Изучение механических и физических свойств вставок из сплава ВК20

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 669.018.254

Изучение механических и физических свойств вставок из сплава ВК20

К.В. Макаренко,

В.Г. Солдатов,

И.А. Котлярова,

А.А. Тарасов

Представлены результаты исследований вставок для высадочного инструмента, изготовленных из твердого сплава ВК20 различными производителями, которые проводились по стандартным методикам с использованием сертифицированного оборудования.

Ключевые слова: твердый сплав, ВК20, штамп, высадка, плотность, твердость.

Изделия из твердых сплавов традиционно применяются для изготовления рабочих элементов штампов. Учитывая тяжелые условия эксплуатации, к ним предъявляют повышенные требования к уровню прочностных свойств. Так как твердые материалы получают по технологии порошковой металлургии методом жидкофазного спекания, то большое влияние на окончательные свойства изделий оказывает концентрация пор в сплаве. Пористость определяют косвенным методом дилатометрического анализа. Основное эксплуатационное свойство - твердость определяют традиционно на твердомерах Роквелла по шкале А. Все методики определения механических и физических свойств твердых сплавов регламентированы ГОСТами.

На рис. 1 представлены исследованные вставки, за исключением образца №3, который разрушился при определении твердости.

Рис. 1. Исследованные вставки

Объектом исследования являлись вставки (далее образцы), изготовленные из твердого сплава ВК20, трех партий: I - изношенные (образцы № 1, 2, 4, 5);II-новые вставки первого производителя (образцы № 6, 7, 8, 9, 10); III -новые вставки второго производителя (образцы № 11, 12, 13, 14, 15). Твердость вставок определяли в соответствии с требованиями ГОСТ 2001774 по Роквеллу (шкала А).Шлифование проводили так, чтобы наклеп и нагрев поверхности образцов были минимальными. Шлифование выполнялось по методике, представленной в ГОСТ 2001974. Толщина слоя, сошлифованного с поверхности образцов, не превышала 0,2 мм.Поверхность образцовпри испытаниях была параллельна опорной поверхности.

Оборудование, использованное при определении твердости вставок из твердого сплава ВК20, - стационарный твердомер 200HR150. Прибор по сертификату соответствует требованиям ГОСТ 2367779. За показатель твердости образца принимали среднее арифметическое значение трех измерений, округленное до 0,5.Результаты испытаний образцов на твердость представлены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты измерения твердости исследуемых вставок

В соответствии с ГОСТ 388274 исследуемый твердый сплав марки ВК20 должен иметь твердость не менее 84 HRA.

Анализ результатов, представленных в табл. 1, показал:

1. Значения твердости у всех образцов группы I(№1, 2, 3, 4, 5) превышают показатели, заложенные в ГОСТ 388274. Данный факт объясняется тем, что образцы этой группы были подвержены деформационному упрочнению в ходе эксплуатации. Показатели твердости для данной группы в процессе ударного циклического нагружения претерпели изменения вследствие накопления дислокаций в структуре сплава. Накопление дефектов в процессе деформационного упрочнения послужило одной из главных причин разрушения образца №3 при третьем замере. сплав плотность физический

2. Значения твердости у четырех образцов группы II не соответствуют ГОСТ 388274 (№ 6, 7, 8, 9); лишь у одного образца (№10) твердость отвечает требованиям стандарта (84 HRA).

3. Наилучшие показатели твердости в группе III: три образца имеют твердость, соответствующую ГОСТ 388274 (№11, 12 и 15); у образцов №13 и 14 значения твердости ниже допустимого стандартом (83 и 81 HRA соответственно).

Плотность исследуемых образцов определяли гидростатическим методом в соответствии с ГОСТ 2001874. Метод состоит во взвешивании образцов в воздухе, а затем в воде и вычислении их плотности по формуле

(1)

где - масса образца, взвешенного в воздухе, г; - масса образца, взвешенного в воде, г; - плотность воды, г/см3.

Полученные значения плотности сравнивали со значением плотности сплава ВК20 согласно ГОСТ 388274 (сВК20 = 13,4…13,7*103 кг/м3).

Использованные материалы и оборудование:

1. Весы с разновесами.

2. Устройство для взвешивания образцов в воде, состоящее из сосуда с дистиллированной водой и проволоки для погружения образцов в воду.

3. Дистиллированная вода.

4. Этиловый спирт.

Основные этапы проведения испытаний:

1. Очистка поверхности исследуемых образцов от загрязнений путем погружения их в раствор этилового спирта (5 мин).

2. Измерение температуры дистиллированной воды и определение ее плотности по табл. 2.

Таблица 2. Плотность воды при разных температурах

3. Добавление в дистиллированную воду 1 капли этилового спирта (ПАВ) для улучшения смачиваемости исследуемых образцов водой.

4. Взвешивание каждого образца сначала в воздухе (с погрешностью 0,005 г), а затем в воде (с погрешностью 0,005 г). Для взвешивания в воде образец подвешивали на проволоке и погружали в сосуд с водой таким образом, чтобы он был полностью покрыт водой. Глубина погружения - не менее 10 мм от верха образца. Каждое взвешивание повторяли трижды.

5. Вычисление плотности образцов по формуле (1). За показатель плотности образца принимали среднее арифметическое значение трех определений, округленное до 0,01.

Анализ результатов определения плотности показал:

1. Значения плотности у всех образцов группы I(№1, 2, 4, 5) не соответствуют ГОСТ 388274 (значения плотности ниже). Основная причина та же, что и при определении твердости, - накопление дефектов в ходе эксплуатации.

2. Значения плотности у трех образцов группы IIсоответствуют ГОСТ 388274 (№8, 9, 10); у двух образцов (№6 и 7) значения плотности ниже заданных стандартом (13,39 и 13,37 соответственно).

3. Значения плотности у трех образцов группы IIIсоответствуют ГОСТ 388274 (№11, 14, 15); у образцов №12 и 13 значения плотности существенно ниже допустимого ГОСТом (13,34 и 13,33 соответственно).

4. Общая тенденция для всех исследуемых образцов - более низкие значения плотности относительно заданных ГОСТ 388274.

Большинство физических свойств сплава ВК20 обладают аддитивностью, т.е. слагаются из соответствующих характеристик кобальта и карбида вольфрама с учетом их объемных количеств в сплаве. Таким образом, исследуемые параметры (твердость и плотность) опосредованно, связаны друг с другом.

В табл.3 наглядно показано изменение физических и механических свойств сплавов WC - Сопри увеличении содержания кобальта [1].

Таблица 3. Состав и свойства твердых сплавов WC - Co

Соответствие показателей твердости и плотности требованиям ГОСТ 388274 показано в табл. 4.

Таблица 4. Соответствие определенных показателей твердости и плотности требованиям ГОСТ 388274

На рис. 2 представлена лепестковая диаграмма, на которой отмечены одновременно показатели твердости и плотности исследованных вставок.

Итак, на основании сопоставления определенных в ходе исследования показателей твердости и плотности с требуемыми значениями этих параметров, заложенными в ГОСТ 388274 для сплава ВК20, можно сделать следующий вывод: только три вставки полностью отвечают требованиям ГОСТа - это образцы №10, 11 и 15.

Механические и эксплуатационные свойства вставок, выполненных из твердого сплава, в значительной степени зависят от пористости материала.

Косвенным критерием пористости является плотность, которая в соответствии с ГОСТ 2001874 определялась гидростатическим методом. Наилучшими показателями плотности в соответствии с ГОСТ 388274 обладают вставки групп II и III (3 из 5), наихудшими - вставки группыI, которые, как показали исследования, были подвержены деформационному упрочнению в ходе эксплуатации. Деформационное упрочнение объясняет и высокую твердость образцов группы I(№1 - 5). Накопившиеся в процессе эксплуатации дефекты способствовали уменьшению плотности материала и послужили основной причиной разрушения образца №3 при статическом измерении твердости.

Из двух групп, представленных 5 вставками различных производителей, наилучшими показателями обладают вставки группы III (образцы № 11 - 15), две из которых удовлетворяют требованиям ГОСТ 388274 (образцы № 11 и 15). Во второй группе требованиям стандарта для сплава марки ВК20 удовлетворяет только образец № 10.

Проведенный анализ позволяет предположить, что несоответствие исследуемых вставок требованиям ГОСТ 388274 (по твердости и плотности) может быть обусловлено несколькими причинами:

1. Повышенным содержанием кобальта в сплаве (более 20%).

2. Наличием в сплаве остаточной пористости.

3. Присутствием в структуре сплава химически несвязанного углерода (не в виде карбида, а в виде графита).

4. Несоответствием размера и морфологии зерна WC.

Список литературы

1. Киффер, Р. Твердые сплавы: [пер. с нем.] / Р. Киффер, Ф. Бенезовский. - М.: Металлургия, 1971. - 392 с.

Размещено на Allbest.ru