Порошковые и композиционные материалы

порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые

металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают

в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения,

тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

      Электролитическое  осаждение применяется для производства  порошков

электроположительных металлов —  меди и некоторых других металлов, например,

титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

      Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного

газа сначала применяли для  производства порошков легкоплавких металлов —

алюминия, олова и свинца. В настоящее  время этим методом распыляют  также

расплавленные сталь и чугун.

 

      Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований

к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются

порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров,

наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше

крупные порошки, особенно если среди  них есть и мелкие частицы, а спекаются

лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа:

порошок просеивают через ряд сит  со все более мелкими отверстиями  и

взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен определяют, рассматривая их

под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется

весом 1 см3 свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и

состояния поверхности его частиц и является очень важной его

характеристикой.

      При конструировании  прессформ необходимо знать насыпной  вес порошка,

который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости  матрицы и

ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему

или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

 

       Прессование.  Для прессования применяют большей  частью быстроходные

легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и

тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах

при давлении от 10 до 100 кГ/мм2 (от 98 до 981 Мн/м2) в зависимости от

твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление

прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

      Вследствие трения  порошка о стенки прессформы процесс прессования

получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются

скачками. Важнейшую роль при сильных  давлениях прессования играет

пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение

поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой.

Прочность прессования объясняется  двумя причинами: атомарным схватыванием

на контактной поверхности —  «зацеплениями», переплетением неровностей  на

поверхности частиц порошка.

      В различных  частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При

последующем спекании усадка может  оказаться неоднородной, и

недопрессованная часть будет  плохо спекаться. Поэтому прессование  проходит

лучше при наличии деталей небольшой  высоты. Вместе с тем порошок не может,

подобно жидкости, заполнить очень  сложную фасонную форму; следовательно, из

порошковых сплавов можно изготовлять  детали сравнительно не очень сложной

формы.

 

      Спекание. Для спекания  порошковых сплавов применяют  электропечи с

металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и

высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания

медных сплавов, железа и фрикционных  материалов применяют защитные

атмосферы, получаемые при частичном  сжигании газа. При спекании вольфрама,

молибдена, твердых сплавов, магнитных  и электротехнических материалов

применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры

плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С.

Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа

спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной

системы с образованием или без  образования жидкой фазы. При спекании

происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает  подвижность

атомов, происходит изменение контактной поверхности  частиц, которая

большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах

контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные

поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и

жидкости, и результате контакт  становится металлическим.

      В случае многокомпонентных  систем, кроме перечисленных явлений,

происходит образование твердых  растворов, диффузия и образование  химических

соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления,

например порошков карбида вольфрама  с порошком кобальта, образуется жидкая

фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В

результате получаются плотные  детали. Иногда, например при производстве

медновольфрамовых электродов, сначала  прессуют и спекают порошковый

вольфрамовый каркас, потом пропитывают  его расплавленной медью. Спекание

обычно сопровождается усадкой, которая  тем больше, чем выше температура

спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей;

поэтому детали, требующие высокой  точности, например подшипники н зубчатые

колеса, после спекания калибруют  путем протягивания через сквозные

прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания

составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.

      Горячее прессование,  совмещающее прессование и спекание, благодаря

ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем

прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10%

давления обычного прессования. Порошок  лучше заполняет форму, и горячее

прессование позволяет получать детали более сложной формы и более  точных

размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится

электрическим током.

 

 

 

                             IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

 

 

 

      Определение и  классификация. Порошковым твердым  сплавом называется

сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC,

связанных твердым раствором WC в  кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61

предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов

— вольфрамовые, состоящие из карбида  вольфрама и кобальта, и

титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама  и

кобальта.

      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