автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Разработка процесса получения при высоких гидростатических давлениях твердосплавных изделий с повышенным ресурсом работы

Введение.

1. Особенности влияния ВГД на твердые сплавы системы WC-Co и применение изделий из твердых сплавов для металлообработки.

1.1. Анализ влияния ВГД на структуру и свойства твердых сплавов системы WC-Co.Ю

1.2. Применение твердосплавного инструмента для формообразующих операций в металлообработке.

1.3. Постановка задачи исследования свойств твердых сплавов системы WC-Co, обработанных ВГД.

2. Методика исследования твердых сплавов, обработанных высоким гидростатическим давлением.

2.1. Метод создания ВГД до 1,5 ГПа в больших рабочих объемах.

2.2. Фазовый анализ порошков WC-Co в исходном состоянии.

2.3. Влияние гидростатической и термической обработки на фазовый состав исследованных образцов.

2.4. Изменение субструктуры WC в процессе обработки порошковых заготовок твердого сплава давлением и восстановительного отжига.

2.5. Фазовый состав спеченных образцов.

2.6. Характеристики субструктуры спеченных образцов.

Выводы.

3. Влияние давления и температуры на физико-механические свойства твердых сплавов системы WC-Co.

3.1. Влияние гидростатической обработки на физико-механические свойства твердых сплавов системы WC-Co.

3.2. Влияние температуры на свойства обработанных ВГД твердосплавных изделий.

Выводы.

4. Технология изготовления и свойства обработанных ВГД твердосплавных изделий с повышенной износостойкостью для различных отраслей промышленности.

4.1. Технология изготовления крупноразмерных и длинномерных твердосплавных изделий с применением гидростатической обработки.

4.2. Твердосплавные изделия для холодной высадки и глубокого выдавливания.

4.3. Твердосплавные волоки-заготовки для волочения проволоки, изготовленные по ГОСТ 9453-75.

4.4. Применение твердосплавных изделий, обработанных ВГД для изготовления твердосплавных частей аппаратуры высокого давления.

Выводы.

Современный этап развития порошковой металлургии связан с созданием новых технологий для получения твердосплавных изделий с комплексом высоких физико-механических свойств. При этом изделия должны обладать полярными свойствами - иметь высокую твердость, сочетающуюся со значительной прочностью и пластичностью. Изделия с такими свойствами требуются для работы в оборонном и гражданском секторах промышленности.

Для того, чтобы изготовить высококачественные твердосплавные изделия из обычных порошковых смесей со средним размером зерна (1^-2 мкм.), было необходимо разработать новый подход к проблеме повышения прочности и эксплуатационной стойкости твердых сплавов. Новым технологическим приемом для реализации этой задачи явилось применение высоких гидростатических давлений (ВГД).

Твердые сплавы представляют собой композиционные материалы, состоящие из твердой карбидной составляющей и более пластичной металлической связки. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама, в которых в качестве связки используется кобальт, имеют наиболее широкое применение в промышленности. Это сочетание компонентов до настоящего времени является наиболее удачным, поскольку карбид вольфрама в отличие от карбидов других тугоплавких металлов обладает некоторой пластичностью [1-3]. Кобальтовая связка хорошо смачивает зерна карбида вольфрама, обеспечивая 5 их надежное закрепление между собой. В результате твердый сплав приобретает высокую твердость и прочность. В промышленности используются различные марки сплавов типа ВК, которые подбираются исходя из условий их эксплуатации. Для изготовления режущего инструмента применяют мелкозернистые сплавы, в штамповом производстве, при ударных нагрузках, больше используются крупнозернистые сплавы. В мелкозернистых сплавах повышение твердости и прочности сопровождается их сильным охрупчиванием. Крупнозернистые сплавы более пластичны, но уровень их прочностных характеристик невысок по сравнению с прочностными характеристиками мелкозернистых сплавов.

В зависимости от содержания кобальта выделяют три подгруппы сплавов:

1. Малокобальтовые (2+8 % Со), предназначенные для чистового, чернового и получернового точения чугунов, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов, для вращательного бурения горных пород с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова до f=8, для волочения проволоки и волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов.

2. Среднекобальтовые (10+15% Со), применяемые для обработки резанием дерева, черновой и получерновой обработки твердых легированных и отбеленных чугунов, некоторых марок сталей и сплавов и других труднообрабатываемых материалов, для бурения горных пород с f=10+20, для 6 волочения, калибровки и прессования прутков и труб из стали, цветных металлов и их сплавов.

3. Высококобальтовые (20-К30% Со), используемые при штамповке и высадке сталей при ударных нагрузках различной интенсивности [4].

Современная промышленность нуждается в получении монолитных твердосплавных изделий большой длины с изменяющимися по длине диаметрами, а также изделий сложной формы из твердых сплавов с высокими физическими и механическими свойствами.

Для получения изделий с такими сложными характеристиками нами были разработаны технологические методы обработки твердосплавных заготовок с применением высоких гидростатических давлений до 1,5 ГПа, для чего был создан аппарат высокого давления типа "поршень-цилиндр" с большим рабочим объемом. Известные западные фирмы "Сандвик", "SGS TOOLS" и др. изготовляют длинномерные заготовки без изменения диаметра по длине, которые используются в основном для производства фрез и сверл. Для достижения повышенной износостойкости они используют мелкозернистые порошки твердого сплава с размером зерен до 1 мкм.

При современных экономических условиях в России отсутствует производство таких порошков ввиду их высокой себестоимости. Западные компании стараются продавать готовые изделия, а не сырье. Поэтому для изготовления твердосплавных заготовок с упомянутыми выше сложными характеристиками приходится использовать обычные отечественные порошки. 7

Применение высоких гидростатических давлений позволило использовать обычные промышленные средне- и крупнозернистые порошки и получать твердый сплав и изделия из него с высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Метод гидростатической обработки твердосплавных изделий небольших размеров, таких как резцы, буровые коронки и т.д. высоким гидростатическим давлением был разработан сотрудниками Донецкого физико-технического института АН УССР. Необходимо отметить, что практически все экспериментальные исследования по данному направлению были проведены ими до конца восьмидесятых годов и не были внедрены в промышленность. В дальнейшем по каким-то причинам публикации по этой тематике перестали появляться.

Нами проведены независимые работы в области физического материаловедения твердых сплавов, разработаны технологические приемы их обработки при ВГД и созданы аппараты высокого давления типа "поршень-цилиндр" большого объема для изготовления изделий большой длины и/или большого диаметра, которые используются в промышленности.

В результате была решена задача изготовления уникальных длинномерных и крупногабаритных изделий и изделий по ГОСТу из твердых сплавов с повышенными физико-механическими свойствами для различных отраслей промышленности. Эти изделия нашли свое применение на ведущих российских предприятиях (Волжский автомобильный завод, Рославльский 8 автоагрегатный завод, Белебейский автоагрегатный завод, автоагрегатный завод г. Кинешма, Магнитогорский калибровочный завод, Орловский сталепрокатный завод, Нижнетагильский вагонный завод и др.). Если в Донецком физико-техническом институте проводились работы по изучению влияния гидростатической обработки на эксплуатационные свойства режущих пластин и коронок перфораторного бурения, то наш интерес охватывал, прежде всего, твердосплавные пуансоны и матрицы для холодной и горячей высадки и для глубокого выдавливания, а также волоки для волочения проволоки. Для решения этих задач были созданы специальные аппараты с рабочими объемами 0,5-5-4,5 л., позволяющие достигать давлений 1,0^-1,5 ГПа. Эти аппараты дали возможность получать изделия больших размеров с высокими физико-механическими свойствами по всему объему.

Роль высокого давления заключается в генерации большого количества дефектов в зернах карбида вольфрама, которые активизируют кинетику спекания и подавляют рекристаллизацию. Высокие гидростатические давления придают порошковой заготовке плотность, достаточную для ее обработки механическими методами, что позволяет получать изделия из твердых сплавов сложной формы с точными размерами и использовать их в тех отраслях промышленности, где они раньше не применялись. ВГД до 1,5 ГПа являются новым технологическим методом создания материалов с высокими физико-механическими свойствами для крупноразмерных промышленных изделий. В 9 результате воздействия ВГД исходный материал с обычным химическим составом приобретает уникальные механические свойства.

Задачей настоящей работы было установление путей комплексного повышения уровня физико-механических свойств твердых сплавов, т. е. одновременного улучшения их прочностных, эксплуатационных характеристик и пластичности. Необходимо было также отработать технологический процесс получения длинномерных твердосплавных изделий и изделий сложной формы с большой однородностью и высоким уровнем физико-механических свойств по всему объему. Для создания таких изделий было предложено использовать новый метод в твердосплавном серийном производстве - высокие гидростатические давления (до 1,5 ГПа).

10

Выводы

1. Разработана технология изготовления для промышленности длинномерных твердосплавных пуансонов и вставок сложной формы с применением ВГД.

2. Показаны преимущества новой технологии при изготовлении инструмента для холодной и горячей высадки и выдавливания.

3. Обработка порошковых волок-заготовок ВГД способствует значительному повышению износостойкости спеченных твердосплавных волок.

4. Технология изготовления твердосплавных изделий с применением ВГД имеет хорошие перспективы в области производства аппаратуры высокого давления.

130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе предложен и осуществлен новый в порошковой металлургии метод получения твердых сплавов, обладающих оптимальным комплексом повышенных физико-механических свойств.

В свете полученных научных и прикладных результатов возникают новые перспективы использования обычных твердосплавных смесей со средним размером зерна (1^-2 мкм) для изготовления ответственных твердосплавных изделий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации. Поскольку под воздействием высоких гидростатических давлений возрастает пластичность твердого сплава при сжатии, то открывается возможность замены твердосплавных изделий с более высоким содержанием кобальта на менее кобальтосодержащие изделия из твердых сплавов.

Для изготовления нестандартных изделий из таких сплавов разработана промышленная технология. Данная технология позволяет решать задачи, связанные с повышением износостойкости твердосплавных инструментов и деталей аппаратуры в различных отраслях промышленности и экспериментальных научных исследованиях.

В результате проведенной работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработана и изготовлена серия аппаратов высокого давления типа поршень-цилиндр с большими рабочими объемами (до 4,5 л.), что позволяет

131 обрабатывать высоким гидростатическим давлением, до 1,5 ГПа, заготовки крупноразмерных и длинномерных изделий из твердых сплавов.

2. Методом голографической интерферометрии установлено, что остаточные растягивающие напряжения в спеченных образцах твердых сплавов, обработанных высоким гидростатическим давлением, в 12^20 раз ниже, чем в сплавах, изготовленных по традиционной технологии. Снижение уровня остаточных технологических напряжений в спеченных изделиях из твердых сплавов способствует повышению прочности сплавов при изгибе и ударной вязкости.

3. Экспериментально показано, что уровень физико-механических свойств твердосплавных изделий, изготовленных по технологии с применением высоких гидростатических давлений, превосходит традиционные аналоги по прочности при сжатии на 500-г800 МПа, по пластичности в 2ч-3 раза, что позволяет использовать этот метод для производства широкого спектра твердосплавных изделий, которые находят применение в различных отраслях промышленности.

4. Разработан технологический процесс получения длинномерных и крупноразмерных твердосплавных изделий, обладающих уникальными физико-механическими свойствами, для различных отраслей промышленности.

5. Осуществляются регулярные поставки такого твердосплавного инструмента на ведущие промышленные предприятия России (Волжский автомобильный

132 завод, Рославльский автоагрегатный завод, Белебейский автоагрегатный завод, автоагрегатный завод г. Кинешма и др.) в соответствии с ГОСТом или по чертежам заказчика. Стойкость данного инструмента от 2 до 10 раз превышает обычные аналоги.

6. Применяя предложенную технологию обработки твердосплавных заготовок высоким гидростатическим давлением, удалось повысить предельное давление в камере типа «Тороид» с рабочим объемом 0,3 см до 15 ГПа, что позволяет расширить возможности и диапазон применения камер в области физики высоких давлений. Полученные результаты позволяют также увеличить эксплуатационную стойкость камер «Тороид», работающих при более низком давлении.

133

1. Ивенсен В.А., Эйдук О.Н., Пивоваров Л.Х.//Порошковая металлургия. -1964. - № 4. - С. 43 - 56

2. Corteville J., Pons L.//C. R. Acad. Sci. 1963, v. 257, № 13, P. 1915 - 1918.

3. Miyoshi A., Hara A., Sugimoto J.//Planseeber. Pulvermetallurgie 1967, v. 15, №3, P. 187-193

4. Либенсон Г.А. Производство порошковых изделий. М.: Металлургия, 1990. - 240 с.

5. Фальковский В. А. Твердые сплавы для обработки металлов давлением. М.: НИИмаш, 1978. - 44 с.

6. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - 528 с.

7. Киффер Р., Березовский Ф. Твердые сплавы. М.: Металлургия, 1972. - 480 с.

8. Рэдклифф С.В. Влияние гидростатического давления на дефекты структуры исвойства. В сб.: Механические свойства материалов под высоким давлением. - М.: Мир, 1973. - вып. 1. - 254-295 с.

9. Брандес М. В сб.: Механические свойства материалов под высоким давлением. М.: Мир, 1973. - вып. 1.

10. Gridneva I., Milman Yu., Trefilov V. //Physica Status Solidi. 1969. - v. 36 -P.59134

11. Барьяхтар В.Г., Галкин А.А., О переходе твердых тел из хрупкого в пластическое состояние//Доклады АН СССР. 1976. - том 227. - №5. - С. 1079-1081

12. Лариков Л.Н., Днепренко В.Н., Кутихина Ж.Я., Каменецкий А.Г. О влиянии гидростатического давления на зарождение и распространение трещин в кристалле//Сб. науч. тр.: Всесоюзная конференция по гидростатической обработке материалов. Донецк. - 1979. - С. 5

13. Шматов В.Т. Дислокации в гидростатически сжатой среде//Сб. науч. тр.: Динамика дислокаций. Харьков. -1968.

14. Williamson G. К., Smallman R. Е. Dislocation Densities in Some Annealed and Cold-Worked Metals from Measurements on the X-ray Debye-Scherrer Spectrum//The Philosophical Magazine. 1956. - №1. - P. 34-36

15. Галкин А.А., Гетманский А.П. Прессование металлов жидкостью Донецк: Донбасс, 1974. - 80 с.

16. Galkin A. A., Chernyi Yu. F., Mikchailenko G.P. Treatment of hard-alloy powder compacts under high hydrostatic pressure//High Temperature-High Pressure. -1976. №6.-P. 669-670

17. Черный Ю.Ф., Михайленко Г.П., Лабинская Н.Г. Влияние допрессовывания брикетов при высоких гидростатических давлениях на тонкую структуру карбидной фракции прессовок и спеченного сплава ВК10//Порошковая металлургия. 1977. - №11. - С. 76-80135

18. Михайленко Г.П. Влияние обжатия прессовок высоким гидростатическим давлением на структуру и свойства спеченных твердых сплавов//Физика и техника высоких давлений. 1982. - №9. - С.44-49

19. Созин Ю. И., Крючкова А.Р., Черепинина Е. С. Методика исследования тонкой кристаллической структуры по интегральной ширине дифракционных линий//Аппаратура и методы рентгеновского анализа. -1971. вып. 7. - С. 44-51

20. Ершов В.М., Лабинская Н.Г., Михайленко Г.П. Рентгенографическое исследование влияния высоких давлений гидростатического прессования на структуру и субструктуру порошка монокарбида вольфрама//Физика и техника высоких давлений. 1982. - №7. - С.49-51

21. Черный Ю.Ф., Михайленко Г.П., Лабинская Н.Г. Влияние допрессовывания брикетов при высоких гидростатических давлениях на тонкую структуру карбидной фракции прессовок и спеченного сплава ВК10//Порошковая металлургия. 1977. - №11. - С.76-80

22. Муха И.М., Довбищук М. Н., Мороз А. Л. Вибрационное прессование твердосплавных порошков//Технология и организация производства. 1969. - №6. - С.79-80

23. Горбачева Т.Б., Галегова М.А., Вараксина А.В. Влияние гидростатической обработки на структурные изменения в сплаве ВК6//Цветная металлургия. -1980. -№8. -С.78-79

24. Ивенсен В. А., Эйдук О. Н., Артемьева С. И. и др. Зависимость показателей пластичности вольфрамокобальтовых твердых сплавов от температуры получения порошков вольфрама и карбида вольфрама//Твердые сплавы. -1970. -№10. -С.60-67

25. Лившиц Т.А., Акаро И.Л., Рыжеванов B.C. и др. К вопросу о механизмеизноса стальных и твердосплавных матриц для горячего выдавливания металлов//Твердые сплавы. 1977. - №17. - С.71-78

26. Лившиц Т.А., Акаро И.Л., Рыжеванов B.C. и др. Металлокерамические твердые сплавы в инструменте для горячей штамповки выдавливанием//Твердые сплавы. 1976. - №16. - С. 52-61

27. Трахтенберг Б.Ф. Стойкость штампов и пути ее повышения. Куйбышев: Книжное издательство. - 1964. 277 с.

28. Норицын И.А., Акаро И.Л., Перфилов В.И.//Вестник машиностроения.1969. -№3.-С.61-66137

29. Рыжеванов B.C., Фальковский В.А., Блинков А.Н. и др. Исследование работоспособности твердосплавного инструмента для холодной высадки и выдавливания//Твердые сплавы. -1981. -№22. С. 46-50

30. Лившиц Т. А., Акаро И.Л., Рыжеванов B.C. и др. Применение металлокерамических твердых сплавов для инструмента при горячей штамповке/ЛГвердые сплавы. 1976. - №16. - С.45-52

31. Хвостанцев Л.Г., Сидоров В. А., Яковлев Е.Н. А.С. № 1398154, 1988.

32. Shoening F.R. Acta Cryst. 1965. - v.18. - №5. - P.975

33. Haider N.C., Wagner C.N.J. Acta Cryst. 1966. - v.20. - №2. - P.312-313

34. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А., Рентгенографический иэлектроннооптический анализ. М.: Металлургия, 1970. - 367 с.

35. Wagner C.N.J., Aqua E.N. Advanc. X-ray Analysis. 1963. v.7. - P.46

36. Чапорова И.Н., Чернявский K.C. Структура спеченных твердых сплавов. -М.: Металлургия, 1975. 247 с.

37. Хоршен С. Характеристики порошков и дислокационные структуры при обработке твердых сплавов на основе WC-Co//Пopoшкoвaя металлургия. -1974. т.27. - №4. - С.201-211138

38. Муха И.М. Твердые сплавы в мелкосерийном производстве. Киев: Наукова думка, 1981. - 165 с.

39. Муха И.М., Глоба JI.B. Получение твердосплавных заготовок с использованием гидростатического обжатия прессовок//Технология электротехнического производства. 1976. - №1. - С. 8-10

40. Ивенсен В.А., Эйдук О.Н., Чистякова В.А. Зависимость предела текучести твердого сплава WC-Co от содержания Со и величины зерна WC// Порошковая металлургия. 1974. - №5. - С. 84-87

41. Шермант И.Л. Факторы, влияющие на предел прочности при сжатии// Порошковая металлургия. 1977. - т.20. - №2. - С.63-69

42. Ивенсен В.А., Эйдук О.Н., Пивоваров Л.Х. О некоторых закономерностях деформации металлокерамических твердых сплавов//Порошковая металлургия. 1964. - №4. - С.43-56

43. Felgar R.P., Lubahn I.D. Proceeded ASTM. 1957. - v.57. - P. 770

44. Kerper M.G., Mong L.E., Stiefel M.B., Holley S. F. J. Res. Nat. Bur. Standarts. -1958. v.61. -№3. -P.149

45. Sandvik. Свойства твердых сплавов. 20 с.

46. Evans A.G., Charles E.A. Fracture toughness determinations by indentation// Journal of the American Ceramic Society. 1976. - Vol.59. - № 7-8. - P. 371-372

47. SME Technical Publication MR 83-189.

48. Антонов A.A., Бобрик А.И., Морозов B.K., Чернышев Г.Н. Определение остаточных напряжений при помощи создания отверстий в139голографической интерферометрии//Изв. АН СССР. Механика твердого тела. 1980. - №2. - С. 182-189

49. Лошак М. Г. Прочность и долговечность твердых сплавов. Киев: Наукова думка, 1984. - 324 с.

50. Бабич М. М. Исследование физико-химических основ и усовершенствования технологии спекания металлокерамических твердых сплавов: Автореф. дис. д-ра техн. наук. Киев, 1969. - 22 с.

51. Бабич М.М. Неоднородность твердых сплавов по содержанию углерода и ее устранение. Киев: Наукова думка, 1975. - 175 с.

52. Бондаренко В.П., Паволоцкая Э.Г. и др. Исследование и разработка технологии спекания изделий из твердых сплавов ВК6 в контролируемой газовой среде. В кн.: Технология изготовления твердосплавных изделий. -Киев, 1978. - С.28-34

53. Щетилина Е. А., ЧапороваИ. Н. //Твердые сплавы. 1959. - №1. - С.209-225

54. Гольдберг З.А., Фальковский В.А., Твердосплавный инструмент для холодной высадки//Твердые сплавы. 1964. - №5.

55. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1991. - 305 с.

56. Черный Ю.Ф., Р.В. Рыбальченко, Михайленко Г.П Влияние высоких давлений гидростатической обработки заготовок из порошков твердых сплавов на свойства изделий//Твердые сплавы. №16. - 1976. - С.142-147140

57. Балыпин М.Ю. Порошковое металловедение. М.: Металлургиздат, 1948. -332 с.

58. Н Клячко Л.И., Кудря.А., Романова Н.И., Зотова Г.М. Исследование и экспериментальная проверка нового пластификатора для производства твердых сплавов.//Твердые сплавы. №17. - 1977. - С.53-61.

59. Галкин А.А., Черный Ю.Ф., Михайленко Т.П. и др. Применение высокого гидростатического давления при формовке твердосплавных заготовок и его влияние на свойства изделий В кн.: Теория и практика прессования порошков, К., изд. ИПМ, 1975, с. 102-106.

60. Способ пайки металлорежущего инструмента, исключающий образование трещин в твердом сплаве/Швецова Т.Н., Клочко Н.А.// Твердые сплавы. -1978. -№18-С.18-20.

61. Хомяк Б.С. Твердосплавный инструмент для холодной высадки и выдавливания. М.: Машиностроение, 1972. - 200 с.

62. Исследование работоспособности твердосплавного инструмента для холодной высадки и выдавливания/Рыжеванов B.C., Фальковский В.А., Блинков А.Н. и др.//Твердые сплавы. 1981. -№22. - С. 46-50.

63. Toshiba Tungaloy Co. LTD. High pressure apparatus. 12 c.