автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Теоретические основы разработки и исследование твердых сплавов для бесстружковой обработки металлов

I и и<>

Ч Ч'Си ¡1^/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Фальковский Всеволод Александрович

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ БЕССТРУЖКОВОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ

Специальность: 05.16.06. - Порошковая металлургия

и композиционные материалы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1997 г.

Работа выполнена в Государственном предприятии Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов

гп вниитс

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук - Левинский Ю.В. профессор, доктор технических наук - Ножкина A.B. профессор, доктор технических наук - Панов B.C.

Ведущее предприятие:

ОАО "Оргпримгвердосплав", г.Москва.

Защита состоится -¿и? " ФеМпа^я 1997 г. •

а 15 час на заседании диссертационного Совета Д-053.08.03. Московского государственного инстит>та стали и сплавов (Технологического университета) по адресу: И 7936, г.Москва. Крымский вал, д.З, в аудитории К-311.

(тел. 230-46-90)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь j/j . [

r?t.ffs4^r»Ta f тыгчииг>г-гч люАта I V V/

диссертационного совета доцент, K.T.H. //hl OkXM^M ЕГОРЫЧЕВ K.H

i I

' 1

ОБЩА-Я ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность работы: Бесстружковая обработка. явиетс» весьма распространенным способом металлообработки. Она поэвошет экономно использовать метали, обеспдчкваег высокое качество изготавливаемых деталей. В промышленности развитых стран прогнозируете» рост бесстружюэ-вых нетопов, предполагается, что к:2000 г. их объем постигнет ~ 34 •/• в общем объеме металлообрабатывающих операций. Существенным фактором бес-стружковой обработки явп»ето» использование автоматизированного оборудовали» (холодно-высадочных автоматов, кривошипных и гидравлических прессов, прокатных станов и т.п. оборудовали!). В этом случае коренной проблемой двпяетс» стойкость инструмента. При невысокой стойкости инструмента резко снижаете! производительность операции, становитс» экономически непепесо- ~ образной эксплуатация автоматизированного технологического оборудовали«. Радикальным способом повышение стойкости инструмента, по данным отечественной и зарубежной практики, »вмютс» вопьфрамо-кобальтовые твердые сплавы. Анализ эксплуатации оборудования, инструмента и оснастки при вырубке, объемной штамповке, прокатке и выдавливании металла показал, что рабочие элементы инструмента • формообразующие вставки из стандартных марок твердого еппава в большинстве случаев (более 60 У.) выходи из стро» из-за разрушение. На ряде операций (холодна» высадка крупногабаритных деталей) стандартные марки твердых сплавов вообще не могли быть применены из-за низкой работоспособности. В св»зи с этим перспективным »вп»етс» разработка, новых инструментальных твердых сплавов, позволивших повысить долговечность инструмента, расширить области его применен*» за счет тех операций, где он ранее не примен»пс* из-за низкой работоспособности и обеспечить потребность металлообрабатывающей промышленности не за счет увеличения объема производства инструмента, а за счет повышени» его долговечности . - 1

В рассматриваемом аспекте коренной проблемой »вп»ютс» твердые сплавы. В последние десятилетия были изданы несколько монографий, посв*-шенных твердый сплавам, исследованию их свойств и изучению отдельных технологических процессов. Эти вопросы изложены в трудах В.И.Третмюова, Г.А.Меерсона, Г.С.Крейцера, И.Н.Налоровой, В.И.Туманова, Г.В.Саисонова, Р.Киффера, Ф.Бенезовского, ' Р.А.Андриевского, К.С.Черн»вского, М.С.Ковальченко, М.М.Бабича, А.Б.'Платова, Г.П.Зпобинаидр.

Особое место занимают 'исследовали» взаиносв»зи технологии, свойств и структуры металлических порошюэв и твердых сплавов, выполненные В.А.Ивенсеном и его сотрудниками О.Н.Эйдук, В.А.Чист»ковой и др. В.А.Ивенсен создал научное направление, ув»зав технологические режимы с дефектностью кристаллического строени», определив проблему наследственности в порошковой металлургии.

Даннал работа, по-существу, является развитием исследований, начатых В.А.Ивенсеном. ■ ! ■

Большой вклад в исследование металлообрабатывающего инструмента внесли работы Б.Ф.Трахтенберга, В.С.Рыжеванова, В.С.Санойпова, М.Г.Лошака, Э.Ф.Эйхмаяс, Б.С.Хомяка* др.

В упошнутых работах рассмотрены в цепом твердые сплавы или конкретные процессы. Комплекс вопросов (технологи!, структура, свойства) применительно к инструменту для бесстружковой обработки металлов имеет специфические особенности, которые в известных работах не изучены и нуждаются в разработке.

В частности, отсутствовал общий научный подход к разработке сплавов, воспринимавших в условиях эксплуатации динамические нагрузки различной интенсивности в сочетании с износом-. При основном характере пре>ра-шения эксплуатации стандартных марок твердых, сплавов - разрушении, не определено направление решения проблемы. \ Несмотря на многрчисленные публикации по исследованию механических свойств не установлены ведущие (базисные) критерии, определяющие допговечость твердого сплава в инструменте.

Цепи и задачи исследования: Основное направление работы связано с решением крупной научной и технологической проблемы разработки нового поколения твердых сплавов, обеспечивающих повышение долговечности и надежности инструмента при бесстружюовой обработке металлов.

Для реализации этой задачи необходимо:

- разработать теоретические основы конструирования твердых сплавов для бесстружковой обработки металлов, обеспечивающих повышение работоспособности инструмента;

- на базе созданной концепции разработать технологию производства новых вольфрано-кобальтовых твердых сплавов;

- установить степень влияния параметров технологии на структуру и закономерность изменения механических свойств слпаваот состава и величины зерна карбидной фазы;

- экспериментально проверить преимущество разработанной технологии, в сравнении со стандартной, в повышении структурно-чувствительных свойств; ' '

- провести широкую проверку результатов теоретических изысканий и экспериментального исследования в условиях металлургического производства |вердых сплавов и • металлообрабатывающих заводов на операциях высадки, объемной штамповки, выдавливании, прокатай вырубки металлов;

- разработать для металлообрабатывающей промышленности, на основании широких производственных испытаний, рекомендации по областям применения новых вопьфрамо-кобальтовых сплавов.

Научная новизна работы: Разработана научная концепция конструирования твердых сплавов вопьфрамо-юобальтовой композиции, обладающих повышенным сопротивлением разрушению и работоспособностью при бесстружковой обработке металлов. Установлено,' что высокие температуры получения порошков вольфрама и карбида вольфрама оказывают влияние на глубокую очистку от примесей , за счет из возгонки, обеспечивает меньшую степень дефектности кристаллического строения и особый механизм структуро-образованля в процессе спекания, способствующий передаче деформации от зерна к зерну на нежкристалпитной границе. В целом, все перечисленные факторы способствуют повышению пластичности попикристаппичесюого твердого сплава.

; з

Создана научная основа теории строения и технологии принципиально новых твердых сппавов с бимодальным распределением карбидной фазы. Особенностью этих сппавов является наличие двух максимумов на кривой распределения зерен карбидной фазы по размерам. Слпавы характеризуются высокими значениями пластичности; (на уровне крупнозернистых) и износостойкости (на уровне мелкозернистых) композиций.

Изучены в широком диапазоне изменения параметров (дисперсности карбидной фазы от 2 до 10 мкм и концентрации кобальта от 5 до 25 '/• масс) свойства тиердых сппавов, изготовленных по высокотемпературной технологии. Установлена высокая степень корреляции критериев пластичности и износостойкости с параметрами сплава;. Изучен структурный аспект разрушения сппавов. Установлены, ранее неизвестные, зависимость трещиностойкости от ' пластичности, а так же взаимосвязь трешиностойкости с прочностью (при изгибе и сжатии), износостойкостью и твердостью.

Р;пра6отакы новые методу исследования, позволяющие в лабораторных условиях прогнозировать работоспособность твердого сплава в различных условиях'На гружен и я. Критериями оценки являются:

■ при объемной штамповке и высадке • величины предельной пластической деформации перед разрушением и работы пластической деформации сплава, определяемые при нагружении одноосным сжатием;

• апя листовой штамповки (вырубка, обрезка) - величина квазиппас-тической деформации при маподикповом контактном нагружен**;

- для объемной штамповки деталей сложного профиля, характеризующихся локальной концентрацией, налряжений в инструменте - величины напряжения старта трещины и работы разрушения, определяемой по диаграмме "напряжение - приращение трещины" при нагружении одноосным сжатием образца с центральным надрезом.

Применение разработанных методик в практике исследовательских работ позволяет сократить сроки внедрения новых материалов в условиях металлообрабатывающих заводов и получить новую информацию о развитии процесса разрушения при деформация твердых сппавов в условиях статического и циклического нагружения. I

/ /рактическая ценность: В результате исследований разработана высокотемпературная технология производства тьердых сплавов трех серий по дисперсности карбидной фазы - среднезернистые (серия "С", 2-3 мкм), крупнозернистые ("КС", 3,5-4,5 икц), особокрупнозернистые ("К", 6-10 нюх). Ряд марок твердых сппавов и изделия из них выпускаются в промышленном и опытно промышленном масштабах' заводами металлургической промышленности в соответствии с Государственными стандартами: "Слпавы твердые спеченные, марки" (ГОСТ 3882-74).' "Сплавы твердые спеченные, Вставки-заготовки щи высадочного инструмента и пластины-заготовки для отрезных ножей. Технические условия" (ГОСТ 10285-81), "Вставки заготовки из спеченных твердых сплавов для высадочного инструмента, формы и размеры" (ГОСТ 10284-84), "Пластины-заготовки из твердых спеченных сппавов для отрезных ножей. Тили и размеры" (ГОСТ 11378-75). "Вставки из нетаппокераыических сппавов дп:( разделительных и гибочных штампов (заготовки)". (ГОСТ 1910673), а также- в соответствии с Техническими условиями, зарегистрированными

Госстандартом: "Заготовки изделий из твердых сплавов марок ВК10-КС, В КМ КС", (ТУ 48-19-232-91, ноиер регистрация Госстандарта 2392, 1991 г.), "Заготовки изделий из твердого сплава марки ВК15-С", (ТУ 48-19-391-84, 200 250456-03, 1995 г.), "Заготовки изделий из твердого сппава марки BK2S, легированного хромом (ВК25-Хр)\ (ТУ 48-19-137-79, 200-1930603-04, 1994 г.). "Заготовки изделий из твердых сплавов марок ВК10-П, ВК20-П (с попидис-лерсной структурой" (ТУ 48-4206-420-90, 1996 г.).

На основе изучения эксплуатационных свойств разработаны диаграммы "стойкость - механические свойства" твердых сплавов, применяемых для оснащения инструмента на различных операции бесстружковой обработки металлов (высадка и объемная ш тал ловка метизов небольшого • М6-М8, среднего • М12 и крупного - М20-М27 диаметров), листовал вырубка (разделительные штампы), прокатке' фольги и тбнкой ленты, вытяжки и выдавливание металлов. Анализ диаграмм показывает, что с ростом интенсивности нагруженяя большее значение приобретает ресурс пластичности сппава, несмотр* на снижение пределов прочности, при ¡¡изгибе и сжатии. Для большинства операций важно сочетание механически^ свойств инструментального материала. Даже в условиях, когда наибольшую работоспособность показывает сплав не имеющий наиболее высокую пластичность, важен определенный ресурс пластичности, обеспечивающий возможность "залечивания" дефектов в результате эксплуатации (прокатюа. фольги и тонкой ленты). Диаграмма "стойкость • механические свойства" позволяет прогнозировать выбор сплава и дм других операций бесстружковой обработки металлов. Сплавы, изготовленные по высокотемпературной технологии на всех исследованных операциях, показали работоспособность в 1,4-3,2раза более высокую в сравнении со стандартными, полученными по низкотемпературной технологии.

Материалы диссертации используются автором в учебном процессе в Московской Государственной Академии Токюэй Химической Технологии им. М.В.Ломоносова по специальности 110800 и при чтении курсов лекций'по дисциплинам "Состав, структура и свойства керамических материалов", "Технология и оборудование получения иронических материалов" и "Проектирование оборудования и оснастки дпя изготовления изделий".

Публикации: Результаты экспериментальных исследований изло жены в 33 научно-технических изданиях. Новизна и оригинальность решений, полученных в результате исследований, защищены 5 авторскими свидетельствами (№№ 442892, 594876, 939995, 1200164, 1319413), а технология и составы сплавов - 7 патентами (России № 1714863, Англии № 14S3527, ФРГ№ 2606993, Чешской Республики № 190703, Швеции № 400542, Канады № 1080431, Франции № 2338999). Основные положения работы неоднократно, начиная с 1976 г., докладывались на Международных и Всесоюзных конференциях к семинарах по порошковой металлургии'и, инструментальным материалам: *

• "Твердые сплавы дпя обработки металлов при ударном нагружении (высадка, объемная штамповка., вырубка)". Симпозиум "25 пет ВУПМ", г.Шумперк, ЧССР, 1976 г.;

"Влияние режимов технологии получения порошка карбида вольфрама на формирование структуры и свойства сплава". IX Международная конференция по порошковой металлургии, г.Дрезден, ГДР, 1989 г.;

"Твердые сплавы, предназначенные для обработки металлов давлением". IX Международная конференция по порошковой металлургии, г.Дрезден, ГДР, 1989 г.;

"Методика оценки эксплуатационной стойкости хрупких материалов, работающих в условиях контактной усталости". Конференция по прочности и надежности. ВИСИ, г.Калининград, 1981 г.

За создание и внедрение вопьфрамо-кобальтовых твердых сплавов, обеспечивающих повышение работоспособности (стойкости) инструмента и оснастки, автору присуждена, в 1989 г. Премия Совета Министров СССР. За работу: "Разработка и освоение технологии твердых сплавов с повышенной попидисперсностью карбидной составляющей (бимодальные сплавы) для высокоэффективной обработки металлов давлением", автору присуждена в 1995 г. прения в области науки и техники г. Москвы.

Объем и структура диссертации: Диссертация содержит 269 страниц, в том числе 77 таблиц, 65 рисунков, список литературы, содержащий 66 наименований.

Диссертация состоит ю "Введения", четырех глав, "Заключения и общих выводов по работе" и приложения.

В приложениях приведены рекомендации по применению новых марок сплавов и классификация твердых сппявов для обработки металлов давлением.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы и сформулированы цели и задачи исследования.

Первая глава: посвящена анализу тенденций разработки и выпуска ведущими фирмами промыш пенно развитых стран твердых сппавов для бесстружковой обработки металлов. Анализируя применение твердых сппавов в этой области металлообработки в бывшем тогда СССР отмечается, сто за десять пет, с 1970 по 1980-ый год, производство твердых сппавов для этой области удвоилось и составляло порядка 600 тонн в roa. Отмечено, что за последние сорок пет ассортимент твердых сппавов дпя бесстружковой обработки существенно кзиенипся. Ведущие фирмы, такие кз.к "Сакпвик АБ" (Швеция), "Крупп Вядиа ГМБ" (ФРГ). "Адаиас Карбайд Корпор" (США), "Кеннаметал ИНК" (США), "ГТЕ Валмет" (США), "Карбалой Системе" (США), "Экс-Селл-0 Корпор", "Туп энд Абразив Продакт" (США) выпускают не только широкий ассортимент твердых сппавов дпя бесстружковой обработки и быстроизнашивающихся деталей, но и специальные марки, в основном легированные, в том числе и большими добавками (до 5 V* масс.) карбидом тантала. В главе дана классификация механических свойств спеченных твердых сппавов и обоснован выбор структурно-чувствительных свойств, исследовавшихся в работе (пределы прочности при изгибе и сжатии, пластическая деформация при нагру-жении одноосным сжатием, трещиностойкость, твердость и износостойкость),

тем, что они в той ипи иной мере определяют работоспособность (стойкость) инструмента. Приведена также классификация выпускаемых различными фирмами твердых сппавов в зависимости от характера и интенсивности воспринимаемых в процессе эксплуатации нагрузок. Такая классификация условна, поскольку в инструменте твердый сплав работает в сложно-напряженном состоянии, подвергаясь одновременно динамическим нагрузкам разной интенсивности и износу. Однако в первом приближении классификация позволяет связать состав и уровень механических свойств сппава с характером воспринимаемых им нагрузок.

В главе в>порой - изложена научная концепция разработки сппава для бесстружковой обработки металлов. Исследована зависимость механиче ских свойств от состава, величины зерна, карбидной фазы и технологии изготоь пения сппавов. Изучено влияние технологии изготовления исходных порошков карбида вольфрама на механические свойства сппава (§ 21.), исследованы структурно-чувствительные механические свойства средкезернистых вопьфра-но-кобальтовых сппавов (dwc=2-2,5 мкн) в широком диапазоне по содержанию кобальта (от 6 до 20 V, масс), изготовленных по высокотемпературной ("В") и низкотемпературной ("Н") технологиям (§ 2.2) и завершается глава - изучением закономерностей изменения структурно-чувствительных механических свойств от концентрации кобальта (в диапазоне 6-25"/«масс) и величины зерна карбида вольфрама (в диапазоне 2-10 мкм) в твердых сплава, изготовленных по высокотемпературной технологии (§ 2.3.).

К моменту начала работы, наиболее распространенной технологией, по которой изготавливались твердые сплавы для исследуемой области применения, была низкотемпературная технология. В основе ее ■ относительно низкие температуры получения порошков вольфрама (в две стадии при 650 и 850 °С) и карбида вольфрама (1450 °С). С применением этих порошков изготавливались среднезерниртые твердые сплавы марок ВК6, ВК8, ВК10, ВК20и ВК25.

Из предыдущих исследований, выполненных как у нас, так и за рубежом, были известны два основных способа повышения вязкости твердого сппава - за счет повышения концентрации кобальта и увеличения зерна карбидной фазы сппава. Для изготовления крупнозернистых сппавов (основная масса зерна карбидной фазы 2-5 мкм) использовался карбид вольфрама, изготовленный при температурах 1600 - 1800 °С. Эти сплавы применялись для оснащения горнобурового инструмента. Работоспособность в нем крупнозернистых сппавов (ВК11В, ВК8В) была выше в сравнении со среднезернистыми.. Предполагалось, что повышение температуры необходимо, чтобы вырастить зерно и получить крупнозернистый слпав.

В исследованиях, предшествующих данной работе, авторы рассматривали твердый сппав как хрупкий материал. Пластическая деформация считалась возможной лишь в зоне прохождения трещины. С этих позиций было естественным не делать различия между прочностью и сопротивлением сппава разрушению. Сопротивление разрушению, гак известно определяется работой предшествующей деформации. При наличии упругой деформации работа раз

рушения пропорциональна • Ов2/Е (Ов - прочность при данном виде натр ужения, Е - модуль упругости сппава) и при мапых изменениях модуля упругости от

величины зерна сплава, работа разрушения связывалась в основной с прочностью. ч

При нагружении пластически деформируемого тепа до его разрушения работа, затраченная на разрушение, равная работе деформации, определяется площадью, ограниченной кривой деформации и осью абсцисс. В этом случае работа разрушения не определяется однозначно пределом прочности при сжатии, а в значительной степени зависит от величины деформации. Именно этим обстоятельством следует объяснить наблюдающееся несоответствие между результатами лабораторных и производственных оценок прочности.

Таким образом, исследования деформации и ее ропи в разрушении сппава поставили задачу - разработки технологии, обеспечивающей повышение пластичности твердого сппава.

Изучение карбида вольфрама, полученного прокалкой, при 2250 °С „ шихты, состоящей из порошков металлического вольфрама, сажи (6,12 % насс) и кобальта (1 % масс) показало, что конечный продукт отличается не только крупными кристаллами (20-30 мкм) за счет их роста в расплаве кобальта, но и весьма малой степенью дефектности (ширина интегральной пинии рентгеновского отражения была равно 8,5х 10(3) рад). Сплавы, как среднезернистые (2-3 мкм), так и крупнозернистые (10-12 мкм), полученные с применением такого карбида вольфрама, обладали, весьма высокой пластичностью. У первых она бопее чем в два раза превышала пластичность стандартных сплавов с одинаковой дисперсностью карбидной фазы.

Учитывая, что условия нагружения твердого сппава в горно буровом инструменте и при бесстружковой обработке металлов различны, были проведены Ькспериненты по сопоставлению механических и эксплуатационных свойств высадочного инструмента, оснащенного сплавами ШС-20 % Со с разной дисперсностью карбидной фазы (2,2; 3,6 и 10,2 мкм). Стойкость сппава с особокрупным зерном (10,2 мни) в сравнении со среднезернистым (2,2 мкм) возрастала при высадке боптов М16 - в 6,6 и М20 - в 8,4 раза. Пределы прочности при изгибе и сжатии для сравниваемых вариантов сплавов уменьшались на 62 и 70 % соответственно. Величина предельной пластической деформации при нагружении сжатием для сравниваемых вариантов сппавов возросла в 3,2 раза. Пластическая деформация, повышая величину работы разрушения, увеличивает сопротивление разрушению твердого сппава при динамическом нагружении и оказывает заметное влияние на работоспособность твердого сппава ' в условиях весьма интенсивных нагрузок. Рост пластичности сппава в тяжело-нагруженном инструменте оказал большое влияние на его работоспособность, чем снижение прочности.

В экспериментах по ударному срезу, при юэтором доминирующее развитие имеют касательные напряжения, на сплавах с 8 и 20 V» кобальта были получены следующие результаты. У сппавов Ч]С - 8'/« Со с различной величиной зерна(1,4и 9,2 мкм) пластическая деформация возросла с 0,54 до 3,86 V», удельная работа деформации с 19,6 до 96,1 цж/сиЗ и энергия разрушающего удара (при ударном срезе) с 2,84 до 4,22 лж. Аналогичные результаты получены и на сплавах с 20% Со.

Из сопоставления величины пластической, определенной экспериментально, и упругой, рассчитанной по модулю упругости дпя сплава ДО С • 20% Со,

следует, что поскольку работа пластической деформации близка по величине с общей работой деформации, дпд сопоставления с эксплуатационными характеристиками можно использовать показатели пластической деформации сплава (предельную деформацию перед разрушением).

На рис. 1. показано соотношение между величинами работ упругий Ау и пластической Ал деформации при жестком - изгибе и мягком - одноосным сжатии • способах натр ужения.

ЧнПй1р9*Т0Я»ЧН*и (яисгнй) ичиб

60

< Ю

и « го г:

%Со 1па массг)

Одм

40а

10

гг

а 60

а

•6

ч ко

6

•8

<г го

¥

ПП11Ч1ЦП1

<0 и го 15

-— У* Св (м НОСС9)

Рис. 1. Зависимость между величинами работ упругой (Ау) и пластической (Ап) деформаций при различных видах натр ужения среднезернистых сплавов.

Из построенных на основе экспериментальных данных зависимостей следует, что и при изгибе сплавы со средним содержанием кобальта, а при сжатии и иалокобальтовые твердые сплавы характеризуются весьма существенной пластической деформацией и доля работы пластической деформации в суммарной величине • составляет - при изгибе 10-18'/«и сжатии ■ 40-90 •/«.

Наряду с этим, в процессе пластической деформации в структуре сплава возникают дефекты в виде субникротрещин, которые ответственны за снижение сопротивления разрушению. Так, исследуя зависимость прочности при изгибе от степени предварительной деформации при сжатии было установлено, что относительная прочность при изгибе (отношение прочности деформированного к прочности не деформированного сплава) равны при Е=0,2% - 0,78; 0,88 ■ 0,92 и при £=0,4'/. - 0,42; 0,65 и 0,78 для сплавов с 10 % Со, имеющих (Знгс=2,2; 3,9 и 10 мкм соответственно. Тоже для сплавов с 20% Со с <3^=2,9; 3,7 и 11,8 икн пря Е=0,5'Л - относительная прочность была, равна 0,60; 0,60 и 0,78 при Е=1%- 0,28; 0,42 и 0,75 соответственно.

Менее интенсивное накопление дефектов наблюдаете» у особо- н крупнозернистых сппавов, характеризующихся повышенной пластичностью; наиболее интенсивное - у мелко- и среднезернистых сппавов. Это явление обуславливает более резкое снижение прочности последних.

Таким образом из концепции конструирования твердого сплава для бесстружковой обработки металлов,, ерзданной на базе экспериментально установленных закономерностей, следует:

способность твердого сплава к пластической деформации определяет сопротивление разрушению при статическом и динамическом характере нагру-жения;

- небольшая величина пластической деформации имеет решавшее значение дня обеспечения высокого сопротивления твердого сплава разрушению; ; .

- интенсивность дефектообраэоваяих в процессе пластической деформации меньше у твердых сппавов, характеризующихся более высоким ресурсом пластичности;

• технологическое решение должно обеспечить повышение пластичности карбидной фазы и сплава в целом. Варьирух режимы размола твердосплавных смесей и спекания могут быть изготовлены сплавы с нужным сочетанием прочностных и пластических характеристик дпя разных условий высадки, штамповки, вырубки, проката и т.п.;

- при эксплуатации твердый слпав должен быть поставлен в условия, когда в нем развиваются в основном касательные напряжения. При возникновении в еппаве нормальных растягивающих напряжений его работоспособность резко снижается.

Последующее развитие экспериментальных работ показывает справедливость этих положений и для других областей применения твердых сплавов, таких как тяжелое резание металлов, бурение крепких горных пород.

Карбидный каркас твердого еппава представляет собой поликри-стаппическое тело с развитыми межкристалпитными (WC-WC), а в присутствии мягкой связующей (кобальтовой) фазы и межфазными (WC-Co) границами. Состояние границ, как и сами фазы, оказывают влияние на механические свойства сплава. Твердый сплав с весьма крупным зерном карбидной фазы (~10 мкм) мало исследован. Автором был проведен эксперимент с особокрулнозер-нистым сплавом, содержащим 20'/• Со. Величина зерна в сплаве (в пределах 6-12мкм) регулировалась изменением длительности размола смесей в диапазоне 310 час. Дпя спекания образцов сплавов, наряду с обычным при температуре 1390 "С (1-ая серия), применялся двухступенчатый режим с повышающейся температурой 1360+1450 СС (2-ая серия). Исследовались пределы прочности при изгибе, сжатии и определялась величина предельной пластической деформации. При применении 3,6 и 10 час. размола средняя величина зерна сппавов 1-ой серии была равна 8,7; 8,1 и 6,3 мкм соответственно. Сплавы 2-ой серии характеризовались дисперсностью 12,2; 10,4 и 8,0 мкм при тех же дпитепьностхх размола. Механические свойства сппавов в пределах серий изменялись в известном направлении: пределы прочности при изгибе и сжатии уменьшались с ростом зерна, а величина предельной пластической деформации - возрастала. Однако сопоставляя свойства сппавов между сериями, с одинаковым зерном

карбидной фазы, видно, что спеченные в две стадии (2 серил) сппавы имели более высокую прочность при сжатии. Двойное спекание привело также к значительному повышению пластичности (на 75%) при относительно небольшом росте зерна (с 8 до 12мкм). Эти необычные изменения свойств могут быть объяснены специфическими для особокрупнозернистого сплава процессами формирования структуры. В процессе двойного спекания одновременно с ростом зерна, по-видимому, происходит упрочнение контактной поверхности WC-WC за счет более агтивной перекристаллизации мепких (2-3 мкм) зерен., что приводит к повышению прочности при сжатии.

Было проведено комплексное исследование с привлечением металлографических, рентгеноструктурных и стереологических методов анализа порошков карбида вольфрама и карбидной фазц в сплавах WC-20% Со, спеченных прн различных температурах. Исходные порошки карбида вольфрама изготавливались по "В" и "Н" технологиям л подвергались размолу в течение 12, 24,48 и 96 час. Дисперсность порошков определялась с помощью электронного микроскопа при увеличениях х4000, х 16000 в зависимости от дисперсности. Исследовалась микропористость (диаметр и объемная концентрация), разориентация и размер блоков мозаики, микроискажения и ширина пинии (112)а рентгеновского отражения. Из порошков карбидов обеих серий были приготовлены сппавы при интенсивном размоле смесей дпя получения, из резко отличных по дисперсности порошков, сппавов с близким по размером зерна. Образны сппавов спекались при температурах 1300, 1350, 1400 и 1450 °С. Стереопогический метод использовался для определения межкристалпитной поверхности и характеристики дисперсности карбидной фазы (средние величины диаметра и длины хорды). Полный . стереопогический анализ (межкристалпитная, межфазная и полная поверхность зерен карбидной фазы, чиспо контактов карбидной фазы) был выполнен на образцах спеченных при 1400 °С. Была определена также концентрация примесей в исходных порошках карбидов. Исследование показало, дисперсность порошков карбидов* резко различна: высокотемпературный ("В") - 5,94 мкм, низкотемпературный - 0,36 мкм. Порошок карбида серии "В" обладает меньшей внутренней пористостью .(на 50%), размеры пор меньше почти вдвое (75%). Разориентация блоков (на 40%), мхкроискажение кристаллической решетки (в 4,2 раза), а также ширина пиний рентгеновского отражения (в 1,8 раза) меньше у порошка карбида, полученного по "В" - технологии. Таким образом высокотемпературный исходный карбид вольфрама имеет меньшую дефектность кристаллического строения. Концентрация примесей, особенно таких, как кальций, натрий, мышьяк, алюминий у него также ниже. ;

Размол приводит к измельчению частиц: дпя "В" с 5,94 до 0,19 мкм (болеечем в 30раз), дпя "Н" -с 0,36 до 0,25мкм (в 1,4 раза). При этом крупные зерна в процессе размола подвергаются естественно деформационной обработке в большей степени, что проявляется в повышении микроискажений и увеличении ш ирины пиний рентгеновского отражения. Однако при жидкофазном спекании, в процессе перекристаллизации через жидкую фазу, деформационные дефекты обработки резко снижаются. Так для сплавов, спеченных в диапазоне 1350-1450°С наоснове "В" - порошков ширина пиний рентгеновского отражены снижается с 25,1 до 23,7x10(3) рад., т.е. на 1,4x10(3) рад.,а дпя сппавов на

основе "Н" порошков с 25,4 до 25x10(3) рад., т.е. всего наО,4x10(3) рад. Таким образом у первых уменьшение ширины пиний рентгеновского отражена« в 3,5 раза больше. Поспе удаления кобальта, различия невелики, однако тенденция сохраняется: у сплавов на основе высокотемпературного порошка ■ ширина пиний во всех случаях ниже.

Более интенсивное измельчение "В" • порошков при размопе и связанные с этим деформационные дефекты, обуславливают особый характер уплотнения и формирования каркасной структуры сппава в процессе спекания. Это следует из стереологического исследования изменения межкристалпитной поверхности (Swc-wc) от температуры спекания. Во всей диапазоне исследованных температур (1300-1450 °С) величина Swc-wc меньше у сплава, изготовленного по "В" - технологии, т.е. формирование структуры протекает с большей скоростью. Таким образом совокупность ряда факторов обуславливают повышенную пластичность кристаллов карбида вольфрама, сформировавшихся при высокой температуре (низкий уровень дефектности исходного материала, особый процесс структурообразования сппава при спекании, пониженная концентрация примесей).

Изучалась степень травииости межкристалпитной границы WC-WC в крупнозернистых сппавах (dwc и 10 мкм) различного состава (с 10 и 20*/» Со) по интенсивности почернения протравленной межкристалпитной границы. Протравленные шлифы снимались при увеличении 1000 раз на микроскопе Неофот-2, степень почернения границ определялась на микрофотометре МФ-2. Было установлено, что степень почернения межхристалпитных границ не зависит от состава^ сппава, спеченного при одинаковой температуре. В пределах одной границы снежных кристаллов степень протравливания не меняется на всем ее протяжении, но граница того же кристалла, смежная с другим зерном, обнаруживает иную степень протравливания. Таким образом иежкуисталлитная граница WC-WC в твердых сппавах аналогична по строению границе лоликри-сталпического тела.

Изучена закономерность изменения свойств слпавов с различным содержанием кобальта, изготовленных с применением разных исходных порошков карбида вольфрама "В" и "Н" - порошки. Результаты такого исследования, проведенного с использованием одинаковых методов определения механических свойств, имеют статистический характер, поскольку базируется на сплавах, концентрация кобальта в которых меняется в широком диапазоне. На основе высокотемпературных порошков могут быть изготовлены слпавы, отличающиеся большим диапазоном дисперсности карбидной фазы. Однако в связи с тем, что по низкотемпературной технологии не могут быть получены крупнозернистые сплавы, исследование было проведено на среднезернистых сплавах.

Серия сплавов на основе высокотемпературной технологии включала слпавы с содержанием кобальта от 6 до 20% (масс), дисперсность сплавов карбидной фазы составляла 2,04-2,42 мкн. Аналогичной по составу была серия сппавов, изготовленной по низкотемпературной технологии. Величина зерна сплавов была в пределах 2,15-2,44 мкм. Определение механических свойств слпавов обеих серий проводилось по методикам, разработанным В.И.Тумановым. Исследовались в зависимости от изменения концентрации кобальта • пределы прочности при изгибе и сжатии, величины остаточной де-

формации при сжатии (при непрерывном нагружении образца) и изгибе - пластический прогиб (остающийся после снятия изгибающей нагрузки). Определялись также предел текучести (О0,05)'при изгибе и микротвердость (Hv) сплавов. Поскольку пластический прогиб при комнатной температуре у сплавов весьма мал, величина прогиба определялась при 500 "С, для сравнения, наряду с комнатной температурой, измерялась и величина остаточной деформации при одноосном сжатии также при 500 °С.

При близких величинах прочности при сжатии сплавы, изготовленные по высокотемпературной технологии, характеризуются более высокой прочностью при изгибе во всем диапазоне составов, обладают более высокой способностью к пластической деформации как при нагружении изгибом, так и сжатием. Величина пластического прогиба у мало- и высококобальтовых сплавов по "В" - технологии выше в 1,6-3 раза. При определении величины упругой деформации графо-аналитическим способом по кривой "напряжение - деформа ция" (при непрерывном нагружении сжатием) остаточная деформация сравниваемых вариантов малокобальтовых сплавов близка. Это может быть связано с тем, что при данной методике определения величина пластической значительно меньше упругой деформации. Микротвердость'сплавов, изготовленных по высокотемпературной технологии ниже, что также свидетепьствует об их более высокой пластичности.

В цепом исследования свойств показало преимущество высокотемпературной технологии для изготовления сплавов со средней величиной зерна карбидной фазы (2-3 мки), Карбидная фаза в спеченном сплаве сохраняет низкий уровень дефектности кристаллического строения, заложенный на стадии карбядязадии, и более совершенной строение межкристаллитных границ, что и обуславливает высокую пластичность и прочность.

Поскольку механические свойства сплавов определяются как составом, так и величиной зерна, были исследованы сплавы, изготовленные по высокотемпературной технологии в широком диапазоне изменения состава и зерна карбидной фазы.

Деформационная характеристика сплавов, включающая предел теку

чести (СТ0.1), предел прочности при сжатии (СТсж.), предельную величину пластической деформации (Еп) и удельную работу пластической деформации (Ауд.), определялась по методике В.А.Ивексена и О.Н.Эйдук при ступенчатом нагружении образцов сжимающей нагрузкой. Методика позволяла непосредственно измерять с помощью оптиметра величину остаточной деформации образца. Ошибка, в определении предела прочности при сжатии составляла ± 5 '/«. Ошибка, определения величины деформации зависела от степени деформации. Для величины деформации до 1,5% ошибка определения, рассчитанная здесь, а также при определении других характеристик,'из среднего квадратического отклонения при 95%вероятности, составляла ± 8 %, ошибка определения величины предельной деформации (при разрушающей нагрузке) составляла ±15 %.

Предел текучести (00,1) определялся по графику "напряжение-деформация" и был равен напряжению при деформации 0,1%. Ошибка определения предела текучести составляла! 10 %. Прочность при изгибе определялась по стандартной методике. Ошибка в определении величины предела прочности при изгибе

составляла+ 6,5 %. Определялись износ (Л) л износостойкость (Шизн.) о незакрепленные абразивные частицы, по методике разработанной В.И.Тумановым, аналогичной ЛЗТМ В611-76. Ошибка в определении износа (составляла ± 3 У«).

Сопротивление распространению трещины (трещнностойкость, коэффициент интенсивности напряжений К1с) определялись по методикам ВНИИТС и ИСМ АН УР. Образец прямоугольного сечения, в центре которого со стороны изгиба наносился эпектра?розионным способом надрез с выращенной усталостной трещиной, нагружался изгибом сосредоточенной нагрузкой. По величине изгибающего напряжения рассчитывается коэффициент К1с. Ошибка определения К1 с составляла ± 7 %. Сопоставляя величины для среднезернистых сплавов К1с, определенные по методикам ВНИИТС и ИСМ АН УР можно констатировать хорошее совпадение. Данные по различным методикам К1с, МПахм1/2: ВНИИТС - 10,2(6); 13,4 (10); 15,7 (15) и 17,2(20); ИСМ АН УР - 11,0(5); 13,5 (10); 16,0(15)и 18,0(20). В скобки; дано содержание кобальта в сплаве.

Для исследования в лабораторных условиях быпи изготовлены на основе высокотемпературных порошков слпавы трех серий: среднезернистые (2,6-3,2 мкм), крупнозернистые (3,5-5,7 мкм), и особокрупнозернистые (8:Ю мкм). Каждая серия состояла из сплавов содержащих от 5 до 25 */• (масс.) кобальта. Для получения двухфазной структуры еппавов на стадии твердофазного спекания применялось нормализующее спекание образцов в наугпераживающей засыпке. На рис. 2-6 показано изменение механических свойств исследованных еппавов. Цифры окопо точек на графиках обозначают относительное значение свойства. За 100% (или 1 для Еп) принято значение дпя среднезернистого сплава, содержащего 5 % Со (дпя износостойкости • 6 % Со).

Исследование показало, что увеличение размера зерна с 3 до 9 мкм приводит: к росту Еп в 4,75 раза дпя сплава с 5 % Со и в 1,95 раза дпя сплава с 25 %Сои трещиностойкости • в 1,43 и 1,50 раза соответственно. Одновременно снижаются пределы прочности при изгибе в 1,33 и 1,46 раза и сжатии в 1,51 и 1,51 раза и износостойкости в 4 и 1,33 раза дпя сравниваемых вариантов сплавов.

Увеличение кобальта в сплавах с 5 цо 25°/» (с 6 по 25% масс, дпя износостойкости) приводит к увеличению дпя среднезернистых ((Загс « 3 мкм) и особокрупнозернистьгх (<1нгс » 9 пгя) еппавов Еп в 10 и 4,1 раза, К1с в 1,64 и 1,71 раза и а изг. в 1,25 и 1,13 раза соответственно. Одновременно снижаются -Осж. в 1,32и 1,32 раза и износостойкость б 4 и 1,66 раза соответственно.

кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии.

Рис. 3. Зависимость предела прочности при сжатии от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии.

г«.»1

■з* /

—у» Со ПОЦФСС*.

Рис. А. Зависимость величины предельной пластической деформации от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии.

Рис. 5. Зависимость коэффициента интенсивности нагружений (К1с) от количества кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии

Рис. 6. Зависимость износостойкости (№изн.) от количества

кобальта и величины зерна карбида вольфрама в сплавах, изготовленных по высокотемпературной технологии.

Таким образом, сопоставляя зависимость механических свойств от изменения бж и VСо, следует отметить большую чувствительность Еп и Шизн. к изменению обоих факторов. Чувствительность свойств убывзет в ряду: при изменении йягсгЕп-Шизн.- СТсж.-Юс-Сизг.; при изменении Усо: Еп-Шизн.-К1с-Осж.- Оизг.

Исследование распространения трещины в условиях контролируемого разрушения (при определении по методу К1с, обший путь трещины - до 2 мм, увеличение в 2000 раз, слпавы с 15 и 20У< Со) показало, что созданная заранее и продвигающаяся под воздействием внешней нагрузки, трещина проходит по межзеристалпитной границе и зерну карбида вольфрама. Доля протяженности трешкны в этих фазах составляет 62-65 %, а с учетом кежфазной границы - 90 %.

Исследована закономерность изменения Еп, ДОизн., №/, СТизг. и Осж. от К1с для сппавов в широком диапазоне по составу (6-25 % Со) и дисперсности карбидной фазы (2-10 мкм). Установлена прямая пропорциональная зависимость

"Еп~К1с" н "Окзг.~К1с". Отклонение от прямой наблюдалось дшс Сизг. в

сторону больших значений К1с. Наблюдалась обратная пропорциональная зависимость: "Осж.~К1с", "Ну~К1с" и "\Уизн.~К1с".

Поскольку, как известно, К1с характеризует напряженное состояние в устье надреза или трешины (локальное напряженное состояние), а характеристики прочности и пластичности учитывают усредненные свойства образца, вид установленных зависимостей свидетельствует о том, что определяющим структурным аспектом разрушения при различных видах нагружения твердого сплава является карбидная фаза и состояние (дефектность) границ.

Твердые сплавы воспринимают в инструменте динамические знакопеременные нагрузки. Предел выносливости твердых сплавов уменьшается с возрастанхек числа циклов нагружения. На примере сппавов ЭДС- 20 V. Со с различным (Загс это может быть показано при испытанных на ударный изгиб (трехточечнад схема нагружения, шлифованный образец квадратного сечения размером 4,5 х 4,5 х 35 мм. Вероятность разрушения 50 '/•).

Таблица 1.

Предел выносливости сппавов У/С- 20 % Со.

й<ж, мкм Предел выносливости, ГПа Число циклов нагружения

2,9 2,17 Статическое нагружение .

1,55 1,5x10(5)

1,45 1,7x10(5)

1,35 1,9x10(5)

11,8 1,71 Статическое нагружение

1,53 7x10(3)

1,45 1,5x10(4)

1,48 2,0x10(4)

Увеличение числа циклов на 27 V» для сплава с <3вдс=2,9 мкм привело

к снижению предела выносливости и по отношению к прочности при статическом нагружении он составлял - 0,62; то же дпя сплава с с!ип:=11,8 мкм равнялось 0,86 при увеличении числа циклов в 2,9 раза. У более пластического сплава, характеризующегося низкой статической прочностью, при ударном циклическом нагружении в меньшей степени снижается предел выносливости. Аналогичные результаты получены и Блюмом на сппавах "Видиа-Крупп" с 6 "/. Сое <3ис=2и4 мкм при нагружении пульсирующем сжатии и знакопеременным изгибом. Относительная прочность в зависимости от чиспа циклов нагружения составляла (за 1 принята прочность при статическом нагружении): при пульсирующем сжатии -0,9/0,95; 0,82/0,90; 0,75/0,85 и 0,71/0,80:при знакопеременном изгибе - 0,86/0,90; 0,71/0,80; 0,62/0,70; 0,58/0,60 дпя 10(2), 10(4), 10(6) и 10(8) циклов нагружения соответственно. Над чертой величины дпя сппавов с (Знл:=2 мкм, под чертой • <5«гс=4 мкм. Твердый сплав, имеющий крупное зерно, характеризуется более высокой пластичностью и меньшей интенсивностью дефекта-образованкя. Развивающаяся в процессе нагружения пластическая деформация, по-виоимоку, препятствует усталостному разрушению.

Закономерности изменения механических свойств от параметров структуры (дисперсности карбидной фазы и концентрации кобальта) обусловлены строением металлокерамлческих вопьфрамо кобальтовых твердых сплавов.

На основании многочисленных исследований, опубликованных как в России, так и за рубежом, можно считать доказанным скелетное строение сплава. Карбидная и кобальтовая фазы представляют собой два непрерывных, совмещенных и вложенных друг в друга каркаса. Из-за разных температурных коэффициентов линейного расширения карбида и кобальта, карбидный каркас -сжат, а кобальтовый - растянут. Величина растягивающих напряжений в кобальтовой фазе постигает величины ~ 100 кг/мм2, что в несколько раз превышает предел текучести кобальта. Высокое напряжение кобальтовая фаза может выдержать только п состоянии, близком к всестороннему растяжению, исключающим пластическую деформацию. Блокирует пластическое течение кобальта карбидный каркас. Разрушение последнего приводит к пластической деформации кобальта, его пластическому течению и катастрофическому разрушению сплавав цепом.

Карбидный каркас представляет собой попикристаллическое тело с многочисленными межкристаллитными границами. Закономерности деформации каркаса сходны с обычными закономерностями деформации поликристаллов. Границы зерен и блоков оказывают более значительное сопротивление деформации при передаче се в соседнее зерно, вследствие чего карбидный каркас мелкозернистых сплавов оказывает бопее значительное сопротивление деформации, чем крупнозернистых. Деформация каркаса определяется в основном объемной деформацией зерен. В связи с этпи пластичность крупнозернистых сплавов выше, в сравнении со среднеэернистыии. Поскольку деформация карбидного каргаса определяется объемной деформацией зерен, особое значение приобретает степень дефектности кристалла. Снижение степени дефектности кристаллического строения, уменьшение разориеятации блоков, приводит к увеличению пластичности сплава. Увеличение концентрации кобальта сопровождается уменьшением доли межкристаллитной границы и увеличением доли вязкой составляющей в структуре, что в целом способствует повышению пластичности сплава.

Рассматривая поведение сплава при нагружении, необходимо учитывать принцип совместности (одновременности) деформации карбидного и кобальтового каркасов. Кобальтовая фаза деформируется по механизму сдвигового превращения мартенситного типа. Образующиеся пластинчатые участки с гексагональной компактной структурной характеризуются высокой твердостью. В структуре гетерогенного сппава для распространяющейся трещины наиболее слабым звеном является карбидная фаза и межкристаппитная граница. Наиболее прочным звеном • кобальтовая фаза. При сжатии напряжение возникает на границе контакта карбидных зерен, т.е. на межкристаллитной границе.

В главе третьей рассмотрены перспективы дальнейшего совершенствования сплавов (влияние легирования, спекание в вакууме, горячее изостатическое прессование) и основы разработки сплава с бимодальным распределением карбидной фазы по размерам (с повышенной попядисперсностью карбидной фазы).

Перспективный является направление исследований по конструированию твердых сплавов, характеризующихся определенным сочетанием служебных свойств. Оригинальными здесь являются технологии изготовления изделий из твердых сппавов с переменным содержанием кобальта (Лисовский А.Ф.) или с различным содержанием углерода в объеме изделия (фирмы "Саидвик Коромалт", Швеция, "Тицит", Австрия). Внимание, как правило, обращено на вязкость и износостойкость, определяющих работоспособность сппава при нагрузках высокой интенсивности. Конкретная задача дпя бес-стружковой обработки металла состоит в повышении износостойкости при сохранения уровня пластичности сппава с сравнении со сплавом типа "КС". Решение этой задачи затруднено, поскольку обычные приемы, повышающие износостойкость (например за счет уменьшения величины зерна или снижения содержания связующей фазы), обязательно приводит к уменьшению величины предельной деформации и связанного с этим - снижению сопротивления разрушению. Можно было предполагать, что бопее выгодным сочетанием свойств будет обладать сплав с повышенной попидисперсностыо карбидной фазы, т.е. более широким распределением размеров зерен,: имеющий два максимума на кривой распределения зерен по размерам (бимодальное распределение). При этом предполагалось, что крупное зерно обеспечит повышенную пластичность, а мелкое - высокую износостойкость сппава.

Эксперименты по подбору исходных крупно- и мелкозернистых порошков, режимов размола и спекания привели к разработке технологии спеченных твердых сплавов с бимодальным распределением карбидной фазы.

Таблица 2.

Характеристика структуры сппавов -10 % с повышенной попидисперсностыо карбидной составляющей с различным соотношением крупной (3-5 мкм) и мелкой (1-2) фракций.

Соотнош. фрак, зерен в смеси,'/. мкм Распределение зерен карбидной фазы по размерам, %

Круп. | Мепк. 1якм | 2мки | Змкм | 4-5мкм | 6-7 мкм | 8-10мки

1 серия

100 0 4,0 1 23 31 25 15 5

75 25 24 21 30 19 4 2

60 40 37 19 24 15 4 1

50 50 40 .20 28 И 1

37,5 62,5 54 30 7 2 •

0 100 1.3 74 24 4

2серия

100 0 4.1 3 20 30 26 17 4

60 40 - 32 20 26 18 3 1

50 50 39 22 28 9 2

' 0 100 1.4 70 25 5 - •

Из таблицы 2 видно, что все варианты сплавов с повышенной полидисперсностью карбидной составляющей обладают бимодальной кривой распределения зерен (с двумя максимумами), свидетельствующих о наличие в структуре слпавов двух фракций зерен резко отличающихся средним размером. В таблице 3. приведены механические свойства сплавов. Величина предельной пластической деформалии с увеличением доли мелкой фракции зерен карбида вольфрама в смеси вплоть до 50 % меняется незначительно (снижается всего на 10 %). Повышение доли мелких зерен приводит к резкому увеличению износостойкости, так 25%мелких с 5,82 до 7,94 (увеличение на-28 %) и 50 % мелких -до 8,42 1/смЗ (увеличение на 45 %). Наиболее выгодным, по-видимому, дпя практики сочетанием свойств - пластичности и износостойкости • обладает сплав с соотношением групной и мелкой фракций карбида вольфрама 60:40 соответственно. Величина пластической деформации этого сплава близка к пластичности сплава ВКЮ-КС (Еп=4,1 %), а износостойкость выше на 38 %. Эти результаты неоднократно подтверждены.

Таблица 3.

Механические свойства сплавов '//С- 10 % Со, с повышенной попидисиерсиостыо карбидной фазы.

Соотношение фракций зерен карбида вольфрама в смеси, % НР.А. (3 изг., О сж., Ел, Wиэн.,

крупная мелкая ГПа ГПа % 1/смЗ

1 серия

100 0 87,5 2,70 3,80 4,3 5,82

75 25 88,0 2,65 З.РЗ 4,2 7,94

60 40 88,5 2,76 4,15 4,1 8,0

30 50 89,0 2,72 4,23 3,8 8,42

0 100 90,0 2,10 " 4,50 1,3

2серия

100 0 87,5 2,68 3,83 4,3 6,10

60 40 88,5 270 4,10 4.1 8,13

50 50 89,0 2,70 4,23 3,9 8,34

0 100 90,0 2,56 4,50 1.4

Закономерности изменения механических свойств сплавов с бимодальным распределением размеров зерен карбидной фазы, полученные на сплавах с 10%кобапьта, были проверены на сплавах с 20 % кобальта с применением тех же исходных порошков карбида вольфрама и технологии изготовления сплава. Получены аналогичные результаты, которые подтверждают, что наиболее выгодным сочетанием пластичности и износостойкости обладают сплавы также с соотношением крупной и мелкой фракций, равной 60:40.

Сплавы с оптимальным соотношением крупной и мелкой фракций карбида, с концентрацией кобальта 10 и 20 % масс., были испытаны в условиях АО "ГПЗ-Г (г.Москва) на операции объемной штамповки шариков и ропиков из ст.ШХ-15 для подшипников. На примере испытаний сплавов ВК20-П в сравнении с применимым ВК20-КС видна высокая эффективность первых. Так

среды* стойкость матриц при штамповки ропиков диаметром 20,6; 12,5 и 10,5 ми составляла: оснащенных сплавом ВК20-П (с бимодальным распределением карбидной фазы) - 47, 328 и 221 тыс. ропиков; оснащенных сплавом ВК20-КС • 30, 215 и 120 тыс. ропиков соответственно. Повышение стойкости инструмента составляло 52-83 '/•.

Технология изготовления сплавов с бимодальным распределением зе рен карбидной фазы защищена патентом РФ (Яг 1714863) и начат опытно-промышленный выпуск сппавов.

Проведенные исследования открывают новые технологические возможности в конструировании твердого сплава. В эксперименте быпи использованы для изготовления сплавов порошки карбидов, полученные при относительно высоких температурах восстановления оксидов вольфрама. Вместе с тем порошки карбидов, изготовленные на их основе, характеризуются довольно широким распределением фракций зерен по размерам. Новой может являться задача получения крупнозернистых и мелкозернистых порошков карбида с узким распределением зерен. Основной является проблема получения мелкозернистого, малоактивного материала. Результаты проведенных исследований позволяют предположить, что формирование зерен карбидной фазы происходит на зародышах, которыми являются кристаллы малоактивного карбида вольфрама. При этом субструктура зародышевого кристалла сохраняется и распространяется на весь кристалл, выращенный в процессе жидкофазного спекания г Совместная прокалка при температуре (1450 °С) смеси порошков, состоящей из низкотемпературного вольфрама и сажи, а также предварительно полученного при температуре 2200 °С высокотемпературного карбида показала, что дефектность полученного карбида, оцениваемая шириной пиний рентгеновского отражения, была равна 10,7x10(3) радиан, в то время, как высокотемпературный карбид характеризовался величиной - 9,5x10(3) радиан, а низюэтемпературный -17,6x10(3) радиан. Таким образом наличие в полученном материале 50 % карбида, образовавшегося при 1450 °С не оказало влияния на степень дефектной™ материала.

Влияние легирования твердых сппавов исспеповано И.Н.Чапоровой, В.И.Тумановым с сотрудниками В.С.Пановым, и другими авторами. Установлено, что небольшие добавки карбидов хрома, ванадия, тантала препятствуют росту зерна карбида вольфрама в процессе спекания. Введение в WC-Co сплавы небольших добавок карбидов титана, тантала и ниобия приводит к образованию новых карбидных фаз, отличающихся от основной большей вязкостью и меньшей хрупкостью (в случае карбида тантала) и, наоборот, большей хрупкостью (в случае карбидов титана и ниобия). Растворимость карбидов титана, ниобия и тантала в кобальтовой фазе мала (2-2,5 'Л мол.). Растворимость карбида хрома в кобальтовой фазе достигает 18,2 мол. В данной работе исследовалось влияние добавок карбидов титана, ниобия, хрома и тантала, используемых ' в отдельности или в сочетании с другими (многокомпонентное легирование) на свойства, влияющие на пластичность сплава. Легирующие добавки в виде карбидов вводились в смесь при размоле. Исследовано влияние объема добавок (2 и 4 '/• объемн.) на структуру и свойства показало, что в структуре сппавов наблюдается вторая карбидная фаза при введении карбидов титана, ниобия и тантала. В случае введения карбида хрома второй карбидной фазы не наблю-

дается, что свидетельствует о полной растворимости этого карбида в кобальтовой фазе. Для исследованных сппавов в основном с 20 'А Со при введении 2 и 4 V, объем, легирующих добавок наблюдается тенденция к измельчению зерен основной карбидной фазы. Эффект измельчения наиболее сильно проявляется при введении добавок ТаС и МЬС и уменьшается при введении СгЗС2 и TiC. Прочность при изгибе в сравнении со сплавом без легирующих добавок сначала (при 2 *А объемн.) несколько возрастает (для СгС2 и NbC), а затем (при 4 "А объемн.) резко снижается. Легирование небольшими добавками TiC уже приводит к снижению С? изг., а лри увеличении легирования (4 'А объемн.) к более сильному снижению О изг..О сж. с увеличением легирования карбида титана, ниобия и тантала несколько возрастает (с 3,8 по 3,90 ГПа), а с увеличением легирования карбидом хрома возрастает значительно (с 3,8 до 4,3 ГПа). С5 0,1 -(предел текучести) несколько возрастает с легированием карбидами тантала и титана (в последнем случае значительнее). Еп ■ снижается с введением карбидов хрома, ниобия и титана. Более значительное снижение • при введении карбида титана. Легирование карбидом тантала не снижает Еп в сравнении со сппавом без легирования. Интенсивное дефектообрззование наблюдается лри введении всех исследованных легирующих добавок, за исключением карбида тантала. В последнем случае интенсивность дефектообразования значительно ' меньше. Сплав с легированием - 4 'А ТаС может быть полезен для инструмента, воспринимающего весьма тяжелые нагрузи, в тех случаях, когда твердые сппавы неработоспособны из-за разрушения.

Влияние легирования карбида тантала, ниобия и титана на степень дефектообразования и пластичности сппава может быть объяснено исходя из сопоставления микротвердости карбидов, Микротвердость карбида вольфрама - 1930 юс/мм2. Микротвердость карбидов тантала, ниобия и титана повышается в указанной последовательности от 1430 до 3370 кгс/ми2. Карбид тантала имеет меньшую твердость, а другие, упомянутые выше, отличаются большей твердостью и хрупкостью, в сравнении с карбидом вольфрама. Таким образом введение в вопьфрамо кобальтовые сплавы даже небольших добавок карбидов титана, тантала и ниобия приводит к образованию новых фаз, отличающихся от основной карбидной фазы большей вязкостью и меньшей 'Хрупкостью в случае введения ТаС и наоборот, меньшей вязкостью и большей хрупкостью лри введении TiC и NbC.

Как правило, для оснащения инструмента при бесстружмэвой обработки металлов применяются твердосплавные вставки бопее крупные, чем для режущего или бурового инструмента. В этой связи важной являете* проблема получения изделия с меньшей концентрацией дефектов. При спекании твердых сппавов наблюдается обильное газовыделение. Оно вызвано удалением пластификатора, восстановлением окислов и сорбированных порошками, имеющих развитую поверхность (в пределах 1000-5000 см2/г), газов. Обеспечение наиболее полного газовыдепенид из спекаемых образцов до начала процесса жидко-фазного спекания является наиболее важным. Можно было ожидать, что спекание в вакууме, создавая градиент давления внутри и на поверхности изделия, обеспечит глубокое газовыделение и снижение пористости в спекаемом изделии.

Эксперименты по исследованию влияния спекания в вакууме на концентрацию лор были проведены на сплавах с 10 % Со с изменением дисперсности зерна карбида вольфрама В широком диапазоне от мелко- до крупнозернистого (регулировалось размолом смеси от 12 до 96 час). Пористость образцов сплава определялась по специальной прецизионной методике, в соответствии с которой на площади шлифа ~ 100 мм2 подсчитывали» все поры размером от 6 мки я более и при увеличении 1250 раз подсчитывали« поры от 0,5 по 6 мкм (микропористость) с распределением по размерам 0,5; 1; 2; 3; 4 и 5 мки. Критерием оценки крупных пор была величина суммарной длины пор отнесенной к площади шлифа - икм/мм2, а иикропор • суммарная их дпика, подсчитанная в 20 полях зрения на обшей площади шлифа 0,12 мм 2 и отнесенная к одному полю зрения.

После вакуумного спекания в структуре сппава из-за более полного удаления газов наблюдается значительно меньше как крупных, так и микролор, в сравнении с образцами спеченными в водородной атмосфере. Так суммарная дпина крупных пор в образцах, спеченных в вакууме, была 0,10 мкм/ии2, микролор • 23-120 икм/мя2 (повышалась с увеличением длительности размола смесей), а после водородного спекания - крупных лор 1,0-1,12 мкмДш2 и микро-пор 130-303 мкм/мм2. Увеличение длительности спекания в вакууме (до 6 час), применение многоступенчатого жидкофазного спекания, не привело к уменьшению концентрации пор.

Сопоставляя величины прочности при изгибе сплавов, спеченных в вакууме и водородной атмосфере, следует отметить бопее высокую прочность первых, что может быть вызвано снижением концентрации пор размером бопее 1 мкм. Свойства сплавов различного состава и дисперсности, спеченных в вакууме я в водородной атмосфере приведены в таблице 4.

Долекаяие спеченных изделий из твердого сппава под повышенным давлением инертного газа (1-2 кбара) при температуре 1350 1450 °С (ГИП) в настоящее время широко используется рядом фирн. Отмечается, что после ГИП повышается прочность при изгибе, особенно сильно для мелкозернистых и малокобальтовых сплавов, при этой значительно сужается диапазон разброса значений предела прочности при изгибе. Влияние ГИП объясняется значительным снижением концентрации дефектов в структуре сппава. В данной работе исследовалось изменение концентрации микролор и механические свойства (пределы прочности при изгибе и сжатии, твердость, предел текучести, износостойкость) сплавов марок ВК6-С, ВК10-КС и ВК15-С. Наблюдается снижение количества микролор размером 1-3 мкм после ГИП. Суммарная длина микролор уменьшается приблизительно вдвое. Эксперименты показали также, что предел прочности при изгибе после ГИП повышается на 10-25 'Л. Предел прочности при сжатии, предел текучести и твердость практически не меняются. Эффективность ГИП выше после предшествующего спекания в вакууме. Поскольку спекание в вакууме позволяет снизить концентрацию пор, ГИПу подвергаются изделия с меньшей пористостью. В то же время, по-видимому, после спекания в вакууме остаточное давление газа в поре меньше, в сравнении со спеченными в водороде. Уменьшение внутреннего давления газа будет способствовать "захлопыванию" поры под воздействием внешнего давления инертного газа в процессе ГИП. Отмечено снижение износостойкости после ГИП наЕсех иссле-

Таблица 4.

Сопоставление свойств сплавов, подвергнутых вакуумному и водородному спеканию (над чертой значения для образцов, спеченных в вакууме, под чертой - в водороде)

Марка сплава сЬгс, мкм 1). г/сиЗ О изг., ГПа

2,12 14,65 2,55

2,10 14,56 1,95

ВК10С

2,46 14.65 2,32

2,30 14,53 2,12

4^8 14,56 3,03

4,20 14,57 1,95

БК10-КС

¿95 14,52 2,41

3,82 14,46 2,24 "

2,79 14,07 2,75

2,74 14,04 2,48

ВК15С

2,40 ЩЗ 2^2

2,75 14,08 2,34

дуемых сплавах в пределах 20-30 % Рентгеиосгруктурные исследовали* показали снижение после ГИП микронапряжений в ШС-ф&зе и уменьшение ширины пиний Со фазы, что свидетельствует об уменьшении величины растягивающих напряжений в последней. Вместе с тем период решетки кобальтовой фазы не меняется после ГИП, что свидетельствует об отсутствии изменения концентрации вольфрама в связке. Последнее подтверждается и прямыми измерениями количества растворенного вольфрама в кобальтовой фазе по и после ГИП.

Таким образом ГИП является по существу отжигом изделий из твердых сплавов, приводящего к уменьшению микрояалряжекий в связующей фазе. Не известным ранее является снижение износостойкости сплавов поспе ГИП, которое должно быть принято во внимание при эксплуатации инструмента.

Четвертая глава посвящена исследованию работоспособности и внедрению новых марок твердых сплавов на различных операциях бесстружко-вой обработки металлов. Изложены исследования по разработке лабораторных методов оценки работоспособности твердых сплавов при объемной штамповке и вырубке металлов (5 4.1.), рассмотрены основные факторы, определяющие стойкость твердого сплава в инструменте при обработке металлов давлением, принципы конструирования инструмента на основе разработанной концепции (§4.2) и рекомендации по марочному составу сплавов для различных областей применения (5 4.3.).

Выбор оптимальной марки твердого слпава, обеспечивающей наиболее высокую стойюэсть инструмента, • длительный процесс. Разработка, лабораторных методов, позволяющих уже на лабораторной стадии, до начала про-

мышпенных испытаний, оценить вариант сппавоъ экономически цепесообраз-на

Благодаря высокой сопротивляемости термическим ударам в сочетании с износостойкостью при повышенных температурах, твердые сппавы начинают широко применяться дпя армирования штампов горячего деформирования.* Важными дпя этого вида инструмента, являются такие служебные характеристики, как стойкость при териоцикпических нагрузках. Б.Ф.Трахтенбергом, Г.А.Котепьниковым с сотрудниками разработаны квазианапоговые методы исследования на образцах при нагреве теппоконтаюгнын способом с одновременным приложением сжинающей или изгибающей нагрузи. Меняя величину нагрузки, частоту термического удара, температуру можно в широком диапазоне регулировать напряженное состояние, приближаясь к реальным условиям эксплуатации инструмента. Критериями, оценивающими поведение материала являются: число циклов нагружения, выдерживаемых образцом до возникновения трещин от воздействия терничесюэго удара - N, до возникновения трещин под воздействием термического удара с одновременным механически нагру-жениеи образца • Ma и до разрушения образца под воздействием термического удара с одновременным внешним механическим нагружением образца - Na,f. Исследования, проведенные автором совместно с разработчиками метода на особокрупкозернистых и среднезернистых сплавах с различным содержанием кобальта, выявили в интервале температур 600-800 °С, следующую закономерность. Установлена высокая чувствительность твердосплавных композиций к уровню внешнего механического нагружения. Показатель - No резко снижается с увеличением внешнего изгибающего нагружения в сравнительно узком интервале (от 0 до 0,5 ГПа). При внешнем усилии, обуславливающим напряжение более 0,5 ГПа поведение твердого сплава характеризуется в основном Крите риями - Na,f. Исключение составляет особокрупнозернистый сппав с 20 V, кобальта (ВК20-К). В этом диапазоне напряжений критерий- Na,f для твердых сппавов ниже аналогичного показателя для образцов из стали (Ст.ЗХ2В6). При внешнем усилии, создающем в образце сжимающие напряжения в диапазоне от 0 до 1,0 ГПа дпя всех исследованных сплавов, критерии термомеханической усталости возрастают. Последние снижаются при сжимающих напряжениях >1,0 ГПа. Во всем диапазоне сжимающих напряжений (0-1,0 ГПа) критерии термомеханической усталости твердосплавных композиций в 20-40 раз выше аналогичных критериев, для стальных образцов (Ст.ЗХ2В8). Установлено в результате эксперимента, что во всем исследованном диапазоне критерии термической и термомеханической усталости выше у особокрупнозернистого сплава с 20 '/• кобальта (dwcs9 мкм). Дпя этого сплава число циклов нагруже-ния до разрушения было равно, при следующих внешних нагрузках: - 0,5 Гпа (изгиб), 0 и 1,0 Гпа (сжатие) • 11x10(3); 19x10(1) и 21x10(3) циклов соответственно. Тоже дпя среднезернистого сплава (с dwc=3 мкм) с 25 % кобальта 5x10(3); 16x10(3) и 18x10(3) циклов. Таким образом сплав, обладающий при •комнатной температуре испытаний более низкими пределами прочности при изгибе и сжатии, но более высокой пластичностью, и при высоких температурах обнаружил более высокое сопротивление термической и термомеханической усталости. Испытания сплава и в производственных условиях на операции

горячей штамповки (800-900 ®С) клапана автомобиля подтвердили более высокую работоспособность: стальной инструмент - 2500, ВК25 - 20840 и ВК20-К -26500 шт. клапанов на одной матрице соответственно.

Таким образом высокая пластичность сппава, обуславливающая возможность релаксации пиковых напряжений без разрушения, а также его более низкую интенсивность разупрочнения от субмикродефектов, оказывает благоприятное воздействие на работоспособность и при повышенных температурах эксплуатации. Отсюда следует, сто методика определения предельной величины деформации и удельной работы деформации при сжатии уже на лабораторной стадии позволяет оценить работоспособность сппава в инструменте не только при холодной, ной лри горячей штамповке металлов.

Методика определения коэффициента К1с предусматривает нагруже-ние образца изгибом, который является жестким способом нагружения. В инструменте бесстружковой обработки металлов стремятся конструктивными способами создать для твердого сплава условия сжатия. Для оценки поведения твердого сппава в условиях сжатия при наличии легальной концентрации напряжений была автором совместно с Г.Г.Травушкиным и К.С.Чернявским разработана методика, позволяющая исследовать распространение трещины из центрального осевого надреза призматического образца нагружаемого одноосным сжатием. Экспериментально определялись момент появления ' трещины (напряжение старта трещины), возникновение полос скольжения, свидетельствующих о пластической деформации, строилась диаграмма разрушения в координатах "напряжение - приращение магистральной трещины". Остановимся на результатах исследования сппавов с близкими значениями стандартных свойств: пределов прочности лри изгибе и сжатии. Близкие значения свойств достигались за счет небольшого изменения состава сппава (в пределах 5 %) и дисперсности карбидной фазы (регулируемой размолом смесей). Сплавы харак-

Свойства Состав сппава

¥/С-20 "А Со «С-22% Со WC-25 % Со

&ЛХ1 Куп 10,4 5,1 5,2

СТизг. ГПа 1,89 2,10 2,20

Сеж. ГПа 2,74 2,90 2,72

Аул. дж/смЗ 205 170 190

Наблюдения показали следующую картину возникновения трещины и ее распространения. Сплав \№С-20 "А Со. При напряжении 1,5 Гпа в зоне устья надреза под углом 45" к оси нагружения появились следы пластической деформации в Еиде полос скольжения. При напряжении 1,70 Гпа в устье надреза появилась иикротрещина. Полосы скопьжения наблюдаются сначала в отдельных зернах. По мере увеличения нагрузки появляются отдельные микротрещины в зернах карбида вольфрама, нагруженных локально по одной схем: поперечный изгиб, консольный изгиб, расклинивание. При пересечении трещиной зерна ВДС наблюдался вязкий "волокнистый" излом. Карбидные зерна с таким изломом, как правило, претерпевали некоторую пластическую деформацию. Непременным условием "волокнистости" излома является малый угол атаки трещиной полосы скольжения. При большем угле атаки (>70") "волокнистый" излом не

наблюдается. В последнем случае трещина при прохождении через поносу скольжения меняет напряжение своего распространения. При дальнейшем нагружении из отдельных никротрещин образуется магистральная трещина. Эта картина возникновения и распространения микротрещины является общей, она повторяется и при наблюдении за образцами из других сплавов. При определенной условности (нагружение карбидного скелета происходит в объеме, а наблюдаемая нами картина - поверхностная, зерна карбида вольфрама весьма крупные) прямые наблюдения подтверждают картину нагружения лоликристал-пических материалов. Сплав WC-22 У» Со. Следы пластической деформации появляются при напряжении 1,05 Гпа. При напряжении 2,16 Гпа в устье надреза образовалась трещина. Сплав WC-25°/o Со. Заметные при увеличении 100 раз изменения не наблюдались вплоть до достижения образования микротрещины из устья надреза (1,26 Гпа). Сплавы были испытаны в производственных условиях в инструменте, испытывающим тяжелые ударные нагрузки с локальной концентрацией напряжений (высадке бопта диаметром М 16x50 с редуцирующим пояском). Средняя стойкость матриц, оснащенных сплавами составляла в тыс. шт. деталей: WC-20V'.Co -75,6; WC-22 V. Со - 97,1. Таким образом работоспособность была выше у того сллаваГ который обладал бопее высоким напряжением старта трещины. Данная методика защищена авторским свидетельством РФ (№939995).

Рабочие элементы из твердых сплавов некоторых видов инструмента подвергаются натр ужению в небольшом объеме. Напряженное состояние, возникающее в процессе эксплуатации, приводит к развитию касательных напряжений в небольшом объеме твердосплаьной вставки. В результате такого напряженного состояния наблюдается характерное разрушение ь вице отслаивающихся "чешуек" твердосплавного материала. Такой вид разрушения (повреждаемости), по-видимоиу, вызван накоплением дефектов в небольшом объеме поверхностного слоя при усталостном характере нагружения. Такой вид повреждаемости характерен для матриц штампов листовой вырубки.

Была исследована повреждаемость образцов из твердых сплавов в процессе контактной налодиюховой усталости при нагружении образцов одноименных материалов по схеме "ребро-ребро". Исспедоьались сплавы, которые были испытаны в штампах для вырубки пазов в листах ротора электродвигателей АК-5, АОК-2-5/4 из электротехнической стали Э11 и Э12, толщиной 0,5 мм. Исследование на малоцикповую контактную усталость проводились на машине УМЭ-ЮТМ. К установленным на опоры образцам прикреплялся тензометр для замера и записи глубины взаимного проникновения образцов. Процесс нагружены записывался на диаграммном аппарате. Исследование сплавов ВК.10-КС, ВК15-КС, ВК20-КС, ВК15-С' и ВК20 (последний стандартный - для сравнения) ка контактную усталость при нагружении по схеме "ребро ребро" выявило следующую закономерность. По мере увеличения числа циклов нагружения (при постоянной внешней нагрузке) величина взаимного проникновения образцов уменьшается и при определенной величине циклов становится постоянной. Т.е. кривая в координатах "величина взаимного проникновения - число циклов нагружения" имеет насыщение (горизонтальный участок). Насыщение обычно наступает в диапазоне 20-500 циклов, т.е. в период малоцикпоьой усталости. Эта величина взаимного проникновения, названная нами назипластической

деформацией (поскольку включает упругую и пластическую деформации и мнроразрушение) • Д li • различно для исследованных сплавов. Величина, характеризующая повреждаемость на установившей стадии ■ А 1 конст. ■ (при данных условиях)была равна • для: BKI5-C ■ 0,20; BiClO-KC • 0,28; ВК15-КС -0,37; ВК20-КС • 0,67 и ВК2.0 ■ 1,5 нкм. Средняя стойкость между переточками при вырубке электромеханической стали была равна в млн. штампоударов для сплавов: ВК15-С ■ 0,995; БК10-КС - 0,212; ВК15-КС ■ 0,473; ВК20-КС - 0,554 и ВК20 - 0,4^9. Таким образом наиболее высокую работоспособность показал сплав ВК15 С, характеризующийся наименьшей величиной повреждаемости. Метод определения повреждаемости твердых сплавов при контактном нагруже-нии палокикловой усталости защищен авторским свидетельством РФ (№ 939995).

В цепом проведенные исспепования показали возможность применения разработанных методов опенки в лабораторных условиях работоспособности твердых сплавов при различных условиях нагружения. В главе, на осноЕе установленных в работе закономерностей изменения механических свойств, рассмотрены основные факторы, определяющие работоспособность твердого сплава в инструменте (конструкция, условия экгплуатаиии). На основе обобщенных исследований работоспособности твердых сппаЕОВ различных марок разработаны диаграммы "стойкость - механические свойства". Диаграммы разработаны для операций высадки в объемной штамповки, листовой вырубки, прокатки микронной фольги и ленты, вытяжки и выдавливания металлов. На диаграмме приведены стойкость в относительных единицах (за единицу принята стойкость инструмента, оснащенного стандартной маркой твердого сппава из низкотемпературного карбида вольфрама • ВК15 или ВК20) и основные механические свойства испытанных марок твердого сппава.

При нагружении с небольшой интенсивностью, когда основной причиной выхода инструмента из строя является износ (высадка болтов диаметром М6-М8), наибольшую стойкость показал сплав ВК10-КС. Этот сплав, характеризуется сочетанием определенного ресурса пластичности и высокой износостойкостью при'сжатии. Сплавы, обладающие более высокой износостойкостью (ВК10, ВК10-С) не показали максимальную стойкость. Поэтому для данных условий сочетание определенного -уровня пластичности и прочности является оптимальным.

При нагрузках средней интенсивности (высадка болтов Ml2) наиболее высокую работоспособность обнаружил сплав ВК20-К.С. В этих условиях наблюдаются частые случаи разрушения рабочих элементов из обычных марок твердых сплавов. Из испытанных, сплав ВК20-КС, обладает наиболее высокой пластичностью. Однако более высокую стойкость (~ на 60 %) в сравнении с обычными, показал сплав ВК15-С, который обладает сочетанием высокой пластичности и износостойкости.

При интенсивных ударных нагрузках (высадка болтов М16-М20 - на двухударных автоматах, высадка болтов М20-М27 - на многопозиционных автоматах) рост стойкости обусловлен увеличением пластичности, несмотря на снижение пределов прочности при изгибе и сжатии, а также износостойкости. В этих условиях оптимальным является сппав ВК20-К.

В цепон нонао констатировать, что при динамических нагрузках невысокой, умеренной и повышенной интенсивности наибольшей стойкостью обладают сплавы, характеризующие« наименьшим снижением прочностных свойств в процессе деформации (т.е. наименьшей степенью дефекгообралова-них).

При листовой штамповке (вырубка листов статора-ротора), а также при выдавливании баллонов и туб наибольшую стойкость показал сплав ВК15-С, характеризующийся сочетанием механических свойств: определенным уров нем пластичности, достаточной прочностью и износостойкостью.

При жестких условиях прокатки металлов (микронная фольга и цента) наибольшая стойкость у сплава ВК10-С, который характеризуется сочетанием достаточной пластичностью с высотам уровнен прочности при изгибе и износостойкостью. Определенный запас пластичности обеспечивав/ возможность "залечивания" дефектов на рабочей поверхности валка. Этот жй сплав является оптимальным для вытяжных штампов.

Пятая глава. Заключение и общие вы годы. На основе современных представлений металловедения с использованием новейших методов, исследована проблема вольфрамо-кобальтовых слпавов для бесстружко-вой обработки металлов (технология, структура, свойства). Создана научная концепция конструирования твердых сплавов, базирующаяся на связи пластичности, прочности с сопротивлением разрушению. Разработаны основы теории строения и технологии принципиально новых твердых сплавов с бимодапьным распределением дисперсности карбидной фазы.

Разработана технология производства новых марок сплавов, характеризующихся повышенной пластичностью, изучены структурно-чувствительные механические свойства и их изменение в процессе нагружения. Созданы новые лабораторные методы, позволяющие в первом приближении прогнозировать работоспособность еппаьа. в условиях эксплуатации; разработаны, на основе экспериментальных исследований, конструкции инструмента, обеспечивающие его долговечность на различных операциях бесстружковой обработки металлов.

Результаты работы внедрены на заводах металлургической и нетал -пообрабатывающей промышленности.

1. На основе исследования процессов дефектообразования и разрушения поспе предварительной деформации в совокупности с изучением изменения свойств исходных порошков и карбидной фазы в зависимости от технологических параметров, разработана высокотемпературная технология изготовления сплавов, с различной концентрацией (от 6 V» до 25 У» масс.) кобальта, отпи-чающихся дисперсностью карбидной фазы:

-среднехрнистые 2-3 мкм серии "С"

-крупнохрнистие 3,5-4,5 мкм серии "КС"

-особоярупнохрнистие б -10 мкм серии "К"

Сплавы, изготовленные по этой технологии, характеризуются повышенными способностью к пластической деформации и сопротивлением разрушению, а также наименьшим снижением прочности.

2 Исследованы с применением реятгеноструктуриопэ, металлографического и стереопогического метопов состояния структуры, полученных по

низко- и высокотемпературной технологам, металлического вольфрама' и карбида вольфрама, а также состояние карбидной фазы в спеченных сплавах, изготовленных на основе различных исходных порошков.

Высокая пластичность спйавов, полученных по "В" - технологии, объяснена высокой степенью совершенства кристаллов карбида вольфрама, сохраняемого в спеченном сплаве, меньшей концентрацией примесей в результате высокотемпературной возгонки :их и более высокой скоростью струкгуро-образования сплава в процессе твердо- и жидкофазного спекания (формирование межфазных и нежкристалпитных границ в процессе перекристаллизации).

3. Изучено влияние двух основных параметров: изменение концентрации кобальта и величины зерна .карбида вольфрама на структурно-чувствительные механические свойства "В" сплавов. Показано, что величина пластичности (величина предельной перед разрушением пластической деформации, определенной при одноосном сжатии) - En, - наряду с износостойкостью при абразивном износе о незакрепленные частицы, является наиболее чувствительной к изменению этих факторов. В меньшей мере изменение обоих параметров влияет на пределы прочности при изгибе и сжатии.

4. Исследовал характер распространения трещины в условиях контролируемого разрушения при кагружении поперечным изгибом. Установлено, что доля протяженности трещины в карбидной фазе и нежкристалпитной границе (WC-WC) составляет 62.65 % а с учетом межфазной границы (WC-Co) - 90 '/«. Протяженность трещины через кобальтовую фазу составляет всего - 10 'А Иными словами, разрушение сплава определяется свойствами карбидной фазы и состоянием ее границ. При сжатии ропь карбидной фазы в разрушении сплава, имеющего скелетное строение, также велика, поскольку нагрузка воспринимается карбидным каркасом и, в основном, межкристаллиткой границей.

Закономерность изменения механических свойств обусловлена строением вопьфрамо-кобальтовых сппавов. Пряно пропорциональная зависимость между свойствами должна свидетельствовать об их связи с единым структурным аспектом разрушения. Отклонение от прямой пропорциональной зависимости, по-видимому, свидетельствует о влиянии другого фактора. Были исследованы зависимости "О H3J— Юс", "О сж. ~ KJc", "Износостойкость ~ Юс", "Ел ~ К1с" и "Hv ~ Klc" для сппавов в диапазоне по dun: - от 2 до 9 мкм и VCo • от 5 до 25 % масс. Установлена прямопропорционапьная зависимость "Ел ~ К1с" и "CT изг ~ К1с". В последней наблюдается отклонение от прямой в сторону больших значений К1с. Наблюдается обратная пропорциональная зависимость между величинами "С сж. ~ Klc", "Hv~ Klc" и "Износостойкость ~ К1с". Эти зависимости, установленные впервые, показывают влияние карбидной фазы на процесс разрушения при различных видах нагружения сплава.

5. Разработала технология сппавов с бимодальным распределением зерен карбидной фазы по размерам. Исследованы закономерности изменения механических свойств бимодальных сппавов от соотношения крупной - (3-5 мкм) и мелкой (1-2 мкм) фракций карбида вольфрама. Сплавы (с 10 и 20 % Со) с оптимальным соотношением крупной и мелкой фракций (60:40), характеризующиеся двумя максимумами на кривой распределения зерен по размеру, обладают

при одинаковой со сплавами типа "КС" пластичностью более высокой износостойкостью (на 38 '/.). Таким образом сплавы с бимодальным распределением карбидной фазы характеризуются следующим сочетанием свойств: пластичностью - на уровне крупнозернистого, а износостойкостью - на уровне относительно мелкозернистого сплава. Технология изготовления сплавов защищена патентом РФ.

6. На основе изучения процесса дефектообразоваяия впервые показана роль легирования карбидом тантала, который препятствует интенсивному развитию субмикродефекгов при нагружении сппава. В этой связи сплав с - 4 */. объмн. ТаС может быть полезным для инструмента при весьма интенсивном нагружении, в тех условиях, когда вопьфрамо-кобапьтовые сплавы неработоспособны из-за разрушения.

7. Исследования эксплуатационных свойств и анализ выхода из строя инструмента привели к разработке лабораторных методов, позволяющих на стадии экспериментальной работы, прогнозировать работоспособность твердого сппава в инструменте.

Разработаны новые методы, позволяющие оценить повреждаемость при малоцикповой контактной усталости, трещинообразование при нагружении одноосным сжатием призматического образца с центральным надрезом.

Оригинальность методов защищена авторскими свидетельствами РФ.

8. В результате обобщения разработаны диаграммы "стойкость - ме- • ханические свойства" для различных операций бесстружковой обработки металлов (холодная высадка, и объемная штамповка, листовая вырубка, прокатка микронной фольги и ленты, вытяжка и выдавливание металлов). Анализ диаграмм позволяет прогнозировать направление экспериментов по выбору оптимальной марки сплава, обеспечивающей наиболее высокую работоспособность инструмента в конкретных условиях эксплуатации. На всех операциях сплавы, изготовленные по "В" - технологии показали значительной повышение стойкости, превышающую в 1,4 - 3,2 раза стойкость стандартных сплавов.

9. На твердые сплавы и технологии, созданные в результате данной исследовательской работы, разработана нормативно-техническая и технологи-ческая^цокуиентация (технологические инструкции, технические условия) для производства в промышленном и опытно-промышленном масштабах.

10. По материалам диссертации разработаны и получены 5 авторских свидетельств (№№442892, 594876, 939995, 1200164,1319413)и 7 патентов (РФ № 1714863, Англии № 1483527, ФРГ № 2606993, ЧС № 190703. Швеции № 400542, Канады 3 1080431, Франции № 2338999).

Содержание диссертации изложено в работах.

1. Гольдберг З.Л., Фальковский В.Д. Твердосплавный инструмент для холодной высадки. "Твердые.сплавы", М., Металлургах,

1964, У.с. 41 54.

2. Смирнов Ф.Ф., Фальковский В.А., Баринов В.П. Конструюши ТЕердосппавных вставок для холодной высадки метизов. "Твердые сплавы" М., Металлургия, 1964, У.с. 55-59.

3. Ивенсен В.А., Эйдух О.Н., Гольдберг Э.А., Фальковский В.А. К вопросу о сопротивлении твердого сплава разрушению при ударных нагрузках. "Наукова Думка". Порошковая металлургия,

1965, № 12, с.69-72.

4. Туманов В.И.. Гольдберг З.А., Фальковский В.А. и др, Влияние состава и структуры сплавов WC-Co на износостойкость при ударно абразивном истирании. М., Металлургия, "Твердые сплавы", 1969, №8, с. 177-180.

5. Самойлов B.C., Фальковский В.А., Фадеева В.И. Матрицы, армированные твердым сплавов для горячей высадки болтов. НИИИФОРМТЯЖМАШ, М.Машиностроение, 1970, №3, с.5-8.

6. Фальковский В.А., Панин Г.В. Твердосплавные оправки для волочения труб. Металлургия. "Сталь", Л® 10, 1971, с.21-29.

7. Горский В.А., Фальковский В.А. Применение новых марок твердых сплавов при высадке крупногабаритных метизов и шариков для шарикоподшипников. Сб. "Рациональное использование твердого сплава в промышленности". Л.ПДНТП, 1971, с. 13-19.

8. Ивенсея В.А., Фальковский В. А., Эйдук О.Н. Исследование зависимости физико-механических свойств сплавов, предназначенных дпя работы в условиях ударного нагружения, от степени деформации и изменение этих свойств при отжиге. М."Наука", Сб. рефератов НИР, № 3-4, серия 10, 1972.

9. Трахтенберг Б.Ф., Ко тельников Г. А., Фальковский В.А. и др. Квазианалоговый подход при исследовании твердых сплавов дпя инструмента горячего деформирования. М., Металлургия, "Твердые сппавы", 1973, № 14, с.25-35.

10. Котельников Г.А., Подкопзин М.И., Фальковский В.А., Чумаюэ-ва Л.А. К вопросу об оценке в лабораторных условиях работоспособности твердых сплавов в штампах горячего деформирования. Сб.научных трудов ВНИИГС. "Твердые сппавы и тугоплавкие металлы", М., Металлургия, 1975, i(9 15, с. 19-22.

11. Фальковский В.А., Ковальская Н.Ф., Поздняков В.В. Твердые сппавы для обработки металлов при ударном нагруженки. НИИМАШ, "Технология производства, научная организация труда и управления", 1976, вып.7, с. 37-44.

12. Травушкин Г.Г., Чернявский К.С., Фальковский В.А. Экспериментальное изучение структурного аспекта зарождения разрушения в образцах из твердых сплавов WC-20 '/« Со, нагруженных одноосный сжатием. Проблемы прочности, 1977, № 7, с.95-99.

13. Фальковский В.А., Кованы.кал Н.Ф. Твердые сплавы для обработки металлов при ударном нагружении (высадка, объемная штамповка, вырубка). Сб.докладов международной конференции, посвященной 25-петию Института порошковой металлургии, ВУПМвг.Шумперке, ЧССР, "Проблемы порошковой метан дур-гни", 1977, №3, c.Sl.

14. Лившиц Т.А., Акаро И.Л., Фальковский В.А. и др. К вопросу о механизме износа стальных и твердосплавных матриц для горячего выдавливания металлов. "Твердые сплавы и тугоплавкие металлы", М., Металлургия, 1977, №7, с. 71-77.

-15. Фальковский В.А., Гончаров Л.II. и др. Влияние технологии изготовления на структуру к свойства валков из твердого сппава. Сб. Теория и "технология деформации металлов. Научные труды МИСиС, М., Металлургия, 1978, № 110,с.143-147.

16. Травушкин Г.Г., Ковальская Н.Ф., Фальковский В.А. Исследование разрушения вопьфрамо-кобальтовых твердых еппавов, предназначенных для ударного нагружения. Сб.научных трудов ВНИИТС "Твердыесплавы", 1979, № 20, с.75-79.

17. Ивенсен В.А., Фальковский Б.А., Чумак И.В., Прошкина Т.Н. Изменение механических свойств твердого сплава при пластической деформации. "Наука", Изв. АН СССР, "Металлы", 1975, №2, с. 140-144.

18. Фальковский В.А. Твердые сплавы дпя обработки металлов давлением. Обзор. М.,НИИМАШ, 1978, с.43.

19. Лившиц Т.А., Акаро ПЛ., Фалькоьский В.А. и др. Металпоке-рамические твердые сплаьы в инструменте для горячей штамповки выдавливанием. М., Металлургия, "Твердые сплавы", 1976, № 16, с.52-61.

20. Фальковский В.А. Как повысить пластичность и стойкость инструмента из твердых еппавов. "Советский экспорт", № 5 (116), 1978, с.22.

21. Рыжеванов B.C., Фальковский В.А., Блинков А.Н. Исследование работоспособности твердосплавного инструмента дпя холодной высадки и выдавливания. Сб.трудов ВНИИТС, М., Металлургия. 1981, №ХХН, с.46-52.

22 Лившиц Т.А., Пимфипов Е.А., Фальковский В.А. и др. Исследование износа некоторых твердых еппавов при циклическом изменении температуры и нагрузки. Сб.трупов ВНИИТС, М., Металлургия, 1981, >ЙХХП, с.52-56.

23. Чернявский К.С., Фальковский В.А., Усова Л.А., Шапиро К.Я. Морфологические особенности лорошкоьых продуктов на различных стадиях процесса получения вольфрама. Изв. АН СССР "Неорганические материалы", 1982, т. 18, М'а 7. с. 1158-1165.

24. Апистратов Л.И., Михайпенко Г.П., Фальковский В.А. и др. Технологические приемы, обеспечивающие снижение пористости сппава дпя инструмента радиально-ковочкых машин. "Наукова

Думка", К., "Физикам техника высоких давлений", 1983, № 19,

25. Фальковский В.Л., Решетнлк Х.Д., Викторов Г.Е. Износ и эксплуатационная стойкость твердых сплавов при вырубке электротехнических сталей. М„ сб.трудов ВНИИТС "Структура и свойства твердых сплавов", 1983.

26. Фальковский В.А., Гончарова Л.Н., Оленин В.В. Прокатные валки из твердых сппавов на основе карбида вольфрама. "Цветная металлургия", 1984, № 1, с.20-23.

27. Чистякова В.А., Фальковский В.А., Байтлер З.М. и др. Новые марки твердых сппавов для вращательного бурения горных пород. Современные инструментальные материалы на основе тугоплавких соединений. М., Металлургия, 1985, с.73-75.

28. МойноваН.В., Очкасов В.Ф., Фальковский В.А., Белякова И.Н. Исследование абразивного износа твердых сплавов WC-Co. Сб.научных трудов ВНИИТС, М., Металлургия, 1987, с.54-57.

29. Самойлов B.C., Эйхманс Э.Ф., Фальковский В.А., Локтев А.Д., Шкурин Ю.П. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент. М., Машиностроение, 1988, с.387.

30. Чернявский К.С., Фальковский В.А., Горбачева Т.Е. Влияние режимов технологии получения порошка карбида вольфрама на формирование структуры и свойства сплава. Труды IX Международной конференции по порошковой металлургии, Г.Дрезден, 2325, 10, 1989, ток 3, с.111.

31. Фальковский В.А. Твердые сппавы, предназначенные дпя обработки металлов давлением. Труды IX Международной конференции по порошковой металлургии, г.Дрезден, 23-25, 10, 1989, том

32. Фальковский В.А. Взаимосвязь механических свойств твердых сппавов WC-C'o с работоспособностью при обработке металлов давлением. Сб. трупов ВНИИТС. Исследование свойств твердых сплавов и вопросы их применения, М., Металлургия, 1989, с.40-

33. Матюшина Н.Ю., Куралина М.В., Фальковский В.А., Рудаков Ю.Ф. Математическое прогнозирование выбора сплава, обеспечивающего повышение долговечности вырубных штампов. Сб.трудов ВНИИТС. Свойства и применение спеченных твердых сппавов. М., Металлургия, 1991, с.61-65.

с.73-76.

1, с.239.

51.

заказ 7, объем 2 п.п. Тираж 100 зкз.