Технология изготовления волоки из сплава ВК8

 

 Таблица 4. Физико-механические характеристики сталей У7,У12,Х12 [11]

 

Таблица 5 – Температуры критических точек  в °С сталей У7,У12, Х12 [11]

 

    Согласно  ГОСТ 3882–74 для изготовления волок применяют вольфрамокобальтовые твердые сплавы, состоящие из тончайших зерен карбидов вольфрама, сцементированных кобальтом. При особом способе производства, а именно: прессовании порошков и спекании их при температуре 1000 –

1500 °С  без доведения всей массы до плавления, в этих сплавах сохраняются исключительно ценные свойства исходных карбидов, благодаря чему по твердости они приближаются к алмазу, в сочетании с вязкостью, обусловленной присутствием кобальта. 

    Широкое распространение  в качестве материала для волок  получили такие металлокерамические твердые сплавы, как ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15. Твердосплавный инструмент используют для волочения прутков диаметром 3–50 мм, профилей сечением 200 мм² из стали, алюминия, меди и её сплавов, цинка, медно-никелевых сплавов, тугоплавких металлов.

    В таблице 2 приведен химический состав и физико-механические свойства твердых сплавов, используемых для изготовления волок [10]. 

Таблица 2. Физико-механические свойства вольфрамовых твердых сплавов

 

      К примеру, сплав марки ВК3 обладает наибольшей для вольфрамовых сплавов износостойкостью при достаточной прочности. Его применяют в основном для мокрого и тончайшего волочения. Сплав ВК6 обладает несколько меньшей износоустойчивостью, чем сплав ВК3, но более высокой прочностью и сопротивляемостью удельным нагрузкам и выкрошиванию. Его применяют  для сухого волочения проволоки различных диаметров [2].

     Волока из сплава ВК8 успешно используется при изготовлении медных профилей. Высокая теплопроводность сплава ВК8 способствует отводу тепла и увеличивает стойкость инструмента. Из сплавов ВК8 и ВК8В (сплав с более зернистой структурой) изготавливают волоки для профилей , сечение которых вписывается в окружность диаметром 10–35 мм; из сплавов ВК15 и ВК20 – в окружность диаметром свыше 35 мм [10]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

1.3 Вывод из литературного обзора

    На основании полученных данных, можно сделать следующие выводы:

1. Материал волок должен обладать следующими важными свойствами:

• высокой твердостью, чтобы сопротивляться износу (не менее HB 180);

• высокой прочностью (не менее 580 МПа) и ударной вязкостью (не менее 250 кДж/м²), чтобы сопротивляться разрушению ;
• хорошей теплостойкостью, (не менее 150 °С)

     2) Сравнивая физико-механические свойства сталей и твердых сплавов, применяемых для изготовления волок, можно сделать вывод, что наиболее целесообразно использование твердых сплавов (металлокерамических), т.к. по своим физико-механическим свойствам данные сплавы превосходят стали и литые твердые сплавы, применяемые для изготовления волочильного инструмента. Кроме этого реализация положительных качеств твердосплавного инструмента позволит значительно повысить производительность волочильного процесса за счет увеличения скорости волочения; улучшить качество поверхности и точности обработки протягиваемой проволоки; в результате уменьшения трения снизить удельные затраты энергии на волочение.

     3) Наиболее подходящим является твердый сплав ВК8, т.к. он обладает хорошей износоустойчивостью, сопротивляемостью удельным нагрузкам и выкрошиванию, а также высокой прочностью. Имеет в составе 92 % вольфрама, 8 % кобальта, плотность 14,4–14,8×10³ кг/м³, σ_в=1665 МПа, твердость НRА 87,5, модуль упругости Е=62×10⁴ МПа, коэффициент теплопроводности 40 Вт/м °С, коэффициент температуропроводности 1,4 м²/с, теплоемкость 0,205 кДж/(кг °С).  
 
 
 
 
 

2 Технология изготовления  волоки из сплава  ВК8

    Технология  изготовления волоки из сплава ВК8 включает 3 основных этапа:

- горячее изостатическое прессование порошков;

- вакуумное спекание спрессованной заготовки;

- окончательная упрочняющая обработка. 

2.1 Получение порошка  карбида вольфрама

    Для науглероживания частиц вольфрама  используем сажу и атмосферу углеродосодержащих газов: W+C→WC. Порошок вольфрама с удельной поверхностью не менее 2 м²/г смешиваем с сажей в смесителе из расчета ее содержания в смеси 6,1 %. Приготовленную для карбидизации смесь прокаливаем при 1400 °С в электропечах с графитовой трубой или алундовым муфелем в лодочках из графита (загрузка 8–12 кг), время пребывания лодочки в зоне нагрева печи составляет 1–2 часа. После карбидизации спекшиеся и достаточно прочные брикеты WC необходимо размолоть в шаровых вращающихся мельницах стальными шарами диаметром 15– 50 мм в течение 2–3 часов. Полученный порошок карбида вольфрама с размером частиц 1–5 мкм просевают [10]. 

2.2  Получение порошка  кобальта

    Порошок кобальта получаем восстановлением  оксидных соединений кобальта (Сo₃O₄) водородом в трубчатых или муфельных электропечах при 520–570 °С в течение 4–5 часов. Мягкие, легко рассыпающиеся брикеты при растирании и просеве на вибросите превращаются в порошок кобальта с размером частиц 1–5 мкм [10]. 

2.3  Приготовление смеси  порошков карбида  вольфрама и кобальта

    Приготовление твердосплавной смеси сочетается с измельчением исходных порошков. Используем механическое смешивание в шаровых вращающихся мельницах. Размер твердосплавных шаров 6–10 мм. Длительность размола составляет 26–32 часов. Смешивание происходит в жидкой среде (этиловый спирт, циклогексан) в количестве 220 г/кг смеси. В дальнейшем смесь процеживается через сито и подвергается сушке в вакуумных сушильных шкафах для удаления спирта при температуре 80 °С. Высушенные смеси протирают через сито [10]. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.4  Прессование и  спекание

    При прессовании порошков в пресс-формах давление ограничивают значениями 130 МПа, так как при более высоких давлениях возникает опасность появления расслойных трещин.  Для улучшения условий прессования, устранения расслоя и повышения прочности прессовок в твердосплавную смесь необходимо ввести пластификатор – раствор синтетического каучука в бензине (1 л 4 % раствора каучука на 4 кг смеси сплава). Эти растворы добавляют к порошковой смеси из расчета массовой доли добавки 1–1,25 % после испарения бензина.  После прессования заготовка подвергаются сушке при 150–200 °С [10].

    Спекание  происходит через жидкую фазу и, следовательно, при значительном сжатии и увеличении плотности изделия. Перед спеканием заготовки необходимо уложить в графитовые лодочки и пересыпать засыпкой из порошка белого электрокорунда. Спекание сплава ВК8 необходимо проводить в две стадии:

    На  первой низкотемпературной стадии процесс  спекания ведут в среде водорода при температурах до 900–1150 °С. На этой стадии нагрев до температуры 300 °С необходимо вести медленно во избежание растрескивания (ориентировочно со скоростью 100 град/ч); в процессе подъема температуры происходит удаление пластификатора. При температурах 900–1150 °С (со скоростью нагрева 200 град/ч) происходит предварительное упрочнение перед механической обработкой и окончательным спеканием заготовки.

    Окончательное спекание сплава ВК8 необходимо проводить  в присутствии жидкой фазы в среде водорода или в вакуумных печах при температуре 1480±10 °С в течение 3–5 часов. На этой стадии расплав кобальта свяжет кристаллы карбида вольфрама вместе, что и обеспечит после остывания получение твердой износостойкой массы – металлокерамического твердого сплава.

    Объёмная  усадка при спекании должна составлять 25–30 %. Допустимая степень пористости спеченного твердого сплава – 0,1 %. После спекания изделие необходимо очистить от засыпки в пескоструйном аппарате [10].

    В результате данного технологического процесса мы получим твердый сплав  ВК8 с двухфазной микроструктурой, где светлые угловатые – кристаллы WC, а протравленные темные участки – WC в кобальте.  На рисунке 2 показана микроструктура металлокерамического сплава ВК8 [2]: 

    Рисунок 2 – Микроструктура полученного  сплава ВК8

     Для упрочнения полученное изделие необходимо подвергнуть ультразвуковой обработке. 

2.5 Упрочняющая обработка  сплава ВК8

2.5.1 Ультразвуковая обработка  сплава ВК8

    Ультразвуковое  упрочнение относится к импульсивным способам деформирования наружной поверхности восстанавливаемых деталей.

        При ультразвуковом упрочнении рабочая часть инструмента, выполненная из сплава ВК8, прижимается к обрабатываемой детали с помощью груза с усилием и приобретает ультразвуковые колебания в направлении действия нормальной силы,  которые создаются ультразвуковым генератором, магнитострикционным преобразователем и коническим концентратором.