Рассматриваемый вопрос имеет большое практическое значение, так как от поведения заготовок после снятия давления и при извлечении их из пресс-формы в значительной степени зависит как успех операции прессования, так и количество брака. Известно, что после снятия давления проявляется так называемое упругое последействие, приводящее к увеличению размеров заготовки, что в свою очередь может приводить к разрушению или появлению в ней «расслойных» трещин.
М.Ю. Бальшин указывает, что появлению трещин в заготовке под влиянием внутренних напряжений (упругое последействие) способствуют все факторы, ослабляющие ее прочность. Чрезмерное давление при прессовании также вызывает явление «расслоя», так как упругое последействие растет пропорционально прилагаемому при прессовании давлению, в то время как прочность заготовки возрастает при высоких давлениях медленнее. При прессовании в неразъемных пресс-формах наблюдаются поперечные расслойные трещины, которые образуются при выталкивании заготовки из пресс-формы: это можно объяснить тем, что в некоторые моменты одна часть заготовки находится вне пресс-формы и свободно расширяется, тогда как другая еще остается в прессформе.
Ослаблению явлений разрушения брикета при извлечении из прессформы способствует выдержка под давлением при прессовании, приводящая к релаксации напряжений, возникающих в прессуемой заготовке. Упругое расширение пропорционально приложенному давлению, но меняется нелинейно(Рнорм).
Изменение количества кобальта в смеси с карбидом вольфрама оказывает существенное влияние на упругое расширение брикетов – с повышением содержания кобальта упругое расширение возрастает.
Г.П. Злобин определил, что величина упругого расширения прессовки по высоте (табл. 8.1), примерно в 20 раз больше, чем в поперечном направлении (на специально сконструированной им пресс-форме).
Таблица 8.1. Упругое расширение прессовок из ВК20 (по Злобину).
| Масса прессовки, г | Плотность прессовки, г/см3 | Упругое расширение, % | Давление выпрессовки, МПа | ||
| по диаметру | по высоте | ||||
| в матрице | общее | ||||
| 7,43 | 0,2 | 3,3 | 5,1 | 3,0 | |
| 7,35 | 0,2 | 3,0 | 4,4 | 4,8 | |
| 7,30 | 0,2 | 2,9 | 4,1 | 9,5 |
С увеличением навески порошка упругое расширение по высоте снижается, что объясняется тем, что средняя плотность прессовки падает с увеличением высоты прессовки при одном и том же приложенном давлении.
Давление выталкивания увеличивается с ростом давления прессования.
Жесткость матрицы также влияет на давление выпрессовки. Отношение давления выпрессовки к давлению прессования мало меняется с ростом последнего для прессовок одинаковой массы. Следует также иметь в виду, что для твердосплавных смесей давление выпрессовки после прессования в 3–5 раз меньше потерь на трение, в то время как для медных порошков оно составляет почти 90 %.
6.2. Пластифицирующие добавки к смесям
Пластифицирующие вещества, вводимые в смесь перед прессованием, с одной стороны, облегчают скольжение частиц порошка относительно друг друга и стенок пресс-формы, повышая тем самым степень уплотнения смеси, а с другой, придают заготовкам некоторую дополнительную прочность за счет клеющей способности пластификатора.
Помимо этого, применяемые в производстве твердых сплавов пластификаторы, должны удовлетворять следующим основным требованиям: легко удаляться из заготовок при сушке или низкотемпературном спекании; не оставлять примесей. Известно несколько веществ (и растворителей для них), применяющихся в качестве пластификаторов при прессовании смесей в производстве спеченных твердых сплавов.
В отечественной промышленности используют, в основном, синтетический каучук, который вводят в смеси в виде раствора в бензине. Судя по опыту зарубежной промышленности, можно применять гликоль в виде спиртового раствора, камфору в виде раствора в бензине, ацетоне или эфире, смолу (глипталь), растворенную в бензине или ацетоне. Широкое распространение в последнее время получили: парафин, поливинил ацетат, поливинилгликоль, полиэтилен гликоль, поливиниловый спирт.
Сравнение поведения смесей с одинаковым количеством (1 %) разных пластификаторов показывает, что степень уплотнения, характеризуемая давлением прессования, необходимым для достижения определенной плотности, для смесей, содержащих каучук, выше, чем для смесей с гликолем и парафином. Такая прочность при равных количествах пластификаторов оказалась очень низкой для заготовок из смесей с гликолем и значительно более высокой для смесей с каучуком и парафином, причем наименьшую потерю массы при обкатывании имели брикеты с каучуком.
При наличии в прессуемых порошках парафина, градиент напряжений в полученном брикете существенно выше, чем в брикете, содержащем каучук. Упругое расширение за счёт градиента напряжений для брикетов, содержащих парафин, также выше при снятии давления и выталкивании брикета из прессформы. по склонности к образованию расслойных трещин. Если в брикетах из смеси WC + 6 % Со с каучуком трещин не наблюдалось при давлениях прессования до 200,0 МПа, то в брикетах с парафином трещины появлялись уже при давлении 160,0 МПа, а при 260,0 МПа все брикеты с парафином имели трещины.
Оценивая свойства каучука и парафина в качестве пластификаторов, предпочтение следует отдать каучуку, особенно, если учитывать, что из изделий с парафином последний должен быть удален перед окончательным спеканием, для чего требуется специально оборудованные печи. Изделия же с каучуком можно подвергать спеканию в одну стадию. Кроме того, для прессования смесей с парафином необходимо иметь пресса, конструкция которых позволяет осуществлять выдержку под давлением.
Недостатком каучука является свойство не полностью удаляться из заготовки при спекании; этот пластификатор частично обугливается, что приводит к появлению в сплаве свободного углерода и увеличению его общего содержания.
В то время как парафин можно вводить в количестве до 11 %, так как он удаляется нацело.
При введении в смесь ~ 1 % каучука содержание общего углерода в готовом сплаве повышается на 0,1...0,2 %. При недостаточно равномерном распределении каучука в смеси в готовом (спеченном) изделии обнаруживается некоторое изменение характера микроструктуры, вследствие местных включений графита. Однако это явление легко устраняется, если обеспечить равномерное распределение каучука. Процесс смешивания порошка с раствором каучука (в бензине) и последующая сушка осуществляется в одном и том же аппарате (двухяросном смесителе).
В настоящее время пластификатор рекомендуется вводить в размольный агрегат. После отгонки размольной жидкости (сушки) сразу получают готовую для прессования смесь с пластификатором. Целесообразно использовать пластификатор, растворимый в размольной жидкости, или подбирать жидкость для размола, в которой может раствориться заранее выбранный пластификатор. Каучук в спирте не растворяется.
Следует указать на влияние условий прессования на свойства. При использовании гранулированных смесей, особенно с повышенной прочностью, жесткостью (пересушенных) в наименее уплотненной части изделия относительно сложной формы давление оказывается недостаточным для раздавливания гранул, что приводит к образованию между гранулами больших пор, которые при спекании могут «не захлопываться» из-за недостаточного капиллярного давления. Такие дефекты, являясь концентраторами напряжений, могут быть причиной поломок твердосплавных изделий.
6.2.1. Условия прессования
От степени уплотнения смеси при прессовании зависит степень усадки полученной заготовки при последующем спекании. Чем выше пористость брикета, тем больше изменение его размера после спекания (не путать с относительной плотностью). Если заготовка имеет различную плотность в разных местах, то, естественно, вследствие различной усадки этих мест спеченное изделие будет иметь искаженную форму. Следует учитывать, что при выпрессовке изделия из прессформы возможно разрушение или появление «расслойных» трещин в заготовке из-за проявления упругого последействия, не всегда определяемых, но приводящего также и к увеличению ее размеров. Это особенно характерно для мелкозернистых порошков. Навеска и давление прессования для каждой марки твердого сплава устанавливается опытным путем (подбором).
На основании вышеизложенного можно, подводя итоги прессования твердосплавных смесей в стальной прессформе отметить следующие особенности: 1) применение малых давлений 50-200 МПа; 2) обязательно прессование с введением пластификатора, а отсюда требования к нему; 3) давление выталкивания заготовки из пресс-формы в 3–5 раз меньше потерь давления на трение; 4) малая текучесть порошка требует проведения операции гранулирования – получения гранул; 5) большая неравноплотность по высоте и ширине изделия; 6) большое упругое последействие, что требует применения спецоборудования; 7) степень уплотнения заготовок после прессования мало влияет на его окончательные свойства.
Для повышения прочности спрессованных изделий и их транспортировки, после прессования проводят сушку изделий в сушильных шкафах или спецсушилках с лампами инфракрасного света (лучами). Температура » 150-200 °С. При этом улетучивается бензин и происходит вулканизация (или полимеризация) каучука, что повышает прочность прессовок. Для этих процессов нельзя забывать о соблюдении правил охраны труда и техники безопасности.
9. Раздел VII. Различные методы формования твердосплавных смесей
7.1. Последовательно-цикличное прессование.
По этому способу прессовку получают не сразу во всем объеме, а последовательным уплотнением порошка за несколько циклов работы пресса. Особенностью всех видов последовательного прессования является отсутствие зависимости между общими габаритами изделия и усилием пресса, которое прикладывается на относительно небольшом участке поверхности прессуемого тела
К последовательному прессованию в принципе можно отнести прокатку и мундштучное выдавливание, но из-за отсутствия цикличности работы оборудования их рассматривают отдельно от недавно предложенной технологии последовательно-поперечного прессования. По этой технологии изделия в виде полых цилиндров получают двумя операциями: сначала из порошка прессуют заготовку методом подвижной иглы, затем в этой же пресс-форме дополнительно уплотняют пуансоном-протяжкой. Операцию выполняют на горизонтально-протяжном стане, получая трубы длиной до 2 м, толщиной – 1 мм (плотность равномерно распределена по всей длине).
На пресс-автомате из твердого сплава получают стержни ø 15 мм и длиной 220 мм.
Последовательное прессование является в настоящее время единственным способом получения твердосплавных стержней длиной более 100 мм и отношением L : D более 4 с различной формой сечения.
(Мундштучное выдавливание не позволяет получить (устойчиво) стержни с диаметром более 5 мм)
Другая область применения этого способа – изготовление цилиндрических прессовок, предназначенных для дальнейшей токарной обработки в пластифицированном состоянии, тогда как в настоящее время получают пластифицированные заготовки только в виде брусков.
7.2. Горячее прессование
Сущность метода – сжатие порошка одновременно с нагревом в широком интервале давления и температуры. Основная технологическая особенность заключается в значительной пластической деформации прессовки в момент спекания. Если при обычном спекании происходит трехмерная усадка изделия, то при горячем – размеры в горизонтальном сечении остаются неизменными, а коэффициент линейной усадки по высоте равен коэффициенту объемной усадки. Получают изделия сложной формы и конфигурации с весьма высокой точностью и большой плотностью. Однако, часто поверхность получается неровной из-за взаимодействия кобальта с графитовой пресс-формой.
Недостатки метода: 1) наличие напряжений в заготовке; 2) трудности замера и регулировки температуры; 3) расход пресс-инструмента; 4) низкая производительность; 5) высокая энергоемкость (много потерь тепла); 6) грубая поверхность изделия.
Это делают его не достаточно конкурентноспособным другим способам получения твёрдосплавных изделий
Современная область применения этого метода – получение из твердого сплава крупногабаритных изделий, размеры которых не позволяют использовать обычное холодное прессование; устранения коробления твердосплавных изделий различной формы: кольца, фрезы, резцы и др. Имеется полуавтоматическая установка правки стержней.