производство твердых сплавов. Ю. Н. Логинов Технология производства заг. из тв. сплавов. Ю. Н. Логинов технология производства заготовок из твердых сплавов учебное пособие. Свердловск, изд. Упи им. С. М. Кирова
 Скачать 1.78 Mb.
|
1 2 Углетермическое восстановление Азот Размол и усреднение Приготовление смеси (мокрый размол) TiO 2 Ni-Mo C 2 H 5 OH Дистилляция Охлаждение Смесь Пары спирта Конденсат Смесь Протирка 40 меш Протирка 150 меш Замешивание Сушка Грануляция Прессование на гидравлическом прессе 4-5% раствор каучука в бензине Гранулы Пыль Прессование на автомат. прессе Изделия Повторное замешивание Сушка Протирка Грануляция Изделие Сушка Отбраковка и мехобработка Вакуумное спекание Браковка ОТК Фасовка Готовая продукция Гранулы Пыль - 19 - Технологические испытания порошков и порошковых смесей заключаются в определении насыпной плотности, текучести, уп- лотняемости и формуемости. При всех испытаниях технологическая прoбa порошка должна быть подвергнута сушке при температуре 110±5 о С до постоянной массы. Насыпную плотность определяют, заполняя постоянную ёмкость порошком объемом не более 100 см через воронку или (систему воронок (волюмометр) с последующим определением массы порошка. Для порошков, самопроизвольно истекающих из отверстия воронки диаметром 5 мм, используют простую воронку. Для определения насыпной плотности порошков, не истекающих самопроизвольно из воронки с отверстием диаметром 5 мм, используют волюмометр. Метод определения текучести порошка основан на определении времени истечения порошка из воронки через калиброванное выходное отверстие диаметром 2,5 мм и углом конуса 60°. Bopoнку укрепляют на штативе и устанавливают по уровню на горизонтальном основании. Выходное отверстие воронки перекрывают и насыпают в нее лабораторную пробу массой 50 г. Одновременно с открытием калиброванного отверстия включают секундомер и останавливают его одновременно спадением последних частиц порошка. Текучесть порошка определяют по формуле = k t , где t - время истечения порошка k – безразмерный коэффициент коррекции. Безразмерный коэффициент коррекции k определяют следующим образом. Воронку калибруют, переливая через нее 100 см дистиллированной воды замеряя время переливания – клеймо воронки, которое должно составлять 25±2 с. Коэффициент коррекции неиз- ношенной воронки равен числу 25,3, деленному на клеймо воронки. Метод определения уплотняемости заключается в определении плотности прессовок, изготовленных при заданных давлениях прессования в цилиндрической пресс-форме с диаметром отверстия мм. Массу навески порошка m, вычисляют по формуле m = 0,79 d к , где d - диаметр отверстия матрицы к - плотность материала порошка. - 20 - Перед засыпкой порошка стенки матрицы смазывают раствором стеариновокислого цинка в летучей органической жидкости (100 г стеариновокислого цинка на 1000 см ацетона) и дают просохнуть. Методом двустороннего прессования отпрессовывают заготовку при постоянной скорости движения пуансона за время не менее 15 с или со скоростью возрастания усилия не превышающей 50 кН/с при давлениях 200, 400, 500, 600, 700 и 800 МПа. Уплотняемость порошка представляется в виде таблицы или диаграммы зависимости плотности прессовок от давления прессования. Метод определения формуемости заключается в определении границ (минимального и максимального значения) интервала плотности, при которой прессовки после извлечения из пресс-формы не осыпаются и не имеют расслоя. Для опыта используют разборную пресс-форму с прямоугольным каналом, а также пуансон с переменным профилем торца, обращённого к прессовке. После получения прессовки с различной высотой сечения определяют значения плотности и пористости, при которых происходит осыпание кромок основания и появление расслоя. Более подробную информацию о порядке технологических испытаний порошков и смесей можно получить, ознакомившись с содержанием стандартов, список которых приведен в конце пособия. Более подробно остановимся на методах обработки давлением твёрдосплавных смесей. 4. ФОРМОВАНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СМЕСЕЙ Для формования твёрдосплавных смесей используют те же способы, что и для обычных металлических порошков. 4.1. Прессование в жестких пресс-формах Прессование в жестких пресс - формах наиболее давно известный и распространённый способ обработки. На рис. 5 представлена конструкция пресс-формы для прессования цилиндрической сплошной детали. При вынутом пуансоне предварительно взвешенная порция смеси засыпается в полость матрицы, туда же помещается пуансон. Для ограничения хода пуансона между плитой пресса и матрицей размещают калиброванное упорное кольцо. Движением плиты пресса производят прессование, после чего разбирают пресс-форму ивы- талкивают изделие. - 21 - Рис. 5. Пресс-форма для изготовления цилиндрических сплошных заготовок 1 - пуансон 2 – упорное кольцо 3 – матрица 4 - подпятник Рис. 6. Пресс-форма для изготовления заготовки волоки 1 - пуансон 2 - упорное кольцо 3 - матрица 4 - стержень 5 – подпятник - 22 - Обычно для прессования с ручной дозировкой смеси используют винтовые, кривошипные и гидравлические прессы. Изделия с аксиальной полостью прессуют в формах со стержнем и полым пуансоном. Наиболее распространённый вид такого рода изделий из твёрдых сплавов - это заготовки волок. Пресс-форма для изготовления деталей типа "заготовка волоки" изображена на рис. 6. Порядок работы се использованием аналогичен описанному выше. Использование пресс-форм, изображённых на рис, б, предполагает наличие ручного труда с низкой производительностью, поскольку все операции (взвешивание твёрдосплавной смеси нары- чажных весах, заполнение пресс-формы смесью, прессование, разборка пресс-форм) выполняются вручную. Поэтому такой инструмент используется, как правило, только для изготовления изделий в небольших количествах. Крупные партии изделий прессуют на автоматических прессах, схема работы которых представлена на рис. 7. Рис. Схема прессования на автомате "Дорст": а - заполнение матрицы б - закрытие канала верхним пуансоном в - прессование на нижний пуансон г - выталкивание изделия- верхний пуансон 2 - стержень 3 – матрица 4 - нижний пуансон 5 – дозатор - 23 - Цикл работы пресс-автомата типа «Дорст» включает следующие элементы. Приподнятом верхнем пуансоне из дозатора осуществляется засыпка гранулированной смеси (положение а. После отведения дозатора верхний пуансон при движении вниз заходит в канал матрицы (положение б, затем матрица с верхним пуансоном надвигаются на нижний пуансон (положение в) и осуществляют прессование изделия. Стержень при этом перемещается вместе с матрицей, поскольку они находятся на одной траверсе. После того как изделие будет спрессовано, верхний пуансон перемещается в верхнее положение, а матрица со стержнем продолжает движение вниз, в результате чего происходит выпрессовка изделия из матрицы (положение г. В таком положении сталкива- тель при движении дозатора для заполнения матрицы перемещает готовую заготовку на ленту транспортера, удаляющего изделия на приёмный лоток. При использовании съёмника деталей возможен более простой вариант прессования (рис. Приподнятом верхнем пуансоне про- Рис. 8. Схема прессования при использовании съёмника деталей 1 - верхний пуансон 2 - съемник 3 - матрица 4 - нижний пуансон - 24 - изводят засыпку твёрдосплавной смеси из дозатора (положение а. Перемещением верхнего пуансона осуществляют прессование (поло- шение б, отводят пуансон в верхнее положение и, перемещая матрицу вниз, выпрессовывают заготовку. В конце выпрессовывания съёмник сжимает заготовку (положение вине даёт ей зайти обратно в отверстие матрицы при повторном её подъёме (положение г. После подъёма матрицы съёмник отпускает заготовку, которая при движении дозатора для заполнения матрицы сталкивается толкателем на транспортёр. Применение съёмника упрощает конструкцию пресс-формы, т.к. отпадает необходимость в наличии двух различных деталей стержня и нижнего пуансона. В процессе прессования между внешним слоем порошка и стенками пpecc-формы возникают силы трения, величина которых возрастает с увеличением давления прессования. Наличие таких сил трения приводит к появлению значительного перепада давления по высоте прессуемой заготовки. Наибольшие давления наблюдаются непосредственно вблизи торца пуансона, значения их снижаются по мере удаления от торца пуансона. Силы трения возникают также и между торцами пуансона и спрессованного изделия. Неравномерность в распределении давления приводит к неравномерности уплотнения порошка в разных местах брикета. На рис. 9 показано распределение плотности в цилиндрической заготовке, изготовленной из порошка твёрдого сплава. Неравномерное распределение плотности снижает механические и эксплуатационные характеристики изделия, а порой и не позволяет вообще получить качественную заготовку. Поэтому стараются уменьшить вредное влияние сил трения на стенках матрицы. При прессовании металлических порошков часто применяют смазку стенок матрицы однако при прессовании порошков твёрдых сплавов это не допускается вследствие резкого снижения механических характеристик изделий из-за загрязнения. Неравномерность распределения плотности в прессуемых заготовках может быть в значительной мере устранена применением двустороннего прессования, когда давление к порошку прикладывается сверху и снизу. На рис изображена схема двустороннего прессования и изменение плотности по высоте заготовки при различных схемах приложения нагрузки. - 25 - Рис. 9. Распределение плотности в сечении цилиндрической заготовки, спрессованной из твёрдосплавной смеси ВК 15; линии соединяют точки с равной плотностью, числа - плотность смеси, отнесенная к плотности компактного твёрдого сплава и выраженная в процентах [6] Естественно, что перепад давления зависит от высоты слоя прессуемого порошка, те. снижается с уменьшением высоты, т.к. ослабляется сопротивление трения порошка о стенки матрицы вследствие сокращения общей поверхности трения. Плотность спрессованной заготовки зависит от давления, приложенного при прессовании исходного порошка (рис. 11), причём для деформации гранулированной смеси необходимо приложить большее давление, чем для деформации негранулированной смеси той же плотности. Это связано с необходимостью затраты энергии на разрушение гранул, чего не требуется при деформации собственно порошка. При выталкивании спрессованной заготовки из матрицы проявляется так называемое упругое последействие, которое может - 26 - Рис. 10. Схема двустороннего прессования и эпюра распределения плотности по высоте изделия при двустороннем (1) и одностороннем (2) приложении нагрузки Рис. 11. Зависимости zz от плотности для негранулированного (1) и гранулированного (2) порошков ВК 6 - 27 - приводить к разрушению или появлению в заготовке расслойных трещин. Часто образуется поперечные расслойные трещины, появление которых можно объяснить тем, что в некоторый момент при выталкивании одна часть заготовки находится вне матрицы и свободно расширяется, тогда как другая ещё остаётся в матрице. Пояснением служит схема, приведённая на рис. 12. Верхняя часть заготовки выпрессована из канала матрицы, диаметре увеличился за счёт накопленной при прессовании потенциальной энергии. Нижняя часть заготовки ещё находится в матрице. Верхняя часть заготовки воздействует на нижнюю часть, вызывая на границе между ними растягивающие напряжения, приводящие к появлению трещин. Предупреждению расслоя способствует применение пресс-формы с коническим расширением выходного отверстия, обеспечивающим постепенное расширение заготовки при выталкивании. Причиной появления расслойных трещин является также упругое расширение матрицы при прессовании. Под действием давления прессования матрица расширяется, а после снятия его сжимается, разрывая брикет. Поэтому вероятность расслоя снижается и при увеличении жесткости матрицы, например, при увеличении толщин стенок. Рис. К пояснению возникновения трещин в результате упругого последействия Рис. Влияние выдержки при прессовании на упругое расширение заготовок , спрессованных из смеси ВК15 с 3,5% (no массе) парафина при давлении 80 МПа [6] - 28 - Прирост в объёме брикетов после снятия нагрузки составляет при давлениях прессования до 100 МПа и повывается допри давлении около 700 МПа. Поэтому рабочий диапазон давлений прессования твёрдосплавных смесей выбирают обычно в пределах 100 - 150 МПа, когда последствия упругого последействия не столь значительны. Ослабление явлений разрушения заготовки при извлечении её из матрицы способствует выдержка поддавленном при прессовании, приводящая к релаксации напряжения в прессуемой заготовке и, по- видимому, к возможности выпуска из пор находящегося там воздуха (рис. 15). 4.2. Гидростатическое прессование Процесс гидростатического прессования сводится к тому, что исходную порошковую смесь засыпают в эластичный контейнер, помещают в герметизированную емкость и подвергают всестороннему сжатию средой высокого давления (жидкостью. Для получения фасонных изделий их предварительно формуют в жёстких пресс- формах, а затем, погружая в составы жидких пластиков, создают тонкую эластичную оболочку, в которой и производится гидростатическое прессование. В отличие от рассмотренного выше прессования порошков в жёстких пресс-формах особенностью гидростатического прессования является всестороннее и равномерное приложение давления, под действием которого частицы порошка свободно перемещаются к центру заготовки. Эластичная оболочка, свободно деформируясь, не препятствует усадке порошка при прессовании ив тоже время предохраняет порошок от проникновения в него рабочей среды. Указанные особенности метода гидростатического прессования обеспечивают 1) равномерность давления по сечению и длине изделия из-за отсутствия потерь на трение частиц порошка о стенки контейнера, характерного для обычного прессования 2) равномерное распределение плотности и изотропность фи- зико-механических свойств по объёму изделия 3) возможность применения высоких давлений прессования безопасности появления в заготовках расслойных трещин - 29 - 4) возможность получения высокой плотности и прочности заготовок 5) равномерную усадку заготовок при спекании 6) возможность прессования заготовок с любым отношением длины к поперечному сечению. Требуемое гидростатическое давление создаётся путём заполнения рабочей камеры средой высокого давления, подаваемой от соответствующего генератора (компрессора, насоса, мультипликатора, или путем сжатия жидкости в контейнере прессштем- пелем (пуансоном) пресса. Принципиальные схемы холодного изостатического прессования приведены на и и 15. В зависи- Рис. Схема прессования в гидростате: 1 – верхняя крышка 2 - уплотнение 3 - контейнер- жидкость 5 - оболочка 6 - порошок 7 - обмотка из ленты (проволоки 8 - нижняя крышка 9 - жёсткая рама 10 - резьба - 30 - Рис. Схема гидростатического прессования в контейнере пресса 1 - пуансон 2 - уплотнение 3 - рабочая жидкость 4 – оболочка 5 - порошок- контейнер мости от температуры при которой производится изостатическое прессование, различают холодное и горячее прессование, в зави- вимости от среды, передающей давление, - гидростатическое и газостатическое. При гидростатическом прессовании рабочей cредой служат различные жидкости, к которым предъявляются следующие требования невысокая вязкость, хорошая текучесть, малая сжимаемость. Эти жидкости должны сохранять необходимую вязкость под действием высокого давления. Как правило, жидкость под воздействием высокого давления повышает свою вязкость и при определенных критических давлениях могут переходить в твердое состояние. Поэтому выбор жидкой рабочей среды зависит от применяемых давлений. Для давлений до - 31 - 500-600 МПа в качестве рабочих жидкостей можно использовать воду, а также водные растворы с добавками эмульсии для снижения трения об оболочку. Для давлений до 1000 МПа рабочими жидкостями могут служить минеральные масла. При давлениях свыше 1600 МПа рекомендуется применять смесь этиленгликоля с глицерином. Для получения одинаковой плотности при гидропрессовании требуется давление на 20-25 % ниже, чем при прессовании в жёст- ких пресс-фоpмax. Наибольшую трудность при реализации процесса изостатического прессования представляет создание уплотнений, препятствующих вытеканию жидкости из рабочей камеры при значительных давлениях прессования. Решения этой нелегкой задачи можно избежать, применяя квазиизостатнческое прессование в жёстких пресс- формах, снабжённых эластичной втулкой (рис. 16). При рабочем Рис. 16. Схема прессования изделий в пресс-форме с эластичной втулкой а - положение до прессования б - положение после прессования - 32 - хода пуансон сжимает не только порошок, но и размещённую внутри матрицы втулку, выполненную из упругого материала, например, полиуретана. Втулка уменьшает свои размеры по оси прессования и увеличивает в поперечном направлении, осуществляя дополнительную деформацию порошка. Напряжённое состояние в этом случае приближается к равномерному всестороннему сжатию. При обратном ходе пуансона эластичная втулка приобретает начальную конфигурацию. 4.3. Выдавливание (мундштучное прессование) Выше отмечалось, что прессованием в жестких пресс-формах неуда тся получать изделия с большим отношением высоты к поперечному размеру. Для получения изделий такого вида применяется метод выдавливания (мундштучного прессования. Сущность этого метода состоит в том, что пластифицированная твердосплавная смесь продавливается через профилированное очко матрицы мундштука. При этом получаются заготовки соответствующего профиля, которые затем подвергаются спеканию. Выдавливание дает возможность получать длинномерные изделия с равномерной плотностью) по всей длине, например, тонкие стержни, ленту, трубки и т.д. Большое практическое значение имеет производство этим методом длинных спиральных изделий - заготовок свёрл, а также фрез, развёрток. В качестве пластификатора для исходных смесей применяют, как правило, парафин, который вводят в количестве 6-10 % (по массе) или 35 – 65 % по объему в виде мелкой стружки в сухой порошок. Полученную массу нагревают до 80-120 о С и перемешивают. Однако при этом нужно гомогенизации массы еще не достигается, поэтому массу дополнительно несколько раз продавливают через многоканальные матрицы. Массу спрессовывают в цилиндрические брикеты небольшой высоты с диаметром, равным диаметру контейнера, предназначенного для выдавливания. Процесс выдавливания изделия осуществляется в специальном обогреваемом инструменте, схема которого представлена на рис. 17. Температуру процесса выдерживают в пределах 35 – 40 %. - 33 - Рис. 17. Схема сборки инструмента для выдавливания твердосплавных смесей 1 - пуансон 2 - контейнер 3 - теплоизоляция 4 - нагреватель 5 - конус 6 - матрица мундштук 7 – основание Для получения качественных изделий необходимо удалить пластификатор, находящийся в большом количестве в спрессованных заготовках, до проведения окончательного спекания. Для этого проводят предварительное низкотемпературное спекание при относительно медленной скорости нагрева изделий. Парафин полностью удаляется из заготовок при температуре 300 о С в специальных муфельных печах. Некоторые общие черты с методом выдавливания имеет способ литья твердосплавных смесей под давлением. В этом случае суспензия твёрдосплавного порошка в расплавленном пластификаторе обычно, парафине) при температуре С давлением воздуха в литейном баке нагнетается через литниковую систему в литейную - 34 - форму. Там суспензия застывает, приобретая конфигурацию рабочей полости, после чего изделие извлекают, сушат и спекают. Преимущество литья под давлением перед другими методами формования заключается в том, что плотность по объёму прессовки независимо от её формы получается равномерной, вследствие чего нет искажения геометрии изделия при спекании. Вместе стем удаление пластификатора из отливок без нарушения их структуры представляет собой трудную задачу. 4. 4. Прокатка Вследствие трудности равномерного распределения порошка изготовление в пресс-формах относительно тонких длинномерных заготовок из твёрдого сплава вызывает затруднения. В тоже время имеется большая потребность в вырубных штампах, дисковых фрезах, ножах и других инструментах из твёрдого сплава, имеющих значительные два размера (длину и ширину или диаметр) при небольшой толщине. Изделия такого вида возможно получать прокаткой твёрдосплавной смеси с последующей вырубкой готовых изделий из плоского проката. Процесс прокатки состоит в том, что порошок из бункера под действием собственной массы подаётся к вращающимся в разные стороны валкам, захватывается ими за счет сил трения и, одновременно уплотняясь, формуется в ленту. Схема процесса прокатки представлена на рис. 18. Плотность получаемой ленты увеличивается с повышением насыпной массы порошка, диаметра валков и уменьшается с повышением зазора между валками. При постоянных значениях насыпной массы и диаметра зависимости плотности ленты от зазора между валками представлены на риса. При увеличении толщины ленты, те. зазора между валками, плотность ленты будет уменьшаться ив пределе будет равна плотности порошка. Это значит, что порошок не станет прокатываться при большом зазоре между валками и будет наблюдаться его высыпание в зазор между валками. Приуменьшении зазора между валками лента получается плотнее, но, очевидно, более плотной, чем компактный металл с плотностью к, получиться не может. - 35 - Рис. 18. Схема процесса прокатки порошка 1 – валки 2 - бункер 3 - лента Рис. 19. Зависимости плотности ленты от толщины (аи толщины ленты от диаметра валков (б) - 36 - С увеличением диаметра валков увеличивается толщина ленты, которую возможно получить на данном стане безопасности просы- паиия порошка в зазор между валками (рис, б. Это обстоятельство некоторым образом аналогично росту угла захвата при увеличении диаметра рабочих валков при прокатке компактного металла. О том, что кривизна валков существенно влияет на максимальную толщину проката из порошка говорят результаты опытов свалками разной кривизны (рис. 20, 21). Как видно из графика на рис, толстую ленту из порошка можно получить, увеличивая радиус валка до бесконечности, те. в пределе проводя прокатку с использованием жёсткой подкладки. Дальнейшее увеличение толщины проката возможно с использованием валка, имеющего отрицательный радиус кривизны (рис. 20, г. Рис. 20. Схема прокатки валками с различным радиусом кривизны а – R 1 = R 2 ; б - R 1 < R 2 ; в - R 1 / R 2 = 0; г - R 1 / R 2 ;< 0 Установлено, что для стабильного процесса прокатки диаметр рабочих валков должен быть враз больше толщины прокатываемой заготовки. Это обстоятельство обусловливает громоздкость прокатного стана в случае прокатки относительно толстых полос вследствие необходимости иметь валки большого диаметра- Рис. 21. Зависимость максимальной толщины проката от соотношения радиусов кривизны рабочих валков Этот недостаток устранён в конструкции [24], состоящей из приводных валков, натяжных роликов, формующего элемента и кольцевой гибкой ленты, охватывающей эту совокупность узлов рис. 22). Формующий элемент выполнен в виде набора опорных роликов, расположенных по образующей очага деформации. На опорные ролики опирается бесконечная гибкая лента, образующая границы очага деформации. Ролики могут быть расположены по сколь угодно большому радиусу кривизны без увеличения габаритов устройства. Порошки твёрдых сплавов из-за большого содержания трудно- деформируемых карбидов обладают плохой формуемостью, что затрудняет их прокатку в ленту. Установлено, что для получения лент из твёрдосплавных смесей оптимальной является прокатка в направлении под углом к горизонту С. Вне этих пределов появляется опасность разрушения ленты из-за низкой прочности и пластичности. В качестве пластификатора к порошкам твёрдого сплава добавляют раствор парафина в бензине или бензоле (3...5% парафина к массе порошка. Большое содержание парафина приводит к налипанию массы навалки- Рис. 22. Схема устройства для прокатки порошка 1 - рабочие валки 2 – натяжные ролики 3 - лента 4 - формующий элемент 5 - корпус В настоящее время в валках диаметром 150-160 мм получают ленты толщиной 1...2,1 мм, в валках диаметром 600 мм - толщиной мм. Более тонкие (до 0,2 мм) ленты получают пут м многократного проката в валках диаметром 150 мм с обжатием за проход 10...20%. - 39 - 4.5. Динамическое формование Динамическое или импульсное формование отмечается малой продолжительностью процесса, измеряемой микросекундами, и высокой скоростью перемещения частиц порошка (200... 3000 мс. Источником энергии при динамическом формовании служат взрывчатые вещества, сжатые газы, электрогидравлический эффект, энергия электромагнитного поля. При взрывном прессовании порошок уплотняется пуансоном, который разгоняется детонацией взрывчатых веществ или сжатым газом. Средой, передающей давление, может служить жидкость гидродинамическое прессование. Разновидностью этого метода является прессование "взрывающейся проволочкой. В порошок, уплотнённый одним из обычных способов, закладывают отрезок проволочки, соединённый с электроразрядным устройством. Порошок и проволочка разделены слоем диэлектрика (желатин, пластилин, парафин. При электрическом разряде большой мощности проволочка мгновенно расплавляется и испаряется, также, как и прилегающий слой диэлектрика, расширяющиеся газы уплотняют порошок изнутри. Достоинство метода - отсутствие необходимости применения жидкой среды для передачи давления. Электрогидравлический эффект заключается в том, что при электрическом разряде между электродами, погружёнными в жидкость, вокруг разрядного канала образуется зона высокого давления, распространяющегося по объёму камеры. Погружённый в жидкость порошок, заключённый в контейнер из эластичного материала, уплотняется под действием волны высокого давления. Для всех динамических методов характерна возможность получения высоких давлений прессования, достигающих десятков тысяч мегапаскалей. Соответственно появляется возможность уплотнять порошки до плотности, близкой к плотности компактного материала. Так, например, порошок смеси BK15 удаётся спрессовать взрывом до относительной плотности 90 %. При этом получают по сравнению со статическим прессованием более высокую плотность и значительно меньшую, чем при гидростатическом прессовании, разноплотность прессовок. Различают два основных метода магнитно-импульсной обработки электродинамический и электроиндукционный. При электродинамическом методе используют силы притяжения токов, имеющих одинаковое направление, или силы отталкивания противоположно направленных токов. На рис. 23 представлена схема электродинамического прессования порошка. При разряде источника импульсного Рис. 23. Схема электродинамического метода прессования порошка 1 - контейнер 2 - медная оболочка 3 - изолятор 4 - порошок 5 - пуансоны 6 - источник постоянного тока напряжения по медной оболочке и по контейнеру протекают токи разного направления, которые вызывают силы отталкивания между ними. Оболочка имеет меньшую жёсткость, чем контейнер, поэтому она перемещается к центру изделия, обжимая порошок. Электроиндукционные способы формования основаны на взаимодействии магнитных полей соленоида и вихревых токов, наведенных в электропроводной заготовке. Все порошки, в том числе и металлические, в некомпактированном состоянии имеет низкую электропроводность, поэтому непосредственное их уплотнение с помощью импульсного магнитного поля невозможно. Индуцируемый в каждой частице ток в силу высокого межчастичного электросопротивления - 41 - замыкается в самой частице, вызывая её сжатие без взаимного перемещения. Для осуществления уплотнения применяют оболочки из хорошо проводящих электрический ток материалов. На рис. 24 представлена схема магнитно-импульсного прессования по схеме "обжим". Сущность способа заключается в сле- Рис. 24. Схема магнитно-импульсного поессования по схеме "обжим": 1 - индуктор 2 - оболочка 3 - порошок 4 - разрядник 5 - батарея конденсаторов 6 - выпрямитель 7 - трансформатор дующем батарея конденсаторов через выпрямитель заряжается от высоковольтного трансформатора. Затем через разрядник накопленная в конденсаторах энергия разряжается на индуктор, представляющий собой катушку соленоидального типа, навитую из медной шины. Внутри соленоида возникает импульсное магнитное поле. В результате взаимодействия магнитного поля индуктора и магнитного поля наведённых в оболочке вихревых токов оболочка деформируется и уплотняет порошок. Длительность процесса составляет 50... - 42 - 100 мс. При прессовании по схеме "раздача" (рис. 24) индуктор помещают внутрь оболочки при этом в результате разряда порошок уплотняется за счёт раздачи оболочки. Рис. Схема магнитно-импульсного прессования по схеме "раздача" (обозначения те же, что и на рис. 24) Удаление оболочки с изделия производят следующими способами. В полых изделиях в отверстия помещают индуктор и раздают оболочку электромагнитным полем. Для сплошных изделий индуктор устанавливают снаружи оболочки с зазором 1-2 мм и воздействуют электромагнитным полем, вызывающим раздачу оболочки. Для снятия оболочки используют также промежуточный между порошком н оболочкой слой легкоплавкого вещества, например, парафина, толщиной около 1 мм. При магнитно-импульсном прессовании оболочка разогревается за счёт наведенных в ней вихревых токов, слой парафина расплавляется и является средой, передающей давление. После прессования прессовку с оболочкой нагревают до 90... 100 о С, выплавляют промежуточный слой и снимают оболочку. - 43 - 5. СУШКА И СПЕКАНИЕ ИЗДЕЛИЙ Изделия заданной формы могут изготовляться двумя способами прессованием изделий в полном соответствии с чертежом по конфигурации и размерам с учётом усадки при спекании, а также формованием заготовки, которую затем подвергают механической обработке. Механическую обработку проводят на шлифовальных станках абразивными кругами и на токарных станках стальными или твёр- досплавными резцами. Изделия для механической обработки должны пройти предварительную подготовку, заключающуюся в сушке или предварительном спекании. В процессе сушки удаляется растворитель пластификатора, что повышает прочность изделия. Сушка способствует снятию внутренних напряжений, что предотвращает появление трещин при спекании, особенно при высокой скорости нагрева. Температура сушки находится в пределах 150…200°C; в этом интервале температур не происходит окисления компонентов твердосплавной смеси. Перед сложной механической обработкой изделия подвергают предварительному спеканию при температуре 650...750 о С. В процессе предварительного спекания не только улетучивается растворитель и выгорает пластификатор, но и возрастает контактная поверхность вследствие сваривания карбидных частиц, что способствует повышению прочности изделия. Спекание является заключительной технологической операцией производства твёрдых сплавов. Оно состоит в нагреве изделия до температуры С, выдержки при этой температуре и охлаждения. В спекаемом твердом сплаве образуется некоторое количество жидкой фазы в виде расплавленного кобальта или иной связки, жидкий металл смачивает зёрна карбида и частично растворяет их с последующей кристаллизацией при охлаждении. Спекание характеризуется существенным уплотнением еще до достижения температуры жидкой фазы и быстрым, почти полным уплотнением после её появления. Уплотнение до жидкой фазы осуществляется в твёрдых фазах и сопровождается диффузией карбидов в металл-связку с образованием твёрдых растворов. - 44 - Рассмотрим подробнее процесс спекания вольфрамовых твёр- дых сплавов при о удаляются пластифицирующие вещества при 400…700 о восстанавливаются окислы кобальта и вольфрама при 800…1100 о свариваются отдельные карбидные зёрна в местах их соприкосновения при 1150-1300 о образуются твёрдые растворы на основе кобальта, происходит значительная усадка изделия при 1300-1400 о происходит плавление полученной эвтектики и почти полное уплотнение сплава при С продолжается дополнительное растворение зёрен карбида вольфрама в жидком кобальте и происходит рост зёрен карбидной фазы, расплав заполняет все поры между зёрнами карбидов, заканчивается уплотнение изделия. После выдержки при максимальной температуре сплав охлаждается. При охлаждении в интервале Сиз жидкости выпадает на имеющихся зёрнах карбида растворённый карбид. При дальнейшем понижении температуры выделяется углерод, растворён- ный в кобальте. При спекании в качестве защитной атмосферы применяют водород, пропуская его через печь сопротивления. Чтобы уберечь изделия при спекании от обезуглероживания, их помещают в различные засыпки, в качестве которых используют графитовую крупку, порошок плавленной окиси алюминия (электрокорунд, корракс) и смесь корракса с графитовым порошком, а в некоторых случаях с сажей. Углерод, входящий в состав засыпки, образует с водородом и кислородом, находящимся в печи, углеводороды или окись углерода, которые создают заданную атмосферу вокруг спекаемого изделия. Помимо спекания изделия в токе водорода применяют спекание в вакууме, которое позволяет полностью удалить газы из спекаемых изделий и достигнуть высокой плотности. Режим работы вакуумных печей откачка до остаточного давления 0,5...4 мм рт. ст, подъем температуры со скоростью 20-30 град/мин, выдержка при температуре спекания и охлаждение. После спекания изделия подвергаются контролю качества согласно требованиям технических условий. - 45 - 6. ГОРЯЧАЯ ОБРАБОТКА ПОРОШКОВ ТВЁРДЫХ СПЛАВОВ 6.1. Прессование в графитовых пресс-формах Горячее прессование (спекание под давлением) в отличие от холодной деформации твёрдосплавных смесей не требует специальной подготовки порошка, те. замешивания с пластификатором. Порошкообразную смесь карбида и металла-связки засыпают в графитовую пресс-форму, состоящую из матрицы и пуансонов рис. 26). Пресс-форму устанавливают в специальный механический или гидравлический пресс, в котором предусмотрено устройство для электрического нагрева оснастки до С. Рис. 26. Схема горячего прессования в графитовой пресс- форме 1 - пуансоны 2 - матрица 3 - теплоизо- лятор; 4 - понижающий трансформатор После приложения к порошку давления порядка 10 МПа, предельного для графитовой матрицы, включают нагрев. При этом специальной защитной атмосферы не применяют, т.к. кислород воздуха на пути, к твёрдому сплаву взаимодействует с материалом пресс- формы. При температуре плавления металла-связки наступает быстрое уплотнение и, как следствие, сближение пуансонов. После выдержки в течение 10...30 мин нагревательное устройство отключают и после охлаждения снимают давление. Матрица пресс-формы используется лишь один раз, так как извлечь готовое изделие без разрушения матрицы неуда тся - жидкий кобальт проникает в поры графита, образуя прочное сцепление изделия с матрицей. Основная технологическая особенность горячего прессования порошка твёрдого сплава заключается в значительной пластической деформации прессовки в момент спекания. Материал, сжимаемый пуансонами, заполняет рельеф поверхности пресс-формы, точно повторяя конфигурацию полости матрицы. Если при обычном спекании происходит трёхмерная усадка изделия, то при горячем прессовании размеры в горизонтальном сечении остаются неизменными. Горячим прессованием можно получать изделия сложной конфигурации, нос низким классом чистоты поверхности, т.к. поверхность изделия получается неровной вследствие взаимодействия расплавленного кобальта с поверхностью графитовой пресс-формы. Достоинство метода горячего прессования - простота изготовления графитовых пресс-форм по сравнению со стальными. При выпуске единичных изделий бывает экономически целесообразно изготовить несколько графитовых пресс-форм, чем изготовить одну стальную, особенно для изделий больших размеров. Недостатком прессования в графитовых пресс-формах является возникновение в изделиях значительных термических напряжений, приводящих к появлению трещина иногда и к разрушению всего из- лелия. Причиной наличия термических напряжений является весьма неоднородное поле температур по сечению заготовки. Ток протекает обычно как по стенкам матрицы, таки через порошок, величина же электросопротивления этих проводников различна, различна также и величина теплоты, выделяющейся при этом. Значительно также изменение температуры по высоте пресс-формы из-за наличия водоохлаждаемых токоподводов и пуансонов пресса. Установлено, что перепад температур при прессовании заготовки диаметром 120 мм может достигать 70...100 о С. - 47 - Таким образом, целесообразной областью применения горячего прессования в графитовых пресс-формах можно считать получение крупногабаритных изделий, размеры которых не позволяют использовать холодное прессование в жёстких пресс-формах, когда нужны прессы значительного усилия, громоздкие пресс-формы и специальные печи для спекания с большим рабочим пространством. 6.2. Горячее изостатическое прессование Изостатическое прессование порошков при высокой температуре может осуществляться с использованием в качестве сред высокого давления жидкостей (гидростатическое прессование, газов (газо- статическое прессование) и сыпучих сред. Высокотемпературное гидростатическое прессование обычно производится в жидких расплавах стекла. В последние годы для горячего изостатического прессования стали применять в качестве среды, передающей давление, подогретый инертный газ. Это позволило исключить операцию высокотемпературного спекания и резко улучшить физико-механические свойства изделия и повысить равномерность их распределения по сечению изделия. Газостаты обычно развивают давление до 500-600 МПа. В настоящее время проводятся работы по созданию оборудования и разработке технологии горячего изостатического прессования порошковых материалов, где давление при прессовании передаётся жидкостью через теплоизолирующую сыпучую среду. В качестве передающей давление среды рекомендуется использовать кварцевый песок дисперсностью 0,06 мм (дои давлениях до 150 МПа, двуокись циркония дисперсностью 0,5 мм (выше Си давлениях до 150 МПа, электрокорунд дисперсностью 0,4 мм (выше Си давлениях выше 150 МПа. Защитная оболочка вокруг порошковой заготовки может быть создана напылением металлической плёнки, покрытием специальными лаками, локальным расплавлением поверхностного слоя заготовки, герметизацией в специальном чехле - ампуле. - 48 - 7. ПРОВЕРКА КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ Качество спечённого твёрдого сплава проверяют контролируя макроструктуру, металлографическим анализом, измерением плотности, коэрцитивной силы, твёрдости, предела прочности на изгиб. Контроль макроструктуры осуществляют осмотром поверхности излома. Нормальная макроструктура отличается изломом с однородной поверхностью серого света. Отдельные блестящие точки являются признаком обезуглероживания. Тёмные пятна говорят об изменении количества свободного углерода. Металлографический контроль [11] заключается в осмотре шлифа при увеличении враз, при этом определяют пористость сравнением с эталонной шкалой и наличие включения фит. При увеличении враз оценивают равномерность распределения металла связки и величину зёрен карбидной фазы. Методом гидростатического взвешивания определяют плотность полученного изделия [8]. При испытании вольфрамсодержащих сплавов по коэрцитивной силе судят о содержании кобальта с точностью, размере и распределении зёрен карбидной составляющей сплава. Напомним, что коэрцитивная сила является физической величиной, характеризующей напряжённость магнитного поля, необходимую для полного размагничивания образца, предварительно намагниченного до насыщения. Для испытания на твёрдость от партии отбирают образцы и шлифуют поверхность измерения. Образцы помещают в прибор Рок- велла, измерения производят по шкале А [10]. Для определения предела прочности при поперечном изгибе образцов твёрдых сплавов применяют метод разрушения свободно лежа- щeгo на двух опорах образца одной сосредоточенной силой [9]. Образцы в форме длинного параллелепипеда - штабика. Образцы готовят прессованием в жёстких пресс-формах. На образце указывают сторону давящего пуансона. Спекают образцы вместе с изделиями, изготовленными из смеси той же партии. После испытания рассчитывают предел прочности при изгибе по формуле 𝜎 = 𝑀 𝑊 = 3𝑃𝑙 2𝑏ℎ 2 , - 49 - где M = Pl/4 - максимальный изгибающий момент M = bh 2 /6 - момент сопротивления образца Р - разрушающая нагрузка b и h - ширина и высота образца l - расстояние между опорами. Скорость нагружения выдерживают в пределах 4-10 мм/мин. Пластины для оснащения режущего и бурового инструмента подвергают дополнительным испытаниям, которые имитируют условия эксплуатации. В основном, это испытания на определение износостойкости. ЛИТЕРАТУРА 1. Металлокерамические твёрдые сплавы / Н.И.Романова, П.Г. Чекулаев, В.И.Лусев, Т.А.Лившиц, М.Н.Курдов. - М Металлургия, 1970. - 352 с. 2. Баженов М.Ф., Байчман С.Г., Карпачев Д.Г. Твёрдые сплавы Справочник/Под ред. М.Ф.Баженова. - М Металлургия, 1978.- 184 с. 3. Раковский B.C. Спечённые материалы в технике. - М Металлургия, 1978. - 232 с, сил. Федорченко Л.Н., Андриевский Р. А. Основы порошковой металлургии. - Киев : Изд. АН УССР, 1961.- 420 с, сил. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов. - М Металлургия, 528 с. , сил. Мальцев МВ, Доронькин ЕД, Езерский К.И. Гидростатическая обработка тугоплавких металлов. - М Металлургия, 1978. - 272 с, сил. Злобин Г.П. Формование изделий из порошков твёрдых сплавов. - М Металлургия, 1980. - 224 с, сил. ГОСТ 20018-74. Сплавы спечённые твёрдые. Определение плотности. Введён с 01.01.76. – М Изд. стандартов, 1975. - 5 с. 9. ГОСТ 20019-74. Сплавы спечённые твёрдые. Определение предела прочности при поперечном изгибе. Введён с 01.01.76. – М Изд. стандартов, 1975. - 4 с. 10. ГОСТ 20017-74. Сплавы спечённые твёрдые. Определение твердости по Роквеллу. Введён с 01.01.76.- М Изд. стандартов, 1975.- 4 с. - 50 - 11. ГОСТ 9391-80. Сплавы спечённые твёрдые. Методы oпpeдe- ления пористости и микроструктуры. Введён с 01.01.83.- М Изд. стандартов, 1981. - 10 с. 12. Аксёнов Г.И. Основы порошковой металлургии. -Куйбышев Куйбышевское кн.изд., 1962. - 188 с, сил. З. ГОСТ 3882-74. Сплавы твёрдые спечённые. Марки. Введён с 01.01.76. - М Изд. стандартов, 1976. – 10 с. 14. ГОСТ 20559-75. Сплавы твёрдые. Изделия, спечённые и порошки. Правила приемки и методы отбора проб. Введён с 01.01.80.- М Изд. стандартов, 1974. - 6 с. 15. ГОСТ 19440-74. Порошки металлические. Определение насыпной плотности. Введен с 01.01.75. - М Изд. стандартов, 1974. 4 с. 16. ГОСТ 20889-75. Порошки металлические. Метод определения текучести. Введен с 01.01.77. М Изд. стандартов, 1976. - 4 с. 17. ГОСТ 22662-77. Порошки металлические.Методы седиментационного анализа. Введён с 01.01.79. - М Изд. стандартов, 1978. - 12 с. 18. ГОСТ З. Порошки металлические. Методы отбора и подготовки проб. Введён с 01.01.80. - М Изд. стандартов, 1979. - 6 с. 19. ГОСТ 23402-78. Порошки металлические. Определение величины частиц. Введён с 01.01.80. – М Изд. стандартов, 1977. - 13 с. 20. ГОСТ 25279-82. Порошки металлические. Метод определения плотности после утряски. Введён с 01.01.83. – М Изд. стандартов, 1982. - 3 с. 21. ГОСТ 25280-82. Металлургия порошковая. Метод oпpeдe- ления уплотняемости и формуемости. - Введён с 01.01.83. - М Изд. стандартов, 1982. - 8 с. 22. ГОСТ 25281-82. Металлургия порошковая. Метод определения плотности формовок. Введён с 01.01.83. - М Изд. стандартов, 1982. - 4 с. 23. ГОСТ 25282-82. Металлургия порошковая. Метод определения прочности прессовок. Введён с 01.01.83. - М Изд. стандартов, 1982. - 5 с. 24. Ас. 404206 (СССР. Б.Е.Хайкин, Ю.Н.Логинов, С.В.Шилов. С.И.Паршаков. Устройство для прокатки порошка. Опубл. в Б.И. I5.02.81, № 6 - 51 - ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица Марки, состав (%) и свойства металлокерамических твёрдых сплавов Марка Содержание основных компонентов в смеси порошка, % и, МПа не менее Плотность, г/см 3 HRA, не менее Карбид вольфрама Карбид титана Карбид тантала Кобальт ВК3 97 - - 3 1200 15,0-15,3 89,5 ВК3-М - - 91,0 ВК4 96 - - 4 1550 14,9-15,2 89,5 ВК4-В - - 1500 88,0 ВК6 94 - - 6 1550 14,6-15,0 88,5 ВК6-М - - 1450 14,8-15,1 90,0 ВК6-ОМ 92 - 2 1300 14,7-15,1 90,5 ВК6-В 94 - - 1700 14,6-15,0 87,5 ВК8 92 - - 8 1700 14,4-14,8 ВК8-В - - 1850 86,5 ВК8-ВК - - 1800 14,5-14,8 87,5 ВК10 90 - - 10 1800 14,2-14,6 85,0 ВК10-М - - 1650 14,3-14,6 88,0 ВК10-ОМ 88 - 2 1500 88,5 ВК11-В 89 - - 11 2000 14,1-14,4 86,0 ВК11-ВК 89 - - 1900 87,0 ВК15 85 - - 15 1900 13,9-14,1 86,0 ВК20 80 - - 20 2120 13,4-13,7 84,0 ВК20-КС - - 2150 82,0 ВК20-К - - 1700 79,0 ВК25 75 - - 25 2200 12,9-13,2 82,0 Т30К4 66 30 - 4 1000 9,5-9,8 92,0 Т15К6 79 15 - 6 1200 11,1-11,6 90,0 Т14К8 78 14 - 8 1300 11,2-11,6 89,5 Т5К10 85 6 - 9 1450 12,4-13,1 88,5 Т5К12 83 5 - 12 1700 13,1-13,5 87,0 ТT7К12 81 4 3 12 13,0-13,3 87,0 ТT8К6 84 8 2 6 1350 12,8-13,3 90,5 ТT10К8-Б 82 3 7 8 1650 13,5-13,8 89,0 ТT20К9 71 8 12 9 1500 12,0-13,0 - 52 - ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ 3 ВВЕДЕНИЕ 4 1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ИСТОРИИ МЕТАЛЛУРГИИ ПОРОШКОВ 4 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 7 2.1. Вольфрамсодержащие твердые сплавы 2.2. Безвольфрамовые твердые сплавы 2.3. Минералокерамические материалы 7 10 12 3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СМЕСЕЙ 13 4. ФОРМОВАНИЕ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ СМЕСЕЙ 4.1. Прессование в жестких пресс-формах 4.2. Гидростатическое прессование 4.3. Выдавливание (мундштучное прессование) 4.4. Прокатка 4.5. Динамическое формование 20 20 28 32 34 39 5. СУШКА И СПЕКАНИЕ ИЗДЕЛИЙ 43 6. ГОРЯЧАЯ ОБРАБОТКА ПОРОШКОВЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 6.1. Прессование в графитовых пресс-формах 6.2. Горячее изостатическое прессование 45 45 47 7. ПРОВЕРКА КАЧЕСТВА ИЗДЕЛИЙ 48 ЛИТЕРАТУРА 49 ПРИЛОЖЕНИЕ 51 - 53 - в. план 1984 г. поз Ю.H.Логинов ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Учебное пособие Научный редактор доцент, канд.техн.наук С.П.Буркин Редактор издательства Д.А.Хрупало Корректор Т.П.Палиброда _____________________________________________________ Подписано в печать 26.06.84 НС 14408 Формат 60x84 1/16 Бумага писчая белая Плоская печать Усл.п.л. 3,02 Уч.изд.л. 3,00 Тираж 150 Заказ 661 Цена 15 к. ______________________________________________ Редакционно-издательский отдел УПИ им.С.М.Кирова 620002, Свердловск, УПИ, главный учебный корпус Ротапринт УПИ, 620002, Свердловск, УПИ, й учебный корпус 1 2 |