Сотрудниками НИФТИ ННГУ совместно с коллегами из ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН разработаны новые износостойкие керамики

Сотрудниками НИФТИ ННГУ совместно с коллегами из ИМЕТ им. А.А.Байкова РАН разработаны новые износостойкие твердые сплавы для металлорежущего инструмента

В настоящее время в станкостроении активно применяются твердые сплавы на основе карбида вольфрама с повышенным (6-10%) содержанием кобальта. Такие материалы часто называются твердыми сплавами – они являются основным материалов для изготовления фрез и режущих платин, которыми проводится точение или фрезирование для изготовления изделий необходимой геометрии и размера.

Мировым лидером по разработке твердых сплавов является компания Sandvick Coromant (Швеция), чья продукция в настоящее время доминирует и на отечественном рынке станкостроения. Инструмент этой фирмы с нанесенными нанокомпозиционными покрытиями используют многие отечественные машиностроительные компании для фрезерной и токарной обработки металлических изделий.

«Введение» в изначально хрупкий карбид вольфрама высокопластичной фазы кобальта позволяет повысить его трещиностойкость (вязкость разрушения), но приводит к снижению прочности, коррозионной стойкости и максимальной температуры, при которой могут применяться данные материалы. Поэтому одной из задач при разработке твердых сплавов является снижение концентрации кобальта.

В НИФТИ ННГУ совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (г. Москва) разработаны новые сверхтвердые ультрамелкозернистые керамики на основе чистого карбида вольфрама и сверхнизкокобальтовых (0.3-1%Co) твердых сплавов, которые могут быть использованы в станкостроении, при изготовлении износостойкого металлорежущего инструмента.

Керамики с одновременно повышенной твердостью и трещиностойкостью изготовлены в НИФТИ ННГУ методом высокоскоростного электроимпульсного («искрового») плазменного спекания. Нанопорошки карбида вольфрама для керамик получены в ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН по уникальной технологии плазмохимического синтеза.

Важным элементом технологического процесса стал новый способ введения кобальта в нанопорошки. Для получения твердых сплавов с высокой трещиностойкостью необходимо, чтобы при спекании каждая частичка карбида вольфрама была окружена вязкой фазой кобальта. Иначе на границе при нагружении легко образуются трещины, которые разрушают инструмент и приводят к отслаиванию покрытий.

Традиционно кобальт вводят в карбид вольфрама путем перемешивания в специальных мельницах, а затем спекают при высоких температурах, превышающих температуру плавления кобальта.

Но этот способ неприменим для нанопорошков, которые образуют агломераты, и малых концентраций кобальта, поскольку равномерно распределить его в объеме образца практически невозможно. Кроме этого, жидкофазное спекание при повышенных температурах привело бы к аномальному росту наночастиц карбида вольфрама и образованию в структуре нежелательных хрупких фаз, снижающих трещиностойкость керамики.

Поэтому на поверхность синтезированных нанопорошков карбида вольфрама химико-металлургическим методом осаждался ультратонкий (нанотолщинный) слой кобальта, а затем полученные порошки со структурой «ядро WC – оболочка Co» спекались под давлением при очень высоких скоростях нагрева (100-300 оС/мин) и при пониженных температурах.

Сочетание уникальных возможностей новых технологий позволило получить образцы режущих пластин из твердых сплавов с очень малым содержанием кобальта (не более 1%) и с очень малым размером зерна. Разработанные специалистами НИФТИ ННГУ и ИМЕТ РАН материалы продемонстрировали уникальные характеристики твердости и трещиностойкости, которые недостижимы при использовании традиционных технологий порошковой металлургии.

Полученные результаты опубликованы в журнале «Ceramics International» (импакт-фактор IF = 3.83) и «Journal of Alloys and Compounds» (IF = 4.650).

 

Зависимости усадки и скорости усадки нанопорошков сверхнизкокобальтовых твердых сплавов от температуры нагрева

 

Микроструктура сверхнизкокобальтовых твердых сплавов

  

Аномальный рост зерен в сверхнизкокобальтовых твердых сплавах с повышенным содержанием кислорода

  

Отпечатки от алмазной пирамиды Виккерса на поверхности образцов чистой керамики из карбида вольфрама (а) и сверхнизкокобальтового твердого сплава (б)

 

Новость о разработке доступна на сайте ННГУ и на новостном научном агрегаторе Индикатор.ру.

Вернуться к списку