Композиционные материалы специального назначения
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательство Уральского университета
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 147
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7996-3138-3
Артикул: 800640.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие содержит описание способов получения композиционных материалов, их свойств, а также свойств составляющих композиции. Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов» при изучении курса «Технологические основы получения порошковых и композиционных материалов», «Материаловедение. ТКМ», «Металловедение», пособие может быть полезным также при выполнении студенческих научно-исследовательских работ.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина В. А. Шарапова КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ У че б но е по с о б ие Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение и технологии материалов, 22.03.02, 22.04.02 — Металлургия Екатеринбург Издательство Уральского университета 2020
КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ УДК 669.2/.8(075.8) ББК 34.39я73 Ш25 Рецензенты: канд. техн. наук, заведующий лабораторией конструкционного материаловедения ИМАШ УрО РАН Р. А. Саврай; канд. физ.-мат. наук, доц., ст. науч. сотр. ИФМ УрО РАН А. В. Столбовский Научный редактор — д-р техн. наук, проф. М. А. Филиппов Ш25 Шарапова, В. А. Композиционные материалы специального назначения : учебное пособие / В. А. Шарапова; Мин-во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 147, [1] с. ISBN 978-5-7996-3138-3 Учебное пособие содержит описание способов получения композиционных материалов, их свойств, а также свойств составляющих композиции. Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям подготовки «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов» при изучении курса «Технологические основы получения порошковых и композиционных материалов», «Материаловедение. ТКМ», «Металловедение», пособие может быть полезным также при выполнении студенческих научно-исследовательских работ. Библиогр.: 18 назв. Табл. 10. Рис. 4. УДК 669.2/.8(075.8) ББК 34.39я73 ISBN 978-5-7996-3138-3 © Уральский федеральный университет, 2020
Оглавление Введение .....................................................................................7 1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика ................................................................9 1.1. История возникновения и развития .............................9 1.1.1. Твердые сплавы в нашей стране и за рубежом ......12 1.1.2. Последние достижения твердосплавной промышленности ............................................................13 1.2. Исходные материалы ...................................................14 1.3. Классификация и общая характеристика ...................16 Контрольные вопросы .......................................................19 2. Технология порошковой металлургии ...................................20 2.1. Классификация и маркировка твердых сплавов ..................................................................21 2.2. Исходные материалы ...................................................23 2.3. Технология изготовления твердосплавных материалов ..........................................................................24 2.3.1. Получение порошка вольфрама ............................25 2.3.2. Получение порошка карбида вольфрама ..............26 2.3.3. Получение двойного карбида TiС–WС .................27 2.3.4. Получение порошка кобальта ................................28
Оглавление 2.4. Приготовление смесей .................................................28 2.5. Прессование .................................................................31 2.6. Спекание ......................................................................36 Контрольные вопросы .......................................................40 3. Технология твердых сплавов ................................................41 3.1. Формование твердосплавных смесей ..........................42 3.1.1. Основные положения формования смесей в стальной пресс-форме ..................................................42 3.1.2. Поведение заготовок после снятия давления .......43 3.1.3. Пластифицирующие добавки к смесям ................45 3.1.4. Условия прессования .............................................47 3.1.5. Различные методы формования твердосплавных смесей ...................................................48 3.2. Спекание твердых сплавов ..........................................58 3.2.1. Процессы, протекающие при твердофазном спекании твердых сплавов (ТФС)...................................58 3.2.2. Процессы, протекающие при жидкофазном спекании твердых сплавов ..............................................61 3.2.3. Сплавы WС–Сo ......................................................66 3.2.4. Механизм роста зерен WС .....................................69 3.2.5. Особенности процесса спекания сплавов WС–TiС–Сo и WС–TiС–TaС (NbС)–Сo ......................74 3.2.6. Режим спекания .....................................................76 3.2.7. Влияние газовой атмосферы и состава засыпки при спекании на свойства сплавов .................................78 3.3. Неоднородность свойств твердых сплавов .................81 3.3.1. Особенности роста фазы WС при спекании .........84 3.3.2. Влияние карбидов на рост WС-фазы ....................85 3.3.3. Процессы, влияющие на качество сплавов ...........87 3.3.4. Рост зерен WС и контактной поверхности между ними ......................................................................89 3.4. Меры борьбы с неоднородностью свойств твердых сплавов ..................................................................91
Оглавление 3.4.1. Двухстадийное стационарное спекание в восстановительно-науглероживающей газовой среде ....................................................................91 3.4.2. Прямое одностадийное стационарное спекание в восстановительно-науглероживающей газовой среде ....................................................................91 3.4.3. Стационарное спекание в вакуумных печах .........92 3.4.4. Поточное спекание в многозонных печах в восстановительно- науглероживающей газовой среде .................................................................................93 Контрольные вопросы .......................................................95 4. Нестандартные твердые сплавы ...........................................96 4.1. Состав, технология, свойства и области применения сплавов ОМ, ХОМ, ХТМ ...........102 4.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ и ВК15-ОМ .......................................................................104 4.3. Твердые сплавы с ультрамелкозернистой структурой ........................................................................105 4.4. Способы повышения качества твердых сплавов ..............................................................................108 Контрольные вопросы .....................................................112 5. Твердые сплавы для обработки металлов давлением ..........113 5.1. Марки твердых сплавов для обработки металлов давлением .........................................................................115 5.2. Составы, технология, свойства и области применения сплавов группы К, КС и С ..........................120 5.3. Технология получения сплавов К, КС, С .................121 5.4. Бесстружковая обработка металлов ..........................123 5.4.1. Волочение .............................................................124 5.4.2. Штамповка ...........................................................124 5.4.3. Объемная штамповка ...........................................125 Контрольные вопросы .....................................................129
Оглавление 6. Варианты развития нестандартных твердых сплавов .........130 6.1. Легирование и изменение состава связующей фазы твердых сплавов ...................................131 6.1.1. Исследование структуры и свойств сплавов системы WС-Fe-Ni ........................................................133 6.1.2. Влияние легирующих добавок на свойства никеля и кобальта ..........................................................134 6.2. Легирование и изменение карбидной основы твердых сплавов ................................................................136 Контрольные вопросы .....................................................141 Заключение ............................................................................142 Список библиографических ссылок .......................................144
Введение К омпозиционный материал (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной ма- териал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве ком- позитов (за исключением слоистых) компоненты можно раз- делить на матрицу и включенные в нее армирующие элемен- ты. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а ма- трица (или связующее) обеспечивает совместную работу арми- рующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композиции определяется соот- ношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. В результате совмещения ар- мирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изо- лированные компоненты не обладают. Для создания компо- зиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бу- маги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло-
Введение и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных спла- вов залито алюминиевой массой. Композиционные материалы специального назначения — это достаточно широкий класс материалов. В данном учебном пособии основное внимание уделяется вопросам производства и технологии твердых сплавов, проблемам, с которыми сталки- ваются производственники при изготовлении изделий из твер- дых сплавов.
1.1. История возникновения и развития 1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика Т вердые сплавы — твердые и износостойкие металличе- ские материалы, способные сохранять свои свойства при 900–1150 °C. В основном изготовляются из высо- котвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, танта- ла, хрома, связанных кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля. Твердые сплавы распространены в различных областях про- мышленности, они служат для изготовления деталей станков, машин, кораблей, самолетов, крепежных элементов, строи- тельных пластин и других изделий, а также их часто использу- ют при производстве инструмента. 1.1. История возникновения и развития Первые упоминания о твердых сплавах относятся к 1914 г. и связаны с требованиями промышленности по обработке по- явившихся новых марок сталей. Немецкий специалист Г. Ло- ман измельчал карбиды в тонкий порошок, прессовал изделия
1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика и нагревал их почти до температуры плавления. В Германии инженеры В. Фукс и Р. Колец изготовляли образцы из карби- да вольфрама с добавками железа, хрома, титана методом горя- чего прессования («тицит»). Патенты Г. Ломана и X. Шретера послужили основой для разработки различных марок сплавов, одним из первых был сплав «Видиа» фирмы Krupр, состоявший из 94 % WС и 6 % Сo. В 1925 г. фирма Osram получила спечен- ный твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом по патенту X. Шретера, а в 1926 г. началось промышленное про- изводство сплавов «Видиа». Инструмент из этого сплава произ- вел переворот, позволив увеличить скорость резания в металло- обрабатывающей промышленности в 10–20 раз (в зависимости от обрабатываемого материала). С этого момента началось бур- ное развитие производства твердых сплавов, появились спла- вы с частичной заменой карбида вольфрама карбидами тита- на, ниобия, тантала, молибдена [1, c. 6]. В нашей стране возникновение и становление производства твердых сплавов связано с именем Г. А. Меерсона, под руко- водством которого в 1929 г. на Электроламповом заводе были получены первые образцы советского твердого сплава «Побе- дит». Сплав содержал 90 % карбида вольфрама и 10 % кобаль- та. Он предназначался для изготовления пластин режущего ин- струмента, волок для протяжки проволоки, вставок и буровых коронок для бурения горных пород. В начале 1930-х гг. Мо- сковский комбинат твердых сплавов (МКТС) по несколько от- личной технологии под руководством В. Я. Рискина начал вы- пуск сплава РЭ8 (92 % WС + 8 % Со), послужившего основой выпуска целой гаммы отечественных твердых сплавов на осно- ве систем WС–Сo и WС–TiС–Сo. В 1939 г. под руководством известного советского ученого В. И. Третьякова была разработана и внедрена на МКТС тех- нология сплава «Рэникс» (WС–Ni), из которого в годы Вели- кой Отечественной войны изготавливались головки для броне- бойных снарядов [1, c. 8].
1.1. История возникновения и развития В послевоенный период во Всесоюзном научно-исследова- тельском институте тугоплавких сплавов (ВНИИТС), создан- ном в 1948 г. под руководством В. С. Третьякова, Г. С. Креймера, В. А. Ивенсена, были разработаны и внедрены технологии про- изводства сплавов WС–Сo, WС–TiС–Сo, WС–TiС–TaС–Со, TiС (TiN)–Ni–Mo и других составов для резания, перфоратор- ного бурения горных пород, шарошечного бурения скважин, бесстружковой обработки, штамповки, высадки и специаль- ного назначения. Советский Союз обладал развитой технологией производ- ства твердых сплавов: качество марок соответствовало мировым стандартам, объем производства занимал второе место в мире (после США). В СССР действовало пять крупных специализированных за- водов твердых сплавов: 1) Московский комбинат твердых сплавов (МКТС); 2) Кировградский завод твердых сплавов (40 км от Екате- ринбурга); 3) Завод «Победит» (г. Владикавказ); 4) Комбинат тугоплавких и жаропрочных материалов (УзКТЖМ, г. Чирчик, Узбекистан); 5) Днепровский завод твердых сплавов (ДЗТС, г. Светло- водск, Украина). На сегодняшний день ввиду экономии остродефицитных металлов твердые сплавы заменили инструментальные и бы- строрежущие стали, нет почти ни одной ведущей отрасли, ко- торая в той или иной мере не применяла бы спеченные твер- дые сплавы [2, c. 217]. На сегодня в мире (кроме Китая) насчитывают более 200 фирм, производящих твердые сплавы или имеющих дочер- ние предприятия по производству твердосплавной продукции. Отечественному производству твердых сплавов в юбилей- ном 2020 г. исполнится 90 лет. За этот период достигнуты зна- чительные успехи в улучшении существующих и разработке но-
1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика вых технологий и составов твердых сплавов, освоении методов изготовления изделий сложной формы. Наследием исследова- тельских работ в СССР стал ассортимент сплавов марок Т60 К6, В253, ТТ7 К12, ТТ10 К8 А и ТТ10 К8 Б, ТТ8 К6, ТТ20 К9, серия сплавов WС–Сo с индексами М, ОМ, ХОМ, В, К, КС, С и др. Были разработаны Г. С. Креймером крупнозернистые сплавы ВК для обработки горных пород и бурения, а В. А. Ивенсеном — особокрупнозернистые сплавы ВК для высадочного и штампо- вого инструмента (К, С, КС), а также технология пластифици- рованных заготовок для получения изделий сложной формы. Большой вклад в развитие отечественного производства твердых сплавов внес В. И. Третьяков, под руководством ко- торого возникли усовершенствованные технологии получения полуфабрикатов, вакуумное спекание, безвольфрамовые тан- талсодержащие сплавы, инструмент с покрытием. К сожалению, после распада СССР в 1990-х производство твердых сплавов пришло в упадок. Сохранению производства в России способствовал известный всему миру специалист в об- ласти твердых сплавов, кандидат технических наук, доцент Л. И. Клячко. С его именем связано заметное развитие всего отечественного производства твердых сплавов и связи отрас- левой науки с производством. Сам бывший производственник, руководитель крупнейшего производственного объединения страны, он прекрасно понимал трудности институтов и заво- дов, преодолению которых уделял большое внимание [1, с. 8]. 1.1.1. Твердые сплавы в нашей стране и за рубежом Сравнение отечественных сплавов с зарубежными аналогами показало более низкую стабильность свойств у наших сплавов, что в первую очередь связано с неравномерным распределением связующей фазы и большим разбросом по зернистости. Так, в среднезернистых сплавах, где в основном должны быть зерна фазы WС до 2 мкм, часто встречаются зерна 5–8 мкм и больше.
1.1. История возникновения и развития С учетом этих факторов следует рассматривать основные направления развития твердосплавной промышленности, а именно: - получение сплавов с заданной зернистостью и структурой; - легирование или изменение состава карбидной составляющей твердых сплавов; - усложнение и изменение состава цементирующей фазы сплавов типа ВК, ТК и ТТК; - разработка безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС); - конструирование неперетачиваемых пластин (МНП) и пластин с износостойким покрытием; - совершенствование технологии, технологических операций и оборудования. Развитие твердосплавной промышленности идет по двум основным направлениям: совершенствование состава и технологии существующих твердых сплавов и разработка новых составов и технологий. 1.1.2. Последние достижения твердосплавной промышленности В настоящее время в российской твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования, связанные с возможностью повышения эксплуатационных свойств твердых сплавов и расширением сферы их применения. В первую очередь эти исследования касаются химического и гранулометрического состава смесей RTP (Ready-To-Press). В качестве одного из удачных примеров за последнее время можно привести сплавы группы ТСН (ТУ 1966–001-00196121-2006), разработанные специально для рабочих узлов трения в агрессивных кислотных средах. Данная группа является логическим продолжением сплавов ВН на никелевой связке, разработанных Всероссийским научно-исследовательским институтом твердых сплавов. Опытным путем было отмечено, что с уменьшением
Доступ онлайн
В корзину