автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Твердые сплавы Wc-Co-Ni-Re(Mn)

На правах рукописи

<> #

Л- ЛУ1САШСВА

' V

\ ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ \УС-Со-№-Чс(Мп) •

05.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете) Научный руководитель: доктор технических наук Орданьян С.С. Научный консультант: кандидат технических наук Пантелеев И.Б.

Официальный оппоненты:

профессор, доктор технических наук Гурт Владимир Николаевич старший научный сотрудник,

кандидат технических наук Вильк Юрий Николаевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (г.Москва)

Защита состоится 1998 года в 1500 на заседа-

нии диссертационного ссзета К 063.25.06 в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте (техническом университете)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного технологического института (техническогсьуниверситета)

Отзывы, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 198013, Санкт-Петербург, Московский пр. 26 Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Автореферат разослан Ц 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета К 063.25.06 кандидат технических наук

н—^ И .А. Туркин

ОБЩАЯ ХА РАКТсРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, Твердые сплавы системы'\VC-Co являются основным материалом для изготовлгния режущего инструмента, применяемого для лезвийной обработки металлов и сплавов. Несмотря на внедрение в последнее время в практику машиностроения инструмента из сверхтвердых материалов, мннералокерамики, более 95% объема снимаемой металлической стружки приходится на твердые сплавы. В качестве традиционной металл-связки используется металлический кобальт, который является дефицитным и дорогостоящим металлом. Применение кобальта связано с исключительно удачным набором особенностей его взаимодействия с карбидом вольфрама, делающим сочетание \VC-Co идеальным. В качестве альтернативных мсталл-сгязок для замены дефицитного :сс5адьта предлагались металлы группы железа в различных сочетаниях, чистый никель, а также различные добавки других металлов.

Естественное стремление заменить дефицитный дорогостоящий карбид вольфрама другими карбидами, нитридами и карбоннтридамн металлов групп привело к созданию безвольфрамовых и мало-

вольфрамосых твердых сплавов (ТИ-20, КНТ16, ТВ4), однако, лтг материалы нашли очень ограниченное применение.

Появление новых марок металлических сплавов, высок гегиро-ванных и V"¡ржавеющих сталей, сплавов цветных металлов, пластиков настоятельно требует создания эффективного режущего инструмента.

Одним из перспективных направлений > создании современных, более совершенных "нструментальных материалов, является разработка новых марок тверды сплавов, обладающих высокими механическими и эксплуатационными свойствами при 600-800°С.

Анализ современных тенденций совершенствования режущего инсгрумента на основе карбида вольфрама показал, что наиболее перспективным направлением сточки зрения минимизации затрат на иэме-

О

пеане технологического процесса и наименее изученным вопросом является разработка новых составов металлической связки.

С учетом изложенного были сформулированы цель и основные задачи исследования.

Целью настоящей работы является создание новых твердых сплавов на основе карбида вольфрама со связкой Co-Ni-Re(Mn) и изучение их физико-механических свойств.

Основные задачи исследования:

1. Изучить в сравнении с системой WC-Co взаимодействие в WC-Co(Ni,Re,Mn).

2'. Изучить физико-механические свойства твердых сплавов с дву-комг ~>нентными связками Cc-Ni, Co-Re, Ni-Re, Co-Mn, Ni-Mn.

3. Изучить физико-механические свойства твердых сплавов с трехкомпонентными связками Co-Ni-Re, Co-Ni-Mn.

4. Изучить высокотемпературные свойства ряда новых твердых сплавов (окалнностойкость, температурную зависимость предела прочности при поперечном изгибе).

5. Изготовить опытную партию оптимального состава и испытать режущие свойства, разработать технологическую инструкцию.

Научная новизна диссертационной работы. Впервые получены . данные о пределах растворимости карбида вольфрама в сплавах кобальта, легированных никелем, рением и марганцем.

Показано, что в разрез WC-Ni не является квазибинариым, в равновесии с карбидом вольфрама находится сплав никеля с вольфрамом и углеродом.

Исследование процесса смачивания карбида вольфрама в вакууме показало, что все изученные сплавы металлов идеально смачивают подложку из WC и могут быть использованы в качестве металт-связки твердых сплавов.

При изучении структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств твердых сплавов WC-Co-Ni-Re(Mn) установлено:

- в системе \VC-Co-N' зависимость прочности от состава мет алл-связкм имеет экстремальный характер с максимумом при 40-60% масс, кобальта п связке; '

- в системах \VC-Co-Re, \VC-Ni-Mn введение небольших добавок Не или Мп приводит к упрочнению твердых сплавов;

- зависимости прочности твердых сплавов \VC-Co-Ni-Re и \УС-Со-ЫьМп, имеют экстремальный характер и по прочности превосходят твердые сплавы \VC-Co и \VC-Co-Ni.

"Показано, что введение п состав металл-связки рения увеличивает окалиностойкость твердых сплавов при одновременном увеличении жаропрочности в интервале 600-800°С.

Практическое значение н реализация работы. На основании результатов нсследораиия разработаны технологии группы новых твердых сплавов \VC-Co-Ni с содержанием карбида вольфрама 88% об., при соотношении Со:№-60:40 в связке, сплав \VC-Co-Ni-Re при соотношении компонентов в связке Со: №: Яе = 52,5:33:14,5 соответственно и ■ сплав \VC-Co-Ni-fvIn = 59,5:38:2,5 для обработки резанием труднообрабатываемых материалов. ' '

Определены основные эксплуатационные свойства сплавов, установлены области применения: обработка точением, фрезерованием, сверлением труднообрабатываемых материалов, в том числе сталей, легированных никелем, молибденом, хромом и др. (стали ХВГ ЧС 88, ЭИ 769, нержавеющие стали).

Разработанные сплавы целесообразно использовать в средних н тяжелых условиях работы, включая точение по корке с ударами, при прерывистом резани- в условиях среднего и большого сечения среза.

Выявлены прет щесгва сплава WC-Co-Ni-Re по износостойкости перед твердыми сплавами группь, В1С и возможность использования более скоростных режимов резания.

Разработана технология и оформлена нормативно-техническая документация по производству сплавов ^УС-Со^МДе.Мп).

Внедрение инструмента, оснащенного пластинами новой марки твердых сплавов при обработке резанием труднообрабатываемых материалов позволит получить экономический эффект.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции аспирантов СП6ГТИ(ТУ) посвященной памяти М.М.Сычева (С.-Петербург, 1997г.), научно-технической конференции "Новые материалы и технологии в машиностроении и приборостроении" (г.Пенза, 1997г.).

Публикации. Результаты исследования изложены в 7 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводе, списка используемой литературы из 61 наименований и приложения.

Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков, 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дан обобщенный анализ современного состояния вопроса и поставлены задачи исследования, обосновывается актуальность темы диссертации и выбор объектов исследования.

В главе 1 дан анализ современного состояния вопроса. Приведен обзор работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных диаграммам состояния двойных и тройных металлических систем (Co-Ni, Co-Re, Ni-Re, Co-Ni-Re, Со-Мн, Ni-Mn, Co-Ni-Mn) и применению легированных связок, изучению взаимодействия в системе WC-Me.

Ограниченность и противоречивость данных по системам WC-Co-Ni-Re(Mn) выявили необходимость дополнительных исследований взаимодействия между компонентами исходных веществ и изучению структуры и свойств твердых сплавов WC-Co-Ni-Re(Mn).

Анализ литературы гозволял обосновать целесообразность введения добавок никеля, рения и марганца в кобьль.овуга связку твердых сплавов на основе карбида вольфрама.

В главе 2 приведены данные об исходных материалах, используемых в работе, методах исследования твердых сплавов, а также описана технология изготовления твердых сплавов методами порошковой технологии.

Для исследования сплавов использовали металлографический, рентгеноструктурный анализ, стандартные методы определения физико-механических и эксплуатационных свойств. Описан метод симплекс-решеточного планирования эксперимента для условия ограничения концентрации одного из компонентов.

Глапа 3 посгящеиа изучению взаимодействия з системе карбид вольфрама - расплав Со-№-11е(Мп).

На основании данных металлографического и реитгеноструктур-ного анализов установлены границы растворимости карбида вольфрама а сплавах на основе кобальта и никеля с добавками рения и марганца, а также проведено сравнение полученных данных по растворимости \УС в кобальте и никеле с известными в литературе данными (табл.1).

Данные металлографическою анализа хорошо согласуются с измерениями микротвердостп у - твердого раствора. При достижении предела растворимости микротвердость достигает максимума 1. остается постоянной при дальнейшем увеличении концентрации У/С.

Введение незначительных добавок (10-20% масс.) рения и марганца слабо влияют на форму кристаллов \УС. Однако, можно однозначно утверждать, что введение рения во все сплавы снижает растворимость \УС, а марганца несколько повышает ее.

Пределы растворимости карбида вольфрама в кобальте и никеле хорошо согласуются с описанными в литературе, однако, для системы №-\УС получены отличающиеся значения границ фазовых полей. Так,

до концентрации 9% масс. \УС существует однофазный у-раствор \УС. При увеличении концентрации карбида вольфрама в интерва х 9-24 % масс, появляются выделения графита, сосредоточенные преимущественно по границам металлических зерен. При увеличении концентрации \УС выше 24 % масс, появляются кристаллы карбида вольфрама, то есть сплав становится трехфазным.

Таблица 1

Растворимость карбида вольфрама в металлических сплавах

Металл или состав сплава Растворимость \УС, % масс.

Со 14

N1 9

60%Со+40%М 14

60%Со+40%Не 8

. б0%№+40%11е 8

(60%Со+40%№)+ 10%Яе 15,4

(60%Со+40%№)н20%11е 11,7

(50%Со+50%№)+20%Ке ¡3

90%Со+ 10%Мп 16

90%№+ 10%Мп 14

(60%Со+40%№)+10%Мп 15

Существенным является тот факт, что введение в кобальт до 40% масс, никеля не приводит к появлению свободного углерода во всем интервале изученных концентраций карбида вольфрама.

Изучение смачивания в системе карбид вольфрама - расплав металлической связки методом лежащей капли показало, что все изученные составы (содержащие не более 40% масс, рения) обладают идеальным смачиванием, причем для кобальт-никелевых связок отмечается интенсивное растворение подложки в месте контакта. Сплавы с содержанием рчнчя более 40% масс, в интервале изученных температур не

расплавляются полностью п, следовательно не могут быть рекомендованы з качестве металл-связки для твердых сплаво^.

Полученные данные позволили установить границы рационального легирования металлической связки на основе кобальта для получения твердых сплавов с высокими механическими свойствами.

Глппа 4 посвящена изучению физико-механических свойств твердых сплавов на основе карбида вольфрама со связкой Co-Ni.

В ряде работ по твердым сплавам WC-Ni, опубликованных в последнее время, установлено, что такие сплавы имеют твердость и меха-ническуго прочность на 10-207«- шике, чем у »вердых сплавов WC-Co, что объясняется меньшей прочностью никелевой связки и :вязано с упоминавшимися выше особенностями фазовых равновесий по. разрезу WC-Ni.

При изучении физико-механических свойств твердых сплавов WC-Co-Ni установлено, что зависимость предела прочности при поперечном изгибе от состава металл-связки Co-Ni имеет максимум прочности при содержании кобальта 40-60% масс, при температурах спекания 1410- 1440°С(рис.J); •

Изучение твердости по Виккерсу и модуля Юнга показало, что при данном интервале концентраций никеля в кобальте имеется возможность получать сплавы с высоким уровнем механических свойств (предел прочности при поперечном изгибе, твердость по Викке, :у), что превышает таковые для стандартного сплава ВК8.

При изучении микроструктуры установлено, что сплавы с максимальной прочностью обладают минимально, пористостью (0,2%), при этом размер зерен к рбидной фазы составляет 2-5 мкм, распределение металл-связки равноме^ лое, крупных скоплений не обнаружено.

Установлено также, что снижение прочности для сплавов WC-Ni связано, помимо выделения свободного графита, с частичным испарением никеля при спекании в вакууме; это приводит к увеличению по-

ристосги и среднего размера зерна карбидной составляющей, а также образованию сростков поликристаллов твердой фазы.

В результате проведенных исследований получены твердые сплавы в системе WC-Co-Ni, имеющие высокую прочность при изгибе при содержании 40-60% (масс) никеля в связке и твердость HV= 13-13,5 ГПа, что позволяет рекомендовать их в качестве материала для режущего инструмента.

Глава 5 посвящена изучению физико-механических свойств твердых сплавов со связкой Co-Ni-Re.

Предварительное изучение свойств твердых сплавов WC-Co-Re и WC-Ni-Re при 12% об. металл-связки показало, что концентрационная зависимость предела прочности при поперечном изгибе твердого сплава VVC-Co-Re имеет ярко выраженный экстремальный характер (максимум прочности 2300 МПа достигается при 10% Re в металл-связке). При 40% рения и более в связке предел прочности при изгибе снижается до 1400 МПа, что достаточно для изготовления режущего инструмента.

Концентрационная зависимость предела прочности прь изгибе твердого сплава WC-Ni-Re также имеет экстремальный характер (максимум 2030 МПа достигается при 4% масс. Re в металл-связке).

Содержание. N1 в связке, %иасс.

Рис. I Зависимость предела прочности при поперечном изшбе твердых сплавсэ У/С-Со-'№ от состава металл-связки.

С учетом полученных результатов и данных диаграмм состояли-Со(№)-!1е изучены свойства твердых сплавов а системе карбид вольфрама - связка Со-1<1-11е с применением метода с имплекс- р е шето ч п с г о планирования эксперимента. > .

В к;>местве основного плача эксперимента была выбрана модель 2-й степени с. ограничением одного изкомпонеьгов (в данном случае -рения, до 40% масс.), включающая 6 основных точек. Объем металл-связки, содержащейся в твердом сплаве, для всех изученных составов был постоянным и составлял 12% об. •

Предел прочности при поперечном изгибе а изученной области концентраций компонентов металл-слязки (рис.2) также имеет максимум, расположенный а области, богатой кобаль ~ом, при содержании рения 15-20 % масс.

СТ.НПч

1С у.

Т а 1440С

Рис.2 Расчетные значения атг. твердых сплавов в системе \VC-Co-Ni-Re (Тсп» = 1440°С)

Твердость по Виккерсу возрастает с увеличением содержания рения в металл-связке, что соответствует данным, полученным сотрудниками ВНИИТС.

Анализ микроструктуры травленых шлифов показал, что твердые сплавы со связкой Со-Ьт1-11е характеризуются равномерным ее распределением (за исключением состава 5 - 60%№+40%Яе) и размером _грна карбида вольфрама в интервале 1-4 мкм.

Для сплавов, облагающих низкой прочностью (не содержащих в металл-связке кобальта), отмечается появление крупных зерен \*/С. Этим фактом, а также повышенной пористостью объясняется низкая прочность таких сплавов.

Полученные в работе результаты подтвердили выводы о положительном влиянии рения на твердость и показали, что введение ь металл-связку 15-20% масс, рения повышает прочность при изгибе. Это дает возможность рекомендовать твердые сплавы со связкой оптимального по прочности состава для изготовления режущего инструмента.

• Глава б посвящена изучению физико-мехашйеских свойств твердых сплавов в системе \VC-Co-Ni-Mn.

Максимальное содержание марганца в металл-связке твердых сплавов \VC-Co-Mn было ограничено .30% масс. Объемное содержание металл-связки во всех составах было одинаково и составило Т2% об.

Данные по прочности согласуются со значениями по пористости, которая растет с увели чешем содержания марганца (рис.За). Этот факт скорее всего связан с испарением марганца при спекании, так как он обладает большей упругостью пара в вакууме по сравнению с кобальтом и никелем.

Рост значений твердости по Виккерсу также хорошо согласуются с описанными процессами при спекании-и объясняется уменьшением объема металл-езязки за счет испарения марганца. Сильное увеличение пористости при максимальном1 содержании марганца замедляет рост твердости.

Зависимость прочности при изгибе твердых сплавов \VC-Ni-Mn от содержания марганца в связке несколько отяичаегсг. от системы \\'С-Со-Мп. С увеличением содержания марганца 'прочность сначала несколько возрастает, достигая максимума при содержании марганца 7°Л»Л'асс. металл-связке, а затем резко падает, достигая значения 10001100 МПа при 20% масс. (рис.Зб).

Отсюда следует, что содержание марганца в металл-связке не должно превышать 15%. масс. Изменение значений пористости и твердости по Викхерсу аналогично предыдущей системе.

На рис.4 представлен изотермический разрез при температуре 1050 К, на котором видно, что даухфазная область (у + г|) будет находиться в интервале концентраций марганца 40-60% ат. С граничение 20°А гаге, позволяет оставаться в пределах у-тг^рдого раствора.

С учетом полученных результатов и дакных диаграмм состояния Со(Т\Ч)-Мп изучены сеойстет твердых сплавов в системе карбид вольфрама - связка Со-МьМп с применением метода симплекс-решеточного планирования эксперимента.

МПа

'17

2200

15

юоа

15

моо

14

1000

13

Со 20 т ■ 1 14 ип

%, масс. %, пасс .'

а Б

Рнс.3 Предел прочности прн поперечно« изгибе н твердость по Виккерсутвердыхспяаооо:а)\7С-Со-Мп;С^С-Н1-Мп

Мп

Ы1 , % масс.

Рис.4 Изотермическое сечение системы . Со-КШл при 777°0 и план эксперимента второй степени дяя сасгава исталл-связки

Образцы для фнзпко-мсханпческих испытаний изготавливали по стандартной технологии твердых сплавов и спекали в при температуре 1420-1480<>С в вакууме.

Предел прочности при поперечном изгибе в изученной области концентраций компонентов металл-сшгзкн характеризуется наличием максимума, расположенного в области низкого содержании марганца 3-7 % масс, (рис.5). ■

Аналогичной обработке подвергались данные по твердости. При всех температурах спекания наблюдается тенденция увеличения Н\ с ростом содержания марганца в связке.

Введение марганца в состав цементирующей матрицы позволяет увеличить прочность при изгибе при сохранении достаточно высокой твердости, причем максимальная прочность достигает 2640 МПа, что значительно превышает прочность стандартных \VC-Co сплавов (18002000 МПа).

Исследование микроструктуры травленых шлифов показало, 1п<> сплавы, по составу близкие к оптимальному (№ 6 'I № 7), обладают мелкозернистой структурой с равномерным распределением мета.чл-связки. Ргзмер зерна \УС для лих сосгавил 0,5-3,0 мкм. Для составов с высоким ■ одержанием марганца (составы 4,5) отмечаются отдельные крупные зерна карбида вольфрама (до 15-20 мкм), но доля их невелика.

Следует отметить зависимость прочности от пористости, причем увеличение последней характерно при увеличении концетрации марганца выше 10% масс., что скорее всего связано с частичным испарением марганца при спекании. Положительное влияние введения марганца в металл-связку на твердость позволяет прогнозировать увеличение износостойкости.

НП

Со

Н1

Рис.5 Расчетные значения (Тизг. твердых сплаво! в сийтеме \УС-Со-М-Мп (Тш*.= 1450°С)

Глава 7 посвящена изучению окалиностошсостн и высокотемпературной прочности при изгибе твердых сплавов \УС-Со-№11е(Ми).

При изучении окалиностойкости образцов твердых сплавов в неизотермических условиях при нагреве до 900°С на воздухе установлено, что:

- все изученные сшивы превосходят по окалиностойкости .вер-дый сплав \VC-Co;

- одновременное введение №-К.е или Ы1-Мп повышает температуру начала окисления на 50-70°С при одновременном замедлении скорости окисления.

Зависимость прочности при изгибе от температуры для твердых сплавов со связками Со-№ н №-Мп (рис. 6) практически пг отличаются от таковой для твердых сплавов типа ВК. Добавление в связку рения резко изменяет ха-

200 400 600 000 1000 Т,оС рактер зависимости.

Рис. 6 Зави слмость прочности при изгибе' До температуры 600°С

твердых сплавов WC-Co-Ni-ReCMn) дая N,"Re и 800°с

* . Co-Re связки пронсхо-

ог температуры '

дит некоторое упрочнение твердых сшивов (до 40%), а затем прочность снижается, оставаясь, однако, более высокой по сравнению с кобальтовой и никелевой связками.

Максимальная прочность твердых сплавов \VC-Co-Ni-Re находится в интервале температур б00-800°С, что соответствует рабочей температуре режущей кромки материала. Это позвбляет предположить, что такие резцы будут обладать более высокими эксплуатационными свойствами.

• ВЫВОДЫ

*Для достижения поставленных в работе целей были решены следующие научные и практические задачи: '

1. На основании исследоваии" азтлмодегствкя компонентов системы \УС-Ме(Со, 141, Яе, Мп) уточнены границы растворимости карбида вольфрама б кобальте и никеле, впервые установлены границы растворимости в сплавах Со-М!, Со-№'-11е(Мп), что имеет важное значение для практики получения твердых сплавов.

2. На основе анализа данных по диаграммам состояния металлических систем и исследований процесса смачивания подложек из \УС расплавами металлов Со( N1, Ке, Мл) установлены концентрационные границы рационального легирования'цементирующего,металла для в-бона оптимального состава слоя'ной металл-связки» показано, что >>св выбранные составы обладают нулевым краевым углом смачивания л системе \УС-оасплав. ,

- >

3. Изучены зависимости физико-механических свойств сплавов \YC-Co-Ni от состава металл-связки и их структура. Показано, ч.о при соотношении Со->П = Т.2 прочность при изгибе превышает таковую для сплавов \VC-Co на 15-20% при том же уровне твердости.

В результате проведенных исследований получены твердые сплавы в системе 1УС-Со-№,- имеющие высокую прочность при изгибе (до 2500 МПа) при содержании 40-60% (масс.) никеля и связке и твер-

достыс при этом HV= 13-13,5 ГПа, что позволяет рекомендовать их в качестве материала для режущего инструмента.

4 4. Изучены зависимости физико-механических свойств и структура сплавов '.VC-Co-Re и WC-Ni-Re от состава металл-связки. Показано, что зависимость прочности при изгибе от содержания рения носит экстремальный характер и имеет максимум при 10 ь 4% масс, рения ~оот-ветственно. Показано, что для промышленного применения не следует использовать концентрацию рения в связке выше 20% масс.

5. Методом симплекс-решеточного планирования эксперимента изучены свойства и структура сплавов WC-Co-Ni-Re от состава металл-связки. .Полученные в работе результаты подтвердили выводы о положительном влиянии Re па твердость и показали, что введение 15-20% масс, рения повышает прочность при изгибе. Определенный расчетным путем оптимальный состав связки (52,5% Co+33%Ni+14,5%Re) по принятой технологии обеспечил для твердого сплава прочность при изгибе 2670 МПа и твердость IIV = 17 ГПа, что позволяет рекомендовать его в качестве материала для режущего инструмента.

6. Изучены зависимости физико-механических свойств и структура сплавов WC-Co-Wi-Mn от состава металл-связки. Показано, что для сплавов WC-Co-Mu с увеличением содержания Мп увеличивается пористость и снижается прочность. Это связано с испарением Мп при спекании в вакууме и подтверждается анализом потерь массы образцов.

Для твердых сплавов WC-Ni-Mn зависимость прочности при изгибе имеет иной характер с максимумом при 7% масс. Мп. Показано, что для получения высокопрочных твердых сплавов твердых сплавов нецелесообразно увеличение содержания Мп в связке более 15% масс.

При изучении зависимости фгошсо-механическнх свойств сплавов WC-Co-Ni-Mn от состава металл-связки методом симплекс-решеточного-, планирования эксперимента установлено, что з дайной системе имеется максимум прочности соответствующий составу связки 50%Со + 44%Ni + 5,5%Мп при одновременном увеличении твердости;

показано, что такие сплавы облачают весьма мелкозернистой структу рой с равномерным распределением металл-связки.

7. Изучена окалиностойгость твердых сплавов \УС-Со(№Де,Мп). Установлено, что введение N1, Мп и К с положительно сказывается на стойхостг сплавов к окислению, увеличивая температуру начала активного окисления до 75°С и снижая скорость окисления с ростом температуры. 1

8. При изучении жаропрочности установлено, что зависимость прочности при изгибе от температуры при введении в металл-свчзку рения приводит к упрочнению твердых сплавов в интервале С00-800°С, а при 800-1100°С имеют прочность более высокую по сравнению с кобальтовой и никелевой срязками.

9. На основании полученных научных результатов' р зработана технологии твердых сплавов ^/С-Со-ИМ^Ма). обеспечивающая высокие физико-механические свойства; изготовлелы опытные партип режущих пластин по ГОСТ 19048-80 и переданы для испытаний в ЦНИИ КМ "Прометей" \Г.Санкт-Петербург).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ '

1. Пантелеев И.Б.,Лукашова Т.В.,Орданьян С.С. Твердые сшивы \УС-Со-№.//Цветные металлы,- 1998,-№ 7.-С. 70-73.

2. Твердые сплавы \УС-Со-№-Ле/<Зрданьяп С С., Пантелеев И.Б., Лу-кашова Т.В., Гарабаджиу А .А.//Цветные металлы.-1998.- № 9.- С.62-65.

3. Твердые сплавы \УС-Си-№Мп'Орданьяк С.С., Пантелеев И.Б., Лу-хашова Т.В., Глушкова М.С./ЛДветные металлы,-1998,- К 10.- С. 70-72.

4. Твердые еллавы WC-Co-Ni-Mn/ЛyкaшoвaT.Bi/Hayчнo-тexничecкaя конференция аспирантов С11бГТИ(ТУ) памяти М.М.Сычева:Тездокл,-Ч.2.-С.-П6.: Издательство СПГТИ(ТУ), 1Р97г.-С.1б.

5. Твердые сплавы У/С-Со-ЬП-Не/Лукашова Т.В.//Чаучно-техническая конференция аспирантов С»1бГТИ(ТУ) памяти М.М.Сычева: Тез.докл.-Ч.2.-С.-П6.: Издательство СПГТ11(ТУ), 1497г.-С.17.

6. Твердые сплавы \VC-Co-Ni/ Лукашова Т.В.//Научио-техническая конференция аспирантов СП6ГТИ(ТУ) памяти М.М.Сычева: Тез.докл,-ч.2.-С.-Ьб.: Издаг-тьство СПГТИ(ТУ), 1997г.- С. 1 Я.

7. Лукашова Т.Б., Пантелеев И.Б., Орданьяи С.С. Растворимость карбида вольфрама в сплавах Со-Ыь11е(Мп)//Новые материалы н технологии в машиностроении н приборостроении/ Научн.-техн. конф.-Пенза: Приволжский Дом знаннй.-1997.- С.57-59.

П3.04.93г. Зак.Ь0-70 РТП ИК СИНТЕЗ Московский пр.,26

Г /

/

• <1

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЛУКАШОВА Татьяна Владимировна

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ \^С-Со-№-Ке(Мп) (05.17.11 - Технология керамических, силикатных и тугоплавких неметаллических материалов)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор С.С.Орданьян Научный консультант, кандидат технических наук, доцент И.Б.Пантелеев

Санкт-Петербург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

1. Аналитический обзор......................................................................................7

1.1. Твердые сплавы на основе карбида вольфрама......................................7

1.2. Физико-химические основы создания твердых сплавов на основе

карбида вольфрама..................................................................................11

Сплавы системы WC-Co..........................................................................11

Сплавы системы Ti-W-C-Co....................................................................16

Сплавы системы WC-TiC-TaC-Co..........................................................18

Система C-Ni-W....................................................................18

Система C-Re-W................................................20

1.3. Основы выбора компонентов твердого сплава...............................23

1.4. Диаграммы состояния металлических сплавов......................................25

Система Co-Ni........................................................................25

Система Co-Re........................................................................................27

Система Ni-Re........................................................................................27

Система Co-Ni-Re..................................................................................27

Система Со-Мп......................................................................................31

Система Ni-Mn........................................................................................31

Система Co-Ni-Mn..................................................................................31

1.5. Твердые сплавы с легированной металлической матрицей..................35

1.5.1. Металл-связка - Со+легирующий металл..........................................35

1.5.2. Металл-связка - Ni+ легирующий металл..........................................38

1.5.3. Металл-связка, легированная марганцем .........................................41

1.6. Выводы по аналитическому обзору........................................................43

2. Характеристика исходных материалов и методики исследований..........44

2.1. Характеристика исходных материалов..................................................44

2.2. Методики исследований............................................................................44

Определение усадки...............................................................................45

Определение плотности..............................................................................45

Изучение микроструктуры........................................................................45

Рентгенофазовый анализ..........................................................................45

Упругие свойства........................................................................................45

Определение предела прочности при поперечном изгибе....................46

Определение твердости по Виккерсу..............................46

Определение микротвердости..................................................................46

Окалиностойкость......................................................................................46

Измерение температурной зависимости предела прочности

при изгибе....................................................................................................46

Обработка результатов эксперимента....................................................47

Оценка ошибок измерений........................................................................47

2.3. Симплекс-решеточное планирование эксперимента............................49

Выбор модели............................................................................................50

Вычисление коэффициентов регрессии..................................................53

Проверка адекватности модели..............................................................53

3. Исследование взаимодействия в системе WC - цементирующий

металл................................................................................................................55

3.1. Растворимость карбида вольфрама в сплавах Co-Ni-Re(Mn)..............55

Система Co-WC . . .....................................................................................57

Система Ni-WC............................................................................................57

Система Co-Ni-WC......................................................................................61

Система Co-Re-WC.........................................................................65

Система Ni-Re-WC.......................................... . 65

Система Co-Ni-Re-WC................................................................................67

СистемаСо-Mn-WC....................................................................................73

Система Ni-Mn-WC....................................................................................73

Система Co-Ni-Mn-WC..............................................................................73

Общие выводы............................................................................................79

3.2. Исследование процесса смачивания карбида вольфрама сплавами Co-Ni-Re(Mn)................................................................................................80

4. Свойства твердых сплавов WC-Co-Ni............................................................83

5. Твердые сплавы WC-Co-Ni-Re........................................................................91

5.1. Твердые сплавы WC-Co-Re......................................................................91

5.2. Твердые сплавы WC-Ni-Re........................................................................93

5.3. Твердые сплавы WC-Co-Ni-Re..................................................................95

6. Твердые сплавы WC-Co-Ni-Mn......................................................................106

6.1. Твердые сплавы WC-Co- Мп......................................................................106

6.2. Твердые сплавы WC- Ni-Mn......................................................................107

6.3. Твердые сплавы WC-Co-Ni-Mn................................................................110

7. Окалиностойкость и высокотемпературная прочность твердых сплавов

WC-Co-Ni-Re(Mn)................................................................................................118

ВЫВОДЫ..............................................................................................................125

Список использованных источников................................................................128

Приложение..........................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Твердые сплавы системы \¥С-Со на протяжении нескольких десятилетий являются основным материалом для изготовления режущего инструмента, применяемого для лезвийной обработки металлов и сплавов. Несмотря на внедрение в последнее время в практику машиностроения инструмента из сверхтвердых материалов, минералокерамики, более 95% объема снимаемой металлической стружки приходится на твердые сплавы.

Под "твердыми сплавами" подразумеваются материалы на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой, а также материалы, в которых наряду с карбидом вольфрама присутствует карбид титана, карбид тантала, карбид ниобия. Естественное стремление заменить дефицитный дорогостоящий карбид вольфрама другими карбидами, нитридами и карбонитридами металлов IV-VI групп привело к созданию так называемых безвольфрамовых и маловольфрамовых твердых сплавов, например, на основе карбида титана или карбонитри-да титана (ТН-20, КНТ16, ТВ4). Однако, эти материалы нашли очень ограниченное применение ввиду своей низкой механической прочности и не смогли сколько-нибудь потеснить классические твердые сплавы.

Другим направлением создания новых марок твердых сплавов является введение нитридных составляющих в твердую фазу. В таких материалах карбид вольфрама частично замещен простыми или сложными карбонитридами металлов IV-VI группы, в том числе включая вольфрам. Введение таких добавок позволяет сохранить высокую прочность и твердость и, в отдельных случаях, повысить ударную вязкость. Промышленный выпуск таких сплавов крайне ограничен по экономическим соображениям ввиду трудности синтеза твердых растворов сложных карбонитридов с высоким содержанием металлоидов и достаточной равновесности.

В качестве традиционной металл-связки используется металлический кобальт, который является дефицитным и дорогостоящим металлом. Применение кобальта связано с исключительно удачным набором особенностей его взаимодействия с карбидом вольфрама [1], делающим сочетание \¥С-Со идеальным.

В качестве альтернативных металл-связок для замены дефицитного кобальта предлагались металлы группы железа в различных сочетаниях, чистый

никель, а также различные добавки других металлов. Следует отметить, что практического применения такие связки в настоящее время не получили.

Помимо технологических приемов, связанных с изменением состава, для повышения эффективности режущего инструмента существует два основных направления - нанесение износостойких покрытий и разработка режущих пластин улучшенной геометрии.

Для получения покрытия высокого качества необходимо проводить ряд операций по подготовке поверхности основы (очистка поверхности, науглероживание, создание градиента концентраций металл-связки в поверхностном слое). Это приводит к усложнению технологии и повышению себестоимости режущих пластин.

Совершенствование формы и типоразмеров режущих пластин развивается в направлении перехода от напайных пластин к сменным многогранным не-перетачиваемым пластинам с механическим креплением. Доля последних в общем выпуске твердосплавного инструмента превысила 70%. В последнее время с применением компьютерного моделирования процесса резания разработан ряд прогрессивных видов режущего инструмента с измененным профилем режущих кромок и стружколомающих канавок (так называемые пластины "новой волны").

Анализ современных тенденций совершенствования режущего инструмента на основе карбида вольфрама показал, что наиболее перспективным направлением с точки зрения минимизации затрат на изменение технологического процесса и наименее изученным вопросом является разработка новых составов металлической связки.

1 .Аналитический обзор

1.1 .Твердые сплавы на основе карбида вольфрама

Мировым лидером в производстве твердосплавного инструмента является фирма "Sandvik Coromant" (60% мирового выпуска), базирующаяся в г. Сандвике, Швеция, и имеющая около 30 филиалов в различных странах. В последние годы эта фирма проявляет высокую активность, расширяет сферы своего влияния, особенно в развивающихся странах (Китай, Польша, Австралия и др.), включая Россию [2].

В 1995 г. фирма "Sandvik Coromant" стала владельцем Московского комбината твердых сплавов (МКТС), организовала филиалы своего предприятия в Польше и Китае. Производственная деятельность фирмы подкрепляется правовой поддержкой в области технологических разработок. В 1992-93 гг. фирмой получены 4 патента Австралии, 4 Финляндии, 2 патента Китая, по одному патенту в Польше, Австрии и США, а также 6 европейских и 4 международных заявок на состав и способ изготовления твердых сплавов.

Фирмы США ("Kennametal", "Valenite", и др.) также проявляют заметную активность на рынке твердых сплавов, увеличивая объемы производства и завоевывая новые рынки сбыта. По сведениям [3], фирма "Cincinnati Milacron", Огайо, США приобрела из немецкой промышленной группы Fried Krupp AG фирму "Widia", одну из крупнейших в Европе по производству твердых сплавов.

По-прежнему заметную роль в производстве твердых сплавов играют японские фирмы, из наиболее крупных следует упомянуть "Sumitomo Electric ind.", "Mitsubishi materials", "Hitachi Metals", "Toshiba Tungsten".

Перспективы расширения мирового рынка твердых сплавов прочно увязаны с прогрессом в области металлургии и машиностроения, что делает производство твердых сплавов стабильным и надежным для инвестиций.

Физико-механические свойства твердых сплавов на основе карбида вольфрама (высокая твердость, износостойкость) предопределяют роль твердых сплавов как незаменимого материала для изготовления лезвийного инструмента, преимущественно для точения, фрезерования и сверления. Кроме того, твердые сплавы применяются для оснащения буровых коронок в геологоразведоч-

ной и нефтедобывающей промышленности, для производства различного типа фильер и волок, используемых при производстве проволоки. Твердые сплавы широко применяются для изготовления технологической оснастки: вырубных штампов, пресс-форм, валков для прокатки металлов, режущих кромкок гильотин для резки металлов. Высокая износостойкость твердых сплавов используется при изготовлении таких изделий, как притирочные плиты, концевые меры, износостойкие накладки высокоточного измерительного инструмента.

Можно упомянуть также об использовании твердого сплава при изготовлении стеклорезов, наконечников твердомеров, вставок для оснащения автомобильных покрышек в зимнее время, распылительных форсунок пескоструйных аппаратов.

В качестве режущего инструмента твердые сплавы используются при обработке чрезвычайно широкого круга материалов - металлов и сплавов, чугу-нов, пластика, цветных металлов, легированных сталей, дерева. Для каждого класса материалов с учетом режимов резания используются различные марки твердых сплавов.

В соответствии с международным стандартом ISO области применения твердых сплавов разделяются на 3 большие группы: >

- группа Р - обработка сталей, стального литья, нержавеющих сталей и ковких чугунов, дающих длинную сливную стружку;

- группа М - обработка сталей, стального литья, марганцовистой стали, аустенитной нержавеющей стали, ковких чугунов, автоматных сталей;

- группа К - обработка чугунов, отбеленных чугунов, ковких чугунов, дающих стружку излома, цветных металлов, пластика, дерева, чугуна со сфероидальным графитом.

Каждая группа применения подразделяется на подгруппы в зависимости от режимов резания:

- 01-10 - чистовое точение при высоких скоростях резания и малых сечениях срезов;

- 20 - получистовая обработка сталей при средних скоростях резания;

- 30 - черновая обработка сталей, стального литья, в том числе по корке;

- 40-50 - тяжелые условия резания при черновой обработке сталей и чугунного литья, прерывистое точение по корке, в том числе в присутствии песка и шлака, низкие скорости резания, большое сечения среза.

В зависимости от группы применения необходимо подбирать соответствующую марку твердого сплава с определенным сочетанием твердости, прочности при изгибе и износостойкости.

По своему составу современные твердые сплавы на основе WC подразделяются на 3 большие группы.

1) Группа сплавов ХУС-Со. Промышленные марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта (от 2 до 30% масс.), размером зерен карбидной фазы (\УС), технологией производства. Некоторые марки сплавов этой группы могут содержать небольшие добавки других карбидов V, КЬ, Та.

Менее прочными, но более износостойкими являются сплавы с низким содержанием кобальта, которые применяются в условиях безударной нагрузки. При работе инструмента в условиях ударной нагрузки приходится пользоваться сплавами с повышенным содержанием кобальта [4].

2) Группа сплавов \УС-Т1С-Со. Такие сплавы выпускаются главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей. Они отличаются высоким сопротивлением образованию "лунок" на передней поверхности резца под воздействием непрерывно скользящей по ней сливной стружки, что позволяет применять высокие скорости резания.

Свойства \УС-ТЮ-Со сплавов зависят в основном от содержания карбида титана и кобальта. Увеличение содержания ТЮ (при постоянном содержании кобальта) приводит к повышению износостойкости сплава при резании и одновременно к снижению прочности. С увеличением содержания кобальта при постоянном содержании карбида титана твердость и износостойкость сплава снижается, а прочность возрастает.

3) Группа сплавов ЧУС-ТЮ-ТаС^ЬСЭ-Со. Свойства таких сплавов определяются главным образом содержанием карбида титана и как сплавы системы WC-TiC-Co применяются в основном для обработки резанием сталей [1].

В последние 20 лет такая классификация твердых сплавов по составу дополнилась двумя новыми группами материалов - сплавами, содержащими нит-

ридные соединения в твердой фазе, и сплавами с новыми видами металлической матрицы (связки).

Легирование твердых сплавов нитридами (карбонитридами) металлов 1Уа-Уа группы - перспективное направление совершенствования свойств инструментальных материалов. Этот способ позволяет, по литературным данным, увеличить прочность, ударную вязкость и износостойкость при сохранении имеющегося уровня твердости.

Способы введения в твердый сплав нитридной составляющей можно условно разделить на следующие группы:

1) - введение в состав твердого сплава одного или более нитридов металлов 1Уа-Уа групп;

2) - введение в состав твердого сплава карбонитридов металлов 1Уа-Уа групп, а именно:

- введение в состав твердого сплава карбонитрида титана;

- использование в качестве основы твердого сплава сложного карбонитрида титана-вольфрама;

- использование в качестве основы твердого сплава сложного карбонитрида титана, вольфрама и других металлов 1Уа-У1а группы.

Эффективность применения твердых сплавов при резании повышается за счет применения износостойких покрытий, доля которых в общем выпуске пластин постоянно увеличивается и составляет в настоящее время 70%.

В качестве материала для нанесения покрытия в промышленном производстве чаще всего используются карбиды, нитриды и карбонитриды титана, оксид алюминия, значительно реже и, в основном, в научной литературе, упоминаются тугоплавкие соединения иных металлов IV-VI групп. Основным способом нанесения покрытий является метод осаждения из газовой фазы (СУР-процесс) [5]. Этот метод позволяет одинаково успешно наносить как однослойные, так и многослойные покрытия любой толщины, в том числе и с плавным изменением состава покрытия по толщине. Обычно т�