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:

получение металлического порошка или смеси порошков

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.

2.3 Дозирование

Цель операции дозирования состоит в том, чтобы соблюдать наиболее оптимальное соотношение компонентов в шихте и при изготовлении конечного продукта.

На данной операции используется дозатор-автомат. В процессе дозирования мы получаем наиболее оптимальное количество заданных материалов для продолжения технологического процесса.

Автоматизация процесса дозирования позволяет уменьшать потери дорогостоящего сырья, сократить время операции, а также позволяет уменьшить количество обслуживающего персонала и себестоимость продукции.

2.4 Смешивание

В процессе смешивания происходит измельчение частиц порошков. Цель операции - приготовление смесей порошков с цементирующим металлом.

Наиболее изменяется зернистость составляющих твердого сплава в первый период размола. Применяемый для мокрого размола твердых сплавов спирт не вступает в химическое взаимодействие с размалываемым материалом. Максимальная эффективность размола достигается при введении 220 – 400мм спирта на 1кг смеси в зависимости от насыпной плотности.

Эффективность размола также повышается с увеличением соотношения шары – смесь, обычно это составляет 2,5 – 3,5, время 48 часов.

На данной операции применяется шаровая мельница для мокрого размола смесей твердых сплавов.

2.5 Дистилляция

Цель данной операции состоит в том, чтобы удалить спирт из твердосплавной смеси.

На данной операции применяется аппарат для выпаривания спирта. При температуре до 200 ⁰С происходит испарение спирта из твердосплавной смеси, при этом не происходит химического взаимодействия с материалом и, вследствие низкой температуры кипения легко удаляется в течение 4 – 6 часов.

2.6 Просев

Просев порошка, поступающего с предыдущей операции, представляет собой технологическую операцию разделения порошков на фракции. Также на этой операции отделяются от основного материала всевозможные примеси и включения, попавшие в него во время смешивания. Основную массу материала составляют зерна величиной 0,5мкм.

На данной операции применяется стационарное вибрационное сито с обечайкой, укрепленной на пружинах-амортизаторах. Вибрация обечайки в горизонтальной плоскости с помощью дебалансного устройства.

2.7 Замешивание

Цель этой операции – приготовление смеси порошков, пригодных для последующего процесса формования. От условий выполнения этой операции в значительной степени зависят свойства конечного продукта – готового сплава.

Порошки твердой тугоплавкой составляющей (Ti C – 79%), характеризуются весьма малой пластичностью. Поэтому перед прессованием в смесь, содержащую TiC – 79%, Ni – 17%, Mo – 4%, вводят пластифицирующее вещества, которые улучают прессуемость смеси, уменьшают трение между прессовкой и стенками пресс-формы, придают заготовкам некоторую дополнительную прочность за счет клеящей способности пластификатора. В данном случае в качестве пластификатора применяется парафин с добавкой поверхностно-активных веществ (ПАВ). В качестве ПАВ используют пчелиный воск, олеиновую, стеариновую кислоты, церезин, которые добавляют к парафину в количестве 3 – 6%.

Перед замешиванием смесей парафин расплавляют, подогревают до 85 – 90 ⁰С и вводят в него ПАВ. Затем пластификатор интенсивно перемешивают в термостатированной пропеллерной мешалке в течение 0,5 – 0,75 ч, при этом ПАВ равномерно распределяется по всему объему пластификатора. Чем выше содержание связующего материала в смеси и ее дисперсность, тем больше содержание пластификатора.

Компоненты твердосплавной смеси смешивают с пластификатором в термостатированном одноярусном шнековом смесителе при температуре 85 – 90 ⁰С в течение 4 – 6 часов. Данное оборудование обеспечивает наиболее полное перемешивание смеси с пластификатором и необходимую производительность, сочетая это с минимальным количеством потерь сырья, со сравнительно небольшой затратой энергии. Результаты смешивания контролируют либо по физико-технологическим свойствам шихты, любо химическим анализом проб. На практике контролируют часть технологических характеристик смеси и проводят химический анализ проб из нее.

2.8 Формование

Цель данной операции - получение заданных размеров, формы и плотности изделия.

Смесь, приготовленную на предварительной операции, заливают в термостатированный литейный аппарат, в котором поддерживают температуру 70 – 90 ⁰С. С помощью сжатого воздуха, давлением 0,3 – 0,6 МПа, смесь нагнетают в полость нагретой до 25 ⁰С стальной разъемной пресс-формы, прижатой в момент формования гидравлическим прижимом. Чтобы усадка не изменяла форму полученной заготовки, давление на шликер не снижают до тех пор, пока не произойдет его полное затвердевание. Хорошая текучесть, низкая теплопроводность и малая скорость затвердевания помогают получать качественные изделия. После снятия нагрузки пресс-форму разбирают и извлекают из нее сформованное изделие.

Из оборудования для данной операции используют литьевую машину марки ЛМ 80. Эта модель относится к горизонтальным автоматическим машинам с гидроприводом. Она состоит из узлов и частей:

- станины с основанием;

- узла нагнетания массы;

- узла затвора формы;

- гидропривода с управлением;

- коммуникаций охлаждения;

- системы управления.

Электросхема литьевой машины предусматривает три режима работы:

- автоматический;

- полуавтоматический;

- наладочный.

В формовании изделий используют первые два режима, но наиболее оптимальный – это автоматический. Этот режим обеспечивает минимальные потери , сокращает время операции, а, следовательно, и снижает себестоимость продукции, а также позволяет сократить количество обслуживающего персонала.

В наладочном режиме проводится установка пресс-формы.

2.9 Отгонка пластификатора

После отливки изделия перед окончательным спеканием заготовки подвергают частичному удалению из них связующего. Удаление связки осуществляется путем медленного нагрева заготовок в адсорбентах, которые активно поглощают расплавленную связку. При повышении температуры удаление связки происходит поэтапно – сначала плавится связка, затем испаряются легкие фракции, происходит пиролиз тяжелых углеводородов и выгорание углеродистого остатка.

Рациональным режимом удаления связующего из отливок, полученных из тонкодисперсных порошков тугоплавких соединений предусматривается нагрев изделия от 20 до 600 ⁰С в течение 8 часов. Скорость нагрева составляет 30 – 35 ⁰С/ч, но при этом необходимо делать промежуточные изотермические выдержки при 50 – 55 ⁰С в течение 2 ч, при 160 – 170 ⁰Св течение 3 – 4 ч. При более высоких скоростях нагрева как в этом случае процесс удаления связующего интенсифицируется настолько, что возможно нарушение сплошности изделия. В зависимости от формы изделия, его габаритов и свойств исходного порошка режимы отгонки пластификатора могут изменяться.

После удаления связующего из изделия они приобретают прочность, достаточную для дальнейшей их обработки.

Вследствие повышенной способности тонких порошков к окислению процесс необходимо проводить в защитной среде, в качестве которой чаще всего используется водород, который также способствует удалению связующего за счет его гидрогенизации. На данной операции из оборудования применяется муфельная печь для сушки смесей твердых сплавов. Целесообразность применения данного оборудования объясняется необходимой производительностью, с минимальной затратой энергии, экономичным расходом сырья.

2.10 Окончательное спекание

Спекание, основной целью которого является уплотнение и упрочнение спрессованных заготовок, превращение их в компактные изделия с необходимыми физико-механическими свойствами.

Для формирования оптимальной структуры безвольфрамовых твердых сплавов необходимо осуществить выбор металлического связующего, обеспечивающего хорошее стягивание части карбида титана, отсутствие значительной растворимости твердой фазы в связке, отсутствие третьих фаз при спекании и т.д. При спекании твердых сплавов на основе карбида титана с никель-молибденовым связующим, которое можно рассматривать как сплав никеля с молибденом, содержащий некоторое количество титана и углерода вследствие растворимости этих элементов в никеле. Как молибден, так и Мо₂С, образуются за счет избытка углерода в исходной шихте, растворяются в значительных количествах в карбиде титана с образованием твердого раствора и поэтому, кроме цементирующей фазы, молибден входит в состав карбидной фазы, снижает краевой угол смачивания карбида титана до нуля, что способствует образоанию мелкозернистой структуры сплавов TiC-Ni-Mo.

На данной операции применяют толкательную вакуумную электропечь непрерывного действия СТВ-5٠23٠1,5/16Г. Установлено, что чем больше в сплаве связующего металла, выше дисперсность тугоплавкого составляющего и ниже содержание карбида титана, тем ниже температура спекания. Для данного процесса электропечь обеспечивает необходимую температуру спекания 1450 ⁰С и время спекания 1,5 – 2 часа, и глубину вакуума порядка 10^-1 Па.

2.11 Механическая обработка

Цель данной операции состоит в том, чтобы деталь приобрела необходимые размеры и конфигурацию, как того требует заказчик, а также товарный вид. Для выполнения механической обработки, на участке применяются три станка: дла токарно-винторезных и один шлифовальный.

На токарно-винторезных станках выполняют такие работы: обтачивают наружные цилиндрические, конические и фасонные поверхности, подрезают торцы деталей, растачивают внутренние цилиндрические поверхности, ведут обработку отверстия сверлами, развертками.

На шлифовальных станках обрабатывают детали с помощью абразивных инструментов.

2.12 Расчет и составление баланса материалов

Годовая производительность цеха по производству безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбида титана составляет 45т. Производство осуществляется по технологической схеме, изображенной на рис.1.4.

Потери при каждой операции составляют (а – возвратные потери, в – безвозвратные)