Наиболее важными свойствами металлокерамических твердых сплавов являются: твердость, вязкость, стойкость на истирание, удельный вес, теплопроводность и красностойкость. Все эти свойства тесно связаны одно с другим и оказывают большое влияние режущую способность твердых сплавов.
Основным фактором, влияющим на все эти свойства, является химический состав твердых сплавов. Из всех перечисленных свойств теплопроводность и красностойкость являются свойствами независимыми, т. е. при изменении других свойств они могут оставаться ее или менее постоянными. Остальные же свойства не могут быть индивидуально изменяемы. Изменение состава сплава влечет за собой одновременное изменение всех свойств. Такие свойства как стойкость на истирание, удельный вес и твердость связаны между собой прямой зависимостью: чем выше удельный вес сплавов одного и того же состава, тем выше и твердость, и стойкость на истирание. Вязкость связана с твердостью обратной зависимостью: большей твердости соответствует меньшая вязкость и наоборот.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость твердых сплавов зависит прежде всего от соотношения между количеством карбида и вспомогательного металла, т. е. твердость тем выше, чем больше карбида и меньше вспомогательного металла при всех прочих равных, условиях. Из сплавов одинакового состава твердость будет, больше у того сплава, который обладает большей плотностью.
На твердость оказывает влияние также зернистость сплава. Как правило, сплавы более мелкозернистые имеют большую твердость. Твердость является достаточно четким показателем окончания процесса спекания сплавов.
Вязкость – это способность материала выдерживать ударные нагрузки без разрушения. Вязкость может быть определена как:
- сопротивление изгибу;
- сопротивление разрыву;
- сопротивление удару.
Стойкость на истирание – это способность сплава противостоять силе трения. Характер износа при резани зависит от природы сплава и обрабатываемого материала, но в основе износа лежит явление истирания при трении скольжения.
Теплопроводность - это способность сплава проводить тепло. Теплопроводность, относится к группе наименее изученных свойств, так же как электропроводность и магнитные свойства. Теплопроводность сплава не является аддитивным свойством, так как в сплаве практически происходит взаимодействие компонентов, а также имеется пористость. Это весьма важное свойство, особенно при обработке сталей, когда образуется сливная стружка. Меньшая теплопроводность твердых сплавов является положительным фактором.
Красностойкость - способность твердых сплавов сохранять свои механические свойства при нагреве до высокой температуры. Основным фактором, который влияет на это свойство, является химический состав сплавов. Чем выше температура плавления исходных компонентов, и в первую очередь вспомогательного металла, тем выше и красностойкость сплава. У сплавов одного и того же типа красностойкость тем выше, чем меньше в них вспомогательного металла.
Удельный вес – это отношение плотности одного вещества к плотности другого, принимаемого за эталон при одинаковых температуре и давлении. Практический удельный вес твердых сплавов всегда ниже теоретически вычисленного. Это объясняется тем, что в сплаве всегда остается определенное количество пор. Удельный вес твердых сплавов является весьма важным их свойством, так как в нем собираются все важнёйшие показатели сплавов. Большому удельному весу соответствует хорошая плотность, большая вязкость, хорошая твердость, хорошие рабочие свойства.
Режущие свойства – это способность обрабатывать материалы резанием при определенной скорости и с определенной производительностью. Режущие свойства металлокерамических сплавов являются самым важным признаком, определяющим их качество и пригодность к работе. Основными же факторами, определяющими режущие качества резцов, являются стойкость и скорость резания. Под стойкостью понимается время, в течение которого резец остается острым. Под скоростью резания понимается такая скорость, при которой резец затупляется через 60 мин.
Микроструктура сплава – это строение и внутренние дефекты сплава, видимые при помощи увеличения под микроскопом.
Также важными показателями, определяющими потребительские свойства твердых сплавов, являются:
Предел прочности – (временное сопротивление разрыву) – условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Ударная вязкость – способность сплава выдерживать ударные нагрузки без разрушения.
Макроструктура – строение и внутренние дефекты сплава, видимые невооруженным глазом или с помощью лупы при увеличении до х 25.
Удельное электрическое сопротивление – свойство электропроводника, вычисляемое как отношение напряжения, прилагаемого к проводнику, к току, проходящему через него.
Плотность – отношение массы к объему для данного вещества.
Магнитная проницаемость – отношение плотности магнитного потока в теле ко внешнему магнитному полю, порождающему этот поток.
Модуль нормальной упругости Е (модуль Юнга) – постоянная упругость, представляющая собой отношение нормального напряжения и соответствующего относительного удлинения при растяжении (сжатии) в пределах закона Гука.
Безвольфрамовые твердые сплавы получают методом порошковой металлургии.
Технологический процесс состоит из следующих операций:
- взвешивание компонентов;
- мокрый размол и перемешивание порошков в шаровых мельницах;
- выпаривание ацетона;
- первое просеивание;
- приготовление пластификатора;
- замешивание смеси с пластификатором;
- выпаривание бензина;
- второе просеивание;
- контроль твердосплавной смеси;
- прессование;
- сушка изделий;
- спекание изделий;
- контроль качества изделий;
- механическая обработка пластин - шлифование и доводка, маркировка изделий.
Получение чистых металлов (см. блок-схему 4.1;4.2)
Для того чтобы получить карбид высокого качества, сначала восстанавливают металлы из их соединений.
Существует довольно много способов получения чистых порошкообразных металлов, однако промышленное значение получили лишь следующее:
o восстановление Н2 из окисей;
o восстановление С из окисей;
o восстановление Na из окисей;
Первым способом восстанавливают W, Co, Ni, Fe.
Вторым – только W, так как Co, Ni, Fe получаются грубозернистыми и загрязняются карбидами, что недопустимо.
Третьим способом получают Ta и Nb.
В нашем случае металлы восстанавливают при помощи водорода. Оксид металла подвергается воздействию Н2 по общей схеме:
МехОу + Н2 → Ме + Н2О
Карбонизация металлов
Следующей стадией является карбонизация металлов. Для этого восстановленные металлы смешивают с сажей. Реакция идет по схеме:
Ме + С → МехСу + Q
Просеивание
Порошки разделяют на фракции по величине частиц с использованием вибросит. Разделение происходит также с помощью воздушных сепараторов и седиментации (разделение жидких смесей).
Смешивание карбидов (см. блок-схему 4.3)
Приготовление однородной по объему механической смеси осуществляют путем смешивания порошков в специальных смесителях. Это является одной из основных операций в производстве спеченных твердых сплавов. От условий выполнения этой операции в значительной степени зависят свойства продукта-изделия.
Мокрый размол
В условиях мокрого размола происходит не только разрушение конгломератов, но и измельчение зерен карбида и их смешивание со связующими металлами. Это достигается не столько ударным, сколько истирающим действием шаров при их движении внутри вращающегося барабана-мельницы.
Большое значение в процессе размола имеют также интенсивность и продолжительность размола смеси, ее соотношение с жидкостью и шарами, размер шаров.
Выпаривание ацетона
Для удаления ацетона из смеси используется вакуумный выпариватель. Вакуумное выпаривание необходимо для предотвращения окисления смеси.
Температура нагрева 70-800С, продолжительность процесса 8-16 ч при объеме выпаривателя 10 л.
Первое просеивание
Для улучшения процесса перемешивания порошка и пластификатора и удаления посторонних примесей высушенная и охлажденная смесь просеивается на виброситах.
Приготовление пластификатора
Процесс заключается в получении однородного раствора пластификатора, применяемого для приготовления твердосплавных смесей перед прессованием. Пластификатор применяется в целях повышения пластичности спрессованных изделий и улучшения прессуемости смесей.
Каучук синтетический в необходимом количестве промывается от талька, размягчается в горячей воде в течение суток, измельчается и затем засыпается в реактор якорной мешалки, туда же заливается авиационный бензин типа Б-70 по ГОСТ 1012-72. В реакторе ведется непрерывное перемешивание до полного растворения каучука (8-10 ч). Затем раствор фильтруется через тампон из двух слоев марли и ваты. Раствор синтетического каучука должен быть 7,5-8,5%. Зольность раствора не должна превышать 0,04%.
Замешивание с пластификатором
Порция смеси взвешивается на весах и засыпается в смеситель. Раствор СК в бензине нужной концентрации подается в смеситель тонкой струйкой (из расчета 3,5-4 л раствора на 100 нл смеси).
Выпаривание бензина
Приготовленная смесь выгружается на противень из нержавеющей стали и помещается в сушильный шкаф.