7.Схемы и технологии свс-прессования, свс-экструзии, свс-сварки

Технология СВС-прессования

Современные твёрдые сплавы состоят из износостойкой составляющей (WC, TiC, TaC) и связующего металла или сплава (Co, Ni, Mo), обеспечивающего прочное сцепление износостойких зёрен между собой. Получают изделия из твёрдых сплавов методами порошковой металлургии: спеканием (малогабаритные изделия) или горячим прессованием (крупногабаритные изделия).

Новый подход к созданию твёрдых сплавов состоит в составлении шихты, способной к экзотермическому превращению в режиме СВС с образованием характерной для твёрдых сплавов структуры с последующем уплотнением продуктов синтеза под прессом до беспористого состояния.

Для получения твёрдых сплавов используют порошки металлов (Ti, Cr, Ni, Mo и др.) и неметаллов (C, B и др.). Смесь - шихта составляется таким образом, чтобы СВС-процесс осуществлялся за счёт сильноэкзотермических реакций, например, Ti+C=TiC или Ti+2B=TiB₂, а остальные компоненты выполняли роль легирующих и связующих добавок.

Для осуществления процессов СВС-прессования были предложены две схемы проведения процесса.

Первая схема в настоящее время широко применяется в практике для получения твердосплавных заготовок, отношение толщины к диаметру (длине) которых меньше 1/4. Песок, используемый для передачи давления, играет роль теплоизолятора и выступает в качестве среды, отводящей при горении адсорбированные газы и легкоплавкие примеси. Достоинством указанной схемы является простота проведения процесса, недостатком - трудность воспроизведения формы, заданной исходной шихтовой заготовке.

Для получения крупногабаритных заготовок (h/d 1, d  50 мм) применяют "жёсткие" пресс-формы. В "жёстких" пресс-формах нет необходимости использовать теплоизолятор из-за меньшей поверхности теплоотвода. Эта схема более универсальна, позволяет получать компактные твёрдосплавные заготовки заданной формы, требующие меньшей механической обработки в размер.

Для осуществления процессов СВС-прессования используются гидравлические прессы, способные обеспечить удельные давления прессования  1000 кгс/см². Недавно ПО "Гидропресс" освоил и выпустил три пресса модели Д-1932 усилием 160 тс, снабжённых устройством для автоматического управления, предназначенных для СВС-прессования.

В соответствии с временной диаграммой СВС-прессования, можно оценить время проведения процесса:

- время инициирования варьируется в пределах 0,3-0,7 секунд и зависит от мощности электрического импульса и экзотермичности шихты;

- время прохождения по шихтовой заготовке волны горения составляет 0,5-15 секунд и определяется теплофизическими характеристиками шихты, тепловыделением и т.п.;

- время прессования составляет 1-5 секунд и связано с конструктивными особенностями пресса, массой шихты и уровнем заданного давления;

- время выдержки спрессованного образца под давлением зависит от состава шихты, скорости охлаждения и составляет 3-120 секунд.

Таким образом весь процесс СВС-прессования, включая сборку и разборку пресс-формы, протекает за 2-3 минуты.

Ввиду того, что образование твёрдых сплавов в режиме СВС-прессования протекает в экстремальных условиях (Т = 2000-3000С, t = 0,5-15 с), состав износостойкой составляющей и связующей фазы практически не имеет аналогов среди промышленных сплавов. Поэтому новые сплавы получили название СТИМ - синтетические твёрдые инструментальные материалы. В зависимости от поставленных задач были разработаны несколько марок сплавов СТИМ, отличающимися друг от друга физико-механическими характеристиками и поведением в различных эксплуатационных условиях. Некоторые сведения о сплавах представлены в таблице 4.1, из которой видно, что методом СВС можно получать как весьма твёрдые, так и достаточно прочные сплавы, не уступающие в совокупности свойств промышленным маркам твёрдосплавных материалов. Следует отметить, что при разработке сплавов СТИМ не использовались дефицитные вольфрам и кобальт.

Технологические особенности получения материалов марки СТИМ

К настоящему времени выработалась общая технологическая схема получения материалов и изделий методом СВС-прессования. Она включает в себя:

- сушку исходных порошков;

- дозировку компонентов;

- смешение компонентов;

- дозировку шихты;

- предварительное прессование шихтовых заготовок;

- синтез и термообработку твёрдосплавных заготовок;

- механическую обработку заготовок.

Сушка исходных порошков производится в вакуумных сушильных шкафах с паровым или водяным обогревом. Она необходима для удаления влаги из порошков, содержание которой может быть значительно при их хранении. Металлические и неметаллические порошки должны сушиться раздельно из соображений безопасности и возможности взаимного загрязнения.

Дозирование компонентов должно осуществляться с точностью не менее 0,01 г при помощи весов.

Смешение компонентов может осуществляться в различных смесителях. Исследования показали, что смешение является одной из важных стадий в технологической схеме, так как качество смешения влияет на скорость горения и физико-механические свойства получаемых материалов. Анализ работ, посвящённых смешению, показывает, что наилучшие результаты даёт смешение в вакууме (p  1мм рт. ст.) в течение 2 часов.

Предварительное прессование шихтовых заготовок проводится в специальных пресс-формах до относительной плотности шихтового брикета 0,5-0,6 без использования каких-либо видов пластификаторов.

Важнейшей стадией является синтез и термообработка твёрдосплавных заготовок. Временные параметры синтеза и давление прессования для каждого вида шихты различны. Объединение синтеза и термообработки в одной стадии технологического цикла обусловлено тем, что горячая твёрдосплавная заготовка сразу после выгрузки из пресс-формы должна подаваться в печь, предварительно разогретую до 700-1000С, для исключения возможности растрескивания заготовок при остывании вследствие различия коэффициентов термического расширения сплава. Исследования показали, что выдержка в печи в течении 2 часов полностью исключает появление трещин в заготовках.

Механическая обработка твёрдосплавных заготовок проводится с целью удаления окалины с поверхности заготовок, разрезки и вышлифовки различных канавок и профилей в размер. Для этой цели хорошо зарекомендовали себя отечественные электрохимические станки, оснащённые алмазным инструментом. Для плоской шлифовки заготовок СТИМ можно рекомендовать станок 3Е731ЭФ2, для разрезки заготовок - 3Е711ЭФ2, для круглой шлифовки - 3Э110М