В зависимости от требований к конечному изделию термическая обработка производится различными методами.
Процессы сушки используют при получении конечных полупродуктов в виде гранул, брикетов, а также для обезвоживания растворов, шламов и суспензий; путем последующей досушки, обжига или спекания сгранулированного или сформованного материала получают конечное изделие. В этих случаях закономерности тепло- и массопереноса такие же, как при проведении основных технологических процессов сушки в химической промышленности и при производстве строительных материалов.
В процессе спекания агломератов и сформованных заготовок частицы порошка объединяются в монолитное поликристалличе- ское твердое тело со свойствами, близкими к свойствам компактного материала. Процесс термообработки состоит из двух этапов.
Первыйэтап - удаление технологической связки - происходит при температурах испарения и плавления связующего и завершается при температуре начала спекания частиц порошка. Второй этап - спекание - начинается при температуре, соответствующей взаимному припеканию частиц друг к другу, и продолжается до температуры получения монолитного тела, составляющей примерно 0,8 температуры плавления керамического материала. Режим обжига выбирают исходя из химического и гранулометрического состава шихты из отходов, метода формования или прессования, а также размера и вида изделия.
В процессе спекания исходная шихта (сформованная или спрессованная) представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему с большим запасом свободной энергии.
Процесс спекания условно можно разделить на три стадии.
На первой стадии движущей силой является избыток свободной поверхностной энергии мелкодисперсных частиц, стремящийся за счет возникающего давления сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Частицы скользят по границам зерен, что приводит к уплотнению заготовки и ее усадке.
Навторой стадии происходит припекание частиц в местах контактов, созданных на первой стадии. При обжиге контакты между частицами расширяются, а форма и размеры пор непрерывно меняются. Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. На этой стадии вязкое течение среды определяется механизмом поверхностной диффузии атомов по поверхностям спекающихся частиц к области контактного перешейка.
На третьей стадии в спекающемся теле остаются лишь замкнутые изолированные поры и дальнейшее уплотнение возможно только за счет уменьшения их числа и объема (процесс залечивания). Конечная стадия спекания является наиболее длительной.
Процесс пиролиза находит применение при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий, ТБО и шламов нефтепереработки и представляет собой процесс разложения отходов древесины, другого растительного сырья при их нагревании до температуры 450-1050 °С без доступа воздуха. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, а также твердый угле
родный остаток (древесный уголь при переработке древесины, технический углерод при утилизации покрышек).
В зависимости от температуры нагрева пиролизные установки делятся на низкотемпературные (450-500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературные (до 800 °С) с повышенным выходом пиролизного газа и уменьшенным выходом смол и масел; высокотемпературные (свыше 800 °С) с максимальным выходом газов и минимальным - смолообразных продуктов.
Высокая температура интенсифицирует утилизацию отходов. Скорость реакций с повышением температуры растет по экспоненте, а тепловые потери увеличиваются линейно. При этом происходит более полный выход летучих продуктов и сокращается объем образующегося твердого остатка. При пиролизе нежелателен диапазон температур 1050-1400 °С, поскольку приводит к образованию шлаков, особенно в ТБО.
Процесс пиролиза проводят в печах периодического или непрерывного действия различных конструкций (камерных, туннельных, шахтных, с движущимися слоями) с наружным и внутренним обогревом. На начальном этапе при повышении температуры протекают эндотермические процессы. При нагреве древесины или других растительных отходов до 150 °С удаляется влага, а при температурах 170-270 °С образуются газы СО и С0 2 и небольшие количества метилового спирта и уксусной кислоты. При 270-280 °С начинаются экзотермические превращения. Выход неконденсирующихся газов, таких, как СО и С0 2 , уменьшается и одновременно увеличивается выход других газообразных и парообразных веществ (СН 4 , С 2 Н 4 , Н 2), а также метилового спирта и уксусной кислоты. На скорость процесса влияют размер кусков перерабатываемых отходов, их влажность и температура.
Выходящие из печи газы охлаждают и выделяют из них ценные компоненты. Получающийся древесный уголь используют в производствах активных углей, черных порохов и в других процессах.
Высокотехнологичный и сложный процесс, для выполнения которого требуется особое оборудование и специальный инструмент. Это связано с тем, что подобные сплавы обладают высокой упругостью и прочностью, а потому сильно противостоят резанию, сверлению, шлифовке и прочим механическим обработкам. При этом качество соответствующего процесса во многом зависит от характеристик металла и правильного подбора режущего инструмента.
Особенности твердых сплавов
К труднообрабатываемым металлам относятся жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы. Эти материалы представляют собой твердый раствор аустенитного класса, поэтому им присущи такие качества, как высокое сопротивление к коррозии, способность работать в напряженном состоянии на протяжении длительного времени, стойкость к химическому разрушению. Кроме этого, некоторым видам данных металлов присуща структура высокой дисперсности. За счет этого процесс скольжения практически не происходит.
Также усложняется обработка по следующим причинам:
- при резке происходит упрочнение материала;
- сплавы такого характера обладают низкой теплопроводностью, а потому контактная часть обрабатываемой детали и инструмента начинают схватываться;
- сохраняется исходная прочность даже при очень высокой температуре;
- высокая истирающая способность сплавов приводит к образованию включений, которые негативно отражаются на инструменте;
- виброустойчивость металлов обуславливается неравномерное протекание процесса резания, а значит, получить желаемое качество обработки не получится.
Подбор инструмента
Для того чтобы избежать всех вышеописанных проблем и провести качественную обработку твердых сплавов, необходимо в первую очередь правильно подобрать инструмент. Он должен быть изготовлен из металла, который обладает более высокими режущими свойствами, чем обрабатываемая деталь. При этом для предварительной обработки специалисты рекомендуют использовать твердосплавными резцами, а для чистовой - быстрорежущие. К последним относятся стали марок Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9.
Для изготовления инструмента из твердосплавных металлов используют три вида сплавов:
- Т30К4, Т15К6, ВКЗ - износостойкие;
- Т5К7, Т5К10 - отличаются высокой вязкостью;
- ВК6А, ВК8 - нечувствительны к ударам, обладают наименьшим сопротивлением к износу.
Для упрочнения инструментов и повышения их рабочих характеристик дополнительно проводят нанесение второго слоя твердосплавного металла, цианирование, хромирование, плакирование.
СОЖ
Правильный подбор охлаждающих жидкостей и способа их применения - не менее важный процесс в том случае, если необходимо произвести обработку твердых сплавов. Для сверления специалисты рекомендуют использовать материалы на минеральной основе. Особенно они повышают производительность при работе с титаном, который очень сложен в работе. Для токарной обработки легированных сталей подойдет полусинтетические СОЖ, для хонингования и шлифовки чугуна - жидкость без минеральных масел. Также существуют универсальные материалы, которые очень выгодно использовать в том случае, если характер обработки металла постоянно меняется.
Наиболее оптимальный способ подачи СОЖ при работе с твердыми металлами считается высоконапорный, при котором жидкость подается тонкой струей на заднюю стенку инструмента. Не менее эффективными являются распыление жидкости и охлаждение углекислотой. Все это позволяет повысить стойкость инструмента и улучшить качество обработки.
Требования к оборудованию
Оборудование для обработки твердых металлов разительно отличается от стандартных станков. Подобные модели отличаются:
- повышенной жесткостью всех механизмов;
- виброустойчивостью;
- высокой мощностью;
- наличием каналов для отвода стружки;
- особые места посадки для фиксации короткого инструмента.
Твердые металлы и сплавы представляют собой износостойкие материалы, способные сохранять свои характеристики при повышенных температурах (900-1100 градусов). Они известны человеку более ста лет.
Общая характеристика
Твердые сплавы изготавливаются преимущественно на основе хрома, тантала, титана, вольфрама с добавлением различного количества никеля или кобальта. При производстве используются прочные карбиды, не подверженные разложению и растворению при высокой температуре. Твердый сплав может быть литым или спеченным. Карбиды отличаются хрупкостью. В этой связи для формирования твердого материала их зерна связывают подходящими металлами. В качестве последних выступают железо, кобальт, никель.
Литые соединения
Твердосплавный инструмент, полученный указанным способом, отличается высокой сопротивляемостью к истиранию материалом заготовки и сходящей стружки. Они не теряют своих характеристик при температуре нагрева от 750 до 1100 градусов. Установлено, что изделиями, произведенными путем плавки или литья с добавлением килограмма вольфрама, можно обработать в пять раз больше материала, чем предметами из быстрорежущей стали при таком же содержании W. Одним из недостатков таких соединений выступает их хрупкость. При уменьшении в составе доли кобальта она повышается. Скорость, которой обладают твердосплавные резцы, в 3-4 раза превышает показатели для стали.
Спеченные материалы
Они включают в себя металлоподобное соединение, связанное сплавом или металлом. В качестве основы, как правило, используется карбид (сложный в том числе) титана или вольфрама, а также тантала, карбонид титана. Реже при изготовлении применяют бориды. Матрицей для удержания зерен материала выступает связка - сплав или металл. Как правило, ею является кобальт. Это нейтральный по отношению к углероду элемент. Кобальт не образует собственные карбиды и не разрушает другие. Реже в связке используется никель и его соединение с молибденом.
Сравнительная характеристика
Спеченные материалы получают порошковым методом. Обработка твердых сплавов этого типа осуществляется только шлифованием либо физико-химическими способами (лазером, травлением в кислотах, ультразвуком и прочими). Литые изделия подвергаются закалке, отжигу, старению и так далее. Они предназначены для наплавки на инструмент. Порошковые материалы прикрепляют посредством пайки или механическим способом.
Классификация
Она зависит от содержания карбидов кобальта, тантала, вольфрама и титана. В этой связи рассматриваемые материалы разделяются на три группы. При обозначении марок соединений используют буквы:
- Карбид вольфрама - "В".
- Кобальт - "К".
- Карбид титана - первая "Т".
- Карбид тантала - вторая "Т".
Цифры, указанные после букв, обозначают приблизительное процентное содержание компонентов. Остальное в соединении (до 100 %) - карбид вольфрама. Указанные в конце буквы обозначают зернистость структуры: "В" - крупная, "М" - мелкая, "ОМ" - особо мелкая. Промышленность выпускает твердые сплавы марок ВК (вольфрамовые), ТТК (титанотанталовольфрамовые) и ТК (титановольфрамовые).
Отличительные признаки
Основные свойства твердых сплавов заключаются в их высокой прочности, износостойкости. При этом рассматриваемые материалы отличаются меньшей вязкостью и теплопроводностью в сравнении со сталью. Это необходимо учитывать при эксплуатации изделий. Выбирая твердый сплав, необходимо придерживаться ряда рекомендаций:
- Вольфрамовые изделия в сравнении с титановольфрамовыми отличаются меньшей температурой свариваемости со сталью. В этой связи их используют для работы с чугуном, цветными металлами и неметаллическими материалами.
- Для стали целесообразно использовать соединения группы ТК.
- Твердый сплав марки ТТК обладает повышенной вязкостью и точностью. Его применяют для работы со стальными поковками, отливками в неблагоприятных условиях.
- Чистовое и тонкое точение с небольшим сечением стружки обеспечивают борфрезы твердосплавные с мелкозернистой структурой и меньшим содержанием кобальта.
- При неблагоприятных условиях и черновой работе с материалами с ударной нагрузкой целесообразно использовать соединения с высоким содержанием кобальта. При этом они должны обладать крупнозернистой структурой.
- Чистовая и черновая обработка в процессе непрерывного резания осуществляются преимущественно соединениями со средним процентным содержанием кобальта.
Порошкообразные материалы
Они представлены двумя группами: содержащие и не содержащие вольфрам. В первом случае твердый сплав представлен в виде смеси технического порошкообразного W и ферровольфрама с науглероживающими компонентами. Изготавливался он еще в СССР. Называется этот твердый сплав "вокар". Процесс изготовления материала следующий:
- Высокопроцентный ферровольфрам и технический порошкообразный W смешиваются с молотым коксом, сажей и прочими аналогичными компонентами.
- Полученная масса замешивается на сахарной патоке или смоле в густую пасту.
- Из смеси прессуются брикеты, которые слегка обжигаются. Это необходимо для удаления летучих соединений.
- Брикеты после обжига размалываются и просеиваются.
Готовый материал, таким образом, имеет вид хрупких черных крупинок. Их величина - 1-3 мм. Отличительной особенностью таких материалов выступает их большой насыпной вес.
Сталинит
Этот твердый сплав не содержит вольфрама, что обуславливает его низкую стоимость. Он также был изобретен в советские годы и достаточно широко используется в промышленности. Как показала практика, несмотря на то что этот твердый сплав не содержит вольфрама, он обладает высокими механическими характеристиками, в большинстве случаев удовлетворяющими технические требования. Сталинит обладает значительными преимуществами перед вольфрамовыми материалами. В первую очередь это низкая (1300-1350 градусов) температура плавления. Вольфрамовые материалы подвергаются изменениям, только начиная с 2700 градусов. Температура плавления в 1300-1350 градусов значительно облегчает наплавку, повышает ее производительность. В качестве основы сталинита используется смесь дешевых порошкообразных ферросплавов, ферромарганца и феррохрома. Изготовление этого материала аналогично процессу производства вольфрамовых соединений. В сталините присутствует 16-20% хрома, 13-17% марганца.
Применение
В современной промышленности твердые сплавы получили широкое распространение. При этом материалы постоянно совершенствуются. Развитие этого производственного сектора осуществляется в двух направлениях. В первую очередь улучшаются составы сплавов, совершенствуется технология их изготовления. Кроме этого, внедряются инновационные способы нанесения соединений на изделия. Твердосплавный инструмент способствует существенному повышению производительности труда. Это обеспечивается высокой сопротивляемостью износа и теплостойкостью изделий. Подобные характеристики позволяют осуществлять работу на скоростях, в 3-5 раз превышающих показатели для стали. Такими достоинствами, например, обладают современные борфрезы. Твердосплавные материалы, изготавливаемые с применением передовых технологий (электрохимических и электрофизических способов), в том числе с использованием алмазных заготовок, являются сегодня одними из самых востребованных в промышленности.
Разработки
Сегодня в отечественной промышленности проводятся различные исследования, включающие глубокий анализ возможности повышения характеристик твердых сплавов. Главным образом они касаются гранулометрического и химического состава материалов.
В качестве довольно удачного примера за последние несколько лет можно привести соединения группы ТСН. Такие сплавы специально разработаны для узлов трения, работающих в агрессивной кислотной среде. Эта группа продолжает разработки новых соединений в группе ВН, предложенных Всероссийским НИИТС.
При проведении исследований было установлено, что при уменьшении размера зерна карбидной фазы значительно повышаются такие характеристики, как прочность и твердость сплавов. Использование технологий регулирования и плазменного восстановления гранулометрического состава на сегодняшний день позволяют выпускать материалы, величина фракции в которых менее микрона. Сплавы марки ТСН сегодня широко используются в производстве узлов нефтегазовых и химических насосов.
Российская промышленность
Одним из передовых предприятий, занятых в сфере производства и научных разработок, выступает Кировоградский завод твердых сплавов. КЗТС обладает обширным собственным опытом по внедрению инновационных технологий в производство. Это позволяет ему занимать первые позиции на промышленном рынке России. Предприятие специализируется на выпуске спеченных твердосплавных инструментов и изделий, металлических порошков. Выпуск налажен с января 1942 года. В конце 90-х годов на предприятии была проведена модернизация. В течение последних нескольких лет Кировоградский завод твердых сплавов направляет свою деятельность на выпуск усовершенствованных многогранных сменных пластин с износостойкими многослойными покрытиями. Предприятие занимается также разработкой новых безвольфрамовых составов.
Заключение
Положительный опыт многих промышленных предприятий позволяет предположить, что в ближайшее время безвольфрамовые сплавы не только станут еще более популярными, но и смогут заменить другие материалы, используемые для производства штамповой и режущей продукции, элементов машин, осуществляющих работу в тяжелых условиях, приспособлений и оснастки. Сегодня уже создана целая группа соединений на основе карбонитрида и карбида титана. Они применяются во многих производственных сферах. Широко распространены, в частности, твердые сплавы ТВ4, ЛЦК20, КТН16, ТН50, ТН20. К новым разработкам относят материалы групп тантала TaC, ниобия NbC, гафния HfC, титана TiC. Выпуск инструментов с применением этих сплавов позволяет заменить вольфрам относительно дешевыми добавками, расширив, таким образом, номенклатуру используемого сырья. Это, в свою очередь, обеспечивает выпуск изделий, обладающих специфическими свойствами, более высокими эксплуатационными характеристиками.
