Реферат: Твердые материалы и их соединения

Соотношение границ зерна WC-WC на полной поверхности WC фаз называется смежность c. Это быстро стало главными слабыми точками на зарождении трещин;так как это увеличение, уменьшает сопротивления разрыву на изгиб. Это означает, это в области хрупкого разрушения, сопротивление разрыву на изгиб и вязкость разрушения изменяется подобные тем же образом. Только, когда эти предварительные условия выполнены, то изгибающееся сопротивление разрыву может быть названо "вязкостью", как и часто названо в изданной литературной и коммерческой практике.

Дополнительные факторы (дефекты) типа пор, вложений, бороздок, и неоднородного распространения структурных компонентов, также влияют на прочность твердых сплавов и вызывают широкие вариации в свойствах. Влияние этих факторов особенно, поведение усталости, в течение динамической нагрузки (секция 7.3). Понижение числа циклов напряжения, чтобы раздробить N, связано с изменением в статическом сопротивлении разрыву изгиба следующим соотношением:

(6)

Твердые сплавы имеют невыгодную величину , благодаря высоким соотношениям хрупких фракций в течение распространения усталостной трещины.

Зависимости, обсужденные выше, применимы к комнатной температуре и могут даже полностью изменяться с увеличением температуры. Например, в температурах > 8000 C, самое лучшее зерно твердого сплава WC имеет более низкую ползучепрочность чем твердый сплав с грубым зерном WC (рис. 17-11). Это - несмотря на их высокую твердостьпри комнатной температуре. Вышеупомянутый соотношений не могут применяться безоговорочно, если возникают дополнительные или новые фазы , как имеет место с твердыми сплавами TiC (TaC)-WC-Co. Прибавляя TiC, твердость увеличена за счет изгибающегося сопротивления разрыву, благодаря к связанному упрочнению твердого раствора. Это иногда также увеличивает теплопрочность стержневой смеси WC- TiC (TaC), твердый раствор по сравнению с WC и прежде всего с TiC (рис. 17-12 и 17-4). Это особенно уместно в более высокотемпературных режимах резанья, произведенных в течение обработки материалов, производящих длинной станочной стружке. Это дополнено изменениями в трении и диффузии между твердым сплавом и материалом, для обработки на станке. Прибавления TaC также отщеплять "формирование ребра трещины " на режущей кромке твердого сплава, это происходит благодаря повторенным температурным изменениям, особенно в течение фрезерования.

Твердые сплавы, которые главным образом используются для более высоких скоростей резания ( основанные на TiC, TiN, TiCN или (Ti, Мо) (C, N) как твердые материалы) имеет более низкую теплопрочность стержневой смеси и ползучепрочность, чем эквивалент основаных на WC твердых сплавах [11], но показывает что приведенный износ в течение механической обработки, из-за их увеличенной химической стойкости против стали [18], и подобен покрытому твердому сплаву (секция 2.5).

2.3 Производство твердых сплавов

Следующая секция описывает шаги процесса производства коммерчески общих твердых сплавов основанного на WC-Cо и TiC-TaC-WC-Co. Есть многочисленные различия в деталях; в зависимости от опыта производителя и сложности его оборудования; иногда, различные производители изменяются по их мнениям о пригодности на одном или другом варианте. Процессы, описанные здесь, применяются, как правило, также для производства других типов твердых сплавов (секция 2.6).

Карбид вольфрама произведен цементацией порошка W (секция 2.6.3) после смешивания с углеродом под водородом в температурах 1400 к 18000 C (до 20000 C для очень грубых карбидов). Крупность частиц и их распространение в продукте реакции - значительно под влиянием условий эксплуатации (чистота водорода, температура). Выгодно использовать порошок W с эквивалентом крупности частиц к желательному WC размеру , так как при розмоле часто производит нерегулярные структуры, если зернистость твердого сплава управляется таким образом. Содержание углерода WC должно остаться в регионе 6.00 к 6.20 мас - % (секция 2.1). До настоящего времени, WO3 и углерод не были преобразованы прямо к WC.

Остающиеся карбиды получены, взаимодействуем металлических оксидов с углеродом, под вакуумом или водородом; TiС обработан в температурах > 20000 C, TaC > 16000 C (секция 2.6.3). Часто, смешанный карбид, TiС -WC (соотношения веса 50:50) произведен вместо TiС, потому что это может быть достигнуто в температурах реакции, столь же низких как 17500 C. Нитриды углерода получены таким же образом, что и TiС, но в более низких температурах, понижают уровни добавок С и используют азотной атмосферы.

Смешанные твердые сплавы составлены из индивидуальных карбидов или предварительно образованных смешанных карбидов,порошка кобальта с очищенными зернами, и прессующего средства (керосин, поливиниловый спирт, полиэтиленгликоль), который будет требоваться позже. Основание соединения - органическая жидкость (этиловый спирт или ацетон, если это впоследствии высушено распылением). Измельчение происходит в истирателе, молотковой мельнице, или вращательной шаровой мельнице. Цель этого процесса состоит в том, чтобы распределить кобальт настолько равномерно насколько возможно по материальным точкам карбида. Если распространение неравномерно, это не может быть полностью реверсировано в течение спекания, хотя кобальт может вступать в пространства между частицами карбида. Дробление твердого материала важно в измельчении, чтобы разбить любой агломерат, который происходит в течение синтеза. После того, как это, смесь, которая дробится как жидкий раствор в жидкости измельчения, высушено в распылительной сушилке, используя инертный газ (секция 3.5). Это приводит к грануляции со вторичной крупностью частиц 0.06 к 0.3 мм, которая освобождает течение и может с готовностью быть уплотнено.

Завися до некоторой степени от размера и формы, указаные вкладыши инструмента для поворота, и другие компоненты запрессовываются автоматическими прессами (секция 5.2.1) в матрицах на давлениях от 200 до 400 MPa. Проект матрицы принимает во внимание сжатие в течение спекания (от 15 до 20 % линейно); этим процессом возможно произвести от 20 до 60 прессовок в минуту (прямым формованием). Автоматическое управление технологическим процессом позволяет современным прессам управлять поведением пресса так, чтобы плотность, а следовательно и сжатие остаются постоянным. Процесс спекания начинается с перемещением прессующего средства (депарафинизацию), используя водород или вакуум, увеличивая температуру к 6000 C. После того, как окончательно происходит спекание при 1350 к 15000 C (в зависимости от композиции твердого сплава), обычно под вакуумом, но также и использованием водорода.

Прессовки твердых сплавов обычно спекаются в вакуумных печах периодического действия, держащих от 500 до 1000 кг материала. Рабочие условия этого типа печи могут быть с готовностью установлены на тип твердого сплава, который нужно спечь.

Запас спеченных металлокерамических изделий вводится в дымовых трубах графитовых вставок или ящиках (чтобы максимизировать использование пространства в пределах печи). Содержание углерода этих стыков и изоляции печи гарантирует, что газ в печи не обезуглероживает твердый сплав. В современных печах с объединенным устройством депарафинизации, температура и время также как и газовая атмосфера, заданная для соответствующего шага, установлены автоматически. Непрерывные конвейерные печи с вентильной системой между внешним воздухом, депарафинизированая камера, и площадь спекания могут использоваться для большого серийного производства единого материала. Большие части или прессовки, содержащие большие количества смазочного материала (например штампуемые в горячем виде преграды, секции 5.3.3) производятся в специальных печах депарафинизации с соответствующими длинными временем производственного цикла.

" Косвенное формирование " используется, чтобы произвести прессовки, которые не могут быть уплотнены в их конечную форму. Этот процесс начинается от спрессованной заготовки. После изъятия прессующего устройства в температурах до 6000 C или после предварительного спекания в - до 10000 C, заготовка должна иметь достаточную силу для передаче ей ее окончательной формы вращением, размолом, или сверлением. Обработанная на станке прессовка тогда окончательно спеченная. Очень большие прессовки прессуются холодно - изостатически (секция 5.2.2). В этом случае, прессовки очень тверды даже без использования прессующих устройств, что делает возможным работать с ними немедленно. Ранее горячее прессование широко использовалось для производства твердых сплавов, с низким в содержанием металла соединительной детали и с низкой пористостью. Этот процесс теперь почти полностью был заменен ГИП (горячий изостатический нажим) (секция 5.3.1). Разработка этого процесса сделала возможным произвести твердые сплавы для фасонных резцов, поддаваемых высокой динамической нагрузке (секция 2.4). В течение (изостатического) спекания под давлением (ГИП-спекание), прессовка сначала спекалась под вакуумом. В то время как материал держался в температуре спекания то есть с существующей жидкой фазой, выполнялось горячее - изостатическое прессование. Это происходит прежде, чем закрепленная решетка карбида формировалась. Из-за этого, более низкое давление аргона (< 10 MPa) удовлетворяет, чтобы достичь адекватного уплотнения [19].

Спеченный твердый сплав может только быть сформирован, используя электроэрозионный или сверхтвердые инструменты, также размолом (диски размола из карбида кремния или, даже лучше, алмаза). Индифицируемые вкладыши - внахлестку на верхних и нижних поверхностях, использующих карбид бора и в зависимости от требований допуска, основание на окружности (размол контура). На частях, которые подвержены динамической нагрузке, существенно переместить внешний слой размолом. Это особенно важно на частях, которые обработались ГИП-ом. Это потому что поверхности этих частей содержат большое соотношение дефектов, что может инициировать разрушение. Они созданы испарением или реакциями с газовой атмосферой (примеси в защитном газе).

Прочность на изгиб и твердость твердых сплавов проверены в соответствии с процедурами, описанными в главе 7. Из-за ее низкой величины (< 1 %), пористость определена против согласованных стандартов на секциях с поперечным направлением. Магнитные измерения используются на содержащим кобальт твердых сплавов для более быстрой и оценки без разрушения спеченного продукта. Измерение коэрцитивности используется, чтобы определить толщину слоев кобальта P Со между твердыми частицами материала. Если композиция известна, то возможно использовать это показание, чтобы вычислить среднюю крупность частиц твердой материальной фазы 1WC. Магнитное насыщение пропорционально к количеству фазы металла соединительной детали. Если величина падает ниже математического ожидания, это указывает на присутствие нежелательной ломкой фазы W3Co3C (секция 2.1); которая является немагнитной.

2.4 Применение непокрытых твердых сплавов

Раннее, твердосплавные концы, использованные как режущие инструменты, всегда паялись на стальные несущие элементы. Медные припои обычно использовались, вместе с содержащими никель реакционными припоями , которые имели лучшее температурное сопротивление. В настоящее время, вкладыши из твердых сплавов главным образом используются в форме индексируемых вкладышей , установленных механически на резцедержатель (рис. 17-13). Исключение к этому - малогабаритные вкладыши, например концы для дрелей или буров - расширителей. Благодаря ихней симметрической форме (окружность, треугольная, квадратный, ромбический и т.д.), только режущая кромка потерпела неудачу, вкладыши могут быть повернуты на 180 так, чтобы они могли использоваться, пока все грани не были изношены. Нет надобности на восстановление резцедержателя, пользователя выигрывает от наличия короткого времени изменения инструмента; также возможно заменить вкладыши автоматически от магазина в резцедержателе. Другое преимущество использования индексированных вкладышей - отсутствие любых напряжений спаивания, которые всегда воздействуют стойкость инструмента негативно. В зависимости от класса допуска, изготовители гарантируют вариации размера вкладыша ниже от 0.13 до 0.013 мм.

Режущая поверхность вкладыша имеет сложный рельеф. Это оптимизировано моделированием компьютера, и служит, чтобы оптимизировать обработку на станке и обломку чипа в течение резания. Это также увеличивает произврдительность и срок службы инструмента. Нет необходимости выполнять последовательный размол.

Основная группа твердых сплавов, использована для обработки материалов с коротким чипом (основная группа применения , K) – прямые твердые сплавы WC-Со с содержанием кобальта от 3 до 11 веса - % (таблицы 17-3). Крупность частиц фазы WC - 0.5 до 5мкм. Мелкозернистые типы (средняя крупность частиц < приблизительно 1 мкм) главным образом используются для высококачественной обработки на станке. Малые прибавления других карбидов (TaC, VC) стремятся запрещать перекристаллизацию фазы WC в течение спекания (измельчение зерна). Микро-зернистые твердые сплавы с размером частиц до 1 мкм, характеризуются даже более высокой твердостью при комнатной температуры. Очень равномерное распределение Со фазы и устранение дефектов ГИП-ом или способом ГИП-спеканием означает, что высокая прочность может также быть достигнута (рис. 17-14). Поскольку эти материалы имеют только низкую теплопрочность (секция 2.2), они могут использоваться только при низких скоростях резания. Благодаря их высокой износостойкости и прочности, микро-зернистые твердые сплавы, используются для обработки на станке сплавов АL-Si, для выравнивания вальцов литейного чугуна [8], обработки древесины, и дрелей для композиционных материалов (монтажные платы).

Материалы с длинным чипом (основная группа применения P, большинство конструкционных, и отпущенных сталей) - обработанные на станке с использованием твердых сплавов основанных на WC-TiC-TaC-Co (таблицы 17-3). Тантал всегда содержит ниобий - элемент трампа, в размерах до 30 % (отнесенный к танталу); однако, это не имеет никакого неблагоприятного влияния. Тантал может также быть заменен гафнием без потери в качестве твердого сплава. Твердые сплавы группы P 25 особенно рекомендуются для размола, потому что они имеют более высокое содержание карбида тантала (секция 2.2).

Главная группа М. главным образом предназначена для работы с высоколегированными сталями и цветными металлами, которые не могут легко быть обработаны на станке. Кроме того, эта группа занимает положение между K и группами P из-за его более низкого содержания ТiC. По этой причине, уместные типы названы универсальным твердыми сплавами и соответствуют для обработки обоих, материалов и с долгим и с коротким чипом. Однако, это преимущество достигнуто за счет исполнения. Такие качества названы многодиапазонным твердыми сплавами. Изготовители рекомендуют их для использования в двух или больше группах (например. P 10 к P 30) после того, как их твердость и прочность на изгиб была улучшена.

Кроме них, твердые сплавы карбонитрида титана, часто со сложными композициями системы (Ti, Mo, W) (C, N) - (Ni, Cо, Al), утвердились в области режущих материалов для высококачественной обработки на станке сталей и литья с высокими скоростями резания [9].

Значительное соотношение произведенных твердых сплавов используется для приложений без обработки на станке. Эти действия часто вовлекают компоненты с крупными размерами, которые используются преимущественно для многомерных вкладышей, (вращающиеся цилиндры, штампы). В почти всех этих случаях, WC-Со твердые сплавы (таблицы 17-4) используются (Специальные события обсуждены в секции 2.6.).

Где абразивный износ преобладает по воздействию, сплавы ниже - в кобальте, предпочтены (они были уже упомянуты для прикладных пределов K01 к K 20). Примеры - сопла пескоструйной очистки или шары размола также как и выравнивания для заводов, мешалок, или других механизмов с перемещением абразивного запаса. Другое большое приложение было штифты автомобильных шин. Они были развиты, чтобы гарантировать безопасное движение по льду и снегу, но больше не позволяются в большинстве стран. Дальнейшие приложения включают седла клапана, герметизаторы скольжения, управляющие и направляющие втулки, и измерительные приборы. Другая область использования, которая была важна с начала - штампы для волочения проводов и валов. Увеличенное сопротивление напору, износостойкость и очень низкая шероховатость поверхности в апертуре штампа требуются для тонкого волочения. Для этого приложения твердых сплавов с более низким содержанием металла соединительной детали (= 2.5 вес- %) и малое зерно карбида используется. Для волочения валов и профилей, однако, более грубые твердые сплавы рекомендуемы. Это потому, что груз в течение начальной пробивки силы деформации - намного выше чем в течение тонкого волочения.

Прессующие штампы (секция 5.2.1.1), резцы, холодно - ковочные штампы, тепло - ковочные штампы и кузнечные инструменты подвержены ношению также механических нагрузок (давление и воздействие).

Более высокие затраты материала и обработки выравнивают использование твердых сплавов, если по крайней мере 10 раз ресурс достигнут по сравнению с инструментальными средствами, сделанными из инструментальной стали (выраженный как потеря вес или число единиц перед заменой инструмента). Эта величина часто превышается; для холодо - ковочных штампов в винтовой промышленности, например, приводится усовершенствования срока службы от 20:1 до 100:1 . Здесь, твердые сплавы с высокой вязкостью разрушения используются с содержанием металла соединительной детали до 30 %, и WC с размером зерна 10 мкм. Вообще, при использовании твердых сплавов (даже "жесткие" типы), должен быть принят факт, что, хотя они имеют высокие сопротивления давлению (от 3500 до 6200 MПa), они могут ломаться преждевременно под растягивающим напряжением, благодаря интенсификации напряжения случайных дефектов (поры, вложения). По этой причине, все инструментальные средства, подчиненные к высоким нагрузкам (штампы, волоки) должны быть сокращены в стальную подштамповую подушку или спрессованы в коническому месту таким способом, что результирующее предварительное напряжение твердого сплава дает компенсацию за растягивающее напряжение в течение его использования. Это применено особенно к высоконапорным инструментальным инструментам, использованных на алмазном синтезе. На них используются рабочие давление больше чем 5 ГПa , и предварительное напряжение создано ступенчато, от внешней стороны в, рядом стальных колец.

Твердые сплавы - также широко используются в сверлении отверстия, для горнодобывающих руд и угольных шахт, для предварительной работы обработки и для получения и горной породы. В зависимости от функции инструмента, например для поворота или перфоратор, различные типы WC-Со доступны; этот участок главным образом - между 6 и весом - % Со и WC с размером зерен до 10мкм.

Специальные приложения также вовлекают использование специальных порошков WC с размером зерна до 20мкм , полученных при очень высоких температурах синтеза. На них, твердые сплавы рекомендуется, чье содержание металла соединительной детали уменьшается ближе к поверхности (градуируемые структуры). Это для того чтобы достичь комбинации заданной прочности сердцевины инструмента и высокой износостойкости на поверхности. Кроме качества твердых сплавов, геометрическое строение индивидуальных вкладышей (иногда больше чем 100 на 1 режущую головку), их расположение относительно режущей головки, и методики спаивания, использованной также имеют значительное воздействие на работоспособности. Работоспособность таких инструментов превышена только инструментами, включающими алмазы. Спеченные поликристаллические алмазные вкладыши все более и более используются в этом направлении (секция 4)..

Производство горячо – изостатически срессованных компонентов твердых сплавов имело значительное воздействие на использовании твердых сплавов для динамической нагрузки. Как показывает уравнение (6), даже малое увеличение в изгибающемся сопротивлении разрыву дает значительно более длинный срок службы при циклическом нагружении. Использование вращающихся цилиндров твердых сплавов в металлическом листе, проводе, и тонком калибровочном вращении, приводит к срокам службы, которые превышают такие нормальных вращающихся цилиндров в соответствии на 1 или 2 порядка величины. Кроме того, превосходное качество поверхностной полировки вращающихся цилиндров твердых сплавов перенесено на прокатный материал. Это спасает при последовательной обработке. С тех пор когда сокращается монтаж, что причинило растягивающие напряжения в теле твердого сплава, роликовое кольцо (пустотный цилиндр из твердого сплава) или склеивается на стальную ось, или заперто в это посредством поперечно закрепленных шпилек.

2.5 Покрытие твердых сплавов

Покрытие означает приложение тонкого слоя твердого материала на спеченный твердый сплав (рис. 17-15) с целью дальнейшим улучшением износостойкости [13]. Привилегированный процесс – осаждение термическим разложением реактивной газовой смеси, обычно называется процесс ХОПФ (химическое осаждение паровой фазы). Слой ТiC формируется в температурах между 900 и 12000 C, в соответствии с уравнением реакции

TiCl4 4+ CxHy = ТiC + 4 HCl + CmHn (7)

Где CxHy - углеводород (Бензол, гептан и т.д.) и CmHn - его продукты реакции; другие промежуточные продукты, должны быть приняты во внимание при вычислении изменяющегося при колебаниях температуры равновесия. Осаждение происходит под условиями, в которых декорбюдированные области твердого сплава около поверхности избегают любой ценой. Это потому, что они иначе формировались бы  фазу (W3Co3C), интерметалический слой, который значительно уменьшает сопротивление разрыву на изгиб..

Покрытие происходит в реакторе, в котором вкладыши лежат на пластинах или отсутствуют.

Реакционная камера нагрета нагревающимся "колоколом", который помещен по всему реактору (горячий стенной реактор) (рис. 17-16), или внутренним (графитовым) нагревательным элементом (холодно-стенной реактор). Соответствующее введение газа или нагрузка позволяет однородное покрытие компонентов твердых сплавов.

Прочность твердых сплавов значительно зависимо от покрытия (рис. 17-17). Под растягивающим напряжением, трещины от напряжения формируются в тонком ломком слое, который является только несколько мкм толщиной; эти трещины - в прямом угле к поверхности и имеют тот же самый эффект как и пазы. Они причиняют разрушение, взаимодействуя с дефектами в основании твердых сплавов. Толщины слоя общего коммерческого резца составляют обычно от 5 до 15 мкм; более тонкие слои (3 мкм) рекомендуются для фрез. Слои вышеупомянутой толщины увеличивают срок службы твердых сплавов в два - или в три раза ; альтернативно, скорости резания могут быть значительно увеличены при поддержании того же самого ресурса забойщика. Очень поразительно, что протяженность износа поперек режущей поверхности замедляется даже, когда стружка долго прорвалась через твердый материальный слой. Плакированные вкладыши используются исключительно для приложений обработки на станке.