ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВОПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственноеобразовательное учреждениесреднего профессионального образования Ленинградской области
Тихвинский промышленно-технологическийтехникум
имени Лебедева
Специальность: «Технология машиностроения»
Реферат
Твердые и сверхтвердыесплавы
Петров Сергей Игоревич
Тихвин 2010 г.
Содержание
1. Типы твёрдых и сверхтвердых сплавов
2. Свойства твёрдых сплавов
3. Спечённые твёрдыесплавы
4. Литые твёрдыесплавы
5. Применение и разработки
Список литературы
Типы твёрдыхи сверхтвердых сплавов
Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлическиематериалы, способные сохранять эти свойства при 900-1150°С. Твердые сплавы известнычеловеку уже около 100 лет. В основном изготовляются на основе карбидов вольфрама,титана, тантала, хрома при различном содержании кобальта или никеля. Различают спечённыеи литые твёрдые сплавы. Основой всех твёрдых сплавов являются прочные карбиды металлов,не разлагающиеся и не растворяющиеся при высоких температурах. Особенно важны длятвёрдых сплавов карбиды вольфрама, титана, хрома, частично марганца. Карбиды металловслишком хрупки и часто тугоплавки, поэтому для образования твёрдого сплава зёрнакарбидов связываются подходящим металлом; в качестве связки используются железо,никель, кобальт.Спечённые твёрдые сплавыКомпозиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения,цементированного металлом или сплавом. Их основой чаще всего являются карбиды вольфрамаили титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала), карбонитридтитана, реже — другие карбиды, бориды и т. п. В качестве матрицы для удержания зерентвердого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав.Обычно в качестве «связки» используют кобальт (кобальт является нейтральным элементомпо отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов),реже — никель, его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).
Главной особенностьюспеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковойметаллургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методамобработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавыпредназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую,но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердыесплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.Литые твёрдые сплавыЛитые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья.
Инструменты, оснащенные твердымсплавом, хорошо сопротивляются истиранию сходящей стружкой и материалом заготовкии не теряют своих режущих свойств при температуре нагрева до 750-1100 °С.
Установлено что твердосплавныминструментом, имеющим в своем составе килограмм вольфрама, можно обработать в 5раз больше материала, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же содержаниемвольфрама.
Недостатком твердых сплавов,по сравнению с быстрорежущей сталью, является их повышенная хрупкость, которая возрастаетс уменьшением содержания кобальта в сплаве. Скорости резания инструментами, оснащеннымитвердыми сплавами, в 3-4 раза превосходят скорости резания инструментами из быстрорежущейстали. Твердосплавные инструменты пригодны для обработки закаленных сталей и такихнеметаллических материалов, как стекло, фарфор и т. п.
Сверхтвёрдые материалы — группа веществ, обладающих высочайшейтвердостью, к которой относят материалы, твёрдость и износоустойчивость которыхпревышает твёрдость и износоустойчивость твёрдых сплавов на основе карбидов вольфрамаи титана с кобальтовой связкой карбидотитановых сплавов на никель-молибденовой связке.Широко применяемые сверхтвердые материалы: электрокорунд, оксид циркония, карбидкремния, карбид бора, боразон, диборид рения, алмаз. Сверхтвёрдые материалы частоприменяются в качестве материалов для абразивной обработки.
В последние годыпристальное внимание современной промышленности направлено к изысканию новых типовсверхтвёрдых материалов и ассимиляции таких материалов, как нитрид углерода, сплавбор-углерод-кремний, нитрид кремния, сплав карбид титана-карбид скандия, сплавыборидов и карбидов подгруппы титана с карбидами и боридами лантаноидов.Свойстватвёрдых сплавов
Металлокерамическиесплавы в зависимости от содержания в них карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальтаприобретают различные физико-механические свойства. По этой причине твердые сплавыпредставлены в трех группах: вольфрамовой, титановольфрамовой и титанотанталовольфрамовой.В обозначении марок сплавов используются буквы: В — карбид вольфрама, К — кобальт,первая буква Т — карбид титана, вторая буква Т — карбид тантала. Цифры после буквуказывают примерное содержание компонентов в процентах. Остальное в сплаве (до 100%)- карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В — крупнозернистую структуру,М — мелкозернистую, ОМ — особомелкозернистую. Промышленностью выпускаются три группытвердых сплавов: вольфрамовые — ВК, титановольфрамовые — ТК и титанотанталовольфрамовые- ТТК.
Твердые сплавысостава WC-Co (WC-Ni) характеризуются сочетанием высоких значений прочности, модуляупругости, остаточной деформации с высокой тепло- и электропроводностью (стойкостьэтих сплавов к окислению и коррозии незначительна); твердые сплавы состава TiC-WC-Coв сравнении с первой группой сплавов обладают меньшей прочностью и модулем упругости,однако превосходят их по стойкости к окислению, твердости и жаропрочности; твердыесплавы состава TiC-TaC-WC-Co характеризуются высокой прочностью, вязкостью и твердостью;безвольфрамовые твердые сплавы обладают наибольшим коэффициентом термического расширения,наименьшей плотностью и теплопроводностью.
Характерными признаками,определяющими режущие свойства твердых сплавов, являются высокая твердость, износостойкостьи красностойкость до 1000°C. Вместе с тем эти сплавы обладают меньшей вязкостьюи теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, что следует учитывать приих эксплуатации.
При выборе твердыхсплавов необходимо руководствоваться следующими рекомендациями.
Вольфрамовые сплавы(ВК), по сравнению с титановольфрамовыми (ТК), обладают при резании меньшей температуройсвариваемости со сталью, поэтому их применяют преимущественно для обработки чугуна,цветных металлов и неметаллических материалов.
Сплавы группыТК предназначены для обработки сталей.
Титанотанталовольфрамовыесплавы, обладая повышенной точностью и вязкостью, применяются для обработки стальныхпоковок, отливок при неблагоприятных условиях работы.
Для тонкого ичистового точения с малым сечением стружки следует выбирать сплавы с меньшим количествомкобальта и мелкозернистой структурой.
Черновая и чистоваяобработки при непрерывном резании выполняются основном сплавами со средним содержаниемкобальта.
При тяжелых условияхрезания и черновой обработке с ударной нагрузкой следует применять сплавы с большимсодержанием кобальта и крупнозернистой структурой.
В последнее времяпоявилась новая безвольфрамовая группа твердых сплавов, в которой карбид вольфрамазаменен карбидом титана, а в качестве связки используются никель и молибден (ТН-20,ТН-30). Эти сплавы имеют несколько сниженную прочность против вольфрамовых, но обеспечиваютполучение положительных результатов при получистовой обработке вязких металлов,меди, никеля и др.
Различают двавида порошкообразныхпродуктов для наплавки: вольфрамовые и не содержащие вольфрама. Вольфрамовый продуктпредставляет собой смесь порошкообразного технического вольфрама или высокопроцентногоферровольфрама с науглероживающими материалами. Советский сплав этого типа носитназвание вокар. Изготовляются подобные сплавы следующим образом: порошкообразныйтехнический вольфрам или высокопроцентный ферровольфрам смешивается с такими материалами,как сажа, молотый кокс и т. п., полученная смесь замешивается в густую пасту насмоле или сахарной патоке. Из смеси прессуют брикеты и слегка их обжигают до удалениялетучих веществ. После обжига брикеты размалывают и просеивают. Готовый продуктимеет вид чёрных хрупких крупинок величиной 1—3 мм. Характерным признаком вольфрамовыхпродуктов является их высокий насыпной вес.
В Советском Союзеизобретен порошкообразный сплав, не содержащий вольфрама и потому весьма дешёвый.Сплав носит название сталинит и имеет весьма широкое распространение в нашей промышленности.Многолетняя практика показала, что, несмотря на отсутствие вольфрама, сталинит обладаетвысокими механическими показателями, во многих случаях удовлетворяющими техническимтребованиям. Кроме того, благодаря низкой температуре плавления 1300—1350° сталинитобладает существенным преимуществом перед вольфрамовым продуктом, который расплавляетсялишь при температуре около 2700°. Низкая температура плавления сталинита облегчаетнаплавку, повышает производительность наплавки и является существенным техническимпреимуществом сталинита.
Основой сталинитаявляется смесь порошкообразных дешёвых ферросплавов, феррохрома и ферромарганца.Процесс изготовления сталинита такой же, как и вольфрамовых продуктов. Сталинитсодержит от 16 до 20% хрома и от 13 до 17% марганца. Твёрдость наплавки по Роквеллудля вокара 80—82, для сталинита 76—78.
Наплавка сталинитапроизводится угольной дугой по способу Бенардоса. Газовая горелка мало пригоднадля наплавки, так как газовое пламя сдувает порошок с Места наплавки. Деталь, подлежащаянаплавке, подогревается до начала красного каления, после чего на поверхность деталинасыпается сталинит равномерным слоем толщиной 2—3 мм. Для получения правильныхкраёв и граней наплавки применяются специальные шаблоны и ограничители из красноймеди, графита или угля. На насыпанном слое зажигается угольная дуга постоянноготока нормальной полярности при силе тока 150—200 а. Наплавку ведут непрерывно безобрывов дуги и по возможности без повторного расплавления наплавленного слоя.
Ввиду довольнозначительного расплавления основного металла угольной дугой первый слой наплавкине обеспечивает необходимых свойств и обладает недостаточной твёрдостью, поэтомунаплавку сталинита ведут в два, а иногда и в три слоя. По окончании наплавки слоя,не давая ему остыть, на него насыпают новый слой сталинита и производят наплавку.По окончании наплавки детали нужно дать замедленное охлаждение во избежание образованиятрещин в наплавленном слое, для чего горячую деталь помещают в золу, сухой песок,хлопья асбеста, слюды и т. п.Спечённые твёрдые сплавыПолучениетвердых сплавов методом порошковой металлургии
Производство металлокерамическихтвердых сплавов относится к области порошковой металлургии. Порошки карбидов смешиваютс порошком кобальта. Из этой смеси прессуют изделия требуемой формы и затем подвергаютспеканию при температуре, близкой к температуре плавления кобальта. Так изготовляютпластинки твердого сплава различных размеров и форм, которыми оснащаются резцы,фрезы, сверла, зенкеры, развертки и др. Пластинки твердого сплава крепят к державкеили корпусу напайкой или механически при помощи винтов и прижимов. Наряду с этимв машиностроительной промышленности применяют мелкоразмерные, монолитные твердосплавныеинструменты, состоящие из твердых сплавов. Их изготовляют из пластифицированныхзаготовок. В качестве пластификатора в порошок твердого сплава вводят парафин до7-9 %. Из пластифицированных сплавов прессуют простые по форме заготовки, которыелегко обрабатываются обычным режущим инструментом. После механической обработкизаготовки спекают, а затем шлифуют и затачивают. Из пластифицированного сплава заготовкимонолитных инструментов могут быть получены путем мундштучного прессования. В этомслучае спрессованные твердосплавные брикеты помещают в специальный контейнер с твердосплавнымпрофилированным мундштуком. При продавливании через отверстие мундштука изделиепринимает требуемую форму и подвергается спеканию. По такой технологии изготовляютмелкие сверла, зенкеры, развертки и т. п. Монолитный твердосплавный инструмент можеттакже изготовляться из окончательно спеченных твердосплавных цилиндрических заготовокс последующим вышлифовыванием профиля алмазными кругами.
1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановленияиз оксидов.
2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (производитсяна шаровых мельницах в течение 2-3 суток) до 1-2 микрон.
3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующиххимическому составу изготавливаемого сплава).
5. Холодное прессование (в смесь добавляют органический клейдля временного сохранения формы).
6. Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C(при 800—850°С клей сгорает без остатка). При 1400 °C кобальт плавится и смачиваетпорошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя междусобой частицы карбидов.
Номенклатураспеченных твердых сплавов
В Россиии бывшем СССР для обработки металлов резанием применяются следующие спеченные твердыесплавы
Российскиеспечённые твёрдые сплавы, применяемые в современной мировой промышленности:
Марка
сплава
WC %
TiC %
TaC %
Co %
Прочность на изгиб (σ), МПа
Твёрдость, HRA
Плотность (ρ), г/см3
Теплопроводность (λ), Вт/(м·°С)
Модуль Юнга (Е), ГПа ВК2 98 — — 2 1200 91,5 15,1 51 645 ВК3 97 — — 3 1200 89,5 15,3 50,2 643 ВК3-М 97 — — 4 1550 91 15,3 50,2 638 ВК4 96 — — 4 1500 89,5 14,9-15,2 50,3 637,5 ВК4-В 96 — — 4 1550 88 15,2 50,7 628 ВК6 94 — — 6 1550 88,5 15 62,8 633 ВК6-М 94 — — 6 1450 90 15,1 67 632 ВК6-ОМ 94 — 2 6 1300 90,5 15 69 632 ВК8 92 — — 8 1700 87,5 14,8 50,2 598 ВК8-В 92 — — 8 1750 89 14,8 50,4 598,5 ВК10 90 — — 10 1800 87 14,6 67 574 ВК10-ОМ 90 — — 10 1500 88,5 14,6 70 574 ВК15 85 — — 15 1900 86 14,1 74 559 ВК20 80 — — 20 2000 84,5 13,8 81 546 ВК25 75 — — 25 2150 83 13,1 83 540 ВК30 70 — — 30 2400 81,5 12,7 85 533 Т5К10 85 6 — 9 1450 88,5 13,1 20,9 549 Т5К12 83 5 — 12 1700 87 13,5 21 549,3 Т14К8 78 14 — 8 1300 89,5 11,6 16,7 520 Т15К6 79 15 — 6 1200 90 11,5 12,6 522 Т30К4 66 30 — 4 1000 92 9,8 12,57 422 ТТ7К12 81 4 3 12 1700 87 13,3 ТТ8К6 84 8 2 6 1350 90,5 13,3 ТТ10К8-Б 82 3 7 8 1650 89 13,8 ТТ20К9 67 9,4 14,1 9,5 1500 91 12,5 ТН-20 — 79 (Ni15%) (Mo6%) 1000 89,5 5,8 ТН-30 — 69 (Ni23%) (Mo29%) 1100 88,5 6 ТН-50 — 61 (Ni29%) (Mo10%) 1150 87 6,2 Литые твёрдые сплавыЛитые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья
Литые (наплавочные) твердые сплавы применяются для наплавки (покрытия) врасплавленном состоянии (с помощью газа или дуги) рабочих поверхностей быстроизнашивающихсядеталей машин, приспособлений, инструментов с целью повышения их износоустойчивостии коррозийной стойкости.
Литые сплавы получаются в виде прутков диаметром5- 7 мм, длиной 200-300 мм, которые затем при помощи газа наплавляются на режущиекромки или поверхности деталей, подвергающихся износу.
К этой группеотносятся стеллиты и стеллитоподобные сплавы. Стеллиты представляют собой сплавыкобальта с содержанием вольфрама, хрома и углерода. В стеллитоподобных сплавах кобальтзаменен железом, а вольфрам отсутствует.
Наплавка твёрдыхсплавов производится преимущественно газовой ацетилено-кислородной горелкой и ведётся,как правило, в два, а иногда и в три слоя. Необходимость многослойной наплавки диктуетсяследующим: при наложении первого слоя наплавка представляет собой сплав твёрдогосплава с расплавленным основным металлом, поэтому такой сплав обладает пониженнымитвёрдостью и износоустойчивостью и не обеспечивает получения механических свойствчистого твёрдого сплава. Поэтому первый наплавленный слой обычно не может служитьрабочей поверхностью, а является лишь подкладкой для нанесения второго слоя, которыйбудет представлять собой почти чистый твёрдый сплав и обладать необходимыми механическимисвойствами. В некоторых особо ответственных случаях прибегают к наплавке третьегослоя, представляющего собой практически уже чистый переплавленный твёрдый сплав.
Электродные сплавы представляют собой куски электроднойпроволоки, обмазанные специальными легирующими обмазками. Эти сплавы наплавляютсяс помощью электродуги.
Подобные электродыдают удовлетворительную наплавку в тех случаях, когда не предъявляется высоких требованийк твёрдости и износостойкости наплавленного слоя.Применениеи разработки
Применение. В современной технике получают широкое распространение и быстросовершенствуются твёрдые Сплавы. Развитие техники применения твёрдых сплавов идётпо двум направлениям: с одной стороны, совершенствуются и улучшаются составы твёрдыхсплавов и технология их производства, с другой стороны, совершенствуется техникананесения твёрдых сплавов на изделия.
Твердые сплавыввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:
· Обработка резанием конструкционных материалов:резцы, фрезы, сверла, 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.).
/>
· Горнодобывающее оборудование: напайкаспеченных и наплавка литых твердых сплавов.
/>
· Производство износостойких подшипников:шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь
/>
· Рудообрабатывающее оборудование: оснащениерабочих поверхностей
/>
Появление инструмента из твердыхсплавов сопровождалось значительным повышением производительности труда при металлообработкеза счет более высокой теплостойкости и сопротивляемости износу, позволяющих работатьна скоростях резания, в 3-5 раз превышающих скорости резания для инструмента избыстрорежущих сталей.
Использование самых современныхтвердосплавных материалов, совершенствование технологии изготовления инструментов,методов их шлифовки и заточки, в том числе с применением алмазного инструмента,электрофизических и электрохимических методов обработки, — основные направленияработ заводских специалистов, позволяющие поддерживать на высоком техническом уровневыпускаемые нами твердосплавные инструменты.
Разработки
В настоящее времяв отечественной твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования,связанные с возможностью повышения эксплуатационных свойств твердых сплавов и расширениемсферы применения. В первую очередь эти исследования касаются химического и гранулометрическогосостава RTP(ready-to-press) смесей. Одним из удачных примеров за последнее времяможно привести сплавы группы ТСН (ТУ 1966—001-00196121-2006), разработанных специальнодля рабочих узлов трения в агрессивных кислотных средах. Данная группа являетсялогическим продолжением в цепочке сплавов ВН на никелевой связке, разработанныхВсероссийским Научно-Исследовательским Институтом Твердых Сплавов. Опытным путёмбыло замечено, что с уменьшением размера зерен карбидной фазы в твердом сплаве,качественно повышаются такие характеристики, как твердость и прочность. Технологииплазменного восстановления и регулирования гранулометрического состава в данныймомент позволяют производить твердые сплавы размеры зерен (WC) в которых могут бытьменее 1 микрона. Сплавы ТСН группы в настоящий момент находят широкое применениев производстве узлов химических и нефтегазовых насосов отечественного производства.
Возрастающие темпыразвития производства требуют все большего объема выпуска режущего инструмента,штампов, пресс-форм, фильер и т.п. Это вызвало большой расход вольфрама. Возникшуюпроблему нехватки вольфрама во многих странах стали решать в первую очередь за счетповышения эффективности его использования.
В связи с расширениемтехнологических возможностей при производстве твердых сплавов, развитием химии ипорошковой металлургии, дефицитом вольфрама уже в начале 60-х годов начались интенсивныеработы по созданию безвольфрамовых твердых сплавов.
Одно из направленийрешения этой актуальной задачи — разработка новых марок твердых сплавов с применениемкарбидов титана TiC, гафния HfC, ниобия NbC, тантала TaC. Производство инструмента,оснащенного этими марками твердого сплава, позволяет заменить дефицитный вольфрамболее дешевыми металлами, расширить номенклатуру используемых марок твердого сплава,что позволяет создать инструментальные материалы со специфическими свойствами, обладающимиболее высокими эксплуатационными характеристиками, применяющиеся для специальныхвидов работ.
Кубический нитридбора (КНБ). Это относительно новый поликристаллический материал, применяемый длярежущих инструментов. Твердость КБН достигает 88 000 МПа (9000 кгс/мм.кв.), приближаяськ твердости алмаза. Теплостойкость его составляет 1400-1500°C.
В США, ФРГ, Австриив начале 70-х годов налажено производство сплава Ферро-ТiC, который создан на основекарбида титана и стальной связки. Обладая высокой твердостью, износостойкостью ижаропрочностью, этот сплав является промежуточным между быстрорежущими сталями итвердыми сплавами. Он применяется для изготовления инструментов и конструкционныхматериалов, работающих в условиях интенсивного износа. Из него изготавливают деталиштампов, пуансоны, протяжные кольца, валки, ролики, фильеры, режущие и измерительныеинструменты.
В настоящее времядля металлообработки создан целый ряд безвольфрамовых твердых сплавов на основекарбида и карбонитрида титана, которые применяются в различных сферах производства.Широко используются твердые безвольфрамовые сплавы марок ТН20, ТН50, КТН16, ЛЦК20,ТВ4.
Положительныйопыт работы ряда организаций позволяет сделать вывод, что безвольфрамовые твердыесплавы найдут широкое применение для изготовления режущего и штампового инструмента,деталей машин, работающих в тяжелых условиях, оснастки и приспособлений.
Литература
1. Конструкционные материалы. Под ред, Б.Н.Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990.
2. Технология конструкционных материалов.Под ред. А.М. Дальского. Москва, изд «Машиностроение», 1985.
3. Технология и свойства спеченных твердыхсплавов и изделий из них — Панов B.C., Чувилин A.M. МИСИО, 2001
4. Термодинамика сплавов. Вагнер К. Москва,1957
5. Производство и литье сплавов цветных металлов.Юдкин В.С. М., 1967–1971
6. Диаграммы фаз в сплавах. М., 1986 КоротичВ.И., Братчиков С.Г. Металлургия черных металлов. М., 1987