Обработка резанием металлокерамических деталей (керметов), заготовки которых получают методами порошковой металлургии, занимает при их изготовлении значительное место. Это объясняется, с одной стороны, необходимостью получения более сложных форм, чем это допускает прессование, например деталей с двумя буртами, отверстиями, перпендикулярными движению пуансонов, и взаимно перекрещивающимися осями, выточками, фасками, канавками, резьбой, и, с другой стороны, получением издлий с точностью более 4 - 5-го классов, а также удешевлением производства в тех случаях, когда применить обработку резанием проще, чем использовать сложные пресс-формы.
Твердые fплавы являются весьмараспространенной разновидностью металлокерамических материалов; из них изготавливают, например, штампы, инструменты. Для их резания наиболее часто применяют электроэрозионную, анодно-абразивную, ультразвуковую и механическую обработки.
Электроэрозионный метод является эффективным средством обработки твердых сплавов. Твердые сплавы хорошо режутся высокочастотной ЭЭО с использованием в качестве инструмента непрерывно движущейся проволоки. Так, сплав ВК20 обрабатывается медной проволокой диаметром 0,2 мм с натяжением 500 г при скорости перемотки 3 мммин на режимах мкф получаемая скорость обработки при толщине детали 5 мм - 0,65 мммин .
Анодно-абразивная обработка применяется для изготовления высокоточных твердосплавных деталей. Для этого питание обычных модернизированных шлифовальных станков производится от источников постоянного тока (машинных генераторов или выпрямителей) с напряжением 25 - 30 в. Рабочей средой является смесь масел. Ступенчатым изменением силы тока в пределах 3 - 800 а задается последовательное изменение условий обработки от черновой, обеспечивающей съем основного припуска и чистоту 5-го класса, До чистовой, дающей чистоту 9-го класса; затем осуществляется доводка абразивом до 11-го класса. Анодно-абразивную обработку применяют для заточки твердосплавных инструментов (табл. 77 - данные А. Г. Рябинюка).
Механическую обработку твердых сплавов производят лезвийным и абразивным инструментами. Основным методом обработки твердосплавных вставок для холодновысадочного инструмента является абразивное и алмазное шлифование: оно применяется для получения плоских, круглых наружных и внутренних (П>5-г-8 мм) и также фасонных поверхностей и обеспечивает при производительности 40 - 100 мм3мин точность 1-го класса и чистоту поверхности до 13-го класса.
Получение цилиндрических наружных поверхностей на деталях из твердых сплавов производится шлифованием кругами карбида кремния зеленого и алмазными кругами, а отрезка заготовок - алмазными отрезными кругами и электроэрозионным методом. Снятие материала срезаемогс слоя при шлифовании твердых сплавов кругами из карбида кремния зеленого происходит путем вырывания из основного материала, дробления и раскалывания зерен карбида вольфрама. Эти процессы сопровождаются высокой температурой (~ 1500°С), которая вызывает размягчение и оплавление относительно более легкоплавкой кобальтовой связи, ее окисление и образование микротрещин. Этй явления приводят к низкому качеству поверхности. При алмазном шлифовании вследствие высокой твердости и остроты режущих кромок снятие материала происходит путем среза; температура в зоне резания в этом случае много ниже (500 - 600°С); все это способствует высокому качеству поверхности.
Лезвийный инструмент на ряде операций изготовления изделий из твердых сплавов показывает высокую эффективность. Установлено, что твердые сплавы в состоянии всестороннего неравномерного сжатия могут пластически деформироваться . Деформация протекает путем смещения отдельных блоков кристаллитов карбидной фазы, сдвигов в них, а также дробления карбидных зерен. Процесс резания твердых сплавов, так же как и других материалов, основан на разности твердостей заготовки и инструмента; однако у них степень пластической деформации в зоне стружкообразования небольшая. При обработке сплавов с содержанием кобальта свыше 15% образуется стружка надлома, отдельные куски которой состоят из сдвинутых слоев. Температура резания твердых сплавов составляет 300 - 370° С; это обеспечивает отсутствие микротрещин и структурных превращений. Поверхностный слой твердого сплава после обработки резанием представляет собой уплотненный тонкий слой, под которым располагаются зерна сплава, претерпевшие срез, скол и пластическую деформацию.
Точение твердосплавных вставок штампов из сплавов ВК20, ВК25 производится резцами, оснащенными пластинками сплава ВКЗМ, которые укреплены пайкой латунью «7162. Рекомендуются следующие режимы: для чернового точения t=0,2 - 0,5 мм,
so = 0,3-j-0,5 ммоб, v = 2-1-3 ммин для чистового =0,2 - 0,3 мм, s0=0,08-i-0,12 ммоб, о=3 - 4 ммин. Отрезка ведется на режимах so=0,05 ммоб, о = 4 - 5 ммин.
Металлокерамические пористые материалы широко применяют для изготовления подшипников скольжения; по уровню допустимых скоростей резания они также относятся к труднообрабатываемым. Так, если скорость резания, соответствующая 20-минутной стойкости твердосплавного (ВК8) резца, при обработке молибдена равна 100 ммин, то при точении пористого железографита марки ЖГЗ она не превышает 25 - 45 ммин. Наиболее распространены пористые материалы на основе железа и меди. Материалы на железной основе имеют поры неправильной формы, сообщающиеся друг с другом. Для бронзографйта характерны сфероидальные поры, обособленные друг от друга, вследствие чего при механической обработке деформация поверхностного слоя больше.
Обработка резанием пористых материалов затруднена вследствие нестабильности процесса резания из-за несплошности материала, пониженной теплопроводности, приводящей к высоким температурам в зоне резания (до 600°С), повышенной склонности к окислению; образующиеся окислы железа оказывают повышенное абразивное воздействие на инструмент.
По обрабатываемости пористые материалы ближе к чугунам; износ инструмента при их обработке происходит также только по задней поверхности. Учитьщая ухудшение Антифрикционных свойств подшипников при обработке затупленным инструментом, критерий затупления относительно мал: г3 = 0,4-0,5 мм.
Требования к механической обработке определяются назначением поверхности - для поверхностей скольжения необходим свободный доступ смазки в зону трения, т. е. мало деформированная поверхность, для неподвижных соединений нужна уплотненная поверхность, обеспечивающая необходимую прочность сопряжения. Поэтому режимы обработки по качеству получаемой поверхности делятся на неуплотняющие и уплотняющие .
Наиболее пригодны для обработки пористых материалов твердые сплавы марок ВК8, ВКЗМ, ВК6М. Скорость резания при обработке пористых металлокерамических материалов должна быть достаточно большой, чтобы выйти за зону наростообразования и обеспечить однородную шероховатость с умеренным наклепом материала поверхностного слоя. Учитывая это, при пористости обрабатываемого материала 15% скорость резания равна 85 - 250 mSmuh, при пористости 20% v= 100 - 400 ммин, при пористости 30% и=110 - 500 ммин. Подачи должны быть небольшие: при обработке высокопористых материалов (больше 25%) s0 = =0,035 ммоб, низкопористых - so=0,07 ммоб.
Металлокерамические материалы, получаемые стеканием смеси порошков металлов и их сплавов (AI2O3 - Al, AI2O3 - Cr, TiC - Ni, ZrC - Fe, Si - S), находят значительное промышленное применение; обрабатываемость резанием даже таких малопроуных, как железографитовые (Fe + ,+ Cu + C), как правило, значительно хуже, чем стали 40 X и серого чугуна СЧ 15 - 32 . Это объясняется тем, что при точении этих материалов температура резания высока, несмотря на их более низ-- ; кие прочность и пластичность, а также величины действующих сил резания. Повышение температуры получается вследствие значительно меньшей (1,5 - 2 раза) теплопроводности. Кроме того, плохая обрабатываемость резанием объясняется их более высокой истирающей способностью и также неблагоприятными условиями работы инструментального материала, обусловленными периодическим усталостным воздействием пор.
Обрабатываемость металлокерамических материалов определяется прежде всего структурой; наилучшей обрабатываемостью обладают материалы с ферритной структурой, затем, в порядке ухудшения, идут структуры фрритоперлитные, перлитные и перлитные с включением цементита. Значительное влияние на обрабатываемость оказывает форма частиц цементита, входящего в перлит; зернистый перлит обеспечивает более высокую стойкость по сравнению с пластинчатым. Это объясняется тем, что температура резания возрастает с увеличением содержания перлита и включений цементита в структуре металлокерамических материалов и, наоборот, снижается с увеличением количества феррита. Кроме того, соотношение показателей истирающей способности металлокерамических материалов с различными структурами аналогично обычным сталям; наименьшую истирающую способность показывает зернистый перлит, наибольшую - пластинчатый.
Обрабатываемость металлокерамических изделий зависит также от их пористости и степени пропитки маслом; повышение пористости с 15 до 30% увеличивает скорость резания v60 при точении заготовок, пропитанных маслом, на 50% и непропитанных - на 20%. Это объясняется тем, что повышение пористости ведёт к снижению температуры резания на 154-20°. Пропитка маслом также увеличивает значение о6о с 20% (при одной и той же пористости 15%) до 50% (при пористости 30%). Влияние пропитки маслом на повышение скорости резания больше для металлокерамических материалов, не содержащих графит, так как в последнем слуаае температура резания в 1,4-4-1,5 раза выше. Это объясняется тем, что графит играет роль смазки, при этом эффективность смазывающего и охлаждающего действия масла уменьшается. При использовании пропитки маслом как средства повышения производительности надо учитывать, что оно ухудшает санитарно-гигиенические условия выполнения операции, поскольку в процессе резания масло выгорает и его шары загрязняют атмосферу.
Металлические покрытия находят широкое применение как средство повышения жаростойких, износостойких и антикоррозионных характеристик деталей. Покрытия наносятся различу ными путями, обычно электрометаллизацией распылением. Наиболее часто обработку покрытий резанием осуществляют точением и шлифованием; это объясняется особенностями обрабатываемых изделий, а также тем, что обработка покрытий другими способами-(сверлением, фрезерованием, строганием) связана с определенными трудностями, обусловленными интенсивными выкрашиваниями обрабатываемого слоя.
Отличительной особенностью строения металлических покрытий является их слоистость - частицы металла сильно вытянуты и разделены между собой пленками окислов. Помимо этого, материал имеет большую пористость и неоднородность строения, в нем находятся оксиды, нитриды й другие химические соединения, имеющие высокую твердость. Напыленный металл по сравнению с исходным обладает большой хрупкостью. Твердость напыленного металла значительно выше исходного. Так, при нанесении низко-углеродистой стали твердость покрытия выше на 35-т-60%, а микротвердость вследствие наличия пор и трещин еще больше (в несколько раз). Все это приближает свойства покрытий к свойствам литого металла; однако они имеют свои специфические особенности. Характерными особенностями обработки резанием металлических покрытий являются:
1) хрупкость обрабатываемого материала; вызывает специфический процесс стружкообразования (см. стр. 46), когда нагрузки от процесса резания сосредоточиваются непосредственно у режущей кромки. Концентрация напряжений вызывает повышенный износ резцов у вершины. Во избежание выкрашивания поверхностного слоя не следует обрабатывать у деталей острые кромки и резкие переходы;
2) высокое истирающее (абразивное) воздействие на рабочие поверхности инструмента; оно обусловлено наличием в обрабатываемом покрытии мельчайших включений высокой твердости, которые препятствуют также пластической деформации в процессе стружкообразования; %
3) пониженная теплопроводность покрытий вследствие их пористости и наличия окислов; в результате этого при обработке резанием покрытий часто имеют место прижоги; для их устранения следует применять эффективные охлаждающие жидкости;
4) трудность получения поверхностей высокой чистоты вследствие специфического строения металлизационного слоя. Износ инструмента в процессе обработки вызывает местные разрушения поверхности покрытия: ее выкрашивание, отслаивание, появление чешуек.
Шлифование покрытий имеет отличительную особенность - быстрое засаливание круга; кроме того, пониженная теплопроводность покрытий при шлифовании часто приводит к образованию прижогов. Во избежание этого следует применять жидкости, обладающие эффективным охлаждающим дёйствием.
Пятишпиндельный станок от Fives.
Фрезерно-копировальный станок Fives Cincinnati XT оснащен пятью шпинделями для обработки титановых деталей
Новые шпиндельные соединения компании Kennametal повышают надежность и производительность контурно-фрезерного станка Cincinnati для крупносерийного производства титановых деталей.
В период устойчивого развития таких требовательных отраслей промышленности, как производство самолетов гражданской авиации, вся цепочка поставок проходит жесткую проверку. Это обусловлено необходимостью поддержания высоких стандартов качества и соблюдения сроков.
Для машиностроительного предприятия Fives Cincinnati это знакомо: на заводе компании в г. Хеброн, штат Кентукки, производятся многоцелевые станки, системы для намотки композитного волокна и многошпиндельные контурно-фрезерные станки Cincinnati. Согласно утверждениям компании, 650 контурно-фрезерных станков которой работают по всему миру, любой используемый в гражданской авиации реактивный самолет так или иначе был изготовлен с применением технологии контурного фрезерования Cincinatti.
Центр наивысшей активности.
Рабочая зона пятишпиндельного копировально-фрезерного станка Fives Cincinnati XT
Последнее поколение станков Cincinnati XTi с возможностью трех- или пятишпиндельной компоновки с подвижным порталом впечатляет во многих отношениях. Они были спроектированы для предприятий, занимающихся обработкой различных видов материалов. Таким образом, шпиндели с частотой вращения 7000 об/мин могут резать алюминий и сталь, а шпиндели с высоким крутящим моментом (2523 Нм) способны обрабатывать титан и другие твердые сплавы. Более того, компания позиционирует XTi как «единственную многошпиндельную платформу для черновой обработки титана» и утверждает, что их скорость съема металла, составляющая 100 кубических дюймов в минуту, является рекордной в своей области.
Для XTi с перемещением 4267 мм (поэтапно увеличиваемой на 3658 мм) по оси X, 3683 мм по оси Y и 711 мм по оси Z теперь можно выбрать шпиндельные соединения KM4X100 компании Kennametal Inc.
Твердость титана при его контурной обработке или фрезеровании с меньшим или большим шагом постоянно создает трудности в плане съема металла. Повышение эффективности при обработке твердых сплавов предполагает максимальную скорость съема металла, несмотря на значительные усилия и низкую скорость резания.
Соединение для удаления.
Шпиндельное соединение KM4X100 играет важную роль в достижении максимальной скорости съема металла
Компания Fives Cincinnati, как и другие машиностроительные предприятия, ответила на этот вызов повышением жесткости станков и улучшением характеристик демпфирования. Такие улучшения позволили свести к минимуму вибрацию, негативно влияющую на качество деталей, объем выпуска продукции и срок службы инструментов, увеличив при этом производительность. Однако соединение инструмент-шпиндель все еще остается конструктивным элементом, требующим большей надежности и долговечности.
Объем материала, снимаемого во время конкретной операции, определяется надежностью соединения станка и режущего инструмента, которое должно выдерживать высокие нагрузки, оставаясь достаточно прочным даже в случае сильного изгиба инструмента или возникновения колебаний.
Более стабильная скорость съема металла (MRR).
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции KM4X обеспечивает прочное шпиндельное соединение с высокой жесткостью и максимальной стойкостью к изгибающим нагрузкам. Это повышает надежность и производительность станка при обработке твердых сплавов и других материалов
Шпиндели способны передавать определенный момент вращения, при этом силы резания создают также и изгибающие моменты, которые превышают установленные для соединения пределы еще до достижения максимального крутящего момента. Это наблюдается при торцовом фрезеровании, где вылет обычно больше, а ограничивающим фактором является стойкость шпиндельного соединения к изгибу. Например, 80-миллиметровая фреза с винтовыми зубьями и сменными режущими пластинами, выступающая за торец шпинделя на 250 мм, создает изгибающий момент 4620 Нм и крутящий момент до 900 Нм при обработке Ti6Al4V со скоростью 360 см 3 /мин, шириной резания 12,7 мм и глубиной резания 63,5 мм.
Благодаря сочетанию высокой силы зажима и оптимального уровня интерференции, новое поколение шпиндельных соединений KM4X компании обеспечивает надежность, чрезвычайно высокую жесткость и значительную стойкость к изгибающему усилию. В случае с инструментами для обработки титана это подразумевает значительное увеличение производительности станка при обработке твердых сплавов, возможность развития невероятно высокой скорости съема металла и получение большего количества готовых деталей за смену.
Инженер-аналитик Fives Cincinnati Роберт Снодграсс (Robert Snodgrass) совместно с главным менеджером по работе с клиентами компании Kennametal Майком Малоттом (Mike Malott) начал изучать характеристики KM4X примерно 4 года назад. «Инженерная концепция меня поразила, – вспоминает Снодграсс. – Она однозначно дала нам понять, что возможности проектирования станков безграничны: повышенная жесткость шпинделя позволяет не только удовлетворить требования клиентов к более эффективному процессу резания, но и увеличить объем выпускаемой продукции».
Прогресс в контурной обработке.
Процесс контурной обработки титана
Вице-президент компании Kennametal Марк Хастон (Mark Huston) поясняет: «Следует помнить, что типичные элементы конструкции самолетов делают из поковок, снимая значительное количество материала для получения готовых деталей с необходимыми параметрами. Коэффициент использования материала – отношение веса закупленного сырья к весу готовой детали – может быть 4:1, 8:1 и даже больше, в зависимости от детали».
Ввиду своей конструкции и ограничений шпиндельного соединения первое поколение контурно-фрезерных станков Cincinnati обеспечивало скорость съема металла до 4 кубических дюймов в минуту при обработке титановых деталей. Новое поколение станков Cincinnati XT в сочетании с торцевым шпиндельным соединением HSK 125 позволило увеличить эту скорость до 50 дюймов, а с появлением KM4X100 ее удалось удвоить до 100 кубических дюймов в минуту.
«Даже при 100 кубических дюймах в минуту результаты оценочных испытаний станков XT с использованием KM4X были гораздо ниже по сравнению с теоретическими пределами стойкости к изгибающему моменту», – добавил Снодграсс. Отметив, что при тестировании предыдущего поколения использовались резцедержатели с конусом CAT60, он сравнил использование 50-конусной версии с «вождением танка и внедорожника». Соединение KM4X помогло достичь в два раза большей скорости съема металла, чем при использовании 60-конусного резцедержателя. По сравнению с CAT50, HSK100 или KM4X100, CAT60 весит почти в два раза больше.
Максимальный крутящий момент, максимальная мощность.
При тестовом проходе шпиндельное соединение проходит испытание максимальным моментом вращения и силами резания. Однако это не проблема для контурно-фрезерного станка Fives Cincinnati XT со шпиндельным соединением KM4X
Менеджер по продукции компании Fives Cincinnati Кен Уичмен (Ken Wichman) заметил: «Это новое слово в конструировании шпинделей и станков. Во многих портальных станках используется ручная смена инструмента, даже при наличии устройства автоматической смены/магазина. Увеличение стойкости к изгибающему моменту в KM4X позволяет использовать более легкие инструменты, чем в случае с CAT или HSK с таким же пределом стойкости. С точки зрения эргономики это огромное преимущество для оператора. Клиенту, выбравшему автоматическую смену инструмента, KM4X позволит вместить большее количество инструментов в имеющееся пространство».
Высокотехнологичный и сложный процесс, для выполнения которого требуется особое оборудование и специальный инструмент. Это связано с тем, что подобные сплавы обладают высокой упругостью и прочностью, а потому сильно противостоят резанию, сверлению, шлифовке и прочим механическим обработкам. При этом качество соответствующего процесса во многом зависит от характеристик металла и правильного подбора режущего инструмента.
Особенности твердых сплавов
К труднообрабатываемым металлам относятся жаропрочные и нержавеющие стали и сплавы. Эти материалы представляют собой твердый раствор аустенитного класса, поэтому им присущи такие качества, как высокое сопротивление к коррозии, способность работать в напряженном состоянии на протяжении длительного времени, стойкость к химическому разрушению. Кроме этого, некоторым видам данных металлов присуща структура высокой дисперсности. За счет этого процесс скольжения практически не происходит.
Также усложняется обработка по следующим причинам:
- при резке происходит упрочнение материала;
- сплавы такого характера обладают низкой теплопроводностью, а потому контактная часть обрабатываемой детали и инструмента начинают схватываться;
- сохраняется исходная прочность даже при очень высокой температуре;
- высокая истирающая способность сплавов приводит к образованию включений, которые негативно отражаются на инструменте;
- виброустойчивость металлов обуславливается неравномерное протекание процесса резания, а значит, получить желаемое качество обработки не получится.
Подбор инструмента
Для того чтобы избежать всех вышеописанных проблем и провести качественную обработку твердых сплавов, необходимо в первую очередь правильно подобрать инструмент. Он должен быть изготовлен из металла, который обладает более высокими режущими свойствами, чем обрабатываемая деталь. При этом для предварительной обработки специалисты рекомендуют использовать твердосплавными резцами, а для чистовой - быстрорежущие. К последним относятся стали марок Р14Ф4, Р10К5Ф5, Р9Ф5, Р9К9.
Для изготовления инструмента из твердосплавных металлов используют три вида сплавов:
- Т30К4, Т15К6, ВКЗ - износостойкие;
- Т5К7, Т5К10 - отличаются высокой вязкостью;
- ВК6А, ВК8 - нечувствительны к ударам, обладают наименьшим сопротивлением к износу.
Для упрочнения инструментов и повышения их рабочих характеристик дополнительно проводят нанесение второго слоя твердосплавного металла, цианирование, хромирование, плакирование.
СОЖ
Правильный подбор охлаждающих жидкостей и способа их применения - не менее важный процесс в том случае, если необходимо произвести обработку твердых сплавов. Для сверления специалисты рекомендуют использовать материалы на минеральной основе. Особенно они повышают производительность при работе с титаном, который очень сложен в работе. Для токарной обработки легированных сталей подойдет полусинтетические СОЖ, для хонингования и шлифовки чугуна - жидкость без минеральных масел. Также существуют универсальные материалы, которые очень выгодно использовать в том случае, если характер обработки металла постоянно меняется.
Наиболее оптимальный способ подачи СОЖ при работе с твердыми металлами считается высоконапорный, при котором жидкость подается тонкой струей на заднюю стенку инструмента. Не менее эффективными являются распыление жидкости и охлаждение углекислотой. Все это позволяет повысить стойкость инструмента и улучшить качество обработки.
Требования к оборудованию
Оборудование для обработки твердых металлов разительно отличается от стандартных станков. Подобные модели отличаются:
- повышенной жесткостью всех механизмов;
- виброустойчивостью;
- высокой мощностью;
- наличием каналов для отвода стружки;
- особые места посадки для фиксации короткого инструмента.
В зависимости от требований к конечному изделию термическая обработка производится различными методами.
Процессы сушки используют при получении конечных полупродуктов в виде гранул, брикетов, а также для обезвоживания растворов, шламов и суспензий; путем последующей досушки, обжига или спекания сгранулированного или сформованного материала получают конечное изделие. В этих случаях закономерности тепло- и массопереноса такие же, как при проведении основных технологических процессов сушки в химической промышленности и при производстве строительных материалов.
В процессе спекания агломератов и сформованных заготовок частицы порошка объединяются в монолитное поликристалличе- ское твердое тело со свойствами, близкими к свойствам компактного материала. Процесс термообработки состоит из двух этапов.
Первыйэтап - удаление технологической связки - происходит при температурах испарения и плавления связующего и завершается при температуре начала спекания частиц порошка. Второй этап - спекание - начинается при температуре, соответствующей взаимному припеканию частиц друг к другу, и продолжается до температуры получения монолитного тела, составляющей примерно 0,8 температуры плавления керамического материала. Режим обжига выбирают исходя из химического и гранулометрического состава шихты из отходов, метода формования или прессования, а также размера и вида изделия.
В процессе спекания исходная шихта (сформованная или спрессованная) представляет собой термодинамически неустойчивую дисперсную систему с большим запасом свободной энергии.
Процесс спекания условно можно разделить на три стадии.
На первой стадии движущей силой является избыток свободной поверхностной энергии мелкодисперсных частиц, стремящийся за счет возникающего давления сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Частицы скользят по границам зерен, что приводит к уплотнению заготовки и ее усадке.
Навторой стадии происходит припекание частиц в местах контактов, созданных на первой стадии. При обжиге контакты между частицами расширяются, а форма и размеры пор непрерывно меняются. Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. На этой стадии вязкое течение среды определяется механизмом поверхностной диффузии атомов по поверхностям спекающихся частиц к области контактного перешейка.
На третьей стадии в спекающемся теле остаются лишь замкнутые изолированные поры и дальнейшее уплотнение возможно только за счет уменьшения их числа и объема (процесс залечивания). Конечная стадия спекания является наиболее длительной.
Процесс пиролиза находит применение при переработке отходов древесины, пластмасс, резиновых изделий, ТБО и шламов нефтепереработки и представляет собой процесс разложения отходов древесины, другого растительного сырья при их нагревании до температуры 450-1050 °С без доступа воздуха. При этом образуются газообразные и жидкие продукты, а также твердый угле
родный остаток (древесный уголь при переработке древесины, технический углерод при утилизации покрышек).
В зависимости от температуры нагрева пиролизные установки делятся на низкотемпературные (450-500 °С), характеризующиеся минимальным выходом газа, максимальным количеством смол, масел и твердых остатков; среднетемпературные (до 800 °С) с повышенным выходом пиролизного газа и уменьшенным выходом смол и масел; высокотемпературные (свыше 800 °С) с максимальным выходом газов и минимальным - смолообразных продуктов.
Высокая температура интенсифицирует утилизацию отходов. Скорость реакций с повышением температуры растет по экспоненте, а тепловые потери увеличиваются линейно. При этом происходит более полный выход летучих продуктов и сокращается объем образующегося твердого остатка. При пиролизе нежелателен диапазон температур 1050-1400 °С, поскольку приводит к образованию шлаков, особенно в ТБО.
Процесс пиролиза проводят в печах периодического или непрерывного действия различных конструкций (камерных, туннельных, шахтных, с движущимися слоями) с наружным и внутренним обогревом. На начальном этапе при повышении температуры протекают эндотермические процессы. При нагреве древесины или других растительных отходов до 150 °С удаляется влага, а при температурах 170-270 °С образуются газы СО и С0 2 и небольшие количества метилового спирта и уксусной кислоты. При 270-280 °С начинаются экзотермические превращения. Выход неконденсирующихся газов, таких, как СО и С0 2 , уменьшается и одновременно увеличивается выход других газообразных и парообразных веществ (СН 4 , С 2 Н 4 , Н 2), а также метилового спирта и уксусной кислоты. На скорость процесса влияют размер кусков перерабатываемых отходов, их влажность и температура.
Выходящие из печи газы охлаждают и выделяют из них ценные компоненты. Получающийся древесный уголь используют в производствах активных углей, черных порохов и в других процессах.
Инструментальными являются материалы, основное назначение которых - оснащение рабочей части инструментов. К ним относятся инструментальные углеродистые, легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамика, сверхтвердые материалы.
Основные свойства инструментальных материалов
| Инструментальный материал | Теплостойкость 0 С | Предел прочности при изгибе, МПа | Микротвер-дость, НV | Коэффициент тепло-проводности, Вт/(мЧК) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Углеродистая сталь
Легированная сталь Быстрорежущая сталь Твердый сплав Минералокерамика Кубический нитрид |
8.1. Инструментальные стали.По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяются на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физико-механические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке. В инструментальных легированных сталях массовое содержание легирующих элементов недостаточно, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на 50-100 0 С превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стремятся связать весь углерод в карбиды легирующих элементов, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах. Инструментальные углеродистые (ГОСТ 1435-74) и легированные (ГОСТ 5950-73) стали. Основные физико-механические свойства инструментальных углеродистых и легированных сталей приведены в таблицах. Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали в десятых долях процента. Так, в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет один процент. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей. Химический состав углеродистых инструментальных сталей
В инструментальных легированных сталях первая цифра, характеризует массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода в ней до одного процента). Буквы в обозначении указывают на содержание соответствующих легирующих элементов: Г - марганец, Х - хром, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, а цифры обозначают содержание элемента в процентах. Инструментальные легированные стали глубокой прокаливаемости марок 9ХС, ХВСГ, Х, 11Х, ХВГ отличаются малыми деформациями при термической обработке. Химический состав малолегированных инструментальных сталей
Эти материалы имеют ограниченные области применения: углеродистые идут, в основном, для изготовления слесарных инструментов, а легированные - для резьбообразующих, деревообрабатывающих и длинномерных инструментов (ХВГ)- протяжек, разверток и т.д. 8.2. Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)Химический состав и прочностные характеристики основных марок этих сталей приведены в таблицах. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам: Р - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ц - цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах (содержание хрома около 4 процентов в обозначении марок не указывается). Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента (например, сталь 11Р3АМ3Ф2 содержит около 1,1 % С; 3 % W; 3 % Мо и 2 % V). Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов: вольфрама, молибдена, ванадия и легирующих элементов- кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3%) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W+2Mo)%. В прейскурантах на быстрорежущие стали выделяют три группы сталей: стали 1-й группы с вольфрамовым эквивалентом до 16 % без кобальта, стали 2-й группы - до 18 % и содержанием кобальта около 5 %, 2ста 0ли 3-й группы - до 20 % и содержанием кобальта 5-10 %. Соответственно, различаются и режущие свойства этих групп сталей. Химический состав быстрорежущих сталей
Химический состав литых быстрорежущих сталей
Кроме стандартных, применяются и специальные быстрорежущие стали, содержащие, например, карбонитриды титана. Однако высокая твердость заготовок этих сталей, сложность механической обработки не способствующих широкому распространению. При обработке труднообрабатываемых материалов находят применение порошковые быстрорежущие стали Р6М5-П и Р6М5К5-П. Высокие режущие свойства этих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности, уменьшению радиуса скругления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и в особенности шлифованием. В настоящие время проходят промышленные испытания безвольфрамовые быстрорежущие стали с повышенным содержанием различных легирующих элементов, в том числе алюминия, малибдена, никеля и других Один из существенных недостатков быстрорежущих сталей связан с карбидной неоднородностью, т.е. с неравномерным распределением карбидов по сечению заготовки, что приводит, в свою очередь, к неравномерной твердости режущего лезвия инструмента и его износа. Этот недостаток отсутствует у порошковых и мартенситно-стареющих (с содержанием углерода менее 0,03%) быстрорежущих сталей.
8.3. Твердые сплавы (ГОСТ 3882-74)Твердые сплавы содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связующих материалах. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама, титана,тантала. В качестве связки используется кобальт. Состав и основные свойства некоторых марок твердых сплавов для режущих инструментов приведены в таблице. Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов Состав физико-механические свойства безвольфрамовых твердых сплавов В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В - вольфрам, Т - титан, вторая буква Т - тантал) и связку (буква К- кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра осле буквы К), например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. Вдвухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента определяется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра - массовая доля связки, остальное - массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т5К10 содержит 5% TiC,10% Co и 85% WC). В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К - массовая доля связки, остальное- массовая доля карбида вольфрама (например, сплав ТТ8К6 содержит 6% кобальта, 8% карбидов титана и тантала и 86% карбида вольфрама). В металлообработке стандартом ISO выделены три группы применяемости твердосплавного режущего инструмента: группа Р - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группа К - стружку надлома и группа М - для обработки различных материалов (универсальные твердые сплавы). Каждая область разделяется на группы и подгруппы. Твердые сплавы, в основном, выпускаются в виде различных по форме и точности изготовления пластин: напайных (наклеиваемых) - по ГОСТ 25393-82 или сменных многогранных - по ГОСТ 19043-80 - 19057-80 и другим стандартам. Многогранные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из этих же сплавов с однослойными или многослойными сверхтвердыми покрытиями из TiC, TiN, оксида алюминия и других химических соединений. Пластины с покрытиями обладают повышенной стойкостью. К обозначению пластин из стандартных марок твердых сплавов с покрытием нитридов титана добавляют - маркировку букв КИБ (ТУ 2-035-806-80), а к обозначению сплавов по ISO - букву С. Выпускаются также пластины и из специальных сплавов (например, по ТУ 48-19-308-80). Сплавы этой группы (группы "МС") обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий)или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа: 1-я цифра обозначения соответствует области применения сплава по классификации ISO (1 - обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 - обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 - область обработки, соответствующая области М по ISO); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости, а 4-я цифра - наличие покрытия. Например, МС111 (аналог стандартного Т15К6), МС1460 (аналог стандартного Т5К10) и т.д. Кроме готовых пластин выпускаются также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93-81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы З. Безвольфрамовые твердые сплавы широко применяются как материалы, не содержащие дефицитных элементов. Безвольфрамовые сплавы поставляются в виде готовых пластин различной формы и размеров, степеней точности U и М, а также заготовок пластин. Области применения этих сплавов аналогичны областям использования двухкарбидных твердых сплавов при безударных нагрузках.
8.4. Минералокерамика (ГОСТ 26630-75) и сверхтвердые материалыМинералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*. Кроме традиционных марок оксидной керамики и керметов широко применяются оксидно-нитридная керамика (например, керамика марки "кортинит" (смесь корунда или оксида алюминия с нитридом титана) и нитридно-кремниевая керамика- "силинит-Р" . Физико-механические свойства инструментальной керамики
Синтетические сверхтвердые материалы изготавливаются либо на основе кубического нитрида бора - КНБ, либо на основе алмазов. Материалы группы КНБ обладают высокой твердостью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и инертностью к железу. Основные характеристики и эффективные области использования приведены в таблице. Физико-механические свойства СТМ на основе КНБВ последнее время к этой группе относятся и материалы, содержащие композицию Si-Al-O-N (торговая марка "сиалон"), в основе которых нитрид кремния Si3N4. Синтетические материалы поставляются в виде заготовок или готовых сменных пластин. На основе синтетических алмазов известны такие марки, как АСБ - алмаз синтетический "баллас", АСПК - алмаз синтетический "карбонадо" и другие. Достоинства этих материалов - высокая химическая и коррозионная стойкость, минимальные радиусы закругления лезвий и коэффициент трения с обрабатываемым материалом. Однако, алмазы имеют существенные недостатки: низкая прочность на изгиб (210-480 МПа); химическая активность к некоторым жирам содержащимся в охлаждающей жидкости; растворение в железе при температурах 750-800 С, что практически исключает возможность их использования для обработки сталей и чугуна. В основном, поликристаллические искусственные алмазы применяются для обработки алюминия, меди и сплавов на их основе. Назначение СТМ на основе кубического нитрида бора
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||