Приготовление смесей порошков карбидов с кобальтом. Опишите способы приготовления, процессы протекающие в шаровой мельнице, режимы приготовления смесей.

Происходящие при приготовлении смеси (смешивании) процессы сводятся, в основном, к разрушению конгломератов и дроблению зерен карбидов, разрушению конгломератов и измельчению частиц кобальта и смешиванию частиц карбидов и кобальта между собой. При мокром размоле порошка карбида вольфрама может произойти некоторое обезуглероживание, в результате взаимодействия активной поверхности мелкодисперсных частиц с кисло­родом атмосферы или жидкости, применяемой при размоле. При размоле в воде потери углерода могут составлять до 0,2 %. Даже при размоле в этиловом спирте наблюдали потерю углерода, составлявшую 0,06-0,08 % при продолжительности размола в течении 4 суток.

Сплав, полученный при смешивании без размола или с предварительным мокрым размолом только порошка карбида вольфрама в течение 24 ч, обладает высокой пористостью, а сплав из смеси, полученной также смешиванием без размола, но с предварительным мокрым размолом порошка кобальта в течение 48 ч, был несравненно плотнее и не отличался по пористости от сплава, полученного по обычно принятой технологии (совместным мокрым размолом в течение 48 ч).

Весьма важным процессом при изготовлении смесей мокрым размолом в шаровых мельницах является изменение физического состояния частиц порошка кобальта. Помимо уменьшения размера, происходит переход из ГЦК (b) в ГПУ- модификацию (a), возрастает дефектность модификации.

Уже на основании указанных фактов можно сделать вывод, что экспериментальные данные показывают, что при приготовлении смеси основное значение имеет просто статистически равномерное распределение частиц карбида и кобальта в смеси. В последнее время был получен новый экспериментальный материал о характере смеси, подтверждающий этот вывод. Электронно-микроскопическое исследование, показало, что частицы кобальта и карбида в смеси лишь механически перемешаны и только отдельные наиболее мелкие зерна карбида внедрены в более крупные агломераты кобальта.

Хотя основная часть кобальта и находится в смеси в виде металличе­ских частиц, по размерам, близким к частицам карбида, важным момен­том процесса размола является образование на поверхности зерен карбида пленки из частиц оксида кобальта (Со₃О₄), которая имеется на поверхности зерен исходного порошка кобальта и превращается под влиянием размола и пластической деформации кобальта в весьма мелкие частицы (300 Å). Эта пленка оксида кобальта при спекании смеси превращается в пленку металлического кобальта, наличие которой на частицах карбида способствует их перераспределению в первую очередь на начальных стадиях спекания после появления жидкой фазы.

Значение совместного размола особенно велико при получении сплавов большинства промышленных марок с относительно низким содержанием кобальта, когда требуется распределить небольшие количества кобальта среди основной массы карбида.

Условия размола оказывают влияние и на механические свойства сплавов. При интенсивном и длительном размоле, приводящем к значительному уменьшению зернистости карбида вольфрама в сплаве, прочность его может несколько возрасти за счёт уменьшения пористости после спекания.

Режимы приготовления смесей.

Технологические режимы приготовления твердосплавных смесей и их влияние на качество сплавов подробно рассмотрено в монографии В.И. Третьякова. Там же указывается на целесообразность применения наиболее высоких скоростей вращения. С повышением числа оборотов барабана, повышается эффективность размола, так как за один и тот же период времени число перемещений шаров соответственно возрастает.

Е.И.Головин, используя барабан с прозрачными стенками, получил дополнительные данные по вопросу влияния скорости вращения барабана. Он установил, что при конкретных условиях размола, на новой мельнице режим перекатывания шаров сохраняется даже при расчетной критической скорости вращения и лишь при больших скоростях начинается свободное падение шаров. Форма устаревшей конструкции размольного барабана с отношением длины к диаметру равным 1,8 малоэффективна и не полностью использует энергетические возможности, во многих случаях не позволяя получать смесь нужной дисперсности.

Анализ кинетики движения шаров позволил выявить следующие области применения режимов измельчения. Для сухого и мокрого смешения: скольжение с раскачиванием; мокрое измельчение с низкой энергией размольных тел – перекатывание; мокрое измельчение с высокой энергией размольных тел – перекатывание с частичным подбрасыванием; сухой размол хрупких материалов – подбрасывание. На установление тех или иных режимов и их границ в зависимости от скорости вращения влияет заполнение мельницы размольными телами, среда размола, коэффициент трения и др. факторы. Для мокрого размола выгодно применять режимы перекатывания в верхних границах и частичного подбрасывания, как наи­более энергоемкие и более производительные. Режим частичного подбрасывания, как переходный, характеризуется наличием частичного полета размольных тел наружных слоев, что приводит к уменьшению пути ска­тывания и увеличению соударений при встрече с основной массой.

Созданная автором скоростная мельница объемом 0,160 м³ (рис. 7.1), диаметром 590 мм, длиной 590 мм, загрузкой размольных тел ~ 700 кг, смеси 200 кг, скорость вращения 90...100 % вместо 60 % от критической, применяемой ранее, с охлаждением водой, позволила повысить произво­дительность мельницы в 2–2,5 раза, в зависимости от марки сплава, благодаря применению режима измельчения с частичным подбрасыванием. Такой режим, кроме использования высокой энергии размольных тел, включает оптимальное заполнение барабана пульпой (смесь + жидкость).

 

Рис. 7.1.Барабанная мельница мокрого размола смесей порошков карбидов с кобальтом:

1 – барабан; 2 – загрузочный люк; 3 – твердосплавная футеровка; 4 – рубашка для охлаждения; 5 – зубчатая передача; 6 – опоры качения; 7 – редуктор; 8 – упругая муфта; 9 — электродвигатель

При производстве смеси для сплава ВК6 в такой мельнице для достижения требуемой зернистости время было сокращено в 1,7 раза против необходимого при скорости 60 % от критической. Это объясняется тем, что при большей скорости вращения увеличивается центробежная сила, прижимающая шары к стенке барабана, вследствие чего увеличивается угол наклона массы шаров и верхние шары падают (скатываются) с большей высоты, совершая большую работу. Скорость шаров, при кото­рой они начинают скатываться, также возрастает.

Увеличивается доля шаровой загрузки, находящейся в состоянии пе­рекатывания, т.е. большее число шаров активно участвует в измельчении материала. Более эффективно используются мелкие размольные тела, т.к. устраняется недостаток, заключающийся в меньшей кинетической энергии каждого шара (из-за меньшей массы), поскольку это компенсируется большей скоростью начального скатывания шара.

55. Укажите особенности формирования твердосплавных смесей. Перечислите пластифицирующие добавки. Приведите различные методы формирования твёрдосплавных смесей и их характеристики.

Для получения заготовок (брикетов, прессовок) требуемой формы наиболее распространенным способом формования смесей является прессование встальных пресс-формах. Теоретические положения процесса прессования порошковых материалов справедливы и для твердосплавных смесей, но имеются некоторые отличия, связанные с их малой текучестью и высокой дисперсностью, низкой пластичностью, высоким значением модуля упругости. Заготовки, вследствие присутствия в смесях непластичных карбидных частиц, не имеют достаточной прочности при той степени уплотнения, какой можно достигнуть без опасности появления «расслойных» трещин в брикете из-за высоких напряжений, возникающих при прессовании (модуль упругости высокий). Высокая дисперсность и малая пластичность не позволяют применять давление прессования более 200...300 МПа. Все это вызывает необходимость введения в смесь перед прессованием пластифицирующих веществ (пластификатор), которое осуществляется на операции подготовки смеси к прессованию. В специальных аппаратах – двухъярусных смесителях происходит перемешивание компонентов смеси с пластификатором по определенному режиму.

Для прессования твердосплавных смесей, как и для других металличе­ских порошков, при одностороннем приложении давления в стальной пресс-форме невозможно получить заготовку с равномерной плотностью. По высоте брикета наблюдается более сильный перепад плотности, чем для медного и железного порошков. В нижних слоях смеси (h = 30 мм) фактическое давление прессования составляет всего 20-30 % от приложенного давления. Отмеченные недостатки можно уменьшить при применении двухстороннего прессования.

Зависимость уплотнения смесей от давления прессования аналогична порошкам меди и железа, т.е. при определенных давлениях прессования подчиняется известному уравнению М.Ю. Бальшина, но значения плотно­сти значительно ниже. Отсутствует третья стадия уплотнения, связанная с пластической деформацией. Мелкозернистые смеси при одном и том же давлении прессования имеют более низкие значения относительной плотности. Степень уплотнения твердосплавных смесей не превышает 60 % и мало оказывает влияние на конечные свойства спеченных изделий.

Г.С. Креймер показал, что изменение давления (сплав Т15К6) в пределах 50-300 МПа не влияет на свойства спеченного сплава (за счет спекания с жидкой фазой).

Пластифицирующие добавки к смесям

Пластифицирующие вещества, вводимые в смесь перед прессованием, с одной стороны, облегчают скольжение частиц порошка относительно друг друга и стенок пресс-формы, повышая тем самым степень уплотнения смеси, а с другой, придают заготовкам некоторую дополнительную проч­ность за счет клеющей способности пластификатора.

Помимо этого, применяемые в производстве твердых сплавов пласти­фикаторы, должны удовлетворять следующим основным требованиям: легко удаляться из заготовок при сушке или низкотемпературном спекании; не оставлять примесей. Известно несколько веществ (и растворите­лей для них), применяющихся в качестве пластификаторов при прессова­нии смесей в производстве спеченных твердых сплавов.

В отечественной промышленности используют, в основном, синтети­ческий каучук, который вводят в смеси в виде раствора в бензине. Судя по опыту зарубежной промышленности, можно применять гликоль в виде спиртового раствора, камфору в виде раствора в бензине, ацетоне или эфире, смолу (глипталь), растворенную в бензине или ацетоне. Широкое распространение в последнее время получили: парафин, поливинил ацетат, поливинилгликоль, полиэтилен гликоль, поливиниловый спирт.

Различные методы формования твердосплавных смесей

Последовательно-цикличное прессование.

По этому способу прессовку получают не сразу во всем объеме, а после­довательным уплотнением порошка за несколько циклов работы пресса. Особенностью всех видов последовательного прессования является отсут­ствие зависимости между общими габаритами изделия и усилием пресса, которое прикладывается на относительно небольшом участке поверхности прессуемого тела

К последовательному прессованию в принципе можно отнести прокатку и мундштучное выдавливание, но из-за отсутствия цикличности работы оборудования их рассматривают отдельно от недавно предложенной технологии последовательно-поперечного прессования. По этой технологии изделия в виде полых цилиндров получают двумя операциями: сначала из порошка прессуют заготовку методом подвижной иглы, затем в этой же пресс-форме дополнительно уплотняют пуансоном-протяжкой. Операцию выполняют на горизонтально-протяжном стане, получая трубы длиной до 2 м, толщиной – 1 мм (плотность равномерно распределена по всей длине).

На пресс-автомате из твердого сплава получают стержни ø 15 мм и длиной 220 мм.

Последовательное прессование является в настоящее время единственным способом получения твердосплавных стержней длиной более 100 мм и отношением L: Dболее4 с различной формой сечения.

(Мундштучное выдавливание не позволяет получить (устойчиво) стержни с диаметром более 5 мм)

Другая область применения этого способа – изготовление цилиндрических прессовок, предназначенных для дальнейшей токарной обработки в пластифицированном состоянии, тогда как в настоящее время получают пластифицированные заготовки только в виде брусков.

Горячее прессование

Сущность метода – сжатие порошка одновременно с нагревом в широком интервале давления и температуры. Основная технологическая особенность заключается в значительной пластической деформации прессовки в момент спекания. Если при обычном спекании происходит трехмерная усадка изделия, то при горячем – размеры в горизонтальном сечении остаются неизменными, а коэффициент линейной усадки по высоте равен коэффициенту объемной усадки. Получают изделия слож­ной формы и конфигурации с весьма высокой точностью и большой плотностью. Однако, часто поверхность получается неровной из-за взаимодействия кобальта с графитовой пресс-формой.

Недостатки метода: 1) наличие напряжений в заготовке; 2) трудности замера и регулировки температуры; 3) расход пресс-инструмента; 4) низкая производительность; 5) высокая энергоемкость (много потерь тепла); 6) грубая поверхность изделия.

Это делают его не достаточно конкурентноспособным другим способам получения твёрдосплавных изделий

Современная область применения этого метода – получение из твердого сплава крупногабаритных изделий, размеры которых не позволяют использовать обычное холодное прессование; устранения коробления твердосплавных изделий различной формы: кольца, фрезы, резцы и др. Имеется полуавтоматическая установка правки стержней.