Реферат на тему:
ТВЕРДІ МАТЕРІАЛИ ТА ЇХ З'ЄДНАННЯ
Введення
Виняткова твердість твердих матеріалів - відображення сильних сил зв'язку між вузлами атомної решітки. Це - причина, чому ця група матеріалів зазвичай має високу температуру плавлення, малі коефіцієнти теплового розширення і високий модуль пружності [1 до 3]. Завдяки цій комбінації властивостей, тверді матеріали головним чином використовуються як зносостійкі матеріали і високо жаростійкі матеріали. Зона застосування розташовується від пов'язаних і непов'язаних порошків (шліфувальний склад) через спекаемом тверді матеріали до спекаемом сполукам зі зв'язкою. Функція сполучною фази, використаної в цій останній групі, повинна головним чином поліпшити спікання і механічні властивості, і знижувати крихкість. Крихкість - характеристика всіх твердих матеріалів; вона має значний вплив огранічающее їх зону застосування. Малюнок 17-1 дає короткий огляд міцності і твердостних властивостей комерційно важливих твердих матеріалів.
1 Короткий огляд і характеристики твердих матеріалів
Тверді матеріали можуть бути розділені в дві групи:
Сполуки перехідних металів періодичної таблиці груп з IV до VIII з елементами B, N, C, Si або можливо P і С, і їх моноокиси названі "металевими твердими матеріалами".
З'єднання елементів B, C, N, Si один з одним і деякі оксиди типу Al2O3, ZrO2 або ThO2 класифікується під терміном "неметалічні тверді матеріали". "Надтверді" матеріали алмаз і нітрид бору - також частина цієї групи.
1.1 Металеві тверді матеріали
Група твердих металевих матеріалів має хорошу електро-і теплопровідність, також як позитивний температурний коефіцієнт (який є характеристикою для металів). Наявні фази головним чином однорідні за кордоном розташування. Тому, це має сенс розглядати цю групу на основі інтерметалічних фаз. Поки ставлення атомного радіусу неметалевих і металевих компонентів - у межах амплітуди 0.41 <rx / rMe <0.59 (як дано згідно з правилом Хаггі), ця форма фтомная структура типу NaCl. У них, атоми металлоид займають восьмигранні отвори в гранецентричній кубічної решітці металевих атомів: справа йде так для більшості карбідів і нітридів металів груп IVа і Va; зона гомогенності дуже широка, наприклад до TiC0, 5 для карбіду титану. У стехіометричні чистих з'єднаннях, неметалеві атоми порожнечі залишаються вільними. Це - вражаюче явище (верхній фазовий межа для карбіду титану, наприклад, є TiC0, 98).
Карбід вольфраму - важливий базис для твердих сплавів. Кристалічна структура гексагонально; його модуль пружності дуже високий (таблиця 17-1). Його співвідношення до кубічних твердим матеріалами ілюстровано фактом, що WC був сформований з кубічної форми WC1-х при високому тиску і високій температурі (вище 25300 C [21]). Кубічні карбіди можуть приймати значні кількості WC, формуючи кубічний твердий розчин; TiC, наприклад, може приймати те ж саме кількість WC в 14000 C (рис. 17-8).
Ізоморфні кубічні тверді матеріали головним чином формують повний діапазон твердих розчинів один з одним. Присутність будь-яких областей смешиваемости призводить до збільшення твердості. Залежність між твердістю і концентрацією цих твердих розчинів - крива (рис. 17-2).
Компоненти від металевих твердих матеріалів можуть бути проведені, спіканням або гарячим пресуванням. Через їх властивої крихкості деякі з цих матеріалів використовуються без сполучних фаз. Силицид молібдену використовується як високотемпературний провідник тепла, тому що він чинить опір окисленню до 17000 C (секція 6.1.2). Гексаборид лантану - корисний катодний матеріал, тому що в 2.5 e В, він має низьку енергію виходу електрона (рівний до значенням у торійованого вольфраму). Алюмінієві випарники, що нагріваються постійним струмом, зроблені з борида титану або цирконію. Спекаемом з'єднання, засновані на металевих твердих матеріалах комерційно дуже важливі (секція 2).
1.2 Неметалічні тверді матеріали
У неметалічних твердих матеріалах, існують зв'язки, які ранжирують від суто ковалентного зв'язку (алмаз), через ковалентний зв'язок з частиною іонного зв'язку, до виключно іонного зв'язку (Al2O3) (рис. 17-3). Металева зв'язок, визначні пам'ятки, відсутня. Таким чином, ці матеріали не показують високу провідність металів. Деякі з цих твердих матеріалів (SiC) мають напівпровідникові властивості (негативний коефіцієнт питомої питомої електричного опору). Ці властивості можуть бути відтворені в алмазах, добовлением елементів груп III і V. Залишковий член від неметалічних твердих матеріалів - ізолятор. Таблиця 17-2 підводить підсумок властивостей важливих неметалічних твердих матеріалів. Повинно бути зазначено, що твердість цих матеріалів у ообщем зменшується більш повільно із збільшенням температури, ніж така металевих твердих матеріалів, особливо у випадку кубічних твердих матеріалів (рис. 17-4).
Кристалічні структури неметалічних твердих матеріалів дуже різні. Тільки тверді матеріали, зроблені від елементів групи IVb мають впорядковану кристалічну структуру. Для першого важливого елементу цієї групи, вуглецю, збільшення тиску перетворює зазвичай стійке шарувату будову графіту в алмазне будову з тетрагональним розташуванням атомів (координаційне число K = 4). Подальше збільшення тиску веде до збільшення цього числа; число металевих зв'язків збільшується. Для елементів послідовних періодів, перехід до будівель з більш високим координаційним числом відбувається при більш низькому тиску. Для SiC, наприклад, тетрагональної, подібне алмазу розташування атомів (K = 4) стійкий навіть в атмосферному тиску, і різна послідовність чотиригранник веде до ряду кристалографічних форм (кубічна, гексагональна, ромбічна). Кремній і послідовні елементи (Ge, Sn) більше не розглядається як тверді матеріали. Вони кристалізуються з більш високою координацією, і тому мають збільшується металевий характер, також як більш низьку твердість.
Розробка притискних технологій надвисокого тиску і генерації діаграм стану тиск-температура були обидва важливі попередні умови для більш широкого використання надтвердих спекаемом матеріалв. Нітрид бору (BN), який не зустрічатися у вигляді самородка, є результатом цих розробок; як межелектронное з'єднання, він дуже подібний до вуглецю. Від графітового будови, під тиском атоми формують чотиригранник і потім гексагональну решітку (будова вюртцита). Далі збільшення тиску веде до простої кубічної комірці (типу цинк). Дві надтверді фази (Вюртц і типу цинк) більш докладно расмотренного в секції 2.6.4, як - "синтетичні алмази". У порівнянні з алмазом, BN має більший опір окисленню і більш високу термодинамічну стабільності щодо чорних металів; це означає що, він більш відповідає для механічної обробки цих Матеріал, ніж алмаз (секція 3). Комерційно важливі спекаемом матеріали, зроблені з неметалічних твердих матеріалів (кераміка) тут не описуються, з тих пір вже є всебічно видана інформація в цій області.
2 Тверді сплави
Тверді сплави - з'єднання металевих твердих матеріалів пов'язаних металом [4 до 6]. Ця група, часто розглядається як віднесена до спекаемом сполукам карбідів (і нітридів) і чорні метали. Іноді, використовуються інші класифікації. Справа йде так особливо при розрізненні їх від кермети і з'єднань з надтвердими матеріалами.
Основні типи твердих сплавів, які є до цих пір переважаючими - тверді сплави WC-Cо, переважно використані для роботи з матеріалами, які формують коротку верстатна стружка (сірий чавун), і тверді сплави засновані на WC - TiC - Co і WC - TiC - TaC - Co для роботи з матеріалами, які дають довгу верстатну стружку (сталі). У декількох випадках, характеристика твердих сплавів може бути поліпшена значно, покриттям (секція 2.5) [6] до [8]. Тверді сплави з TiC, TiN або Ti (C, N) використовуються у випадках, де потрібні високі швидкості різання [9] до [12]. Вони зазвичай згадуються як "кермети". Щоб виконувати спеціальні вимоги, наприклад висока корозійностійкі, також використовуються інші тверді матеріали і зв'язки (секція 2.6).
Комерційно наявні тверді сплави для ріжучих інструментів зазвичай класифікується застосуванням відповідно до стандарту 513 DIN - ISO. Це категоризує застосування в три головні групи, які потім поділяються умовами механічної обробки. Ця область від чистого механічної обробки з високою швидкістю різання до механічної обробки в низькій швидкості різання і в несприятливих умовах, типу великої глибини пропилу та ступеневої різання.
2.1 Формування будови твердих сплавів
Карбід вольфраму, WC, не може бути розплавлений, якщо він спочатку не був розкладений. (Так зване литі тверді сплави - евтектика, яка була розплавлена при 27000 C; це - WC - W 2 C і використовується як вузол у зварювальних сплавах для запобігання проти зносу.). З цієї причини, твердий сплав зроблений, ченням суміші WC і Co, зазвичай в області між 1350 і 15000 C. Навіть протягом нагрівання (від о 7000 C), до 80% від заданого ущільнення, досягнуто спікливе твердою фазою [13]. У той же самий час, кобальт розсіює WC так, щоб він був присутній протягом ізотермічного спікання у формі рідкої фази, насичує з WC (рис. 17-5); ця фаза дозволяє повне ущільнення спекаемой частини.
Після спікання, залишкова пористість повинна бути нижче 1%, і будова повинна мати відповідне ставлення твердості до згинається характеристиці опору розриву твердого сплаву (рис. 17-1). Щоб досягати цього система твердий сплав - зв'язка повинна виконати деякі вимоги; у випадку системи WC-Cо ці вимоги виконані чудово: розплавлена зв'язка зволожує тверду матеріальну фазу повністю і тече між що збираються матеріальними точками фази. У той час як тверда фаза дійсно не демонструє розчинність для металу-зв'язки, метал-зв'язка має розчинність для твердого матеріалу, який є залежним від температури (рис. 17-5). Протягом спікання твердих матеріальних, фаза розчиняється розплавленим металом-зв'язкою і повторно осідає. Щоб мінімізувати міжфазну енергію, яка проводить до правильно побудованим WC-кристалам (рис. 17-6). Розплавлювання менших і зростання великих кристалів (дозрівання Оствальда) - причина зростання зерна протягом спікання; домішки з чужорідними атомами навіть у малих концентраціях (ppm) протидіють зростанню зерен зерна [14].
Протягом затвердіння рідкої фази (протягом охолодження від температури спікання), більшість розчиненого WC крісталізуется тому на твердих частках. Оскільки розчинність металу-зв'язки зменшується, далі WC осаджується, поки дифузія не буде зупинена. Частку твердого матеріалу, яка до цих пір є розчиненої, стабілізує кубічна фаза кобальту при кімнатній температурі (інакше перетворення в гексагональну фазу в 4170 C) і визначати механічні властивості зв'язки. Завдяки різним коефіцієнтам розширення, фаза кобальту, поміщена в напругу, в той час як WC фази, підпорядкованих стискуючого зусилля. Це затримує розрив тендітної карбідної фази протягом механічного навантаження.
Процес, який був описаний, приймає двофазну область твердого матеріалу і металу-зв'язки (рис. 17-7). У системі W - C - Co, Стехіометрична зона для цієї області обмежена 6.08 до 6.20 мас .-% C в WC (стехіометричний склад 6.13 мас .-% C в WC). Інакше, тендітна троїчна система числення η фаза (W3Co3C) або вільний вуглець осаджується, обидва з яких зменшують міцність на вигин.
При спіканні твердих сплавів системи TiC - WC - Co, TiC розчиняє карбід вольфраму до рівня насичення (рис. 17-8). З цієї причини, три фази з'являються в будові комерційно доступних твердих сплавів, вони - кубічна змішана карбідна фаза (W, Ti) C, гексагональний WC і кобальту, що зв'язка. Цей останній насичується з співвідношеннями твердих матеріалів (рис. 17-9). Якщо TaC також доданий до сплаву, він входить до змішане формування фази карбіду (W, Ti, Ta) C і в той же самий час звуження частки (W, Ti, Ta) C твердого розчину (рис. 17-8).
Тверді сплави засновані на TiC - Ni з Mo2C додатками мають різну будову. Протягом спікання, оболонки, зроблені кубічних (Ti, Мо) C1-х твердих розчинів формується навколо магістрального зерна TiC; на відміну від чистого TiC, вони добре зволожуються свзкой нікелю (рис. 17-9). Поки, борид не використовувалися в твердих сплавах, для збільшення твердості, тому що тендітні потрійні фази формують протягом виробництва, через вплив зв'язки. Цих фаз можна уникати, додаючи титан до TiB2 (Fe, Cr, Ni) твердим сплавів [15].
2. 2 Механічні властивості твердих сплавів
Модуль пружності твердих сплавів (WC-Cо) - індикація лінійного поведінки цих матеріалів. Це головним чином визначено величинами і фаз твердого сплаву та їх об'ємними компонентами fWC і fCo; яке залежить тільки від обмеженою ступеня поширення фаз (структур). Міцність, поведінка розломив, і твердість, з іншого боку, вплинуть значною мірою від геометричного розміщення елементів структури.
Стуруктура твердого сплаву WC - Co може бути охарактірізована середнім лінійним розміром зерна l WC і середньої товщиною інтерметалічних шарів кобальту pCo; це також називається довжиною вільного пробігу або середнім відстанню (секція 7.3.4). Стосується наступні рівність:
(1)
Структурні величини і в'язкість руйнування K1С твердих сплавів WC-Cо (в межах від 7 до 20 MPa * m1 / 2) та енергія області розриву G1С, пов'язані наступним виразом:
(2)
Ця величина була виведена емпірично. Беручи до уваги [11], у висновку можна побачити, що збільшення енергії області розриву, оскільки співвідношення обсягу зв'язки і WC, розмір зерна збільшується. Це має сенс, тому що на енергію зсуву вплинуть значно робота пласічності, в зв'язки. Твердість залежить від того ж самого параметра P2Со / 1 WC і виходить зворотна залежність [16].
(3)
Це означає, це в будь-якій даній складовою твердості системи та в'язкості руйнування може тільки бути оптимізовано за рахунок один одного (рис. 17-10).
Згинаються опір розриву твердих сплавів пов'язане з процесом зародження тріщин і розповсюдження. Відповідно до [17], це слід вираз:
(4)
де матеріал постійний m. - Параметр Вейбула (секція 7.3), (LWC) - зернистість - залежний межа міцності WC і g (fwc) описує локальне збільшення в напружень в зерні WC. Градус скелетного формування (суміжність) c, твердої матеріальної фази (секція 7.3.4) може бути грубо отримана, якщо ρ Co <p * Co і fwc> fCo то
(5)
У ідентичною зернистості WC, крім в дуже високому вмісті кобальту (горизонтальні лінії константи WC зернистість lWC на малюнку 17-11), згинається опір розриву збільшується з збільшується вмістом кобальту. J. Gurland показав, що деяка зернистість lwc, існує для кожного вмісту металу- зв'язки, в яких згинаються опір розриву, досягає максимуму. Критична величина p * товщини шару металу-зв'язки - p * Co + 0.4 μ m для кобальту (лінії постійного вмісту кобальту fCo нижче 45 ° на малюнку 17-11). У "пластичної зоні" (pCo> p * Co), що згинаються опір розриву збільшується зі збільшенням дисперсії фази WC. Це може бути завдяки обом дисперсійне твердіння металу-зв'язки чи до збільшення в силі WC зерна з зменшується зернистістю lwc. (P 2 Co / lwc) зменшується (див. рівняння (1) і (2)) і твердість збільшується, однак, зменшується в'язкість руйнування твердого сплаву. Якщо, нарешті, нижня межа критичної товщини шару p * Co досягнуто (бо WC зернистість стала меншою), тонкі шари металу-зв'язки більше не можуть стабілізувати тріщину пластичною деформацією (область крихкого руйнування).
Співвідношення меж зерна WC - WC на повній поверхні WC фаз називається суміжність c. Це швидко стало головними слабкими точками на зародженні тріщин; так як це збільшення, зменшує опору розриву на вигин. Це означає, це в області крихкого руйнування, опір розриву на вигин і в'язкість руйнування змінюється подібні тим же чином. Тільки, коли ці попередні умови виконані, то згинається опір розриву може бути названо "в'язкістю", як і часто названо у виданій літературної та комерційній практиці.
Додаткові фактори (дефекти) типу пір, вкладень, борозенок, і неоднорідного поширення структурних компонентів, також впливають на міцність твердих сплавів і викликають широкі варіації у властивостях. Вплив цих факторів особливо, поведінка втоми, протягом динамічного навантаження (секція 7.3). Зниження числа циклів напруги, щоб роздрібнити N, пов'язане зі зміною в статичному опорі розриву згину наступним співвідношенням:
(6)
Тверді сплави мають невигідну величину , Завдяки високим співвідношенням тендітних фракцій протягом розповсюдження втомної тріщини.
Залежності, обговорені вище, застосовні до кімнатної температури і можуть навіть повністю змінюватися зі збільшенням температури. Наприклад, в температурах> 8000 C, найкраще зерно твердого сплаву WC має більш низьку ползучепрочность ніж твердий сплав з грубим зерном WC (рис. 17-11). Це - не дивлячись на їх високу твердостьпрі кімнатній температурі. Вищезгаданий співвідношень не можуть застосовуватися беззастережно, якщо виникають додаткові або нові фази, що має місце з твердими сплавами TiC (TaC) - WC-Co. Додаючи TiC, твердість збільшена за рахунок згинального опору розриву, завдяки до пов'язаного зміцнення твердого розчину. Це іноді також збільшує теплопрочность стрижневої суміші WC - TiC (TaC), твердий розчин у порівнянні з WC і перш за все з TiC (рис. 17-12 і 17-4). Це особливо доречно в більш високотемпературних режимах різання, зроблених протягом обробки матеріалів, що виробляють довгою верстатної стружці. Це доповнено змінами в терті і дифузії між твердим сплавом і матеріалом, для обробки на верстаті. Поповнення TaC також відщеплювати "формування ребра тріщини" на ріжучій кромці твердого сплаву, це відбувається завдяки повтореним температурних змін, особливо протягом фрезерування.
Тверді сплави, які головним чином використовуються для більш високих швидкостей різання (засновані на TiC, TiN, TiCN або (Ti, Мо) (C, N) як тверді матеріали) має більш низьку теплопрочность стрижневої суміші і ползучепрочность, ніж еквівалент основаних на WC твердих сплавах [11], але показує що наведений знос протягом механічної обробки, з-за їх збільшеною хімічної стійкості проти сталі [18], і подібний покритому твердому сплаву (секція 2.5).
2.3 Виробництво твердих сплавів
Наступна секція описує кроки процесу виробництва комерційно загальних твердих сплавів заснованого на WC-Cо і TiC-TaC - WC-Co. Є численні відмінності в деталях: залежно від досвіду виробника і складності його обладнання; іноді, різні виробники змінюються по їхніх думок про придатність на одному або іншому варіанті. Процеси, описані тут, застосовуються, як правило, також для виробництва інших типів твердих сплавів (секція 2.6).
Карбід вольфраму зроблений цементацією порошку W (секція 2.6.3) після змішування з вуглецем під воднем в температурах 1400 до 18000 C (до 20000 C для дуже грубих карбідів). Крупність частинок і їх поширення в продукті реакції - значно під впливом умов експлуатації (чистота водню, температура). Вигідно використовувати порошок W з еквівалентом крупності частинок до бажаного WC розміром, так як при розмолу часто робить нерегулярні структури, якщо зернистість твердого сплаву управляється таким чином. Зміст вуглецю WC повинно залишитися в регіоні 6.00 до 6.20 мас -% (секція 2.1). До теперішнього часу, WO3 і вуглець не були перетворені прямо до WC.
Залишаються карбіди отримані, взаємодіємо металевих оксидів з вуглецем, під вакуумом або воднем; Ti З оброблений в температурах> 20000 C, TaC> 16000 C (секція 2.6.3). Часто, змішаний карбід, Ti С - WC (співвідношення ваги 50:50) зроблений замість Ti С, тому що це може бути досягнуто в температурах реакції, настільки ж низьких як 17500 C. Нітриди вуглецю отримані таким же чином, що і Ti С, але в більш низьких температурах, знижують рівні добавок С і використовують азотної атмосфери.
Змішані тверді сплави складені з індивідуальних карбідів або попередньо утворених змішаних карбідів, порошку кобальту з очищеними зернами, і пресуючого засоби (гас, полівініловий спирт, поліетиленгліколь), який буде вимагатися пізніше. Підстава з'єднання - органічна рідина (етиловий спирт або ацетон, якщо це згодом висушене розпиленням). Подрібнення відбувається в істірателе, молоткової млині, або обертальної кульової млині. Мета цього процесу полягає в тому, щоб розподілити кобальт настільки рівномірно наскільки можливо по матеріальних точок карбіду. Якщо поширення нерівномірно, це не може бути повністю реверсувати протягом спікання, хоча кобальт може вступати в простору між частинками карбіду. Дроблення твердого матеріалу важливо в подрібненні, щоб розбити будь-який агломерат, який відбувається протягом синтезу. Після того, як це, суміш, яка дробиться як рідкий розчин в рідині подрібнення, висушена в розпилювальної сушарці, використовуючи інертний газ (секція 3.5). Це призводить до грануляції з вторинною крупністю частинок 0.06 до 0.3 мм, яка звільняє перебіг і може з готовністю бути ущільнений.
Залежачи до деякої міри від розміру і форми, вказані вкладиші інструменту для повороту, і інші компоненти запресовуються автоматичними пресами (секція 5.2.1) в матрицях на тисках від 200 до 400 MPa. Проект матриці бере до уваги стиснення протягом спікання (від 15 до 20% лінійно); цим процесом можливо зробити від 20 до 60 прессовок в хвилину (прямим формуванням). Автоматичне управління технологічним процесом дозволяє сучасним пресів керувати поведінкою преса так, щоб щільність, а отже і стиснення залишаються постійним. Процес спікання починається з переміщенням пресуючого засоби (депарафінізації), використовуючи водень або вакуум, збільшуючи температуру до 6000 C. Після того, як остаточно відбувається спікання при 1350 до 15000 C (в залежності від композиції твердого сплаву), зазвичай під вакуумом, але також і використанням водню.
Пресування твердих сплавів звичайно спекаются в вакуумних печах періодичної дії, що тримають від 500 до 1000 кг матеріалу. Робочі умови цього типу печі можуть бути з готовністю встановлені на тип твердого сплаву, який потрібно спекти.
Запас спечених металокерамічних виробів вводиться в димових трубах графітових вставок або ящиках (щоб максимізувати використання простору в межах печі). Зміст вуглецю цих стиків та ізоляції печі гарантує, що газ у печі не обезуглероживающей твердий сплав. У сучасних печах з об'єднаним пристроєм депарафінізації, температура і час також як і газова атмосфера, визначена для відповідного кроку, встановлені автоматично. Безперервні конвеєрні печі з вентильної системою між зовнішнім повітрям, депарафінізірованая камера, і площа спікання можуть використовуватися для великого серійного виробництва одного матеріалу. Великі частини або пресування, що містять великі кількості мастильного матеріалу (наприклад штампувало в гарячому вигляді перепони, секції 5.3.3) виробляються у спеціальних печах депарафінізації з відповідними довгими часом виробничого циклу.
"Непряме формування" використовується, щоб справити пресування, які не можуть бути ущільнені в їх кінцеву форму. Цей процес починається від спресованої заготовки. Після вилучення пресуючого пристрою в температурах до 6000 C або після попереднього спікання в - до 10000 C, заготовка повинна мати достатню силу для передачі їй її остаточної форми обертанням, помелом, або свердлінням. Оброблена на верстаті пресовка тоді остаточно спеченная. Дуже великі пресування пресуються холодно - изостатически (секція 5.2.2). У цьому випадку, пресування дуже тверді навіть без використання пресуючих пристроїв, що робить можливим працювати з ними негайно. Раніше гаряче пресування широко використовувалося для виробництва твердих сплавів, з низьким в змістом металу сполучної деталі і з низькою пористістю. Цей процес тепер майже повністю був замінений ГІП (гарячий ізостатичним натиск) (секція 5.3.1). Розробка цього процесу зробила можливим зробити тверді сплави для фасонних різців, піддаватися високої динамічної навантаженні (секція 2.4). Протягом (ізостатичного) спікання під тиском (ГІП-спікання), пресування спочатку спікається під вакуумом. У той час як матеріал тримався в температурі спікання тобто з існуючою рідкою фазою, виконувалося гаряче - ізостатичний пресування. Це відбувається перш, ніж закріплена решітка карбіду формувалася. Через це, більш низький тиск аргону (<10 MPa) задовольняє, щоб досягти адекватного ущільнення [19].
Спечений твердий сплав може тільки бути сформований, використовуючи електроерозійний або надтверді інструменти, також помелом (диски розмелювання з карбіду кремнію або, навіть краще, алмазу). Індіфіціруемие вкладиші - внахлестку на верхніх і нижніх поверхнях, що використовують карбід бору і залежно від вимог допуску, підстава на колі (розмел контуру). На частинах, які схильні до динамічного навантаження, істотно перемістити зовнішній шар помелом. Це особливо важливо на частинах, які обробили ГІП-му. Це тому що поверхні цих частин містять велику співвідношення дефектів, що може ініціювати руйнування. Вони створені випаровуванням або реакціями з газовою атмосферою (домішки в захисному газі).
Міцність на вигин і твердість твердих сплавів перевірені згідно з процедурами, описаними в розділі 7. З-за її низької величини (<1%), пористість визначена проти узгоджених стандартів на секціях з поперечним напрямком. Магнітні вимірювання використовуються на що містить кобальт твердих сплавів для більш швидкої та оцінки без руйнування спеченого продукту. Вимірювання коерцитивності використовується, щоб визначити товщину шарів кобальту P З між твердими частинками матеріалу. Якщо композиція відома, то можливо використовувати це буде свідчення, щоб обчислити середню крупність часток твердої матеріальної фази 1WC. Магнітне насичення пропорційно до кількості фази металу сполучної деталі. Якщо величина падає нижче математичного очікування, це вказує на присутність небажаної ламкою фази W3Co3C (секція 2.1); яка є немагнітної.
2.4 Застосування непокритих твердих сплавів
Раннє, твердосплавні кінці, використані як ріжучі інструменти, завжди паялісь на сталеві несучі елементи. Мідні припої зазвичай використовувалися, разом з містять нікель реакційними припоями, які мали кращу температурне опір. В даний час, вкладиші з твердих сплавів головним чином використовуються у формі індексованих вкладишів, встановлених механічно на різцетримач (рис. 17-13). Виняток до цього - малогабаритні вкладиші, наприклад кінці для дрилів або бурів - розширювачів. Завдяки їхньої симетричної формі (коло, трикутна, квадратний, ромбічний і т.д.), тільки ріжуча кромка зазнала невдачі, вкладиші можуть бути повернені на 180 так, щоб вони могли використовуватися, поки всі грані не були зношені. Немає потреби на відновлення різцетримача, користувача виграє від наявності короткого часу зміни інструмента; також можливо замінити вкладиші автоматично від магазину в резцедержателе. Інша перевага використання індексованих вкладишів - відсутність будь-яких напружень споювання, які завжди впливають стійкість інструменту негативно. Залежно від класу допуску, виробники гарантують варіації розміру вкладиша нижче від 0.13 до 0.013 мм.
Ріжуча поверхня вкладиша має складний рельєф. Це оптимізовано моделюванням комп'ютера, і служить, щоб оптимізувати обробку на верстаті і уламку чіпа протягом різання. Це також збільшує проізврдітельность і термін служби інструменту. Немає необхідності виконувати послідовний розмел.
Основна група твердих сплавів, використана для обробки матеріалів з коротким чіпом (основна група застосування, K) - прямі тверді сплави WC-Со з вмістом кобальту від 3 до 11 ваги -% (таблиці 17-3). Крупність частинок фази WC - 0.5 до 5мкм. Дрібнозернисті типи (середня крупність частинок <приблизно 1 мкм) головним чином використовуються для високоякісної обробки на верстаті. Малі додавання інших карбідів (TaC, VC) прагнуть забороняти перекристаллизацию фази WC протягом спікання (подрібнення зерна). Мікро-зернисті тверді сплави з розміром частинок до 1 мкм, характеризуються навіть більш високу твердість при кімнатної температури. Дуже рівномірний розподіл З фази і усунення дефектів ГІП-му чи способом ГІП-спіканням означає, що висока міцність може також бути досягнута (рис. 17-14). Оскільки ці матеріали мають тільки низьку теплопрочность (секція 2.2), вони можуть використовуватися тільки при низьких швидкостях різання. Завдяки їх високої зносостійкості і міцності, мікро-зернисті тверді сплави, використовуються для обробки на верстаті сплавів А L - S i, для вирівнювання вальців ливарного чавуну [8], обробки деревини, та дрилів для композиційних матеріалів (монтажні плати).
Матеріали з довгим чіпом (основна група застосування P, більшість конструкційних, і відпущених сталей) - оброблені на верстаті з використанням твердих сплавів заснованих на WC-T i CT a CC o (таблиці 17-3). Тантал завжди містить ніобій - елемент Трампа, у розмірах до 30% (віднесений до танталу), а проте, це не має ніякого несприятливого впливу. Тантал може також бути замінений гафнієм без втрати в якості твердого сплаву. Тверді сплави групи P 25 особливо рекомендуються для розмелювання, тому що вони мають більш високий вміст карбіду танталу (секція 2.2).
Головна група М. головним чином призначена для роботи з високолегованої сталі і кольоровими металами, які не можуть легко бути оброблені на верстаті. Крім того, ця група займає положення між K і групами P з-за його більш низького вмісту Т iC. З цієї причини, доречні типи названі універсальним твердими сплавами і відповідають для обробки обох, матеріалів і з довгим і з коротким чіпом. Однак, це перевага досягнута за рахунок виконання. Такі якості названі багатодіапазонні твердими сплавами. Виробники рекомендують їх для використання у двох або більше групах (наприклад. P 10 до P 30) після того, як їх твердість і міцність на вигин була покращена.
Крім них, тверді сплави карбонитрида титану, часто зі складними композиціями системи (Ti, Mo, W) (C, N) - (Ni, C о, Al), утвердилися в області ріжучих матеріалів для високоякісної обробки на верстаті сталей і лиття з високими швидкостями різання [9].
Значне співвідношення вироблених твердих сплавів використовується для додатків без обробки на верстаті. Ці дії часто залучають компоненти з великими розмірами, які використовуються переважно для багатовимірних вкладишів, (обертові циліндри, штампи). У майже всіх цих випадках, WC-Со тверді сплави (таблиці 17-4) використовуються (Спеціальні події обговорені в секції 2.6.).
Де абразивний знос переважає за впливом, сплави нижче - у кобальті, віддамо перевагу (вони були вже згадані для прикладних меж K01 до K 20). Приклади - сопла піскоструминного очищення або кулі розмелювання також як і вирівнювання для заводів, мішалок, або інших механізмів з переміщенням абразивного запасу. Інше велике додаток був штифти автомобільних шин. Вони були розвинені, щоб гарантувати безпечний рух по льоду і снігу, але більше не дозволяються в більшості країн. Подальші додатки включають сідла клапана, герметизатори ковзання, керуючі та направляючі втулки, та вимірювальні прилади. Інша область використання, яка була важлива з початку - штампи для волочіння проводів та валів. Збільшене опір натиску, зносостійкість і дуже низька шорсткість поверхні в апертурі штампа потрібні для тонкого волочіння. Для цього додатка твердих сплавів з більш низьким вмістом металу сполучної деталі (= 2.5 вага-%) і мале зерно карбіду використовується. Для волочіння валів і профілів, однак, більш грубі тверді сплави рекомендовані. Це тому, що вантаж протягом початковій пробивання сили деформації - набагато вище ніж протягом тонкого волочіння.
Пресуючі штампи (секція 5.2.1.1), різці, холодно - кувальні штампи, тепло - кувальні штампи і ковальські інструменти схильні носіння також механічних навантажень (тиск і вплив).
Більш високі витрати матеріалу і обробки вирівнюють використання твердих сплавів, якщо принаймні 10 разів ресурс досягнутий у порівнянні з інструментальними засобами, зробленими з інструментальної сталі (виражений як втрата вагу або кількість одиниць перед заміною інструмента). Ця величина часто перевищується; для холодо - кувальних штампів в гвинтовий промисловості, наприклад, наводиться удосконалення терміну служби від 20:1 до 100:1. Тут, тверді сплави з високою в'язкістю руйнування використовуються з вмістом металу сполучної деталі до 30%, і WC з розміром зерна 10 мкм. Взагалі, при використанні твердих сплавів (навіть "жорсткі" типи), повинен бути прийнятий факт, що, хоча вони мають високі опору тиску (від 3500 до 6200 MПa), вони можуть ламатися передчасно під розтягуючим напругою, завдяки інтенсифікації напруги випадкових дефектів (пори , вкладення). З цієї причини, всі інструментальні засоби, підлеглі до високих навантажень (штампи, волоки) повинні бути скорочені в сталеву підштамповою подушку або спресовані в конічній місцем таким способом, що результуюче попереднє напруження твердого сплаву дає компенсацію за розтягуюче напругу протягом його використання. Це застосовано особливо до високонапірним інструментальним інструментів, використаних на алмазному синтезі. На них використовуються робочі тиск більше ніж 5 ГПa, і попереднє напруження створено східчасто, від зовнішньої сторони в, поруч сталевих кілець.
Тверді сплави - також широко використовуються в свердлінні отвору, для гірничодобувних руд і вугільних шахт, для попередньої роботи обробки та для отримання і гірської породи. Залежно від функції інструменту, наприклад для повороту або перфоратор, різні типи WC-Со доступні; цю ділянку головним чином - між 6 і вагою -% Со і WC з розміром зерен до 10мкм.
Спеціальні програми також залучають використання спеціальних порошків WC з розміром зерна до 20мкм, отриманих при дуже високих температурах синтезу. На них, тверді сплави рекомендується, чий зміст металу сполучної деталі зменшується ближче до поверхні (градуйованих структури). Це для того щоб досягти комбінації заданої міцності серцевини інструменту та високої зносостійкості на поверхні. Крім якості твердих сплавів, геометричну будову індивідуальних вкладишів (іноді більше ніж 100 на 1 ріжучу головку), їх розташування щодо ріжучої головки, і методики споювання, використаної також мають значний вплив на працездатності. Працездатність таких інструментів перевищена лише інструментами, що включають алмази. Спечені полікристалічні алмазні вкладиші все більш і більш використовуються в цьому напрямку (секція 4) ..
Виробництво гаряче - изостатически срессованних компонентів твердих сплавів мало значний вплив на використанні твердих сплавів для динамічного навантаження. Як показує рівняння (6), навіть мале збільшення в згинальних опорі розриву дає значно довший термін служби при циклічному навантаженні. Використання обертових циліндрів твердих сплавів в металевому листі, проводі, і тонкому калібрувальному обертанні, призводить до термінів служби, які перевищують такі нормальних обертових циліндрів відповідно на 1 або 2 порядку величини. Крім того, чудову якість поверхневої полірування обертових циліндрів твердих сплавів перенесено на прокатний матеріал. Це рятує при послідовній обробці. З тих пір коли скорочується монтаж, що заподіяло розтягують напруги в тілі твердого сплаву, роликове кільце (пустотну циліндр з твердого сплаву) або склеюється на сталеву вісь, або замкнено в це за допомогою поперечно закріплених шпильок.
2.5 Покриття твердих сплавів
Покриття означає додаток тонкого шару твердого матеріалу на спечений твердий сплав (рис. 17-15) з метою подальшим поліпшенням зносостійкості [13]. Привілейований процес - осадження термічним розкладанням реактивної газової суміші, зазвичай називається процес Хопфа (хімічне осадження парової фази). Шар Т iC формується в температурах між 900 і 12000 C, відповідно до рівняння реакції
TiCl 4 квітня + CxHy = Т iC + 4 HCl + CmHn (7)
Де CxHy - вуглеводень (Бензол, гептан і т.д.) і CmHn - його продукти реакції; інші проміжні продукти, повинні бути прийняті до уваги при обчисленні змінюється при коливаннях температури рівноваги. Осадження відбувається під умовами, в яких декорбюдірованние області твердого сплаву біля поверхні уникають будь-яку ціну. Це тому, що вони інакше формувалися б фазу (W3Co3C), інтерметаліческій шар, який значно зменшує опір розриву на вигин ..
Покриття відбувається в реакторі, в якому вкладиші лежать на пластинах або відсутні.
Реакційна камера нагріта нагрівається "дзвоном", який розміщено по всьому реактору (гарячий стінний реактор) (рис. 17-16), або внутрішнім (графітовим) нагрівальним елементом (холодно-стінний реактор). Відповідне введення газу або навантаження дозволяє однорідне покриття компонентів твердих сплавів.
Міцність твердих сплавів значно залежно від покриття (рис. 17-17). Під розтягуючим напругою, тріщини від напруги формуються в тонкому ламкою шарі, який є тільки декілька мкм завтовшки; ці тріщини - в прямому вугіллі до поверхні і мають той же самий ефект як і пази. Вони завдають руйнування, взаємодіючи з дефектами в основі твердих сплавів. Товщини шару загального комерційного різця складають зазвичай від 5 до 15 мкм; більш тонкі шари (3 мкм) рекомендуються для фрез. Шари вищезгаданої товщини збільшують термін служби твердих сплавів у два - або в три рази; альтернативно, швидкості різання можуть бути значно збільшені при підтримці того ж самого ресурсу забійника. Дуже вражаюче, що протяжність зносу поперек ріжучої поверхні сповільнюється навіть, коли стружка довго прорвалася через твердий матеріал шар. Плаковані вкладиші використовуються виключно для додатків обробки на верстаті.