Сплавы, получаемые методами порошковой металлургии

1. Методы получения порошков

Порошки используются для получения порошковых сплавов. Такой сплав представляет собой металлический порошок (железный, из цветных металлов, в некоторых случаях — с добавкой графита или других примесей), спрессованный при высоком давлении и подвергнутый спеканию. Такой способ получения порошковых сплавов называется порошковой металлургией. Она позволяет создавать изделия с особыми свойствами, которые нельзя получить никакими другими методами, — пористые самосмазывающиеся подшипники, сплавы из таких несплавляющихся металлов, как вольфрам и медь, а также изготовлять большинство тугоплавких металлов, многокомпонентные смеси и т.д.

Порошки получают различными способами:

1. механическим измельчением железной и стальной стружки в шаровых, молотковых и вихревых мельницах;
2. восстановлением из оксидов тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, железа и др.);
3. электролитическим осаждением — меди, олова, железа и др.

Для получения порошков исходных компонентов служат различные технологии в зависимости от природы сырья. Для получения карбида вольфрама — основного компонента большинства твердых сплавов — используют карбидизацию порошкообразного металлического вольфрама в среде углеродосодержащего газа.

Металлический вольфрам получают в две стадии. На первой в результате разложения вольфрамовой кислоты образуется оксид вольфрама, который на второй стадии подвергают восстановлению в среде водорода (H2W4 → WO3 + H2OWO3 +3H2 → W + 3H2O и, наконец, 2WC2H → 2WCH2).

Карбид титана (TiC), являющийся компонентом и твердых сплавов, и режущей керамики, получают восстановлением окиси титана (TiO + C2H2 → TiC + CO + H2).

Оксид алюминия (Al2O3) — основа некоторых видов керамики — может быть получен переработкой бокситов, в которых его содержание составляет от 50 до 100%, а также обжигом глинозема.

Нитрид кремния может быть получен азотированием кремниевого порошка.

Металлический кобальт, являющийся связкой большинства твердых сплавов, получают восстановлением окислов кобальта в среде водорода.

Наиболее распространенный способ приготовления смесей — размол в шаровых мельницах. При этом происходят измельчение порошков, их перемешивание с целью получения однородной массы. Время размола составляет от 2–3 до 4–5 суток в зависимости от требований к дисперсности порошка.

2. Формирование заготовок и изделий

Формование заготовок и изделий для последующего спекания может осуществляться различными методами:

1. прессованием в пресс-формах;
2. гидростатическим прессованием;
3. мундштучным прессованием (методом шприцевания или выдавливания);
4. шликерным литьем (отливкой суспензий).

Наиболее распространенной технологией в порошковой металлургии является прессование в пресс-формах. Давление прессования составляет 500…600 МПа. При прессовании важно обеспечить высокую и равномерную плотность смеси по объему. От степени уплотнения зависит величина усадки при последующем спекании. Чем выше пористость заготовки, тем больше усадка, т.е. тем сильнее меняются размеры спеченного изделия. Если заготовка имеет неодинаковую плотность по объему, то вследствие различной усадки происходит искажение формы.

Исходные порошки инструментальных материалов обладают малой пластичностью. Это не позволяет обеспечить равномерную плотность при одностороннем прессовании (при одностороннем прессовании цилиндрических заготовок высотой 25…30 мм из порошков твердого сплава фактическое давление в нижних слоях смеси — у дна пресс-формы — составляет всего 20…30% от приложенного к пуансону).

Для получения более равномерной плотности по объему используют двустороннее прессование, при котором давление к уплотняемому порошку прикладывают с двух сторон.

При прессовании твердых сплавов в смесь вводят пластифицирующие вещества — пластификаторы, облегчающие скольжение частиц друг относительно друга и стенок пресс-формы, что способствует большей степени уплотнения смеси. В качестве пластификаторов используют раствор синтетического каучука в бензине, парафин. Кроме того, пластификаторы придают заготовкам некоторую прочность за счет клеящей способности. Такие заготовки можно обрабатывать резанием либо непосредственно после формования, либо после предварительного спекания при 800…1000°С, когда заготовки имеют большую пористость, облегчающую их обработку резанием. Это позволяет изготавливать изделия сложной формы, но вследствие высокой хрупкости при резании могут возникать выкрашивания или даже поломки.

3. Твердые сплавы

Основной фазой твердых сплавов являются карбиды или карбидонитриды в количестве 80% и более. Твердые сплавы имеют высокие твердость 87…92 HRA (HRC = 2HRC-104) и теплостойкость (80…1100°С), поэтому допустимые скорости резания при использовании твердосплавного инструмента также высокие — 100…300 м/мин.

В зависимости от типа твердой фазы — карбиды, карбонитриды — и металла связки твердые сплавы делятся на следующие группы:

1. WС—Co — вольфрамкобальтовые типа ВК;
2. WС—TiC—Co — титановольфрамокобальтовые типа ТК;
3. WС—TiC—Co — титанотанталовольфрамокобальтовые типа ТТК;
4. TiC и TiCN—(Ni+Mo) — сплавы на основе карбида и карбонитрида титана — безвольфрамовые типа ТН и КНТ.

Сплавы ВК. Сплавы маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта (ВК6 — 94% WС и 6% Со). Свойства сплава определяются, главным образом, содержанием кобальта. Его увеличение приводит к повышению прочности, но твердость и износостойкость при этом снижаются. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами. По содержанию кобальта сплавы можно разделить на группы:

1. низкокобальтовые (3…8% Со) ВК4, ВК6, ВК8. Применяют для режущего инструмента;
2. среднекобальтовые (до 15% Со). Применяют для изготовления бурового инструмента;
3. высококобальтовые — для штампованного инструмента. Сплавы ТК. Твердость сплавов ТК больше, чем у ВК, но их прочность ниже (при одинаковом содержании кобальта). Они имеют преимущество по теплостойкости — 1000°С. Увеличение содержания кобальта приводит к повышению прочности с одновременным снижением твердости и теплостойкости. Сплавы группы ТК (Т30К4, Т15К6, Т5К10) используют для обработки материалов со сливной стружкой, т.е. сталей, где от инструментального материала требуется повышенная теплостойкость.

Сплавы ТТК (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9). При равной теплостойкости сплавы ТТК превосходят сплавы ТК по сочетанию свойств «твердость — прочность». Наибольшее влияние легирования карбидом тантала проявляется при циклических нагрузках — ударная усталостная долговечность повышается от 6 до 25 раз.

Сплавы ТН, КНИ. Это безвольфрамовые твердые сплавы. (БВТС) на основе карбида и карбонитрида титана с никельмолибденовой, а не кобальтовой связкой.

4. Металлокерамика

Металлокерамическими называются сплавы, представляющие собой твердый раствор карбидов вольфрама (WС), титана (TiC), тантала (ТaС) в металлическом кобальте. Производство таких сплавов напоминает технологию получения керамических (глиняных, фарфоровых и огнеупорных) изделий. Эти сплавы обладают большой твердостью, что позволяет применять их для обработки металлов. Выпускаются металлокерамические изделия в виде пластинок для оснащения рабочей части различного металлорежущего инструмента (сверл, резцов, разверток, фрез) путем механического прикрепления или напайки к державкам.

По химическому составу карбидной основы металлокерамические сплавы делят на вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые.

Марки вольфрамовых металлокерамических сплавов ВК3, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК8В. Их применяют при обработке материалов, обладающих высокой твердостью и хрупкостью: чугуна, стекла, бронзы, фарфора. Сплав ВК6М используют для оснащения режущих инструментов при чистовой и получистовой обработке пластмасс, жаропрочных сталей, отбеленных чугунов. Сплав ВК8М служит для обработки инструментов при волочении, бурении, черновом точении жаропрочных и коррозионно-стойких сталей.

Титановольфрамовые металлокерамические стали маркируются Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др. Они применяются при обработке вязких материалов: латуни, стали.

Сплав Т5К10 используется для оснащения режущих инструментов при чистовом строгании и черновом точении по корке и окалине, сплавы Т15К6 и Т30К4 — при чистой и получистой обработке.

Титанотанталовольфрамовые металлокерамические твердые сплавы применяют при черновой обработке стальных поводок. Среди них можно выделить сплавы ТТ17К12 и ТТ10К8В. Их прочность на изгиб более высока по сравнению с титановольфрамовыми сплавами (σ_изг >> 1550 МПа).

Также к металлокерамическим относятся мелкозернистые высококобальтовые сплавы марок ВК20, ВК25, ВК30 и крупнозернистые новые сплавы, среди которых ВК15В, ВК20В и ВК25В. Они отличаются ударной вязкостью и высокой прочностью. Эти сплавы применяют для изготовления твердосплавных штампов, используемых при условии больших ударных нагрузок. Стойкость этих штампов в 40–50 раз больше, чем стальных.

5. Минералокерамические твердые сплавы

Минералокерамика — это синтетический материал, в основу которого положены технический глинозем (А12О3) и другие тугоплавкие оксиды (Cr2O3, SiO2, ZrO2). Среди таких сплавов можно выделить минералокерамику марки ЦМ-332 — микролит и термокорунд. По твердости (НRА 90…95), теплои износостойкости она превосходит твердые сплавы. Минералокерамические сплавы не содержат дорогостоящих металлов, дешевы в производстве.

К недостаткам микролита и термокорунда относят низкую прочность и большую хрупкость. Инструменты, оснащенные пластинками этих минералокерамических сплавов, не теряют своей твердости при нагревании в процессе работы до 1200°С. Поэтому их применяют в условиях безударной нагрузки при чистовой и получистовой обработке стальных и чугунных деталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов на высоких скоростях с небольшими глубинами резания и подачами.

В технологии производства пластинок микролита выделяют следующие этапы:

1. подготовка порошка;
2. формовка подготовленного порошка;
3. прессовка заготовки;
4. спекание при температуре 1750…1900°С.

Также пластинки получают горячим литьем под давлением (шлакерный метод).

К державкам инструментов пластинки микролита прикрепляют припаиванием или механическим закреплением. При пайке нужно предварительно произвести металлизацию пластинок, т.е. покрыть их тонким слоем какого-либо металла, подходящего для пайки.

Для улучшения механических и эксплуатационных характеристик минералокерамики в нее добавляют вольфрам, молибден, бор, титан, никель и т.д. Эти материалы называются керметами. Их используют при обработке резанием труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Среди минералометаллических сплавов также можно выделить сверхтвердые инструментальные материалы на основе поликристаллов бора — эльборы марок 01, 05, 10. Поликристаллы нитрида бора превосходят все инструментальные материалы по твердости и теплостойкости. Их монтируют в державки резцов и соединяют вакуумной пайкой или с помощью горячей опрессовки стальной втулки с поликристаллом. Инструменты, покрытые эльбором, применяют при обработке чугуна и стали любой твердости при высоких скоростях.

Инструменты, оснащенные поликристаллическими алмазами (карбонадо, балласом), используют для обработки титановых сплавов, металлокерамики, твердых сплавов.

6. Пористая и компактная металлокерамика

Металлокерамику, имеющую остаточную пористость в пределах 15…50%, называют пористой. К ней относятся антифрикционные материалы, фильтры и «потеющие» материалы. Антифрикционные материалы имеют в своем составе графит или другие компоненты, выполняющие роль смазки. Поры заполняют маслом.

Выпускают бронзографитовые и железографитовые металлокерамические изделия. Бронзографит по микроструктуре представляет собой зерна твердого раствора олова в меди с включением графита и пор, заполненных смазкой.

Железографит может иметь ферритную, перлитную и цементитную структуру. Антифрикционные материалы используют для изготовления подшипниковых втулок. Фильтры изготовляют из порошков железа, бронзы, никеля, коррозионностойкой стали и других материалов. Их пористость не менее 40…50%. Фильтры применяют для очистки топлива, очистки воздуха и различных жидкостей.

Металлокерамические материалы, предназначенные для охлаждения за счет испарения хладагента через поры, называют «потеющими» материалами. Их изготовляют из порошков коррозионно-стойкой стали, никеля, вольфрама, титана и т.д. Компактная металлокерамика. К ней относятся фрикционные материалы, магнитные, электроконтактные материалы. Фрикционные металлокерамические материалы представляют собой композиции на основе меди или железа. В их состав входят компоненты, служащие в качестве смазки и предохраняющие материал от износа, и компоненты, придающие материалу высокие фрикционные свойства. Фрикционные металлокерамические материалы имеют повышенную хрупкость и низкую прочность. Эти материалы применяют в узлах сцепления и торможения.

Магнитные металлокерамические материалы получают методами порошковой металлургии. Это магнитно-мягкие (ферриты), магнитно-жесткие материалы (постоянные магниты) и магнитодиэлектрики. Ферриты изготовляют методами холодного и горячего прессования из порошков чистого железа и сплавов на его основе или из порошков на основе окислов железа. Постоянные магниты являются металлокерамическими сплавами сложного химического состава на основе железа, легированного алюминием, никелем, медью, кобальтом. Магнитодиэлектрики представляют собой композиции магнитных и изоляционных материалов, которые разделяют металлические частицы в магнитном и электрическом отношении и являются механической связкой.

Электроконтактные металлокерамические материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов с медью, серебром, никелем.