Прокатка порошков

Суть заключается в том, что порошок из бункера под действием собственной тяжести подается к вращающимся в разные стороны валкам, захватывается ими за счет сил трения и, уплотняясь, формуется в ленту, длина которой зависит от массы порошка в бункере.

Порошки твердых сплавов из-за большого содержания труднодеформируемых карбидов обладают плохой формуемостью, что затрудняет их прокатку в ленту. Прокатка твердых сплавов – сравнительно новый метод и впервые стал возможен благодаря исследованиям беларусских ученых (В.П. Северденко, Е.Б. Ложечников). Установлено, что для получения лент оптимальной является прокатка в направлении строго под углом к горизонту 45-60 °С. Вне этих пределов – лента разрушается из-за низкой пластичности и малой прочности. Пластификатор – раствор парафина в бензоле (бензине), причем количество парафина 3-5 % от массы порошка, его большее содержание приводит к налипанию на валки. Желательно ленту пропускать через валки несколько раз и строго соблюдать опти­мальный режим прокатки, иначе появляются трещины и расслоение. Из сплавов с содержанием кобальта 6-25 % в валках D 150…160 мм получают ленту толщиной 1-2,1 мм, а в валках D 600 мм – 2,2-8,1 мм. Можно получать и ленту толщиной 0,2 мм путем многократного проката. Обжатие за проход – 10-20 %. Прокатные ленты спекают по обычному режиму после удаления пластификатора.

Во ВНИИТС отработана технология по прокатке порошков из сплавов ВК6, ВК8, ВК15, ВК20, ВК25 и Т15К6 в полосы длиной до 500 мм, толщиной от 0,1 до 7 мм, плотностью от 7,5 до 9,2 г/см³.

В результате тормозящего действия стенок бункера возникает разница в скорости движения порошка по ширине ленты и образование растягивающих напряжений и трещин по краям полос. Это заставляет прокатывать порошки в валках с калибрующими ребрами или в гладких валках с проволокой, вводимой в раствор валков у стенок бункера. Стенки калибра или проволока способствуют более интенсивному захвату и уплотнению порошков у стенок бункера, выравниванию толщины и плотности укладки порошков по ширине полос. Из полос вырезают заготовки в виде пластин, кругов, колец ножами. Отходы используют для повторной прокатки. Заготовки спекают по обычным режимам для соответствующей марки сплава.

Мундштучное выдавливание

Впервые метод начал применяться в твердосплавной промышленности для изготовления сверл (З.А. Гольдберг). Суть способа – нагретую до пластического состояния спецзаготовку (с пластификатором) продавливают через профилируемый подогретый мундштук, смесь формуется в стержень, сечение которого соответствует форме отверстия в мундштуке. Стержень затем разрезается на части нужной длины. Затем удаляют пластификатор и проводят окончательное спекание. Пластификатор – исключительно парафин, он лучше держит форму и полностью удаляется (без остатка).

Внутри брикета до выдавливания неизбежно остается воздух. После прессования это приводит к образованию вздутий, разрывов, трещин. Кардинальной мерой борьбы с включениями воздуха является вакуумирование смеси в процессе перемешивания и выдавливания.

Другой вид брака – множественные часто расположенные кольцеобразные трещины (расслоения) стержня в плоскости, перпендикулярной направлению выдавливания. Он отсутствует у тонких стержней. При диаметре > 5 мм получать бездефектные стержни не удается.

Причина – возрастающая с ростом диаметра разница в скорости истечения массы в центре и у поверхности стержня. Наружный слой тормозится трением о стенки, поэтому опережающее движение массы по оси сечения создает предпосылки для возникновения растягивающих напряжений в поверхностном слое стержня сразу после выхода его из мундштука. Поэтому на трубках реже появляются такие трещины.

Требуется соблюдать оптимальные условия сопротивления выдавливаемой смеси (хорошая подвижность и достаточный контакт частиц, прочность). Минимальное количество парафина для мелких и крупных порошков составляет – 6-11 %, в зависимости от содержания кобальта и грансостава смеси. Для мелких – больше при одинаковой пластичности.

Условием истечения смеси через мундштук является передача давления через пластификатор при малом числе контактов между частицами порошка. Это обеспечивает свободное взаимное перемещение частиц. В случае малого содержания парафина, когда усилие воспринимается порошком, а парафин находится в ненагруженном состоянии, смесь течь не может. Повышение температуры не помогает, так как трение между частицами делает смесь не способной к истечению, а парафин просто выдавливается, вытекает, как вода из губки. Отсюда парафин выполняет две основные роли: 1) воспринимая давление, препятствует сближению частиц порошка, обеспечивая возможность их взаимного перемещения как единого целого; 2) являясь при 38-42 °С вязкой средой, пластично деформируется под действием нагрузки и выдавливается через мундштук, увлекая частицы порошка.

Сила трения в мундштуке является движущей силой формования, поэтому снижение сопротивления (смазка, подогрев мундштука и др.) приводит к плохому отформовыванию стержней. Минимальное давление, необходимое для истечения, зависит: от содержания парафина; температуры (38...42 °С). Оно может колебаться от нескольких десятков до 150...200 МПа. Зернистость влияет на давление, чем она меньше, тем больше давление. Особенность спекания полученных стержней заключается в удалении па­рафина из формовок в начальный период нагрева. В печах специальной конструкции расплавленный парафин из формовки перемещается под действием капиллярных сил в корракс. С ростом температуры парафин испа­ряется, пары его уносятся водородом и конденсируются на холодных уча­стках или частично сгорают в факеле горящего водорода.

Можно конденсировать парафин не до твердого состояния, а до жидкого (печи специальной конструкции). Есть отдельные спецпечи с t – 800-1000^оС. Скорость нагрева в начальной стадии спекания (до 300...500 °С) не должна превышать 5-6 °С в минуту из-за опасности появления трещин, вследствие температурного расширения парафина. При плавлении объем парафина увеличивается в 1,2 раза.

После удаления парафина процесс спекания стержней ничем не отличается от обычного окончательного спекания твердых сплавов. Для получения сверл делается спецмундштук, который сильно отличается по трудоемкости изготовления от других деталей; его делают из твердого сплава, затем шлифуют, канал полируют смесью порошков карбида бора и парафина (продавливанием). Для мундштучного выдавливания труб в контейнере устанавливают иглу, формующую внутреннюю поверхность трубы. В последнее время метод стали использовать для получения изделий переменного сечения. Требуются только конструктив­ные усовершенствования в оборудовании.

Получают также шарики диаметром < 1 мм (резка стержня и обкатка после спекания), резцы, спираль и другие изделия. Есть ссылки на получение стержней, сердцевина которых из ВК20, а наружный слой из ВК6М. Для этого в контейнер концентричными слоями загружали смесь разного состава.

Особенности мундштучного выдавливания твердых сплавов: 1) подготовка смеси с парафином должна гарантировать отсутствие воздушных пор, приводящих к дефектам в изделиях; 2) порошок не уплотняется при выдавливании, так как пространство между частицами заполнено парафином.

Литье под давлением

Разработано во ВНИИТС для твердосплавных смесей.

В основу литья под давлением заложено свойство смеси с определенным количеством парафина приобретать при нагреве высокую пластичность, вплоть до жидкотекучего состояния. Сущность формования заключается в том, что суспензию порошка, сплава парафина и воска (для улучшения литейных свойств), нагретую до 80-90 °С нагнетают под давлением (1,01-6,06)10⁵ Па в литейную форму и выдерживают до охлаждения и затвердевания. Отливки, извлеченные из формы, спекают по режиму, соответствующему данной марке твердого сплава. Подготовка к литью следующая: сначала готовят смесь парафина и воска (13 : 2). Смесь загружают в сушильный шкаф и перемешивают при 90... 120 °С. Затем пластификатор смешивают с порошком сплава из расчета 300 г пластификатора на 4 кг порошка. Литье осуществляют на спецустановке ВНИИТС – УФА-1М. Массу загружают в бак установки с температурой 100-110 °С при непрерывном перемешивании (1,5-2 ч). Воздух отсасывают вакуумным насосом, затем горячую смесь из бака подают в литейную форму под давлением. После охлаждения отливку извлекают и проводят окончательное спе­кание. Большая усадка из-за большой пористости препятствует широкому внедрению метода, в отливках наблюдаются усадочные раковины и трещины при спекании (особенно в изделиях с поперечником > 3 мм). Жидкотекучесть массы позволяет получать изделия с весьма тонкими ( 20 мкм) отверстиями с помощью установки «проволоки – знак», что другими методами недостижимо. После затвердевания знак вытаскивают из отливки.

Шликерное прессование

Твердосплавную смесь смешивают с жидкостью в соотношении, обеспечивающем жидкотекучесть смеси и заливают в форму из высокопористого материала (гипс). Жидкость отсасывается в поры гипса, а порошок оседает на стенках формы. Формовку извлекают, сушат и спекают. Качество изделия зависит от качества изготовления формы, свойств шликера, режимов литья и сушки. Применительно к твердым сплавам впервые было опробовано во ВНИИТС в 1962 г. на смесях ВК6, ВК6М, ВК20. Шликер готовят смешиванием компонентов в шаровой мельнице в течение 2 часов (иначе не стойкий шликер). Для каждой марки твердого сплава готовят свой свой состав шликера.

Отливки сушат двое суток в вате. Спекание происходит в две стадии: I – 650...700 ^оС, 2 ч нагрев, 1 ч выдержка; II – по режиму сплава. Свойства изделий не отличаются от обычных, но часто встречаются крупные поры. Получают небольшие партии формовок: трубки, стаканы, тигли и т.д. Способ развит мало для твердых сплавов из-за низкой производительности и малого выхода годных изделий.

Метод пластифицированных заготовок.

Метод сыграл большую положительную роль в расширении областей эффективного применения твердосплавного инструмента. В настоящее время он не отвечает возрастающим требованиям и рентабельности производства и экономии сырья (до 20-25 % твердого сплава уходит в стружку). Он заменен другими более прогрессивными методами формования твердосплавных смесей.

Суть метода пластифицированных заготовок, предложенная В.А. Ивенсеном, заключается в пропитке спрессованной и прошедшей первое спекание заготовки расплавленным парафином.

Заготовки, полученные по этому способу (так называемые пластифицированные), легко поддаются обработке металлорежущим инструментом, как мягкие металлы. При обработке резанием образуется стружка в виде чешуек или небольших отрезков сливной стружки, пыление отсутствует. Использованием острого инструмента и небольших подач удается по­лучить весьма чистые поверхности и очень острые ребра, без выкрашиваний. Пластифицированным заготовкам можно придавать почти любую форму путем точения, фрезерования, сверления и других видов обработки на металлорежущих станках

Так, например, этим способом в отечественной промышленности изготовляли разнообразный мелкий цельнотвердосплавный инструмент – фрезы разных типов (зуборезные, шлицевые, угловые, червячные, хвостовые), зенковки, зенкера, развертки, развальцовки, фасонные диско­вые резцы, детали фасонных штампов, мелкие плашки, резьбовые калибры, многоканальные фильеры, а также различные износостойкие детали станков, машин, приборов, например, разрезные люнеты к токарным автоматам, направляющие к лентопротяжным станам, ролики для обжима труб и др.