專利名稱：供電火花煉制合金用電極材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬粉末冶金，確切地說(shuō)，涉及供電火花煉制合金用電極材料的制備方法。
按本方法制成的材料可在機(jī)器制造工業(yè)使用的切削工具、沖壓工具和各種零件的耐磨鍍層中得到應(yīng)用。
目前已知的電極材料制備方法使用傳統(tǒng)的粉末冶金法-真空燒結(jié)擠壓法(u.u.ugxa“小批量生產(chǎn)的硬質(zhì)合金”，1981，“Haykalagyuka”，KuelP.16-30，59-77頁(yè))。制備含碳化鈦、碳化鎢和碳化鈷的粉末狀混合物作為金屬粘合劑，同時(shí)在混合物中添加增塑劑6-10(重量)%，如蜂蠟和石蠟混合物。用冷噴咀擠壓法，將增塑混合物制成毛坯，然后在100-300℃溫度下將毛坯退火，脫去材料中的增塑劑。經(jīng)處理過(guò)的毛坯在1400-1600℃溫度下，在真空中燒結(jié)數(shù)小時(shí)。上述方法的特點(diǎn)是多階段性和耗電量大。按上述方法制備的材料的特征在于不均勻、粗粒的和孔隙狀結(jié)構(gòu)，這是未全部脫去增塑劑，固態(tài)成分和塑性粘合劑結(jié)合不佳的結(jié)果。
由于上述原因，這種電極材料的特點(diǎn)是抗電蝕性強(qiáng)，在電火花煉制合金中轉(zhuǎn)移系數(shù)低。用到切削工具上的這種材料鍍層耐磨性不高，對(duì)于非硬化表面超過(guò)這一指標(biāo)的1-2倍。還應(yīng)指出，當(dāng)稍有違反電極材料制備條件時(shí)，電極就出現(xiàn)彎曲，帶有宏觀的和微觀的裂隙。
供電火花煉制合金用的電極材料熱壓制法已眾所周知(Ceram.Eng.Sci.Proc.V.7，No.7-8，C1986.(RichardsonC.Y.，RiceR.W.，MDonoughW.J.，Kunet.J.M.，SchnoterT.“HotPressingofceramicsusingself-propagatingsynthesis”)。該方法包括制備一種的至少含一種過(guò)渡金屬，如取過(guò)量的鈦(10-30體積%)、碳和/或硼的粉末狀放熱混合物。將混合物放入襯有陶瓷絕緣層的石墨壓模中，并在34兆帕的壓力下擠壓混合物，然后，在壓實(shí)的混合物中引發(fā)燃燒反應(yīng)，試劑發(fā)火燃燒后，壓力大大下降，大約為初始?jí)毫Φ?0%。壓力升至34兆帕，持續(xù)5-10分鐘，所取得的以TiC或Tic-TiB為基體的材料具有較高的密度，1%左右的孔隙度，但微結(jié)構(gòu)不均勻，如材料中，樣件邊緣附近有未起反應(yīng)的碳，這可能因壓模中混合物的壓力和密度變化，或者因引發(fā)燃燒反應(yīng)不均所致。
這種電極材料用于電火花煉制合金法往切削工具上鍍層時(shí)，效果不佳，因?yàn)檫@種材料電蝕強(qiáng)度高，由于用鈦?zhàn)魉苄哉澈蟿D(zhuǎn)移系數(shù)低;帶這種鍍層的表面耐磨性比未硬化表面的相同指標(biāo)大0.5-1倍。此外，所制成的壓塊為進(jìn)一步做電極用，需要機(jī)械加工量大。
本發(fā)明的任務(wù)是研制為提供電火花煉制合金用的發(fā)熱混合物電極材料，辦法是選用能保證目標(biāo)產(chǎn)品細(xì)粒均勻結(jié)構(gòu)，在電火花煉合金中電蝕強(qiáng)度低，轉(zhuǎn)移系數(shù)高的燃燒微密化固體產(chǎn)品的工藝，并促進(jìn)提高這種材料的使用效益。
這一任務(wù)要通過(guò)提出電火花煉制合金用電極材料的制備方法來(lái)完成。該方法包括制備一種至少含一種過(guò)渡金屬、碳和/或硼的粉末狀放熱混合物并在混合物引發(fā)燃燒反應(yīng)，壓實(shí)形成的固態(tài)燃燒產(chǎn)品。按本發(fā)明，在壓實(shí)過(guò)程中，放熱混合物內(nèi)加變性添加劑，使用選自下列金屬過(guò)渡金屬、鐵、鈷、鎳、堿金屬、鋁、硼、硅與元素的單一的或結(jié)合的氮化物、硫族化合物的氧化物作為變性添加劑，其各成分的比例(重量%)為過(guò)渡金屬32-86碳和/或硼4-25變性添加劑1-10而形成的固態(tài)燃燒產(chǎn)品在1800-1000℃溫度范圍內(nèi)，通過(guò)胎模擠壓，變形程度為0.9-0.995進(jìn)行壓實(shí)，繼而在500-50℃溫度下，將取得的材料放置在真空或惰性介質(zhì)中，其持續(xù)時(shí)間應(yīng)足以能形成均勻細(xì)粒結(jié)構(gòu)的目標(biāo)產(chǎn)品。耗能量小和在一個(gè)工藝循環(huán)內(nèi)制備電極材料保證了本方法的高效益。上述發(fā)熱混合物各種組份的含量范圍和推薦的致密化與持置工藝方法可保證制備出優(yōu)質(zhì)電極材料，在均勻細(xì)粒結(jié)構(gòu)的條件下，該材料具有較高的密度、小的孔隙度和高的強(qiáng)度，在電火花煉制合金時(shí)具有低電蝕強(qiáng)度和高的轉(zhuǎn)移系數(shù)的特點(diǎn)。通過(guò)加變性添加劑改善后兩種特性有助于電火花煉制合金法在該過(guò)程最大效益的情況下，用這種材料制成最大厚度的均勻鍍層。此外，變性添加劑的存在和固態(tài)組份、部分未起反應(yīng)的過(guò)渡金屬組成的塑性粘合劑在材料中的最佳結(jié)合保證了鍍層的高耐磨性，超過(guò)未經(jīng)硬化的零件或切削工具表面耐磨性的1-7倍。
建議將被擠壓的材料放置0.1-15分鐘，而為了改變目標(biāo)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，應(yīng)增添10-50重量%至少選自下列的一種銅、鐵、鈷、鎳或其合金等起塑性組份作用的金屬。
為了制備最佳性質(zhì)的材料，應(yīng)使用下列成分的放熱混合物(重量%)鉻7.8-13.9鈦28.8-49.8碳8.4-14.6氮化硼1.0-3.0鉻鎳鋼20.0-48.0銅0.7-2.0用這種材料制成的鍍層耐磨性將最大。
放熱混合物的成分和工藝條件是我們根據(jù)對(duì)電極材料的要求，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)選出的。
按本發(fā)明，在制備電極材料時(shí)，在放熱混合物中引發(fā)燃燒反應(yīng)。這種燃燒反應(yīng)靠金屬和非金屬的放熱相互作用而發(fā)生，但變性添加劑不參與燃燒反應(yīng)。各種成分的比例是這樣選擇的，過(guò)渡金屬要同時(shí)形成碳化物狀或硼化物狀的固態(tài)組份，并呈塑性粘合劑形式留在結(jié)構(gòu)中，最終形成呈孔隙狀物質(zhì)的固態(tài)燃燒產(chǎn)品，其中孔隙的體積達(dá)50%。在這些條件下，過(guò)渡金屬碳化物和硼化物的顆粒生長(zhǎng)，聚集過(guò)程，及塑性組份和變性添加劑在它們的分布尚不能供我們制成均勻的，細(xì)粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)的材料。將所取得的燃燒產(chǎn)品孔隙狀物質(zhì)，在1800-1000℃溫度范圍內(nèi)通過(guò)胎模擠壓，變形程度為0.9-0.995時(shí)，進(jìn)行壓實(shí)。溫度條件決定于被擠壓物質(zhì)的塑性，確切地說(shuō)，上限由塑性粘合劑最大可能的熔化溫度決定，當(dāng)溫度低于1000℃時(shí)，燃燒產(chǎn)品在不發(fā)生破壞情況下不能壓出。為了創(chuàng)造所得材料的擠壓和性質(zhì)變化的最佳條件，可增添銅、鐵、鎳、鈷或其合金作為塑性粘合劑，其變形程度0.9-0.995按ψ＝1-S/S0式確定。式中S0-毛坯初始橫截面的面積，S-胎?？卓谟行ㄟ^(guò)的截面面積，它由所得材料要求的機(jī)械強(qiáng)度和最小孔隙度確定。
實(shí)驗(yàn)證明，在變形程度小于0.9進(jìn)行擠壓時(shí)，所形成的材料孔隙度增加，強(qiáng)度下降，表面出現(xiàn)裂隙，從而導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)品的質(zhì)量下降;當(dāng)變形程度大于0.995時(shí)，被擠壓的材料發(fā)生破裂，或者由于擠壓時(shí)阻力過(guò)大，胎?？卓诔霈F(xiàn)堵塞。為使變形程度降至0.995以下，采用多槽胎模，其S值用全部出口的總面積;為保證擠壓過(guò)程的穩(wěn)定性，胎模上最好覆蓋一層用氮化硼制成的，不影響被擠壓的燃燒產(chǎn)品性質(zhì)的鍍層。
均勻的細(xì)粒結(jié)構(gòu)是電極材料主要指標(biāo)之一。這種結(jié)構(gòu)在燃燒熱浪中開始形成，在擠壓過(guò)程中繼續(xù)形成，在均勻冷卻過(guò)程中結(jié)束。在空氣介質(zhì)中迅速冷卻將導(dǎo)致固相顆粒無(wú)控制地生長(zhǎng)，使被擠壓材料表面氧化，因?yàn)閿D壓溫度很高(T＞1000℃)。因此，最好將被擠壓的材料放到充滿惰性介質(zhì)的，或保持真空的容積中，并在500-50℃溫度下將此材料保存到足以形成所需結(jié)構(gòu)的時(shí)間。為了形成既定直徑和長(zhǎng)度的電極狀材料，避免冷卻時(shí)變形，可使用胎模擠壓咀。經(jīng)證實(shí)，最佳放置時(shí)間為0.1-15分鐘，這個(gè)時(shí)間取決于所得材料的相成分體積中的溫度，將材料放置在高于500℃溫度下將導(dǎo)致顆粒生長(zhǎng)，低于50℃溫度時(shí)，不能產(chǎn)生預(yù)期效果，也就是說(shuō)，不能保證結(jié)構(gòu)的高度均勻性。
結(jié)果，取得一種無(wú)需大量機(jī)械加工的，可用做如電火花煉制合金法鍍耐磨層用電極的電極材料。
對(duì)電極材料測(cè)定了電火花煉制合金時(shí)的相對(duì)腐蝕(%)、轉(zhuǎn)移系數(shù)(%)、用該材料制成的鍍層硬化系數(shù)。
在電火花煉制合金(
)過(guò)程中，電極材料的腐蝕按該材料制成的合金電極在單位時(shí)間內(nèi)損耗數(shù)量計(jì)算。
現(xiàn)將該電極材料與94重量%WC+6重量%Co制成的電極材料相比的相對(duì)腐蝕值載列于下。
按本發(fā)明，在電火花煉制合金中的轉(zhuǎn)移系數(shù)按硬化零件的增添重量與電極材料制成的電極重量損失比計(jì)算。該系數(shù)表明，在鍍耐磨層時(shí)有多少電極材料轉(zhuǎn)移到零件上;硬化系數(shù)表明，與相同零件的未硬化表面相比，用上述材料煉制的零件表面耐磨性增高。
放熱混合物由鈦、鉻、碳、鉻鎳鋼(Cr18重量%，Ni15重量%、Fe和其它)、銅和氮化硼等粉末，按相應(yīng)的粉碎程度1-150微米的48.4∶13.1∶14.1∶20∶1.4∶3的重量比例，經(jīng)球磨機(jī)中仔細(xì)攪拌而制成的。將所取得的混合物放入壓模中，借助鎢絲在壓模中引發(fā)混合物中的燃燒反應(yīng)，經(jīng)5分鐘后，已形成的固態(tài)燃燒產(chǎn)品進(jìn)入胎模，在1000℃溫度下，經(jīng)過(guò)直徑為2毫米的胎?？讓⑵鋲喝霚囟冗_(dá)500℃的真空狀灼熱的擠壓咀中，其變形程度為0.994。在擠壓咀中放置15分鐘，然后將擠壓咀的溫度逐漸降至50℃，所取得的電極材料呈直徑為2毫米的棒狀。
材料具有以下特性顆粒直徑，微米2.4±0.3相對(duì)腐蝕，%160電火花煉制合金時(shí)的轉(zhuǎn)移系數(shù)，%98用電火花煉制合金法在快速切削鋼(WC18重量%、Fe、其它)制成的切削片上鍍耐磨層，鍍層的硬化系數(shù)為8.0。
現(xiàn)將本發(fā)明的其它方法列舉如下實(shí)施例1放熱混合物由鈦、碳、鎳、氮化硼、二硫化鉬、二氧化鋯的粉末，按相應(yīng)的粉碎程度為＜150微米的32∶8∶50∶3∶4∶3重量比例，經(jīng)滾筒磨碎機(jī)攪拌制成。從制得的混合物中擠壓出重50克、直徑25毫米的柱狀毛坯，然后將其放入壓模中，借助鎢絲在混合物中引發(fā)燃燒反應(yīng)，經(jīng)過(guò)2秒鐘后，將已形成的燃燒產(chǎn)品在1800℃溫度下壓入胎模中的直徑為2毫米的孔眼，這相當(dāng)于變形程度0.994，繼而被擠壓的材料進(jìn)入溫度達(dá)500℃的灼熱的胎模擠壓咀，經(jīng)擠壓咀吹入氬氣，放置10分鐘后，將溫度逐漸降至50℃，所制得的電極材料呈直徑為2毫米的柱狀，這種材料具有以下特性顆粒直徑，微米1.7±0.3相對(duì)腐蝕，%100電火花煉制合金時(shí)的轉(zhuǎn)移系數(shù)%96用電火花煉制合金法在快速切削鋼(WC18重量%，F(xiàn)e，其它)制成的切削片上鍍耐磨層，鍍層的硬化系數(shù)為4.2。
按本發(fā)明，現(xiàn)將制備電極材料的其它實(shí)施例于下表，同時(shí)指出了放熱混合物的成分，這程實(shí)施條件、材料性質(zhì)指標(biāo)、用該材料制成的鍍層的硬化系數(shù)。
實(shí)施 放熱混合物成分 重量％例號(hào)過(guò)渡金屬CB變性添加劑1234 52. Zr-86 4 BN-3,MoS2-4,ZrO2-33. Ti-71 28 B2O3-I4. Ti-8I,2 17,8 MoS2-I5.Ti-328TiN-1O6. Ta-84 5 Al2O3-I7. Ti-61 28 SiO2-I8.Ti-30,Cr-24IIBN-39. Ti-58,7 6,4 14,9 Fe2O3-310.Ti-4812TiN-5,WSe2-511.Ti-4812CaO-3,AIN-212.Ti-39,7 Cr-10,811,5BN-2,013.Ti-30,1 Cr-8,28,7BN-1,014.Ti-48,4,Cr-13,114,1BN-3,015.Ti-28,8,Cr-7,88,4BN-2,016.Ti-49,8,Cr-13,914,6BN-1,0
實(shí)施工藝過(guò)程條件例號(hào)擠壓放置金屬合金ψT,℃T,℃ τ，1分16 7 8 910112.0,9941800500103.0,921600500154.0,91600400155Ni-50CTaπb-I00,995140050010(Ni-9,Cr-18,Fe-OCTaπb-HOe)6.0,91200500,17.Co-100,92130040018.Ni-30,Cu-20,994140020059.Co-15,Cu-20,941300100110.Ni-300,9814003001011.Ni-350,9914002001012.Cu-0,7CTaπb-350,9612003005(Cr-18,Ni-15Fe-OCTaπb-HOe)13.Cu-2,0-"- -500,99411004001014.Cu-1,4-"- -200,99410005001515.Cu-2,0-"- -500,9911005001516.Cu-0,7-"- -200,9412002005實(shí)施例2-11被擠壓材料放置在氬氣中，按例子12-16則放置在真空中。
實(shí)施電極材料性質(zhì)指標(biāo)例號(hào)顆粒直徑相對(duì)腐蝕電火花煉制合金硬化系數(shù)微米時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)％1121314152.0,7±0,3150864,23.4,1±0,5125904,54.3,2±0,4140894,95.2,1±0,3155993,56.3,8±0,4140943,97.3,9±0,5130924,58.3,0±0,3135965,09.3,6±0,4140944,710.2,5±0,3150955,011.2,8±0,4150984,812.2,1±0,41500,987,513.1,4±0,21450,997,514.2,4±0,31600,988,015.1,2±0,21450,997,116.2,5±0,41600,987,8
按上述方法制成的材料可用于機(jī)器制造工業(yè)使用的切削具。沖壓工具和各種零件的耐磨鍍層。
權(quán)利要求
1.供電火花煉制合金用的電極材料制備方法，該方法包括制備一種至少含一種過(guò)渡金屬、碳和/或硼的粉末狀發(fā)熱混合物，在混合物中引發(fā)燃燒反應(yīng)，壓實(shí)形成的固態(tài)燃燒產(chǎn)品，該方法的特征在于放熱混合物中增加變性添加劑，利用選自下列各類元素過(guò)渡金屬、鐵、鈷、鎳、金屬、鋁、硼、硅的單一的或結(jié)合的氮化物、硫族化合物和氧化物作為變性添加劑，其各成份的比例(重量%)為過(guò)渡金屬32-86碳和/或硼 4-28變形添加劑 1-10而形成的固態(tài)燃燒產(chǎn)品在1800-1000℃溫度范圍內(nèi)，經(jīng)對(duì)胎模擠壓、變形程度0.9-0.995進(jìn)行壓實(shí)，繼而在500-50℃溫度下，將制成的材料放置在真空或惰性介質(zhì)中，其持續(xù)時(shí)間應(yīng)足以形成均勻的，細(xì)粒結(jié)構(gòu)的目標(biāo)產(chǎn)品；
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于上述材料靜置0.1-15分鐘;
3.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于放熱混合物中增添10-50重量%的，至少一種選自下列各類的金屬銅、鐵、鎳、鈷或其合金;
4.按權(quán)利要求3的方法，其特征在于使用下列成份(重量%)的放熱混合物鉻 7.8-13.9鈦 28.8-49.8碳 8.4-14.6氮化硼 1.0-3.0鉻鎳鋼 20.0-48.0銅 0.7-2.0
5.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于固態(tài)燃燒產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)覆有氮化硼基涂料的胎模進(jìn)行擠壓;
6.按權(quán)利要求1和4的方法制取的材料。
全文摘要
該方法包括在下列成分的放熱混合物(重量％)中引發(fā)燃燒反應(yīng)過(guò)渡金屬 32—86碳和/或硼 4—28變形添加劑 1—10固態(tài)燃燒產(chǎn)品在1800—1000℃溫度范圍內(nèi)，經(jīng)對(duì)產(chǎn)品擠壓，變形程度為0.9—0.995時(shí)進(jìn)行壓實(shí)，隨后在500—50℃溫度下，將擠壓的材料放置在真空或惰性介質(zhì)中，持續(xù)0.1—15分鐘。
文檔編號(hào)C22C33/02GK1067928SQ9110415
公開日1993年1月13日 申請(qǐng)日期1991年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月29日
發(fā)明者馬爾哈·烏拉第米羅維奇·易納澤, 瓦迪·芬阿敏維奇·潑勒斯夫, 阿勒桑德·莫瑟維奇·斯托林, 阿勒桑德·格里高利維奇·莫扎夫, 樂(lè)尼德·米哈羅維奇·布查斯基 申請(qǐng)人:蘇聯(lián)科學(xué)院宏觀動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)研究所