УДК 621.762:669.01.034 Ш32

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Пермского государственного технического университета, академик РАЕН Л.М. Клейнер;

канд. физ.-мат. наук, заведующий лабораторией Пермского государственного университета А.С. Ким

Шацов А.А.

Ш32 Прикладное металловедение. Применение твердых сплавов в трибо­ технике: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т; Пермь, 2002. 28 с.

Рассмотрена история создания и принципы получения твердых сплавов. При­ ведены обоснования перспективности применения для пар трения материалов системы WC-MexCy-сплав на основе Со и основные направления улучшения эксплуатационных характеристик твердых сплавов. Обсуждена роль структурно-неустойчивого состояния кобальтовой матрицы.

Предназначено для студентов и аспирантов специальностей 110500 - «Метал­ ловедение и термическая обработка металлов», 110800 - «Композиционные и порош­ ковые материалы, покрытия». Может быть полезно металловедам, работающим в об­ ласти металлургии твердых сплавов, технологам и конструкторам, применяющим изно­ состойкие материалы.

УДК 621.762:669.01.034

© Пермский государственный технический университет, 2002

1.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ. ВАЖНЕЙШИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИХ СВОЙСТВА

ВВЕДЕНИЕ

Твердые сплавы были изобретены К.Шротером в 1923 г. в Германии [1, 2]. С того времени и по сей день они находятся в центре внимания материаловедов. Так, на Международном конгрессе по порошковой металлургии (декабрь 1998 г.) две первые награды Европейской ассоциации (ЕРМА) были вручены за разработ­ ки в области карбидсодержащих материалов [3]WK моменту изобретения сплавы системы WC-Co были вторым (после стали Гатфильда) материалом в структурно­ неустойчивом состоянии, и в настоящее время они являются одним из первых материалов с нанокристаллической структурой. Исходные компоненты твердых сплавов с нанофазной структурой обычно получают по золь-гель технологии. В научной литературе обсуждают два пути реализации наноструктуры: введение ингибиторов, замедляющих рост зерен (для WC-Co это главным образом карбиды ванадия и хрома), и низкотемпературное спекание с приложением давления, при этом возможен одновременный синтез алмазов. По-видимому, структурно­ градиентные материалы WC/Co/алмаз станут самыми износостойкими промыш­ ленными материалами ближайшего будущего.

Первое внедрение твердых сплавов осуществлено Ф.Круппом в 1927 г., тор­ говая марка "Widia" ("wie Diamant"— как алмаз). Первоначальное применение материалов системы WC-Co связано с инструментом для протяжки проволоки и износостойкими деталями. Только после исследования роли карбида вольфрама в формировании структуры и свойств твердых сплавов совершен прорыв в области создания режущего инструмента на базе системы карбид вольфрама - кобальт. В современном машиностроении 80% твердых сплавов используют в качестве режущего инструмента, который существенно превосходит любые известные быстрорежущие стали, но при этом доля твердых карбидовольфрамовых сплавов среди других видов инструмента всего 3 % [5].

Несмотря на столь длительный период промышленного использования, еще и сегодня не ясны все причины столь высокой прочности композитов WC-Co, и, действительно, все материалы, созданные на основе карбида или карбонитрида титана, при всех их преимуществах, не наитли сопоставимого по диапазону и разнообразию деталей применения. Мы связываем столь высокие свойства сплавов системы WC-Co с метастабильным состоянием кобальтовой матрицы при частичном растворении в ней карбидов вольфрама. Добавки даже наиболее термодинамически устойчивых карбидов изменяют свойства твердого раствора на основе кобальта и состав карбидной фазы [6]. Многочисленные факторы, глав­ ным из которых, по нашему мнению, является концентрационная неоднород­ ность, обеспечивают деформационное упрочнение кобальтовых связок в резуль­ тате фазового ГЦК-ГПУ перехода [2]. Косвенным подтверждением этого предпо­ ложения является весьма малое производство твердых сплавов методами литья, обеспечивающими более равномерное распределение растворенных компонентов. Здесь нельзя не отметить классическое объяснение, которое сводится к тому [1], что благодаря самой низкой энергии дефектов упаковки кобальт быстрее других металлов упрочняется в процессе деформации. Это приводит к повышению сопротивления разрушению индивидуальных ламелей связки. Но недостатки такой интерпретации очевидны, поскольку, как будет показано ниже, в случае фазовых переходов и для других типов связок получены повышенные показатели вязкости при достижении нестабильного состояния.

6.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ. ВАЖНЕЙШИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ

НА ИХ СВОЙСТВА И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Сочетание высоких физико-механических и триботехнических свойств обеспечивает применение твердых сплавов в качестве инструментальных материалов для резания и обработки металлов давлением, бурения горных пород, деталей, подвергающихся интенсивному износу.

Твердые сплавы - это гетерогенные композиции из зерен карбидов, нитридов или боридов и пластичного металла-связки. Подавляющее большинство твердых сплавов получают по следующей технологической схеме:

смешивание порошков металла, карбида и пластификатора (в качестве ко­ торого чаще всего используют 10 %-ный раствор каучука в бензине);

предварительная сушка пластификатора при температуре 70-90 °С, 1-2 часа;

протирка через сито с размером ячейки порядка 1 мм для формирования гранул;

окончательная сушка гранулированной шихты при температуре 90-120 °С, 1-2 часа;

формование деталей в стальных пресс-формах при давлении 50-200 МПа; предварительное спекание (выжигание пластификатора) при температуре

порядка 900 °С; окончательное спекание в вакууме или восстановительной атмосфере при

температуре 1350-1700 °С.

Продолжительность окончательного спекания обычно стремятся минимизиро­ вать с целью уменьшения размера зерна, растворения твердой фазы в матрице, диффузионной пористости, искажений формы деталей и др.

Некоторые преимущества (отсутствие остаточной пористости, более мелкое зерно, менее значительные изменения размеров и формы) возможно получить благодаря изостатическому горячему прессованию и спеканию под давлением, но в этом случае резко возрастает стоимость изделий. Указанные технологические приемы используют лишь для ответственных крупногабаритных изделий [7], при этом цена 1 кг деталей типа «втулка» достигает 60 долларов США.

Технологические процессы, включающие инфильтрацию, за редким исключе­ нием не нашли промышленного использования для композитов с высокой кон­ центрацией твердой фазы из-за сложности их практической реализации и более высокой стоимости изделий по сравнению с принятой технологией порошковой металлургии.

Важнейшими факторами, определяющими свойства и области применения твердых сплавов, являются: механические и коррозионные свойства упрочняю­ щей фазы и матрицы, угол смачивания матрицей карбидов или других тугоплав­ ких соединений, термодинамическая стабильность и совместимость компонентов, остаточная пористость, возможность реализации структурно-неустойчивого состояния матрицы при весьма незначительном растворении твердой фазы.

Поскольку об эксплуатационных свойствах обсуждаемых материалов судят по характеристикам твердости и вязкости, несколько подробнее следует остановить­ ся на связи твердости и вязкости с износостойкостью. В трибологии твердые сплавы пока не нашли широкого применения из-за их относительно высокой стоимости и плохой механической обрабатываемости, а также вследствие возможности в большинстве случаев найти инженерные решения, повышающие до требуемого уровня износостойкость пар трения. Но по мере развития техники, повышения требований к надежности и долговечности машин и механизмов области применения твердых сплавов расширяются, они становятся незаменимы­

ми в случае высоких нагрузок, ограниченной подачи смазки и особенно при абразивном износе.

При скольжении в присутствии абразива объем изношенного материала мож­ но оценить из выражения, полученного М.М. Хрущевым, которое устанавливает пропорциональную зависимость объема износа от нагрузки, пути трения, размера зерна абразива и обратно пропорциональную от начальной твердости металла или

другого исследуемого материала.

Износ линейно возрастает с ростом размера зерна только до некоторой крити­ ческой величины, а затем не изменяется, скорость скольжения, если не приводит к

заметному нагреву контакта, также мало влияет на величину абразивного износа

[8]. С твердостью дело обстоит сложнее, следует рассматривать отношение

твердости металла Нтк твердости абразива На. В диапазоне Нт/ На = 0,7-1

износ относительно невелик, при отношении Нт/ На= 1-1,3 возрастает с повыше­ нием твердости часто по линейной зависимости, но если отношение Нт / На

достигает 1,3-1,7, то износостойкость перестает зависеть от твердости абразива. Исключение составляют материалы, имеющие деформационные фазовые перехо­ ды при трении.

Более общим случаем является коррозионно-механический износ, когда раз­ рушение поверхности происходит под влиянием механического и коррозионного факторов, а интенсивность определяется природой контактирующих материалов, их коррозионной стойкостью, воздействием окружающей среды и т.д.

Таким образом, наиболее важными контролируемыми показателями рабо­ тоспособности твердых сплавов являются твердость, вязкость и коррозионная стойкость.

2.СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ

Всовременных твердых сплавах стремятся реализовать один из четырех под­ ходов: 1) измельчение зерна (этот подход традиционен ДЛ5* поликристаллических материалов); принято разделять твердые сплавы на супертонкие (0,2-0,3 мкм), ультратонкие (0,4-0,5 мкм), тонкие (0,6-0,7 мкм) и стандартные (0,9-1,4 мкм) [4, 5]; 2) замена кобальтовой матрицы на более коррозионно-стойкую или износо­ стойкую; 3) исключение или частичная замена карбида вольфрама на другой карбид с целью повышения эксплуатационных характеристик и/или снижения цен на изделия; 4) создание более технологичных материалов с карбидным упрочне­ нием, чем современные твердые сплавы. Последний подход представляется наиболее перспективным в плане быстрого получения экономического эффекта. Так, типичная цена твердосплавной пластинки для режущего инструмента находится на уровне пяти рублей, а производство изделий сложной конфигурации или тонкостенных деталей на несколько порядков повышает стоимость и зачас­ тую делает внедрение твердых сплавов экономически нецелесообразным. Быст­ рый рост цен на вольфрам и кобальт (до 170% в год) [9], характерный для начала

исередины восьмидесятых годов, в девяностых и двухтысячных годах сменился небольшим монотонным повышением. На первом плане опять оказалась задача создания экономичных технологий изготовления деталей заданной конфигура­ ции.

Две основные характеристики обсуждаемых сплавов - твердость и вязкость. В промышленности качество материалов чаще всего оценивают по твердости, которую можно вычислить из выражения

де Нм- твердость материала по Виккерсу; Hwc - твердость карбида вольфрама по Виккерсу; Vwc - объемная доля карбидной фазы; к - коэффициент, характеризую­ щий взаимодействие между карбидами и связкой ("прилегание" [1]); Яв - твер­ дость связки по Виккерсу.

где d - средний размер карбидной частицы, мм.

где 1- средняя толщина прослойки связки, мм.

Другое известное соотношение между твердостью и микроструктурой пред­

Это соотношение подходит для традиционных твердых сплавов и не может быть использовано для материалов с субмикронным размером частиц. У субмик­ ронных сплавов наблюдается аномальное повышение твердости (порядка 10 %) и эксплуатационных характеристик [4, 10], но независимо от размера частиц проч­ ность и твердость изменяются согласованно [4].

С другой характеристикой - вязкостью для традиционных твердых сплавов, на первый взгляд все относительно ясно: чем больше доля связки и размер зерна, тем выше вязкость [1]. Однако существует ли корреляция между содержанием связки и размером зерна, не исследовано. Сведения о влиянии размера зерна на важней­ шую характеристику вязкости К\с (трещиностойкость) не только твердых спла­ вов, но и в целом порошковых материалов весьма ограничены. Для компактных материалов и керамики получены данные, согласно которым К\Срастет с увели­ чением зерна [11-20], не зависит от размера зерна [И, 20, 21], уменьшается с уменьшением размера зерна [22]. Если изменение размера зерна увеличивает до-