Как изготавливается штабик вольфрама: технология обработки

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ооюа Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.04.75 (21) 2122233/01 с присоединением заявки № (51) М. Кл.з В 22F 3/20

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.762.86 (088.8) Опубликовано 30.10.76. Бюллетень № 40

Дата опубликования описания 20.12.76 (72) Авторы изобретения

В. М. Амосов, Н. М. Зеленцова и В. И, Тираспольский (71) Заявитель (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ

ИЗ ВОЛЬФРАМА

ГосУдарстввнный комитат (23) Приоритет

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к производству тугоплавких металлов, используемых в электротехнической и электронной промышленности в качестве токовводов газоразрядных и электровакуумных приборов.

Известен способ изготовления спеченных изделий из вольфрама, заключающийся в прессовании из порошка штабиков, их спекании и сварке, обработке давлением, ротационной ковке и шлифовании в заданный размер (1).

Недостаток известного способа состоит в том, что получаемые прутки из вольфрама имеют поликристаллическую структуру, склонны к хрупкому разрушению и не могут использоваться в качестве токовводов в электровакуумных приборах.

Известен способ изготовления изделий из вольфрама для токовводов электровакуумных приборов, заключающийся в прессовании порошковых заготовок, их спекании и сварке, ротационной ковке заготовок и волочении прутков (2).

Недостаток этого способа заключается в том, что при сварке токовводов в стекло при

1100 — 2019 С наблюдается охрупчивание и разрушение материала, связанное с первичной рекристаллизацией, что приводит к большим отходам материала.

Наиболее близким прототипом по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления монокристаллических изделий из вольфрама для токовводов электровакуумных приборов, заключающийся в прессовании порошка вольфрама в штабики, спекании и сварке штабиков, ротационной ковке и электронно-лучевой зонной плавке с последующим шлифованием до требуемого диаметра (3).

Недостаток известного способа заключает10 ся в больших отходах материала при шлифовании вольфрамовых прутков до необходимого размера, достигающих 24 кг на 1 кг изделий, и сложностью процесса шлифования.

15 Целью изобретения является упрощение процесса изготовления монокристаллических токовводов из вольфрама.

Поставленная цель достигается тем, что спрессованные штабики из порошка вольфра20 ма спекают, сварпвают, обрабатывают давлением, затем отжигают при 2019 — 2019 С в защитной атмосфере, растягивают на 20 — 30% при 600 — 800 С и повторно отжигают при

2800 — 2019 С в защитной атмосфере в течение

25 8 — -12 час со скоростью нагрева 20—

30 град/час.

Предложенный способ упрощает процесс изготовления монокристаллических изделий из вольфрама за счет устранения операции шли30 фования и позволяет сократить потери вольфрама до 0,2 кг на 1 кг изделий.

533451

Формула изобретения

Составитель А. Соловей

Техред В. Рыбакова

Корректоры: Л. Брахнина и Н. Аук

Редактор Е. Шепелева

Заказ 2363/19 Изд. М 2019 Тира>к 2019 Подписное

ЦНИИПИ Государственного ком пста Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Пример. Вольфрамовый порошок прессуют в штабики на гидравлическом прессе при удельном давлении 4 т/см, штабики спекают в атмосфере водорода при температуре 2019 С в течение 30 мин. Спеченные вольфрамовые штабики сваривают на сварочном аппарате типа ЦЭП-223 «Электропечь» и обрабатывают давлением-ковкой на ротационной ковочной машине типа В-201 при 2019 — 2019 С собжатием за проход 15%, Деформированные вольфрамовые прутки отжигают в водороде при 2019 С в течение 1 час, растягивают на разрывной машине на 25 /о при 700 С и повторно отжигают при 2019 С в течение 10 час в атмосфере водорода при скорости подъема температуры 25 град/час.

Получены монокристаллические вольфрамовые изделия диаметром 1 — 2 мм с ориентацией вблизи направления (011 ).

Потери материала составляют 0,2 кг на 1 кг изделий.

Способ изготовления спеченных изделий из вольфрама, включающий прессование порошка, спекание, сварку и обработку давлением, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса изготовления мопокристалличсских токовводов, после обработки давлением изделия отжигают в защитной атмосфере при

2500—2700 С, затем подвергают растяжению на 20 — 30% при б00 — 800 С и повторно отжигают в защитной атмосфере при 2019 — 2019 С в течение 8 — 12 час со скоростью нагрева 20—

10 30 град/час.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе заявки:

1. Меерсон Г. А., Зеликман А. Н., «Металлургия редких металлов», «Металлургиздат», 1955, с. 158 — 174.

2. «Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов», М,, «Энергия», 1973, с. 184.

3. Савицкий Е. М., Бурханов Г. С., «Мо25 нокристаллы тугоплавких и редких металлов», М., «Наука», 1972, с. 242 — 249.

Похожие патенты:

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при изготовлении расходуемых электродов титановых сплавов методом полунепрерывного прессования через проходную конусную матрицу

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения крупногабаритных заготовок из композиционного материала на основе металлической матрицы предпочтительно из алюминиевых и магниевых сплавов, армированных частицами неметаллических тугоплавких соединений

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению крупногабаритных полуфабрикатов в виде прутка, шестигранника, квадрата, прямоугольной шины, трубы и других профилей из порошковых и дисперсно-упрочненных материалов на основе меди, или никеля, или алюминия, или других цветных металлов, или их сочетаний, предназначенных для изготовления деталей электротехнического назначения в машиностроении

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству изделий из металлических порошков

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления антифрикционных материалов с твердыми смазками на основе меди, предназначенных для получения деталей триботехнического назначения (самосмазывающихся износостойких подшипников скольжения в узлах трения)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению композиционных материалов с металлической матрицей, армированной тугоплавкими наполнителями

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению изделий, а именно расходуемых электродов из металлических порошков, используемых в электрометаллургии

Изобретение относится к порошковой металлургии и может использоваться для изготовления длинномерных изделий из металлических нанопорошков

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способу прессования брикетов из шихтовых материалов, в частности из титановых сплавов, содержащих образующиеся в процессе механической обработки изделий отходы

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при прессовании брикетов из шихтовых материалов титановых сплавов

Способ изготовления спеченных изделий из вольфрама

Металлургия редких металлов

Производство компактного вольфрама до настоящего вре­мени базируется на использовании метода порошковой метал­лургии, впервые разработанного русским ученым П. Г.Собо­левским в 2019 г. для производства платиновых изделий. Этот метод применительно к получению компактного вольфра­ма был развит в 2019 — 2019 гг. американскими учеными Ку — лиджем и Финком. Этим же методом получают значительную часть компактного молибдена. Метод порошковой металлургии состоит из следующих основных переделов:

Прессование заготовок из порошков;

Спекание заготовок;

Механическая обработка спеченных заготовок с полу­чением изделий (проволоки, ленты).

Прессование заготовок

Прессование штабиков. Для получения проволоки и листов небольшого размера из порошков вольфрама и молибдена прессуют штабики — заготовки сечением от 10×10 до 40×40 мм и длиной 500 — 650 мм в стальных пресс-формах (рис. 14). При прессовании порошка получают изделие определен­ной формы, обладающее некоторой прочностью. Это достига­ется сближением частиц порошка и увеличением контактных поверхностей между ними, что способствует увеличению сил сцепления, а также сил механического зацепления между ни­ми. Вследствие трения частиц порошка о стенки пресс-формы уплотнение порошка происходит неравномерно по объему бри­кета.

В любом вертикальном разрезе заготовки верхние слои (лежащие ближе к пуансону) плотней нижних. В горизонталь­ном же направлении в верхних слоях плотность увеличивает­ся от центра к периферии, а в нижних слоях — от периферии

Рис. 14. Пресс-форма для прессо­вания штабиков вольфрама и молиб­дена из порошков:

1 ~ боковые пластины (щеки); 2 — торцевые вкладыши; 3 — пуансон; 4 — соединительные штифты («шпильки»); 5 — нижняя подкладка

К центру. Для достижения равномерной плотности брикета в порошки вольфрама и молибдена перед прессованием добавля­ют смазывающие вещества — раствор глицерина в спирте (в отношении 1,5:1). Смазка при прессовании выдавливается к стенкам, уменьшая трение частиц порошка о стенки.

3

2 4

Для прессования штабиков вольфрама и молибдена приме­няют гидравлические прессы усилием 5-20 кН.

Удельное давление прессования вольфрамовых штабиков в зависимости от гранулометрических характеристик порошка и размеров штабика колеблется от 150 до 500 МПа. При этом получаемые штабики имеют плотность 12 — 13 г/см3, что со­ответствует пористости 30 — 40 %. Сократить остаточную пористость вольфрамового штабика не удается, так как час­тицы на холоду не деформируются. После того как в процес­се прессования перемещение частиц прекращается, дальней­шее повышение давления вызывает «расслой» штабика. Пре­дельное давление, выше которого начинается расслой, назы­вается критическим и составляет для вольфрама 400 — 600

МПа.

Молибденовые штабики прессуют под давлением 200 — 300 МПа, остаточная пористость их 35 — 40%. Штабики молибде­на прочней вольфрамовых, что объясняется большей удельной поверхностью порошков молибдена и некоторой пластичностью частиц молибдена.

Гидростатическое прессование. Для формирования крупных заготовок однородной плотности массой 100 — 300 кг, кото­рые практически невозможно получить прессованием в сталь­ных пресс-формах, используют метод гидростатического прессования.

При гидростатическом прессовании порошок металла, по-

Р«с. 15. Схема аппарата для гид­ростатического прессования: 1 — насос высокого давления; 2 — камера высокого давления; 3 — прессуемая заготонка в эластичной оболочке; 4 — вентиль для спуска давления; 5 — затвор; 6 — мано­метр

Р«с. 16. Схематический разрез пресс-формы для гидростатического прессования цилиндрической заготовки:

А — — заполненная пресс-форма; б — форма после прессования; 1 — резиновая крышка («берет»); 2 — резиновые манжеты; 3 — резиновая оболочка; 4 — пробка; 5 — металлическая обойма; б — прессуемый порошок; 7 — штуцер

Мешенный в эластичную оболочку (из резины или другого по­лимерного материала), подвергается всестороннему сжатию с помощью жидкости, подаваемой под давлением в рабочую ка­меру (рис.15). При гидростатическом прессовании нет тре­ния порошка о стенки пресс-формы, что обеспечивает равно­мерную плотность спрессованной заготовки. Гидростатичес­ким прессованием формуют заготовки цилиндрической или прямоугольной формы (сутунки для проката), а также трубки и изделия более сложной формы. Нужную геометрическую фор­му получают, помещая эластичную оболочку в стальные обой­мы (рис.16).

Гидростатическим прессованием вольфрамовых и молибде­новых порошков получают заготовки с пористостью 30 — 35 % при удельных давлениях 200 — 250 МПа, массой до несколь­ких сот килограммов.

Спекание штабиков

В результате процесса спекания (выдержка спрессованно­го брикета при определенной температуре) достигается уп­рочнение брикета и его усадка (уменьшение объема пор). Брикет приобретает структуру, характерную для компактных металлов. Однако в отличие от металла, полученного плав­лением, он все же обладает значительной остаточной порис­тостью, которая исчезает только после механической обра­ботки штабика (ковки, протяжки).

Спекание вольфрамовых и молибденовых штабиков проводят в две стадии: предварительное низкотемпературное спекание и высокотемпературное спекание («сварка»).

Низкотемпературное спекание. Предварительное спекание вольфрамовых штабиков ведут при 2019 — 2019 °С и молибде­новых при 2019 — 2019 °С в муфельных электропечах (муфель из алунда) в среде водорода. Нагревателем служит молибде­новая проволока. После выдержки в течение 30 — 120 мин (в зависимости от размеров) получают заметно упрочненные штабики, однако линейная усадка их незначительная (2 — 3 %). Спрессованные штабики обладают открытой пористос­тью. Водород диффундирует в поры штабика и восстанавлива­ет тонкие пленки оксидов. Это создает чисто металлический контакт между кристаллами штабика и улучшает условия спе­кания.

Высокотемпературное спекание («сварка»). Для получения штабиков, обладающих структурой, наиболее благоприятной для дальнейшей механической обработки, требуется нагрев вольфрамового штабика примерно до 2019 — 2019 °С, а’ мо­либденового — до 2019 — 2019 °С. Такую высокую температу­ру наиболее просто получить путем непосредственного про­пускания электрического тока через штабик, упрочненный предварительным первым спеканием.

На рис.17 приведена схема аппарата для высокотемпера­турного спекания («сварки») штабиков.

Штабик закрепляется в охлаждаемом водой колпаке между двумя зажимными контактами, состоящими из медных, охлаж­даемых водой головок, в которые вмонтированы две скреп­ленные пружиной вольфрамовые или молибденовые пластины — щипцы. Ток к контактам подводится по охлаждаемым медным трубам. Нижний контакт должен быть подвижным, так как в про­цессе спекания происходит зна­чительная линейная усадка шта­биков (15 — 17 %), поэтому к нижнему контакту ток подводит­ся при помощи гибких шин. На­тяжение штабика обеспечивается противогрузом.

Под колпак в процессе спе­кания непрерывно поступает су­хой водород со скоростью 0,8 — 1,0 м3/ч.

Р«с. 17. Схема аппарата для высокотемпе­ратурного спекания («сварки») вольфрамо­вых и молибденовых штабиков: 1 — стальная плита; 2 — охлаждаемый кол­пак; 3 — верхний неподвижный контакт; 4 — токоподвод; 5 — шина, подводящая ток; б — спекаемый штабик; 7 — зажимные щипцы; 8 — нижний подвижный контакт; 9 — противогруз; 10 — гибкий токоподвод

Поскольку электросопротивление штабиков невелико, наг­рев их до высоких температур требует значительной силы тока при низком напряжении. Для волфрамовых штабиков се­чением 10×10 мм требуется сила тока 2019 А, а для крупных штабиков 10000 — 12000 А. Для молибденовых штабиков сече­нием 18×18 мм максимальная сила тока равна 2019 А. Напря­жение на концах штабиков 10 — 20 В. Поэтому аппараты для «сварки» штабиков питаются от понижающего трансформатора, а плавная регулировка напряжения осуществляется автотран­сформатором, подключаемым к высокой стороне понижающего трансформатора.

Режим «сварки» зависит от марки вольфрама. Так, штаби­ки из чистого порошка вольфрама (марка ВЧ) и из порошка с присадками оксидов тория, лантана и иттрия (ВТ, ВЛ, ВИ) сваривают в одну стадию. За 12 — 15 мин силу тока увели­чивают до отвечающей 2019 — 2019 °С (88 — 93 % от силы тока переплавки штабика), выдерживают штабик при макси­мальной силе тока 12 — 20 мин, после чего ток выключают. Сварку штабиков с кремнещелочной и А1203 -присадкой (ВА) проводят в две стадии. Первую стадию при силе тока 48 — 50% от тока переплавки (2000 — 2019 °С). На этой стадии благодаря сохранению открытой пористости испаряется боль­шая часть кремнещелочной присадки. Вторую стадию проводят в отдельном аппарате при максимальной силе тока 93 % от тока переплавки.

После сварки плотность вольфрамовых штабиков достигает 17,5 — 18,5 г/см3 (пористость 10 — 15%). Они должны иметь однородную мелкозернистую структуру с числом зерен 800 — 2019 на 1 мм2 (марки ВЧ), 12000 — 20000 зерен на 1 мм2 (марки ВА). В связи с мелкозернистостью молибденовых порошков усадка штабиков молибдена происходит быстро и завершается при 2019 — 2019 °С за 10 — 15 мин. Пористость спеченных молибденовых штабиков равна 6 — 10 %.

Механизм спекания. Процессы, протекающие при спекании (усадка, рост частиц) обусловлены повышенной подвижностью атомов при температурах спекания. У атомов, расположенных на поверхности, в отличие от атомов, размещающихся внутри кристалла, не насыщены силовые поля, что создает избыток энергии, который проявляется в поверхностном натяжении, стремящемся сократить свободную поверхность кристаллов.

При температурах первого спекания (1150 — 2019 °С) по­
верхностные атомы обладают достаточной подвижностью и ми­грируют с выступов к впадинам и местам контакта между ча­стицами. Процесс поверхностной миграции приводит к сгла­живанию поверхностей, сфероидизации пор и увеличению об­шей поверхности контакта между частицами (рис.18). Это объясняет упрочнение штабика после первого спекания.

А 1 5

Р«с. 18. Схемы увеличения контактных участков и сфероидизации пор вследствие поверхностной миграции атомов: а

— до спекания; б — после спекания

— до спекания; б — после спекания

Поверхностная миграция атомов, однако, не может при­вести к усадке спекаемой заготовки, так как общий объем пор остается неизменным. Поэтому после первого спекания усадка незначительная (2-3 %).

Усадка штабика происходит лишь при высокотемпературном спекании в результате объемной деформации кристаллов в штабике, происходящей под действием сил поверхностного натяжения, которые стремятся сократить свободную поверх­ность спекаемой заготовки. При температурах второго спе­кания («сварки»), близких к точкам плавления вольфрама и молибдена (~90 % от абсолютной температуры плавления), происходит интенсивная самодиффузия атомов в объеме крис­талла по вакансиям решетки. Эта самодиффузия под дейст­вием сил поверхностного натяжения реализуется в виде диф­фузионной ползучести — направленного переноса массы веще­ства. В результате материал «затекает» в поры, уменьшая их объем.

Одновременно с усадкой, когда достаточно увеличиваются контактные участки, происходит и рекристаллизация (рост зерен), приводящая к сокращению межкристаллических гра­ниц.

Важную роль в формировании структуры вольфрамовых шта­биков при спекании и в регулировании процесса рекристал­лизации вольфрамовой проволоки при ее эксплуатации играют примеси и присадки, вводимые в исходный триоксид вольфра­ма перед восстановлением водородом.

Наиболее распространенные присадки: силикат калия, А1203 и Th02 (вводимые в W03 в форме азотнокислых солей).

В процессе высокотемпературного спекания штабика при­садки К20, Si02, А1203 удаляются из штабика до такой сте­пени, что методами спектрального и химического анализа нельзя отличить по составу спеченные штабики марки ВА и ВЧ. Однако в рекристаллизованной вольфрамовой проволоке проявляется резкое различие в их структуре и свойствах.

Присадка Th02 не улетучивается в процессе спекания. Располагаясь по границам зерен, диоксид тория механически препятствует их росту, обеспечивает получение штабика с мелкозернистой структурой, а также задерживает рекристал­лизацию при отжиге вольфрамовой проволоки.

Спекание крупных заготовок

Спекание крупных заготовок ведут в печах с косвенным нагревом. На рис.19 показана схема разработанной в СССР вакуумной методической печи для спекания молибденовых штабиков больших сечений. Нагревателями служат графитовые стержни. Заготовки укладываются в графитовые контейнеры, которые с помощью механического толкателя проходят через камеру спекания, а затем камеру охлаждения. Спекание ве­дут при 2019 — 2019 °С в течение 6 — 9 ч при давлении в

9250

Рже. 19. Схема вакуумной печи непрерывного действия для спекания молибдено­вых заготовок:

1 — поезд графитовых контейнеров; 2 — камера охлаждения; 3 — камера спека­ния; 4 — теплоизоляция; 5 — графитовые нагреватели; б — толкатель с гидроци­линдром

Печи 0,13 Па. Контейнеры со штабиками загружают в печь и выгружают из нее через шлюзы, имеющие эвакуируемые ка­меры.

Для спекания крупных заготовок массой 100 — 300 кг, полученных гидростатическим прессованием, используют ин­дукционные печи. Спекание молибденовых заготовок ведут в водороде при 2019 — 2019 °С в течение 3 — 15 ч (в зависи­мости от температуры и размера заготовки). Крупные воль­фрамовые заготовки спекают в индукционных печах при 2019 — 2019 °С и длительной выдержке (~20 ч).

Кобальт — это цветной металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Этот металл немного тверже железа. Окисление кобальта происходит при температуре свыше трехсот градусов с образованием оксида желтого цвета. В раздробленном …

Если вы решите построить дачу или загородный дом, стоит запомнить одну очень важную вещь – нельзя экономить на проводке, канализации, водоснабжении, отоплении и т.п. Иначе, в случае какой-нибудь аварии, ремонт …

В результате переработки монацита получают два вида продуктов: ториевый концентрат и техническую (загрязнен­ную примесями) смесь соединений РЗЭ. В промышленной практике исползуют два способа разложе­ния монацитовых концентратов: Серной кислотой; Растворами гидроксида …