CC BY
28
.....*»•>.
4 (44), 2007 /39
The new directions and developments, which are more perspective for the development of the wiredrawing instrument, possessing necessary complex of physical-mechanical characteristics, are examined.
А. Н. САВЕНОК, Д. Г. САЧАВА, Т. Н. ЛИПАТКИНА, РУП«БМЗ»
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ВОЛОЧЕНИЯ ПРОВОЛОКИ
УДК 669.
Волочильный инструмент заслуживает тщательного изучения с точки зрения качества и потенциальных возможностей, которыми он обладает, так как именно этот сверхтвердый инструмент фактически определяет конечный успех или неудачу в любом процессе волочения проволоки.
Качество волок во многом определяет экономические показатели процесса волочения и свойства готовой проволоки. Для достижения максимальной экономической эффективности необходимы, главным образом, правильный выбор материала для изготовления волочильного инструмента, правильно рассчитанная геометрия профиля волоки и полировка ее поверхности в соответствии с предназначенным для волочения материалом. Все это приведет к оптимальному увеличению срока службы инструмента и положительно скажется на производственных и экономических показателях предприятия.
В данной статье рассматриваются новые направления и разработки, которые являются наибо-
Субмикранные в оль фрлмовые твердые сплавы
Легирование вольфрамовых твердых сплавов
Изготовление волок m
композиционных материалов
Нанесение 1ПНО сос тонких покрытий на вольфрамовые твердые сплавы
Рис. 1. Направления развития твердосплавного инструмента
лее перспективными для развития волочильного инструмента, обладающего необходимым комплексом физико-механических свойств, в первую очередь высокой трещиностойкостью и износостойкостью (рис. 1).
Большое значение в исследованиях, направленных на создание материалов, имеют работы по безвольфрамовым твердым сплавам, которые в ряде случаев с успехом заменят вольфрамосодер-жащие материалы.
Особый интерес представляют работы по новым тенденциям в области сверхтвердых материалов на основе нано- и ультрадисперсных порошков алмаза и кубического нитрида бора.
Легированные вольфрамовые твердые сплавы
Легирование сплавов \¥С—Со другими тугоплавкими металлами оказывает сложное влияние на структуру и свойства сплава (рис. 2, 3). Основными легирующими элементами являются карбиды ниобия, тантала, титана.
Легирование должно рассматриваться прежде всего как средство, препятствующее росту зерна карбида вольфрама в процессе спекания, т.е. как ингибитор роста зерна. Однако, образуя с основной карбидной фазой сложные карбиды или растворяясь в твердом растворе на основе кобальта, легирующие элементы так или иначе влияют на механические и эксплуатационные свойства сплава.
Таким образом, введение легирующих добавок, помимо торможения роста зерна, будет повышать твердость сплава и снижать его вязкость.
На РУП «БМЗ» исследовали легированный сплав марки Т8М05. Состав и свойства вольфрамовых сплавов приведены в табл. 1.
Изготовление
волок из нитридов и
боридов тугоплавких металлов
лп/Ш7:Г;г: ттт.тгг
411 I « (44). 2007 -
г г
(I
* . Г- л ■ £>
Рис. 2. Легированный сплав
Рис. 3. Серийный сплав
Таблица 1
Марка сплава \УС Со ТЮ/ТаС Твердость НУ Размер зерна ос-фазы, мкм
%
Легированный 93,7 4,8 1,5 1931 0,7
Серийный 96,5 3,5 1832 1,2
В марте-июне 2004 г. на РУП «БМЗ» в стале-проволочном цехе проведены испытания семи маршрутов при волочении проволоки диаметром 0,30 НТ, в которых первые семь волок изготовлены из волок-заготовок марки ТБМ05 (легированный твердый сплав). Для сравнения одновременно испытаны маршруты, в которых все волоки изготовлены из применяемых на РУП «БМЗ» твердых сплавов.
Контроль качества поверхности рабочего канала волок после эксплуатации показал, что волоки из легированного сплава отличались пониженным износом по сравнению с волоками из применяемых сплавов.
ШВШВвЯШШВ
г.
Рис. 4. Субмикронный сплав
Рис. 5. Серийный сплав
Субмикронные твердые сплавы
Данные сплавы отвечают современным требованиям по износостойкости, но обладают повышенной хрупкостью.
Использование твердых сплавов с мельчайшим зерном в процессах волочения проволоки постепенно увеличивается. Это происходит из-за того, что износ истиранием (т.е. систематическая потеря цельных зерен или только какой-то части зерна) снижается при уменьшении размера зерна. Износ протекает медленней, к тому же большая площадь поверхности всех мельчайших зерен гарантирует и оптимальное соединение с кобальтом.
Необходимую величину зерна карбида вольфрама получают производители твердосплавных смесей, изменяя температуру и условия получения исходных вольфрама и карбида вольфрама (рис. 4, 5).
Состав и свойства субмикронных сплавов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Марка сплава Содержание химических компонентов Физико-механические свойства
Со \УС твердость НУ средняя величина зерна ос-фазы, мкм
КСЯ 04 3,0 97.0 2320 0,4-0,6
СЯ 05 3,0 97,0 2102 0,5-0,8
иН6Б-Р 6,0 94,0 2077 0,6
Серийный 3,5 96,5 1832 1,2
В мае 2006 г. на РУП «БМЗ» поступила опытная партия смеси 1Л-6 Б-Р. Твердосплавные волоки-заготовки, изготовленные из смеси, имели твердость значительно выше, чем из НЗМ, а содержание Со (6%) повышает трещиностойкость. Однако спеченные волоки-заготовки имели в
структуре скопления крупных зерен ос-фазы, что не соответствует требованиям РУП «БМЗ». Поэтому работа в этом направлении была приостановлена.
В феврале 2006 г. в ЛПМиВ исследовали опытные образцы волок-заготовок из твердосплавных материалов марок СЕ и КС К. Резуль-
таты входного контроля показали, что волоки-заготовки имеют высокую твердость 2100—2300 НУ. Изготовленные волоки (последние 10-го маршрута) были опробованы при волочении сверхвысокопрочной проволоки диаметром 0,35 НТ. При волочении опытные волоки показали высокую износостойкость, отсутствие трещин, выкрашиваний и расколов.
Сплавы с износостойкими покрытиями
Целью нанесения на твердые сплавы покрытия является повышение эксплуатационной стойкости инструмента за счет более высокой износостойкости слоя, чем основы.
В настоящее время у нас и за рубежом ведутся работы, направленные на изыскание новых материалов для покрытий, способа и технологии нанесения их, конструкции оборудования.
Многими работами установлено, что процесс упрочнения поверхности твердого сплава после обработки связан в значительной степени с изменениями тонкой кристаллической структуры, происходящими в поверхностных слоях при раз-
личных методах термического воздействия, а именно: возникновение микроискажений решетки, изменение напряженного состояния поверхностного слоя, изменение напряжений в карбидной фазе.
В декабре 2005 г. исследовали опытные образцы твердосплавных волок-заготовок с упрочненными поверхностными слоями. На ООО «Нагорный» для упрочнения использовали метод газобарического легирования готовых изделий из твердых сплавов. При этом полезные свойства (износостойкость) должны увеличиваться в 2—3 раза.
В результате проведения входного контроля было обнаружено, что (рис. 6):
• упрочненный слой нанесен не по всему периметру канала волоки-заготовки;
• толщина упрочненного слоя неравномерная;
• твердость в упрочненном слое ниже, чем в материале;
• в структуре выявлен углерод, который является дефектом твердого сплава.
Рис. 6. Твердосплавные волоки-заготовки
Работа была приостановлена, так как изначально твердосплавные вставки волок-заготовок признаны непригодными для использования.
В 2000 г. в лаборатории порошковой металлургии и волок проводили исследования стойкости твердосплавных волок после проведения химико-термической обработки специалистами OHM HAH Беларуси. Волоки были подвергнуты химической обработке в растворе неорганических кислот, в ходе которой происходит растворение оксидных пленок, создание более однородного напряженного состояния, выравнивание микрорельефа и повышение класса чистоты поверхности.
Работу по определению стойкости опытного маршрута диаметром 1,77—0,ЗОНТ проводили в сравнении с рядовым маршрутом. В процессе работы осуществляли контроль качества поверхности тонкой проволоки. Поверхность проволоки была удовлетворительной. Таким образом, сопротивление износу волок, подвергнутых обработке, несколько выше по сравнению с волоками стандартного исполнения.
с износостойким упрочненным покрытием
В настоящее время работа продолжается. Проводится исследование твердосплавных волок после термохимического упрочнения.
Волоки из композиционных материалов (безвольфрамовые материалы)
В июне 2002 г. БНТУ предоставил шесть опытных волок-заготовок. Волоки отлиты из железоуглеродистого сплава, упрочненного карбидами хрома (рис. 7).
а б
Рис. 7. Дендритная структура монолитных, отлитых из железоуглеродистого сплава, упрочненного карбидами хрома, волок (а); серийный сплав (б)
В результате контроля качества в ЛПМиВ в волоках-заготовках обнаружены поры и раковины. Измерения показали очень низкие значения твердости материала — 736 НУ. После эксплуатации в
42/
/хтт^ г: ржпглтге
4 (44). 2007 -
течение 14 ч опытная волока вышла из диаметра. Отрицательный результат был предсказуем из-за очень низкой объемной доли карбида хрома в данном сплаве, а его твердость намного ниже твердости карбида вольфрама.
В августе 2002 г. в ЛПМиВ исследовали шесть опытных волок-заготовок, предоставленных БИТУ.
Исследуемый композит в зоне рабочего канала армирован проволокой из высокомарганцовистой стали Гатфильда (рис. 8).
В состоянии поставки рабочие каналы представляли собой отверстия различной формы, требуемые для волоки элементы канала не сформированы, структура материала вставки отличается высокой пористостью и количество настолько велико, что не поддается оценке.
В принципе эта сталь используется в качестве износостойкого материала, но для изготовления волок она неприемлема из-за недостаточной износостойкости и плохой полируемости. Продолжать работу в части композитов, армированных стальной проволокой, нецелесообразно.
Сверхтвердые материалы. Алмазные волоки
Впервые синтез алмаза был осуществлен только в 1953 г. в Швеции. На сегодняшний день синтез сверхтвердых материалов включен в первую десятку приоритетных направлений в научно-технической деятельности в мире.
К отличительным особенностям инструментов из сверхтвердых природных материалов и синтетических алмазов, кубического нитрида бора относятся наивысшая твердость, высокая износостойкость, низкий коэффициент трения (следовательно, малый износ), долговечность, большой рабочий ресурс, инструментальная стойкость.
В ноябре 2005 г, французская фирма ВАЬЬОРРЕТ предоставила РУП "БМЗ" для опробования алмазные волоки (рис. 9).
Алмазные волоки французской фирмы ВАЬЬОРРЕТ испытывали в СтПЦ-2 при волочении сверхвысокопрочной проволоки диаметром 0,175 мм. Волоки имеют высокую износостойкость, расход волок при использовании алмазных волок в 2,5 раза ниже, чем при использовании твердосплавных. После эксплуатации волок в течение 40 ч на их рабочей поверхности обнаружены раковины.
В 2001 г. была проведена работа по исследованию опытной партии волок из искусственного алмаза, изготовленных ОАО «Полтавский алмаз-
Рис. 8. Волоки из композиционных материалов (безвольфрамовые материалы): а, б — профиль волок в зоне рабочего канала, армированных проволокой из высокомарганцовистой стали Гатфильда; в — профиль волок, используемых на РУП «БМЗ»
ный завод» (ОАО «ПАЗ»). ОАО «ПАЗ» для изготовления синтетических поликристаллических алмазных волок использует алмазный порошок зернистостью 5 мкм. Проведенные исследования выявили крайне низкий уровень качества по геометрическим параметрам алмазных волок, изготовленных ОАО «Полтавский алмазный завод». За 40 ч волочения со скоростью 4,5 м/с сверхвысокопрочной проволоки номинальным диаметром 0,175 мм диаметр алмазных волок не изменился. Качество поверхности удовлетворительное.
Целесообразно использовать алмазные волоки для чистовых групп маршрута, но использовать субмикронный алмазный порошок и соблюдать требования по геометрическим параметрам.
Изготовление волок из нитридов и боридов тугоплавких металлов
Из природных материалов к сверхтвердым относится только алмаз. К настоящему времени синтезировано большое количество других сверхтвердых материалов. Механические свойства сверхтвердых материалов приведены в табл. 3. Самым твердым из них долгое время оставался кубический нитрид бора. В природном состоянии такой материал не обнаружен. Прямым превращением твердого раствора кубического нитрида бора была получена новая сверхтвердая фаза — кубический карбонитрид бора.
Исключительную твердость трех основных сверхтвердых материалов (алмаз, кубический карбонитрид бора и кубический нитрид бора) связывают с симметричным направлением атомных связей в кристалле (рис. 10).
Рис. 9. Алмазные волоки французской фирмы ВАЬЬОРРЕТ
Рис. 10. Кристаллические решетки: алмаза (а), карбонитрида бора (б), кубического нитрида бора (в): 1 — атомы углерода; 2 — атомы азота; 3 — атомы бора
гшт: кшшш / до
- 4 (44), 2007/ Чи
Таблица 3
Фаза Ну ГПа
с-ВИ ( кубический нитрид бора) 62
c•-BC2N (кубический карбонитрид бора) 76
Алмаз 115
Работа в этом направлении находится в области теоретических исследований.
Выводы
В настоящее время в мире уже достаточно широко изучены и используются на практике вольфрамокобальтовые сплавы. Легированные, субмикронные, сплавы с упрочненными покрытиями находятся только в стадии разработки. При использовании и выборе волочильного инструмента с упрочненным покрытием необходимо учитывать ряд факторов: функциональную пригодность покрытия в течение длительного срока эксплуатации, возможность получения равномерного покрытия, способности к восстановлению, эколо-гичность и энергоемкость производства и др.
В отношении композиционных материалов дальнейшую работу необходимо проводить только
на композитах, сопоставимых с применяемым в настоящее время твердым сплавом по величине зерна, пористости и другим основным характеристикам. Кроме того, необходимо обеспечить отсутствие в материале дефектов макроструктуры (раковин и др.), а также повысить точность геометрии и качество поверхности канала волок-заготовок.
Алмазные волоки являются дорогостоящим волочильным инструментом, поэтому необходимо рассматривать экономическую эффективность их применения.
Накопленный объем исследований позволяет реально оценить возможность применения новых материалов и дает возможность обоснованно прогнозировать дальнейшее развитие волочильного инструмента исходя из потребностей предприятия.
