Файл: Л.П. Короткова Материаловедение. Порошковые инструментальные материалы.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Кузбасский государственный технический университет

Кафедра технологии металлов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ПОРОШКОВЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Методические указания к лабораторной работе по курсу "Инструментальные материалы"

для студентов направления 552900, специальностей 120100, 120200 и по курсу "Материаловедение" направлений 550200, 551400, 552100, 551800, 551800Х, специальностей 150200, 240100, 240400

всех форм обучения

Составитель Л.П. Короткова

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 6 от 7.03. 01

Рекомендованы к печати методической комиссией по направлению 552900 Протокол № 3 от 19.03.01

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2001

1

I. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить структуру, свойства, особенности технологии изготовления порошковых инструментальных материалов.

Познакомиться с рекомендациями по их применению.

2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Порошковые инструментальные материалы − это группа новых материалов. Они получили развитие в связи с широким применением труднообрабатываемых материалов, повышением скорости резания и дефицитом некоторых легирующих элементов. К порошковым инструментальным материалам относят: порошковые быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамические (керметы) материалы.

2.I. Порошковые быстрорежущие стали

Порошковые быстрорежущие стали отличаются от обычных быстрорежущих сталей технологией изготовления. Она состоит из двух этапов: получения металлических порошков и последующего компактирования их в плотные заготовки.

Порошки этих сталей получают распылением жидкой стали заданного химического состава в инертной газовой среде азота или реже аргона. Струя жидкого металла разбивается на капли газом, который подается через форсунки под давлением 2-3 МПа. В результате получается порошок с размерами 50-600 мкм.

Плотные заготовки изготавливают методами горячего компактирования. Для этого предварительно вакуумированные капсулы с порошком подвергают изостатическому прессованию под давлением 100-200 МПа и температуре 1100-1200° С с последующей ковкой. Для небольших по размеру заготовок используют более простой метод – горячую экструзию капсул с последующей ковкой.

Порошковые быстрорежущие стали отличаются от сталей, полученных по традиционной технологии, дисперсной структурой. В них отсутствует основной недостаток быстрорежущих сталей − карбидная неоднородность, карбиды в них мелкие 1-2 мкм и распределены почти

2

по баллу 1 карбидной неоднородности (рис.1, б), зерно соответствует 12-13 баллу (рис.1, а).

Дисперсная структура этих сталей получается уже на этапе изготовления порошков за счет охлаждения капель горячего металла с большой скоростью 103-106 град/с при распылении. Это обеспечивает большую степень переохлаждения сплавов, а значит высокую скорость кристаллизации. В результате в структуре порошков размер карбидной фазы менее 1 мкм, а балл зерна аустенита соответствует 14-15. При компактировании порошка в плотные заготовки структура наследует эти положительные особенности.

Перед обработкой резанием заготовки порошковых сталей для снижения твердости подвергают изотермическому отжигу по стандартному режиму, рекомендуемому для традиционных быстрорежущих сталей.

Окончательные свойства порошковых быстрорежущих сталей достигаются закалкой в масле при температуре 1160-1180° С и последующим двукратным отпуском при 540-550° С по 1 часу каждый. Температуры термической обработки порошковых сталей мало зависят от химического состава и по сравнению с обычными пониженные. Это объясняется особенностью структуры, их фазового состава.

Благодаря дисперсной структуре и особенностям фазового состава – высокой степени пересыщения твердых растворов, пониженному объему карбидной фазы, порошковые быстрорежущие стали по срав-

3

нению с обычными обладают лучшим комплексом механических свойств (прочность и ударная вязкость повышается на 40-50%), повышенной теплостойкостью (до 650-700° С) и вторичной твердостью (HRC 65-70), существенно лучшими технологическими свойствами (в 2-3 раза повышаются горячая пластичность и в 5-10 раз − шлифуемость). При ковке высококобальтовых и шлифовании высокованадиевых порошковых быстрорежущих сталей затруднений не возникает и к тому же выход годного металла составляет не менее 95 %, т.е. эта технология практически безотходная.

Новая технология изготовления быстрорежущих сталей открывает перспективу для внедрения в промышленность высокопроизводительных, высоколегированных, в том числе высокоуглеродистых, высокованадиевых, высококобальтовых сталей, которые по обычной технологиии получить практически невозможно, поэтому порошковые быстрорежущие стали являются инструментальными сталями будущего.

Основные марки порошковых быстрорежущих сталей, разработанные в настоящее время, приведены в табл.1 приложения. Видно, что это стали повышенной теплостойкости, которые эффективно применять для обработки труднообрабатываемых материалов.

2.2. Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы − это материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, связанных кобальтовой металлической связкой. Их получают путем спекания. Для этой цели методом химического восстановления получают порошки карбидов, их смешивают с порошками кобальта и прессуют под давлением 20000 МПа, а затем при температуре 14001450° С спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластинок. Термической обработке твердые сплавы не подвергаются.

За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твердосплавный инструмент обладает высокой твердостью HRA 80…90 (в пересчете на HRC 74…76), теплостойкостью (800…1000° С), поэтому им можно работать со скоростью, в 1,5-3 раза превышающей скорость резания по сравнению с быстрорежущими сталями. Однако твердые сплавы имеют пониженную прочность (σ и=1000-1500 МПа вместо 2500-

4

3000 МПа для быстрорежущих), имеют пониженную ударную вязкость и являются нетехнологичными.

Основные свойства твердых сплавов приведены в табл. 2 приложения (ГОСТ 3889-74). Из-за большой твердости из него сложно изготовить фасонный инструмент. Поэтому твердые сплавы применяют чаще в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках, либо приклеиваются к ним. Среди порошковых инструментальных материалов твердые сплавы в настоящее время используются широко.

Структура твердых сплавов представлена на рис. 2

Металлографический контроль качества твердых сплавов проводится в соответствии с ГОСТ 9391-74 по следующим параметрам:

-пористость;

-включения свободного углерода (графита);

-величина зерна WС – фазы;

-величина зерна (TiCW) – фазы;

-характер распределения Со – фазы.

Существует три группы твердых сплавов (ГОСТ 3882-74):

2.2.I. Вольфрамокобальтовые (группа ВК) ВК2…ВК8, ВК10,

ВК25.

Цифра в маркировке указывает на количество кобальта в сплаве, остальное приходится на карбид вольфрама WC (рис.2, а). Чем больше кобальта в сплаве, тем выше прочность и вязкость. Поэтому сплавы

5

ВК2, ВК3 применяют для получистовой и чистовой обработки, а сплавы ВК6, ВК8для чернового точения, фрезерования чугуна.

2.2.2. Титановольфрамокобальтовые (группа ТК) Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т10К6.

Цифры после буквы Т указывают весовое количество карбида ТiC, цифры после К − количество кобальта, остальное приходится на карбид WC (рис.2, б).

Чем больше в сплаве карбида ТiC, тем выше износостойкость, но ниже прочность. Наибольшей эксплуатационной прочностью обладают сплавы Т5К10, Т14К8, поэтому их применяют для черновой обработки стальных заготовок. Сплавы Т30К6, Т15К6 обладают высокой износостойкостью, но пониженной сопротивляемостью ударам. Их применяют для чистовой обработки.

2.2.3. Титанотанталовольфрамокобальтовые (группа ТТК) ТТК12, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9.

Цифра после ТТ указывает на суммарное содержание карбидов ТiС, ТаС, а после буквы К- на количество кобальта. Эти сплавы обладают высокой прочностью, поэтому используются для черновой обработки стальных слитков.

Твердые сплавы, выпускаемые по ГОСТ 3882-74, делятся по назначению на 3 группы: К, М и Р.

Сплавы группы К предназначены для обработки легированных сталей и других сплавов; М – для обработки труднообрабатываемых материалов; Р – для обработки стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка.

В настоящее время в Росси существуют три производителя твердых сплавов: КЗТС «Победит», ВНИИТС, Сандвик – МКТС. В табл. 3 приложения приводится информация по сопоставлению марок твердых сплавов различных фирм производителей, а также рекомендации по их применению.

2.3. Металлокерамические материалы

Металлокерамические материалы (керметы) ВО100 – (В1),

ВОК – 200 (В2), ВОКС – 300 (В3), ТВИН – 200 (Т2), ТВИН – 400 (Т4)

изготавливают путем прессования под давлением 10000 МПа с последующим спеканием при 1800° С порошков карбидов титана, кремния,

6

нитрида кремния с неметаллической связкой глинозема. Химический состав керметов приведен в табл.4 приложения. Структура керметов представлена на рис. 3

Керметы обладают высокой теплостойкостью (900…1000° С) и твердостью HRA 93…96 (в пересчете на HRC 75…80) и невысокой прочностью (σ и= 600-850 МПа). Механические свойства даны в табл.4 приложения. Их недостаток - пониженная вязкость, прочность. Из-за высокой твердости их используют только в виде пластин, а из-за пониженной прочности керметы находят применение только для чистового точения, фрезерования твердых материалов, в том числе закаленных сталей, включая быстрорежущую.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Познакомиться с методическими указаниями и законспектировать основные теоретические положения.

2.Изучить на металлографическом микроскопе коллекцию микрошлифов порошковых быстрорежущих сталей, твердых сплавов и керметов. Зарисовать структуру.

3.Пользуясь методическими указаниями, выписать основные свойства материалов (приведены в табл. 5 приложения).

4.Ответить на контрольные вопросы.

7

4. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Геллер Ю.А. Инструментальные стали. − М.: Металлургия,

1975. − 348 с.

2.Лахтин Ю.М. Материаловеденье / Ю.М. Лахтин, Ю.М. Леонтьева. − М.: Машиностроение, 1980. − 493 с.

3.Романова Н.И. Металлокерамические твердые сплавы / Н.И. Романова, П.Г. Чекулаев. – М.: Металлургия, 1970. – 352 с.

4.Анисеменко Г.Е. Твердые сплавы производства ведущих зарубежных фирм и предприятий России в сопоставлении по областям применения / Г.Е. Анисеменко, Ю.Д. Работягин // Инструмент Сибири.

−2000. − № 5. – С. 21-24.

Анисеменко Г.Е. Рекомендации по выбору твердых сплавов // Инструмент Сибири. 1999. − № 2. − С. 27-32.

8

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие существуют порошковые инструментальные материалы?

2.В чем заключается технология изготовления порошковых быстрорежущих сталей?

3.Каковы особенности термической обработки порошковых быстрорежущих сталей?

4.Каковы особенности структуры порошковых быстрорежущих сталей?

5.В чем преимущества порошковых быстрорежущих сталей по сравнению с быстрорежущими сталями, полученными по обычной технологии?

6.Область применения порошковых быстрорежущих сталей.

7.Какова технология изготовления твердых сплавов?

8.Какие группы твердых сплавов применяют в промышленности

?

9.В чем заключаются преимущества и недостатки твердых сплавов по сравнению быстрорежущими сталями?

10.Для каких видов механической работы применяют инструмент из твердых сплавов?

11. В чем заключается технология изготовления керметов?

12. Зарисуйте структуру керметов.

13. Дайте характеристику основных свойств керметов.

14. Область применения керметов.

9

Приложение

Таблица 1

Основные свойства порошковых быстрорежущих сталей