МОДИФИЦИРОВАНИЕ ТВЁРДОГО СПЛАВА ВК-6 И ВК-8 С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПУТЁМ ЛЕГИРОВАНИЯ ЕГО РЕНИЕМ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены краткие результаты научных исследований, направленных на улучшение свойств вольфрамсодержащих материалов путем их обогащения ванадием и рением. Твердые сплавы, содержащие вольфрам, делятся на виды по составу сплава. Кратко рассмотрено количество элементов в составе сплава. В качестве альтернативных металл-связок для замены дефицитного кобальта предлагались металлы группы железа в различных сочетаниях, чистый рений, а также различные добавки других металлов.

ABSTRACT

The article presents brief results of scientific research aimed at improving the properties of tungsten-containing materials by enriching them with vanadium and rhenium. Hard alloys containing tungsten are divided into types according to the composition of the alloy. The number of elements in the alloy composition is briefly considered. Metals of the iron group in various combinations, pure rhenium, as well as various additives of other metals were proposed as alternative metal binders to replace scarce cobalt.

Ключевые слова: сплав, карбид, вольфрам, кобальт, углерод, никель, молибден, железо, титан, тантал, химический состав.

Keywords: alloy, carbide, tungsten, cobalt, carbon, nickel, molybdenum, iron, titanium, tantalum, chemical composition.

Введение. Потребность в твердых сплавах с улучшенными эксплуатационными характеристиками для различных областей применения, в частности для машиностроения в мире с каждым годом быстро растет. Для обработки материалов в машиностроение широкое применение нашли твердые сплавы группы ВК, поскольку они обладают уникальным сочетанием твердости/износостойкости и прочности / трещиностойкости, а также, целым рядом прочих полезных свойств. Сочетание высокой твердости и трещиностойкости имеет принципиальное значение для эффективной работы инструмента в сильно нагруженных условиях эксплуатации. Поэтому повышение механических и эксплуатационных свойств инструмента является первоочередной задачей для эффективной работы инструмента в широком интервале температур.

Разработка технологии получения твердосплавных режущих пластин, легированных рением

В результате проведенных исследований определены:

• условия восстановления оксидов вольфрама и кобальта в среде водорода
• температура, скорость движения лодочки и расход водорода.

Оптимальными параметрами для вольфрама является - Т=1000 ^оС, V= 9 м³ и расход Н₂- 8м³/ч.

Оптимальными параметрами для кобальта является:

Оптимальные режимы карбидизации W- Re- Т=1450 ^оС, V= 6 м³ и расход Н₂- 3 м³/ч.

Приведена принципиальная схема получения ТС, легированных рением, по которой получены образцы ТС Со следующими характеристиками (табл.1):

Таблица 1.

Результаты физико-химических испытаний образцов ТС, легированных рением

В твердых сплавах, представляющий собой композиционный материал, в качестве матрицы для удержания зерен карбида вольфрама в применяют «связку» из кобальта (он не образует карбиды и не разрушает их), никеля, сплава Ni-Mo [1-3].  Порошковые твердые сплавы различают по металлам карбидов. Пластины из них имеют высокую твердость и износостойкость. 

Требования к физико-механическим свойствам и качеству ТС постоянно растет и необходимость повышения износостойкости изделий из твердых сплавов, в частности, сплава ВК-6 и ВК-8 является актуальной. Инструменты из него показали относительное «отставание» в качестве от импортных аналогов.

Анализ причин выявил возможные версии такой ситуации:

• неоптимизированная структура сплава или его компонентов;
• нежелательные примеси в сырье формирования компонентов сплава;
• Одним из возможных путей улучшения качества и эксплуатационных свойств ТС является поиск легирующих компонентов, в частности рением.

Исходя из вышеизложенного поиск способов повышения износостойкости твердого сплава системы WC-Co состояло из подбора лигатуры, повышающей износ твердого сплава ВК-6 и разработки технологии их получения. При одинаковом содержании кобальта, физико-механические и режущие свойства инструментов из твердых сплавов, в значительной мере, определяются зернистостью: размером зерен фазы карбида вольфрама. Технологические приемы позволяют получить сплавы со средним размером зерен карбидов - от долей мкм до 15 мкм. Одна из целей легирования «ингибиторами роста зерна сплава» - регулирование размера зерна, влияющего на его износостойкость. А размер зерна зависит от наличия и концентрации этих лигатурных добавок. К ним относят карбиды тантала, хрома и ванадия. Особый интерес вызывают публикации по оценке эффективности легирования сплавов WC-Co карбидом ванадия. Примечательно в них то, что сплавы WC-VC-Co из стандартных порошков WC и V₈C₇, размером до 1 мкм, могут достигать уровня твердости, характерного для сплавов WC-Co с равным содержанием Со, но сформированных из дорогостоящих ультрадисперсных порошков, а также достигать более высокой износостойкости. Ванадий присутствует преимущественно в форме V₈C₇.  Наиболее перспективным в настоящее время применение рениевой лигатуры.

 Твердосплавные сплавы семейства ВК в зависимости от исходных материалов и операций по восстановлению металлов и получения карбидов, а также легирующего материала имеют свои особенности [4-7].

Несмотря на это технология получения твердых сплавов состоит из следующих основных этапов, которые являются общими:

1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов.
2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (до 1-2 микрон.
3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).
5. Холодное прессование

6.Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400-1500°C.

Исходным сырьем для получения твердого сплава ВК является трехокись вольфрама и оксид Со.

Вольфрамовый ангидрид WO₃ восстанавливают водородом в печах.

При этом его загружают влодочки, которые постепенно продвигают внутри муфеля печи, гдепротекает реакция:

WO₃ + 3H₂ = W + 3H₂O.

Для получения мелкозернистых порошков температуру восстановления поддерживают в пределах 600-700^оС, среднезернистых – 800-900°С, крупнозернистых – 1200 °C.

Возможно восстановление WO₃ углеродом по реакции:

2CO = CO₂ + С,

WO₃ + 3СО = W + 3СО₂.

Реакция осуществляется при температуре 1500-1700^оС. В этом случае затруднено получение вольфрама ожидаемой зернистостью, поэтому получаемый порошок подлежит размолу.

Порошок кобальта получен из окиси кобальта Со₃О₄, также восстановлением водородом в муфельной печи прямого нагрева. Процесс восстановления протекает во следующей реакции:

Со₃О₄ + 4Н₂ = 3Со + 4Н₂О.

Следующий этап размол в шаровой мельнице и просев порошков вольфрама и кобальта с получением однородного по размеру (1-2 микрон).

Эти этапы получения ВК характерны для традиционной технологии.

В данной работе осуществляли карбонизацию смеси WC – NH₄ReO₄.

Химический состав исходных компонентов приведен в табл.2-4.

 Таблица 2.

Представлены характеристики исходных WO₃ (% 10 ^-3)

Таблица 3.

Представлены характеристики исходных Со₃О₄ (% 10 ^-3)

Таблица 4.

Химический состав исходного перрената аммония NH₄ReO₄ (% 10 ^-3)

Восстановление оксидов вольфрама и кобальта проводили в электрической  трёхзонной муфельной печи типа СТН 1,6 в среде водорода.

На рис. 1 показан процесс получения металлического вольфрама и кобальта на участке восстановления металлов.

Рисунок 1. Участок восстановления металлов в среде водорода

В трёхзонной муфельной печи типа СТН 1,6 восстановление в среде водорода протекают следующие этапы химических реакций в соответствии с равновесными условиями в системе  W—О—Н

Таблица 5.

Равновесие в системе  при температуре 750°С

Как видно из табл. 4 реакция восстановления состоит из нескольких промежуточных стадий, отмечаемых образованием нестехиометрических окислов — твердых растворов. Все реакции эндотермичны, константы равновесия их увеличиваются с температурой, и она значительно их ускоряет.

Восстановлениев трёхзонной муфельной печи способствует полноте протекания реакции восстановления.

В результате проведенных экспериментов установлены оптимальные условия восстановления и получения металлического W и Со. (табл.6) 

Таблица 6.

Оптимальные режимы восстановления WO₃ и Со₃О₄

В отличии от традиционной технологии при получении ВК, легированных рением осуществлялось непосредственно из смеси металлическоговольфрама и перрената аммония. После двух стадий восстановления смеси осуществляется карбидизация,предварительно перемешанной сажей при температуре 1300-2000^оС. Оптимальные режимы карбидизации приведены в табл.6.

Для приготовления конкретной партии  ТС полученную смесь WC-Re C измельчали в течении 72 часа  в шаровой мельнице  до размера зерна – 1-2 микрон (50%) остальное до 6 микронов. Размер зерен определяли по методу Фишера.

Заключение

Применение кобальта связано с исключительно удачным набором особенностей его взаимодействия с карбидом вольфрама, делающим сочетание WC-Co идеальным. В качестве альтернативных металл-связок для замены дефицитного кобальта предлагались металлы группы железа в различных сочетаниях, чистый рений, а также различные добавки других металлов.

Список литературы:

1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976;
2. Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свойства спеченных твердых сплавов. М.: Изд-во МИСиС, 2004.
3. Курлов А.С., Ремпель А.А., Благовещенский Ю.В., Твердые сплавы WC 6% масс % CO и WC 10 масс. % CO на основе нанокристаллических порошков. Доклады академии наук. М.: Российская академия наук - 2011. - Т. 439 - № 2 - С. 215-220
4. Фальковский В.А., Клячко Л.И. Твердые сплавы. М.: Изд-во «Руда и металлы», 2005.
5.   Doi H, Nishigaki K. Binder phase strengthening through precipitation of intermetallic compound in titanium carbide base cermet with high binder concentration. Moder Dev Powd Met, 11, 1977, P 525.
6. Nishigaki K, Yoshimura H, Doi H. Effect of aluminum nitride additions on the mechanical and cutting properties of Ti (C0.7N0.3)-15Ni-8Mo alloy. J Jap Soc Powder Powd Met, 27(1980)50.
7. Hornbogen E. Dispersion hardening-the oldest nanotechnology, Metall; 55(2001)522