Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Порошкова металургія

ВСТУП

Сучасний стан розвитку технічного рівня науки і промисловості залежить в значній мірі від відкриттів та розвитку нових матеріалів з різноманітними спеціальними властивостями, такими як: жароміцність, жаростійкість, корозійна стійкість, магнітні, антифрикційні і т.д. Будівництво нових машин, вдосконалення існуючих, винаходження нової техніки все це можливо тільки при застосуванні нових матеріалів. У виготовленні нових матеріалів, з різноманітними властивостями, порошкова металургія займає значну роль. Порошкова металургія — галузі науки і техніки, які об’єднують сукупність методів отримання порошків металів і сплавів, і виготовлення виробів з них та їх сумішей. Порошкова металургія існувала ще у Єгипті в ׀׀׀ столітті до н.е. , з дорогоцінних металічних порошків єгиптяни виготовляли прикраси та інші артефакти. У 19 столітті почалось масове виробництво виробів з порошкової металургії.

Порошкова металургія найбільш економічний метод виготовлення виробів, відходи матеріалів тут найнижчі, у порівнянні з усіма відомими методами виробництва (литтям, механічною холодною та гарячою обробкою), а кількість операцій є мінімальна. Порошкові матеріали та вироби з них тепер застосовують майже у всіх відомих галузях науки і техніки від біомедицини і мікроелектроніки до аерокосмічної техніки. Тобто порошкова металургія – прогресивний метод виробництва з великими перспективами розвитку. Виробництво твердосплавного інструменту взагалі неможливе без використання методів порошкової металургії, так як металокерамічні вироби являються гетеро фазними, тобто в них поєднуються тверді карбідні частинки з високою температурою плавлення, та більш легкоплавкий, пластичний цементуючий метал.

Безвольфрамові тверді сплави є дуже актуальними на сьогоднішній день. Створення твердих безвольфрамових сплавів викликано в першу чергу

економією гостродефіцитного вольфраму. Сплави марок ТН20 и КНТ16 по своїм основним властивостям не поступається традиційним вольфрамовим сплавам і успішно застосовуються замість них. Безвольфрамові тверді сплави знайшли своє застосування в гірничій справі. В шарошечних долотах робоча частина інструмента оснащувалась зубками з надміцного твердого сплаву, а для захисту тильної частини від зношення використовувались зубки із сплавів типу ВК6- ВК4,а на сьогодні сплав ВК4 успішно замінюється без вольфрамовим твердим сплавом ТН20,працездатність яких є на рівні сплавів ВК4,ВК6. Також тверді сплави застосовуються в машино - и приладобудуванні для армування витяжних штампів, в виробництві проволоки, прутків. Особливо ефективним виявилось застосування безвольфрамових твердих сплавів для армування витяжних матриць, формуючих вироби з молібдену, нікелю та інших кольорових металів та сплавів. Понижена схильність сплавів до адгезійної взаємодії виключають напилення на інструмент деформуючого матеріалу в процесі штамповки, забезпечуючи високу якість виробів и суттєве підвищення ефективності виробництва. Безвольфрамові тверді сплави застосовуються в хімічній, нафтохімічній, харчовій промисловості, теплоенергетиці. Надійно працює оснастка із сплаву ТН20 в запірній арматурі штуцерів безступінчастого регулювання тиску при видобутку нафти, газу. Стійкість штуцерів зі сплавом ТН20 перевищує стійкість сталевих у 30 разів. Широке застосування знайшли безвольфрамові сплави,здебільшого ТН20, для виготовлення різноманітних сопел і завіхрітелей , що використовуються при піскотрумній обробці,в хімічній та харчовій промисловості. Близько 70% твердих сплавів використовується для обробки матеріалів різанням. Із початку використання у промисловості спечених твердих сплавів різальний інструмент оснащували пластинами, що припаювалися до стальної державки, по мірі зносу, їх доводилося переточувати. В результаті переточування виникали безповоротні втрати матеріалу та порушувалась початкова геометрія.

1 ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РОЗДІЛ

1.1 Вибір і обґрунтування технологічного процесу

- вибір матеріалу для виготовлення виробу згідно з поставленим завданням в проекті;

- вибір та опис технологічного процесу;

- проведення матеріальних розрахунків та розрахунків балансу матеріалів;

- вибір і розрахунок потрібної кількості обладнання для виробництва деталей згідно завдання.

Безвольфрамові тверді сплави – матеріали в основу яких входить не карбід вольфраму, а інша тугоплавка сполука, найчастіше кабід або карбонітрид титану, цементуючою фазою слугують метали такі як нікель, кобальт з деякими добавками, молібден.

Сплави ТН та КТН по фізико-механічним властивостям наближаються до вольфрамовміщуючих твердих сплавів. Вони характеризуються окалиностійкістю та низькою адгезіонною взаємодією з оброблюваним матеріалом,низьким коефіцієнтом тертя в парі з загартованими сталями, а також високою зносостійкістю в агресивних та абразивних середовищах.

Карбідо-хромові тверді сплави з нікельовою, нікель-фосфатною та чугунною зв’язкою (- Ni) характеризуються високою твердістю, окалиностійкістю та корозійною стійкістю в водних розчинах кислот, лугів, мінеральних солей, морській воді, розплавленому склі, високою стійкістю до абразивного зносу. Легування нікелевої зв’язуючої малими добавками фосфору (0,2-0,3%) дозволяє значно підвищити міцність сплавів на згин (dзг = 1300 МПа), а добавками фосфору (1,6 -2,4%) дозволяє знизити температуру спікання сплаву до 1100 - 1150°. Ці сплави стійкі до окислення до температури 1000° С через, що застосовуються для виготовлення штампів.

До особливого класу безвольфрамових твердих сплавів слід віднести мінералокерамічні тверді сплави на основі оксиду алюмінію . Перш за все це мікроліт ЦМ 322 основою якого є білий електрокорунд з невеликим вмістом оксиду магнію. В процесі спікання отримується без пористий твердий матеріал.

Матеріал має високу міцність на згин до 800 - 1000 МПа. Використовуються для виготовлення: зносостійких та корозійностійких деталей машин,багатогранних непереточуємих пластин. Найбільш цінною є здатність зберігати свою твердість та зносостійкість при температурах 1100 — 1200°С.

Для чистової обробки загартованих сталей, сірих та ковких чавунів, кольорових металів та сплавів використовують оксикарбідну кераміку. В основі кераміки оксид алюмінію з добавками в якості активаторів спікання оксидів магнію, ітрію та цирконію. Оксикарбідну кераміку отримують гарячим пресуванням. Така кераміка має підвищену твердість( HRC = 92 - 94), підвищену стійкість при різанні, що дозволяє підвищити швидкість різання в 2–3 рази.

Для матеріалу при різанні та напівчистовій обробці і чистовій обробці сталей та чавунів має значення зміна твердості та в’язкості при підвищених температурах. Чим вище твердість при температурах різання, тим матеріал більш зносостійкий і тим вищі швидкості різання. Серед різних значень міцності грає роль перш за все міцність на згин, особливо в нагрітому стані,а також міцність при розтягненні та стиску. Термічні властивості також виявляють вплив на умови різання. Інструмент повинен мати низький коефіцієнт теплового розширення та добру теплостійкість.

Сплав ТН20, що має у своєму складі 79% TiC-17%Ni-4%Mo має забезпечити всі необхідні властивості для твердосплавних пластин, завдяки дрібнозернистій структурі, високій стабільності карбіда титану, відсутності адгезійного зчіплювання с оброблюваним матеріалом, низькому коефіцієнту тертя. Твердість ТН20 складає 91–92 HRA.

1.1.1 Вибір схеми технологічного процесу

Для виробництва виробів з безвольфрамових твердих сплавів існує ряд технологій:

- гаряче пресування;

- мундштучне пресування та гаряче лиття термопластичних шлікерів;

- пресування у прес-формах.

Розглянемо кожну с технологій окремо.

Гаряче пресування. Здійснюється у прес-формах, виготовлених з міцного і щільного графіту. Нагрівають прес-форми прямим пропусканням струму через пуансони , матрицю, індукційним способом або застосовують непрямий нагрів з одно- або двостороннім прикладенням тиску на пуансони. З ціллю запобігання прилипання спечених виробів до робочих частин графітової прес-форми, що тягне за собою необхідність руйнування прес-форми після кожного спікання, внутрішні стінки матриці і поверхні пуансонів,прилеглих до матеріалу що пресується, перед гарячим пресуванням покривають спеціальними змазками, наприклад суспензія жирного графіту у гліцерині. При гарячому пресуванні значно скорочується час нагріву, витримки і охолодження. Процес пресування проводиться при Т=1350–1440 ºС під тиском 50 МПа і витримкою 5–7 хвилин.

Дана технологія має свої особливості такі як: формування і ущільнення виробу проходить одночасно із спіканням. У процесі формування усадка проходить тільки у напрямку пресування,за рахунок того що заготовка затиснута між двома стінками прес-форми. Таким чином об'ємна усадка виробу дорівнює лінійній.

Перевагами даного методу є висока швидкість процесу. При звичайному методі окремого пресування та спікання,процеси спікання тривають 1–2 години, тоді як при гарячому пресуванні цей процес триває всього 3–10 хвилин. Тобто за один цикл можна виготовити значну кількість деталей,

використовуючи багатомісні прес-форми. Маємо можливість отримати вироби складної форми із точним дотриманням геометричних розмірів, отримати вироби високої міцності і практично не пористі.

Недоліками даного методу є: витрати спеціального графіту, складність вимірювання та регулювання температури, значні втрати тепла та низький ступінь чистоти поверхні.

Метод гарячого пресування використовується для виготовлення великогабаритних твердосплавних виробів високої щільності: крупних матриць для волочіння, матриць прес-форм для пресування твердих сплавів, витяжних штампів. Тобто дана схема (Рис. 1.1) не є оптимальною для виробництва без вольфрамових пластин.

Методи лиття з термопластичних лікерів. Використовують при отриманні заготовок з великим співвідношенням довжини до поперечного перетину (прутики і трубки будь якої форми, спіралі, вироби типу фрез, свердел). В якості пластифікаторів в цьому випадку використовують парафін з додаванням ПАР (бджолиний віск, церезин, олеїнову і стеаринову кислоти), які додають до парафіну в кількості 3 – 6 %. При введенні поверхнево активних речовин парафін нагрівають до 80 – 90 ^оС, після чого суміш перемішують протягом 30 – 45хв. Для приготування твердосплавної суміші з пластифікатором її компоненти змішують в термостатируваній пропелерній мішалці при температурі 85 – 90 ^оС протягом 4 – 6 годин. Після чого суміш заливають в термостатируваний ливарний апарат з температурою 65 – 70 ^оС за допомогою стисненого повітря чи інертного газу суміш нагнітають в попередньо підігріту стальну розбірну прес-форму. Після зняття навантаження прес-форму розбирають і витягають виріб. Виріб отриманий даним способом є більш пористий ніж при інших технологічних методах, що негативно впливає на подальші властивості і не є бажаним для виготовлення безвольфрамових ріжучих пластин.

TiC Ni, Mo

Дозування

Змішування етанол

(мокрий розмел)

Графітові прес-форми дистиляція

просів

Обмазка робочої поверхні

деталей прес-форм

графіто- гліцериновою

пастою збирання прес-форм

сушка гаряче пресування

Т=1300-1500ºС, Р=7-30 МПа

Контроль якості

Механічна обробка

Готовий виріб

Рисунок 1.1 – Технологічна схема виробництва БНП методом гарячого пресування

Перевагою даного методу є щільність по об’єму виливки є рівномірною в наслідок чого відсутні геометричні зміни розміру деталі під час спікання. Цей метод використовують для виготовлення малогабаритних виробів складної форми з великим співвідношенням довжини (прути, трубки, спіралі, фасонні вироби). Застосування даної схеми можливе для невеликих твердосплавних виробів і зв’язане з проблемою видалення великої кількості пластифікатора з виробу без зміни його структури. Технологічна схема (Рис.1.2).

Пресування у прес-формах. Найбільш розповсюджений метод в отриманні твердих сплавів – пресування в прес-формах, що обумовлено невеликою пластичністю сумішей порошків та їх дисперсністю. Висока дисперсність також не дозволяє застосовувати великий тиск при пресуванні через утворення розшарування. Щоб запобігти цьому в сполуки твердих сплавів вводяться пластифікатори. Тиск пресування складає 50–150 МПа в залежності від кількості та якості пластифікатору. При більш високих тисках пресування заготовки можуть розтріскуватись після зняття навантаження.

Змішування та приготування сумішей є одною з основних складових отримання твердих сплавів. В процесі розмелу з диспергуванням компонентів, гомогенізацією суміші та поліпшенням контактів між твердою складовою та зв'язкою збільшується дефектність зерен та запас їх вільної енергії. В результаті чого такі порошки схильні до більш інтенсивного та нерівномірного росту карбідної фази. Підбір оптимальних режимів та інтенсивність створюють вагомий вплив на структуру та властивості сплавів. Для змішування та подрібнення сумішей безвольфрамових твердих сплавів використовують атриторний або вібраційний млин з використанням шарів з сплаву ТН20(розмір частинок вихідних порошків дещо більший ніж при використанні ВК6, однак при спіканні утворюється більш однорідна структура, що підвищує міцність) співвідношення ваги шарів до ваги шихти 7:1 з 3х-добовим мокрим розмелом. Суміш після мокрого розмелу з видаленням спирту висушують в вакуумній сушильній шафі при температурі 100–110°С.

TiC Ni, Mo

Дозування

Змішування

Дистиляція

Просів

Олеінова, стеаринова

кислота,церезин, Вакуумування

бджолиний віск

Формування

Видалення пластифікатору

та попереднє спікання

Вакуум Остаточне спікання

Механічна обробка

Готовий виріб

Рисунок 1.2 – Технологічна схема отримання виробів з твердих сплавів методом гарячого литва термопластичних шлікерів

В я кості тимчасової зв’язки використовують 5% розчин СК в бензині. Спресовані заготовки також слід сушити в вакуумних шафах при температурі 120–140°С. Спікання спресованих виробів слід виконувати в два етапи: в середовищі водню при температурі 550–600°С. При цьому виникає слабовуглецева атмосфера, що необхідна для попередження зневуглецьовування карбідних складових. Відбувається довідновлення легко відновлюваних оксидів та видалення пластифікатору. При спіканні виробів у вакуумних печах температура спікання складає для ТН20 – 1370°С що на 90°С вище за температуру утворення евтектики для відповідних систем карбіду з зв’язкою нікелем. Дана схема виготовлення є достатньо простою та дозволяє отримати дуже щільні вироби із задовільними механічними властивостями. Перевагою є також використання стандартного обладнання.

Метод пресування у прес-формах є одним з найпродуктивніших. Для пресування цим методом використовують розбірні прес-форми з фасонними профілями пуансонів з незалежним їх рухом відносно одна одної. Описана технологічна схема зображена на Рис.1.3, саме ця схема є оптимальною за всіма параметрами, для виготовлення безвольфрамових ріжучих пластин.

TiC Ni, Mo

Дозування

Змішування, спирт, етанол

мокрий розмол

Вакуумна сушка

Просів

Змішування розчин СК в бензині

Пресування виробу

Сушка

Попереднє спікання

Остаточне спікання вакуум 2-5·

Готовий виріб

Рисунок 1.3 – Технологічна схема отримання сплавів ТН, пресування у прес-формах

1.2 ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

1.2.1 Обґрунтування асортименту продукції в технічних умовах на неї

Для вибору й обґрунтування схеми технологічного процесу, проаналізуємо деталь. Різець – різальний інструмент, що складається з твердого тіла, чи державки прямокутного, квадратного чи круглого перетину і голівки з робочою частиною, що ріже, що має визначену геометричну форму. Частина різця, що виконується з матеріалу (чи оснащується пластиною), твердість якого перевищує твердість оброблюваного матеріалу (з вуглецевої легованої, ріжучої сталі, твердих сплавів, мінералокерамічних композиційних і інших). Різець застосовують при обробці виробів на токарних, сельних, довбальних, стругальних, зубострогальних і спеціальних верстатах. Від властивостей інструментального матеріалу, конструкції різця, геометрії частини, що ріже, значною мірою залежить ефективність обробки, отриманої поверхні. Активність застосування твердих сплавів у промисловості залежить і багато в чому визначається раціональністю, і досконалістю інструмента, для оснащення якого вони призначені. Починаючи з моменту появи в промисловості спечених твердих сплавів, пластини з них прикріплювали до сталевої державки різця шляхом напайки. Останнім часом усе більш широке застосування одержує різальний інструмент із механічним кріпленням твердосплавної пластинки до державки різця. У цьому випадку застосовуються так звані багатогранні непереточувані пластини(БНП), що мають потрібну, заздалегідь додану при виготовленні форму, геометричні параметри і стан кромки, що ріже; перед використанням як робочої частини різця не вимагаються ніякі додаткові операції по їх обробці.

Вперше такі пластини з’явилися на ринку США в 1955 році. В СРСР багатогранні непереточувані пластини стали використовувати з 60-х років ХХ ст. В наш час на ринку США і країн західної Європи частка БНП складає

близько 80% в той час як на ринку України і країн СНД не перевищує 40%,

залишок складають напаяні пластини та інструменти на їх основі, що не відповідає світовим тенденціям і використовується через свою нижчу, в порівнянні з БНП ціну).

Щоб не прибігати до переточувань після затуплення кромки, що ріже, у процесі (як це робиться у випадку застосування різця з напаяною пластиною) непереточувані пластини виконують у виді багатогранників (трикутників, квадратів, п'ятигранників і т.д.), кожна сторона яких є кромкою, що ріже. Таку пластину кріплять до державки різця за допомогою спеціальних пристосувань, що дозволяють повертати її на державці навколо вертикальної осі, вводячи в робоче положення нову кромку, що ріже, замість затупленої. Деякі форми багатогранних непереточуваних пластин представлені на

рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 – Загальний вигляд багатогранних непереточуваних пластин

Ріжучу частину різця складають робочі поверхні, що при перетинанні утворять кромки, що ріжуть. Форму частини різця, що ріже, визначають також кути заточення, установлювані при проектуванні, виготовленні і контролі різця.

Загальний вигляд різців, в яких в якості ріжучого елемента використовуються

БНП представлено на рисунку 1.5:

Рисунок 1.5 – Загальний вигляд різців

Матеріалом для виготовлення багатогранних непереточуваних пластин виступає сплав ТН20.

В нашому випадку взято непереточувану пластину ТН стандартної круглої форми з отвором, яка відповідає вимогам ГОСТ 19070-80.

Рисунок 1.6 – конструкція непереточуваної пластини ТН

Згідно з ГОСТ 19070-80 позначення для непереточуваних пластин ТН наступні: 12113–120400; буквино-цифрове позначення: RNUA – 120400. Розміри пластинки складають d = 12,700мм; d₁ = 5,16мм; s = 4,76мм. При цьому, враховуючи розміри і густину матеріалу (ТН20), яка складає 5,8 г/см³, маса кожної пластинки становить 2.90г.

1.2.2 Обґрунтування вибору асортименту продукції і технічні умови на неї

При виготовленні безвольфрамових твердих сплавів важливе значення мають якість,склад, чистота вихідних матеріалів. Умови в яких вони зберігалися,з моменту виготовлення,те як порошки були оброблені перед

пакуванням в тару. Від гранулометричного складу залежить характер взаємодії частинок між собою та міцність готових виробів. У нашому випадку, для виготовлення БНП будемо використовувати сплав марки ТН20, з найдрібнішим розміром зерна D < 4мкм. При виготовленні порошків твердого сплаву ТН використовують порошки Ni, Mo та TiC з розміром зерна менше 70 мкм. Для виробництва TiC найчастіше використовують технологію в якій порошок діоксину титану перемішують з графітом або сажею, брикетують і піддають навуглецюванню при температурі 1800-2000°С. Вміст кисню в карбіді бажано не більше 0,08–0,15 масових відсотків. Далі готовий карбід подрібнюють, розмелюють і просівають на віброситах з метою виділення оптимальної фракції. Далі змішують між собою порошки Ni, Mo і карбіду титану, у необхідній кількості за допомогою технічних вагів, брикетують та спікають при Т=1300–1350°С. В результаті отримують губку твердого сплаву, яку далі подрібнюють у дробарці і піддають мокрому розмелу у кульових млинах протягом 16 годин, після чого отримують готовий продукт із розміром частинок 2–4 мкм. На етапі спікання використовують захисне середовище, а саме водень очищений від домішок .

Таблиця 1.1 – Технічні умови на сировину

№	Найменування	Характеристика	Державний стандарт або технічні умови
1	Карбід титану ТіС	D < 2	ТУ 6-09-492-75
2	Нікель Ni	D < 2	ГОСТ 9722-79
3	Молібден Mo	D < 2	ТУ 48-19-69-9
4	Водень	Очищений від	ДСТУ 3022-80

1.3 ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНИХ ОПЕРАЦІЙ

Дозування. Мета операції дозування полягає у тому, щоб дотримуватися найбільш оптимальних співвідношень компонентів у шихті і при виготовленні кінцевого продукту.

На даній операції використовуються технічні ваги (Рис.1.7). У процесі дозування ми отримуємо найбільш оптимальну кількість заданих матеріалів,для продовження технологічного процесу.

Рисунок 1.7 – Технічні ваги.

Змішування та мокре розмелювання. Одним із способів приготування сумішей, що широко використовуються в промисловості, є змішування з одночасним розмелюванням порошків у млинах при наявності рідкого середовища.

Змішування проводять для рівномірного розподілу компонентів в шихті. Від цього багато в чому залежать властивості спечених виробів. В процесі змішування відбувається переміщення частинок різних компонентів, які в початковому стані знаходяться порізно, або в неоднорідно впровадженому стані. В процесі змішування повинна виходити суміш, в якій до кожної частки основного матеріалу примикають частинки інших компонентів. В реальних умовах, в зв’язку з впливом різноманітності факторів на якість змішування, в мікрооб’ємах готової суміші існує різноманітність взаємного розташування часток компонентів, а їх співвідношення – випадкова величина.

Одночасно відбувається і розмелення. Розмелення - процес механічного подрібнення, результатом якою є збільшення поверхні матеріалу, що

оброблюється. В нашому випадку змішування і мокре розмелювання здійснюється у кульовому млині ШМ-2 (Рис.1.8). Подрібнення матеріалу відбувається в основному за рахунок ударної дії розмольних тіл – куль на частинки, а також зіткненням частинки з частинкою матеріалу. Ефективність змішування підвищується зі збільшенням співвідношення ваги куль до ваги шихти і складає7:1.Операцію проводимо у кульовому млині протягом 16 годин.

Для інтенсифікації процесів змішування та розмелення додають етиловий спирт – рідке середовище, яке протидіє розпиленню матеріалу і зворотньому злипанню тонких частинок за рахунок діелектричних властивостей. Рідина також зменшує тертя, як між кулями, так і між частинками матеріалу, що розмелюється завдяки чому інтенсифікується їх переміщення відносно один одного. Для контролю якості змішування та розмелювання беруть проби шихти і досліджують їх. Під час оцінки якості змішування велике значення має маса отриманої проби. Чим менша її маса, тим більш точно можна визначити якість змішування.

Рисунок 1.8 – Кульовий млин

Вакуумна сушка. Під час розмолу за наявності етилового спирту утворюється суспензія,

завдяки чому досягається рівномірність змішування. Сушка призначена для видалення з порошку вологи, яка заважає наступним операціям – протирки та пресуванню. Вона відбувається на протязі 1 години у вакуумній сушильній шафі ВШ-0,035 при температурі 100–110°С. За рахунок підвищеної температури, що досягає температури кипіння спирту, відбувається його випаровування. Ця операція включає в себе наступні етапи:

- розміщення суміші в сушильній шафі;

- витримка в шафі;

- вивантаження суміші з сушильної шафи;

- передача суміші на наступну операцію.