Участок по изготовлению изделий из безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана

1. Введение

Порошковая металлургия – относительно новая отрасль науки и техники, позволяющая решать задачи по созданию новых материалов и оборудования, соответствующих современным требованиям.

Начало современно порошковой металлургии относится к первой четверти девятнадцатого века (1826г.), когда по поручению Российского монетного двора инженер П.Г.Соболевский разработал методику приготовления монет и изделий из платинового порошка.

Основные направления развития порошковой металлургии связаны с преодолением затруднений в осуществлении процесса литья порошковых тугоплавких металлов, с возможностями производства металлокерамическим методом материалов и изделий со специфическими свойствами, не достижимыми другими технологическими способами, типа псевдосплавов (W + Cu , W + Ag), твердых сплавов на основе карбидов, пористых подшипников, фильтров и т.д.

Методами порошковой металлургии (П.М.) можно изготавливать некоторые типы изделий из обычных материалов и с достижением обычных свойств, но с более высокими технико-экономическими показателями производства по сравнению с литьем. В частности, методы П.М. позволяют в ряде случаев существенно сократить расход металлов для производства тех или иных изделий.

Порошковая металлургия получила за последнее время широкое развитие как в странах СНГ, так и в других странах, таких как США, Великобритания, Германия, Япония.

Метод П.М. настолько широко и прочно вошел во все области науки и техники, что в настоящее время трудно даже перечислить все случаи его использования.

Технологический процесс производства изделий методом П.М. состоит из следующих основных операций:

прессование (формование)

спекание (термообработка)

окончательная обработка (доводка, калибровка, уплотняющее обжатие, термообработка)

Естественно, что в производственной и исследовательской практике нередко встречаются отклонения от этих типичных элементов технологии.

Следует указать на высокую стоимость исходных порошков и прессинструмента, что делает производство экономически выгодным лишь в том случае, когда достаточно велик масштаб производства.

Одной из важных проблем современной порошковой металлургии является разработка современных методов производства высококачественных и дешевых металлических порошков. Для потребителей и производителей металла одним из наиболее трудных вопросов является устранение дефектов металла, связанных с процессом кристаллизации. Именно этот процесс порождает основную массу особенностей строения металлов и обуславливает развитие дефектов. При использовании методов П.М. в значительной степени устраняются те особенности кристаллизации, которые создаются при переходе из жидкой фазы в твердую, резко уменьшаются дефекты, связанные с кристаллическим строением.

Иногда изделиям с такими свойствами, как хорошая тугоплавкость, высока степень электроэрозионной устойчивости и прочности в условиях ударных нагрузок, необходимо придать очень сложную форму. Для этого применяют метод горячего литья термопластичных шликеров.

2. Технологический раздел

2.1 Обоснование ассортимента продукции в технических условиях на нее

Современные твердые сплавы довольно многочисленны и насчитывают более 100 различных марок. Спеченые твердые сплавы бывают вольфрамосодержащие и безвольфрамовые. Обратимся к безвольфрамовым твердым сплавам, в частности, к сплавам, состоящим из карбида титана и связующего из никель-молибденового сплава. Все чаще эту группу сплавов применяют в машиностроении, станкостроении, предприятиях пищевой промышленности.

Сплавы на основе карбида титана существенно превосходят по эксплуатационным свойствам сплавы на основе карбида вольфрама, благодаря мелкозернистой структуре, высокой стабильности карбида титана (Ti C) и отсутствию адгезионного схватывания с обрабатываемым материалом.

На проектируемом участке будут изготавливаться цельные твердосплавные режущие инструменты : фрезы, сверла, развертки, показанные на Рисунке 1.

2.3 Выбор и обоснование схемы технологического процесса

Для призводства изделий из безвольфрамовых твердых стплавов существует ряд технологий. В основном, технологии отличаются способами формования. В частности, для данного материала применимы такие способы формования:

1.         Прессование в пресс-формах;

2.         Горячее статическое прессование;

3.         Изостатическое горячее прессование;

4.         Горячее литье термопластичных шликеров.

Рассмотрим каждый из способов.

Прессование в пресс-формах – наиболее распространенный способ в производстве твердых сплавов. Некоторые особенности обусловлены малой пластичностью смесей порошков и их высокой дисперсностью. Заготовки из смесей твердых сплавов из-за наличия в них непластичных частиц тугоплавких соединений не имеют достаточной прочности при той степени уплотнения, которой можно достигнуть без опасности вызвать появление расслойных трещин. Высокая дисперсность смесей также не позволяет применять высокие давления при прессовании из-за возникновения расслойных трещин. Поэтому в смеси твердых сплавов перед прессованием вводят пластифицирующие вещества. Давление прессования колеблется в пределах 50 – 150 Мпа в зависимости от качества и количества введенного в смесь пластификатора. При этом пористость заготовок составляем 50%, а линейная усадка при спекании – 20 %. Применение более высоких давлений часто ведет к растрескиванию заготовок при снятии давления или извлечении заготовок из пресс-форм. При формовании заготовки сложной формы очень трудно поучить равномерную плотность во всех ее частях вследствие неспособности смеси равномерно течь во всех направлениях под действием приложенного давления. Это приводит либо к разрушению менее плотной части заготовок, вследствие низкой механической прочности, либо к искажению формы всего изделия при спекании из-за неравномерной плотности.

Метод получения изделий из порошков твердых сплавов прямым прессованием является наиболее производительным, поэтому для избежания затруднений, описанных выше, применяют разборные пресс-формы с фасонными профилями пуансонов и независимым их движением друг относительно друга. Разработке конструкций пресс-форм уделяют большое внимание в промышленности.

И все же методом прессования в пресс-формах чаще всего получают изделия простой формы. Для изготовления более сложных изделий применяют другие методы.

Горячее прессование осуществляется в пресс-формах, изготовленных из прочного и плотного графита. Нагревают пресс-формы прямым пропусканием тока через пуансоны, матрицу, индукционным способом или применяют косвенный нагрев с одно- или двухсторонним приложением давления на пуансоны. С целью предотвращения прилипания спекаемых изделий к рабочим частям графитовой пресс-формы, что влечет за собой необходимость разрушения пресс-формы после каждого спекания, внутренние стенки матрицы и поверхность пуансонов, прилегающих к прессуемому материалу, перед горячим прессованием покрывают специальными смазками, например суспензией жирного чешуйчатого графита в глицерине.

При горячем прессовании значительно сокращается длительность нагрева, выдержки и охлаждения.

Процессы спекания при обычном методе раздельного прессования и спекания длятся 1 – 2ч, в то время как при горячем прессовании длятся всего 3 – 10 мин.

Горячее прессование применяется для изготовления крупногабаритных твердосплавных изделий высокой плотности (крупных матриц для волочения, матриц пресс-форм для прессования твердых сплавов, матриц вырубных, вытяжных штампов, опорных плит и т.д.).

Для изготовления же мелких деталей сложной формы следует выбрать другую технологическую схему.

Метод изостатического горячего прессования для изготовления изделий из твердых сплавов на основе карбида титана применяется для улучшения эксплуатационных характеристик сплавов за счет уменьшения остаточной пористости.

Для обеспечения эффекта всестороннего сжатия при прессовании предварительно спрессованных заготовок с открытой пористостью или порошковой шихты применяют оболочки из стали, тугоплавких металлов или кварцевого стекла. Заполняют оболочки порошком, применяют виброуплотнение, после чего оболочки вакуумируют и герметизируют. Подготовленные таким образом оболочки с прессуемым твердым сплавом загружают в камеру газостата. Затем в камеру под давлением 30 Мпа закачивают инертный газ (Ar, Нe), нагревают оболочку до температуры 1320 – 1350 ⁰С. Вследствие расширения сжатого газа при нагревании его давление повышается до 100 – 300 Мпа, которое, согласно закону Паскаля, передается во всех направлениях оболочки с одинаковой силой, прямо пропорциональной величине ее поверхности. Длительность выдержки под давлением в процессе ИГП составляет 1 – 4 ч, в зависимости от размеров получаемых заготовок.

Методом ИГП из твердых сплавов получают крупногабаритные заготовки с минимальной пористостью. Этот метод имеет много общего с методом горячего прессования, и, также как и он не подходит для изготовления изделий сложной формы и небольших размеров.

Шликерное литье является перспективным методом изготовления твердосплавных изделий. В качестве пластификатора применяют парафин с добавкой ПАВ (пчелиный воск, олеиновая, пальмитиновая, стеариновая кислота, церезин), которые добавляют в количестве 3 – 6%. Перед замешиванием смесей парафин расплавляют, подогревают до 85 – 90 ⁰С и вводят в него ПАВ.

Для приготовления твердосплавной смеси с пластификатором ее компоненты смешивают в термостатированной пропеллерной мешалке при температуре 85 – 90 ⁰С в течение 4 – 6 ч. В процессе замешивания смесей не исключена возможность образования воздушных пузырьков, которые могут обусловить повышенную пористость порошковых изделий. Это нежелательное явление легко предупреждается вакуумированием замешенной смеси непосредственно в термостатированной мешалке в процессе замешивания или в вакуумном электрическом шкафу при нагреве смеси до 85 – 90 ⁰С в течение 1 – 2 ч (остаточное давление 60 – 70 Па).

Далее смесь заливают в термостатированный литейный аппарат, в котором поддерживают температуру 65 – 70 ⁰С. С помощью сжатого воздуха или инертного газа (0,3 – 0,6 Мпа) смесь нагнетают в полость подогретой до 20 25 ⁰С стальной разъемной пресс-формы, прижатой в момент формования к верхней плите аппарата пневматическим, гидравлическим или механическим прижимом. После снятия нагрузки пресс-форму разбирают и извлекают из нее формованное изделие.

Преимущество горячего литья термопласитчных шликеров состоит в том, что плотность по объему отливки (независимо от ее формы) получается равномерной, вследствие чего отсутствуют искажения геометрической формы изделий при спекании.

Метод горячего литья термопластичных шликеров неприменим для изготовления крупногабаритных деталей, зато он широко используется при производстве твердосплавных изделий сложной формы с большим соотношением длины к поперечному сечению (прутки и трубки любой формы, спирали различного типа, фасонные изделия типа фрез, сверла, развертки, мелкие изделия с тонкими отверстиями диаметром 20 – 100 мкм, специальные фасонные резцы, фигурные пуансоны вырубных штампов, электроды для контактной сварки и т.д.).

Для изготовления сверл, разверток, фасонных резцов наиболее подходящим является метод горячего литья термопластичных шликеров. Рассмотрим данную технологическую схему по операциям.