Методи обробки особливо твердих металів. Термічна обробка твердих відходів Обробка твердих матеріалів

Залежно від вимог до кінцевого виробу, термічна обробка проводиться різними методами.

Процеси сушіннявикористовують при отриманні кінцевих напівпродуктів у вигляді гранул, брикетів, а також для зневоднення розчинів, шламів та суспензій; шляхом подальшого досушування, випалу або спікання згранульованого або сформованого матеріалу отримують кінцевий виріб. У цих випадках закономірності тепло- і масопереносу такі ж, як під час проведення основних технологічних процесівсушіння в хімічної промисловостіта при виробництві будівельних матеріалів.

У процесі спіканняагломератів і сформованих заготовок частинки порошку поєднуються в монолітне полікристалічна тверде тіло з властивостями, близькими до властивостей компактного матеріалу. Процес термообробки і двох етапів.

Перший етап - видалення технологічної зв'язки - відбувається при температурах випаровування та плавлення сполучного та завершується при температурі початку спікання частинок порошку. Другий етап - спікання - починається при температурі, що відповідає взаємному припіканню частинок один до одного, і продовжується до температури отримання монолітного тіла, що становить приблизно 0,8 температури плавлення керамічного матеріалу. Режим випалу вибирають виходячи з хімічного та гранулометричного складу шихти з відходів, методу формування або пресування, а також розміру та виду виробу.

У процесі спікання вихідна шихта (сформована або спресована) є термодинамічно нестійкою дисперсною системою з великим запасом вільної енергії.

Процес спікання умовно можна поділити на три стадії.

На першій стадії рушійною силою є надлишок вільної поверхневої енергії дрібнодисперсних частинок, що прагне за рахунок тиску стиснути заготівлю і зменшити її вільну поверхню. Частинки ковзають по межах зерен, що призводить до ущільнення заготовки та її усадки.

На другій стадії відбувається припікання частинок у місцях контактів, створених першої стадії. При випаленні контакти між частинками розширюються, а форма і розміри пір безперервно змінюються. Кінетика цього процесу визначається швидкістю в'язкого перебігу середовища, в якому розташовані пори. На цій стадії в'язкий перебіг середовища визначається механізмом поверхневої дифузії атомів по поверхнях частинок, що спекаються, до області контактного перешийка.

На третій стадії в тілі, що спекається, залишаються лише замкнуті ізольовані пори і подальше ущільнення можливе тільки за рахунок зменшення їх числа та обсягу (процес залікування). Кінцева стадія спікання є найдовшою.

Процес піролізузнаходить застосування при переробці відходів деревини, пластмас, гумових виробів, ТПВ і шламів нафтопереробки і є процесом розкладання відходів деревини, іншої рослинної сировини при їх нагріванні до температури 450-1050 ° С без доступу повітря. При цьому утворюються газоподібні та рідкі продукти, а також тверде вугілля

рідний залишок ( деревне вугілляпід час переробки деревини, технічний вуглець при утилізації покришок).

Залежно від температури нагрівання піролізні установки поділяються на низькотемпературні (450-500 °С), що характеризуються мінімальним виходом газу, максимальною кількістю смол, олій та твердих залишків; середньотемпературні (до 800 °С) з підвищеним виходом піролізного газу та зменшеним виходом смол та олій; високотемпературні (понад 800 °С) з максимальним виходом газів та мінімальним - смолоподібних продуктів.

Висока температура інтенсифікує утилізацію відходів. Швидкість реакцій із підвищенням температури зростає за експонентом, а теплові втрати збільшуються лінійно. При цьому відбувається більш повний вихід летких продуктів і скорочується обсяг твердого залишку, що утворюється. При піролізі небажаний діапазон температур 1050-1400 ° С, оскільки призводить до утворення шлаків, особливо в ТПВ.

Процес піролізу проводять у печах періодичної або безперервної дії різних конструкцій (камерних, тунельних, шахтних, з шарами, що рухаються) із зовнішнім і внутрішнім обігрівом. На початковому етапі у разі підвищення температури протікають эндотермические процеси. При нагріванні деревини або інших рослинних відходів до 150 °С видаляється волога, а при температурах 170-270 °С утворюються гази СО і СО 2 і невеликі кількості метилового спирту та оцтової кислоти. При 270-280 ° С починаються екзотермічні перетворення. Вихід неконденсуючих газів, таких, як СО і С0 2 зменшується і одночасно збільшується вихід інших газоподібних і пароподібних речовин (СН 4 З 2 Н 4 Н 2), а також метилового спирту і оцтової кислоти. На швидкість процесу впливають розмір шматків відходів, що переробляються, їх вологість і температура.

Гази, що виходять з печі, охолоджують і виділяють з них цінні компоненти. Деревне вугілля, що виходить, використовують у виробництвах активного вугілля, чорних порохів і в інших процесах.

Високотехнологічний та складний процес, Для виконання якого потрібне особливе обладнання та спеціальний інструмент. Це пов'язано з тим, що подібні сплави мають високу пружність і міцність, а тому сильно протистоять різання, свердління, шліфування та іншим механічним обробкам. При цьому якість відповідного процесу багато в чому залежить від характеристик металу та правильного підбору ріжучого інструменту.

Особливості твердих сплавів

До важкообробних металів відносяться жароміцні та нержавіючі сталі та сплави. Ці матеріали є твердим розчином аустенітного класу, тому їм притаманні такі якості, як високий опір до корозії, здатність працювати в напруженому стані протягом тривалого часу, стійкість до хімічного руйнування. Крім цього, деяким видам даних металів властива структура високої дисперсності. За рахунок цього процес ковзання практично не відбувається.

Також ускладнюється обробка з таких причин:

• при різанні відбувається зміцнення матеріалу;
• сплави такого характеру мають низьку теплопровідність, а тому контактна частина оброблюваної деталі та інструменту починають схоплюватися;
• зберігається вихідна міцність навіть при дуже високій температурі;
• висока стиральна здатність сплавів призводить до утворення включень, які негативно відбиваються на інструменті;
• вібростійкість металів обумовлюється нерівномірне протікання процесу різання, а отже, отримати бажану якість обробки не вдасться.

Підбір інструменту

Для того, щоб уникнути всіх вищеописаних проблем та провести якісну обробку твердих сплавів, необхідно в першу чергу правильно підібрати інструмент. Він повинен бути виготовлений з металу, який має більш високі ріжучі властивості, ніж оброблювана деталь. При цьому для попередньої обробки фахівці рекомендують використовувати твердосплавні різці, а для чистової - швидкорізальні. До останніх відносяться сталі марок Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9.

Для виготовлення інструменту з твердосплавних металів використовують три види сплавів:

• Т30К4, Т15К6, ВКЗ - зносостійкі;
• Т5К7, Т5К10 - відрізняються високою в'язкістю;
• ВК6А, ВК8 - нечутливі до ударів, мають найменший опір до зносу.

Для зміцнення інструментів та підвищення їх робочих характеристик додатково проводять нанесення другого шару твердосплавного металу, ціанування, хромування, плакування.

СОЖ

Правильний підбір охолоджуючих рідин та способу їх застосування – не менш важливий процес у тому випадку, якщо необхідно провести обробку твердих сплавів. Для свердління фахівці рекомендують використовувати матеріали на мінеральній основі. Особливо вони підвищують продуктивність при роботі з титаном, який дуже складний у роботі. Для токарної обробки легованих сталей підійде напівсинтетичні СОЖ, для хонінгування та шліфування чавуну – рідина без мінеральних масел. Також є універсальні матеріали, які дуже вигідно використовувати в тому випадку, якщо характер обробки металу постійно змінюється.

Найбільш оптимальний спосіб подачі СОЖ під час роботи з твердими металами вважається високонапірний, при якому рідина подається тонким струменем на задню стінку інструменту. Не менш ефективними є розпилення рідини та охолодження вуглекислотою. Все це дозволяє підвищити стійкість інструменту та покращити якість обробки.

Вимоги до обладнання

Обладнання для обробки твердих металів дуже відрізняється від стандартних верстатів. Подібні моделі відрізняються:

• підвищеною жорсткістю всіх механізмів;
• вібростійкість;
• високою потужністю;
• наявністю каналів для відведення стружки;
• Спеціальні місця посадки для фіксації короткого інструмента.

Тверді метали і сплави є зносостійкими матеріалами, здатними зберігати свої характеристики при підвищених температурах (900-1100 градусів). Вони відомі людині понад сто років.

Загальна характеристика

Тверді сплави виготовляються переважно на основі хрому, танталу, титану, вольфраму з додаванням різної кількості нікелю чи кобальту. При виробництві використовуються міцні карбіди, не схильні до розкладання і розчинення при високій температурі. Твердий сплав може бути литим або спеченим. Карбіди відрізняються крихкістю. У цьому для формування твердого матеріалу їх зерна пов'язують відповідними металами. Як останні виступають залізо, кобальт, нікель.

Литі з'єднання

Твердосплавний інструмент, отриманий вказаним способом, відрізняється високою опірністю до стирання матеріалом заготовки і стружки, що сходить. Вони не втрачають своїх характеристик за температури нагрівання від 750 до 1100 градусів. Встановлено, що виробами, виробленими шляхом плавлення або лиття з додаванням кілограма вольфраму, можна обробити в п'ять разів більше матеріалу, ніж предметами зі сталі швидкого різання при такому ж вмісті W. Одним з недоліків таких сполук виступає їх крихкість. При зменшенні у складі частки кобальту вона підвищується. Швидкість, яку мають твердосплавні різці, в 3-4 рази перевищує показники для сталі.

Спечені матеріали

Вони включають металоподібне з'єднання, пов'язане сплавом або металом. Як основа, як правило, використовується карбід (складний у тому числі) титану або вольфраму, а також танталу, карбонід титану. Рідше під час виготовлення застосовують бориди. Матрицею для утримання зерен матеріалу виступає зв'язка - метал або метал. Як правило, нею є кобальт. Це нейтральний по відношенню до вуглецю елемент. Кобальт не утворює власні карбіди та не руйнує інші. Рідше у зв'язці використовується нікель та його з'єднання з молібденом.

Порівняльна характеристика

Спечені матеріали одержують порошковим методом. Обробка твердих сплавів цього здійснюється лише шліфуванням чи фізико-хімічними методами (лазером, травленням в кислотах, ультразвуком та інші). Литі вироби піддаються гартуванню, відпалу, старінню тощо. Вони призначені для наплавлення на інструмент. Порошкові матеріали прикріплюють за допомогою паяння або механічним способом.

Класифікація

Вона залежить від вмісту карбідів кобальту, танталу, вольфраму та титану. У зв'язку з цим матеріали поділяються на три групи. При позначенні марок з'єднань використовують літери:

1. Карбід вольфраму - "В".
2. Кобальт – "К".
3. Карбід титану – перша "Т".
4. Карбід танталу - друга "Т".

Цифри, вказані після букв, позначають приблизний відсотковий вміст компонентів. Решта у поєднанні (до 100%) - карбід вольфраму. Вказані в кінці літери позначають зернистість структури: "В" - велика, "М" - дрібна, "ОМ" - особливо дрібна. Промисловість випускає тверді сплави марок ВК (вольфрамові), ТТК (титанотанталовольфрамові) та ТК (титановольфрамові).

Відмінні ознаки

Основні властивості твердих сплавів полягають у їхній високій міцності, зносостійкості. При цьому матеріали відрізняються меншою в'язкістю і теплопровідністю в порівнянні зі сталлю. Це необхідно враховувати під час експлуатації виробів. Вибираючи твердий сплав, необхідно дотримуватись ряду рекомендацій:

1. Вольфрамові вироби у порівнянні з титановольфрамовими відрізняються меншою температурою зварюваності зі сталлю. У зв'язку з цим їх використовують для роботи з чавуном, кольоровими металами та неметалевими матеріалами.
2. Для сталі доцільно використовувати сполуки групи ТК.
3. Твердий сплав марки ТТК має підвищену в'язкість і точність. Його застосовують для роботи зі сталевими поковками, виливками у несприятливих умовах.
4. Чистове і тонке точення з невеликим перерізом стружки забезпечують твердосплавні борфрези з дрібнозернистою структурою і меншим вмістом кобальту.
5. За несприятливих умов та чорнової роботи з матеріалами з ударним навантаженням доцільно використовувати сполуки з високим вмістом кобальту. При цьому вони повинні мати крупнозернисту структуру.
6. Чистова та чернова обробка в процесі безперервного різання здійснюються переважно сполуками із середнім відсотковим вмістом кобальту.

Порошкоподібні матеріали

Вони представлені двома групами: що містять і не містять вольфрам. У першому випадку твердий сплав представлений у вигляді суміші технічного порошкоподібного W і феровольфраму з компонентами, що вуглерожують. Виготовлявся він ще СРСР. Називається цей твердий сплав "вокар". Процес виготовлення матеріалу наступний:

1. Високовідсотковий феровольфрам та технічний порошкоподібний W змішуються з меленим коксом, сажею та іншими аналогічними компонентами.
2. Отримана маса замішується на цукровій патоці чи смолі у густу пасту.
3. З суміші пресуються брикети, які трохи обпікаються. Це необхідно для видалення летких з'єднань.
4. Брикети після випалу розмелюються та просіюються.

Готовий матеріал, таким чином, має вигляд крихких чорних крупинок. Їхня величина - 1-3 мм. Відмінною особливістютаких матеріалів виступає їх велика насипна вага.

Сталініт

Цей твердий метал не містить вольфраму, що зумовлює його низьку вартість. Він також був винайдений у радянські рокиі досить широко використовується у промисловості. Як показала практика, незважаючи на те, що цей твердий сплав не містить вольфраму, він володіє високими механічними характеристиками, в більшості випадків задовольняють технічні вимоги. Сталініт має значні переваги перед вольфрамовими матеріалами. Насамперед це низька (1300-1350 градусів) температура плавлення. Вольфрамові матеріали зазнають змін, тільки починаючи з 2700 градусів. Температура плавлення 1300-1350 градусів значно полегшує наплавлення, підвищує її продуктивність. В якості основи сталініту використовується суміш дешевих порошкоподібних феросплавів, феромарганцю та ферохрому. Виготовлення цього матеріалу аналогічне процесу виробництва вольфрамових з'єднань. У сталініті є 16-20% хрому, 13-17% марганцю.

Застосування

У сучасній промисловості тверді сплави набули широкого поширення. При цьому матеріали постійно вдосконалюються. Розвиток цього виробничого сектора здійснюється у двох напрямках. Насамперед покращуються склади сплавів, удосконалюється технологія їх виготовлення. Крім цього, запроваджуються інноваційні способи нанесення з'єднань на вироби. Твердосплавний інструмент сприяє суттєвому підвищенню продуктивності праці. Це забезпечується високою опірністю зносу та теплостійкістю виробів. Подібні характеристики дозволяють здійснювати роботу на швидкостях, що в 3-5 разів перевищують показники для сталі. Такі переваги, наприклад, мають сучасні борфрези. Твердосплавні матеріали, що виготовляються із застосуванням передових технологій (електрохімічних та електрофізичних способів), у тому числі з використанням алмазних заготовок, є сьогодні одними з найбільш затребуваних у промисловості.

Розробки

Сьогодні у вітчизняній промисловості проводяться різноманітні дослідження, що включають глибокий аналіз можливості підвищення характеристик твердих сплавів. Головним чином вони стосуються гранулометричного та хімічного складуматеріалів.

Як досить вдалий приклад за останні кілька років можна навести з'єднання групи ТСН. Такі сплави спеціально розроблені для вузлів тертя, що працюють в агресивному кислотному середовищі. Ця група продовжує розробки нових сполук групи ВН, запропонованих Всеросійським НИИТС.

При проведенні досліджень було встановлено, що при зменшенні розміру зерна карбідної фази значно підвищуються такі характеристики, як міцність та твердість сплавів. Використання технологій регулювання та плазмового відновлення гранулометричного складу на сьогоднішній день дозволяють випускати матеріали, величина фракції в яких менша за мікрон. Сплави марки ТСН сьогодні широко використовуються у виробництві вузлів нафтогазових та хімічних насосів.

Російська промисловість

Одним із передових підприємств, зайнятих у сфері виробництва та наукових розробок, виступає Кіровоградський завод твердих сплавів. КЗТС володіє великим власним досвідомщодо впровадження інноваційних технологій у виробництво. Це дозволяє йому зайняти перші позиції на промисловому ринку Росії. Підприємство спеціалізується на випуску спечених твердосплавних інструментів та виробів, металевих порошків. Випуск налагоджений із січня 1942 року. Наприкінці 90-х років на підприємстві було проведено модернізацію. Протягом останніх кількох років Кіровоградський завод твердих сплавів спрямовує свою діяльність на випуск удосконалених багатогранних змінних пластин із багатошаровими зносостійкими покриттями. Підприємство займається розробкою нових безвольфрамових складів.

Висновок

Позитивний досвід багатьох промислових підприємствдозволяє припустити, що найближчим часом безвольфрамові сплави не тільки стануть ще популярнішими, а й зможуть замінити інші матеріали, що використовуються для виробництва штампової та ріжучої продукції, елементів машин, що здійснюють роботу у важких умовах, пристосувань та оснастки. Сьогодні вже створено цілу групу сполук на основі карбонітриду і карбіду титану. Вони використовуються у багатьох виробничих сферах. Широко поширені, зокрема, тверді сплави ТВ4, ЛЦК20, КТН16, ТН50, ТН20. До нових розробок відносять матеріали груп танталу TaC, ніобію NbC, гафнію HfC, титану TiC. Випуск інструментів із застосуванням цих сплавів дозволяє замінити вольфрам відносно дешевими добавками, розширивши, таким чином, номенклатуру сировини, що використовується. Це, своєю чергою, забезпечує випуск виробів, які мають специфічними властивостями, вищими експлуатаційними характеристиками.