О научно-исследовательской и опытно - ТЕхнологической работе

ОТЧЕТ

по теме: «Разработать твердый сплав на основе карбида вольфрама и кремния и технологию изготовления из него износостойких элементов распыливающих устройств, освоить их производство в СП ООО «Букар»»

тема 2012 г. «Исследовать влияние состава порошковой смеси на структуру и свойства твердого сплава на основе композиционных карбидных систем.Разработать режимы получения износостойких элементов распыливающих устройств из твердого сплава основе композиционных карбидных систем. Изготовить экспериментальные образцы износостойких элементов распыливающих устройств в кол-ве 5 кг и провести их предварительные испытания. Разработать технологию изготовления износостойких элементов распыливающих устройств из твердого сплава на основе композиционных карбидных систем. Разработать проект ТУ на опытную партию износостойких элементов распыливающих устройств. Разработать режимы механической доработки износостойких элементов распыливающих устройств из твердого сплава основе композиционных карбидных систем. Изготовить приспособления для механической доработки изделий. Изготовить опытную партию износостойких элементов распыливающих устройств в кол. 70 кг, провести их механическую доработку и предварительные испытания»

Этап 1.93.02.01 (1 кв. 2012 г.) «Исследовать влияние состава порошковой смеси на структуру и свойства твердого сплава на основе композиционных карбидных систем»

(промежуточный)

ГНТП «Новые материалы и технологии-2015», подпрограмма «Новые материалы»

задание 1.93

договор № 1521-11 от 10.05.2010 г.

Минск 2012

Реферат

Отчет 15 с, 10 рис., 1 источник

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ, карбид кремния, БОРИД ХРОМА, СПЕКАНИЕ, СВОЙСТВА

Объектомисследования являются твердые сплавы на основе карбида вольфрама, легированные микро - и наноразмерными компонентами различной химической природы.

Цель работы - разработка твердого сплава на основе карбида вольфрама с повышенными физико-механическими характеристиками и технологии изготовления из него износостойких элементов распыливающих устройств, освоение их производства в СП ООО «Букар».

На данном этапе работы исследовано влияние состава порошковой смеси WC – Co с добавками микрокристаллических и нанодисперсных компонентов различной химической природы (карбид кремния, борид хрома) на структуру и свойства твердого сплава.

Содержание

Введение

Важной задачей научно-технического прогресса является разработка новых и совершенствование существующих материалов и технологий. К материалам, имеющим огромное, уникальное значение для обрабатывающей и ряда других отраслей промышленности, относятся твердые сплавы на основе карбида вольфрама.

Физико-механические свойства твердых сплавов на основе карбида вольфрама определяются рядом факторов: соотношением составляющих фаз карбида вольфрама и кобальта, размером зерна карбида вольфрама, степенью связанности и смежности карбидных зерен, наличием легирующих элементов.

Актуальность исследований, планируемых к выполнению в рамках задания, обусловлена тем, что существующие подходы к повышению физико-механических и функциональных свойств твердых сплавов, основанные, как правило, на легировании этих композитов тугоплавкими и карбидными соединениями, практически себя исчерпали. В последнее десятилетие на вооружении современного материаловедения появились новые высокоэффективные способы повышения комплекса свойств металлических и неметаллических материалов, такие как создание материалов с микро - и нанокристаллической структурой.

Однако следует отметить, что получение твердых сплавов, как и других материалов на основе нанодисперсных компонентов связано с рядом значительных трудностей: низкой уплотняемостью микро– и нанопорошков при формовании образцов и изделий, их высокой активностью и склонностью к окислению, к интенсивному росту зерна и значительной усадке при спекании.

Целью работы является разработка твердого сплава на основе карбида вольфрама с повышенными физико-механическими характеристиками и технологии изготовления из него износостойких элементов распыливающих устройств, освоение их производства в СП ООО «Букар».

Для повышения физико-механических свойств предлагается вводить в порошки сплавов WC – Co микрокристаллические и нанодисперсные компоненты различной химической природы (карбид кремния, борид хрома), которые препятствуют неравномерному росту карбидного зерна, уменьшают степень связности карбидной фазы, упрочняют зерна кобальта и карбида вольфрама.

1 Исследовать влияние состава порошковой смеси на структуру и свойства твердого сплава на основе композиционных карбидных систем

Основным направлением развития твердых сплавов является получение материалов с заданным зерном и структурой, легирование или изменение состава карбидной составляющей твердых сплавов, усложнение и изменение состава цементирующей фазы. Большое значение придается как повышению качества существующих сплавов WC - Co, так и созданию новых материалов на их базе, которые бы позволили повысить эксплуатационные характеристики разрабатываемых изделий.

В изделиях из твердых сплавов наследуются качества исходных порошков, поэтому обеспечение необходимых свойств порошков является ключевой проблемой современного производства твердых сплавов. К порошкам, применяемым для изготовления твердых сплавов на основе карбида вольфрама, предъявляются весьма жесткие и во многом специфические требования, такие как: высокая чистота исходных компонентов, оптимальный гранулометрический состав, благоприятная морфология частиц, отсутствие агломератов.

Применение при изготовлении твердых сплавов на основе карбида вольфрама микро - и нанокристаллических порошков позволило существенно повысить такие характеристики как твердость, прочность на изгиб, параметр вязкости разрушения, износостойкость.

Целью работы является разработка твердого сплава на основе карбида вольфрама с повышенными физико-механическими характеристиками и технологии изготовления из него износостойких элементов распыливающих устройств, освоение их производства в СП ООО «Букар».

На основе анализа данных литературных и патентных источников предложено повысить комплекс физико-механических и функциональных свойств инструментальных вольфрамосодержащих твердых сплавов за счет формирования мелкодисперсной структуры при введении в сплавы дисперсных компонентов различной химической природы (SiC, CrB₂), являющихся ингибиторами роста карбидного зерна при спекании, дисперсными упрочнителями зерна кобальта и карбидной фазы.

Ранее нами была показана целесообразность легирования твердого сплава ВК15 микродисперсными добавками борида хрома в количестве 2 мас. % [1].

На данном этапе исследований представлены результаты изучения процессов совместного допирования твердого сплава ВК 15 боридом хрома (2 мас. %) и карбидом кремния в количестве 0, 5 – 5 мас. %.

В порошковую смесь ВК-15 (средний размер порядка 1, 5 мкм) вводили дисперсные добавки карбида кремния и борида хрома размером 0, 5 – 0, 7 мкм.

Порошки борида хрома и карбида кремния измельчения в планетарной мельнице при скорости вращения вала 360 об/мин, отношении веса шаров к весу шихты 10: 1 с добавлением поверхностно-активного вещества – поливиниловый спирт (0, 1 мас. %), в качестве размольной жидкости использовали этиловый спирт.

Гранулометрический состав и средний размер частиц исходных и диспергированных порошков определяли путем прямого визуального наблюдения на оптическом микроскопе «Оптон» и сканирующем электронном микроскопе «Кэм-скан». Прямое наблюдение частиц дает возможность определить выраженное в процентах относительное содержание частиц данного размера, т.е. частичную концентрацию. Общее количество частиц в каждой пробе, измеренных на микроскопе, составляло 300-400 шт. Гистограммы распределения частиц по размерам, построенные по результатам визуального наблюдения, дают наиболее наглядное изображение этого распределения.

Получение качественных смесей порошков различной природы и дисперсности весьма сложная задача. Порошки после размола и последующей сушки агломерируют из-за действия сил ван дер Вальса, в ряде случаев образуя весьма прочные агрегаты. Вследствие этого основной задачей при смешивании является дезагрегация порошков до первичных частиц, которая сопровождается перемешиванием отдельных частиц различных компонентов.

Порошки карбида кремния и борида хрома, вводили в размолотый порошок твердого сплава ВК15 путем смешивания в среде этилового спирта (50 мл на 100 г шихты) в присутствии керамических шариков для улучшения качества смешивания. Время смешивания 4 ч. Отношение веса шаров к весу шихты составляло 5: 1. Для ускорения процесса дезагрегации вводили олеиновую кислоту (0, 5 мас. %), являющуюся поверхностно активным веществом, растворимым в спирте. Исследования показали, что частицы добавок равномерно распределены в твердосплавном порошке, размер их близок к размеру частиц после размола.

Из полученных смесей порошков при давлении 50-300 МПа прессовали образцы диаметром и высотой 10 мм.

Спекание спрессованных образцов проводили в вакуумной печи СНВ 1.3.1 в интервале температур 1200 -1500 °С, при разрежении 10^{-3 мм. рт. ст., время спекания 1 ч.}

На шлифах спеченных образцов определяли микротвердость и параметр вязкости разрушения исследуемых композиций. На машине трения МТ-1 были проведены триботехнические испытания при трении по стальному диску (твердость 40-45 HRC) диаметром 49, 2мм, толщиной 1 мм при нагрузке 100 Н, линейной скорости вращения 2, 3 м/с, угловой скорости вращения 880 об^-1.

Исследованиями установлено, что если введение борида хрома не влияет на относительную плотность прессовок, то при всех давлениях прессования относительная плотность прессовок падает с увеличением концентрации карбида кремния (рисунок 1, 2).

1 - 100 мас. % ВК15; 2 – 0, 5 мас. % SiC; 3 – 1 мас. % SiC;

4 – 3 мас. % SiC; 5 – 5 мас. % SiC

Рисунок 1- Влияние давления прессования на плотность прессовок

1 - 100 мас. % ВК15; 2 – 0, 5 мас. % SiC; 3 – 1 мас. % SiC;

4 – 3 мас. % SiC; 5 – 5 мас. % SiC

Рисунок 2- Влияние давления прессования на относительную плотность прессовок

1- давление прессования 50 МПа; 2 – 100 МПа; 3 – 150 МПа; 4 – 200 МПа,
5 - 300 МПа

Рисунок 3 – Влияние содержания карбида кремния на относительную плотность прессовок

На рисунках 4-6 представлены результаты исследования процессов спекания прессовок в вакууме. Как показали исследования, введение карбида кремния ведет к снижению относительной плотности спеченных образцов. Так, при содержании 0, 5 –1 мас. % SiC максимальная относительная плотность образцов составляет 99, 5 % – 99, 8 %, 3 мас. % – 98 %, 5 мас. % - 82 %. Исследование микроструктуры спеченных сплавов показали, что размер карбидного зерна твердого сплава с введением карбида кремния уменьшается. Размер зерна твердого сплава, содержащего 1 мас. % SiC, на15-20 % меньше, чем у сплава ВК15. Дальнейшее повышение содержания SiC незначительно сказывается на размере карбидного зерна.

1 - 100 мас. % ВК15; 2 ВК15 + 2 мас. % CrB₂; 3 ВК15 + 0, 5 мас. % SiC;
4 ВК15 + 1 мас. % SiC; 5 - ВК15 + 3 мас. % SiC; 6 ВК15 + 5 мас. % SiC;
7 ВК15 + 2 мас. % CrB₂ + 1 мас. % SiC

Рисунок 4 - Влияние температуры спекания на плотность образцов

1 - 100 мас. % ВК15; 2 ВК15 + 2 мас. % CrB₂; 3 ВК15 + 0, 5 мас. % SiC;
4 ВК15 + 1 мас. % SiC; 5 - ВК15 + 3 мас. % SiC; 6 ВК15 + 5 мас. % SiC;
7 ВК15 + 2 мас. % CrB₂ + 1 мас. % SiC

Рисунок 5 - Влияние температуры спекания на относительную плотность образцов

1 – Тспек = 1200 °С, 2 – 1250 °С, 3 - 1300 °С, 4 - 1350 °С, 5 - 1400 °С Рисунок 6 - Влияние концентрации карбида кремния на плотность образцов

На рисунке 7, 8 представлены зависимости свойств твердого сплава от содержания карбида кремния.

Рисунок 7 – Влияние содержания карбида кремния на параметр вязкости разрушения твердого сплава

Рисунок 8 – Влияние содержания карбида кремния на микротвердость твердого сплава

Можно видеть, что с увеличение содержания карбида кремния до 0, 5 мас. % как микротвердость сплава, так и параметр вязкости разрушения несколько растут, затем с ростом содержания SiC уменьшаются. Это можно объяснить тем, что введение карбида кремния свыше 1 мас. % вызывает значительное увеличение пористости (рисунок 6), снижение прочности твердого сплава. Введение борида хрома (2 мас. %) в сплав с содержанием 0, 5 мас. % карбида кремния на 7-9 % повышает параметр вязкости разрушения (с 7, 9 до 8, 3 – 8, 5 МПа*м ^½ ).

Исследование антифрикционных свойств разрабатываемых материалов показало (рисунок 9), что повышение содержания карбида кремния в твердом сплаве до 0, 5 мас. % увеличивает износостойкость на 15 %, до 1 мас. % - на 30 %, дальнейшее увеличение концентрации добавки значительно снижает износостойкость, что, очевидно, связано со значительным ростом пористости, снижением прочности сплава. При этом, как видно из рисунка 10, процесс изнашивания твердого сплава сопровождается как изнашиванием кобальтовой связки, так и разрушением и выкрашиванием карбидных зерен. Введение борида хрома
(2 мас. %) в сплав, содержащий 0, 5 мас. % карбида кремния, на 8-10 % повышает его износостойкость.

Рисунок 9 – Влияние содержания карбида кремния на износостойкость твердого сплава

Рисунок 10 – Поверхность износа твердого сплава

На основе анализа данных литературных и патентных источников предложено повысить комплекс физико-механических и функциональных свойств инструментальных вольфрамосодержащих твердых сплавов за счет формирования мелкодисперсной структуры при введении в сплавы компонентов различной химической природы (SiC, CrB₂), являющихся ингибиторами роста карбидного зерна при спекании, дисперсными упрочнителями зерна кобальта и карбидной фазы.

С увеличение содержания карбида кремния до 0, 5 мас. % как микротвердость твердого сплава, так и параметр вязкости разрушения несколько растут, затем с ростом содержания SiC уменьшаются. Это можно объяснить тем, что введение карбида кремния свыше 1 мас. % вызывает значительное увеличение пористости, снижение прочности твердого сплава. Введение борида хрома (2 мас. %) в сплав с содержанием 0, 5 мас. % карбида кремния на 7-9 % повышает параметр вязкости разрушения (с 7, 9 до 8, 3 – 8, 5 МПа*м ^½ ).

Исследование антифрикционных свойств разрабатываемых материалов показало, что повышение содержания карбида кремния в твердом сплаве до 0, 5 мас. % увеличивает износостойкость на 15 %, до 1 мас. % - на 30 %, дальнейшее увеличение концентрации добавки значительно снижает износостойкость, что, очевидно, связано со значительным ростом пористости, снижением прочности сплава. При этом, как видно из рисунка 10, процесс изнашивания твердого сплава сопровождается как изнашиванием кобальтовой связки, так и разрушением и выкрашиванием карбидных зерен. Введение борида хрома (2 мас. %) в сплав, содержащий 0, 5 мас. % карбида кремния, на 8-10 % повышает его износостойкость.