Получение твердых сплавов методом порошковой металлургии
Производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергают спеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляют пластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др. Пластинки твердого сплава крепят к державке или корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряду с этим в машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавные инструменты, состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированных заготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до 7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которые легко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработки заготовки спекают, а затем шлифуют и затачивают. Из пластифицированного сплава заготовки монолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этом случае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавным профилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделие принимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляют мелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п. Монолитный твердосплавный инструмент может также изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовок с последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.
1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов.
2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.
3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).
5. Холодное прессование (в смесь добавляют органический клей для временного сохранения формы).
6. Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850°С клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.
Номенклатура спеченных твердых сплавов
В России и бывшем СССР для обработки металлов резанием применяются следующие спеченные твердые сплавы
Российские спечённые твёрдые сплавы, применяемые в современной мировой промышленности:
| Марка сплава | WC % | TiC % | TaC % | Co % | Прочность на изгиб (σ), МПа | Твёрдость, HRA | Плотность (ρ), г/см3 | Теплопроводность (λ), Вт/(м·°С) | Модуль Юнга (Е), ГПа |
| ВК2 | — | — | 91,5 | 15,1 | |||||
| ВК3 | — | — | 89,5 | 15,3 | 50,2 | ||||
| ВК3-М | — | — | 15,3 | 50,2 | |||||
| ВК4 | — | — | 89,5 | 14,9-15,2 | 50,3 | 637,5 | |||
| ВК4-В | — | — | 15,2 | 50,7 | |||||
| ВК6 | — | — | 88,5 | 62,8 | |||||
| ВК6-М | — | — | 15,1 | ||||||
| ВК6-ОМ | — | 90,5 | |||||||
| ВК8 | — | — | 87,5 | 14,8 | 50,2 | ||||
| ВК8-В | — | — | 14,8 | 50,4 | 598,5 | ||||
| ВК10 | — | — | 14,6 | ||||||
| ВК10-ОМ | — | — | 88,5 | 14,6 | |||||
| ВК15 | — | — | 14,1 | ||||||
| ВК20 | — | — | 84,5 | 13,8 | |||||
| ВК25 | — | — | 13,1 | ||||||
| ВК30 | — | — | 81,5 | 12,7 | |||||
| Т5К10 | — | 88,5 | 13,1 | 20,9 | |||||
| Т5К12 | — | 13,5 | 549,3 | ||||||
| Т14К8 | — | 89,5 | 11,6 | 16,7 | |||||
| Т15К6 | — | 11,5 | 12,6 | ||||||
| Т30К4 | — | 9,8 | 12,57 | ||||||
| ТТ7К12 | 13,3 | ||||||||
| ТТ8К6 | 90,5 | 13,3 | |||||||
| ТТ10К8-Б | 13,8 | ||||||||
| ТТ20К9 | 9,4 | 14,1 | 9,5 | 12,5 | |||||
| ТН-20 | — | (Ni15%) | (Mo6%) | 89,5 | 5,8 | ||||
| ТН-30 | — | (Ni23%) | (Mo29%) | 88,5 | |||||
| ТН-50 | — | (Ni29%) | (Mo10%) | 6,2 |
Литые твёрдые сплавы
Литые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья
Литые (наплавочные) твердые сплавы применяются для наплавки (покрытия) в расплавленном состоянии (с помощью газа или дуги) рабочих поверхностей быстроизнашивающихся деталей машин, приспособлений, инструментов с целью повышения их износоустойчивости и коррозийной стойкости.
Литые сплавы получаются в виде прутков диаметром 5- 7 мм, длиной 200-300 мм, которые затем при помощи газа наплавляются на режущие кромки или поверхности деталей, подвергающихся износу.
К этой группе относятся стеллиты и стеллитоподобные сплавы. Стеллиты представляют собой сплавы кобальта с содержанием вольфрама, хрома и углерода. В стеллитоподобных сплавах кобальт заменен железом, а вольфрам отсутствует.
Наплавка твёрдых сплавов производится преимущественно газовой ацетилено-кислородной горелкой и ведётся, как правило, в два, а иногда и в три слоя. Необходимость многослойной наплавки диктуется следующим: при наложении первого слоя наплавка представляет собой сплав твёрдого сплава с расплавленным основным металлом, поэтому такой сплав обладает пониженными твёрдостью и износоустойчивостью и не обеспечивает получения механических свойств чистого твёрдого сплава. Поэтому первый наплавленный слой обычно не может служить рабочей поверхностью, а является лишь подкладкой для нанесения второго слоя, который будет представлять собой почти чистый твёрдый сплав и обладать необходимыми механическими свойствами. В некоторых особо ответственных случаях прибегают к наплавке третьего слоя, представляющего собой практически уже чистый переплавленный твёрдый сплав.
Электродные сплавы представляют собой куски электродной проволоки, обмазанные специальными легирующими обмазками. Эти сплавы наплавляются с помощью электродуги.
Подобные электроды дают удовлетворительную наплавку в тех случаях, когда не предъявляется высоких требований к твёрдости и износостойкости наплавленного слоя.
Применение и разработки
Применение. В современной технике получают широкое распространение и быстро совершенствуются твёрдые Сплавы. Развитие техники применения твёрдых сплавов идёт по двум направлениям: с одной стороны, совершенствуются и улучшаются составы твёрдых сплавов и технология их производства, с другой стороны, совершенствуется техника нанесения твёрдых сплавов на изделия.
Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:
· Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, сверла, протяжки и прочий инструмент.
· Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.
· Клеймение: оснащение рабочей части клейм
· Волочение: оснащение рабочей части волок
· Штамповка: оснащение штампов и матриц (вырубных, выдавливания и проч.).
· Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов.
· Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь
· Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей
Появление инструмента из твердых сплавов сопровождалось значительным повышением производительности труда при металлообработке за счет более высокой теплостойкости и сопротивляемости износу, позволяющих работать на скоростях резания, в 3-5 раз превышающих скорости резания для инструмента из быстрорежущих сталей.
Использование самых современных твердосплавных материалов, совершенствование технологии изготовления инструментов, методов их шлифовки и заточки, в том числе с применением алмазного инструмента, электрофизических и электрохимических методов обработки, - основные направления работ заводских специалистов, позволяющие поддерживать на высоком техническом уровне выпускаемые нами твердосплавные инструменты.
Разработки
В настоящее время в отечественной твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования, связанные с возможностью повышения эксплуатационных свойств твердых сплавов и расширением сферы применения. В первую очередь эти исследования касаются химического и гранулометрического состава RTP(ready-to-press) смесей. Одним из удачных примеров за последнее время можно привести сплавы группы ТСН (ТУ 1966—001-00196121-2006), разработанных специально для рабочих узлов трения в агрессивных кислотных средах. Данная группа является логическим продолжением в цепочке сплавов ВН на никелевой связке, разработанных Всероссийским Научно-Исследовательским Институтом Твердых Сплавов. Опытным путём было замечено, что с уменьшением размера зерен карбидной фазы в твердом сплаве, качественно повышаются такие характеристики, как твердость и прочность. Технологии плазменного восстановления и регулирования гранулометрического состава в данный момент позволяют производить твердые сплавы размеры зерен (WC) в которых могут быть менее 1 микрона. Сплавы ТСН группы в настоящий момент находят широкое применение в производстве узлов химических и нефтегазовых насосов отечественного производства.
Возрастающие темпы развития производства требуют все большего объема выпуска режущего инструмента, штампов, пресс-форм, фильер и т.п. Это вызвало большой расход вольфрама. Возникшую проблему нехватки вольфрама во многих странах стали решать в первую очередь за счет повышения эффективности его использования.
В связи с расширением технологических возможностей при производстве твердых сплавов, развитием химии и порошковой металлургии, дефицитом вольфрама уже в начале 60-х годов начались интенсивные работы по созданию безвольфрамовых твердых сплавов.
Одно из направлений решения этой актуальной задачи - разработка новых марок твердых сплавов с применением карбидов титана TiC, гафния HfC, ниобия NbC, тантала TaC. Производство инструмента, оснащенного этими марками твердого сплава, позволяет заменить дефицитный вольфрам более дешевыми металлами, расширить номенклатуру используемых марок твердого сплава, что позволяет создать инструментальные материалы со специфическими свойствами, обладающими более высокими эксплуатационными характеристиками, применяющиеся для специальных видов работ.
Кубический нитрид бора (КНБ). Это относительно новый поликристаллический материал, применяемый для режущих инструментов. Твердость КБН достигает 88 000 МПа (9000 кгс/мм.кв.), приближаясь к твердости алмаза. Теплостойкость его составляет 1400-1500°C.
В США, ФРГ, Австрии в начале 70-х годов налажено производство сплава Ферро-ТiC, который создан на основе карбида титана и стальной связки. Обладая высокой твердостью, износостойкостью и жаропрочностью, этот сплав является промежуточным между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами. Он применяется для изготовления инструментов и конструкционных материалов, работающих в условиях интенсивного износа. Из него изготавливают детали штампов, пуансоны, протяжные кольца, валки, ролики, фильеры, режущие и измерительные инструменты.
В настоящее время для металлообработки создан целый ряд безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида и карбонитрида титана, которые применяются в различных сферах производства. Широко используются твердые безвольфрамовые сплавы марок ТН20, ТН50, КТН16, ЛЦК20, ТВ4.
Положительный опыт работы ряда организаций позволяет сделать вывод, что безвольфрамовые твердые сплавы найдут широкое применение для изготовления режущего и штампового инструмента, деталей машин, работающих в тяжелых условиях, оснастки и приспособлений.
Литература
1. Конструкционные материалы. Под ред, Б.Н. Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990.
2. Технология конструкционных материалов. Под ред. А.М. Дальского. Москва, изд «Машиностроение», 1985.
3. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них - Панов B.C., Чувилин A.M. МИСИО, 2001
4. Термодинамика сплавов. Вагнер К. Москва, 1957
5. Производство и литье сплавов цветных металлов. Юдкин В.С. М., 1967–1971
6. Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986 Коротич В.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов. М., 1987