Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОГО ПОРОШКА МОНОКАРБИДА ВОЛЬФРАМА WC

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению сферических порошков монокарбида вольфрама, который является основным компонентом металлокерамических твердых сплавов, применяемых для изготовления инструмента, обладающего высокой твердостью и коррозионной стойкостью, для изготовления буровых коронок, который также применяется для легирования сталей, для наплавки износостойких покрытий на детали, работающих в условиях интенсивного изнашивания и т.д.

Монокарбид вольфрама синтезируют из вольфрама или его соединений, например таких, как оксид или кислота, при их контакте с углеродом или углеродосодержащими материалами. Например, известен способ синтеза порошка монокарбида вольфрама, при котором порошки вольфрама и сажи подвергали интенсивной механической обработке и отжигу (А.С. Курлов и др. Размер частиц нанокристаллических порошков как функция параметров механического размола. Письма в ЖГТ, 2007, т. 33, вып. 19, с. 46-54). Известен также способ получения порошка на основе монокарбида вольфрама, включающий восстановление в плазменном реакторе кислородосодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда с получением смеси порошков, состоящей из WC, W₂C, вольфрама и свободного углерода, и последующей обработке смеси в присутствии водорода при температуре 800-1300°С для восстановления карбидов и удаления кислорода с получением порошка на основе монокарбида вольфрама (РФ 2349424 C1, B22F 9/22, 20.03.2009). Монокарбид вольфрама, полученный по приведенным выше технологиям, формируется в виде порошка с неправильной формой частиц. Однако, для многих применений необходимо использовать порошок со сферической формой частиц. Структура сферических зерен характеризуется высокой плотностью и практическим отсутствием дефектов, свойственных дробленому порошку, следствием этого является повышенная прочность сферических частиц.

Сферический порошок большинства материалов получают в основном распылением расплавов различными методами, такими, как распыление потоками газа, центробежное распыление, плазменная сфероидизация и т.п. Так известен способ получения сферического порошка карбида вольфрама, в котором несферические частицы WC предварительно покрывают углеродосодержащим соединением, а затем нагревают плазмой до формирования сферического порошка (US 9079778 В2, С01В 31/34, 14.07.2015). Известен также способ получения сферического порошка карбида вольфрама, включающий расплавление исходного материала карбида вольфрама при температуре на 150-300°С выше температуры его плавления, выдержку и распыление расплава потоками инертного газа (US 5089182 A, B22F 9/04, 18.02.1992). Приведенный выше способ принят в качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения.

Однако получить только порошок монокарбида вольфрама со сферической формой частиц распылением расплава невозможно, т.к. в процессе нагрева монокарбид вольфрама разлагается по перитектической реакции при температуре 2500°С на W₂C и свободный углерод (С), а при последующем охлаждении расплава в структуре твердого материала фиксируются фазы в соответствии с диаграммой состояния, а именно W₂C, WC, С. Т.е. получить порошок, содержащий практически полностью сферический монокарбид вольфрама, распылением расплава заданного состава невозможно.

Задачей изобретения является разработка способа получения сферического порошка монокарбида вольфрама.

Техническим результатом изобретения является увеличение содержания в конечном продукте порошка монокарбида вольфрама более 70 об.%.

Технический результат достигается тем, что в способе получения сферического порошка монокарбида вольфрама WC, включающем расплавление исходного материала, распыление расплава с формированием сферическою порошка, согласно изобретению в качестве исходного материала используют крупку монокарбида вольфрама, расплавление и распыление исходного материала осуществляют путем непрерывной подачи крупки во вращающийся тигель установки центробежного распыления в атмосфере азота и плавления ее плазменной дутой, после чего осуществляют отжиг полученного порошка при температуре 1200-1400°С в течение времени, необходимого для распада W₂C с последующим охлаждением с печью. Также технический результат достигается полученным заявленным способом порошком монокарбида вольфрама.

В частных случаях реализации изобретения в качестве исходного материала используют крупку монокарбида вольфрама WC с размером частиц 20-80 мкм, отжиг полученного порошка осуществляют в течение 1,5-2 часов.

В результате использования заявленного способа получают порошок с размером частиц от 10 мкм до 2,5 мм.

Сущность изобретения заключается в следующем.

На рис. 1 представлен внешний вид сферического порошка монокарбида вольфрама (а) и сечение частиц после травления (б).

На рис. 2 представлена типичная рентгенограмма сферических частиц порошка монокарбида вольфрама непосредственно после распыления.

На рис. 3 представлена типичная рентгенограмма сферических частиц порошка монокарбида вольфрама после отжига.

В соответствии с диаграммой состояния монокарбид вольфрама образуется по перитектической реакции при температуре ~2500°С. При температуре полного плавления (2870°С) монокарбид вольфрама распадается на W₂C и углерод, а при кристаллизации расплава в процессе распыления выделяются фазы WC, W₂C и свободный углерод. Таким образом, полученный при распылении расплава сферический порошок представляет собой смесь перечисленных выше фаз. Отжиг полученной распыленной смеси порошков позволяет привести ее в равновесное состояние, фаза W₂C переходит в частице в фазу WC. При этом подбор режимов и условий охлаждения позволяет получить образующиеся фазы, по возможности, как можно дисперстнее, с тем, чтобы диффузионные процессы перехода в равновесное состояние проходили быстрее. Экспериментально установлено, что проведение отжига распыленного сферического порошка при температуре 1200-1400°С с выдержкой, необходимой для распада W₂C, и последующее медленное охлаждение с печью позволяет получать сферический порошок с содержанием монокарбида вольфрама более 70 об.%. При этом наилучшие результаты получаются при отжиге порошка в течение 1,5-2 часов.

Примеры реализации

Исходный порошок монокарбида вольфрама WC с частицами неправильной формы (исходная крупка) распыляли на установке центробежного распыления из вращающегося гарниссажного тигля. Плавление крупки осуществляли непосредственно во вращающемся тигле за счет тепла плазменной дуги, горящей между плазмотроном и внутренней полостью тигля. Исходную крупку непрерывно подавали во внутреннюю полость тигля.

Для оценки влияния состава газовой атмосферы в рабочей камере и размера частиц на их свойства распыление проводили в атмосфере аргона, гелия и азота при атмосферном давлении. В зависимости от режимов распыления получали сферический порошок с размером частиц от 10 мкм до 2,5 мм.

Во всех случаях частицы получаемого порошка имеют сферическую форму, рис. 1.

Независимо от размера частиц и условий распыления фазовый состав распыленного материала одинаков и представляет собой смесь частиц следующих фаз WC(~31-35 vol. %), W₂C (~42-58 vol. %), С (~10-23 vol.%), рис. 2, таблица 1.

Отжиг полученного сферического порошка проводили при температурах выше 1200°С с различным временем выдержки.

В таблице 1 приведено соотношение фаз в материале сферического порошка в зависимости от условий распыления и режимов термической обработки, а на рис. 3 показана типичная рентгенограмма сферического порошка монокарбида вольфрама после отжига.

Во всех случаях в структуре материала порошка наблюдается изменение фазового состава материала после термической обработки по сравнению с фазовым составом материала непосредственно после распыления.

В зависимости от режимов термической обработки содержание фазы W₂C значительно уменьшается и она практически исчезает. Содержание фазы W₂C при наиболее эффективных режимах обработки не превышает 0,5 об.%.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает получение практически чистого монокарбида вольфрама в виде распыленного порошка со сферической формой частиц.