III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ

 

Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении порошка, составлении шихты, прессовании и спекании.

Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков являются:

1) восстановление металлов из окислов;

2) механическое измельче­ние;

3) электролитическое осаждение;

4) распыление жидкого металла;

5) на­грев и разложение карбонилов.

Наибольшим распространением пользуются первые два метода.

Восстановление металлов из окислов широко применяется в производстве порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной пере­работке и размолу для получения порошков окислов, которые восстанавли­ваются затем путем нагрева в газовой среде водородом, генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей, коксом, графитом. Иногда приме­няется комбинированное восстановлена путем нагрева вместе с твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет получить очень мелкие и чистые порошки.

 

Таблица 1. Применение и состав порошковых сплавов

Тип порошковых сплавов	Назначение	Исходные материалы
Антифрикционные	Для подшипников скольже­ния	Порошки железа и графита Порошки меди, олова и гра­фита
Фрикционные	Для тормозных дисков	Порошки меди, олова, свин­ца, графита, асбеста и пр. Порошки железа, свинца, графита и асбеста
Пористые	Для фильтров	Бронзовая дробь
Плотные	Для деталей машин из стали и жаропрочных и окалино-стойких сплавов	Порошки железа и различ­ных металлов
Тугоплавкие	ДЛЯ проволоки ДЛЯ ламп контактов и деталей при­боров	Порошки вольфрама, мо­либдена и других туго-плавких металлов
Электротех­нические	Для контактов н постоянных магнитов	Порошки меди, вольфрама и др. Порошки железа, алюминия, никеля и кобальта.
Твердые сплавы	Для режущего инструмента. Волок, буры	Порошки карбида воль­фрама, карбида титана, кобальта

 

При механическом измельчении — размоле на шаровых, молотковых и особенно на вихревых мельницах — наиболее выгодным является использование металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола хрупких металлов — чугуна, закаленной стали, бронзы, окислов и др. Молотковые мельницы применяются для получения порошков алюминия и бронзы.

С 1930 г. начали широко применять вихревые мельницы, в которых измельчение производится ударами частиц металла друг о друга под действием воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производства железных порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измель­чают в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического из­мельчения, тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

Электролитическое осаждение применяется для производства порошков электроположительных металлов — меди и некоторых других металлов, например, титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного газа сначала применяли для производства порошков легкоплавких метал­лов — алюминия, олова и свинца. В настоящее время этим методом распыляют также расплавленные сталь и чугун.

Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей тре­буются порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров, наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше крупные порошки, особенно если среди них есть и мелкие частицы, а спекаются лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа: порошок просеивают через ряд сит со все более мел­кими отверстиями и взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен опреде­ляют, рассматривая их под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется весом 1 см³ свободно насыпанного порошка. Он зави­сит от размера, формы и состояния поверхности его частиц и является очень важной его характеристикой.

При конструировании прессформ необходимо знать насыпной вес порошка, который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости матрицы и ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчаю­щему или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

Прессование. Для прессования применяют большей частью быстроходные легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах при давлении от 10 до 100 кГ/мм² (от 98 до 981 Мн/м²) в зависимости от твер­дости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

Вследствие трения порошка о стенки прессформы процесс прессования получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются скачками. Важнейшую роль при сильных давлениях прессования играет пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение поверх­ности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой. Прочность прессования объясняется двумя причинами: атомарным схватыванием на кон­тактной поверхности — «зацеплениями», переплетением неровностей на поверх­ности частиц порошка.

В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При по­следующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может, подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из по­рошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной формы.

Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спе­кания медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защит­ные атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама, молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 тем­пературы плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С. Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая большей частью увеличивается; происходит снятие напряже­ний в местах контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсор­бированные газы и жидкости, и результате контакт становится металли­ческим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений, про­исходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления, например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В результате получаются плотные детали. Иногда, например при производстве медновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порош­ковый вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше тем­пература спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет раз­меры деталей; поэтому детали, требующие высокой точности, например под­шипники н зубчатые колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.

Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10% дав­ления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее прес­сование позволяет получать детали более сложной формы и более точных раз­меров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится электрическим током.

 

 

IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

 

Определение и классификация. Порошковым твердым сплавом называется сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карби­дов, например WC, связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61 предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов — вольфрамовые, со­стоящие из карбида вольфрама и кобальта, и титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и кобальта.

Металлокерамические или порошковые твердые сплавы приме­няются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других целей, в том числе для износо­устойчивых детален (клапанов насосов, работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляю­щих) и измерительного инструмент.

Микроструктура. Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов зависят от их микроструктуры. Исследование их микроструктуры до травления обнаруживает пористость (рис.1, а; Х 100).

Микроструктура вольфрамокобальтового твердого сплава ВК 15 после травления насыщенным солянокислым раствором хлорного железа (рис.1 б; X 1500) обнаруживает следующие две фазы:

-светлые угловатые и шпалообразные зерна фазы WC;

-протравлен­ные в темный цвет участки фазы твердого раствора WC в кобальте.

Светлые зерна WC являются очень твердыми, в режущем инстру­менте они служат элементарными режущими частичками, а твер­дый раствор WC в кобальте— относительно менее твердый, но бо­лее вязкий служит связкой (цементом), соединяющей между собой зерна WC. Твердый раствор WC в кобальте лучше протравливается легким окислением на воздухе в электрической печи при 400° С в течение 10 мин (рис.1, в; X 1500), но очертания WC выявляются здесь менее четко.

В общем, чем мельче частички (зерна) и чем равномернее они распределены в микроструктуре, тем лучше режущие свойства и тем выше прочность металлокерамического (порошкового) вольфра­мового твердого сплава данной марки. Крупные же зерна WC ухуд­шают свойства этих сплавов.

Микроструктура титановольфрамокобальтового сплава Т15K6 после травления окислением на воздухе в электропечи при 400° С

 

Рис.1 Микроструктура твердого сплава ВК15.

в течение 40 мин. (рис.2, а) состоит из трех фаз: угловатых свет­лых зерен фазы WC, окаймленных темной фазой (твердого раствора карбидов WC и TiС в кобальте и серой титановой фазы), твердого раствора WC в TiC.

Карбид вольфрама WC почти не рястворяет титана, зато карбид титана TiC растворяет очень много вольфрама, например, до 70% при комнатной температуре и до 90% при высокой темпера­туре.

Чем мельче и равномернее распределены светлые зерна фазы WC (рис.2,б), тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплава Т15К6.

Зерна титановой фазы имеют округлую форму (рис.2, в);

они выявляются путем травления в щелочном растворе K4Fe(CN)6. Хорошим режущим свойствам сплава Т15К6 отвечает микрострук­тура из средних или крупных зерен титановой фазы.

Избыток углерода в порошковых твердых сплавах вызывает появление в их микроструктуре графита, а при недостатке углерода

образуется n1-фаза (W4Co4C).

Присутствие графита, n1 -фазы и других посторонних включе­ний в микроструктуре порошковых твердых сплавов ухудшает их качество.

Механические и физические свойства. Предел прочности на изгиб и твердость порошкового твердого сплава зависят от содер­жания в нем кобальта. Чем больше в твердом сплаве кобальта и

 

Рис.2. Микроструктура твердого сплава Т15К6 (Х1500).

чем крупнее зерна карбидов, тем выше предел прочности на изгиб, но тем ниже твердость. Однако повышение содержания кобальта сверх 15% нарушает сплошной каркас из зерен карбида и резко снижает предел прочности на изгиб.

В случае уменьшения содержания кобальта и применения мелко­зернистых карбидов, которые лучше растворяются в кобальте, вязкость и предел прочности на изгиб снижаются, но твердость и изно­состойкость увеличиваются.

Удельный вес характеризует степень пористости сплава. Высо­кая теплопроводность способствует отводу тепла от режущей кромки и увеличивает стойкость инструмента.

Красностойкость твердых сплавов, т. е. способность сохранять структуру и режущие свойства при высоких температурах, зна­чительно выше красностойкости быстрорежущей стали. При этом чем меньше кобальта в сплаве и чем он мелкозернистее, тем выше крастостойкость. Титановольфрамовые сплавы обладают большей красностойкостью, чем однокарбидные вольфрамовые, что особенно важно при обработке стали. Кроме того, наличие карбида титана снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость дву-карбидных сплавов.

Слипаемость или сцепление твердого сплава с обрабатываемым материалом резко ухудшает обрабатываемость, особенно стальных деталей. Титановольфрамовые твердые сплавы группы ТК отли­чаются меньшей слипаемостью, которая начинается у них при более высоких температурах, чем у вольфрамовых ВК. Кроме того, чем меньше в твердом сплаве кобальта, тем меньше слипаемость.

Область применения. При обработке чугуна и цветных сплавов преимущественно применяют однокарбидные вольфрамовые твердые сплавы группы ВК. Сплавы ВК2 и ВКЗМ применяют для снятия легкой стружки на больших скоростях резания и для обработки самых твердых материалов — стекла, фар­фора, пластмасс и т. д. Сплав ВКЗМ отличается также высокой износостойко­стью за счет мелкозернистости.

Сплав ВК6М применяют для скоростного, полуобдирочного и чистового точения. Сплавы ВК6 и ВК8 применяют для обдирочного точения и для изготовления инструмента, подвергаемого в работе ударам и толчкам. Сплавы ВК6В и ВК15 применяют для бурового инструмента и т. д.

При обработке некоторых марок стали получается непрерывная сливная стружка, которая все время соприкасается с твердым сплавом и передает ему большее количество тепла. Здесь решающее значение приобретает красностойкость, наименьший коэффициент трения и особенно слипаемость. Поэтому для обработки стали преимущественно применяют титановольфрамовые твердые сплавы группы ТК.

Сплав ТЗ0 К4 применяют для снятия легкой стружки при самых больших скоростях резания, сплав Т15К6 — для полуобдирочной и чистовой работы и для скоростной обработки и сплав T5K12B – для тяжелого чернового точения, требующего прочного инструмента.

У титанотанталовольфрамового сплава наивысшая эксплуатационная прочность и сопротивление вибрациям и выкрашиванию, поэтому он применяется для самого тяжелого чернового точения углеродистых и легированных сталей.

В настоящее время почти половина всей обработки металлов однолезвийным инструментом производится с использованием по­рошковых твердых сплавов. Внедрение твердосплавного инстру­мента потребовало создания станков новых конструкций, позволяю­щих осуществлять высокие скорости резания — до 1000—2000 м/мин и выше.

Инструмент из твердых сплавов затачивают на специальных кругах (карборунд «экстра») или на кругах из искусственных (син­тетических) алмазов, а доводят на пасте из карбида бора. При до­водке твердых сплавов химическое воздействие пасты имеет боль­шее значение, чем механическое.

Препятствие на пути полной замены быстрорежущей стали твердыми сплавами, в которых дефицитный вольфрам используется в 10 раз эффективнее, заключается в том, что по своей природе твер­дые сплавы пригодны не для всех случаев механической обработки, а также вследствии сложности изготовления из них фасонного ин­струмента.

Применение порошковых твердых сплавов ограничивается пластинками, которые припаивают медным припоем к стальной дер­жавке—так, например, изготовляют резцы.

Схема производства. Технологический процесс производства металлокерамических (порошковых) твердых сплавов состоит из ряда следующих операций:

1. Сначала получают грубый порошок вольфрама путем восстановления вольфрамового ангидрида W03 в потоке водорода при 700—900° С или сажей при 1500° С. Полученный грубый порошок вольфрама измельчают в течение примерно 9 ч на шаровой мельнице и просеивают.

2. Порошок вольфрама перемешивают с ламповой сажей.и карбонизируют в бумажных или угольных патронах в течение 1 ч в электропечи при 1400° С в атмосфере водорода или окиси углерода.

Полученный порошок карбида вольфрама размалывают и про­сеивают, как и порошок вольфрама.

Для титановольфрамового сплава карбонизации можно под­вергнуть шихту из ТiO2+ С + W и получить сразу оба карбида.

3. Полученные порошки карбидов и кобальта перемешивают в течение 24 ч и дольше в шаровой мельнице; затем их замешивают с клеем и подсушивают. В качестве клея применяют или раствор синтетического каучука в бензине или раствор парафина в четырех­хлористом углероде.

4. Хорошо замешанная и подсушенная смесь подвергается прес­сованию при давлении примерно 10—40 кГ/мм² (98—392 Мн/м²), причем титановольфрамовые смеси требуют большего давления прес­сования, чем вольфрамовые.

5. Далее производят предварительное спекание смеси при 900° С в течение примерно 1 ч в атмосфере водорода для создания прочно­сти, необходимой при механической обработке. Предварительное спекание применяется не всегда.

6. После предварительного спекания полученный сплав раз­резают и механически обрабатывают на обычных металлорежущих, станках—фрезерных, строгальных, токарных и др.

7. Окончательное спекание, в процессе которого образуется твердый сплав, проводят в атмосфере водорода или в засыпке из порошка магнезита или окиси алюминия — для вольфрамовых сплавов в течение 2 ч примерно при 1400° С, а для титановольфрамовых в течение 1—3 ч при 1500° С. Качество спекания зависит от чистоты карбида титана: чем меньше в нем азота и кислорода, тем

лучше идет спекание.

В результате спекания твердый сплав дает линейную усадку до 25%, становится чрезвычайно твердым и не поддается механи­ческой обработке; твердые сплавы можно шлифовать зеленым кар­борундом «экстра» или подвергать электроискровой обработке.

Производство твердых сплавов требует особой чистоты, тща­тельного лабораторного контроле, соблюдения технологической дисциплины и всех тонкостей процесса. Качество и режущие свой­ства порошковых твердых сплавов зависят от технологии их произ­водства не менее чем от их состава.

Кроме порошковых твердых сплавов, в машиностроении приме­няют и литые твердые сплавы, которые применяются или зернистыми или в виде электродов. После наплавки они имеют структуру заэвтектического, легированного, белого чугуна и очень высокую твердость благодаря присутствию большого количества

карбидов и карбидной эвтектики.

Литыми твердыми сплавами наплавляют штампы, токарные цен­тры и сильно истирающиеся детали, что увеличивает в несколько

раз их стойкость.