Отдел продаж

Телефоны: (3532) 25-27-22, 93-60-02, 93-50-02

E-mail: [email protected]

г.Оренбург, ул.Беляевская, д.50/1, стр.1

 

Разное

Металлокерамические твердые сплавы: Металлокерамические сплавы

Содержание

Металлокерамические сплавы

Более высокой твердостью и красностойкостью, чем наплавочные твердые сплавы, обладают сплавы второй группы — металло — керамические
или порошковые твердые сплавы.

Производство изделий из этих сплавов: пластинок для режущего инструмента, фильер для волочения проволоки, коронок для буровых машин, волочильных досок для калибровки стали, цветных металлов и т.п., относится к области порошковой металлургии.

Особенностью этого производства является то, что детали точного химического состава и готовых размеров, т.е. не требующие дополнительной обработки, изготовляют путем смешения, прессовки и последующего спекания металлических порошков.

В частности, пластинки твердых режущих сплавов получают путем прессовки порошков карбидов вольфрама, карбидов титана и кобальта под давлением в 5—7 тыс. атм
в специальных стальных пресс-формах.

В процессе последующего спекания при температуре 1400—1600° эти пластинки приобретают необходимую прочность.

Исходными продуктами для получения металлокерамических твердых сплавов являются вольфрамовый ангидрид (WO3), сажа, двуокись титана (TO2) и окись кобальта (СO3О4).

В процессе производства получаются
порошки карбидов вольфрама и титана
и порошок кобальта, подвергаемые в дальнейшем смешению, прессованию и спеканию.

Общая схема изготовления металлокерамических твердых сплавов представлена на рис. 78.

Пластинки твердых сплавов обладают твердостью 85Rа
и
более и красностойкостью до 1200°.

Они припаиваются к державке,
изготовленной из углеродистой стали, и после заточки на специальных наждачных кругах применяются в качестве режущего инструмента.

Виды некоторых инструментов с напаянными пластинками и разные фасонные изделия из твердых сплавов представлены на рис. 79 и 80.

Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы
являются наиболее высококачественным материалом для изготовления режущего инструмента в настоящее время. Современное скоростное резание металлов основано на применении этих сплавов.

При обработке металлов резанием осваиваются в настоящее время и минералокерамические сплавы, т.е. пластинки из корунда, алунда и других минеральных соединений после прессовки и обжига.

При чистовой обработке стали скорость резания при применении твердых сплавов доходит до 2000
м/мин.

Применение металлокерамических твердых сплавов приведено в табл. 13. Применение этих пластинок в отдельных случаях обеспечивает высокую производительность.

Таблица 13

§

Безвольфрамовые твердые сплавы

Описание

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) или керметы – материалы, основу которых составляет не карбид вольфрама, а иное тугоплавкое соединение – как правило, карбид или карбонитрид титана, цементирующей фазой служат металлы – никель и/или кобальт, с упрочняющими добавками переходных металлов 4, 5, 6 групп (Мо, W, Cr, Nb и т. д.). Эти материалы сочетают в себе как керамические свойства (исключительные твёрдость и износостойкость, устойчивость к окислению, низкую адгезию к обрабатываемому материалу), так и металлические свойства (прочность, сопротивление удару). Важной отличительной особенностью БВТС или керметов является их микроструктура, а именно присутствие так называемой К-фазы, представляющей собой сложный карбид, образующий оболочечную структуру вокруг каждой частицы карбонитрида и обеспечивающий прочную связь этих твёрдых частиц с пластичной металлической связкой. Также следует отметить низкий удельный вес этих материалов в сравнении с вольфрамовыми твёрдыми сплавами.

Первый в мире кермет (TiC, Mo2C, Ni/Сo,Cr) был запатентован компанией «Plansee» (Германия) в 1931 году, однако в то время он не нашёл широкого применения из-за низких значений прочности. Только в 1959 г. фирма «Ford» (США) сообщила о возможном применении керметов для режущего инструмента на некоторых операциях, что послужило новым толчком для проведения исследований в данной области. Серийный выпуск керметов в США начался в 1966 году. В СССР первый отечественный БВТС появился в 60-х годах XX столетия — разработка ВНИИТС, сплав получил обозначение «ТМ». В Советском Союзе наибольшее распространение получили БВТС марок ТН20 (на основе TiC) и КНТ16 (на основе TiCN), главным недостатком которых была недостаточная прочность и нестабильность свойств.



«ВИРИАЛ» взяв за основу эти марки, до сих пор пользующиеся спросом в России, усовершенствовал их, а также технологию их изготовления с использованием самого современного оборудования, например вакуум-компрессионных печей «Tepla» (Германия), и наладил производство БВТС для двух основных областей применения: трибологии и металлообработки. Каждая область применения требует от материалов своих особенностей, поэтому технологии производства двух видов керметов схожих составов, но различного применения разработаны с учётом этих особенностей. Кроме этого «ВИРИАЛ» ведёт разработки керметов собственных составов с потребительскими свойствами, не уступающими лучшим мировым аналогам.


Области применения

В «ВИРИАЛ» разработана технология производства высококачественных трибологических керметов марок КНТ16Трибо и КНТ20Трибо, отличающихся содержанием металлической связки и, как следствие, твёрдостью/износостойкостью и прочностью. Они предназначены, прежде всего, для радиальных подшипников трения в насосах по перекачки разнообразных жидкостей как при низких температурах, так и при температурах близких к кипению: морской воды, пластовой жидкости при добыче нефти и газа, загрязнённой воды абразивными частицами, различных солевых растворов, например растаявший уличный снег и т.д., при условии относительно невысоких рабочих нагрузок.

Отличительные особенности трибологических керметов компании «ВИРИАЛ»:




1. Высокая прочность, обеспечиваемая регулировкой микроструктуры (составом и объёмом К-фазы), а также применением вакуум-компрессионного спекания, которое практически устраняет остаточную пористость в материале. Высокая прочность керметов значительно снижает вероятность растрескивания пар трения в процессах сборки и эксплуатации.


2. Низкий и стабильный коэффициент трения, обеспечиваемым микронным размером зерна твёрдой фазы и специальной подготовкой рабочих поверхностей изделий, снижает энергозатраты оборудования.


3. Как негативный фактор можно указать на меньшие предельные нагрузки, которые выдерживают пары трения из керметов в процессе работы (в сравнении с вольфрамовыми твёрдыми сплавами), связанные, прежде всего с меньшим модулем упругости и более низкой теплопроводностью.



Трибологические керметы компании «ВИРИАЛ» — реальная альтернатива парам трения из вольфрамовых твёрдых сплавов там, где не требуются высокие рабочие нагрузки. 

Металлокерамические твердые сплавы | Учебные материалы

К ним относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющего роль связки, прессуют и спекают при 1400…1500 0С в атмосфере СО или Н2. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится.

Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают резцы, сверла, фрезы и другие режущие инструменты. Пластины только шлифуются.

Такие инструменты сочетают высокую твердость 85…92 НRА (НRС 74…76) и износостойкость с высокой теплостойкостью (800…1000 0С). Недостатком является высокая хрупкость. В зависимости от состава карбидной основы выпускают три группы твердых сплавов (таблице 17).

1. Вольфрамовая (ВК). Ее составляют сплавы системы WС — Сo. Карбидная фаза состоит из зерен WС. При одинаковом содержании Со сплавы этой группы, в отличие от двух других групп, характеризуются наибольшей прочностью, но более низкой твердостью. Теплостойки до 800 0С.

ВК3…ВК8 — для режущих инструментов при обработке материалов, дающих прерывистую стружку (чугуна, цветных металлов, фарфора, керамики и т. д.).

ВК10, ВК15 — имеющих более высокую вязкость, используют для волочильных и буровых инструментов, стойкость которых в десятки раз превышает стойкость стальных инструментов.

ВК20, ВК25 — для изготовления штамповых инструментов.

2. Титановольфрамовая (ТК). Система WС — TiС — Сo имеет более высокую теплостойкость 900…1000 0С, которая повышается по мере увеличения ТiС. Их наиболее широко применяют для высокоскоростного резания сталей.

Таблица 17 — Состав и свойства твердых сплавов

Группа Сплав Состав, % sизг, МПа HRA
WC TiC TaC Co не менее

Вольфрамовая
(ВК)

ВК3
ВК4
ВК6
ВК8
ВК10
ВК15
ВК20
ВК25
97
96
94
92
90
85
80
75
3
4
6
8
10
15
20
25
1100
1400
1500
1600
1650
1800
1950
2000
89,5
89,5
88,5
87,5
87
86
84
82
Титано
вольфрамовая (ТК)
Т30К4
Т15К6
Т5К10
66
79
85
30
15
5
4
6
10
950
1150
1400
92
90
88,5
Титанотанталовольфрамовая (ТТ) ТТ7К12
ТТ8К6
81
86
4
6
3
2
12
6
1650
1250
87
90,

3. Титанотанталовольфрамовая (ТТ). Система TiС-TaС-WС-Сo. Цифра после ТТ показывает суммарное содержание (в %) карбидов ТiС + ТаС. От предыдущих отличается лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Применяются при наиболее тяжелых условиях резания (черновая обработка стальных слитков, отливок, паковок).

Металлокерамические твердые сплавы (гост 3882-74)

Содержание:

Металлокерамические твердые сплавы (гост 3882-74)

  • Металло-керамического твердого сплава(GOST3882-74) Твердый сплав металлокерамики материал инструмента сделанный из тугоплавкого металла и цементируя металла, который играет роль в 342 ссылки. Рис. 15.3 объясняет влияние температуры на твердость различных инструментальных материалов от температуры испытания. Твердые сплавы обладают самой высокой твердостью и сохраняют ее при нагревании до высоких температур.

Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии. Используются карбиды вольфрама, титана и тантала, а также карбиды ниобия и ванадия за рубежом. Сплав получают путем спекания карбидного порошка с использованием кобальтового порошка, который является связующим компонентом при 1400 ~ 1550°C после предварительного прессования. Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые обычно припаивают медным припоем к держателям из углеродистой стали.

Твердые сплавы используются для фрез, сверл, фрез и других инструментов.

Людмила Фирмаль

Инструменты из металлокерамических твердых сплавов характеризуются высокой твердостью (80-97ГРА), износостойкостью в сочетании с высокой термостойкостью (до 800-1000 ° с). Их недостатком является высокая хрупкость. Скорость резания твердого сплава в 5-10 раз выше, чем скорость резания быстрорежущей стали. В зависимости от состава карбидной основы выделяют три группы твердых сплавов: вольфрам, Титан объемный и титрование вольфрама.

Вольфрам твердый сплав вольфрам обуглероживается WC, кобальт эта группа сплавов называется монокарбидом, и указывается буквой VC и числом, указывающим содержание кобальта в процентах. Например, сплавы VCC содержат 3%Co и 97%WC. Содержание кобальта может быть различным (сплав ВК6, ВК8). Чем выше содержание кобальта, тем выше прочность, но твердость сплава несколько ниже.

  • Группа в составе цементированный карбид вольфрама имеет более низкую прочность чем другие суперсплавы. Они находятся в 800 ° C. оно выдерживает температуру до. Они обычно используются для обработки чугуна, неметаллических сплавов и различных неметаллических материалов, которые дают прерывистую стружку. Рис 15.3. Зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры испытания:1 углеродистая сталь; 2 быстрорежущая сталь;3 твердый сплав Сплав 343 второй группы (два карбида) изготовлен на основе карбидов WC и TiC на кобальтовой связи. Они помечены буквами Т, К и цифрами.

Число после буквы Т указывает на содержание карбида титана, а число после буквы К указывает на содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15%TiC, 6%Co, остальное, то есть 79%, WC. Карбид вольфрама растворяется в карбиде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W) C, который имеет более высокую твердость, чем WC. Сплавы этой группы обладают более высокой (до 900-1000 ° с) термостойкостью и увеличиваются с увеличением содержания карбида титана. Они главным образом использованы для высокоскоростной обработки стали. Для производства сплавов третьей группы в качестве

связующих веществ используют порошки карбида вольфрама, титана, тантала и кобальта. Эти сплавы обозначены буквами ТТК и цифрами.

Людмила Фирмаль

Цифра после буквы тт обозначает общее содержание карбида титана TiC и тантала TAC, а цифра после буквы К-содержание кобальта. Например, сплав tt7k12 содержит 4%TiC, 3%TAC, 12% Co и 81% WC. В их структуре присутствуют твердые растворы (Ti, TA, W) C и избыток WC. Этот тип сплава имеет более высокую прочность, чем сплавы второй группы, и обладает лучшей устойчивостью к ударам, вибрации и окрашиванию. Они использованы для более строгих требований к вырезывания(стального слитка, вковки, бросая грубого вращения). Общим недостатком рассмотренных сплавов помимо высокой хрупкости является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья, а также их повышенные физико-механические свойства, поэтому перспективным является направление использования вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Карбид титана используется в качестве основы для использования сплавов, таких как никель, молибден и связующие. Они помечены буквами CCC и TH. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15-17% Ni и 7-9% Mo соответственно, остальное-карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла используется преимущественно никель в количестве 16-30%. Концентрация молибдена составляет 5-9%, остальное также карбид титана. Твердость таких твердых сплавов составляет 87-94 HRA, и сплав обладает высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Они применяются при изготовлении режущего инструмента и при изготовлении изношенных деталей технических устройств. Особенно твердый инструментальный материал основан на нитридах бора и кремния.

Свой пластичный металл — 344 циклические связки. Изделия из этих материалов получают взрывами или в условиях сверхвысокого давления и высокой температуры. Изделия из нитрида бора и кремния используются в качестве инденторных (наконечников) материалов для измерения твердости огнеупорных материалов в диапазоне температур 700-1800 ″ С, и они обладают высокой твердостью (94-96HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, физическими свойствами и высокой стабильностью структуры при повышении температуры до 1000’с, их преимущества заключаются в следующем:

Для изготовления отделочных паст, шлифовальных кругов используются абразивные материалы. Они представляют собой порошки, либо склеенные вместе, либо нанесенные на гибкую базовую ткань или бумагу. Существуют натуральные и искусственные абразивы. Искусственный-искусственный алмаз, гексагональный нитрид бора, карборунд

Смотрите также:

Учебник по материаловедению

Металлокерамические твердые сплавы

Содержание:

Металлокерамические твердые сплавы

  • Металлокерамический твердый сплав К ним относятся материалы, состоящие из тугоплавких карбидов с высокой твердостью вольфрама, титана и тантала, соединенных металлическим связующим.

Твердые сплавы изготавливаются методом порошковой металлургии. Порошок карбида смешан с порошком кобальта, который действует как связыватель, и отжат и спечен на 1400-1500°C в атмосфере CO или h3.

Во время спекания кобальт плавится путем плавления части карбида.
Людмила Фирмаль

Твердые сплавы выпускаются в виде пластин с резцами, сверлами, фрезами и другими режущими инструментами. Плита только зашкурить. Такой инструмент сочетает в себе высокую твердость 35-92 N RA (HRC 74-76) и износостойкость с высокой термостойкостью (800-1000°C).Недостатком является высокая хрупкость.

В зависимости от состава карбидной основы получают 3 группы твердых сплавов (табл.17). 1.Вольфрам (ВК). Он состоит из сплавов на основе WC-Co. Карбидная фаза состоит из зерен WC. При одинаковом содержании со эта группа сплавов обладает наибольшей прочностью, в отличие от 2 других групп, но с низкой степенью твердости.

  • Термостойкость до 800 ° C ВКЗ… ВК8-для режущего инструмента при обработке материалов, дающих прерывистую стружку (чугун, цветные металлы, фарфор, керамика и др. ). ВК10, ВК15-благодаря своей высокой вязкости, применяется для волочения и сверления инструмента.

Его сопротивление в 10 раз превышает сопротивление стального инструмента. ВК20, ВК25-для изготовления штамповочного инструмента. 2.Титана вольфрама (ТС). Теплостойкость системы WC-TiC-Co составляет 900-1000 ° C и увеличивается с увеличением TiC. Сплавы наиболее широко используются для быстрой резки стали. 3.

Титановый Тантал (ТТ). Система TiC-TaC-WC-Co. Рисунок после TT показывает общее содержание (% ) TiC + TaC carbides. It отличается от предыдущего и самым лучшим
Людмила Фирмаль

Состав и свойства твердых сплавов Состав сплава группы.%ансг> МПа ЗПЧ WC | TiC | TaS / не меньше Вольфрам ВКЗ 97 3 1100 89,5 (VK) VK4 96 4 1400 89.5 BK6 94 6 1500 88.5 BK8 92 ■ 8 1600 87,5 BK10 90 10 1650 87 BK15 85 15 1800 86 ■ ВК20 80 20 1950 84 BK25 75 25 2000 82 Чтение-G30K4 66 30 4950 92 Вольфрамовые Т15К6 79 15 6 1150 90 (TC)T5K10 85 5 10 1400 88. 5 Титанотантаро-Т17К12 81 4 3 12 1650 87 vol1 > рамка TT8K6 86 6 2 6 1250 90.5 (ТАНГЕНС) Сопротивление к вибрации и откалывать. Сплав применяется в самых сложных условиях резания(стальные слитки, отливки, черновая обработка пакетов).

Смотрите также:

Предмет материаловедение

Металлокерамические твердые сплавы — Справочник химика 21








    Марки металлокерамических твердых сплавов, их химический состав и физико-механические свойства приведены в табл. 173. [c.249]

    Применение карбидов весьма разнообразно. Они используются в качестве абразивных материалов (В4С), огнеупоров (В4С, ТаС), полупроводниковых материалов (В4С), поглотителей нейтронов в ядерных реакторах (В4С), металлокерамических твердых сплавов (ШгС, Т1С, ТаС), как легирующие добавки при получении жаропрочной стали. Карбид кальция применяется для получения ацетилена. [c.259]

    К а р б и д. На основе твердых растворов карбидов вольфрама и титана, содержащих 10—40% Ti , созданы металлокерамические твердые сплавы, обладающие повышенной стойкостью при резании сталей. Карбид титана используется в жаропрочных сплавах, из которых лучшими свойствами обладают сплавы Ti -Ta -Nb , сохраняющие механическую прочность до 1100—2100° [11, 20]. [c.241]

    Металлокерамика. Путем спекания спрессованных порошков химического соединения и металла получают металлокерамические твердые сплавы (керметы). Лучшим связующим металлом является кобальт. Поэтому он в основном и используется при производстве керметов. По составу карбидной основы сплавы на кобальтовой основе можно разделить на три группы 1) монокарбид вольфрама с кобальтом.(ШС—Со) 2) карбид вольфрама и титана с кобальтом ( С—Т1С—Со) 3) карбид вольфрама, титана и ниобия с кобальтом ( С—Т1С—ЫЬС—Со). [c.216]

    МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ [c.231]

    Для оснащения шарошек долот типа ТК, К и ОК, предназначенных для бурения твердых, крепких и очень крепких пород, применяются сферические вставки из металлокерамических твердых сплавов, В1 -8. Размеры твердосплавных сферических вставок (штырей) показаны в табл. 214. [c.238]

    Как показали результаты испытаний, карбонитриды титана исследованных сплавов могут быть использованы в качестве твердой составляющей металлокерамических твердых сплавов. Использование карбида титана в качестве твердой составляющей с никелево-молибденовой связкой дает возможность повысить стойкость твердых сплавов при чистовом и получистовом точении углеродистых сталей в 2—4 раза. [c.64]

    Металлокерамические твердые сплавы ВК8 и ВКЮ применяются также для армирования полотен пил для резки известняков и мрамора [95]. [c.250]

    Сталями сплавам на основе карбидов (металлокерамическим, литым и типа стеллитов) вольфрам придает твердость, прочность, износостойкость с сохранением этих свойств до высоких температур. Быстрорежущие стали содержат вольфрама до 20%, инструментальные — до 2%, конструкционные — десятые доли процента. В стеллитах (литые сплавы вольфрама, кобальта, хрома) до 50—55% вольфрама (в основном в виде карбидов), в металлокерамических твердых сплавах 30—92% (в виде карбида W ), в литых карбидах 98% вольфрама, остальное углерод, что соответствует почти чистому карбиду Wa .[c.245]








    Бабич М. М. Анализ причин неоднородности твердосплавных смесей и металлокерамических твердых сплавов при их массовом производстве. Изд. УкрНИИНТИ, К., [c.148]

    Коррозионная стойкость металлокерамических твердых сплавов (комнатная температура) [c.73]

    Вольфрам образует два карбида —и гС и W , отличающиеся высокой твердостью (микротвердость УС 1760 кг/мм ) и высокими температурами плавления (соответственно 2750 и 2800° С). Карбид вольфрама УС широко применяется для изготовления литых и металлокерамических твердых Получается карбид вольфрама нагреванием смеси порошкообразного вольфрама или трехокиси вольфрама и сажи при 1400—1500° С. [c.71]

    Заслуживает внимания опыт по армированию зубьев шарошек металлокерамическим твердым сплавом ВК8 [37]. Для армирования использовалась крупка сплава ВК8 зернистостью 30—40 меш. Подлежащие армированию боковые поверхности зубьев шарошек покрывались смесью буры с борной кислотой (предварительно сплавленных и размолотых) и лака, посыпались крупкой твердого снлава, после чего просушивались при 120—150° С. Затем поверхности зубьев нагревались т. в. ч. до оплавления. Благодаря высокому удельному весу зерна твердого сплава после плавления боратной смеси и выгорания лака тонут в расплавленной ванне и армируют боковые поверхности зубьев. [c.260]

    В настоящее время резцы из быстрорежущей стали уступают место резцам из металлокерамических твердых сплавов, изготовляемых на основе карбида вольфрама (85—95%) с добавлением 5— 15% Со в качестве цементирующей (связующей) добавки. В некоторые твердые сплавы вводятся также карбиды титана или тантала и ниобия. Современные рекордные скорости резания, достигнутые новаторами производства наших металлообрабатывающих заводов, получены именно с резцами из твердых сплавов отечественного производства. Из твердых сплавов изготовляются разнообразные резцы для обработки различных металлов и сплавов, коронки для буровых инструментов (взамен ранее применявшихся алмазных коронок), фильеры для волочения проволоки я т. д. По приблизительным подсчетам, приводимым в литературе [118], на изготовление карбида вольфрама, идущего для получения твердых сплавов, расходуется около 5% мировой добычи вольфрама. Около 2% всего добываемого вольфрама расходуется на изготовление сплавов, называемых стеллитами. Состав этих сплавов следующий 3—15% W, 25— 30% Сг, 45—65% Со, 0,5—2,7% С. Они применяются для наплавки поверхности различных деталей, работающих в тяжелых условиях. [c.100]

    Состав и свойства важнейших марок металлокерамических твердых сплавов на основе карбида вольфрама [27А] [c.448]

    Ta-W- — Высокая твердость и тугоплавкость В составе металлокерамических твердых сплавов [c.529]

    Nb —С Nb Высокая твердость, тугоплавкость, жаростойкость Добавки к другим карбидам в металлокерамических твердых сплавах, использование в жаропрочных сплавах [c.564]

    МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ g [c.249]

    Металлокерамические твердые сплавы характеризуются, как видно из таблицы, чрезвычайно высокой твердостью, которая сохраняется до температуры 1000° С. Важное свойство металлокерамических твердых сплавов — их высокая износостойкость.[c.249]

    Армирование лопастных долот можно выполнять также напайкой на перья, а в некоторых вариантах и на ребро долота пластинок металлокерамических твердых сплавов марки ВК8. Припоем для напайки пластин служат стержни из серого чугуна диаметром 6— 12 мм и длиной 400—700 мм. [c.256]

    Износостойкие наплавочные материалы относятся к твердым сплавам, -поэтому их обработку резанием производят металлокерамическими твердыми сплавами марок Т15К10, Т15К6, ВК2, ВК4, ВК6, ВКЗМ по ГОСТ 3882—74, а шлифование — алмазными кругами на металлической связке по ГОСТ 17006—71 и ГОСТ 17007—71 из алмазных порошков марки А по ГОСТ 9206—70 или [c.131]

    Для оснащения шарошек долот, предназначенных для бурения твердых и крепких пород, применяются сферические вставки из металлокерамических твердых сплавов. [c.260]

    Металлокерамические твердые сплавы получают путем спекания при температуре 1400—1500° С карбидов вольфрама и титана с порош- [c. 39]

    Применяются синтетические алмазы главным образом для изготовления различных видов абразивного, лезвийного и бурового инструмента. Важнейшими областями применения алмазных инструментов являются обработка инструментов и деталей машин из металлокерамических твердых сплавов, бурение гесшогических и эксплуатационных скважин в твердых и абразивных породах, обработка изделий из гранита, мрамора и др. Наиболее широко порошкообразные синтетические алмазы применяются для изготовления шлифовальных кругов, предназначенных для доводки и заточки твердосплавного металлорежущего инструмента. [c.44]

    Из Т) 02 готовят хорошие белила. ТЮ, и 2г02 употребляют в конденсаторных керамических материалах, эмалях, глазурях, тугоплавких стеклах Карбид титана используется в качестве компонента режущих металлокерамических твердых сплавов с другими карбидами. [c.332]

    Металлокерамические твердые сплавы делятся на две группы вольфрамовые и тнтано-вольфрамовые. Литые твердые сплавы также можно разделить на две группы карбидные и сплавы типа стеллитов. К зернообразным твердым сплавам относятся сталинит и вокар. Электродные твердые сплавы выпускаются нескольких типов, но важ.чейшие пз них — сталпнитовые, карбидные и ферросплавные. [c.231]

    Пластинки из металлокерамических твердых сплавов широко применяются для оснащения режущего инструмента, рабочих поверхностей пуансонов и матрпн, для армирования буровых коронок лопастных долот и горнобурового инструмента. [c.231]

    Используя те или иные сочетания металла п керамики,. можно в широких пределах варьировать свойства керметов, придавая им твердость илп, наоборот, пластичность, нужную электропроводность, огнеупорность. Кер-меты часто применяют для изготовления конструкций, работающих в особо тяхреактивных двигателей, ядерных реакторов, тормозных колодок). Металлокерамические твердые сплавы используются для изготовления металлорежущего инструмента. Такие сплавы получают методом порошковой металлургии из наиболее твердых карбидов переходных металлов, зерна которых сцементированы более мягким металлом-связкоп. В качестве карбида чаще всего выбирают карбид вольфрама, а также твердые растворы карбидов титана, вольфрама и тантала, а в качестве связки — кобальт или никель. [c.169]

    Металлокерамические твердые сплавы (МКТС) представляют собой композиции, состоящие из карбидов вольфрама и титана, связанных кобальтом или другими металлами (например, медью, медноникелевыми сплавами). МКТС (ГОСТ 3882—74) получают прессованием порошкообразной смеси карбидов и кобальта в металлических пресс-формах с последующим спеканием в атмосфере диссоциированного аммиака при температурах ниже температуры плавления исходных карбидов (1390—1490° С). Выпускают три группы МКТС. [c.68]

    W, используется для изготовления рефлекторов дуговых ламп и др. подобной аппаратуры. Кобальт (2— 20%) входит в состав спеченных (металлокерамических) твердых сплавов марок ВК, ТК и ТКВ, а также др. твердых, жаропрочных, коррозионностойких и магн. сплавов. Железо-кобальтникелевые сплавы с добавкой титана применяют в радиолампах, как заменитель платины. По сравнению с платиной они менее дорогостоящие, допускают снижение т-ры эмиссии почти на 200° С. Широкий предел магн. превращения подобных сплавов делает их пригодными при изготовлении магн. терморегуляторов. Ко-бальтхромникельмарганцевые сплавы (с содержанием до 50% Со) хорощо сопротивляются термической усталости, их можно обрабатывать давлением. [c.598]

    Наибольшая сработка спинок лап долота наблюдается между замковым пальцем (включая его торец) и центровым отверстием. Сильно срабатываются также козырьки лап, что иногда приводит к выпадению роликов крайней опоры. При армировании торца замкового пальца металлокерамическим твердым сплавом и сплавом вокар заподлицо с поверхностью спинок лап степень их износа значительно уменьшается. Армирование углубления на лапе, предназначенного для центрового отверстия, и перешейка между этим углублением и отверстием замкового пальца намного уменьшает сработку спинок лап и исключает выпадение замковых пальцев. При этом значительно уменьшается износ козырьков. Хорошие результаты получаются нри армировании твердым сплавом левого ребра лапы. Обнажение торцов роликов периферийного ряда обычно начинается именно на участке, прилегающем к левому ребру. Для предупреждения большого износа козырьков лап следует также армировать твердыми сплавами отдельные участки самих козырьков лап. [c.261]


Твердые сплавы (металлокерамические) | Инструментальные материалы

 

Значение твердых сплавов

Твердые сплавы играют большую роль в промышленности, в особенности в машиностроении. Внедрение их в металлообрабатывающую промышленность повысило в среднем производительность труда и 2 — 3 раза, а скорости резания в 2 — 1 раза (100 — 200 м/мин взамен максимальной скорости для быстрорежущем стали 40 — 50 м/мин). Применение твердых сплавов позволяет получить полную экономию средств, а также обеспечивает значительное повышение темпов производства.

Твердые металлокерамические сплавы отличаются от быстрорежущей стали большим содержанием вольфрама (до 90%), а в некоторых марках также наличием титана (от 5 до 60%), образующих тугоплавкие карбиды. Высокая красностойкость (до 750 — 800° и выше) и износоустойчивость объясняются присутствием в твердых сплавах соответствующих карбидов, обладающих высокой твердостью.

При правильной эксплуатации и полном использовании режущих и механических свойств твердого сплава инструменты, оснащенные пластинками твердого сплава, обеспечивают более высокую эффективность (от 3 до 5 и более раз) по машинному времени по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали.

Группы

Твердые сплавы по своему химическому составу разделяются на две группы:

  1. вольфрамокарбидные, состоящие из карбида вольфрама и твердого раствора карбида вольфрама в кобальте
  2. титановольфрамокарбидные, состоящие из карбида вольфрама, карбида титана и твердого раствора этих карбидов в кобальте

Для изготовления режущих инструментов согласно ГОСТу 3882-61 применяются:

  1. вольфрамокаэбидные сплавы ВК2, ВКЗ, ВК4, ВК6М, ВК6, ВК8, ВК8В;
  2. титановольфрамокарбидные сплавы Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4, Т5К12В.

С повышением содержания кобальта режущие свойства твердых сплавов понижаются, но зато повышается их прочность и вязкость. Титановольфрамокарбидные сплавы, как правило, отличаются более высокой режущей способностью и износоустойчивостью по сравнению с Еольфрамокарбидными сплавами.

Физико-механическме свойства твердых сплавов

Режущие свойства твердых сплавов зависят не только от химического состава, но также и от их физико-механических свойств. В процессе резания режущие кромки инструмента нагреваются до 800 и выше, поэтому физико-механические свойства важно знать не только в холодном, но и в нагретом состоянии. При этом надо учитывать, что при работе происходит нагрев режущих кромок инструмента только в зоне резания и на некотором расстоянии от нее, тогда как вся пластинка твердого сплава остается мало нагретой. Необходимо отметить, что физико-механические свойства твердых сплавов изучены еще недостаточно, особенно в процессе резания. Данные по прочностной характеристике, полученные в лабораторных условиях путем нагреваний пластинок не совпадают с данными, характеризующими прочность режущих кромок в процессе резания.

Одной из основных характеристик твердого сплава появляется удельный вес. Он позволяет контролировать степень объемной пористости сплава, которая обычно находится в пределах 1 — 2% С увеличением удельного веса качество сплава повышается величина его отмечается на каждой коробке поставляемого сплава.

Теплопроводность

Теплопроводность вольфрамокарбидных сплавов почти не зависит от содержания кобальта и приближается к теплопроводности малоуглеродистой стали. Теплопроводность титановольфрамокарбидных сплавов значительно ниже (в 2 — 3 раза) теплопроводности вольфрамо-карбидных сплавов и приближается к теплопроводности быстрорежущей стали Р18. Теплоемкость твердых сплавов сравнительно мала. Она меньше теплоемкости малоуглеродистой и быстрорежущей стали в 2 — 2,5 раза. Для вольфрамокарбидных сплавов теплоемкость меньше, чем для титановольфрамокарбидных сплавов, у которых она повышается с увеличением карбидов титана и уменьшением кобальта.

Термические особенности твердых сплавов оказывают большое влияние на такие операции при изготовлении твердосплавных инструментов, как пайка, шлифование, заточка. Твердые сплавы очень чувствительны к условиям нагрева и охлаждения. Во избежание глубоких трещин и поверхностной их сетки, необходимо применять медленное нагревание при пайке, пониженные режимы резания при шлифовании и заточке, используя, где только возможно, обильное охлаждение. Предельными значениями скорости вращения шлифовального круга при заточке являются: для вольфрамокарбидных сплавов 18 м/сек, для титановольфрамокарбидных 12 м/сек. Ни в коем случае недопустима скорость круга, применяемая при заточке инструментов из стали (25 — 30 м/сек).

Трещины

Трещины появляются и при быстром местном нагревании сплава в процессе резания, в особенности при наличии большого износа режущих поверхностей. Нельзя допускать большого износа (не выше 0,6-0,8 мм по задней поверхности), так как выводить трещины путем заточки весьма трудно. Титановодьфрамокарбидные сплавы более чувствительны к трещинам, чем вольфрамокарбидные, причем с повышением процентного содержания титана склонность к трещинам резко возрастает.

Коэффициент линейного расширения

Коэффициент линейного расширения титановольфрамокароидных сплавов примерно в 2 раза ниже, чем для малоуглеродистой стали. Это различие отражается на качестве инструмента с напаянными пластинками твердого сплава. Из-за дополнительных напряжении пластинка твердого сплава часто отслаивается по всему сечению вблизи припоя. Для уменьшения разницы в значениях коэффициента линейного расширения твердого сплава и стали целесообразно при напайке помещать, между пластиной и державкой прокладки (например, из пермаллоя).

Магнитная проницаемость твердых сплавов незначительна, так как она обусловлена в основном присутствием кобальта. Различие в магнитныхсвойствах используется в производстве для рассортировки различных марок твердых сплавов.

Твердость

Твердость является одним из важных свойств твердого сплава, так как от нее зависит износоустойчивость. Она выше твердости быстрорсжущсй стали на HRА 5 — 8 и возрастает с увеличением вольфрама пли титана и уменьшением кобальта. Повышенная твердость сплавов объясняется твердостью тугоплавких карбидов, соответствующей, примерно, твердости корунда. Режущие свойства твердого сплава зависят в основном от красностойкости, которая повышается с увеличением содержания карбидов. Сплавы титановольфрамокарбндной группы обладают большей красностойкостью по сравнению со сплавами вольфрамокарбидной группы; красностойкость повышается с увеличением содержания карбидов.

Слипаемость

При высокой температуре частицы обрабатываемого материала привариваются к контактным площадкам режущего инструмента. Это свойство зависит от склонности к слипанию пары трущихся металлов заготовки и инструмента. Слипаемость титановольфрамо-карбидных сплавов происходит при более высокой температуре, чем вольфрамокарбидных сплавов, которые мало отличаются в этом отношении от быстрорежущей стали Р18. Меньшая склонность к слипанию титановольфрамокарбидных сплавов обусловливается образованием на поверхности пластинки этого сплава плотной оксидной пленки. Пленка понижает как коэффициент трения между парой трущихся металлов, так и прочность приваренных частиц металла к инструменту.

Износоустойчивость

Ценным свойством твердых сплавов является большая износоустойчивость по сравнению с износоустойчивостью быстрорежущей стали. Это свойство выгодно использовать для таких инструментов, как развертки, протяжки, алмазозаменители для правки шлифовальных кругов и др. Износоустойчивость зависит от химического состава и структуры сплава, его физико-механических свойств и условий работы инструмента. Поэтому трудно получить абсолютные величины износоустойчивости и приходится удовлетворяться сравнительными данными в каждом конкретном случае в зависимости от вида и условий износа.

Предел прочности

Предел прочности при сжатии для вольфрамокарбидных сплавов определяется в 400 к Г/мм2 и выше, причем максимальное его значение получается для сплава с содержанием кобальта 3 — 5%. При большом содержании кобальта предел прочности при сжатии несколько снижается, однако для всех марок твердого сплава он имеет высокие значения. Это важное свойство твердых сплавов необходимо применять при конструировании инструментов, оснащенных твердым сплавом.

Похожие материалы

Cermet — обзор | Темы ScienceDirect

1.01.5 Керметы

Название «керметы» было введено в годы после Второй мировой войны. Он состоит из слогов «cer» из керамики и «met» из металла. Первоначально это новое выражение должно было описывать материалы, которые сочетают в себе благоприятные свойства керамики (твердость и износостойкость) со свойствами металлов (особенно вязкость). Петцов, Клаузен и Экснер (1968) предложили определять словами «керамическая фаза» все виды твердых и хрупких материалов.Однако это также будет включать металлические твердые материалы TiC, TaC и WC. Следовательно, классический твердый сплав Schröter WC-Co также будет металлокерамикой. Согласно сегодняшнему использованию термина «кермет», под этим словом понимаются спеченные твердые сплавы, содержащие только ГЦК TiC, твердые растворы на основе TiN, за исключением твердых сплавов WC-Co. Согласно этому пониманию, твердые металлы на основе молибденсодержащего карбида титана (Titanit S) П. Шварцкопфа были бы самыми первыми керметами.Хороший современный обзор металлокерамики (и твердых металлов) дан Ленгауэром (2012).

Более дюжины производителей твердых сплавов приняли этот материал для измельчения стали в 1930-х годах из-за его превосходных износостойких свойств и несмотря на то, что его прочность на изгиб составляет лишь около 70% от прочности WC-Co. Еще один недостаток применения твердых сплавов на основе TiC был связан с их явно неудовлетворительной пайкой на стальных носителях по сравнению со стандартными твердыми сплавами.Даже в годы Второй мировой войны в Германии эмбарго союзных войск на сырье было достаточно эффективным, и поставки вольфрама стали проблемой, Titanit-Cermets не преуспели. Возможно, металлорежущие станки в то время были недостаточно стабильны, так что более низкая прочность керметов на изгиб во время операций скалывания приводила к термическим трещинам и разрушению кромок. В 1950-х годах Ford Motor Company представила керметы, содержащие нелегированные частицы TiC в связке Ni-Mo, в отличие от сплавов Titanit.Содержание молибдена в связующем вызывает реакцию частиц TiC с молибденом связующего, в результате чего на поверхности частиц TiC, состоящих из (TiMo) C, образуется бахрома. Эта полоса значительно улучшила смачиваемость частиц TiC без ухудшения высокой твердости и износостойкости ядра TiC. Несмотря на повышенную прочность, металлокерамика Ford проявляла тенденцию к выкрашиванию кромок во время операций по вырубке стали.

Нитриды и карбонитриды переходных металлов представляли научный интерес только в конце 1960-х годов.Их присутствие в твердых сплавах и металлах считалось вредным. По возможности предотвращалось загрязнение соответствующих исходных продуктов азотом или присутствием нитридов. Только в 1968-1970 годах Ричард Киффер и его коллеги смогли продемонстрировать, что нитрид титана и карбонитриды титана могут использоваться в качестве подходящих твердых материалов для производства новых твердых сплавов. Однако необходимым предварительным условием было улучшение недостаточной смачиваемости их твердых материалов жидким связующим металлом во время спекания.Добавление карбида молибдена или карбида молибдена к связующему металлу (обычно никелю) приводит к тому, что кислород, который присутствует в форме оксидов на поверхности частиц нитрида или карбонитрида, может быть удален путем реакции с углеродом карбида молибдена. .

Руди (1973) смог продемонстрировать, что в диапазоне смешанных кристаллов (Ti, Mo) (C, N) позиции металлов заняты титаном и молибденом в частичной кристаллической решетке металла смешанного кристалла с ГЦК.В частичной кристаллической решетке неметалла атомы углерода и азота занимают неметаллические позиции. Во время спекания происходит реакция расслоения однородного смешанного кристалла с атомами металла и неметалла, статистически распределенными по местам кристаллической решетки. Таким образом, образуются две изоструктурные фазы α ‘и α ″. Α’-фаза богата азотом и мало молибдена, тогда как α ″ богата молибденом и мало азота. Руди использовал это «спиноидное» расслоение смешанного кристалла (Ti, Mo) (C, N) для производства керметов.В их микроструктуре присутствуют фазы твердого материала, которые состоят из ядра богатого азотом карбонитрида титана и края богатого молибденом, но обедненного азотом карбонитрида титана-молибдена, который хорошо смачивается металлическим связующим. Знаменитый патент Руди (Rudy, 1976) охватывал широкий спектр интересных композиций.

Несмотря на многообещающие режущие свойства этих керметов, они не нашли соответствующего признания в Европе и США.Однако в Японии поощрялись НИОКР в области нитридсодержащих керметов. Интерес к этим безвольфрамовым режущим материалам мог быть усилен нехваткой вольфрама в сырье вследствие нефтяного кризиса 1975 года, тогда как титан был и остается доступным в почти неиссякаемых количествах из-за того, что он присутствует в качестве обильного элемента в производстве. Земной коры.

Второе обстоятельство, возможно, способствовало успеху металлокерамики в Японии. Развитие больших металлорежущих станков с электронным управлением и автоматизация процессов резки привели к замене более жестких твердых сплавов на основе WC более износостойкими металлокерамическими материалами. Это также вызвало увеличение скорости резания и уменьшение деформации из-за вибрации. Развитие технологии зажима, заменяющей технологию пайки, также способствовало использованию керметов.

Дальнейшее развитие технологии литья под давлением и «Near Net Technology» процессов порошковой металлургии, а также ковки методом капельной ковки и связанная с этим необходимость выполнять операции выколотки с более высокой скоростью и с меньшей глубиной выкрашивания привели к эффекту что превосходная острота кромок керметов по сравнению с твердыми сплавами с покрытием оказалась преимуществом.

Преимущества резки керамическими и металлокерамическими инструментами

«Каждый образ керамики — это керамическая кофейная кружка, которая, если ее уронить, разбивается», — сказал Брайан Уилшир. «Как вообще с его помощью можно резать металл?»

Но, будучи менеджером технического центра Kyocera Precision Tools Inc., Уилшир хорошо знаком с металлообрабатывающими возможностями инструментов из керамического композита, а также металлокерамики. Производитель инструмента из Хендерсонвилля, Северная Каролина, предлагает керамические и металлокерамические пластины для фрезерования и токарной обработки.Типы керамических инструментальных материалов включают Al 2 O 3 , нитрид кремния и оксинитрид кремния-алюминия (SiAlON).


Режущие инструменты NTK USA


Поскольку SiN и SiAlON являются относительно прочной керамикой, особенно при повышенных температурах, инструменты из этих материалов лучше всего подходят для черновой обработки чугуна и жаропрочных суперсплавов (HRSA), сказал Уилшир. «Керамика на основе Al 2 O 3 все еще довольно хрупкая, поэтому она предназначена в основном для твердого точения без перерывов или чистовой обработки чугуна.

По словам Стива Ховарда, менеджера по маркетингу и проектированию NTK Cutting Tools USA, Виксом, Мичиган, керамические марки на основе SiN, такие как NTK SX6 и SP9, имеют в два раза более высокую вязкость разрушения, чем керамика на основе оксида алюминия. Такой уровень прочности позволяет производить токарную и фрезерную обработку чугуна со скоростью до 3000 футов в минуту.

Кроме того, сплавы SiAlON компании NTK сочетают в себе прочность керамики из нитрида кремния с жаропрочностью и износостойкостью оксида алюминия, сказал Ховард. «Пять марок НТК, из которых SX3 является новейшим, обладают превосходной прочностью и стойкостью к тепловому удару при высоких температурах, а также стойкостью к надрезам, что является идеальными характеристиками для высокоскоростной обработки жаропрочных сплавов, широко используемых в аэрокосмической отрасли, энергетике и масле. и газовая промышленность.”

По словам Ховарда, пять марок черной керамики

NTK — оксид алюминия с твердым карбидом, добавленным для повышения вязкости и твердости — обладают высокой жаропрочностью и низкой пластичностью для точения стальных валков, валков из охлажденного или высокопрочного чугуна и некоторых металлических порошков с твердостью до 62 HRC. «Наша самая мелкозернистая структура — сплав ZC4 — позволяет выполнять чистовые пропилы на стали до 70 HRC. Эта керамика представляет собой экономичную альтернативу для применений, ранее ограниченных CBN ».

Как следует из названия, кермет сочетает в себе керамические элементы (такие как TiC, TiCN и карбид молибдена) с металлическими связующими (такими как никель, а также в меньшей степени молибден и кобальт), отметил Уилшир.

По его словам, металлокерамика

более хрупкая, чем карбид вольфрама, поэтому режущие инструменты из кермета подвержены выкрашиванию и поломке при напряжении во время тяжелых резаний. В результате все больше пользователей считают металлокерамический инструмент подходящим для чистовой обработки только с DOC от 0,010 до 0,020 дюйма. Тем не менее, Kyocera разработала металлокерамический инструмент, который может выдерживать DOC от 0,060 до 0,080 дюйма в «чистом» материале.

«Если у вас есть обрывы или окалина, карбид все равно будет лучшим вариантом», — сказал он.

Технические разработки

Хотя металлокерамические и керамические режущие инструменты имеют долгую историю, производители инструментов продолжают совершенствоваться.По словам Уилшира, одним из таких достижений Kyocera является создание градиента в металлокерамике за счет комбинации методов, используемых во время процессов прессования пластин и спекания. «Мы называем эти« гибридные металлокерамики », потому что они обеспечивают твердый внешний слой и большую прочность в центре».

Kyocera также сочетает в себе прочность и твердость керамических вставок. Уилшир объяснил, что компания может производить зернистую структуру в форме сот, в которой шестиугольник, образующий соты, изготовлен из более прочной керамики, чем более твердое центральное ядро, которое оно окружает.Если в центральной части разовьется трещина, она не будет распространяться за пределы оболочки и приведет к поломке вставки.


Керамическая фреза MC275 Walter Prototyp имеет твердосплавный хвостовик. Изображение любезно предоставлено Уолтером США


«Он конкурирует с материалом усов», — сказал он.

Kyocera не производит вставки из керамики, армированной нитевидными кристаллами, но, по словам Уилшира, предлагает вторую технологию для улучшения сопротивления разрушению керамики, аналогичную той, которая армирована кристаллами SiC.В новых материалах SiAlON компании изменяют структуру зерен, заставляя некоторые зерна приобретать игольчатую форму, которая действует как усы. «В процессе спекания кристаллы фактически растут», — сказал он. В состав также входят твердые частицы для износостойкости.

с подкреплением

Greenleaf Corp., с другой стороны, хорошо известна своей керамикой, армированной усами, представив в 1985 году марку WG-300 без покрытия, сказал Ян Андерссон, глобальный директор TechTeam и маркетинга в Saegertown, Пенсильвания., инструментальщик. Позже Greenleaf представила керамику, усиленную нитевидными кристаллами с покрытием WG-600, а затем WG-700, которая имеет другую подложку и наноструктурированное покрытие.

«Во многих сферах применения керамика, армированная усами, по-прежнему — безусловно — лучшее решение, — сказал Андерссон.

Последней разработкой Greenleaf является керамика XYSTIN-1 с фазовой закалкой. По сообщению компании, это термостойкий SiN с закалкой в ​​виде нитей и частиц, который почти вдвое превосходит любой другой коммерчески доступный керамический инструмент от Greenleaf.

Теоретически все керамические инструменты удаляют металл, повышая температуру в зоне резания до уровня, при котором материал пластифицируется, что упрощает обработку, сказал Андерссон. Без пластификации может произойти скалывание режущей кромки инструмента, а также срез сверху и сбоку.

«Вот тогда вы видите катастрофические сбои», — добавил он. «Но как только мы добираемся до XYSTIN-1, теория теряет смысл».

Согласно Андерссону, высокая прочность фазоупрочненной керамики позволяет инструменту XYSTIN-1 эффективно резать без необходимости полной пластификации.Эта способность полезна при повороте большой и тяжелой или несбалансированной детали, которую нецелесообразно вращать на высокой скорости. Например, при обработке несбалансированной детали из Inconel 718 с твердостью от 46 до 48 HRC минимальная скорость резания, необходимая для пластификации материала керамикой, составляет от 550 до 600 sfm. Напротив, пластина XYSTIN-1 может работать со скоростью от 350 до 400 футов в минуту, тогда как твердосплавный инструмент может работать со скоростью только от 150 до 180 футов в минуту.

«Я могу пойти по середине пути и добиться производительности, которую вы получаете от керамики, без необходимости достигать 600 квадратных футов в минуту», — сказал Андерссон.

Согласно NTK Cutting Tools, его BIDEMICS — JX1, JX2 и новый выпуск на IMTS — представляют собой новейший передовой композитный материал для эффективной обработки HRSA с момента появления вискерной керамики. Уникальные физические характеристики материала обеспечивают исключительную стойкость инструмента, придают чистоту поверхности и обеспечивают скорость резания до 1600 футов в минуту.

Сильная головка

Другой тип «гибридного» инструмента доступен от Walter USA LLC, Waukesha, Wis. Керамические фрезы Walter Prototyp MC275 / MC075 имеют керамическую головку, припаянную к твердосплавному хвостовику. Производитель инструмента также предлагает конструкцию со сменными керамическими головками, которые можно навинтить на хвостовик. Целевое применение — фрезерование HRSA.

MC275 имеет универсальную геометрию для различных целей, в то время как MC075 имеет геометрию для достижения высоких подач в сложных материалах. Обе конструкции могут достигать скорости резки до 3300 футов в минуту. «Мы почти достигли значений, которые обычно наблюдаются при обработке алюминия, с подачей до 380 дюймов в минуту», — сказал Стефан Бенкоци, менеджер по компонентам аэрокосмической отрасли и разработки бизнес-приложений Walter AG в Тюбингене, Германия.


Kyocera манипулирует структурой зерен в некоторых своих новых сплавах SiAlON для токарной обработки керамики, таких как KS6040, чтобы некоторые частицы стали игольчатыми или игольчатыми и функционировали как устойчивые к разрушению усы. Изображение любезно предоставлено Kyocera Precision Tools


Кроме того, Walter производит металлокерамические пластины для токарной обработки. Однако, поскольку HRSA часто содержат никель, режущий инструмент из кермета с никелевой связкой не подходит для обработки суперсплава на никелевой основе.

«Если сплав содержит кобальт, а заготовка — кобальт, тогда на кромке будет много наростов, и кобальт вымывается из режущей кромки, твердосплавные зерна расшатываются, кромка скалывается, и инструмент выигрывает» Это длилось очень долго », — сказал Бенкоци.

Когда применение подходит, режущие инструменты из кермета демонстрируют значительно высокую стабильность и умеренную вязкость, — заявил Йоахим Бек, менеджер по маркетингу компании CeramTec GmbH, Плохинген, Германия. (CeramTec North America Corp.базируется в Лауренсе, Южная Каролина). Эти свойства делают керметы хорошо подходящими для чистовой и чистовой обработки различных материалов заготовок, включая высокопрочный чугун, сталь для механической обработки и цементирующуюся сталь. Подходящие области применения включают токарную обработку, фрезерование, непрерывное растачивание и плавное прерывистое резание. (См. Таблицу 1.)

Необработанный

Керамический режущий инструмент предназначен только для черновой обработки, по словам Бенкоци. Из-за значительного износа керамических инструментов, например, выкрашивания режущей кромки и значительного уменьшения радиуса инструмента, они могут продолжать черновую обработку, но не подходят для чистовой обработки.

«При чистовой обработке мы используем твердосплав, а черновую обработку — керамике», — сказал он.

Такой выбор материалов для режущего инструмента особенно распространен в аэрокосмической промышленности, например, при обработке деталей двигателя из HRSA, поскольку производственный процесс обычно сертифицирован и не может быть легко изменен, сказал Бенкоци.


ADI = закаленный высокопрочный чугун; CGI = чугун с компактным графитом; GJL = серый чугун; GJS = высокопрочный чугун; HRSA = жаропрочные суперсплавы; Si-GJS = высокопрочный чугун с высоким содержанием кремния. Изображение предоставлено CeramTec


«Стоимость сертификации авиакосмических двигателей огромна», — сказал он. «Если движок запускается с нуля, или когда добавляется новая строка, или когда что-то серьезно меняется, тогда, конечно, это открытая коробка, и в нее можно вкладывать новые идеи».

Андерссон из

Greenleaf согласился с тем, что правила и сертификаты Федерального управления гражданской авиации могут препятствовать использованию любых инструментов, кроме твердосплавных, для аэрокосмической чистовой обработки, но подчеркнул, что керамические инструменты предназначены не только для черновой обработки.Традиционно считается, что керамика очень эффективна для черновой обработки, когда нет перерывов и установка стабильна.

«У нас много истории, над которой мы постоянно работаем, чтобы изменить мировоззрение», — сказал он, добавив, что производители аэрокосмических деталей понимают, что керамические инструменты могут придавать прекрасную отделку поверхности и более чем приемлемы для отделки деталей двигателя из HRSA .

Охлаждение и покрытие

При фрезеровании керамическим инструментом Benkóczy рекомендует сухую обработку, чтобы избежать увеличения теплового удара на режущей кромке, когда она переходит назад и вперед от кратковременного контакта с заготовкой к более продолжительному времени простоя.Помимо того, что срок службы инструмента не снижается, сухая обработка позволяет избежать загрязнения, создаваемого охлаждающей жидкостью, и не подвергать рабочих воздействию химических жидкостей для металлообработки. Однако для удаления стружки из зоны резания можно использовать сжатый воздух.

«Если вам не повезет, вы можете даже усилить деформационное упрочнение материала заготовки», — сказал он о применении охлаждающей жидкости.

Тем не менее, применение СОЖ при черновой обработке чугуна может помочь, сказал Уилшир из Kyocera. «Многие магазины любят использовать охлаждающую жидкость только для того, чтобы удерживать частицы пыли.”

При токарной обработке керамическими инструментами Андерссон предлагает использовать СОЖ. «Если вы этого не сделаете, — сказал он, — если вы будете постоянно заниматься, у вас будет постоянное повышение температуры. Вы хотите иметь высокую температуру, но высокую, ровную. Вот почему при токарной обработке всегда используется охлаждающая жидкость ».

Для металлокерамических фрез, Уилшир сказал, что минимальное количество смазки является жизнеспособным вариантом в дополнение к сухой обработке. «Керметы имеют более высокую жаропрочность, чем карбид, поэтому они могут выдерживать более высокие температуры.”

При работе всухую покрытие инструмента может обеспечить эффективный тепловой барьер, одновременно увеличивая твердость инструмента и уменьшая износ, — сказал Бек из CeramTec. Для керамических инструментов «CVD-покрытия являются наиболее распространенными покрытиями, начиная с двухслойной системы и заканчивая многослойной системой. Слои TiC / TiN или Al 2 O 3 являются наиболее распространенными ».

NTK Cutting Tools »Ховард согласен с тем, что керамические пластины в основном имеют покрытие CVD, но сами покрытия имеют ограниченное влияние на общие характеристики.

Бек добавил, что в зависимости от области применения PVD-покрытие обеспечивает высокую износостойкость и высокую адгезионную стойкость, что предотвращает образование наростов и заусенцев при обработке пластичных материалов. «Как правило, CVD — лучший метод нанесения покрытий, который обеспечивает более высокую стойкость инструмента и увеличивает скорость и подачу».

Однако инструментальный материал должен обладать достаточной проводимостью, чтобы на него можно было нанести PVD-покрытие, пояснил Уилшир. Например, керамика Al 2 O 3 является достаточно проводящей, а керамика SiN — нет.«Итак, мы переходим к покрытию CVD Al 2 O 3 ».

По возможности, многие конечные пользователи выбирают PVD-покрытие TiN, потому что по мере износа покрытия золотого цвета они могут легко идентифицировать использованную режущую кромку, сказал Уилшир. «Это действительно не так сильно увеличивает срок службы инструмента».


Керамика из ячеистых волокон Kyocera марки CF1 имеет ячеистую структуру зерен, в которой шестиугольник, образующий сотовые ячейки, сделан из более прочной керамики, чем более твердый центральный сердечник, который он окружает. Изображение любезно предоставлено Kyocera Precision Tools


Для увеличения срока службы инструмента Kyocera предлагает покрытие Megacoat PVD. По словам Уилшира, это покрытие на основе AlTiN с множеством добавок для улучшения его свойств. Темно-серое покрытие также имеет нанослойную структуру со смазывающей способностью между каждым твердым слоем для повышения износостойкости и обеспечения более высоких скоростей резки.

По словам Андерссона, поскольку керамика имеет низкий коэффициент трения, получение покрытия может быть проблемой.«Нам пришлось изобрести другой метод нанесения покрытия, но важно понимать, что вы не можете взять какое-либо покрытие и добавить его к любому материалу режущего инструмента, потому что вы действительно можете сделать инструмент намного хуже».

Тем не менее, когда покрытие, подложка, микрогеометрия, а также процессы предварительной и последующей обработки керамического сплава оптимизированы, достигается невероятная производительность. По словам Андерссона, такой высокий уровень производительности возможен даже при обработке металлов, которые обычно не рассматриваются в области керамики.«WG-600 доказал, что может обрабатывать нержавеющую сталь серий 300 и 400, а также PH на скоростях, которые в четыре-пять-десять раз выше, чем у карбида».

Кроме того, по словам Ховарда, важно, чтобы конечные пользователи понимали передовой метод обработки керамики для достижения идеальных характеристик пластины. Это включает в себя программирование резания с наклоном, изменение DOC и уменьшение подачи в угол.


Для получения дополнительной информации о металлокерамических режущих инструментах от Kyocera Precision Tools просмотрите видеопрезентацию на cteplus.delivr.com/23h5q

Время пришло для металлокерамики

Прошло некоторое время, но металлокерамические пластины, наконец, нашли свое место в качестве токарных инструментов в американских механических мастерских. Пользователи из США узнают, что для высокоскоростной чистовой обработки керметы работают лучше, чем твердосплавные пластины с покрытием, а их использование снижает затраты на обработку. В одном приложении, например, производитель переключился с карбида с покрытием на пластины из кермета TNMG332 для токарной обработки стали 1043 и обнаружил, что количество деталей, обработанных на одну режущую кромку, увеличилось почти на 400% (рис. 1).Машинисты также находят постоянно расширяющееся количество областей применения, которые подходят для металлокерамики. Достижения в разработке керметов расширили диапазон инструментальных материалов, а тенденция к производству почти чистой формы, требующему лишь небольшого удаления материала, увеличила количество применений, в которых можно получить выгоду от уникальных рабочих характеристик металлокерамики.

Керметы — гибридные материалы. Их название предполагает твердость, подобную керамике (часть названия «cer-»), с твердостью, подобную металлу (часть «-мет»). Производители обычно используют карбид титана (TiC), нитрид титана (TiN) и карбонитрид титана (TiCN) для изготовления твердых изделий. Поскольку эти твердые изделия очень химически и термически стабильны, они придают металлокерамику высокую степень износостойкости. Состав кермета может также содержать вольфрам, тантал, никель, кобальт, алюминий, молибден и ванадий, а также другие материалы. Связующее обычно включает никель, кобальт и молибден. Прочность металлической связки придает кермету ударопрочность, превосходящую ударопрочность исключительно керамического материала.Поскольку металлокерамика может противостоять ударам лучше, чем керамическая банка, металлокерамические инструменты имеют более широкий диапазон применения, чем керамические инструменты, и с меньшей вероятностью будут повреждены при точении с прерывистым резанием.

На рис. 2 сравниваются твердость и ударная вязкость металлокерамики на основе TiCN и других материалов для режущего инструмента. Как видно из его положения в центре группы материалов, металлокерамика обеспечивает баланс между твердостью и вязкостью. Его свойства помещают его в одну группу с карбидами и карбидами с покрытием, но он тверже, чем твердые сплавы.

Пользователи должны понимать, что металлокерамика не является универсальным режущим инструментом. Наиболее успешно они используются для чистовой и легкой черновой обработки. Керметы можно использовать для обработки большинства видов стали и нержавеющей стали. Керметы не следует использовать для точения черновых копий. И, в зависимости от вида обработки и материала заготовки, следует избегать скорости подачи, превышающей 0,012 ipr, потому что более толстая стружка может повредить режущие кромки. Когда скорость подачи приближается к 0.010-0.012 ipr limit, скорость резки следует уменьшить.

Кермет Эволюшн

Присущая кермету

хрупкость всегда была проблемой для разработчиков, которые надеются, что сочетание твердых изделий и металлических связующих даст материал с желаемыми свойствами обоих. На протяжении многих лет производители металлокерамики смешивали ряд компонентов, пытаясь получить материал, который был бы прочным, устойчивым к окислению при высоких температурах и достаточно жестким, чтобы выдерживать удары. Производители режущего инструмента особенно интересовались поиском материала, который был бы достаточно твердым и достаточно жестким, чтобы выдерживать нагрузки и повышенные температуры, сопровождающие увеличение скорости и скорости подачи.

Рисунок 1: Один пользователь смог повернуть почти в четыре раза больше стальных валов на одну режущую кромку, когда он переключился с твердосплавных пластин с покрытием на металлокерамические пластины.

В 1956 году производители режущего инструмента возлагали свои надежды на новый металлокерамический сплав TiC / никель, содержащий молибден и углерод.Материал режущего инструмента мог хорошо работать при высоких скоростях и высоких температурах, но он не смог привлечь внимание пользователей, потому что металлокерамика не выдерживала прерывистого резания. Машинисты неизбежно сравнивали металлокерамические инструменты с более прочными инструментами из карбида вольфрама, которые были доступны тогда. Они увидели, что карбид вольфрама работает удовлетворительно, даже когда их работа связана со съемом тяжелых металлов, экзотическими материалами или более старыми и менее жесткими станками. Поскольку в этих же условиях металлокерамические инструменты были сколоты или расколоты, механики пришли к выводу, что карбид вольфрама является лучшим инструментальным материалом.В результате популярность металлокерамических режущих инструментов пошла на убыль.

Однако

японских пользователя придерживались иного мнения. Для них ограниченный ассортимент металлокерамики не был серьезной проблемой. В 1960 году, когда Mitsubishi, Sumitomo и Toshiba начали продавать металлокерамические вставки в Японии, инструменты быстро нашли свою нишу. Механическая обработка, близкая к сети, и новые, более жесткие станки были более распространены в Японии, а использование экзотических материалов для обработки деталей было гораздо реже. Принятие в Японии металлокерамических режущих инструментов побудило производителей в этой стране разрабатывать улучшенные пластины с добавлением карбида вольфрама и карбида тантала, чтобы сделать их более прочными. Однако они не смогли произвести металлокерамику, которая была бы такой же прочной, как карбид вольфрама, поэтому использование металлокерамических пластин оставалось ограниченным для легкой чистовой обработки.

Еще один прорыв в свойствах металлокерамики произошел в 1973 году, когда японские производители начали добавлять TiN в твердые частицы пластины для создания металлокерамики с более тонкой микроструктурой. Результатом этой модификации стала пластина с повышенной жаропрочностью и стойкостью к окислению.

Высокоскоростной токарный инструмент

Все эти улучшения привели к созданию режущего инструмента для металлокерамики, который идеально подходит для пользователей, которые хотят увеличить скорость своих токарных станков при токарной обработке стали.При высокоскоростной работе трение между пластиной и заготовкой может поднять температуру режущей кромки до 1000 ° C. Такое тепло может быстро ухудшить механические свойства инструмента из карбида вольфрама. Но высокие температуры в меньшей степени влияют на твердость металлокерамики, прочность на поперечный разрыв и стойкость к окислению. В производстве стали производительность металлокерамических инструментов будет даже выше, чем у инструментов из карбида вольфрама с покрытием.

Рис. 2: Как видно из этой таблицы, керметы на основе TiCN тверже, чем режущие инструменты из карбида вольфрама и HSS, и прочнее, чем алмазные и керамические инструменты.

Кермет

обязан своей высокой жаропрочностью благодаря основному компоненту твердых изделий — TiC. При повышенных температурах твердость соединения TiC сравнима с твердостью любого карбида, нитрида или оксида, используемого в режущих инструментах. Эта твердость повышает износостойкость металлокерамической пластины по задней поверхности. Высокая прочность металлокерамического инструмента на разрыв способствует его устойчивости к выкрашиванию или растрескиванию, но эти проблемы по-прежнему являются основными причинами выхода из строя металлокерамических пластин.

Благодаря более низкому значению образования свободной энергии металлокерамический инструмент лучше предотвращает кратерный износ, который вызывается термохимическими реакциями между стружкой и пластиной.Эти реакции протекают гораздо медленнее со вставками из металлокерамики. Это связано с тем, что твердые частицы в материале сопротивляются диффузии на передней поверхности инструмента. Стабильность материала сводит к минимуму окисление и кратерный износ, делая инструмент химически стабильным при высоких температурах. Керметы также устойчивы к наростам на кромках, поскольку адгезия соответствует степени растворимости твердого материала в железе. Считается, что низкая растворимость затрудняет прилипание материала заготовки к режущей кромке инструмента.

Инструменты из карбида вольфрама имеют преимущество перед металлокерамикой в ​​одной области. Они обладают большей ударопрочностью. Ударопрочность зависит от прочности связи между твердыми деталями материала и связующим, причем связи карбида вольфрама являются более прочными. Однако производители металлокерамики значительно улучшили связующие в своих изделиях, и это привело к созданию режущих инструментов, которые обладают достаточной ударопрочностью, чтобы их можно было использовать как для фрезерования, так и для точения прерывистым резанием.

Однако

Speed ​​- не единственная причина, по которой пользователи обращаются к металлокерамике.Вставки также можно использовать для создания зеркальной отделки. Стойкость инструмента к окислению уменьшает образование зазубрин на режущей кромке при чистовой обработке и сводит к минимуму повреждение поверхности заготовки. Гладкость поверхности также повышается за счет способности пластин вращаться с высокой скоростью и сохранять острую режущую кромку.

Кермет ультрасовременного качества

До недавнего времени идея режущих инструментов из кермета с покрытием не рассматривалась. Предполагалось, что покрытие не улучшит характеристики металлокерамики значительно, поскольку материал режущего инструмента уже содержит компоненты, которые большинство производителей покрытий используют для создания твердой защитной оболочки вокруг инструментов из карбида вольфрама. Но недавние исследования керметов с покрытием показали, что они менее подвержены износу, чем керметы без покрытия при определенных операциях обработки (рис. 3).

Исследования также использовались для поиска оптимального метода нанесения покрытия и нанесения покрытия на металлокерамический инструмент. В одной серии испытаний точения и прерывистого точения сравнивались механические свойства и режущие характеристики керметов с покрытием TiN, покрытых с использованием процесса физического осаждения из паровой фазы (PVD) и процесса химического осаждения из паровой фазы (CVD). Керметы с покрытием также сравнивали с керметами без покрытия.

После нанесения покрытия исследовали микроструктуру, толщину, размер зерна, микротвердость, остаточное напряжение и адгезионную прочность покрытия TiN. Было обнаружено, что покрытия TiN, полученные методом PVD, имеют значительно более мелкую текстуру, чем покрытия, полученные методом CVD. Кроме того, твердость пленки, нанесенной методом CVD, была низкой по сравнению с твердостью пленки PVD. Это было связано с диффузией связующего металла из металлокерамики в пленку, а также с более крупным размером зерна. Прочность сцепления пленки, осажденной методом CVD, также была низкой.

Прочность на поперечный разрыв инструментов с покрытием CVD и PVD была меньше, чем прочность на разрыв инструментов без покрытия, но этого следовало ожидать. Аналогичное снижение поперечной прочности на разрыв наблюдается в инструментах из карбида вольфрама с покрытием. Несмотря на это снижение важного свойства, покрытие металлокерамических инструментов действительно дало достаточное улучшение характеристик, чтобы оправдать использование металлокерамических инструментов во многих ситуациях.

По крайней мере, один кермет с покрытием уже присутствует на рынке.Он предназначен для обточки различных сталей на низких и средних скоростях резания с СОЖ или без нее. Эта пластина из кермета с покрытием особенно подходит для токарной обработки углеродистой стали. Прочная основа сплава обеспечивает прочность кромок и сопротивление тепловому удару, а слой титанового компаунда с PVD-покрытием обеспечивает более длительный срок службы инструмента и устойчивость к наростам на кромке.

Несмотря на то, что в результате НИОКР были произведены металлокерамические режущие инструменты, которые намного превосходят инструменты, впервые представленные в 1950-х годах, они не представляют собой всего, что можно достичь.Производители металлокерамики, особенно в Японии, все еще достаточно активно работают над дальнейшими улучшениями. Их работа гарантирует, что будущие металлокерамические режущие инструменты будут иметь еще более широкий диапазон характеристик обработки.

Рисунок 3: В одном из сравнительных испытаний металлокерамических режущих инструментов с покрытием и без покрытия, металлокерамика с покрытием продемонстрировала значительно меньший износ по задней поверхности.

Об авторах

Рональд Бьяджотти — исполнительный вице-президент подразделения современных сплавов и оборудования, маркетинговые и технические услуги, а Роберт Мацек — менеджер технического обслуживания Mitsubishi Materials USA Corp. , Гарден Гроув, CA.

Объяснение оснастки из металлокерамики

Инструмент из кермета, как следует из названия, представляет собой нечто среднее между керамическими и металлическими инструментами.

Изготовленные из керамических частиц, скрепленных никелевой связкой, эти инструменты могут работать с более высокой скоростью, чем твердосплавные инструменты, и обладают гораздо большей износостойкостью. Поверхность этих пластин очень гладкая, что позволяет стружке легко стекать и предотвращает образование наростов.

Керамический инструмент традиционно используется для высокотемпературной резки, особенно твердых материалов. Однако эти инструменты очень хрупкие и могут обрабатывать только легкое прерывистое резание. В сочетании с металлом свойства твердосплавного инструмента позволяют керметам слегка деформироваться, потому что это не настоящая керамическая пластина.

«Никелевая связка лучше переносит тепло, выделяемое в процессе резки, чем кобальтовая связка твердосплавных пластин. Тепло — враг любого процесса резки », — пояснил старший менеджер по продукции Iscar Canada Стив Гейзель.

Кермет

был изобретен для высококачественной обработки поверхности, резки с высокими скоростями шпинделя (от 800 до 1200 SFM) и непрерывной резки в течение длительного периода времени.

«Несмотря на то, что твердосплавные инструменты теперь могут работать со скоростью 1000 SFM из-за новых покрытий и подложек, они все еще не могут конкурировать с металлокерамическими инструментами с точки зрения качества поверхности», — сказал Гейзель. «При использовании пластины из кермета создается меньшее трение по сравнению с пластиной из карбида, а это означает меньшую вибрацию.”

Чем больше создается трение, тем сложнее поддерживать высококачественную отделку поверхности. По словам Гейзеля, единственный способ приблизиться к чистоте поверхности, создаваемой металлокерамическими инструментами, — это использование твердосплавной пластины с приспособлением для очистки.

Технология нанесения покрытий

Керметы

Iscar имеют покрытие из паровой фазы (PVD) и многослойные, обычно с нитридом титана (TiN), карбонитридом титана (TiCN) и карбидом титана (TiC). Инструмент из кермета также обычно острый, поэтому на него наносят PVD-покрытие, а не химическое осаждение из паровой фазы (CVD-).

«Покрытия помогают продлить срок службы инструмента», — сказал Гейзель. «Кермет с покрытием определенно прослужит дольше, и это помогает контролировать расходы на расходные материалы».

Стойкость инструмента также легче прогнозировать с металлокерамическими инструментами по сравнению с твердосплавными инструментами, поскольку инструмент постоянно находится в процессе резания.

Инструмент

Cermet подходит для резки углеродистой и легированной стали с жесткими допусками, но также может использоваться для резки нержавеющей стали и даже жаропрочных сплавов.Однако его не следует использовать для резки чугуна и алюминия.

Использование охлаждающей жидкости

Для резки металлокерамическими инструментами рекомендуется установка охлаждающей жидкости.

«Охлаждающая жидкость смазывает рез при охлаждении стружки», — сказал Гейзель. «Из-за высоких скоростей резания на чистовом проходе выделяется больше тепла. Охлаждающая жидкость охлаждает поверхность и создает среду для надлежащего отвода стружки ».

Контроль за стружкой очень важен на этом этапе, потому что последнее, что вы хотите сделать на этапе чистовой обработки, — это поцарапать поверхность заготовки.На детали уже может быть много-много часов обработки.

«Люди определенно не забыли о металлокерамике, даже несмотря на все достижения в области изготовления твердосплавных инструментов», — сказал Гейзель. «Несмотря на то, что за последние несколько лет карбиды достигли значительных успехов, металлокерамика тоже меняется с появлением новых стружколомов и новых геометрий».

Для получения дополнительной информации посетите www. iscar.ca.

Что такое керамический металл? | Стэнфордский университет передовых материалов

В настоящее время энергия, информация и материалы стали символом прогресса человеческой цивилизации, а материалы являются важной материальной основой для выживания и развития человека.После металла, керамики, полимеров, металлокерамические материалы отличаются выдающимися характеристиками, широким спектром разновидностей и широким спектром применения во всех сферах жизни.

1. Что такое металлокерамика?

Кермет — это конструкционный материал, состоящий из твердой керамической фазы, связанной с металлом или сплавом. Кермет не только сохраняет высокую прочность, высокую твердость, износостойкость, термостойкость, стойкость к окислению и химическую стабильность керамики, но также обладает хорошей психологической стойкостью и пластичностью.

Характеристики металлокерамики в основном включают следующие аспекты:

(1) Смачиваемость металла керамической фазой хорошая.

Смачиваемость между металлическими и керамическими частицами является одним из основных условий оценки микроструктуры и свойств кермета. Чем сильнее смачивающая способность, тем больше вероятность образования непрерывной фазы металла и тем лучше металлокерамика.

(2) Между металлической фазой и керамикой не происходит серьезной химической реакции.

Если межфазная реакция является интенсивной и соединение образуется при получении кермета, невозможно улучшить устойчивость керамики к механическому удару и термическому удару с помощью металлической фазы.

(3) Коэффициент расширения между металлической фазой и керамической фазой не будет слишком большим.

Когда коэффициенты расширения керметной и металлической фаз сильно различаются, внутреннее напряжение будет увеличиваться, а термическая стабильность кермета снизится.

2. Методы подготовки керметов

Методы подготовки кермета включают горячее прессование, спекание порошка и пропитку.

3. Классификация металлокерамики

3.1 Керметы на оксидной основе

Керметы на основе оксидов состоят из оксида алюминия, диоксида циркония, оксида магния, оксида бериллия и вольфрама, хрома или кобальта. Они отличаются жаростойкостью, стойкостью к химической коррозии, хорошей теплопроводностью и высокой механической прочностью.

Смачиваемость между Cr и Al2O3 невысока, но на поверхности металлического порошка хрома легко образуется плотный слой Cr2O3, поэтому межфазная энергия между ними может быть уменьшена, а смачиваемость может быть улучшена путем образования твердого раствора Al2O3-Cr2O3. . Для частичного окисления металлического хрома часто принимаются некоторые меры, такие как введение следов водяного пара или кислорода в атмосферу для спекания, замена оксида алюминия частью Al (OH) 3 в дозировании и замена металлического хрома на часть оксида хрома в дозировке.Керметы Al2O3-Cr изготавливаются из a-Al2O3 чистотой 99,5% и электролитического порошка Cr чистотой 99%. Порошки Al2O3 и Cr высушиваются или измельчаются во влажном состоянии до необходимой крупности, которая может быть сформирована любым методом формования.

Керметы на основе карбида 3.2

Керметы на основе карбида. Карбид титана, карбид кремния, карбид вольфрама и другие металлы в качестве матрицы, а также металлический кобальт, никель, хром, вольфрам, молибденовый композит с высокой твердостью, высокой износостойкостью, высокой температурой и другими характеристиками.Вот краткое введение в керметы из карбида титана (TiC).

TiC обладает высокой температурой плавления, высокой твердостью, высоким модулем упругости, хорошей стойкостью к тепловому удару и химической стабильностью, а его стойкость к высокотемпературному окислению только ниже, чем у SiC. Карбид титана является важным сырьем для цементированного карбида, поэтому он широко используется в качестве твердой фазы в конструкционных материалах для изготовления керметов на основе карбида титана, таких как износостойкие материалы, материалы для режущих инструментов, механические детали и т. Д.Это гетерогенный композитный материал, состоящий из металла или сплава с керамической фазой карбида титана, который сохраняет керамику на высоком уровне. Прочность, твердость, износостойкость, термостойкость, стойкость к окислению и химическая стабильность также хороши. Благодаря этим превосходным физическим и химическим свойствам керметы на основе карбида титана привлекают большое внимание.
3.3 Керметы на основе нитрида титана

В 1956 году Ford Motor Company обнаружила, что добавление сплава молибдена к керметам на основе TiC-Ni может улучшить смачиваемость Ni до TiC и значительно повысить прочность сплава.В 1971 году Киффер и др. обнаружили, что добавление TiN в керметы TiC-Mo-Ni может не только значительно измельчить зерна твердой фазы, улучшить механические свойства керметов при комнатной и высокой температуре, но также значительно улучшить стойкость к высокотемпературной коррозии и стойкость к окислению керметов. . Поэтому керметы TiC (N)) на основе нитрида карбида титана были очень популярны как в стране, так и за рубежом. Внимание было привлечено, и были проведены систематические исследования. Керметы на основе Ti (C, N) стали быстро развиваться с 1980-х годов.Производители цементированного карбида по всему миру представили серию металлокерамических инструментов на основе Ti (C, N). За последние 30 лет, с развитием технологии порошковой металлургии, эволюция состава имеет тенденцию быть стабильной, технология спекания постоянно обновляется, размер порошка постоянно уточняется, кермет на основе Ti (C, N) развился до относительно зрелой стадии.

3,4 кермет борид

Боридная керамика — это соединения внедрения. Между бором и бором может образовываться множество сложных ковалентных связей.В то же время бор может образовывать ионные связи со многими атомами металлов. Эта характеристика определяет, что борид имеет высокую температуру плавления, высокую твердость, высокую износостойкость и высокую коррозионную стойкость, поэтому он широко используется в материалах из цементированного карбида и износостойких материалах. В боридной керамике бинарные бориды, такие как TiB2, ZrB2 и CrB2, считаются наиболее многообещающей боридной керамикой из-за их превосходных свойств. Однако из-за сильной химической реакции между бинарной боридной керамикой, такой как TiB2, и металлической матрицей характеристики спекания ухудшатся.

Исследования по практическому применению трехэлементного боридного кермета в промышленной сфере требуют дальнейшего изучения. Существующие проблемы включают:

(1) Поскольку тройной боридный кермет в основном использует порошок молибдена, порошок сплава ферробора, порошок никеля и порошок хрома в качестве основного сырья, стоимость производства высока.

(2) Трехэлементный боридный кермет имеет низкую надежность и воспроизводимость.

4.Применение Cermet

(1) Зона резки

Инструменты из кермета

обладают высокой твердостью, твердостью в красном цвете и износостойкостью, а также отличными режущими характеристиками при высокоскоростной резке и сухой резке. При одинаковых условиях резания износостойкость металлокерамических инструментов намного выше, чем у обычных твердых сплавов.

(2) Аэрокосмическая промышленность

Керметы

TiC-Ni используются в качестве высокотемпературных материалов для лопаток реактивных двигателей с 1950-х годов. Однако частицы TiC агломерируются и растут во время спекания, потому что никель не может полностью смачивать TiC, что приводит к плохой ударной вязкости материалов и не может использоваться в качестве жаропрочных материалов.Сам TiC обладает высокой твердостью, высокой температурой плавления, низким удельным весом и хорошей термической стабильностью, в то время как медь имеет отличную электропроводность, теплопроводность и хорошую пластичность. Композиты TiC / Cu, состоящие из TiC и металлической меди, сочетают в себе превосходные свойства обоих и находят применение в качестве проводящих, теплопроводных, износостойких материалов и материалов для футеровки горловины ракет.

(3) Другие приложения

Композитное покрытие

Cermet может изменить внешний вид, структуру и химический состав внешней поверхности металлической матрицы, а также придать матрице новые свойства. Керметное композитное покрытие — это своего рода превосходный композитный материал, обладающий такими преимуществами, как прочность и ударная вязкость металла, а также термостойкость керамики. Он успешно применяется в аэрокосмической, авиационной, оборонной, химической, машиностроительной, энергетической и электронной промышленности.

Композитная труба с керамическим покрытием имеет лучшие характеристики, чем труба с керамическим покрытием. Самораспространяющееся высокотемпературное центробежное литье облицовочной керамики может быть использовано в качестве коррозионно-стойких трубопроводов для транспортировки нефти или химических продуктов и полупродуктов, в качестве противоизносных трубопроводов для шахт, в качестве трубопроводов для транспортировки пульпы на обогатительных фабриках и как водопровод с мутным песком.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

Сравнение механических свойств керметов силиката кальция со сплавами Ti-55Ni и Ti-6Al-4V для замены твердых тканей

В этом исследовании изучалось влияние содержания силиката кальция (CS) на состав, механические свойства при сжатии и твердость CS керметов со сплавами Ti-55Ni и Ti-6Al-4V, спеченными при 1200 ° C. Для получения керметов использовался метод порошковой металлургии.Новые фазы материалов Ni 16 Ti 6 Si 7 , CaTiO 3 и Ni 31 Si 12 появились в кермете Ti-55Ni с CS и в кермете Ti-6Al-4V. с CS — новые фазы Ti 5 Si 3 , Ti 2 O и CaTiO 3 , появившиеся при спекании при различном содержании CS (мас.%). Минимальные усадка и плотность наблюдались в обеих группах керметов при содержании ХС 50 и 100 мас.% Соответственно.Керметы с 40 мас.% CS имели минимальный модуль упругости при сжатии. Минимальные значения прочности на сжатие и процента деформации при максимальной нагрузке выявлены в керметах с 50 и 40 мас.% CS с керметами Ti-55Ni и Ti-6Al-4V соответственно. Керметы с 80 и 90 мас.% CS показали большую пластичность, чем чистый CS. Сделан вывод о том, что состав и механические свойства спеченных керметов Ti-55Ni и Ti-6Al-4V с CS существенно зависят от содержания CS в сырых керметах. Таким образом, различные механические свойства металлокерамики могут быть использованы в качестве потенциальных материалов для замены различных твердых тканей.

1. Введение

Силикат кальция (CS, CaSiO 3 ) и титан (Ti) и сплавы Ti широко используются в имплантатах, особенно для твердых тканей кости, благодаря их уникальным свойствам биоактивности и биосовместимости [1]. CS — высокобиоактивная керамика, но при этом хрупкий материал с низкой вязкостью разрушения [2–4]. Поэтому во многих исследованиях пытались повысить несущую способность и ударную вязкость CS путем усиления его другими материалами, такими как оксид алюминия [5], углеродные нанотрубки [6], оксид графена [7], восстановленный оксид графена [8] и полимеры [ 9].С другой стороны, Ti и сплавы Ti биосовместимы и обладают отличной коррозионной стойкостью [1]. Однако они являются биоинертными материалами, не обладающими биоактивностью для создания прочной связи с костью-хозяином в качестве имплантата [10]. В результате имплантаты из титановых сплавов, инкапсулированные фиброзной тканью, вызывают клиническую неудачу из-за изоляции от окружающей ткани после имплантации в живое тело [10, 11]. В этом контексте монолитная керамика, особенно CS [2, 5] и синтетический или природный гидроксиапатит (HA) [12–15], известны как превосходные биосовместимые материалы.Поэтому металлические имплантаты были покрыты некоторыми биологически активными материалами, такими как HA и CS, чтобы обеспечить хорошее сцепление между имплантатом и костью хозяина [16–20]. Однако покрытие могло отслаиваться от металлической подложки из-за слабой связи между керамической и металлической фазами [21]. Кроме того, несколько наших теоретических исследований показали, что факторы интенсивности напряжений на внешней поверхности цементного слоя металлических имплантатов с цементным покрытием выше, что может быть основной причиной легкого отслаивания покрытий от металлических поверхностей [22, 23 ].Композиты из многих керамических материалов, включая ГК [13, 24], CS [14, 25] и оксид алюминия (Al 2 O 3 ) [5, 26], успешно используются в различных биомедицинских приложениях. Следовательно, для решения проблем, связанных с покрытием и хрупкостью чистой керамики, можно использовать композиты или керметы из сплавов Ti с керамикой CS или HA.

Композиционный материал из керамики и металлов называется керметом. Основываясь на матрице и армирующих материалах, композитные материалы подразделяются на композиты керамическая матрица-металл (CMMC) и композиты металлическая матрица-керамика (MMCC).Резкое изменение механических свойств керметов является результатом включения керамических или металлических частиц в металлическую или керамическую матрицу [27, 28]. Таким образом, из-за перекрывающейся прочности и слабости керамики и металлов CMMC и MMCC обладают превосходной жесткостью, разрушаемостью, усталостью, а также трибологическими и термическими свойствами по сравнению с монолитными керамическими и металлическими аналогами [29]. В соответствии с подходящими свойствами обычных и монолитных материалов, монолитная керамика и металлы быстро меняются с помощью этих композитов в различных инженерных приложениях от биомедицины [24, 26] до аэрокосмической или автомобильной областей [30].

Несмотря на множество работ по Ti, сплавам Ti и CS в различных областях применения в соответствии с их индивидуальными важными свойствами, насколько нам известно, работ по композитам CS с Ti-55Ni (TN) или Ti-6Al- Об этом сообщил 4В (ТАВ). Таким образом, в настоящем исследовании мы впервые исследуем влияние содержания CS на механические свойства и микроструктурные поверхности изломов в керметах TN / CS и TAV / CS для замены твердых тканей в биомедицинских приложениях.

2.Материалы и методы

Процедура, использованная в настоящей работе для исследования керметов силиката кальция с Ti-55Ni и Ti-6Al-4V, представлена ​​в виде блок-схемы на рисунке 1.

2.1. Подготовка образца

Метод порошковой металлургии использовался для изготовления различных новых керметов TN и TAV с варьированием содержания CS в двух разных керметах в виде композитов керамическая / металлическая матрица и наоборот. Все химические вещества были приобретены у Sigma-Aldrich и использовались без какой-либо дополнительной очистки. Вкратце, сначала сырые порошки были смешаны в различных весовых соотношениях, представленных в таблице 1. Затем была проведена мельница с мокрым шаром в планетарной шаровой мельнице (PM 200, Retsch) для смешивания сырых порошков при массовом соотношении шариков к порошку 5. : 1 в 75 мл этанольной среды при скорости 300 об / мин в течение 6 часов до получения гомогенной смеси. Смесь сушили в течение ночи в печи при температуре 110 ° C в течение 16 часов. После этого высушенные измельченные порошки прессовали под давлением 100 МПа с помощью ручного гидравлического пресса (GS15011, Graseby Specac) с образованием сырых образцов фиксированного диаметра 6.35 мм при средней компактной высоте 13 мм. После этого необработанные прессованные образцы помещали в машину холодного изостатического давления (CIP) (Reiken Seiki Japan) при комнатной температуре под давлением 250 МПа для достижения дальнейшего уплотнения и равномерного распределения давления прессования. Затем проводили спекание без давления на образцах при 1200 ° C в течение 3 ч в среде инертного газа аргона с использованием печи с вакуумной атмосферой (XY1600, Nanyang Xinyu Furnaces) для предотвращения окисления металлических фаз. Цикл спекания, использованный в этом исследовании, представлен на рисунке 2.Температуру постепенно повышали со скоростью 5 ° C / мин с 50 до 500 ° C. Затем температуру поддерживали при постоянной температуре выдержки 500 ° C в течение 2 ч для улучшения спекаемости в дополнение к удалению влаги и некоторых примесей из образцов. После этого температуру снова повышали со скоростью 3 ° C / мин до 1200 ° C и вымачивали в течение 3 часов. Скорость линейного изменения была уменьшена на втором этапе, чтобы предотвратить образование трещин в образцах из-за теплового удара, а также разницы в коэффициентах теплового расширения фаз, присутствующих в керметах.Время выдержки 3 часа при 1200 ° C использовали для завершения процесса спекания всего образца. После этого температура была понижена до комнатной температуры с двумя ступенями: 3 ° C / мин и 5 ° C / мин, соответственно, чтобы избежать образования трещин, а также теплового напряжения в образцах.

9 0465


Керметы Ti-55Ni / CaSiO 3 (TN / CS)

Ti-6Al-4V / CaSiO 3 (TAV / CS) керметы

TN
Wt%
CS
Wt%
TAV
Wt%
CS
Wt%


100 0 100 0
90 10 90 10
80 20 80 9047 9047

30
60 40 60 40
50 50 50 50
40 9048 9047 9048 9048 70 30 70
20 80 20 80
10 90 10 90
0 100 0 100

2.

2. Определение характеристик

Дифракцию рентгеновских лучей (XRD) проводили на спеченных образцах с использованием рентгеновского дифрактометра (Empyrean, PANalytical) для определения и анализа фазового состава. Плотность ( 90 , г / см 3) была измерена с использованием принципа Архимеда, исследованного в другом месте [25] в соответствии с (1), и объемная усадка (%) спеченных образцов была рассчитана, как описано в (2). Предполагалось, что материалы являются совершенно твердыми и полностью нерастворимыми в воде при измеренных условиях.По крайней мере, пять идентичных образцов были взяты при 25 ° C, где плотность воды принималась равной 0,99704 г / мл, для расчета среднего, а также стандартного отклонения (SD) для каждого спеченного образца:

Испытание на сжатие, проведенное на образцах с использованием универсальной испытательной машины (4469, Instron) при постоянной скорости поперечины 1 мм / мин для определения модуля упругости при сжатии, прочности на сжатие и процента деформации при максимальной нагрузке, показано на рисунке 3. По крайней мере Были выполнены три идентичных образца для определения среднего и стандартного отклонения механических свойств.

Испытание на твердость по Виккерсу проводилось на полированных поверхностях спеченных образцов с использованием микротвердомера по Виккерсу (AVK-C200, Mitutoyo), как показано на рисунке 4. Алмазный индентор в форме пирамиды использовался при постоянной нагрузке 5 Н для 10 секунд, чтобы сделать не менее 5 отпечатков с каждого образца.

Наконец, микроструктуру спеченных образцов исследовали с помощью растрового электронного микроскопа (TM3030, Hitachi), как показано на рисунке 5.

3.Результаты и обсуждение
3.1. Характеристика структуры

На рисунках 6 и 7 показаны рентгенограммы различных керметов TN / CS и TAV / CS после спекания при 1200 ° C, соответственно. В процессе спекания три новые фазы никель-кремний-титан (Ni 16 Ti 6 Si 7 ), оксид кальция-титана или титанат кальция (CaTiO 3 ) и никель-кремний (Ni 31 Si 12 ) появлялись на дифрактограммах керметов TN / CS (см. Рисунок 6).Эти фазы были результатом реакции между соединениями TN и CS. Объемная доля новых фаз в спеченных керметах зависела от мас.% CS. С увеличением содержания CS в керметах TN / CS кристаллические пики Ni 16 Ti 6 Si 7 отчетливо проявлялись в керметах от 10 до 80 мас.% CS, а фаза CaTiO 3 появлялась с 20 до 80 мас.%, а фаза Ni 31 Si 12 была обнаружена в основном от 40 до 80 мас.% CS на рентгенограммах на Фигуре 6.


С другой стороны, три новые фазы кремния титана (Ti 5 Si 3 ), оксида титана (Ti 2 O) и CaTiO 3 были также разработаны в другом спеченном кермете. (TAV / CS) включает TAV и CS, как показано на рисунке 7. Также было обнаружено, что некоторые из пиков XRD в чистом TAV (т.е. 0,0 мас.% CS) также соответствуют оксиду титана (Ti 3 O, ICSD справочный код: 01-072-1806). Это следовое количество Ti 3 O образуется из-за окисления небольшой части поверхности. Фаза Ti 5 Si 3 обнаружена во всех металлокерамических группах ТАВ с содержанием CS от 10 до 90 мас.%. CaTiO 3 был обнаружен в спеченных керметах с более чем 30 мас.% CS, за исключением группы с 40 мас.% CS, в которой обнаружена только фаза Ti 5 Si 3 . С другой стороны, только Ti 2 O был обнаружен в группах ТАВ с 10 мас.% И 20 мас.% CS. Различные дополнительные фазы, образующиеся в обоих керметах, в основном отвечают за механические свойства, такие как прочность на сжатие и микротвердость, а также плотность или усадку спеченных керметов.

3.2. Физические характеристики

На рисунках 8 (a) и 8 (b) показаны усадка и плотность различных керметов TN и TAV с CS после процесса спекания. Изменение усадки в зависимости от мас.% CS показывает вогнутый график с максимальным значением усадки в чистой металлической и керамической фазах и минимальным значением около 50 мас.% CS в обеих группах керметов (см. Рисунок 8 (a )). Процент усадки почти постоянен при содержании CS от 40 до 60 мас.% Для обоих керметов, в то время как резкое увеличение усадки было обнаружено ниже 40 мас.% CS, а для керметов с содержанием CS выше 60 мас.% Отмечается постепенное увеличение.С другой стороны, увеличение содержания CS в керметах приводит к постепенному снижению плотности образцов спеченных керметов.

(a) Массовая доля силиката кальция
(b) Массовая доля силиката кальция
(a) Массовая доля силиката кальция
(b) Массовая доля силиката кальция

Таким образом, чистая металлическая фаза показала максимум плотность и чистая керамическая фаза показали минимальную плотность (рис. 8 (б)). Напротив, снижение плотности с увеличением содержания CS соответствовало исследованию Chenglin et al.[21] для материалов с функциональным градиентом Ti-HA. Кроме того, плотность чистого CS, используемого в данном исследовании, находится в диапазоне плотностей, указанных Liu et al. [31].

3.3. Механические характеристики

Чтобы исследовать взаимосвязь между содержанием CS и механическими свойствами спеченных образцов, были измерены характеристики сжатия, и результаты представлены как функция содержания CS (мас.%) На рисунке 9. Рисунок 9 (a) изображает изменение модуля Юнга в разных металлокерамических группах TN / CS и TAV / CS.Модуль упругости металлокерамических материалов в обеих группах постепенно снижался с содержанием CS до 40 мас.%, А затем следовал тенденции увеличения до чистого CS (100 мас.% CS). Группа керметов TN / CS показала более высокий модуль упругости, чем керметы TAV / CS при любом содержании CS. Отмечено незначительное влияние на изменение модуля Юнга за счет увеличения содержания CS в TN / CS керметах более 70 мас.%. Основываясь на рентгенограммах (рис. 6), причину ограниченного изменения модуля упругости в группе керметов TN / CS с более чем 70 мас.% CS можно объяснить преобладанием непрореагировавшего CS над другими фазами. На рисунке 9 (b) сравнивается предел прочности при сжатии (UCS) различных групп металлокерамики TN / CS и TAV / CS. UCS продемонстрировал аналогичную тенденцию, как модуль упругости в отношении содержания CS. Металлические фазы выдерживают большую сжимающую нагрузку, чем другие керметы. Кроме того, металлокерамические группы TN / CS лучше работают при сжимающей нагрузке, чем группы керметов TAV / CS. Процент деформации при максимальной нагрузке показан на рисунке 9 (c). Тенденция изменения процента деформации как функции увеличения содержания CS (мас.%) Была аналогична вышеуказанным свойствам.Деформация керметов постепенно снижалась с увеличением содержания CS до 30 мас.%. Впоследствии было обнаружено резкое снижение деформации при 40 мас.% CS, а затем она увеличивалась с небольшим наклоном до 70 мас.% CS. При 80 мас.% И 90 мас.% CS был выявлен больший процент деформации при максимальной нагрузке, чем чистый CS (100 мас.% CS). Это свидетельствует о большей пластичности в группах 80 мас. % И 90 мас.% ХС для обоих керметов по сравнению с их монолитной керамической фазой. Керметы с 60 мас.% Металлической фазы и 40 мас.% CS показали минимальную предельную прочность на сжатие (UCS), в то время как оба кермета с 70 мас.% Металлической фазы и 30 мас.% CS показали высокое UCS, отличный модуль упругости и максимальную деформацию при UCS. .В этом исследовании было установлено, что основными фазами, ответственными за повышение механических свойств в случае керметов TN / CS и TAV / CS, являются Ni 16 Ti 6 Si 7 и Ti 5 Si 3 соответственно. В особом случае кермета TAV / CS при 30 мас.% CS, UCS значительно ниже по сравнению с 30 мас.% TN / CS, что является результатом разработки большего количества новой фазы CaTiO 3 . Степень увеличения механических свойств керметов CS выше 50 мас.% Ниже, чем у керметов ниже 50 мас.% CS.Результат испытания на твердость по микровиккерсу, изображенный на рисунке 9 (d), также показал аналогичную картину, обнаруженную для свойств сжатия. Результаты испытания твердости по Виккерсу показали, что чистые металлические фазы каждой группы керметов имели максимальную твердость и постепенно она снижалась с содержанием CS до 60 мас.% В TN / CS и 50 мас.% В TAV / CS, после чего твердость обоих керметов была обнаружено увеличение до 100 мас.% CS. Поведение твердости в исследовании согласуется с тенденцией твердости функционально-градуированного материала Ti-HA в работах, проведенных Watari et al.[32] и Chenglin et al. [21]. Твердость по Виккерсу 100 мас.% CS сопоставима с твердостью чистого CS, полученной Liu et al. [31]. Поскольку две новые фазы, такие как Ni 16 Ti 6 Si 7 и Ti 5 Si 3 , были в значительной степени обнаружены на поверхности для керметов TN / CS и TAV / CS с массой от 40 до 60 масс. % CS, соответственно, на рентгенограммах было обнаружено, что общие механические свойства этих керметов значительно ухудшаются.

3.4. Сканирующий электронный микроскоп

СЭМ был проведен на образцах после испытания на сжатие, и некоторые важные образцы были отобраны для исследования поверхностей излома на Рисунке 10. Изображения СЭМ показали равномерное распределение CS в керметах. Спеченные образцы TN / CS показали меньшую пористость, чем образцы TAV. Частицы второй фазы и поры на поверхности разрушения материалов обозначены стрелками черного и белого цвета соответственно на изображениях, полученных с помощью SEM, на Фигуре 10.Поверхности излома становились более шероховатыми с увеличением содержания CS до 50 мас.% CS в обеих группах керметов, а затем шероховатость изломанных поверхностей постепенно снижалась с увеличением содержания CS. Гладкая поверхность для изломанных поверхностей демонстрирует хрупкий излом, большее количество связей вблизи чистых фаз керметов по сравнению с керметами, близкими к 50 мас.% CS.

4. Заключение

Во время процесса спекания при 1200 ° C, в зависимости от массового соотношения сырых порошков, в конечном продукте в процессе спекания были получены различные новые фазы.Максимальная усадка была выявлена ​​в чистых металлических фазах (TN и TAV) и керамической фазе (CS), а минимальная усадка была выявлена ​​при 50 мас. % CS в различных керметах TN / CS и TAV / CS. С другой стороны, плотность керметов снизилась при увеличении массового процента CS, и 100 мас.% CS показали минимальную плотность. Новые фазы Ni 16 Ti 6 Si 7 , CaTiO 3 и Ni 31 Si 12 появились в керметах TN / CS и Ti 5 Si 3 , Ti 2 O и CaTiO 3 в керметах TAV / CS в основном отвечают за их механические свойства.Механические свойства при сжатии и твердость уменьшались при содержании CS до 50 мас.%, А затем следовало увеличение до 90 мас.% CS. Степень увеличения общих механических свойств керметов CS с содержанием более 50 мас.% Была ниже, чем у керметов с содержанием CS ниже 50 мас.%. TN / CS продемонстрировал лучшие характеристики сжатия, чем TAV / CS. Кроме того, процент деформации при максимальной нагрузке для керметов с 80 мас.% И 90 мас.% CS был больше, чем у чистой керамической фазы CS. Поскольку механические свойства вышеупомянутых керметов значительно выше, чем у натуральных костей [25, 33], различные механические свойства вышеупомянутых керметов, следовательно, могут использоваться в зависимости от желаемой прочности различных твердых тканей в биомедицинских приложениях [ 8, 33].

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов относительно публикации данной статьи.

Выражение признательности

Это исследование было поддержано Малайским университетом / Министерством высшего образования / Исследованием с высокой степенью воздействия (UM / MOHE / HIR), проект №. D000010-16001.

Раскройте таинственную завесу нового материала: металлокерамики

Кэти Монтанез |

Раскройте таинственную завесу нового материала: металлокерамики

Просмотры сообщений:
460

Кермет — это композитный материал, состоящий из твердой керамики, связанной с металлом или сплавом.Керметы не только поддерживают некоторые превосходные свойства керамики, такие как высокая твердость, износостойкость, устойчивость к высоким температурам, стойкость к окислению и химическая стабильность, но также обладают хорошей ударной вязкостью и пластичностью металлов.

WC-Co, самые ранние керметы, которые применялись во многих областях из-за своей высокой твердости. Однако исследования и разработки керметов без вольфрама прошли три поколения из-за нехватки ресурсов W и Co. Первым поколением была Вторая мировая война, когда Германия производила металлокерамику с использованием никелевого сплава TiC; второе поколение появилось в 1960-х годах, когда Ford Motor Company добавила Мо к фазе связывания Ni, чтобы улучшить смачиваемость TiC и других карбидов, тем самым улучшив ударную вязкость материалов; Керметы третьего поколения вводят нитрид в твердую фазу сплава и превращают одну фазу в композиционную, а связующая фаза также улучшается за счет добавления фазы Со и других элементов.Теперь еще одним новым направлением в развитии керметов является кермет на основе боридов. Поскольку боридная керамика имеет высокую твердость и температуру плавления, отличную проводимость и коррозионную стойкость, кермет на основе боридов является наиболее перспективным керметом.

Кермет с металлической матрицей изготавливается путем добавления мелкодисперсного оксидного порошка к металлической матрице, также известного как дисперсионный армирующий материал, который в основном включает спеченный алюминий (оксид алюминия), спеченный бериллий (оксид бериллия), никель TD (оксид тория) и т. Д. .В широком смысле керметы также включают тугоплавкие составные сплавы, твердые сплавы и алмазные инструментальные материалы на металлической связке. Керамическая фаза в керметах представляет собой оксид или тугоплавкое соединение с высокой температурой плавления и высокой твердостью, а металлическая фаза — в основном переходный элемент (железо, кобальт, никель, хром, вольфрам, молибден и т. Д.) И его сплав.

Металлокерамика обладает преимуществами как металла, так и керамики, она имеет низкую плотность, высокую твердость, хорошую износостойкость и теплопроводность, а также не трескается из-за внезапного холода или тепла.Кроме того, покрытие металлической поверхности керамическим покрытием с хорошей воздухонепроницаемостью, высокой температурой плавления и плохой теплопередачей также может предотвратить окисление или коррозию металла или сплава при высокой температуре.