Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Литые карбиды вольфрама представляют собой тип твердых сплавов, состоящий целиком из твердых тугоплавких карбидов Диаграмма плавкости системы вольфрам — углерод представлена на рис. 168.
Вольфрам с углеродом образует два карбида: W2C, содержащий 3,16% С, плавящийся при 2750—2850°, и карбид WC, содержащий 6,12% С, плавящийся при температуре около 2600° с разложением по перитектической реакции:
WC → жидкость + графит.
Полное расплавление сплава состава WC происходит около 2800°.
Взаимодействие графита с богатой вольфрамом жидкостью с перитектическим образованием WC осуществляется до конца только при весьма медленном охлаждении, и поэтому практически в застывшем сплаве состава WC после его расплавления обычно всегда присутствует графит и эвтектика W2C-WC (рис. 169). Эта эвтектика содержит 4,5% С и плавится при 2525°.
При производстве литых сплавов из карбида вольфрама стремятся получить состав, близкий к эвтектике W2C-WC. Отклонение от этого состава в сторону увеличения WC чревато опасностью перитектического разложения WC с выделением графита, мягкие включения которого ухудшают физикомеханические свойства сплава.
Эвтектический состав W2C-WC имеет также и то преимущество, что сплав такого состава обладает мелкозернистой структурой, обеспечивающей более высокую твердость и износоустойчивость сплава.
В качестве материала для изготовления плавильного тигля и изложниц может быть использован только графит, обладающий достаточно высокой температурой плавления и не загрязняющий расплав посторонними примесями. Однако графит при соприкосновении с вольфрамсодержащим расплавом быстро растворяется в нем, повышая содержание углерода в жидкости.
Для обеспечения достаточной жидкотекучести сплава, необходимой для его отливки, нагрев производится до температуры 3000°.
При контакте графита с расплавленной жидкостью при 3000°, в соответствии с диаграммой плавкости системы вольфрам — углерод, содержание углерода в ней может достигнуть 8%, т. е. превысить содержание углерода в WC. Поэтому при расплавлении вольфрамуглеродной смеси необходимо ограничить время контакта расплавленной жидкости со стенками графитового тигля, для того, чтобы не допустить увеличения содержания углерода в сплаве выше эвтектического состава.
Обычно производят отливку сплава при содержании углерода в нем около 4%, т. е. несколько ниже эвтектического состава. Важнейшим режимным фактором в технологии производства литых карбидов вольфрама является точно фиксируемое (в секундах) время соприкосновения расплава со стенками графитового тигля. Это время устанавливается практически, путем химических анализов контрольных плавок для данной исходной шихты, величины ее загрузки и сорта графита, из которого изготовлен тигель.
Определенную навеску порошка вольфрама в форме спрессованного брикета загружают в графитовую лодочку или цилиндрический патрон и помещают в горизонтальную электрическую печь с графитовой трубой накала, разогретую до 3000°.
Конструкция печи подобна стандартной печи, применяемой для процессов карбидизации в производстве твердых сплавов, и отличается в основном тем, что печь покоится на двух горизонтальных полуосях (укрепленных посередине кожуха печи), опирающихся на подшипники. Печь с помощью ручной рукоятки или ножной педали может поворачиваться вокруг горизонтальной оси на 45—60°.
Наблюдение за температурой осуществляется при помощи оптического пирометра; одновременно проводится непрерывное наблюдение за состоянием вольфрамовой загрузки.
С момента появления зеркала жидкого металла отсчитывают время выдержки металла в расплавленном состоянии, необходимое для поглощения расплавом нужного количества углерода. Это время, в зависимости от величины загрузки, составляет 30—40 сек.
При наклоне печи на 45° и больше угольный патрон вместе с расплавом перемещается из высокотемпературной зоны печи в холодильную стальную трубу, охлаждаемую воздухом и пристроенную к торцу кожуха электрической печи таким образом, что она служит продолжением графитовой трубы накала. Если нужно, то в графитовом патроне размещают литейные графитовые формы, которые заполняются расплавом при опрокидывании печи. Для освобождения отлитых изделий формы разбивают.
Первоначально изделия из литых карбидов вольфрама отливались в две стадии, чтобы обеспечить более точный состав конечного продукта по углероду и получить однородную мелкозернистую структуру.
В первой стадии получали крупные цилиндрические слитки с содержанием углерода около 4%. Слитки измельчали в стальной шаровой мельнице, после чего к порошку примешивали трехокись молибдена в количестве, эквивалентном содержанию свободного углерода в данной партии карбида, с целью окисления его на первых этапах нагрева при вторичной плавке. Из смеси прессовали брикеты, которые вновь помещали в угольную лодочку и вторично плавили при 3000° в графитовотрубчатой печи.
Вторую отливку сплава осуществляли центробежным методом в графитовые формы в печи, вращающейся вокруг вертикальной оси (рис. 170).
Однако, несмотря на высокую плотность отливок, этот способ обладает существенными недостатками:
1) раскручивание печи продолжается несколько минут с постепенно увеличивающейся скоростью, и поэтому продолжительность контакта расплавленного металла со стенками графитовой лодочки фиксируется недостаточно точно;
2) конструкция установки для вращения печи довольно сложна: требуются специальные тяжелые защитные устройства (блиндажи), предохраняющие персонал в случае возможного разрыва вращающейся установки под действием центробежной силы;
3) производительность установки не велика, значительны затраты времени на раскручивание ее и на остановку.
В последнее время этот метод больше не применяют, и развитие производства литых карбидов вольфрама пошло по пути уточнения режима плавки и состава шихты при использовании опрокидывающихся печей, которые дают возможность достаточно точно фиксировать момент прекращения контакта жидкого расплава со стенками графитового тигля, отливки расплава и обладают большой производительностью.
Важное значение с точки зрения достижения постоянства состава сплава по углероду имеет стандартизация сорта графита для патронов, сорт графита влияет на скорость растворения углерода в расплаве.
Помимо обычных опрокидывающихся графитовотрубчатых печей для плавки и литья карбидов вольфрама применяются печи видоизмененной конструкции. На рис. 171 показана схема одной из конструкций опрокидывающейся печи, разработанной в Германии. Ее особенность заключается в том, что литейные графитовые формы размещаются не внутри трубы накала, а вне ее.
На рис. 172 показаны графитовые детали к опрокидывающейся печи в собранном виде. Исходную шихту, состоящую из смеси порошка вольфрама с 3% С. набивают в плавильный тигель 1, располагающийся в центре горячей зоны графитовой трубы накала.
Разборная форма для литья 3 укреплена вне кожуха печи.
Наблюдение за состоянием металла и моментом его расплавления осуществляется через визирное окно 4, расположенное в верхней части плавильного тигля.
После пребывания расплава и жидком состоянии в течение необходимого времени (которое определяется путем пробной плавки и химических анализов), печь наклоняют в сторону формы под углом в 45 или более градусов и жидкий сплав выливается из тигля 1 через промежуточную графитовую трубку 2 в форму 3.
Как как форма разборная, то она может служить для нескольких десятков отливок.
При использовании печи подобного типа через трубу накала рекомендуется пропускать водород, который увеличивает стойкость графитовой трубы.
Предлагаются конструкции, предусматривающие расплавление шихты в опрокидывающейся печи и выливание расплава в момент опрокидывания во вращающиеся формы находящиеся вне печи и укрепленные на том же опрокидывающемся каркасе, что и печь.
Существуют также варианты конструкции печи с вертикальным расположением плавильного цилиндрического тигля, обогреваемого либо непосредственным пропусканием через него электрического тока большой силы (в несколько тысяч ампер при низком напряжении) либо путем обогрева плавильного тигля при помощи индукционного тока (рис. 173).
Как видно из рисунка, графитовые формы расположены непосредственно под тиглем, откуда расплав вытекает через донное отверстие
При вертикальном расположении тигля для осуществления центробежного литья можно выливать струю расплава и во вращающийся графитовые формы, что повышает плотность отливок.
В качестве исходной шихты в производстве литых карбидов вместо смеси вольфрама с углеродом можно применять смесь порошкообразного карбида вольфрама с вольфрамом, измельченные литейные отходы и брак по форме производства литых карбидов вольфрама, отходы производства изделий из чистого вольфрама и т. п
Для повышения жидкотекучести сплава и измельчения его зерна в исходною шихту иногдa добавляют около 5% танталониобиевого карбида или частично эти же элементы вводят в форме их окислов.
Литые карбиды вольфрама выпускаются большей частью в форме полуцилиндрических изделий размерами около 3—6х20—30 мм или в форме дробленой крошки с зернами различных размеров (в зависимости от назначения). Крупка большей частью используется для засыпки в стальные трубочки, применяемые для наплавки износоустойчивых слоев.