Способ получения твердых сплавов

Использование: для получения твердых сплавов. Цель изобретения разработка технологии, обеспечивающей высокий выход в годное, получение высококачественных твердосплавных изделий, отличающихся высокой эксплуатационной стойкостью. Сущность: способ получения твердых сплавов включает прессование шихты, спекание в псевдоожиженном слое предварительно спеченного оксида алюминия в восстановительной атмосфере. Спекание проводят, осуществляя нагрев со скоростью 35 40°С/мин до температуры 800 850°С с последующей выдержкой в течение 30 40 мин, затем со скоростью 50 55 °С/мин до температуры 1350 1400°С и последующей выдержкой в течение 50 60 мин. 1 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению твердых сплавов.

Известен способ получения твердых сплавов, согласно которому спекание прессованных заготовок осуществляют в восстановительной атмосфере или в вакууме (Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М. Металлургия, 1976, с. 382). При применении восстановительной атмосферы спекание проводят в горизонтальных печах трубчатого или муфельного типа, нагревательный элемент которых расположен с внешней стороны. В некоторых случаях нагревателем является графитовая труба, служащая одновременно и рабочим пространством печи. При применении вакуума спекание проводят либо в вертикальных печах периодического действия, либо в горизонтальных непрерывного действия.

Недостаток данного способа наличие градиента температур как по длине, так и по сечению трубы или муфеля, что снижает качество спеченных изделий и, следовательно, выход в годное.

Ближайшим техническим решением является способ получения сплавов, включающий прессование шихты и спекание в псевдоожиженном слое предварительно спеченного оксида алюминия при температуре 1250-1360 о С в окислительной или восстановительной атмосфере.

Недостаток известного способа низкая прочность получаемых изделий, снижающая их эксплуатационные свойства.

Цель изобретения разработка технологии, обеспечивающей высокий выход в годное, получение высококачественных твердосплавных изделий, отличающихся высокой эксплуатационной стойкостью.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения твердых сплавов, включающем прессование шихты, спекание в псевдоожиженном слое предварительно спеченного оксида алюминия в восстановительной атмосфере, спекание проводят, осуществляя нагрев со скоростью 35-40 о С/мин до температуры 800-850 о С с последующей выдержкой в течение 30-40 мин, затем со скоростью 50-55 о С/мин до температуры 1350-1400 о С и последующей выдержкой в течение 50-60 мин.

Предлагаемые режимы спекания: скорость нагрева 35-40 о С/мин до температуры 800-850 о С с последующей выдержкой в течение 30-40 мин и последующий нагрев со скоростью 50-55 о С/мин до температуры 1350-1400 о С и выдержкой в течение 50-60 мин обеспечивают получение малопористых изделий, имеющих высокие эксплуатационные характеристики, в частности прочность, твердость, плотность и высокий выход в годное.

Скорость нагрева 35-40 о С/мин обеспечивает равномерный нагрев образца и постепенное удаление пластификатора, что повышает качество сплава. При скорости нагрева меньше 35 о С/мин снижается производительность установки, больше 40 о С/мин происходит бурное выделение паров пластификатора, что может привести к механическому разрушению образцов.

При нагревании до температуры меньше 800 о С не полностью удаляются остатки пластификатора, что снижает качество сплавов, при температуре выше 850 о С возможно науглероживание сплава парами пластификатора. Выдержка в течение 30-40 мин обеспечивает полное удаление пластификатора. При выдержке менее 30 мин пластификатор удаляется неполностью, выдержка более 40 мин не требуется, так как полнота удаления достигается в заявленное время.

Скорость нагрева 50-55 о С/мин обеспечивает равномерный прогрев свободного от пластификатора образца, повышая качество сплава. При скорости нагрева меньше 50 о С/мин внутренние слои образца не успевают прогреваться и снижается качество сплава, при скорости выше 55 o C/мин снижается выход в годное.

При нагревании до температуры меньше 1350 о С не достигается высокое качество сплава, при температуре выше 1400 о С возможно вытекание легкоплавкой составляющей. Выдержка в течение 50-60 мин обеспечивает равномерное и качественное спекание образца. При выдержке менее 50 мин снижается качество сплава, при выдержке более 60 мин дальнейшего улучшения свойств сплава не происходит.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Спрессованную шихту помещают в нижнюю часть обогреваемой керамической трубы. Шихту засыпают порошком предварительно спеченного оксида алюминия и подают водород в количестве, необходимом для приведения порошка оксида алюминия в псевдоожиженное состояние. Затем осуществляют нагрев со скоростью 35-40 о С/мин до температуры 800-850 о С, выдерживают в течение 30-40 мин, вновь нагревают со скоростью 50-55 о С/мин до температуры 1350-1400 о С и выдерживают в течение 50-60 мин.

П р и м е р 1. В обогреваемую алундовую трубку диаметром 32 мм и высотой 143 мм помещали прессованный образец сплава ВК-20 в виде цилиндра с внутренним отверстием. Внешний диаметр образца 21 мм, диаметр отверстия -4,5 мм, высота 41 мм. Образец засыпали предварительно спеченным оксидом и подавали водород. Затем включали нагрев со скоростью 35 о С/мин. При достижении температуры 800 5 о С образец выдерживали в течение 30 ми, а затем вновь нагревали со скоростью 50 о С/мин до 1350 о С и выдерживали в течение 60 мин. После последней выдержки нагрев отключали.

Свойства полученного сплава приведены в таблице.

П р и м е р 2. Как в примере 1, получены образцы твердого сплава при различных режимах спекания. Свойства полученных образцов приведены в таблице.

Предлагаемый способ дает возможность организовать малоотходное производство высококачественных твердых сплавов.

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ, включающий прессование шихты, спекание в псевдоожиженном слое предварительно спеченного оксида алюминия в восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что спекание проводят, осуществляя нагрев со скоростью 35 40 град./мин до 800 850 o С с последующей выдержкой в течение 30 40 мин, а затем со скоростью 50 55 град./мин до 1350 1400 o С и последующей выдержкой в течение 50 60 мин.

Источник

Способ получения твердых сплавов

Определение. Типы сплавов. Свойства сплавов. Технология получения твердых сплавов.

Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Типы твёрдых сплавов

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 и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.
Твердые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б.Безвольфрамовые ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30
По химическому составу твердые сплавы классифицируют:

вольфрамокобальтовые твердые сплавы (ВК);
титановольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТК);
титанотанталовольфрамокобальтовые твердые сплавы (ТТК).

Твердые сплавы по назначению делятся (классификация ИСО) на:

Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;
М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);
К — для обработки чугуна;
N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;
S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;
H — для закаленной стали.

Из-за дефицита вольфрама разработана группа безвольфрамовых твердых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своем составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никельмолибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твердым сплавам.
Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твердыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности, но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к наростообразованию при резании. Поэтому их рекомендуют использовать для чистового и получистового точения, фрезерования. По назначению относятся к группе Р классификации ИСО.

Свойства твёрдых сплавов

Пластинки из твердого сплава имеют HRA 86-92 обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800—1000 °C), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин.

Спечённые твёрдые сплавы

Твердые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта. Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1-10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200—300 кгс/см², а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1400—1500 °C, в защитной атмосфере. Термической обработке твердые сплавы не подвергаются, так как сразу же после изготовления обладают требуемым комплексом основных свойств.
Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитрид титана, реже — другие карбиды, бориды и т. п. В качестве матрицы для удержания зерен твердого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов), реже — никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).

Получение твердых сплавов методом порошковой металлургии

Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов:

Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.
Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).
Холодное прессование (в смесь добавляют органический клей для временного сохранения формы).
Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850 °C клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.

Номенклатура спеченных твердых сплавов
Твердые сплавы условно можно разделить на три основные группы:

вольфрамосодержащие твердые сплавы
титановольфрамосодержащие твердые сплавы
титанотанталовольфрамовые твердые сплавы

Каждая из вышеперечисленных групп твердых сплавов подразделяется в свою очередь на марки, различающиеся между собой по химическому составу, физико-механическим и эксплуатационным свойствам.
Некоторые марки сплава, имея одинаковый химический состав, отличаются размером зерен карбидных составляющих, что определяет различие их физико-механических и эксплуатационных свойств, а отсюда и областей применения.
Свойства марок твердых сплавов рассчитаны таким образом, чтобы выпускаемый ассортимент мог в максимальной степени удовлетворить потребности современного производства. При выборе марки сплава следует учитывать: область применения сплава, характер требовании, предъявляемых к точности обрабатываемых поверхностей, состояние оборудования и его кинематические и динамические данные.
Обозначения марок сплавов построено по следующему принципу:
1 группа — сплавы содержащие карбид вольфрама и кобальт. Обозначаются буквами ВК, после которых цифрами указывается процентное содержание в сплаве кобальта. К этой группе относятся следующие марки:
ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК60М, ВК6КС, ВК6В, ВК8, ВК8ВК, ВК8В, ВК10КС, ВК15, ВК20, ВК20КС, ВК10ХОМ, ВК4В.
2 группа — титановольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, карбид вольфрама и кобальт. Обозначается буквами ТК, при этом цифра, стоящая после букв Т обозначает % содержание карбидов титана, а после буквы К — содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4.
3 группа — титанотанталовольфрамовые сплавы, имеющие в своем составе карбид титана, тантала и вольфрама, а также кобальт и обозначаются буквами ТТК, при этом цифра, стоящая после ТТ % содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К — содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К12, ТТ20К9.
4 группа — сплавы с износостойкими покрытиями. Имеют буквенное обозначение ВП. К этой группе относятся следующие марки: ВП3115 (основа ВК6), ВП3325 (основа ВК8), ВП1255 (основа ТТ7К12).
Твердые сплавы применяемые для обработки металлов резанием: ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК60М, ВК8, ВК10ХОМ, ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, ТТ7К12, ТТ20К9.
Твердые сплавы применяемые для бесстружковой обработки металлов и древесины, быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК15, ВК20, ВК10КС. ВК20КС.
Твердые сплавы применяемые для оснащения горного инструмента: ВК6В, ВК4В, ВК8ВК, ВК8, ВК10КС, ВК8В,ВК11ВК,ВК15.

Разработки

В настоящее время в 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. 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 микрометра. Сплавы ТСН группы в настоящий момент находят широкое применение в производстве узлов химических и нефтегазовых насосов отечественного производства.

Применение

Твердые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твердосплавный инструмент обладает высокой твердостью HRA 80-92 (HRC 73-76), теплостойкостью (800—1000 °C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твердые сплавы имеют пониженную прочность (σи = 1000—1500 МПа), не обладают ударной вязкостью. Твердые сплавы нетехнологичны: из-за большой твердости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент, к тому же они ограниченно шлифуются — только алмазным инструментом, поэтому твердые сплавы применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним.
Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:

Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, свёрла, протяжки и прочий инструмент.
Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.
Клеймение: оснащение рабочей части клейм.
Волочение: оснащение рабочей части волок.
Штамповка: оснащение штампов и матриц(вырубных, выдавливания и проч.).
Прокатка: твердосплавные валки (выполняются в виде колец из твердого сплава, одеваемых на металлическое основание)
Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов.
Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.
Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.
Газотермическое напыление износостойких покрытий

Источник