Порошковые и композиционные материалы

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

прочность и сопротивление вибрациям и выкрашиванию, поэтому он применяется

для самого тяжелого чернового точения углеродистых и легированных сталей.

В настоящее время почти половина всей обработки металлов однолезвийным

инструментом производится с использованием порошковых твердых сплавов.

Внедрение твердосплавного инструмента потребовало создания станков новых

конструкций, позволяющих осуществлять высокие скорости резания — до

1000—2000 м/мин и выше.

Инструмент из твердых сплавов затачивают на специальных кругах

(карборунд «экстра») или на кругах из искусственных (синтетических)

алмазов, а доводят на пасте из карбида бора. При доводке твердых сплавов

химическое воздействие пасты имеет большее значение, чем механическое.

Препятствие на пути полной замены быстрорежущей стали твердыми

сплавами, в которых дефицитный вольфрам используется в 10 раз эффективнее,

заключается в том, что по своей природе твердые сплавы пригодны не для всех

случаев механической обработки, а также вследствии сложности изготовления

из них фасонного инструмента.

Применение порошковых твердых сплавов ограничивается пластинками, которые

припаивают медным припоем к стальной державке—так, например, изготовляют

резцы.

Схема производства. Технологический процесс производства

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 ч на шаровой мельнице и просеивают.

2. Порошок вольфрама перемешивают с ламповой сажей .и карбонизируют в

бумажных или угольных патронах в течение 1 ч 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

ТiO2+ С + W и получить сразу оба карбида.

3. Полученные порошки карбидов и кобальта перемешивают в течение 24 ч 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 ч 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 и др.

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 ч 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 контроле, 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.

V. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

Антифрикционные сплавы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники

очень удобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую

износостойкость при малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут

заменять бронзу или позволяют более экономно расходовать цветные металлы,

но наличие пор снижает их прочность и поэтому для тяжелонагруженных

подшипников, например коренных и шатунных двигателей, они не применяются.

Пористые подшипники изготовляют из железного или медного порошка. Если нет

опасности ржавления, то подшипники изготовляются из смеси железного порошка

с графитом, который добавляется в количестве 1—2%.

Пористость в таких подшипниках 20 - 30%. После прессования и спекания

они пропитываются маслом, где коррозия возможна, там применяются

бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляют из смеси порошков 88% Сu,

10% Sn и 2% графита. Пористые подшипники обладают хорошими антифрикционными

качествами, но менее прочны, чем сплошные, поэтому их нельзя применять при

больших нагрузках, например для шатунных и коренных подшипников двигателя.

Эти материалы отличаются способностью саморегулировать подачу смазки.

На контактной поверхности трущейся нары образуется непрерывная пленка.

этим обеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям та к же относятся направляющие

втулки клапана, шестерни масляного насоса и т. д., которые изготовляются из

смеси порошков 96% Fe +2,5% Сu +1,5% графита; после прессования и спекания

они отжигаются при температуре 740 и 715° С, т. е. производится отжиг на

зернистый перлит. Содержание углерода после спекания не менее 0,8%.

Наиболее желательной, обеспечивающей высокое качество пористых

железографитных подшипников структурой является перлит с графитными

включениями; в случае наличия у чих ферритной структуры они быстро

изнашиваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения.

Цементит в структуре железографнтных подшипников, хотя и повышает их

сопротивление износу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает

коэффициент трения.

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются

следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения,

обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку и

износостойкость как собственную» так н сопряженной стальной поверхности.

Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать н

обладать высокой теплопроводностью. Всем этим требованиям может отвечать

только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов

с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

1)в масляной ванне, например в автоматических коробках передач

современных автомобилей с фрикционными дисками и тормозными лентами:

2) при сухом трении, например тормозные накладки фрикционных

механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа

и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом

количестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO2), асбеста и пр. для

повышения коэффициента трения, а также порошка графита, талька, свинца и

пр. для создания смазки на поверхностях трения,

Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициент трения и

добавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционные свойства

порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся

поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционного материала

и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле

применяется фрикционный сплав из следующих порошков; 60% Сu, 10% Sn, 4%

Fe, 7% Pb, 4%; графита, 8% пульвер-бакелита и 7% асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они

применяют» я в виде топкого слоя или на стальном диске, или на стальной

ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием

порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая

температура и поэтому приходится применять вместо медной основы железную,

отличающуюся более высокой температурой плавления.

Пористые фильтры. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с

медью или чистого никеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор,

достигающим 80% от общего объема изделия. Такие фильтры применяют в

химической промышленности, а также в качестве топливных фильтров в

двигателях.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия в данном случае

должна упрощать технологический процесс, для сокращения расхода металла и

снижения трудоемкости производства. Например, детали простейшей формы:

небольшие шестерни, шайбы и т. д. из углеродистой или из легированной стали

с успехом изготовляются методами порошковой металлургии. Порошковые сплавы

также применяются для производства прецизионных сплавов, т. е. сплавов с

очень небольшими колебаниями в химическом составе, биметаллов и комплексных

сплавов с разным составом поверхности и сердцевины, а также особо

жаропрочных сплавов и материалов для ракет н ядерных реакторов.

Электротехнические сплавы. Особенно широко порошковые сплавы

применяются в электротехнике. Постоянные магниты небольшого размера,

полученные из порошков Fe—Al—Ni сплавов (альни) или F'e—А1—Ni—Со сплавов

(альнико), отличаются мелкозернистостью, в отличие от литых магнитов из

этих сплавов, которые крупнозернисты. Кроме того, порошковые сплавы лишены

литейных дефектов: раковин, ликвации и т. д. Это позволяет получить

однородную плотность магнитного потока. Допуски в размерах постоянных

магнитов из порошковых сплавов гораздо уже, что сводит до минимума их

механическую обработку, которая ограничивается одним шлифованием.

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- и износостойкость

вольфрама, молибдена, никеля и графита с высокой электропроводностью меди и

серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрические контакты.

Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра с окисью

кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой, а

также отсутствием элементов, которые могут образовывать с серебром твердые

растворы.

Порошковые сплавы применяют при изготовлении ряда электро- и радио-

технических деталей из порошков альсифера, ферритона и карбонилььного

железа.

Из порошковых сплавов изготавливают электроды для дуговой

сварки, из смеси графита с медным порошком изготовляют износостойкие щетки

электродвигателей. Железные порошки применяют для изготовления полюсов

электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошков методом

восстановления из окислов получают металлы с очень высокой температурой

плавления — вольфрам, молибден, тантал/ниобий и др. Сначала в потоке

водорода восстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде

порошков. Их прессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и

прокатку. Все эти операции с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере

водорода, а с титаном н танталом—в вакууме, так как последние очень сильно

поглощают газы при высоких температурах. Если металл предназначен для нитей

электроламп, в него добавляют вещество, препятствующее росту зерна при

высоких температурах, например окись тория.

Из порошков изготовляют также «тяжелый сплав» состава 90% W, 7,5 Ni и

2,5% Си, имеющий удельный вес до 17 и высокие механические свойства,

применяемый, например, в качестве противовесов там, где по условиям

конструирования места для них мало.

Керметы. Керметами называются порошковые сплавы, являющиеся

композициями керамических материалов с металлами и предназначаемые для

детален, работающих при высоких температурах или в агрессивной коррозионной

среде.

Керметы сочетают жаропрочность, коррозионную стойкость и твердость

керамических материалов (карбидов, окислов, боридов, нитридов и силицидов)

с вязкостью, теплопроводностью и стойкостью при перемене температуры

металлов.

Наиболее подходящим керамическим мат риалом дли этих сплавов в

настоящее время является карбид титана TiC благодаря его жаропрочности,

окалиностойкости и способности противостоять тепловому удару, т. е. не

разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры.

Связующим металлом для керметов берут жаропрочный сплав из порошков

никеля, кобальта н хрома, иногда с небольшим количеством молибдена.

Введение хрома повышает сопротивление ползучести и окалиностойкость

керметов.

Рис.3. Микроструктура керметов (Х1000) (В. А. Хавекотт):

а-FS-9 б-FS-27.

Микроструктура этих керметов (рис.3) состоит из светлых участков

металлической связки, серых участков карбида титана и черных участков

карбида хрома,

До сих пор еще не создано керметов с достаточной вязкостью и

теплостойкостью. Возможно, что создание порошковых сплавов, удовлетворяющих

всем требованиям конструкторов газовых турбин и реактивных двигателей, в

значительной степени будет связано с усовершенствованием микроструктуры

сплавов.

Из керметов изготовляются опытные лопатки и другие детали для

реактивных двигателей и газовых турбин. Уменьшение количества карбида

титана и увеличение металлической связки ведет к повышению вязкости

кермета, но понижает его жаропрочность.

Более рациональным не понижающим жаропрочности керметов является

создание у них наиболее мелкозернистой структуры.

К числу керметов относится и порошковый алюминиевый сплав САП,

состоящий из 20% Аl2Оз и 80% А1, который по прочности при обыкновенной и

особенно при повышенных температурах (до 500° С) значительно превосходит

литые и деформируемые алюминиевые сплавы.

Тонкие пленки Аl2Оз в микроструктуре САП, не коагулирующие даже при

повышенных температурах, препятствуют процессам рекристаллизации и

разделяют его структуру на мелкие участки, ограничивающие пути скольжения

при пластической деформации.

Легкие, прочные и теплоустойчивые сплавы САП применяются в атомной,

авиационной и автомобильной промышленностях.

Преимущества и недостатки порошковых сплавов. К числу особенностей

порошковых сплавов относится их чистота, точность дозировки, повторяемость

состава, отсутствие литейных дефектов: ликвации, раковин и т. д., а также

возможность высокой производительности при изготовлении из них мелких

деталей простой формы, узкие пределы допусков и минимальная последующая

механическая обработка деталей из них; наконец, в отдельных случаях

преимуществами является экономия материалов (малые отходы производства),

сокращение трудоемкости процесса изготовления деталей, экономия

инструмента. При этом наиболее экономичным является производство деталей из

железного порошка, получаемого из руды прямым восстановлением.

Несмотря на все эти достоинства, порошковые сплавы еще не заняли

подобающего места в современном машиностроении, так как этому препятствует

высокая цена порошков, высокая цена штампов для прессования, особенно для

прессования крупных деталей и сложных по форме изделий, меньшая прочность и

вязкость металлокерамических сплавов по сравнению с катаными, коваными и

литыми, трудность обеспечения безупречной чистоты сплава в условиях

массового производства.

При конструировании деталей из порошковых сплавов необходимо учитывать

следующие требования, определяемые условиями их прессования: не применять

острых углов и пересечений; избегать больших и резких изменений сечений;

внешние и внутренние резьбы, купавки, углы, отверстия, перпендикулярные к

направлению прессования, выполнять посредством механической обработки после

прессования; принимать во внимание, что слишком длинные детали после

прессования дают неплотную центральную часть.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия. М., Металлургиздат 1959.

2. Андриевский Р. А. Пористые металлокерамические материалы. М.,

Металлургия, 1964.

3. Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение. М., Металлургиздат 1948.

4. Борок Б. А. и Ольхов И. И, Порошковая металлургия. М..

Металлургиздат,

1948,

5. Виноградов Г. А. и др. Прессование и прокатка металлокерамнческих

материалов. М., Машгиз, 1963.

6. Вопросы порошковой металлургии и прочности материалов. Вып. I—VI.

Киев, АН УССР, 1956—1959, в настоящее время журнал «Порошковая

металлургия», АН УССР.

7. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. М., Металлургиздат, 1957.

8. Порошковая металлургия. М. Металлургиздат, 1954.

9. Раковский В. С. и др. Твердые сплавы в машиностроении. М., Машгиз,

1955.

10.Федорченко И. М., Андриевский Р. Л. Основы порошковой

металлургии. Киев, AИ УССР, 1963.

Страницы: 1, 2