Реферат на тему:
ТВЕРДЫЕМАТЕРИАЛЫ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ
Введение
Исключительная твердость твердых материалов — отражение сильныхсил связи между узлами атомной решетки. Это — причина, почему эта группаматериалов обычно имеет высокую температуру плавления, малые коэффициентытеплового расширения и высокий модуль упругости [1 к 3]. Благодаря этойкомбинации свойств, твердые материалы главным образом используются какизносостойкие материалы и высоко жаростойкие материалы. Зона применениярасполагается от связанных и несвязанных порошков (шлифовальный состав) черезспекаемые твердые материалы к спекаемым соединениям со связкой. Функциясвязующей фазы, использованной в этой последней группе, должна главным образомулучшить спекание и механические свойства, и понижать хрупкость. Хрупкость — характеристика всех твердых материалов; она имеет значительное влияние ограничающееих зону применения. Рисунок 17-1 дает краткий обзор прочности и твердостныхсвойств коммерчески важных твердых материалов.
1Краткий обзор и характеристики твердых материалов
Твердые материалы могут быть разделены в две группы:
– Соединенияпереходных металлов периодической таблицы групп с IV до VIII с элементами B, N,C, Si или возможно P и С, и ихмоноокиси названы ” металлическими твердыми материалами “.
– Соединенияэлементов B, C, N, Si друг с другом и некоторые оксиды типа Al2O3, ZrO2 или ThO2классифицируется под термином ” неметаллические твердые материалы “.«Сверхтвердые» материалы алмаз и нитрид бора — также часть этойгруппы.
1.1Металлические твердые материалы
Группа твердых металлических материалов имеет хорошую электро- итеплопроводность, также как положительный температурный коэффициент (которыйявляется характеристикой для металлов). Располагаемые фазы главным образомоднородны за границей расположения. Поэтому, это имеет смысл рассматривать этугруппу на основе интерметаллических фаз. Пока отношение атомного радиусанеметаллических и металлических компонентов — в пределах амплитуды 0.41
Карбид вольфрама — важный базис для твердых сплавов.Кристаллическая структура гексагональна; его модуль упругости очень высок(таблица 17-1). Его соотношение к кубическим твердым материалам иллюстрированофактом, что WC был сформирован с кубической формы WC1-х при высоком давлении ивысокой температуре (выше 25300 C [21]). Кубические карбиды могут приниматьзначительные количества WC, формируя кубический твердый раствор; TiC, например,может принимать то же самое количество WC в 14000 C (рис. 17-8).
Изоморфные кубические твердые материалы главным образом формируютполный диапозон твердых растворов друг с другом. Присутствие любых областейсмешиваемости приводит к увеличению твердости. Зависимость между твердостью иконцентрацией этих твердых растворов — кривая (рис. 17-2).
Компоненты от металлических твердых материалов могут бытьпроизведены, спеканием или горячим прессованием. Из-за их свойственнойхрупкости немногие из этих материалов используются без связующих фаз. Силицидмолибдена используется как высокотемпературный проводник тепла, потому что онсопротивляется окислению до 17000 C (секция 6.1.2). Гексаборид лантана — полезный катодный материал, потому что в 2.5 eВ, он имеет низкуюэнергию выхода электрона (равный к значению у торированного вольфрама).Алюминиевые испарители, нагреваемые постоянным током, сделаны из борида титанаили циркония. Спекаемые соединения, основанные на металлических твердыхматериалах коммерчески очень важны (секция 2).
1.2Неметаллические твердые материалы
В неметаллических твердых материалах, существуют связи, которыеранжируют от чисто ковалентной связи (алмаз), через ковалентную связь с частьюионной связи, к исключительно ионной связи (Al2O3) (рис. 17-3). Металлическаясвязь, достопримечательно, отсутствует. Таким образом, эти материалы непоказывают высокую проводимость металлов. Некоторые из этих твердых материалов(SiC) имеют полупроводниковыесвойства (отрицательный коэффициент удельного удельного электрическогосопротивления). Эти свойства могут быть воспроизведены в алмазах, добовлениямиэлементов групп III и V. Остаточный член от неметаллических твердых материалов– изолятор. Таблица 17-2 подводит итог свойств важных неметаллических твердыхматериалов. Должно быть отмечено, что твердость этих материалов в ообщемуменьшается более медленно с увеличением температуры, чем таковая металлическихтвердых материалов, особенно в случае кубических твердых материалов (рис.17-4).
Кристаллические структуры неметаллических твердых материалов оченьразличны. Только твердые материалы, сделанные от элементов группы IVb имеютупорядоченную кристаллическую структуру. Для первого важного элемента этойгруппы, углерода, увеличение давления преобразовывает обычно устойчивоеслоистое строение графита в алмазное строение с тетрагональным расположениематомов (координационое число K = 4). Дальнейшее увеличение давления ведет кувеличению этого числа; число металлических связей увеличивается. Для элементовпоследовательных периодов, переход к строениям с более высоким координационнымчислом происходит при более низких давлениях. Для SiC, например,тетрагональное, подобное алмазу расположение атомов (K = 4) устойчив даже ватмосферном давлении, и различная последовательность четырехгранников ведет кряду кристаллографических форм (кубическая, гексагональная, ромбическая).Кремний и последовательные элементы (Ge, Sn) более не рассматривается как твердые материалы.Они кристаллизуются с более высокой координацией, и поэтому имеютувеличивающейся металлический характер, также как более низкую твердость.
Разработка прижимных технологий сверхвысокого давления и генерациидиаграмм состояния давление-температура были оба важные предварительные условиядля более широкого использования сверхтвердых спекаемых материалв. Нитрид бора(BN), который не встречатьсяв виде самородка, является исходом этих разработок; как межэлектронноесоединение, он очень подобен углероду. От графитового строения, под давлениематомы формируют четырехгранники и затем гексагональную решетку (строениевюртцита). Далее увеличение давления ведет к простой кубической ячейке (типацинк). Две сверхтвердые фазы (вюртцит и типа цинк) более подробно расмотренны всекции 2.6.4, как — ” синтетические алмазы”. По сравнению с алмазом, BN имеет большеесопротивление окислению и более высокую термодинамическую стабильности вотношении черных металлов; это означает что, он более соответствует длямеханической обработки этих материаллов, чем алмаз (секция 3). Коммерческиважные спекаемые материалы, сделанные из неметаллических твердых материалов(керамика) здесь не описываются, с тех пор уж есть всесторонне изданнаяинформация в этой области.
2Твердые сплавы
Твердые сплавы — соединения металлических твердых материаловсвязанных металлом [4 до 6]. Эта группа, часто рассматривается как отнесенная кспекаемым соединениям карбидов (и нитридов) и черные металлы. Иногда,используются другие классификации. Дело обстоит так особенно при различении ихот кермета и соединений с сверхтвердыми материалами.
Основные типы твердых сплавов, которые являются до сих порпреобладающими – твердые сплавы WC-Cо, предпочтительно использованные для работы сматериалами, которые формируют короткую станочная стружка (серый чугун), итвердые сплавы основанные на WC-TiC-Co и WC-TiC-TaC-Co для работы с материалами, которые дают длиннуюстаночную стружку (стали). В нескольких случаях, характеристика твердых сплавовможет быть улучшена значительно, покрытием (секция 2.5) [6] к [8]. Твердыесплавы с TiC, TiN или Ti (C, N) используются в случаях, где требуются высокие скоростирезания [9] до [12]. Они обычно упоминаются как «керметы». Чтобывыполнять специальные требования, например высокая коррозиеустойчивость, такжеиспользуются другие твердые материалы и связки (секция 2.6).
Коммерчески располагаемые твердые сплавы для режущих инструментовобычно классифицируется применениям соответствии со стандартом 513 DIN-ISO. Это категоризируетприменение в три главных группы, которые потом подразделяются условиямимеханической обработки. Эта область от чистой механической обработки с высокойскоростью резания к механической обработке в низкой скорости резания и внеблагоприятных условиях, типа большой глубины пропила и ступенчатого резания.
2.1Формирования строения твердых сплавов
Карбид вольфрама, WC, не может быть расплавлен, если он сначала небыл разложен. (Так называемое литые твердые сплавы — эвтектика, которая быларасплавлена при 27000 C; это — WC-W2C и используется как узел в сварочных сплавах для предохраненияпротив износа.). По этой причине, твердый сплав произведен, спечением смеси WC и Co, обычно в области между1350 и 15000 C. Даже в течение нагревания (от о 7000 C), до 80 % заданногоуплотнения, достигнуто спекающейся твердой фазой [13]. В то же самое время,кобальт рассеивает WC так, чтобы он присутствовал в течение изотермического спекания вформе жидкой фазы, насыщаемой с WC (рис. 17-5); эта фаза позволяет полное уплотнениеспекаемой части.
После спекания, остаточная пористость должна быть ниже 1 %, истроение должно иметь соответствующее отношение твердости к изгибающейсяхарактеристике сопротивления разрыву твердого сплава (рис. 17-1). Чтобыдостигать этого система твердый сплав — связка должна выполнить некоторыетребования; в случае системы WC-Cо эти требования выполнены превосходно:расплавленная связка увлажняет твердую материальную фазу полностью и течетмежду собираемыми материальными точками фазы. В то время как твердая фазадействительно не демонстрирует растворимость для металла-связки, металл-связкаимеет растворимость для твердого материала, который является зависящим оттемпературы (рис. 17-5). В течение спекания твердых материальных, фазарастворяется расплавленным металлом-связкой и повторно осаждается. Чтобыминимизировать межфазную энергию, которая проводит к правильно построенным WC-кристаллам (рис. 17-6).Расплавление меньших и рост больших кристаллов (созревание Оствальда) — причинароста зерна в течение спекания; примеси с инородными атомами даже в малыхконцентрациях (ppm) противодействуют росту зерен зерна [14].
В течение затвердевания жидкой фазы (в течение охлаждения оттемпературы спекания), большинство растворенного WC кристализуется назад на твердыхчастицах. Поскольку растворимость металла-связки уменьшается, далее WC осаждается, покадиффузия не будет остановлена. Долю твердого материала, которая до сих порявляется растворенной, стабилизирует кубическая фаза кобальта при комнатнойтемпературе (иначе преобразование в гексагональную фазу в 4170 C) и определятьмеханические свойства связки. Благодаря различным коэффициентам расширения,фаза кобальта, помещенна в напряжение, в то время как WC фазы, подчиненнысжимающему усилию. Это задерживает разрыв хрупкой карбидной фазы в течениемеханической нагрузки.
Процесс, который был описан, принимает двухфазную область твердогоматериала и металла-связки (рис. 17-7). В системе W-C-Co, стехиометрическая зонадля этой области ограничена 6.08 к 6.20 мас.- % C в WC (стехиометрическийсостав 6.13 мас.- % C в WC). Иначе, хрупкая троичная система счисления η фаза (W3Co3C) илисвободный углерод осаждается, оба из которых уменьшают прочность на изгиб.
При спекании твердых сплавов системы TiC-WC-Co, TiC растворяет карбидвольфрама до уровня насыщения (рис. 17-8). По этой причине, три фазы появляютсяв строении коммерчески доступних твердых сплавов; они — кубическая смешаннаякарбидная фаза (W, Ti) C, гексагональный WC и кобальта, как связка.Этот последний насыщается с соотношениями твердых материалов (рис. 17-9). Если TaC также добавлен к сплаву,он входит в смешанное формирование карбидной фазы (W, Ti, Ta) C и в то же самоевремя сужение доли (W, Ti, Ta) C твердого раствора (рис. 17-8).
Твердые сплавы основанные на TiC -Ni с Mo2C прибавлениямиимеют различное строение. В течение спекания, оболочки, сделанные кубических (Ti, Мо)C1-х твердыхрастворов формируется вокруг магистрального зерна TiC; в отличие от чистого TiC, они хорошо увлажняютсясвзкой никеля (рис. 17-9). Пока, бориды не использовались в твердых сплавах,для увеличения твердости, потому что хрупкие тройные фазы формируют в течениепроизводства, через влияние связки. Этих фаз можно избегать, прибавляя титан кTiB2(Fe, Cr, Ni) твердым сплавам[15].
2.2Механические свойстватвердых сплавов
Модуль упругости твердых сплавов (WC-Cо) — индикациялинейного поведения этих материалов. Это главным образом определено величинамии фаз твердого сплава и их объемными компонентами fWC и fCo; которое зависит толькоот ограниченной степени распространения фаз (структур). Прочность, поведениерозлома, и твердость; с другой стороны, повлияют в значительной степени отгеометрического размещения элементов структуры.
Стуруктура твердого сплава WC-Co может бытьохарактиризована средним линейным размером зерна lWC и средней толщинойинтерметаллических слоев кобальта pCo; это также называется длиной свободного пробегаили средним растоянием (секция 7.3.4). Применимо следующие равенство:
/>(1)
Структурные величины и вязкость разрушения K1С твердых сплавов WC-Cо (в пределах от 7 до20 MPa*m1/2) и энергия области разрыва G1С, связаны следующим выражением:
/> (2)
Эта величина была выведена эмпирически. Принимая во внимание [11],в заключении можно увидеть, что увеличения энергии области разрыва, посколькусоотношение объема связки и WC, размер зерна увеличивается. Это имеет смысл,потому что на энергию сдвига повлияют значительно работа пласичности, в связки.Твердость зависит от того же самого параметра P2Со/1WC и выходит обратнаязависимость [16].
/> (3)
Это означает, это в любой данной составной твердости системы ивязкости разрушения может только быть оптимизировано за счет друг друга (рис.17-10).
Изгибающееся сопротивление разрыву/>твердых сплавов связано спроцессом зарождения трещин и распространения. В соответствии с [17], этоследует выражение:
/> (4)
где материальный постоянный m. – параметр Вейбула(секция 7.3), />( lWC) — зернистость — зависимый предел прочности WC и g(fwc) описывает локальное увеличение в напряжений в зерне WC. Градусскелетного формирования (смежность) c, твердой материальной фазы (секция 7.3.4)может быть грубо получена, если ρCo fCo то
/> (5)
В идентичной зернистости WC, кроме в очень высоком содержании кобальта(горизонтальные линии константы WC зернистость lWC на рисунке 17-11),изгибающееся сопротивление разрыву увеличивается с увеличивающимся содержаниемкобальта. J.Gurland показал, что некотораязернистость lwc, существует для каждого содержания металла-связки, в которомизгибающееся сопротивление разрыву, достигает максимума. Критическая величинаp* толщины слоя металла-связки — p*Co + 0.4 μm для кобальта (линии постоянного содержания кобальта fCo ниже 45 ° на рисунке17-11). В «пластичной зоне» (pCo > p*Co), изгибающеесясопротивление разрыву увеличивается с увеличением дисперсии фазы WC. Это можетбыть благодаря обоим дисперсионному твердению металла-связки или к увеличению всиле WC зерна с уменьшающейся зернистостью lwc. (p2Co/lwc) уменьшается (см.уравнения (1) и (2)) и твердость увеличивается, однако, уменьшается вязкостьразрушения твердого сплава. Если, наконец, нижний предел критической толщиныслоя p*Co достигнут (потому что WCзернистость стала меньшей), тонкие слои металла-связки больше не могутстабилизировать трещину пластической деформацией (область хрупкого разрушения).
Соотношение границ зерна WC-WC на полной поверхности WC фаз называется смежностьc. Это быстро стало главными слабыми точками на зарождении трещин; так как этоувеличение, уменьшает сопротивления разрыву на изгиб. Это означает, это вобласти хрупкого разрушения, сопротивление разрыву на изгиб и вязкостьразрушения изменяется подобные тем же образом. Только, когда этипредварительные условия выполнены, то изгибающееся сопротивление разрыву можетбыть названо «вязкостью», как и часто названо в изданной литературнойи коммерческой практике.
Дополнительные факторы (дефекты) типа пор, вложений, бороздок, инеоднородного распространения структурных компонентов, также влияют напрочность твердых сплавов и вызывают широкие вариации в свойствах. Влияние этихфакторов особенно, поведение усталости, в течение динамической нагрузки (секция7.3). Понижение числа циклов напряжения, чтобы раздробить N, связано сизменением в статическом сопротивлении разрыву изгиба следующим соотношением:
/>(6)
Твердые сплавы имеют невыгодную величину />, благодаря высоким соотношениям хрупкихфракций в течение распространения усталостной трещины.
Зависимости, обсужденные выше, применимы к комнатной температуре имогут даже полностью изменяться с увеличением температуры. Например, втемпературах > 8000 C, самое лучшее зерно твердого сплава WC имеет более низкуюползучепрочность чем твердый сплав с грубым зерном WC (рис. 17-11). Это — несмотря на их высокую твердостьпри комнатной температуре. Вышеупомянутый соотношенийне могут применяться безоговорочно, если возникают дополнительные или новыефазы, как имеет место с твердыми сплавами TiC (TaC)-WC-Co. Прибавляя TiC, твердость увеличена засчет изгибающегося сопротивления разрыву, благодаря к связанному упрочнениютвердого раствора. Это иногда также увеличивает теплопрочность стержневой смесиWC- TiC (TaC), твердый раствор посравнению с WC и прежде всего с TiC (рис. 17-12 и 17-4). Это особенно уместно вболее высокотемпературных режимах резанья, произведенных в течение обработкиматериалов, производящих длинной станочной стружке. Это дополнено изменениями втрении и диффузии между твердым сплавом и материалом, для обработки на станке.Прибавления TaC также отщеплять «формирование ребра трещины » нарежущей кромке твердого сплава, это происходит благодаря повтореннымтемпературным изменениям, особенно в течение фрезерования.
Твердые сплавы, которые главным образом используются для болеевысоких скоростей резания ( основанные на TiC, TiN, TiCN или (Ti, Мо) (C, N) кактвердые материалы) имеет более низкую теплопрочность стержневой смеси и ползучепрочность,чем эквивалент основаных на WC твердых сплавах [11], но показывает чтоприведенный износ в течение механической обработки, из-за их увеличеннойхимической стойкости против стали [18], и подобен покрытому твердому сплаву(секция 2.5).
2.3Производство твердых сплавов
Следующая секция описывает шаги процесса производства коммерческиобщих твердых сплавов основанного на WC-Cо и TiC-TaC-WC-Co. Есть многочисленныеразличия в деталях; в зависимости от опыта производителя и сложности егооборудования; иногда, различные производители изменяются по их мнениям опригодности 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 (до20000 C для очень грубых карбидов). Крупность частиц и их распространение впродукте реакции — значительно под влиянием условий эксплуатации (чистотаводорода, температура). Выгодно использовать порошок W с эквивалентом крупностичастиц к желательному WC размеру, так как при розмоле часто производитнерегулярные структуры, если зернистость твердого сплава управляется такимобразом. 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 прямок WC.
Остающиеся карбиды получены, взаимодействуем металлических оксидовс углеродом, под вакуумом или водородом; TiС обработан втемпературах > 20000 C, TaC > 16000 C (секция 2.6.3). Часто, смешанныйкарбид, TiС -WC (соотношения веса 50:50) произведен вместо TiС, потому что это можетбыть достигнуто в температурах реакции, столь же низких как 17500 C. Нитридыуглерода получены таким же образом, что и TiС, но в более низкихтемпературах, понижают уровни добавок С и используют азотной атмосферы.
Смешанные твердые сплавы составлены из индивидуальных карбидов илипредварительно образованных смешанных карбидов, порошка кобальта с очищеннымизернами, и прессующего средства (керосин, поливиниловый спирт,полиэтиленгликоль), который будет требоваться позже. Основание соединения — органическая жидкость (этиловый спирт или ацетон, если это впоследствиивысушено распылением). Измельчение происходит в истирателе, молотковоймельнице, или вращательной шаровой мельнице. Цель этого процесса состоит в том,чтобы распределить кобальт настолько равномерно насколько возможно поматериальным точкам карбида. Если распространение неравномерно, это не можетбыть полностью реверсировано в течение спекания, хотя кобальт может вступать впространства между частицами карбида. Дробление твердого материала важно визмельчении, чтобы разбить любой агломерат, который происходит в течениесинтеза. После того, как это, смесь, которая дробится как жидкий раствор вжидкости измельчения, высушено в распылительной сушилке, используя инертный газ(секция 3.5). Это приводит к грануляции со вторичной крупностью частиц 0.06 к0.3 мм, которая освобождает течение и может с готовностью быть уплотнено.
Завися до некоторой степени от размера и формы, указаные вкладышиинструмента для поворота, и другие компоненты запрессовываются автоматическимипрессами (секция 5.2.1) в матрицах на давлениях от 200 до 400 MPa. Проект матрицы принимаетво внимание сжатие в течение спекания (от 15 до 20 % линейно); этим процессомвозможно произвести от 20 до 60 прессовок в минуту (прямым формованием).Автоматическое управление технологическим процессом позволяет современнымпрессам управлять поведением пресса так, чтобы плотность, а следовательно исжатие остаются постоянным. Процесс спекания начинается с перемещениемпрессующего средства (депарафинизацию), используя водород или вакуум,увеличивая температуру к 6000 C. После того, как окончательно происходитспекание 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 печахпериодического действия, держащих от 500 до 1000 кг материала. Рабочие условияэтого типа печи могут быть с готовностью установлены на тип твердого сплава,который нужно спечь.
Запас спеченных металлокерамических изделий вводится в дымовыхтрубах графитовых вставок или ящиках (чтобы максимизировать использованиепространства в пределах печи). Содержание углерода этих стыков и изоляции печигарантирует, что газ в печи не обезуглероживает твердый сплав. В современныхпечах с объединенным устройством депарафинизации, температура и время также каки газовая атмосфера, заданная для соответствующего шага, установленыавтоматически. Непрерывные конвейерные печи с вентильной системой между внешнимвоздухом, депарафинизированая камера, и площадь спекания могут использоватьсядля большого серийного производства единого материала. Большие части илипрессовки, содержащие большие количества смазочного материала (напримерштампуемые в горячем виде преграды, секции 5.3.3) производятся в специальныхпечах депарафинизации с соответствующими длинными временем производственного цикла.
” Косвенное формирование ” используется, чтобыпроизвести прессовки, которые не могут быть уплотнены в их конечную форму. Этотпроцесс начинается от спрессованной заготовки. После изъятия прессующегоустройства в температурах до 6000 C или после предварительного спекания в — до10000 C, заготовка должна иметь достаточную силу для передаче ей ееокончательной формы вращением, размолом, или сверлением. Обработанная на станкепрессовка тогда окончательно спеченная. Очень большие прессовки прессуются холодно- изостатически (секция 5.2.2). В этом случае, прессовки очень тверды даже безиспользования прессующих устройств, что делает возможным работать с ниминемедленно. Ранее горячее прессование широко использовалось для производстватвердых сплавов, с низким в содержанием металла соединительной детали и снизкой пористостью. Этот процесс теперь почти полностью был заменен ГИП(горячий изостатический нажим) (секция 5.3.1). Разработка этого процессасделала возможным произвести твердые сплавы для фасонных резцов, поддаваемыхвысокой динамической нагрузке (секция 2.4). В течение (изостатического)спекания под давлением (ГИП-спекание), прессовка сначала спекалась подвакуумом. В то время как материал держался в температуре спекания то есть ссуществующей жидкой фазой, выполнялось горячее — изостатическое прессование.Это происходит прежде, чем закрепленная решетка карбида формировалась. Из-заэтого, более низкое давление аргона (
Спеченный твердый сплав может только быть сформирован, используяэлектроэрозионный или сверхтвердые инструменты, также размолом (диски размолаиз карбида кремния или, даже лучше, алмаза). Индифицируемые вкладыши — внахлестку на верхних и нижних поверхностях, использующих карбид бора и взависимости от требований допуска, основание на окружности (размол контура). Начастях, которые подвержены динамической нагрузке, существенно переместитьвнешний слой размолом. Это особенно важно на частях, которые обработалисьГИП-ом. Это потому что поверхности этих частей содержат большое соотношениедефектов, что может инициировать разрушение. Они созданы испарением илиреакциями с газовой атмосферой (примеси в защитном газе).
Прочность на изгиб и твердость твердых сплавов проверены в соответствиис процедурами, описанными в главе 7. Из-за ее низкой величины (
2.4Применение непокрытых твердых сплавов
Раннее, твердосплавные концы, использованные как режущиеинструменты, всегда паялись на стальные несущие элементы. Медные припои обычноиспользовались, вместе с содержащими никель реакционными припоями, которыеимели лучшее температурное сопротивление. В настоящее время, вкладыши изтвердых 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 могутбыть повернуты на 180 так, чтобы они могли использоваться, пока все грани небыли изношены. Нет надобности на восстановление резцедержателя, пользователявыигрывает от наличия короткого времени изменения инструмента; также возможнозаменить вкладыши автоматически от магазина в резцедержателе. Другоепреимущество использования индексированных вкладышей — отсутствие любыхнапряжений спаивания, которые всегда воздействуют стойкость инструментанегативно. В зависимости от класса допуска, изготовители гарантируют вариацииразмера вкладыша ниже от 0.13 до 0.013 мм.
Режущая поверхность вкладыша имеет сложный рельеф. Этооптимизировано моделированием компьютера, и служит, чтобы оптимизироватьобработку на станке и обломку чипа в течение резания. Это также увеличиваетпроизврдительность и срок службы инструмента. Нет необходимости выполнятьпоследовательный размол.
Основная группа твердых сплавов, использована для обработкиматериалов с коротким чипом (основная группа применения, K) – прямые твердыесплавы WC-Со с содержанием кобальта от 3 до 11 веса — % (таблицы 17-3).Крупность частиц фазы WC — 0.5 до 5мкм. Мелкозернистые типы (средняя крупностьчастиц
Материалы с длинным чипом (основная группа применения P,большинство конструкционных, и отпущенных сталей) — обработанные на станке сиспользованием твердых сплавов основанных на WC-TiC-TaC-Co (таблицы 17-3). Танталвсегда содержит ниобий — элемент трампа, в размерах до 30 % (отнесенный ктанталу); однако, это не имеет никакого неблагоприятного влияния. Тантал можеттакже быть заменен гафнием без потери в качестве твердого сплава. Твердыесплавы группы P 25 особенно рекомендуются для размола, потому что они имеютболее высокое содержание карбида тантала (секция 2.2).
Главная группа М. главным образом предназначена для работы свысоколегированными сталями и цветными металлами, которые не могут легко бытьобработаны на станке. Кроме того, эта группа занимает положение между K игруппами P из-за его более низкого содержания ТiC. По этой причине,уместные типы названы универсальным твердыми сплавами и соответствуют дляобработки обоих, материалов и с долгим и с коротким чипом. Однако, этопреимущество достигнуто за счет исполнения. Такие качества названымногодиапазонным твердыми сплавами. Изготовители рекомендуют их дляиспользования в двух или больше группах (например. P 10 к P 30) после того, каких твердость и прочность на изгиб была улучшена.
Кроме них, твердые сплавы карбонитрида титана, часто со сложнымикомпозициями системы (Ti, Mo, W) (C, N) — (Ni, Cо, Al), утвердились вобласти режущих материалов для высококачественной обработки на станке сталей илитья с высокими скоростями резания [9].
Значительное соотношение произведенных твердых сплавовиспользуется для приложений без обработки на станке. Эти действия частововлекают компоненты с крупными размерами, которые используются преимущественнодля многомерных вкладышей, (вращающиеся цилиндры, штампы). В почти всех этихслучаях, WC-Со твердые сплавы (таблицы 17-4) используются (Специальные событияобсуждены в секции 2.6.).
Где абразивный износ преобладает по воздействию, сплавы ниже — вкобальте, предпочтены (они были уже упомянуты для прикладных пределов K01 к K20). Примеры — сопла пескоструйной очистки или шары размола также как ивыравнивания для заводов, мешалок, или других механизмов с перемещениемабразивного запаса. Другое большое приложение было штифты автомобильных шин.Они были развиты, чтобы гарантировать безопасное движение по льду и снегу, нобольше не позволяются в большинстве стран. Дальнейшие приложения включают седлаклапана, герметизаторы скольжения, управляющие и направляющие втулки, иизмерительные приборы. Другая область использования, которая была важна сначала — штампы для волочения проводов и валов. Увеличенное сопротивлениенапору, износостойкость и очень низкая шероховатость поверхности в апертурештампа требуются для тонкого волочения. Для этого приложения твердых сплавов сболее низким содержанием металла соединительной детали (= 2.5 вес- %) и малоезерно карбида используется. Для волочения валов и профилей, однако, болеегрубые твердые сплавы рекомендуемы. Это потому, что груз в течение начальнойпробивки силы деформации — намного выше чем в течение тонкого волочения.
Прессующие штампы (секция 5.2.1.1), резцы, холодно — ковочныештампы, тепло — ковочные штампы и кузнечные инструменты подвержены ношениютакже механических нагрузок (давление и воздействие).
Более высокие затраты материала и обработки выравниваютиспользование твердых сплавов, если по крайней мере 10 раз ресурс достигнут посравнению с инструментальными средствами, сделанными из инструментальной стали(выраженный как потеря вес или число единиц перед заменой инструмента). Этавеличина часто превышается; для холодо — ковочных штампов в винтовойпромышленности, например, приводится усовершенствования срока службы от 20:1 до100:1. Здесь, твердые сплавы с высокой вязкостью разрушения используются с содержаниемметалла соединительной детали до 30 %, и WC с размером зерна 10 мкм. Вообще,при использовании твердых сплавов (даже «жесткие» типы), должен бытьпринят факт, что, хотя они имеют высокие сопротивления давлению (от 3500 до6200 MПa), они могут ломаться преждевременно под растягивающим напряжением,благодаря интенсификации напряжения случайных дефектов (поры, вложения). Поэтой причине, все инструментальные средства, подчиненные к высоким нагрузкам(штампы, волоки) должны быть сокращены в стальную подштамповую подушку илиспрессованы в коническому месту таким способом, что результирующеепредварительное напряжение твердого сплава дает компенсацию за растягивающеенапряжение в течение его использования. Это применено особенно к высоконапорныминструментальным инструментам, использованных на алмазном синтезе. На нихиспользуются рабочие давление больше чем 5 ГПa, и предварительное напряжениесоздано 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 идля получения и горной породы. В зависимости от функции инструмента, напримердля поворота или перфоратор, различные типы WC-Со доступны; этот участок главнымобразом — между 6 и весом — % Со и WC с размером зерен до 10мкм.
Специальные приложения также вовлекают использование специальныхпорошков WC с размером зерна до 20мкм, полученных при очень высокихтемпературах синтеза. На них, твердые сплавы рекомендуется, чье содержаниеметалла соединительной детали уменьшается ближе к поверхности (градуируемыеструктуры). Это для того чтобы достичь комбинации заданной прочности сердцевиныинструмента и высокой износостойкости на поверхности. Кроме качества твердых сплавов,геометрическое строение индивидуальных вкладышей (иногда больше чем 100 на 1режущую головку), их расположение относительно режущей головки, и методикиспаивания, использованной также имеют значительное воздействие наработоспособности. Работоспособность таких инструментов превышена толькоинструментами, включающими алмазы. Спеченные поликристаллические алмазныевкладыши все более и более используются в этом направлении (секция 4)..
Производство горячо – изостатически срессованных компонентовтвердых сплавов имело значительное воздействие на использовании твердых сплавовдля динамической нагрузки. Как показывает уравнение (6), даже малое увеличениев изгибающемся сопротивлении разрыву дает значительно более длинный срок службыпри циклическом нагружении. Использование вращающихся цилиндров твердых сплавовв металлическом листе, проводе, и тонком калибровочном вращении, приводит ксрокам службы, которые превышают такие нормальных вращающихся цилиндров всоответствии на 1 или 2 порядка величины. Кроме того, превосходное качествоповерхностной полировки вращающихся цилиндров твердых сплавов перенесено напрокатный материал. Это спасает при последовательной обработке. С тех пор когдасокращается монтаж, что причинило растягивающие напряжения в теле твердогосплава, роликовое кольцо (пустотный цилиндр из твердого сплава) или склеиваетсяна стальную ось, или заперто в это посредством поперечно закрепленных шпилек.
2.5Покрытие твердых сплавов
Покрытие означает приложение тонкого слоя твердого материала на спеченныйтвердый сплав (рис. 17-15) с целью дальнейшим улучшением износостойкости [13].Привилегированный процесс – осаждение термическим разложением реактивнойгазовой смеси, обычно называется процесс ХОПФ (химическое осаждение паровойфазы). Слой ТiC формируется в температурах между 900 и 12000 C, в соответствии суравнением реакции
TiCl4 4+ CxHy = ТiC + 4 HCl + CmHn (7)
Где CxHy — углеводород (Бензол, гептан и т.д.) и CmHn — егопродукты реакции; другие промежуточные продукты, должны быть приняты во вниманиепри вычислении изменяющегося при колебаниях температуры равновесия. Осаждениепроисходит под условиями, в которых декорбюдированные области твердого сплаваоколо поверхности избегают любой ценой. Это потому, что они иначе формировалисьбы /> фазу(W3Co3C), интерметалический слой, который значительно уменьшает сопротивлениеразрыву на изгиб..
Покрытие происходит в реакторе, в котором вкладыши лежат напластинах или отсутствуют.
Реакционная камера нагрета нагревающимся «колоколом»,который помещен по всему реактору (горячий стенной реактор) (рис. 17-16), иливнутренним (графитовым) нагревательным элементом (холодно-стенной реактор).Соответствующее введение газа или нагрузка позволяет однородное покрытиекомпонентов твердых сплавов.
Прочность твердых сплавов значительно зависимо от покрытия (рис.17-17). Под растягивающим напряжением, трещины от напряжения формируются втонком ломком слое, который является только несколько мкм толщиной; эти трещины- в прямом угле к поверхности и имеют тот же самый эффект как и пазы. Онипричиняют разрушение, взаимодействуя с дефектами в основании твердых сплавов.Толщины слоя общего коммерческого резца составляют обычно от 5 до 15 мкм; болеетонкие слои (3 мкм) рекомендуются для фрез. Слои вышеупомянутой толщиныувеличивают срок службы твердых сплавов в два — или в три раза; альтернативно,скорости резания могут быть значительно увеличены при поддержании того жесамого ресурса забойщика. Очень поразительно, что протяженность износа поперекрежущей поверхности замедляется даже, когда стружка долго прорвалась черезтвердый материальный слой. Плакированные вкладыши используются исключительнодля приложений обработки на станке.