RU2845262C1 - Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения карбидов тугоплавких металлов. Может использоваться для получения карбидов тугоплавких металлов, применяющихся в качестве основного компонента для получения твердых сплавов и покрытий. Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов содержит камеру плазменной обработки с водоохлаждаемыми стенками, прикрепленную к ней сверху съемную крышку, по центру которой установлен электродуговой плазмотрон прямого действия и врезана трубка подачи исходного порошка, поддон, прикрепленный к нижней части камеры плазменной обработки с возможностью его снятия, и источник электрического питания плазмотрона. В камере плазменной обработки размещена полая винтовая направляющая, жестко закрепленная на внутренней поверхности стенки, состоящая из двух стальных пластин, сваренных между собой по одной продольной стороне и приваренных противоположными сторонами к внутренней поверхности стенки с зазором друг к другу. Торцы полости винтовой направляющей закрыты приваренными пластинками. На внутренней поверхности стенки камеры выполнены отверстия, для циркуляции охлаждающей жидкости во внутренней полости винтовой направляющей. На наружной поверхности камеры плазменной обработки выполнены продольные вертикальные пазы, в которые уложены изолированные друг от друга электрические провода, образующие полюсные электромагниты, предназначенные для вращения порошка в процессе обработки. Обеспечивается получение однородного порошка из наночастиц сферической формы и с гексагональной кристаллической решеткой, что приводит к улучшению показателей физико-механических свойств, в частности повышению их ударной вязкости, прочности, твердости и структурной однородности. 2 ил.

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству карбидов тугоплавких металлов использующихся, преимущественно в качестве основного компонента для получения твердых сплавов и покрытий.

Общие требования к порошкам для аддитивных технологий - сферическая форма частиц и высокая однородность гранулометрического состава. Характеристики производимых в настоящее время порошков ограничивают область их применения в аддитивных технологиях.

Известно множество устройств для получения карбидов тугоплавких металлов. Одно из таких устройств позволяет осуществлять восстановление металла из его оксида с последующей карбидизацией чистого металла.

Полученные таким образом карбиды тугоплавких металлов отличаются химическим составом, размерами и формой частиц, что определяет область их использования.

Однако при создании твердых сплавов и покрытий возникают проблемы получения материала с заданными физико-механическими характеристиками, такими как плотность, прочность, ударная вязкость и д.р. Низкая прочность твердых сплавов и покрытий обусловлена древовидной неправильной формой частиц используемых карбидов.

Известно, что для получения качественных твердых сплавов и покрытий необходимо использовать карбиды тугоплавких металлов с частицами сферической формы. Использование порошков карбидов с частицами сферической формы позволяет формировать макроструктуру в твердых сплавах с высокой плотностью по всему объему, что значительно повышает их физико-механические свойства.

Проблема заключается в получении порошков карбидов тугоплавких металлов с частицами, имеющими сферическую форму. Частицы карбидов сферической формы позволяют получать твердые сплавы и покрытия с высокой износостойкостью и теплостойкостью.

Известно устройство для получения металлических и керамических порошков, в основе которого лежат процессы плазменно-дугового распыления. [Пат. 2783096 РФ, МПК B22F 9/14, B22F 1/05, B22F 1/0003. Способ получения металлических и керамических порошков с заданной формой и размером частиц, с применением технологии плазменно-дугового распыления с водяным экраном и устройство для его осуществления / Габдрахманов А.Т., Габдрахманова Т.Ф.; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «АЛИПАЗ» - №2021121920; заявл. 23.07.2021; опубл. 08.11.2022, Бюл. №31].

Устройство для получения металлических и керамических порошков с заданной формой и размером частиц, с применением технологии плазменно-дугового распыления содержит камеру распыления, в верхней части которой расположен плазмотрон и механизм для подачи распыляемого материала. Плазмотрон прямого действия формирует плазменно-дуговой поток. Механизм подает материал в виде прутка в направлении поперечном оси плазменно-дугового потока. На внутренних стенках камеры распыления создается водяной экран из проточной воды, подаваемой насосом. В нижней части камеры распыления находится сборник частиц порошка.

Известное устройство для получения металлических и керамических порошков работает следующим образом.

Из камеры распыления удаляется воздух, продувкой плазмообразующего газа. На внутренние стенки камеры подается вода, создавая на них водяной экран, далее включается плазмотрон, создающий плазменную дугу в которую подается металлический пруток. Под действием плазменной дуги материал прутка плавится и потоком плазмы распыляется вдоль камеры распыления в виде конуса. Часть частиц материала прутка, сразу попадая на водяной экран, интенсивно охлаждаются и кристаллизуются в виде сферических частиц. Некоторая часть частиц попадает на водяной экран, в нижней части камеры предварительно остыв. Часть частиц кристаллизуется без водяного охлаждения. Таким образом, кристаллическая решетка частиц, в составе получаемых порошков различная.

Твердые частицы порошка спадают в сборник частиц порошка. В полученном керамическом порошке более 50% частиц имеют размеры 20-100 мкм, а разброс размеров составляет в диапазоне 5-200 мкм.

Взаимодействие с водой расплавленных частиц вызывает образование водяного пара. В высокотемпературной среде термической плазмы происходит диссоциация газообразного водяного пара с образованием атомов водорода и кислорода. Наличие атомов водорода и кислорода приводит к реакциям окисления металла, что загрязняет структуру частиц порошка.

Неоднородность состава частиц металла или металлокерамики в порошке ограничивает их физико-механические свойства. Достигнутые показатели физико-механических свойств карбидов являются недостаточными для получения твердых сплавов классов S и Н по классификации ИСО, предназначенных для изготовления металлорежущего инструмента, применяемого при обработке нержавеющей стали, закаленной стали, жаропрочных сплавов.

Размеры частиц порошка карбида тугоплавкого металла более 5 мкм обеспечивают удельную поверхность порошка в диапазоне 0,15-0,60 м²/г. Такие размеры частиц порошка карбида также ограничивают его использование для получения твердых сплавов классов S и Н по классификации ИСО. Это объясняется тем, что при малой удельной поверхности частиц порошка карбида тугоплавкого металла они плохо удерживаются в твердом сплаве.

Известный способ и установка для его реализации позволяет получать порошки с частицами сферической формы с размерами в диапазоне 5-200 мкм. Эффективное охлаждение распыляемых частиц водяным экраном обеспечивает получение мелкокристаллической структуры.

Достоинство известного способа получения карбида тугоплавкого металла заключается в некотором повышении показателей физико-механических свойств порошка карбида тугоплавкого металла, позволяющем использовать его для получения твердых сплавов классов Р, К. N по классификации ИСО, и, тем самым, расширить функциональные возможности его применения. Это обусловлено получением порошка из сферических частиц карбида тугоплавкого металла и уменьшением размеров частиц.

Однако показатели физико-механических свойств порошка карбида тугоплавкого металла остаются недостаточными для получения твердых сплавов, используемых при изготовлении металлорежущего инструмента классов S и Н по классификации ИСО, что ограничивает функциональные возможности дальнейшего его применения и является недостатком известного устройства получения порошков.

Это обусловлено, во-первых, неоднородным составом порошка карбида тугоплавкого металла, состоящего из частиц с различной структурой, во-вторых, значительными размерами частиц карбида тугоплавкого металла ограничивающими удельную поверхность порошка.

Другим недостатком известного устройства является получение порошков карбидов тугоплавких металлов загрязненных кислородом и водородом и их химическими соединениями. Это обусловлено диссоциацией газообразного водяного пара, с образованием атомов водорода и кислорода, при плазменно-дуговом процессе получения порошков.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является устройство получения порошков сложнолегированных сплавов со сферической формой частиц, принцип действия, которого основан на воздействии потока термической плазмы на порошок осколочного типа (плазменная установка ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова на базе электродугового генератора термической плазмы), состоящее из камеры плазменной обработки порошков с водоохлаждаемыми стенками, в верхней части которой расположен электродуговой плазмотрон и камера смешения порошка с плазменным потоком. В нижней части камеры плазменной обработки порошков имеется коническое днище, переходящее в сборник конечного порошка. Над камерой плазменной обработки установлена камера подачи исходного порошка. Порошок подается в камеру смешения порошка с плазменным потоком несущим газом. В качестве несущего и плазмообразующего газа используется аргон или смесь аргона с водородом. Данная установка используется в [Пат. 2783095 РФ, МПК B22F 9/14, B22F 9/04, B22F 9/14, B01J 2/04. Способ получения порошков сложнолегированных сплавов со сферической формой частиц / Сучков А.Н., Севрюков О.Н., Иванников А.А., Федотов И.В., Баздникина Е.А., Бачурина Д.М., Морохов П.В., Самохин А.В., Фадеев А.А., Завертяев И.Д.; патентообладатель Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ (НИЯУ МИФИ) - №2022109802; заявл. 13.04.2022; опубл. 08.11.2022, Бюл. №31].

Исходный порошок получали размолом в шаровой мельнице с выделением фракций 40-100 мкм. Полученный после размола порошок с осколочной формой частиц загружается в камеру подачи порошка. Затем зажигается плазма и по достижении максимальной мощности активируется подача порошка в зону плазмы.

Частицы порошка с осколочной формой подвергаются воздействию термической плазмы электродугового разряда. Под действием термической плазмы частицы порошка нагреваются и расплавляются. Капли расплава, охлаждаясь за счет холодных стенок камеры плазменной обработки, кристаллизуются в виде сфер. Получаемый порошок осаждается на внутренних стенках камеры плазменной обработки, в коническом днище, частично выносится и собирается в сборник конечного порошка. Расплавление частиц порошка происходит не равномерно, поскольку размеры осколочных частиц по трем направлениям сильно различаются и расплавление происходит от наружных поверхностей к центру. Следовательно, наружная поверхность капли расплава нагревается более интенсивно и имеет более высокую температуру по сравнению с внутренней частью. При охлаждении поверхностный слой быстро охлаждается с высокой температуры, кристаллизуется, замедляя процесс охлаждения центральной части частицы. Сердцевина в результате медленно охлаждается с более низкой температуры. В результате полученная частица порошка является неоднородной по внутреннему составу и представляет собой поверхностный слой с одной структурой и сердцевину с другой.

При кристаллизации в объеме капли образуются ячеисто-дендритные кристаллиты. Их вершины в процессе радиального роста достигают поверхности частицы. С уменьшением размеров частиц скорость их охлаждения увеличивается, что препятствует росту дендритов. С увеличением размера частиц расстояние между дендритными ветвями увеличивается, поскольку повышение продолжительности затвердевания интенсифицирует процесс коалесценции, вызывая растворение тонких ветвей с расширением междуосных промежутков.

По причине того, что исходный порошок имеет широкий диапазон размеров частиц, возможен перегрев малоразмерных частиц. При этом происходит кипение расплава с образованием внутри частицы пор в виде газовых пузырьков, ухудшающих физико-механические свойства полученных порошков.

Кроме того использование в качестве плазмообразующего газа аргона с добавлением водорода вызывает восстановление оксидов металлов водородом и образование водяных паров. Что также приводит к порообразованию внутри получаемых частиц, и ухудшению физико-механических свойств порошков.

В результате плазмохимического процесса в плазменной установке образуется многокомпонентный порошок с высокой степенью сферичности частиц с размерами от 40 до 100 мкм и гексагональной кристаллической решеткой. Причем за счет улучшения морфологии поверхности частиц порошка достигается снижение брака при производстве деталей методами аддитивных технологий.

Однако показатели физико-механических свойств получаемых порошков карбидов тугоплавких металлов остаются недостаточными для получения твердых сплавов, используемых при изготовлении металлорежущего инструмента классов S и Н по классификации ИСО, что ограничивает функциональные возможности дальнейшего его применения и является недостатком известного способа получения карбида вольфрама.

Это обусловлено, во-первых, неоднородной кристаллической структурой частицы карбида тугоплавкого металла, состоящей из поверхностного твердого слоя с ярко выраженной дендритной структурой и сердцевины имеющей иную кристаллическую структуру, во-вторых, значительными размерами частиц карбида, ограничивающими удельную поверхность порошка.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для получения карбидов тугоплавких металлов, улучшающего показатели физико-механических свойств частиц карбидов, в частности их ударной вязкости, прочности, твердости и однородности, позволяющие использовать его для получения твердых сплавов всех классов по классификации ИСО, предназначенных для изготовления металлорежущего инструмента и расширить функциональные возможности их применения за счет достижения нанометрических размеров частиц карбида сферической формы путем плазменно-металлургической сфероидизации.

Для решения поставленной разработано устройство для получения карбидов тугоплавких металлов, содержащее камеру плазменной обработки с водоохлаждаемыми стенками, прикрепленную к ней сверху съемную крышку по центру которой установлен электродуговой плазматрон прямого действия и врезана трубка подачи исходного порошка, поддон, прикрепленный к нижней части камеры плазменной обработки с возможностью его снятия и источник электрического питания плазматрона, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полую винтовую направляющую, состоящую из двух стальных пластин, сваренных между собой по одной продольной стороне и приваренных противоположными сторонами к внутренней поверхности стенки камеры плазменной обработки с зазором друг к другу для образования полостей, торцы которых закрыты приваренными пластинками, на внутренней поверхности стенки камеры плазменной обработки выполнены отверстия, для циркуляции охлаждающей жидкости во внутренней полости винтовой направляющей, на наружной поверхности камеры плазменной обработки выполнены продольные вертикальные пазы, в которые уложены изолированные друг от друга электрические провода, образующие полюсные электромагниты, подключенные к источнику трехфазного переменного тока и предназначенные для вращения частиц карбида в камере плазменной обработки.

Заявляемое решение охарактеризовано по сравнению с прототипом новой совокупностью существенных признаков и отличается от него введением в устройство для получения карбидов тугоплавких металлов новых конструктивных элементов: полой винтовой водоохлаждаемой направляющей закрепленной на внутренней поверхности стенки камеры плазменной обработки, продольных вертикальных пазов, в которые уложены изолированные друг от друга электрические провода, образующие полюсные электромагниты и второго независимого источника трехфазного переменного электрического тока с регулятором частоты переменного тока и новым взаимным расположением элементов в устройстве.

Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».

Введение в устройство новых конструктивных элементов, приводит к образованию наночастиц карбида сферической формы с размерами в диапазоне 10-15 нм имеющих гексагональную кристаллическую решетку, в которой атомы углерода заполняют все междоузлия. Это обусловлено тем, что газообразным химическим элементам, например вольфрама W и углерода С, находящимся в центре потока сверхвысокотемпературной плазмы, сообщается дополнительная энергия магнитного поля, что обеспечивает полное их взаимодействие с образованием только карбида вольфрама WC. Под действием центробежных сил молекулы карбидов начинают вращаться, выносятся к охлаждаемым стенкам камеры плазменной обработки и винтовой направляющей, на которых происходит десублимация молекул карбида в сферические наночастицы. Причем вращение частиц происходит как вокруг оси камеры плазменной обработки, так и вокруг их собственной оси В процессе кристаллизации частицы карбида под действием электромагнитной силы катятся по винтовой направляющей поддерживая сферическую форму.

Новая совокупность существенных признаков, приводящая к проявлению нового результата не обнаружена в уровне техники, явным образом не следует из него, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг. 1 показан вертикальный разрез вида сбоку на устройства, а на фиг. 2 показан разрез вид сверху на устройство, иллюстрирующие заявляемое устройство и подтверждающие его работоспособность и промышленную применимость.

Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов содержит камеру плазменной обработки 1, предназначенную для проведения плазменно-металлургического процесса. К камере плазменной обработки 1 сверху прикреплена съемная верхняя крышка 2 по центру которой установлен электродуговой плазматрон прямого действия 3, предназначенный для создания плазмы и воздействия ею на порошок металла, к нижней части камеры 1 прикреплен с возможностью его снятия поддон 4 для сбора готового порошка и источники электрического питания (на фиг. не показаны). Рядом с плазматроном в крышку 2 врезана трубка 5 подачи исходного порошка.

Камера плазменной обработки 1, представляет собой цилиндрическую емкость, состоящую из двух цилиндрических стаканов, внутреннего 6 и наружного 7 установленных друг в друга с зазором, образующим полость 8 предназначенную для циркуляции охлаждающей жидкости. Торцы камеры плазменной обработки 1 закрыты приваренными шайбами верхней 9 и нижней 10.

На внутренней поверхности стенки стакана 6 закреплена полая винтовая направляющая 11. Направляющая 11 состоит из двух стальных пластин, сваренных между собой по одной продольной стороне и приваренных противоположными сторонами к внутренней поверхности стенки стакана 6 с зазором друг к другу для образования полости 12. Торцы винтовой направляющей 11 закрыты приваренными пластинками 13. Внутренняя полость 12 винтовой направляющей 11 предназначена для циркуляции охлаждающей жидкости. На внутреннем стакане 6 выполнены отверстия 14 для циркуляции охлаждающей жидкости в полости 12 направляющей 11 поступающей из полости 8 камера плазменной обработки 1.

В шайбах 9 и 10 выполнены отверстия с патрубками 15 для циркуляции охлаждающей жидкости в полости 8.

На наружной поверхности стакана 7 выполнены продольные вертикальные пазы 16, в которые уложены изолированные друг от друга электрические провода 17, образующие полюсные электромагниты, подключенные к трехфазной сети переменного тока одного источника электрического питания через регулятор частоты переменного тока (на фиг. не показан). Электродуговой плазматрон 3 подключен к другому источнику электрического питания.

Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов работает следующим образом.

Исходный порошок оксидного соединения, например вольфрама, предварительно смешивают с восстановителем и карбидизатором. В качестве восстановителя и карбидизатора используют твердое низкопрочное углеродсодержащее вещество - графит. Соотношение компонентов выбирают из интервала триоксид вольфрама WO₃ - 65,0-70,0 мас. %, графит - 30,0-35,0 мас. %. Полученную смесь размалывают до получения однородного порошка с размерами частиц менее 30 мкм.

Далее установка подготавливается к работе. Для этого запускается электродуговой плазмотрон прямого действия 3, в котором плазмообразующим газом является аргон и подается электрическое питание на провода 17 полюсных электромагнитов камеры плазменной обработки 1.

Смесь оксидного соединения вольфрама с графитом подают в камеру плазменной обработки 1 через трубку 5 транспортирующим газом аргоном. Порошок исходной смеси распыляется в потоке плазмы дуговой плазменной установки. Частицы оксидного соединения вольфрама и графита попадают непосредственно в термическую плазму, создаваемую дуговой плазменной установкой.

При температуре плазмы в интервале 10000-12000 К происходит сублимация оксидного соединения вольфрама WО₃, и графита С в газообразную фазу. В газообразном состоянии углерод С взаимодействует с оксидом вольфрама WO₃ и, как более активный элемент, отбирает из него кислород, восстанавливая W. В результате образуются свободные атомы вольфрама W и газы СО и СО₂. В дальнейшем атомы вольфрама W и углерода С вступают в химическое взаимодействие с образованием на молекулярном уровне карбида вольфрама WC.

При этом газообразные химические элементы вольфрам W и углерод С, находящиеся в центре потока сверхвысокотемпературной плазмы, благодаря температуре 10000-12000 К становятся высоко энергетически активными, что обеспечивает полное их взаимодействие с образованием только карбида вольфрама WC.

Далее газообразные молекулы карбида вольфрама WC, подвергаются воздействию электромагнитных сил со стороны полюсных электромагнитов и начинают вращаться. Причем вращение происходит как вокруг оси камеры плазменной обработки, так и вокруг их собственной оси. Под действием центробежных сил молекулы карбидов выносятся к внутренним стенкам камеры плазменной обработки и винтовой направляющей 11. На охлаждаемых стенках плазменной установки и направляющей 11 имеющих температуру ниже температуры кристаллизации, происходит десублимация молекул карбида в сферические наночастицы с размерами в диапазоне 10-15 нм. Причем кристаллы карбида вольфрама WC имеют гексагональную кристаллическую решетку, в которой атомы углерода заполняют все шесть междоузлий.

В процессе кристаллизации частицы карбида под действием электромагнитной силы катятся по винтовой направляющей 11 поддерживая сферическую форму.

Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов позволяет регулировать скорость вращения частиц карбида в камере плазменной обработки, в частности увеличение скорости вращения частиц позволяет получить более плотную структуру частиц карбидов. Это обусловлено тем, что при увеличении скорости вращения частицы она быстрее катится по холодной поверхности направляющей, обеспечивая равномерное и быстрое охлаждение ее со всех сторон. Таким образом, увеличение скорости охлаждения препятствует росту дендритов, обеспечивая более плотную однородную структуру, в свою очередь получение однородного порошка из наночастиц сферической формы и с гексагональной кристаллической решеткой приводит к улучшению показателей физико-механических свойств, в частности повышению их ударной вязкости, прочности, твердости и структурной однородности.

Claims (1)

1. Устройство для получения карбидов тугоплавких металлов, содержащее камеру плазменной обработки с водоохлаждаемыми стенками, прикрепленную к ней сверху съемную крышку, по центру которой установлен электродуговой плазмотрон прямого действия и врезана трубка подачи исходного порошка, поддон, прикрепленный к нижней части камеры плазменной обработки с возможностью его снятия, и источник электрического питания плазмотрона, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит полую винтовую направляющую, состоящую из двух стальных пластин, сваренных между собой по одной продольной стороне и приваренных противоположными сторонами к внутренней поверхности стенки камеры плазменной обработки с зазором друг к другу для образования полостей, торцы которых закрыты приваренными пластинками, на внутренней поверхности стенки камеры плазменной обработки выполнены отверстия для циркуляции охлаждающей жидкости во внутренней полости винтовой направляющей, на наружной поверхности камеры плазменной обработки выполнены продольные вертикальные пазы, в которые уложены изолированные друг от друга электрические провода, образующие полюсные электромагниты, подключенные к источнику трехфазного переменного тока и предназначенные для вращения частиц карбида в камере плазменной обработки.