Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к области дробления или измельчения различных материалов и может быть использовано для получения порошков твердых сплавов и переработки вторичного сырья в порошковой металлургии.

В настоящее время основная часть отходов твердых сплавов подвергается химической переработке для извлечения ценных компонентов, главным образом кобальта и вольфрама [1, стр.373]. Скорость химических процессов при разделении компонентов твердого сплава часто контролируется внутренней диффузией, что обусловливает медленное протекание этих процессов и малую производительность переработки. Например, для пластин твердого сплава толщиной 4 мм при «цинковом способе» переработки полное извлечение кобальта достигается лишь за 130 минут [1, стр.376].

Известен способ переработки твердых сплавов, в котором для уменьшения прочности перерабатываемого материала перед механическим дроблением проводят закалку материала в ледяной воде от температур 1300-1400°С [1, стр.373]. По другому варианту [2] нагрев осуществляют до 750-850°С, а охлаждение ведут в 5-15% водном растворе хлорида натрия. После такой многократной обработки в твердом сплаве образуется сеть мелких трещин, что несколько облегчает процесс измельчения, но в этом случае значителен износ инструмента.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ, по которому из компактного твердосплавного материала сначала выжигают металлическую связку, а затем, после охлаждения, подвергают его механическому измельчению [1, стр.373] (прототип). Для выжигания кобальтовой связки материал нагревают до температур 2300-2500°С. При таких температурах кобальтовая связка интенсивно испаряется и в сплаве, в местах ее расположения, образуется сеть мелких пустот, что значительно облегчает измельчение материала после его охлаждения.

Недостатком способа-прототипа является значительный расход энергии на нагрев материала и практически полная потеря кобальта.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение расхода энергии на термическую обработку и уменьшение потерь ценных компонентов материала.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измельчения спеченных твердых сплавов, включающем нагрев материала, согласно изобретению, материал нагревают до температуры не ниже температуры солидуса сплава и не выше 1800°С, а его измельчение ведут непосредственно после нагрева. Кроме того, нагрев материала ведут в печи с защитной атмосферой.

Нагрев спеченного твердого сплава перед измельчением до температуры не ниже температуры солидуса, когда в структуре сплава появляется жидкая фаза, обеспечивает ослабление сцепления между твердыми частицами материала и резкое снижение его прочности и твердости. В результате материал при измельчении его непосредственно после нагрева ведет себя подобно мягкой и хрупкой горной породе типа мела. При этом существенно сокращается время дробления материала, а также снижается износ инструмента. Температура солидуса твердого сплава определяется его химически составом, а в пределах марки сплава зависит также от содержания углерода. Для сплавов группы ВК (карбид вольфрама с кобальтовой связкой) температура солидуса изменяется в пределах 1300-1360°С, а у сплавов группы ТК (карбиды вольфрама и титана на кобальтовой связке) температура начала плавления выше - 1360-1380°С [3].

Верхняя граница диапазона температур нагрева материала выбрана 1800°С, поскольку экспериментально установлено, что при нагревании твердого сплава перед его дроблением до температур более 1800°С материал заметно размягчается, при этом даже крупные его куски прочно спекаются и прилипают к тиглю, что делает невозможным контролируемое перемещение материала в устройство для измельчения.

Указанный диапазон температур (от температуры солидуса до 1800°С) нагрева материала перед измельчением заметно снижает энергозатраты на нагрев. Кроме того, в данном диапазоне температур нагрева твердого сплава практически полностью исключены потери кобальта на испарение, поскольку давление насыщенного пара кобальта при температуре 1700°С не превышает 0,3 мм рт.ст., в то время как при 2500°С давление составляет около 300 мм рт.ст. (оценка по термодинамическим данным [4]).

Нагревание материала в печи с защитной атмосферой (например, в атмосфере печи Таммана, содержащей оксид углерода) предотвращает потерю ценных компонентов сплава за счет уменьшения их окисления при нагреве.

Способ измельчения спеченных твердых сплавов заключается в следующем. Отходы твердого сплава помещают в тигель и загружают в печь, нагретую до температуры не ниже температуры солидуса сплава и не выше 1800°С. Непосредственно после нагрева материал переносят в устройство для измельчения и дробят.

Примеры выполнения способа.

1. Измельчали отходы твердосплавных зубков от бурового инструмента. Материал зубков - сплав ВК16, диаметр 12 мм, температура солидуса 1330±5°С (определена методом дифференциального термического анализа). Порцию исходного материала массой около 300 г помещали в графитовый тигель и загружали в предварительно нагретую до 1380±5°С печь Таммана. После нагрева сплава в течение 8 мин тигель извлекали из печи и нагретый материал пересыпали в напольную стальную ступу, в которой вручную дробили материал с помощью стального песта (диаметр ступы 200 мм, масса 15 кг, масса песта 3 кг) в течение 10 сек. В результате из компактного спеченного сплава получали порошок фракцией 0,3-1,0 мм.

2. Измельчали твердосплавные пластинки для режущего инструмента. Материал - сплав Т5К10, размеры 20×8×5 мм. В качестве измельчающего устройства использовали лабораторную валковую дробилку ДГ 200×125 (диаметр валков 200 мм, материал - сталь 45, твердость 42 HRC). Нагрев материала осуществляли порциями по 300 г до температуры 1400°С в индукционной печи с графитовым тиглем. После нагрева материал плавно пересыпали по желобу в загрузочное устройство работающей дробилки, в которой был установлен зазор между валками 3 мм. Измельчение нагретого материала по мере поступления происходило легко и практически мгновенно. Всего было переработано 10 кг сплава.. Износа и повреждения валков (риски, вмятины) не обнаружено. Нагрев инструмента незначителен. В результате опытов был получен порошок, большая часть которого представлена приблизительно изометрическими зернами размером менее 2,5 мм.

Химический анализ исходного и измельченного материала показал идентичность их состава в пределах точности измерений, что свидетельствовало об отсутствии угара ценных компонентов сплава.

Опыты с измельчением нагретого спеченного твердого сплава показали, что для дробления может быть применен инструмент из простой малоуглеродистой стали, поскольку его износ незначителен.

Источники информации

1. Панов B.C., Чувилин A.M. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них. - М.: МИСиС, 2001. - 428 с.

2. Описание изобретения к патенту РФ № 2170646, B22F 9/04, 2001.

3. Андриевский Р.А. Порошковое материаловедение. - М.: Металлургия, 1991. - 205 с.

4. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. - М.: Металлургия, 1982. - 392 с.