Порошковые твердые сплавы

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Факультет:»Машиностроение, металлургии и транспорта»

Кафедра: «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»

Контрольная работа

На тему:

«Порошковые  твердые сплавы»

По дисциплине:

«Материаловедение и ТКМ»

Выполнил: Студент 5-ЗФ-34                                                                             Проверил:

___________ Мочалин Д.В                                                      __________Марков Ю.М

«___»_____________2015 г.                                                      «___»__________2015 г.

Самара 2015г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                                          3 

1 КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА                                       4

2 СВОЙСТВА СПЛАВОВ                                                                  5

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА                9

4 НОМЕНКЛАТУРА СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ  СПЛАВОВ         10

5 ЛИТЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ                                                         11

6 ПРИМЕНЕНИЕ И РАЗРАБОТКИ                                                   12

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                    17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                           18

ВВЕДЕНИЕ

Твердые сплавы, материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур.

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.

 Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

1 КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА

Твердые сплавы представляют собой сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC) и металлической связки (кобальт или никель). Твердые сплавы обычно содержат 70-97 % тугоплавких карбидов. Они обладают высокой твердостью (86-92 HRA), красностойкостью (800-1000 °С) и износостойкостью при меньшей прочности по сравнению с быстрорежущей сталью (σ < 2500 МПа). Твердые сплавы условно делят на 4 группы:

1) однокарбидные вольфрамовые, состоящие  из карбида вольфрама и кобальта (WC – Co);

2) двухкарбидные титановольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама (основа), карбида титана и кобальта (WC - TiC - Co);

3) титанотанталовольфрамовые сплавы, в состав входят карбиды вольфрама (основа), титана, тантала и кобальт (WC – TiC – TaC – Co);

4) безвольфрамовые твёрдые сплавы, состоящие из карбида или карбонитрида  титана, связки Ni или сплава Ni - Mo: TiC - Ni - Mo (сплавы ТН); TiC – TiN - Ni - Mo (сплавы  КНТ).

 Вольфрамовые сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, указывающей процентное содержание кобальта, например, сплав ВК 6 содержит 6 % кобальта, остальное 94 % - карбид вольфрама. К этой группе относятся сплавы ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, BKIO, BKI5, ВК20, ВК25. Чем больше кобальта в твердом сплаве, тем выше прочность, но ниже твердость и износостойкость. Теплостойкость их - до 800 °С. Для сплава ВК8, например, предел прочности при изгибе σu = 1717 МПа, твёрдость 87,5 НRА, а для сплава ВК25: σu = 2452 МПа, 83 HRA. Буква М в марке сплава обозначает, что сплав мелкозернистый (ВК6 М), буква К – крупнозернистый (ВК20 – К), буква В указывает, что изделия спекались в атмосфере водорода (ВК6-В). Сплавы с крупным зерном отличаются повышенной ударной вязкостью. Чем меньше зерно карбидной фазы, тем выше износостойкость твёрдого сплава. Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквами ТК и цифрами, стоящими после каждой цифры, которые указывают конкретное содержание карбида титана и кобальта. Так, Т15К6 содержит 15 % карбида титана, 6 % кобальта, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТК – до 900-1000 °С. Титанотанталовольфрамовые сплавы обозначаются буквами ТТК и цифрами: ТТ7К12 - карбидов титана и тантала - 7 %, кобальта 12 %, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТТК- до 1000 °С. Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, отсутствием дефицитного вольфрама, вдвое меньшей плотностью по сравнению со сплавами группы ВК, однако уступают им по прочности, ударной вязкости и теплопроводности.

Химический состав безвольфрамовых твёрдых сплавов: - карбидотитановые – 70-80 % TiC, 20-40 % Ni-Mo (сплавы TH-20, TH-30, TH-40); - карбидонитридотитановые – 25-45 % TiC, 25-45 % TiN, 30-35 % Ni-Mo(KHT16). При обработке сталей используются сплавы группы ТК, а чугунов - группы ВК. Сплавы группы ТТК более универсальные, применяются как при обработке сталей, так и чугунов. Безвольфрамовые твердые сплавы рационально использовать при получистовой и чистовой обработке углеродистых сталей и цветных металлов.

2 СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Физические свойства

Плотность. Плотность сплавов зависит от химического состава сплавов (с увеличением содержания Со и титана уменьшается). Плотность снижается при наличии в конкретном сплаве остаточной пористости, свободного графита.

Теплопроводность. Твердые сплавы работают в условиях трения. В результате образуется тепло, которое при хорошей теплопроводности отводится от места контакта с обрабатываемым материалом.

Большое влияние теплопроводность оказывает на обработку резанием материалов, дающих сливную стружку, т.е. такую, которая в процессе резания трется о твердый сплав. Если твердый сплав имеет низкую теплопроводность, то выделяющееся тепло сосредоточивается на режущей кромке резца и стружке. В этом случае стружка размягчается и мало изнашивает сплав, но режущая кромка разогревается и интенсивнее изнашивается. Поэтому теплопроводность должна быть оптимальной, обеспечивая наилучшие режущие свойства сплава.

В пределах одной группы сплавов теплопроводность зависит от количества карбидной фазы и пористости. С уменьшением карбидной фазы и пористости теплопроводность возрастает.

Вольфрамокобальтовые сплавы более теплопроводны, чем титановольфрамкобальтовые.

Коэффициент линейного расширения. Он характеризует удлинение тела при нагреве. Коэффициент линейного расширения твердых сплавов зависит от химического состава сплава. С увеличением содержания кобальта коэффициент линейного расширения увеличивается.

Коэффициент линейного расширения титановольфрамовых сплавов примерно в 2 раза ниже, чем для малоуглеродистой стали. Это различие отражается на качестве инструмента с напаянными пластинами. Из-за дополнительных напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах линейного расширения, пластины могут отслаиваться от державки или иметь трещины.

Термические свойства твердых сплавов играют большую роль при изготовлении и эксплуатации инструмента. Твердые сплавы чувствительны к условиям нагрева и охлаждения, а они всегда имеют место при пайке пластин твердого сплава к инструменту, при шлифовании и заточке изделий. Во избежание образования трещин в изделиях из твердых сплавов. Следует применять медленное нагревание и охлаждение при пайке, оптимальные режимы при шлифовании и обильное охлаждение.

Красностойкость - свойство твердого сплава сохранять твердость, износостойкость и другие качества, необходимые для резания. Красностойкость важна для резания стали, так как сливная стружка трется о твердосплавную пластину и разогревает ее. Она проявляется в интервале температур 900 – 1000 ºС. Красностойкость титановольфрамовых сплавов выше, чем вольфрамокобальтовых, благодаря присутствию карбида титана.

Магнитные свойства

Из магнитных свойств твердых сплавов практически важной является величина коэрцитивной силы. Зависит главным образом от содержания кобальта и дисперсности кобальтовой фазы. Чем выше дисперсность кобальтовой фазы, тем выше значение коэрцитивной силы. Чем выше содержание кобальта, тем ниже коэрцитивная сила, так как увеличивается толщина прослоек.

Значения коэрцитивной силы указывают на размер зерен карбидной фазы,  так как размер участков кобальтовой фазы при одном и том же содержании кобальта зависит от величины зерен карбидной составляющей.

Механические свойства

Твердость - свойство твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела. Твердость - одно из главных свойств твердых сплавов, так как от нее зависит износостойкость. Главное влияние на нее оказывает количество карбидной фазы и величина зерна этой фазы. С увеличение количества карбидной фазы или уменьшением величины зерна твердость возрастает.

Для ТК - сплавов при постоянном размере зерен фазы WC и при увеличении размера зерен титановой фазы твердость сплава практически не меняется.

Титановольфрамовые сплавы отличаются более высокой твердостью, чем вольфрамовые, так как карбид титана тверже, чем карбид вольфрама.

С увеличением плотности (снижении пористости) твердость возрастает.

Наличие в избытке углерода в виде графита снижает твердость сплава, а недостаток углерода, вызывающий появление η-фазы, существенно повышает твердость, но снижает прочность.

Содержание углерода в пределах двухфазной области системы WC-Co не приводит к изменению фазового состава сплава, но отражается на составе кобальтовой фазы в связи с изменением растворимости вольфрама в кобальте (с уменьшением содержания углерода, увеличивается содержание растворенного вольфрама). Состав кобальтовой фазы в значительной степени определяет ее свойства и тем самым свойства сплава в целом.

Предел прочности при изгибе. Прочность - свойство твердого тела сопротивляться воздействию внешних сил.

Обычно прочность характеризуется величиной разрушающих нагрузок при сжатии, изгибе, растяжении.

Прочность твердых сплавов - одно из основных свойств.

Предел прочности находится в обратной зависимости от твердости и увеличивается с увеличением содержания кобальта, проходя через максимум 15-20%. Зависит и от величины зерна карбидной фазы. Максимум зависит от содержания кобальта.

Титановольфрамовые сплавы менее прочные, так как карбид титана менее прочный. Зависимость прочности от зернистости у ТК-сплавов более сложная. Наименьшую прочность имеют сплавы с крупной титановой фазой и мелкой фазой WC. При постоянной зернистости титановой фазы с увеличением размера зерен WC-фазы прочность растет, а твердость падает.

Прочность зависит от пористости, наличия графита, степени обезуглероживания, от интенсивности размола.

Предел прочности зависит и от содержания углерода в сплаве. Зависимость отражается кривой, максимум которой проходит при содержании в сплаве углерода 6.12 в пересчете на карбид вольфрама. Причем падение прочности происходит более резко при дефиците углерода, чем в случае его избытка. В общем можно сказать, что предел прочности сохраняет практически постоянное значение в интервале содержания в сплаве от 0.5% до 0.1%η-фазы.

Ударная вязкость растет непрерывно с увеличением содержания кобальта и ростом зерна. Является функцией прочности, так и пластичности. Поэтому зависимость более сложная.

Пластичность достигается не только увеличением размера зерна, но и применением высокотемпературных процессов восстановления вольфрама и карбидизации.

3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС  ПРОИЗВОДСТВА 

Производство 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 часов на шаровой мельнице и просеивают.

2. Порошок вольфрама перемешивают с ламповой сажей, и карбонизируют в бумажных или угольных патронах в течение 1 часа 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 ТiO 2+ С + W и получить сразу оба карбида.

3. Полученные порошки карбидов  и кобальта перемешивают в  течение 24 часа 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 часа 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.

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 часов 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 контроля, 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.

4 НОМЕНКЛАТУРА СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

В России и бывшем СССР для обработки металлов резанием применяются следующие спеченные твердые сплавы в таблице 4.

Таблица 4 – Применяемые в РОССИИ твердые сплавы

5 ЛИТЫЕ ТВЕРДЫЕ 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.

6 ПРИМЕНЕНИЕ И РАЗРАБОТКИ

 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 (рис.6, а)

Рисунок 6 а – фрезы, резцы

Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов (рис.6, б)

Рисунок 6 б - микрометры

Клеймение: оснащение рабочей части клейм (рис.6, в)

Рисунок 6 в – клеймы

Штамповка: оснащение штампов и матриц выдавливания (рис.6, г)

Рисунок 6 г - штамп

Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь (рис.6, д)

Рисунок 6 д – обоймы подшипников

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.

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. Это вызвало большой расход вольфрама.

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.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием различных материалов, в том числе чугунов, нержавеющих, жаропрочных и специальных сталей и сплавов. Важной областью применения твердых сплавов является их использование для волочения и калибрования проволоки, прутков, труб. В качестве материала для покрытия пластин используют карбиды, нитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV— VI групп периодической системы элементов. Наиболее широко применяемыми соединениями такого рода являются карбид, нитрид, карбонитрид титана. В результате обработки на поверхности твердосплавной пластины образуется мелкозернистый слой соединений, обладающих высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах. Повышению износостойкости инструмента посвящено много работ и исследования в этой области продолжаются и в настоящее время. И как результат качественных работ в этой области - огромная номенклатура всевозможного инструмента ведущих фирм производителей в области металлообработки таких как: Вальтер, Митсубиси, Сандвик, предлагающих инструмент с различным спектром износостойких покрытий, оптимальной геометрией, изготовленного из высококачественного инструментального материала, для, казалось бы, всех существующих условий работы инструмента на современном оборудовании, включая и скоростную обработку. Из всех существующих методов упрочнения инструмента выделим наиболее прогрессивные, нашедшие свое применение в производстве и являющиеся базой для многих современных покрытий. К таким относятся: химико-термический метод (цианирование); плазменное азотирование; плазменное нанесение покрытий типа TiN, в том числе и многослойных, градиентных покрытий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

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
6. Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986 Коротич В.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов. М., 1987