. ОЗОЛИН А.В. и др. Влияние механической активации порошка вольфрама на структуру и свойства спеченного материала Sn-Cu-Co-W. Обработка металлов, 2022, том 24, N1, с.48-60. OZOLIN A.V. et.al. Effect of tungsten nanoparticles on interaction of Sn-Cu-Co metallic matrices with diamond. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 1155 (2021) 012016, p.1-4. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113862543B (en) Method for manufacturing alloy member
EP2193538B1 (en) X-ray anode having improved heat dissipation
JP4969008B2 (en) Powder mixtures and composite powders, methods for their production and their use in composite materials
JP6474389B2 (en) New manufacturing method of cemented carbide and product obtained thereby
JP6806792B2 (en) Sintered carbide with a structure that increases toughness
US10946445B2 (en) Method of manufacturing a cemented carbide material
US20210355564A1 (en) Nickel-based superalloys
ES2535752T3 (en) Method to produce a sintered composite body
JP2003328067A (en) Cemented carbide structure member having structure showing gradual transition
JP5703272B2 (en) Abrasion resistant material
JP2010526020A (en) Polycrystalline diamond composite
JP7689529B2 (en) Gradient hardmetal with alternative binders
Kumar et al. High hardness-high toughness WC-20Co nanocomposites: Effect of VC variation and sintering temperature
CN108145168A (en) Fine-granularity diamond composite sheet and preparation method thereof
JP6011946B2 (en) Nickel-based intermetallic compound composite sintered material and method for producing the same
WO2005068113A1 (en) Method of sintering body having high hardness
Nakonechnyi et al. WC-Based cemented carbides with nanostructured NiFeCrWMo high-entropy alloy binder
RU2813253C1 (en) Method for obtaining fine-grained structure of sintered materials
CN112313354B (en) Cemented carbide with alternative binder
JPH0333771B2 (en)
JP5207922B2 (en) Binderless powder for surface hardening
JPS63286549A (en) Nitrogen-containing titanium carbide-base sintered alloy having excellent resistance to plastic deformation
CN112941390A (en) Titanium carbonitride base metal ceramic and preparation method and application thereof
Gu In situ WC-cemented carbide-based hardmetals by selective laser melting (SLM) additive manufacturing (AM): microstructure characteristics and formation mechanisms
Kumar et al. Effect of process parameters and VC content on structural and mechanical properties of WC-20Co nano composites