Реферат: Порошковые и композиционные материалы

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.

Страницы: 1, 2, 3, 4