» » Быстрозакаленные порошки твердых сплавов
15.01.2016

Преимущества быстрозакаленных микрослитков-гранул активно используются в промышленном масштабе при изготовлении инструмента из твердых сплавов.
В свое время на смену инструментальным и быстрорежущим сталям пришли твердые сплавы, которые оказывают большое влияние на развитие металлообрабатывающих отраслей промышленности. Твердые сплавы по своим эксплуатационным свойствам и несколько раз превосходят быстрорежущую сталь, затраты при эксплуатации твердосплавных резцов обычно в 4—6 раз ниже, чем при работе с резцами из быстрорежущей стали.
Применение твердых сплавов способствует существенному повышению служебных характеристик инструмента и производительности труда при механической обработке деталей.
Однако из-за более высокой стоимости твердосплавного инструмента его применяют в основном при обработке труднообрабатываемых материалов, а также при условии достижения большого экономического эффекта.
Твердые сплавы представляют собой композиционные материалы особого класса, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, которые сохраняются при сравнительно высоких температурах (600—800 °С). Кратко можно определить их как композиции, состоящие из тугоплавкого соединения, как правило карбида, и сравнительно «легкоплавкого» связующего металла.
Современные твердые сплавы (ТС) получают из карбидов тугоплавких металлов (> 50 % по объему) и металлов железной группы спеканием в присутствии жидкой фазы. Основой спеченных твердых сплавов в общем случае являются тугоплавкие и твердые металлические соединения (карбиды, бориды, нитриды, силициды).
Главные направления развития твердых сплавов: совершенствование технологии получения; повышение свойств карбидной основы и связующей фазы; получение сплавов с регулируемой зернистостью; разработка безвольфрамовых (БВТС) и маловольфрамовых твердых сплавов (МВТС).
Многообразие марок твердых сплавов объясняется в первую очередь разнообразием областей применения. Для обработки сталей предпочтительны сплавы титановольфрамовой группы (ТК), а обработки чугуна — вольфрамовой группы (ВК). С появлением большого количества сталей и чугунов разработаны различные спецмарки. Стойкость инструмента из твердых сплавов зависит от обрабатываемого материала, режима резания, геометрии резца, способа крепления (пайка, механическое крепление) и т. п. Для твердых сплавов допустимы режимы резания с нагревом инструмента до 700—800 °С.
Твердый сплав требует качественной обработки: заточка осуществляется по 7—8-му классу точности без пережога и трещин с алмазной доводкой для снятия дефектного слоя. При соблюдении этих условий применение твердого сплава оказывается эффективным.
Фазы внедрения типа карбидов, боридов, нитридов, силицидов содержат до 50—60 % неметаллических атомов, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Карбиды металлов IV— VIa подгрупп периодической системы имеют высокие температуры плавления, твердость, модуль Юнга и низкие коэффициенты термического расширения. Они характеризуются повышенной хрупкостью и низкой пластичностью.
Получение литых карбидов сопровождается образованием пористости, поэтому была разработана технология порошковой металлургии, ставшая уже традиционной, с использованием метода механического измельчения слитка в тонкий порошок, прессования и спекания при нагреве компактируемых заготовок почти до температуры плавления.
Решающий шаг в развитии спеченных твердых сплавов был сделан при выборе монокарбида вольфрама в качестве основы и порошка кобальта в качестве связки (94 % WС + 6 % Со). Прессованную смесь нагревали до температуры, несколько превышающей температуру появления жидкой фазы эвтектического состава (WС+Со). Инструмент позволил увеличить скорость резания в 10— 20 раз (в зависимости от обрабатываемого материала).
Отечественный твердый сплав победит, содержащий 90 % монокарбида вольфрама и 10 % кобальта, предназначался для изготовления твердосплавных пластин резцов, волок для протяжки проволоки, вставок и буровых коронок для разведочного бурения горных пород, бурения нефтяных и газовых скважин.
Дальнейшее развитие отечественной твердосплавной промышленности характеризуется усилиями по полной или частичной замене дорогостоящего карбида вольфрама карбидами титана, тантала и молибдена, а также замене кобальта другой связкой — никелем, никелем с хромом, кобальтом с молибденом или многокомпонентными железными сплавами.
Основным представителем наплавленных материалов, которые существенно увеличивают твердость и износостойкость, повышают свойства материала за счет образования мелкозернистой структуры, является рэлит — самый износостойкий материал на основе литого карбида вольфрама, иногда с добавками тантала и молибдена.
Переход от использования рэлита, получаемого дроблением слитка, к сферическим, быстрозакаленным гранулам, полученным распылением слитка — электрода карбида вольфрама, рассматривается как перспективный промышленный метод.
Сферический рэлит — принципиально новый материал, его применение в качестве наплавки позволяет повысить стойкость ответственных деталей и сократить расход дефицитного и дорогостоящего сырья. Покрытие поверхностей деталей сферическим рэлитом осуществляется разными способами: плазменно-порошковой и аргонно-дуговой наплавкой, печной пайкой и др. Для зашиты гранул от перегрева, окисления и растворения на них можно нанести барьерные металлические покрытия.
Наплавка сферического рэлита особенно эффективна для упрочнения бурового инструмента: долот, замков бурильных труб, зубьев роторных комплексов, деталей оборудования для измельчения породе высокой крепостью. Наваренный на буровое долото каждый микрослиток рэлита играет роль режущего инструмента, получается как бы многолезвийный инструмент, что существенно повышает производительность. Высокие механические свойства порошка распыленного рэлита после электродуговой композитной наплавки его на поверхность буровых долот и соединительных втулок буровых труб обеспечивают увеличение стойкости этих изделий в 1,5—2 раза.
Для получения быстрозакаленных порошков — микрослитков литого карбида вольфрама сферической формы (сферического рэлита) применяют метод центробежного распылення вращающегося электрода.
Процесс осуществляется следующим образом. В заполненной аргоном камере с частотой до 1500 мин-1 вращается слиток-электрод из предварительно отлитого карбида вольфрама (рэлита). Торец слитка-электрода оплавляется электрической дугой, расплав под действием центробежных сил распыляется в виде дисперсных капель и кристаллизуется в полете. В нижней части камеры расположены сборники распыляемых микрослитков-гранул, диаметр которых определяется частотой вращения электрода.
Основные структурные составляющие сферического рэлита — карбиды вольфрама W2С, WС и эвтектика W2С—WС.
Структура микрослитков-гранул сферического рэлита характеризуется наличием высокодисперсной эвтектики W2С—WС, высокой плотностью и практическим отсутствием дефектов (пор, скрытых трещин, неоднородности структуры и состава), свойственных дробленому рэлиту, полученному механическим измельчением слитка.
Переход от рэлита, изготовленного дроблением слитка, к сферическим, быстрозакаленным гранулам обеспечивает формирование в каждой грануле монолитной мелкозернистой структуры, повышение твердости до 2,8—3,0 ГПа, повышение прочности частиц на сжатие в 3—4 раза и хорошую сыпучесть порошка. Среднее значение разрушающей нагрузки для сферических и дробленых частиц рэлита соответственно 202 и 82 Н.
Степень неоднородности свойств порошков характеризуется коэффициентом вариации: чем он выше, тем менее однороден по своей прочности порошок. Коэффициент вариации разрушающей нагрузки сферического рэлита 32,5 %, дробленого — 52 %.
Процесс кристаллизации сферических гранул при распылении расплава происходит в полете с большими скоростями охлаждения, что приводит к высокому уровню внутренних напряжений, которые легко снимаются последующим отжигом. После отжига (1200 °С) среднее значение разрушающей нагрузки возрастает с 202 до 240 Н. Коэффициент вариации при этом уменьшается с 32,5 до 20,6 %.
Преимущества сферического рэлита особенно проявляются при испытаниях с приложением многократной ударной нагрузки: дробленый рэлит разрушается после 30—60 ударных циклов, а сферический — после 200—400.
Твердые сплавы в зависимости от дисперсности карбидной фазы подразделяются на субмикронные с размером зерна карбида вольфрама 0,5—1,0 мкм; ультратонкие — 0,2—0,5 мкм и нанофазные — менее 0,2 мкм.
Субмикронные и ультратонкие твердые сплавы получаются при традиционном жидкофазном спекании, а нанофазные — при специальных условиях уплотнения: плазменном активированном спекании, энергетическом прессовании и др.
В России к этому классу сплавов относятся твердые сплавы мелкозернистые (ВКЗМ, ВК6М, ВК10М), особомелкозернистые марки ВК60М, ВК100М, ВК10ХОМ, ВК15ХОМ ( табл. 11.2).
Быстрозакаленные порошки твердых сплавов

Большинство выпускаемых марок содержат легирующие добавки (+), препятствующие росту зерна основной карбидной фазы в процессе спекания (карбиды хрома или ванадия — марки ХОМ, ОМ, К314, С91А, С88А; карбид тантала или ниобия — ОМ, К10). Сплавы характеризуются сочетанием высокой твердости и относительно высокой прочности.
В меньшем объеме выпускают вольфрамокобальтовые твердые сплавы с ультратонкой и нанокристаллической структурой, для получения которых используют исходные нанопорошки. Однако в результате роста зерна в процессе спекания получают сплав ультрадисперсного или субмикронного классов.