ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЦЕЛЬНЫХ
ТВЕРДОСПЛАВНЫХ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ
В.Н. Вадимов, аспирант, В.Б. Ясинский к.т.н. доц.
Сибирский Федеральный Университет. Политехнический институт,
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79,
тел. 8-902-957-65-45
E-mail: vladimir-vadimov@mail.ru
В настоящие время развитие металлообрабатывающего оборудования и
конструкционных материалов выдвигают более жесткие требования к режущему
инструменту. Одной из причин его интенсивного износа может быть нарушение
качества структуры твердосплавного материала на стадии изготовления.
В процессе механической обработки наибольшую опасность хрупкого разрушения
режущей кромки инструмента представляют остаточные напряжения в структуре
твердого сплава, в том числе привнесенные на стадии механической обработки
(шлифование алмазным кругом и заточка).
Причинами низкого качества режущей кромки концевых твердосплавных фрез
могут быть несовершенства исходного сырья, технологии прессования и спекания
твердосплавных заготовок и, в значительной степени, технология изготовления
концевых твердосплавных фрез, неправильный выбор режимов резания на станках.
Некоторые типичные (характерные) виды брака после заточных операций приведены
на рис. 1.
Рис.1. Дефекты режущей кромки цельной твердоспалвной концевой фрезы полученные
на стадии изготовления (до эксплуотации).
Одним из самых популярных методов повышения качества режущего инструмента нанесение износостойких покрытий методами PVD и СVD. Эти методы не получили в
России широкого, необходимого распространения. Кроме того эффект от нанесения
покрытия резко падает если материал режущего инструмента имеет дефектную
структуру [1,2].
Наиболее эффективным способом повышения качества и эксплуатационной
стойкости твердосплавного инструмента является использование газостатистического
прессования. Газостатическая обработка порошковых материалов позволяет получать
изделия сложной формы, сократить припуски на механическую обработку в 2-3 раза,
снизить расход металла на 30-40%. Кроме того, комбинированное воздействие
высокого давления и температуры позволяет эффективно устранять («залечивать»)
микро- и макродефекты, возникающие в монолитных заготовках при получении их
традиционными методами. Недостатком является сложность реализации технологии и
высокая стоимость оборудования.
В процессе исследований, разработан альтернативный способ термомеханической
обработки (ТМО) изделий из твердого сплава [3,4], при котором он подвергается
воздействию нагрузки от 400 до 900 МПа с последующим кратковременным нагревом
до 1300 0С. Смысл такого воздействия заключается в том, что выбранная величина
нагрузки соответствует начальной стадии деформации твердого сплава, при которой
основную нагрузку воспринимает только карбидный (оксикарбидный) каркас. В
результате
интенсивных
сдвиговых
деформаций
происходит
смещение
контактирующих зерен друг относительно друга и образование по границам контактов
(WC-WC, WC-Al2O3, Al2O3-Al2O3) микротрещин [5] (см. рис.2).
а) WC-Со
б) WC-Со-Al2O3
Рис. 2. Схемы смещения карбидных зерен в результате внешнего силового
воздействия (механической, ультразвуковой, магнитоимпульсной обработкой)
Последующий нагрев (дополнительная термообработка) изделий с повышенной
«дефектностью» структуры сопровождается затеканием кобальтовой связки в
микротрещины между зернами WC (инициированные при нагружении или
непосредственно в процессе при изготовлении концевых фрез), образованием тонких
кобальтовых прослоек и, соответственно, уменьшением доли контактов частиц твердой
карбидной фазы в структуре твердосплавного композита, более дисперсному
распределению карбидов по объему связующего металла. В соответствии с механикой
фаз для твердосплавных композитов [6] это должно приводить к увеличению
прочностных характеристик материала, что было подтверждено на практике (табл.1).
Подробно технология термомеханической обработки описана в источниках [3,4]. В
процессе выполнения исследований предложены новые способы предварительной
подготовки синтезированных нанопорошков, их диспергирования для повышения
эффективности модифицирования твердосплавных композитов, обеспечения
статистической однородности распределения, формирования наноструктурированных
фрагментов по объему кобальтовой связки, исключения агломерирования наночастиц
при спекании. Для достижения этой цели наноразмерные порошки оксидов алюминия
(циркония) подвергаются предварительно ультразвуковому диспергированию в водном
растворе поливинилового спирта до получения суспензии.
Затем суспензия
смешивается с порошком карбида вольфрама и производится совместный размол в
течение 20 часов до получения однородного распределения компонентов. При этом за
счет механической активации и разницы в размерах, пластифицирующих свойств
поливинилового спирта на поверхности карбидов формируется плакирующий слой из
наночастиц. Полученную смесь дошихтовывают кобальтом и дополнительно
перемешивают, затем подвергают сушке с последующей грануляцией. Предложенное
техническое решение позволяет существенно упростить традиционную, наиболее
широко применяемую технологию производства твердых сплавов, исключить из
технологического цикла ряд промежуточных операций.
В конечном итоге предложенная технология получения твёрдосплавного композита
обеспечивает равномерное распределение модифицирующих наночастиц оксидов в
структуре твердосплавного композита в виде однородного плакирующего слоя из
наночастиц оксида алюминия на частицах карбида вольфрама. При спекании
наночастицы оксидов образуют тонкую прослойку, разделяющую зерна карбида
вольфрама.
Назрузка,
МПа
300
500
700
900
1100
700
Таблица 1 Результаты экспериментальных работ по оптимизации режимов
термомеханической обработки (нагрузка-температура Т, ºС)
Температура
Изменение параметров твердого сплава
о
нагрева Т, С
Прочность, МПа
Внутреннее трение Q-1
до
после
до
после
обработки
обработки
обработки
обработки
2100
2100
7,5
7,0
2100
2150
7,5
6,0
1300
2100
2570
7,5
5,2
2100
2250
7,5
5,6
2100
1900
7,5
15,6
800
2100
1600
7,0
8,2
1200
2100
2090
7,0
7,2
1250
2100
2200
7,0
5,8
1300
2100
2580
7,0
5,0
1350
2100
2490
7,0
5,1
1400
2100
1600
7,0
16,0
По характеру изменения внутреннего трения измеренного ультразвуковым методом
[4] выбирались оптимальные области усилий нагружения, необходимые для
разрушения смежных границ зерен карбида вольфрама, оксикарбидных связей WCAl2O3 (без существенной деформации кобальтовой прослойки для различных марок
твердых сплавов и отдельных партий изделий). Отметим также, что с целью получения
достоверных данных, независимое экспериментальное апробирование способа
проводилось в нескольких организациях: Сибирский федеральный университет,
филиал МИФИ (г. Лесной, Свердловская область), Кировградский завод твердых
сплавов.
Предварительными экспериментами было установлено (рис. 3), что участок кривой
нагрузка внутреннее трение до 600 МПа соответствует начальной степени деформации
наиболее слабых структурных фрагментов твердого сплава, т.е. разрушению
карбидного каркаса, разрушению смежных границ карбид – карбид, перемещению
зерен относительно друг друга.
Внутреннее трение, Q
Q_ВК 6
Q_ВК 8
30
25
20
15
10
5
0
0
5
Нагрузка, Px100 МПа
10
Рис.3. Влияние усилия нагружения на величину внутреннего трения
При нагрузке менее 400 МПа деформации карбидного каркаса практически
отсутствует, необходимые структурные изменения не происходят. При нагрузках,
превышающих 900 МПа, происходят такие изменения в структурных фрагментах
сплава (разрушение слабых зерен WC, наклеп в прослойках кобальта, рост
магистральных трещин и др. (рис. 4), которые не удается устранить после
термообработки, что соответственно является причиной падения прочности и
«катастрофического» роста внутреннего трения.
Рис. 4. Необратимые разрушения в структуре твердого сплава под нагрузкой при
термомезанической обработке
Оптимальными с точки зрения упрочнения сплава являются диапазоны нагрузок
600 – 800 МПа (Рис. 3, табл.1), которые обеспечивают увеличение прочностных
характеристик сплава до 25% от исходного (базового).
В результате комплексных исследований было показано, что модифицирующее
воздействие наночастиц в сочетании с термомеханической обработкой позволяет
повысить эксплуатационную стойкость твердосплавного инструмента различного
назначения: режущих инструментальных пластин, волок для изготовления труб,
оправок и матриц для прессования алюминиевых профилей, вставок для холодной
высадки метизов и других изделий. Стойкость режущего, штампового и прессового
твердосплавного инструмента увеличивается в 1,5 – 2 раза. Достоверность полученных
результатов была подтверждена в ходе производственных опытно-промышленных
испытаний на Первоуральском новотрубном заводе, Кировградском заводе твердых
сплавов, концерна «ИНТОС» (г. Москва) и др.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 14-08-00508).
Список литературы
1. Фальковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы // М.: Издательский дом "Руда и
металлы". -2005. -415 с.
2. Панов В.С. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из
них. – М.: МИСИС, 2001.-452 с.
3. Гордеев Ю.И., Абкарян А.К. Возможности повышения прочности
твердосплавных материалов и эксплуатационной стойкости режущего инструмента
путем применения термомеханической обработки // Станки и инструмент №3, 2013.
с.30-34
4. Патент РФ RU2014957 С1 5В22F3/24. Способ термомеханической обработки
изделий из твердого сплава. / Ю.И Гордеев С.Г. Теремов, В.Н. Федоров, А.К. Абкарян.
Опубл.Б.И. № 12, 1994.
5. Гордеев Ю.И., Абкарян А.К., Зеер Г. М. Перспективы использования
нанопорошков для улучшения физико-механических и эксплуатационных
характеристик твердосплавного инструмента // Технология машиностроения.-. М, № 9,
2008 г. С.31-34.
6. Nakamura M., Gurland J. The fracture toughness of WC-Co two-phase allous. A
preliminary model // Metall Trans.A.-1980.-11.-№1.p.141-146.