Технология получения твердосплавных пластин из порошка

Методы порошковой металлургии широко применяют в промышленности для получения металлокерамических, металлических и керамических композиций. Достаточно отметить получаемые этим методом и широко используемые в технике металлорежущие твердосплавные пластины, представляющие собой спеченную смесь порошков кобальта и карбидов вольфрама или титана. Однако для получения волокнистых композиционных материалов методы порошковой металлургии стали использовать относительно недавно, причем почти все эти методы — прессование с последующим спеканием, горячее прессование, экструзия, динамическое уплотнение и др. - оказались пригодными для указанных целей, разумеется, в зависимости от природы составляющих композиционных материалов — матрицы и упрочнителя.

В качестве исходных материалов используют металлические или металлокерамические порошки, образующие матрицу, и армирующие волокна в виде непрерывных или дискретных волокон, либо в виде металлических сеток. Оборудование, применяемое при изготовлении композиционных материалов, как правило, существенно не отличается от оборудования, применяемого в порошковой металлургии. В основном это разного типа вибрационные столы для уплотнения смеси, прессы, печи для спекания

и ДР.

Рассмотрим некоторые наиболее типичные процессы при изготовлении волокнистых композиционных материалов с использованием методов порошковой металлургии.

Прессование с последующим спеканием для получения волокнистых композиционных материалов используется в тех случаях, когда волокна обладают высокой стабильностью в контакте с материалом матрицы при температурах, достаточных для спекания матриц. Во всех других случаях в процессе длительной" выдержки спрессованной заготовки при высокой температуре, необходимой для уплотнения матрицы, одновременно происходит взаимодействие волокон с матрицей, приводящее к снижению свойств материала. Кроме того, как было показано Баски на материалах на основе никелевого сплава типа хастеллой, армированных волокнами вольфрама и молибдена, в результате различного температурного коэффициента линейного расширения компонентов происходит отслаивание матрицы от волокна в процессе;

охлаждения материала от температуры спекания до комнатной,

Как правило, прессование и спекание используют как предварительные технологические операции, позволяющие получит! заготовку, содержащую необходимое количество определенным образом расположенных волокон, хотя в целом ряде случаев возможно получение композиционного материала большой плот-. ности (95—98% от расчетной) при использовании только процес-, сов прессования и спекания. «tg

В отличие от обычного металлокерамического производства, для которого возможны процессы получения полуфабрикатов методом обработки давлением непосредственно из порошков (прокатка, экструзия из порошков и др.), порошковая металлургия композиционных материалов предусматривает обязательное изготовление предварительно подпрессованной заготовки с равномерно распределенным в ней волокнистым упрочнителем.

Окончательное формирование компактной, беспор истой'заготовки или готовой детали производится методами горячего прессования, ковки, прокатки, экструзии и др.

Приготовление заготовок для прессования. Метод прессования с последующим спеканием используется для получения материалов, армированных как дискретными, так и непрерывными, волокнами. Технологические схемы на стадии получения компактной заготовки для спекания существенно различаются.

Схема получения материала с дискретными волокнами состоит из операций смешения порошкового матричного материала с имеющими определенную длину волокнами упрочнителя. При использовании металлического упрочнителя (нарезаемая определенной длины проволока) возможно применение обычных валковых мельниц и шаровых смесителей. Возможно перемешивание как всухую, так и с применением жидкостей, например спирта. При этом следует обратить внимание на возможность комкования волокон отдельно от порошковой фракции; обычно это происходит в том случае, когда отношение длины к диаметру волокон составляет более ста. Получение хорошо перемешанной шихты с равномерным распределением волокон зависит от следующих факторов, устанавливаемых опытным путем: 1) метода перемешивания;

2) геометрических размеров смесителя и загрузки его шихтой — отношения длины волокон к размерам смесителя; 3) формы и размеров порошковой фракции; 4) отношения длины к диаметру волокон; 5) соотношения порошковой и волокнистой фракции в шихте;

' 6) времени перемешивания (при отсутствии явления комкования волокон); 7) наличия в составе жидкости той или иной консистенции, изменяющей сыпучесть компонентов.

Комкования волокон часто удается избежать при использовании турбулентного смесителя. В некоторых случаях избежать этого явления удается лишь при перемешивании компонентов вручную. При использовании хрупких волокон или нитевидных кристаллов тугоплавких соединений (окислов, карбидов, нитридов) условия перемешивания должны обеспечить, кроме того, минимальное разрушение волокнистой фракции.

После перемешивания шихту помещают непосредственно в пресс-форму, в которой производится ее уплотнение. Предварительная операция сушки в случае мокрого перемешивания часто бывает нежелательна, так как при последующей загрузке высушенной шихты в пресс-форму может происходить сегрегация компонентов его. В случае необходимости сушку шихты лучше произ-

Рис. 66. Схема изготовления заготовки композиционного материала методом шликерного литья:

/ — щликер; 2 — обойма; 3 — упрочняющие волокна; 4 фильтровальная бумага; S ------- — -„ „„,„„. к _

металлическая сетка; S — от-сток жидкости

сое; 7 — вибростол; 8

водить прямо в пресс-форме, используя для | этого вместо нижнего пуансона специальный |

фильтр-вкладыш. |

Описанный выше метод может обеспечить получение заготовки с хаотичным расположением волокон. Для получения заготовок с полностью или частично ориентированным расположением волокон наиболее эффективным является метод шликерного литья. В полость формы укладываются ориентированные определенным образом ор-тотропные или изотропные заготовки (маты) из дискретных волокон или нитевидных кристаллов. Затем маты пропитываются шли-кером, содержащим порошкообразный матричный материал и связующие нужной кон-1 систенции. В одном из вариантов этого метода на дне формы устанавливается пористая диафрагма, шликер подается в верхнюю часть формы и отсасывается из нижней части, заполняя при этом частицами матричного вещества межволоконное пространство. Метод шликерного литья используют при изготовлении композит ционных материалов, армированных непрерывными волокнами. Схема получения заготовки представлена на рис. 66.

Прессование. Прессование заготовок для получения компактной детали или полуфабриката может быть произведено в стальных пресс-формах с использованием обычных гидравлических прессов. Давление прессования подбирают в каждом случае отдельно: можно лишь отметить, что в случае, когда смесь содержит металлические волокна, например стальную, вольфрамовую или бериллиевую проволоку, давление прессования должно быть больше, чем это необходимо для прессования порошка материала матрицы. В ряде случаев при прессовании заготовок, содержащие большое количество упругих металлических волокон (30% i более), спрессованные заготовки разваливаются в результате пру-j жинящего действия волокон. Для получения плотной и прочной! заготовки в этом случае используют метод горячего прессования

или методы деформации.

Для прессования заготовок с ориентированными волокнам» целесообразнее использование метода изостатического прессова ния заготовки в гибких оболочках; это позволяет максимально сохранить заданное распределение волокон в материале.

Спекание. Наличие второй фазы в порошковой заготовю в виде непрерывных или дискретных волокон определяет необыч ное поведение материала при спекании. Теория спекания двух!