Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 1 -
FACULTATEA ŞTIIŢA ŞI IGIERIA MATERIALELOR
Titlul tezei: „MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE
SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR”
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
Title of thesis: “PERFORMAT MATERIALS FROM CEMETED CARBIDE
REALIZED TROUGH SPECIFIC TECHICS OF POWDER METALLURGY”
ABSTRACT OF THE PH. D. THESIS
Conducător ştiinţific: Prof. dr. ing. GIACOMELLI IOA Prof. dr. ing. MAIU ALEXADRU
Autor:
Ing. eagu Manicatide Patricia
BRAŞOV - 2010
UIVERSITATEA “TRASILVAIA” DI BRAŞOV
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 2 -
BRAŞOV – 2010 MIISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TIERETULUI ŞI SPORTULUI
UIVERSITATEA ”TRASILVAIA” DI BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000,
FAX. 0040-268-410525 RECTORAT
----------------------------------------------------------------------------------------------------- COMPOEŢA
comisiei de doctorat
numită prin Ordinul Rectorului Universităţii ”Transilvania” din Braşov nr. 4204 din 23.09.2010
Preşedinte: Prof. univ. dr. ing. Mircea Horia ŢIEREA DECAN – Facultatea Ştiinţa şi Ingineria Materialelor Universitatea ,,Transilvania” din Braşov. Cond. Ştiinţific: Prof. univ. dr. ing. Ioan GIACOMELLI Universitatea ,,Transilvania” din Braşov Referenţi: Prof. univ. dr. ing. Rami ŞABA Universitatea “Politehnica” din Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Petru MOLDOVA Universitatea “Politehnica” din Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Ana VEŢELEAU Universitatea ,,Transilvania” din Braşov,
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 26 noiembrie 2010 ORA 12:00, SALA W III 4, Catedra UTSM, str. Universităţii nr. 4.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 3 -
CUPRIS
Pag. Introducere Capitolul I -CADRUL PROBLEMEI: ARGUMETELE, IPOTEZA SI OBIECTIVELE POSIBILE ALE CERCETĂRII
Capitolul II – METODE DE OBŢIERE ŞI CARACTERIZARE A ALIAJELOR DURE DI SISTEMUL WC-(TaC,TiC)-Co
Capitolul III – COMPOZIŢII IDUSTRIALE DE ALIAJE DURE SITERIZATE PE BAZĂ DE CARBURI METALICE
Capitolul IV – ASPECTE TEORETICE PRIVID OBŢIEREA ALIAJELOR DURE SITERIZATE DI SISTEMUL WC-Co
Capitolul V – AALIZA TEHOLOGIILOR AVASATE DI DOMEIUL IGIERIEI SUPRAFETELOR. PROCEDEE DE DEPUERE A STRATURILOR SUPERFICIALE EXTRADURE PE SUBSTRAT DE CMS (carbura metalica sinterizată)
Capitolul VI - METODOLOGIA CERCETĂRII. MATERIALE ŞI APARATURĂ
Capitolul VII - EXPERTIZAREA UOR PLĂCUŢE AŞCHIETOARE ACOPERITE, PROCURATE DI IMPORT
Capitolul VIII - STUDII EXPERIMETALE PETRU STABILIREA FACTORILOR CU IFLUETE SEMIFICATIVE ASUPRA PROCESARII MATERIALULUI CU ROL DE SUBSTRAT (ALIAJ DUR WC-Co)
Capitolul IX - EXPERIMETĂRI PRIVID OBŢIEREA STRATURILOR SUBŢIRI DURE, PRI PROCEDEU DE ACOPERIRE PVD
Capitolul X– TESTAREA PLĂCUŢELOR AŞCHIETOARE Capitolul XI – POSIBILITATI DE VALORIFICARE. EFICIETA CERCETĂRII. EFECTE ECOOMICE
Capitolul XII – COCLUZII FIALE - COTRIBUTII PERSOALE - DIRECTII DE CERCETARE
Bibliografie
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 4 -
COTETS
Pag. Introduction Chapter I FRAMEWORK : ARGUMETS, HYPOTHESIS AD POSSIBLE OBJECTIVES OF THE RESEARCH
Chapter II OBTAIIG METHODS AD CHARACTERISATIO OF HARD ALLOYS FROM SYSTEM WC-(TaC,TiC) -Co
Chapter III IDUSTRIAL COMPOSITIOS OF HARD ALLOYS SITERED BASED O METALLIC CARBIDES
Chapter IV THEORETICAL ASPECTS REGARDIG THE OBTAIIG OF HARD ALLOYS SITERED FROM SYSTEM WC-Co
Chapter V THE AALYSED OF ADVACE TECHOLOGIES FROM THE DOMAI OF SURFACE EGIEERIG. DEPOSITIO METHODS OF SUPERFICIAL LAYERS EXTRA HARD O CEMETED SUBSTRATUM
Chapter VI METHODOLOGICAL RESEARCH .MATERIALS AD APPARATUS
Chapter VII EXAMIATIO OF SOME COATED CUTTIG PLATES PROCURED FROM IMPORT
Chapter VIII EXPERIMETAL STUDIES FOR ESTABLISH THE FACTORS WITH IMPORTAT IFLUECE COCERIG THE PROCESSIG MATERIALS WITH ROLE OF SUBSTRATUM (HARD ALLOY WC-Co)
Chapter IX EXPERIMETS REGARDIG THE OBTAIIG THI HARD LAYER TROUGH PVD COVER PROCEEDIG
Chapter X TESTIG THE COATED CUTTIG PLATES
Chapter XI POSSIBILITIES OF CAPITALIZATIO. THE EFFICIECY OF THE RESEARCH. ECOOMICAL EFFECTS
Chapter XII FIAL COCLUSIOS –PERSOAL COTRIBUTIOS-RESEARCH DIRECTIOS
Bibliography
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 5 -
Introducere De la începutul erei industriale, oţelul şi fonta au constituit inima progresului din principalele
sectoare industriale. În ultima perioadă s-a înregistrat deja o tendinţă pe termen lung de reducere a cererii pentru produsele din industriile material - intensive, precum şi un declin al intensităţii materiilor prime utilizate. Consumul redus de materiale devine elementul esenţial al tehnologiilor de fabricaţie din ţările dezvoltate. După ce în 1781 Scheel [ 1 ] a descoperit wolframul au mai durat 150 de ani până când s-a realizat şi utilizat carbura de wolfram în industrie. Familia aliajelor dure sinterizate constituie o categorie de materiale recent realizate, care prin proprietăţile lor au revoluţionat tehnica utilizării sculelor şi pieselor rezistente la uzură . Carburile metalice sinterizate (CMS) întrunesc proprietăţi fizico-chimice care le conferă largi utilizări în practica şi cercetarea industrială. În 1920 firma producătoare de becuri OSRAM a folosit în producţia curentă fire de wolfram , ceea ce a condus la apariţia carburilor metalice ;acestea în scurt timp au intrat în producţia mai multor companii pentru un domeniu larg de aplicaţii Primul sort de carbură de wolfram liată cu cobalt s-a realizat în 1930 şi a fost rapid aplicat la acoperirea sculelor din oţel pentru aşchiere şi minerit S-a constatat mai apoi, că prin adăugarea TiC şi TaC are loc o îmbunătăţire remarcabilă a proprietăţilor fizico-mecanice cum ar fi: rezistenţa la temperaturi înalte, duritatea, rezistenţa la oxidare . Primele semne încurajatoare au fost semnalate în industria minieră. Primele scule pentru minerit realizate din carburi metalice sinterizate au dus la creşterea duratei de viaţă a acestora de circa zece ori mai mult comparativ cu sculele realizate din oţel
Daca în 1930 s-au fabricat cca. 10 tone de carburi metalice , în 1935 se realizau 100 tone ajungând ca în 1960 producţia să fie de 10.000 tone, iar în prezent se fabrică în jur de 30.000 tone anual. Se apreciază de asemenea că peste 50 % din consumul mondial de CMS este deja destinat industriei extractive (în operaţiunile de forare a petrolului şi a gazelor naturale, de exploatare a cărbunelui, etc) Producţia de CMS consumă cca. 60% din producţia mondială de wolfram (cca. 50.000 tone anual wolfram) şi cca. 5 % din cea de cobalt din 25.000 tone /an cobalt . Având în vedere că aliajele dure sinterizate sunt materiale care trebuie să combine şi sa confere in cel mai înalt grad caracteristici complementare cum sunt duritatea şi tenacitatea, se apreciază că în următorii 50 de ani vor domina în continuare piaţa materialelor pentru scule, plăcuţe aşchietoare , inserţii pentru minerit , matriţe şi filiere pentru deformare la rece şi la cald, etc. paralel cu apariţia şi dezvoltarea unor noi materiale cu caracteristici performante, (materiale ceramice, materiale de sinteză pe bază de nitrură de bor, diamante sintetice, etc). În paralel cu noile tehnici de depunere CVD şi PVD care au dus la o îmbunătăţire spectaculoasă a duratei de viaţă a sculelor (cca. 10 ori mai mare) au apărut şi noi metode de mǎcinare, uscare prin pulverizare, care au condus şi ele la îmbunătăţirea proprietăţilor şi performanţelor aliajelor dure sinterizate.
Din cele de mai sus rezultă importanţa deosebită pe care o au structura aliajelor dure şi implicit importanţa operaţiei de sinterizare. Ca o concluzie la cele prezentate în continuare sunt reliefate câteva aplicaţii ale acestor aliaje dure:
Plăcuţe aşchietoare; Sape de foraj; Inserţii pentru minerit ; Ecrane termice; Miezuri de străpungere a blindajelor; Matriţe şi filiere pentru deformarea la rece şi la cald;
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 6 -
Ecrane pentru raze gama; Scule pentru prelucrările electrochimice; Ecrane pentru cuptoare Termocuple.
Eficienţa economică a metalurgiei pulberilor se manifestă pe mai multe planuri , antrenând pe lângă economiile directe sau indirecte de metal sau energie şi următoarele aspecte:
îmbunătăţirea performanţelor şi parametrilor funcţionali ai utilajelor pe care sunt montate piese sinterizate;
mărirea productivităţii unor procese tehnologice care folosesc produse ale metalurgiei pulberilor;
recondiţionarea produselor masive şi complexe; recuperarea unor deşeuri sub forma de pulberi metalice (oxizi de fier, deşeuri de
cupru tehnic); valorificarea superioară a metalului
Avantajele tehnice ale metalurgiei pulberilor sunt: Metalurgia pulberilor permite completarea şi dezvoltarea nomenclatorului de
produse fabricate în diversele ramuri ale industrie ; Metalurgia pulberilor oferă , în anumite cazuri, unica soluţie raţională, viabilă şi
avantajoasă la elaborarea unor materiale şi produse cu proprietăţi speciale , care nu pot fi obţinute prin procedee tehnologice clasice;
Permite obţinerea unor piese la o calitate superioară, cu un conţinut minim de metal şi productivitate ridicată;
Constituie un pas important în domeniul studiului structurii materialelor metalice; Facilitează obţinerea unei serii de metale şi aliaje cu o temperatură de topire înaltă.
Preocupările coordonatorului şi autoarei prezentei lucrări de doctorat s-au îndreptat către obţinerea unor plăcute aşchietoare cu caracteristici chimico-structurale optimizate care să facă posibilă prelucrarea prin aşchiere cu viteze mari, pe maşini automate fără utilizarea lubrifianţilor (prelucrare uscată ).
Tehnologiile şi materialele propuse, vor avea drept consecinţe imediate: ♦♦♦♦Creşterea duratei de viaţă a sculelor aşchietoare; ♦♦♦♦Creşterea vitezei de prelucrare, în condiţiile absenţei lubrifianţilor, rezultând astfel o sporire a
productivităţii; ♦♦♦♦Îmbunătăţirea sensibilă a calităţii suprafeţelor după prelucrarea cu scule tratate, eliminând, în
anumite cazuri , unele operaţii de finisare finală, având ca efect reducerea costurilor de producţie şi sporirea profitului;
♦♦♦♦ Prelucrarea unor materiale dure, imposibil de procesat cu scule obişnuite. În final doresc să mulţumesc, în primul rând, conducătorului meu ştiinţific prof.dr.ing. Giacomelli
Ioan atât pentru sprijinul permanent şi competent acordat, cât şi pentru răbdarea şi înţelegerea arătate faţă de diversele situaţii apărute pe toată durata elaborării tezei.
Menţionez ca primii ani ai activităţii de pregătire ai tezei s-au desfăşurat sub îndrumarea domnului prof. dr. ing. Alexandru Maniu căruia ii aduc pe acesta cale mulţumirile mele pentru întreaga activitate de coordonare si pentru sprijinul acordat pe parcursul desfăşurării cercetărilor. Exprim sincera recunoştinţă D-nei Prof. Dr. Ing. Ana Veteleanu pentru sprijinul necondiţionat pe care mi l-a acordat, pentru îndrumarea, înţelegerea, devotamentul şi încurajarea permanentă în finalizarea tezei de doctorat. Toata gratitudinea mea pentru ţinuta morala si profesionalismul doamnei profesor! In mod deosebit doresc sa mulţumesc şi domnului Prof. Dr. Ing. Bot Dumitru in calitate de referent ştiinţific, a contribuit prin sugestiile sale la îmbunătăţirea nivelului ştiinţific al lucrării .De asemenea, mulţumesc colectivului Catedrei UTSM din cadrul Facultăţii SIM din Braşov precum si membrilor
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 7 -
comisiilor de examene şi referate, prevăzute în planul individual de pregătire, pentru exigenţa şi recomandările lor. Întreaga mea recunoştinţă doamnei Director Ing. Mioara Chivu pentru susţinerea permanentă si necondiţionată pe care mi-a acordat-o de-a lungul anilor. Colegei mele dr. Ing. Irina Carceanu îi mulţumesc pentru ambiţia pe care a dezvoltat-o în mine de-a lungul anilor pentru depăşirea obstacolelor în finalizarea acestei teze şi pentru ajutorul acordat.
Dedic aceasta lucrare familiei mele si in special memoriei bunicului meu dr. ing. Grigore
Alexandrescu care si-a adus un aport important in educarea si formarea mea profesionala.
CAPITOLUL I - CADRUL PROBLEMEI: ARGUMETELE, IPOTEZA ŞI OBIECTIVELE POSIBILE ALE CERCETĂRII
I.2.1. - Stadiul actual al cercetărilor în domeniul aliajelor dure
Materialele dure, aşa numitele aliaje dure industriale, reprezintă materiale compozite realizate din carburi metalice (WC, W2C, TiC, TaC, NbC) aduse în stare compactǎ prin sinterizare în prezenţa unui metal din gama fierului (matrice), îndeosebi cobalt; în general aceastǎ clasa de materiale, care a jucat un rol remarcabil în revoluţia ştiinţifică a anilor 1930 cu un impact deosebit în dezvoltarea civilizaţiei industriale se detaşează printr-un complex de proprietăţi remarcabile respectiv: duritate foarte înalta, apropiata diamantului, asociata unor proprietăţi fizico-mecanice deosebit de ridicate, tenacitate, rezistenta mecanica, inclusiv la şocuri, stabilitate la temperaturi ridicate
Un progres important la dezvoltarea domeniului aliajelor dure a fost adus de Fucks şi Kopietz care pentru prima data în aşa numitele aliaje TIZIT alături de carbura de wolfram au practicat adaosuri de Ti, uneori C. Compoziţia unor astfel de aliaje este 55 % W, 30-40 % Fe, 4-6 % Ti, 2 % Ce, 4-6 % C. Autorii arata ca W poate fi înlocuit de Mo, Fe cu Co sau Ni, Ti cu Zr.
Una din principalele dificultăţi în dezvoltarea producţiei de aliaje dure pe baza de carbura de wolfram şi cobalt o constituie sursele de materii prime limitate pentru aceste metale ca şi răspândirea neuniformă a acestora pe planeta noastră. Astfel cele mai importante surse de W sunt concentrate în emisfera estica, mai precis în Extremul Orient (China, Coreea, Rusia) care deţin circa 80-85% din resursele mondiale de W. În perioada ultimilor 50 de ani, care coincide în buna măsura cu războiul rece, aceasta a avut un impact deosebit în dezvoltarea strategiilor statelor dezvoltate în domeniul aliajelor dure şi metalo-ceramice
In lucrările de specialitate se arata ca printre metalele cele mai energo-intensive în fabricaţia lor sunt W şi Co, în buna măsura datorata surselor din ce în ce mai sărace supuse exploatării miniere, mineralogiei acestora şi complexităţii tehnologiei de fabricaţie
Din figura I.1. rezulta ca W şi Co sub forma de compuşi sau metale, se realizează cu consumuri de peste 60-70 t.c.c./t metal, semnificativ mai mare decât alte metale.
Figura I.1 Consumul specific (t.c.c./t metal) pentru obţinerea unor metale
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 8 -
In tabelul I.1 se prezintă principalele caracteristici ale carburilor şi nitrurilor unor elemente din care rezulta următoarele . Tabelul I.1 - Principalele proprietăţi ale materialelor dure
Formula
Structura cristalina
Densitate
[g/cm3]
Punct de fuziune
[o C]
Microduritate Vickers la sarc.
50 g [k/mm2]
Modul de elasticitate la
20oC, [k/mm2]
Rezistenta electrica la
20ox108
[Ω] TiC Cubica 4,92 3062 30 460 52,5 ZrC Cubica 6,66 3420 28 350 50,0 HfC Cubica 12,67 3950 28 359 45,0 VC Cubica 5,48 27002) 21 430 65,0 NbC Cubica 7,82 3600 20 345 51,1 TaC Cubica 14,40 3895 17 290 42,1
Cr3C2 Ortorombica 6,74 18592) 13,5 380 75 Mo3C Hexagonala 9,17 2486 15 544 71 WC Hexagonala 17,77 2776 17 710 19,2 SiC Cubica sau
Hexagonala 3,22 28272) 33,4 481 >105
B4C Romboedrica 3,55 2350 49,5 434 106 Al2O3 Romboedrica 3,97 2051 20 41,0 3,112 TiN Cubica 5,29 29502) 28 256 17
Diamant Cubica 3,51 3727 78,5 1140 1020 Concluziile care se desprind din aceste date sunt prezentate în continuare:
• Multe carburi şi unele nitruri au temperaturi de fuziune superioare monocarburii de wolfram (2776°) îndeosebi TiC, ZrC, NbC, (3062°-3600°). Elemente din aceste carburi sunt mult mai răspândite în natura decât W, iar altele, mai deficitare sau tot atât de deficitare, precum tantalul, au temperaturi de fuziune de circa 4000° (HfC). Totodată carburile şi nitrurile menţionate au conductibilităţi electrice şi termice apropiate metalelor pe care le conţin.
• De remarcat ca toate carburile metalelor menţionate şi unele nitruri au densităţi de 2,5-3,5 ori mai mici decât monocarbura de wolfram, respectiv consumul de asemenea carburi exprimat în greutate pentru o piesa de aceleaşi dimensiuni este semnificativ mai mic, de 2,5-3,5 ori, având deci un impact pozitiv în consumul de energie şi materii prime pe unitatea de produs.
• Din punct de vedere al durităţii sau microdurităţii, majoritatea carburilor şi nitrurilor sunt superioare carburilor wolframului. După diamant, carbura şi nitrura de bor sunt cele mai performante apoi urmează carbura şi nitrura de siliciu. • Din punct de vedere al modulului de elasticitate şi a coeficientului de dilatare termica,
monocarbura de W are caracteristici net superioare, ceea ce indica faptul ca pentru foarte multe domenii de utilizare a aliajelor dure, monocarbura de wolfram nu va putea fi înlocuita în totalitate intr-o perioada previzibila. • In contextul proprietăţilor prezentate, carbura şi nitrura de Ti, precum şi carbura şi nitrura de
Ta întrunesc condiţiile unor compuşi de mare perspectiva în obţinerea de noi clase şi familii de materiale dure.
In SUA şi Japonia după 1980 au fost elaborate programe care ţintesc reducerea consumului de W din aliaje dure cu 35-50 %. Ca urmare a acestor eforturi ştiinţifice, au apărut mai multe tipuri de aliaje dure cu conţinuturi de pana la 50 % TiN sau TiC+TiN uneori oxicarbonitruri care au o durata de viata de
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 9 -
4-5 ori mai mare decât aliajele dure de tip P20 cu viteze de aşchiere semnificativ mai mari. Pentru obţinerea carburii de wolfram se utilizează de regula pulbere de wolfram cu caracteristici
chimice şi de suprafaţa controlate, deşi pentru anumite produse şi în prezent se recomanda reducerea directa cu negru de fum a amestecului de oxizi. Diferite încercări de a obţine carbura de wolfram direct din concentrate miniere nu a avut succes deoarece prezenta unor mari cantităţi de impurităţi afectează radical proprietăţile aliajelor dure.
In general astăzi se considera ca pentru a obţine produse de calitate, esenţiale sunt proprietăţile native de puritate şi superficial-granulometrice ale oxizilor sau pulberilor metalice.
Orice material utilizat în procesul de obţinere a aliajelor dure poate influenta calitatea amestecurilor de carburi şi lianţi aşa cum rezulta din tabelul I.2 în care este prezentata influenta mediului de măcinare a amestecului WC-Co, unde se observa ca procentul de Fe şi O2 poate fi menţinut în limite foarte scăzute daca se alege mediul cel mai potrivit. Tabelul I.2. - Influenta mediului de măcinare asupra gradului de impurificare cu fier sau oxigen (mori din inox + bile inox)
Mediul de măcinare a amestecului de carburi % Fe % O2 Apa 0,35 0,1
Benzen 0,12 0,045 Aer 0,07 0,033
Hidrogen 0,03 0,015 Apa şi hidrogen 0,1 0,04
O problema aparte o constituie alegerea diferiţilor agenţi plastifianţi foarte importanţi, pentru pregătirea amestecurilor. Din cele peste 8 amestecuri cunoscute, în tari1e dezvoltate se utilizează numai soluţiile de parafina în alcool, pentru ca este mai uşor eliminata şi recuperata, fără a lăsa urme de carbon în produsul supus sinterizării.
Pregătirea unor amestecuri omogene pentru presare, au necesitat apariţia unor noi utilaje de pulverizare (atomizoare) şi măcinare (mori planetare cu bile, attritoare, etc.). Attritorul asigura o buna omogenizare a componentelor cat şi o măcinare umeda avansata a componentelor în corpul centrifugal cu bile. Attritorul realizează nu numai o buna dispersare a Co ca liant în masa diferitelor compoziţii de carburi, dar îl şi pulverizează şi totodată leagă mecanic activ particulele de Co de granulele de carburi, condiţie esenţiala în procesul de sinterizare.
Prin utilizarea acestui procedeu modern de omogenizare-măcinare, pe lângă o buna distribuţia a componenţilor intre ei se obţine şi o reducere substanţiala a timpului de măcinare fata de metodele convenţionale cunoscute, de la 72-96 h la 6-12 h. Avantajele utilizării attritorului fata de procedeele tradiţionale sunt evidente:
• poate lucra în flux continuu cu atomizorul; • se realizează productivităţi mari şi un ciclu scurt de elaborare a amestecului; • reducerea substanţiala a consumului de energie de circa 5-6 ori, ca şi a cheltuielilor de întreţinere
şi exploatare fata de procedeele tradiţionale; • pericol redus de impurificare; • calitate superioara a amestecurilor de presare.
In ansamblul ei, fabricaţia aliajelor dure utilizează un arsenal complex de utilaje tot mai performante: prese de diferite tipuri cu încărcarea automata a matriţei de formare, cuptoare de reducere, carburare, sinterizare, de diferite construcţii, continue, cu rezistenta de Mo sau de grafit, în atmosfera de hidrogen sau cu vid. Funcţie de proprietăţile dorite, sinterizarea, foarte adesea, se realizează prin presare la cald care permite piese cu configuraţi complicate cu o structura granulometrica semnificativ mai fina fata de condiţiile de sinterizare normala. La începutul anilor 1970, prin realizarea primelor prese izostatice la cald industriale, la început, în
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 10 -
Suedia la firma ASEA apoi şi în alte tari, s-a trecut la utilizarea acestora la fabricarea anumitor tipuri de aliaje dure.[4] Procesul se realizează sub presiune de gaz inert (argon) pana la 2000 bari cu posibilităţi de temperatura de 1800°-2200°C. Presarea izostatică la cald în condiţii de presiuni şi temperaturi controlate este sursa unor îmbunătăţiri remarcabile a proprietarilor fizico-mecanice a aliajelor dure tradiţionale, dar mai ales a noilor tipuri de materiale. Astfel , se obţin produse practic fără pori, în care rezistenta la rupere şi la încovoiere creste cu 30-50% fata de procedeele tradiţionale. Aceste proprietăţi remarcabile, ca şi duritatea mult îmbunătăţită, se explica prin structura cristalina fina şi eliminarea aproape totala a porilor. Aceasta are drept consecinţa directa creşterea duratei de exploatare care poate fi de 2,5-3 ori mai mare Figura I.2. - Variaţia rezistentei la încovoiere şi a durităţii, prin presare izostatică la cald şi sinterizare convenţionala, a unui aliaj WC-Co.
Adaosul, în afara compoziţiilor cunoscute, a diferite conţinuturi de TaC+NbC, uneori pana la 2-20 %, contribuie la îmbunătăţirea caracteristicilor fizico-mecanice, a rezistentei la uzura asociata cu o tenacitate ridicata, la creşterea refractarităţii ceea ce permite creşterea sensibila a vitezei de aşchiere.
Influenta carburii de Ta este cunoscuta de multa vreme, la un moment dat realizându-se chiar un aliaj dur "RAMET" TaC -10% Ni. Din motive economice întemeiate, Ta este foarte scump şi deficitar (producţia mondiala se situează la circa 1500-1800 t/an), în fabricaţia aliajelor dure, mai ales a celor complexe, se adaugă cantităţi de 2-15 % TaC+NbC, cel mai adesea la limita inferioara.
In ultimul timp se adaugă frecvent şi alte carburi VC, Cr3C2, ZrC, uneori HfC, care înlocuiesc benefic TaC, aceste adaosuri în limite de câteva procente asigurând o structura mai fina a carburilor complexe cu proprietăţi de duritate şi fizico-mecanice mult îmbunătăţite.
In perioada 1970-1980 un progres remarcabil s-a realizat prin acoperirea plăcutelor de aliaj dur cu straturi subţiri de 3–6 µm, alternativ straturi de TiC urmat de un alt strat de TiN iar în unele cazuri şi un al treilea strat din A12O3.
Se cunosc trei metode de acoperire a aliajelor dure şi în general al materialelor instrumentale: 1) Metode termochimice, prin care stratul de acoperire se formează în urma unor procese de
difuzie, intre materialul de acoperire şi fazele ce alcătuiesc materialul de acoperit. 2) Metode bazate pe realizarea de straturi de acoperire prin depunere din faza gazoasa, cunoscuta
sub numele de CDV. 3) Metode fizice de acoperire. Intre acestea pot fi menţionate, condensarea compusului de
acoperire din plasma, depunerea în flux de electroni, depunerea în vid, etc. Alegerea tipului de acoperire şi a procedeelor tehnologice de realizare trebuie sa ia în considerare
materialul de prelucrat şi domeniul lui de utilizare. Orice tip de acoperire trebuie sa fie inerta fata de materialul prelucrat; din aceste motive trebuie luat în calcul tipul de legătura chimica a materialelor de acoperire. Se considera ca legaturile de valenţa metalice sunt favorabile realizării unor depuneri aderente, cu legaturi puternice intre materialul suport şi stratul de acoperire. Din aceste motive carburile elementelor tranziţionale formează straturi puternic şi activ aderente şi sunt de preferat niturilor.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 11 -
CAPITOLUL II - METODE DE OBŢIERE ŞI CARACTERIZARE A ALIAJELOR DURE DI SISTEMUL WC-(TaC,TiC)-Co
II.1. Evaluarea termodinamica a proceselor de formare a carburilor din oxizi si metale
• majoritatea metalelor tranziţionale in sistemul Me-O formează mai mulţi oxizi stabili, îndeosebi Ti, V, W, Mo, Cr, Nb aşa cum rezulta si din diagramele binare Ti-O, Cr-O, Nb-O, prezentate in figura II.1 (a), (b), (c), (d) ;
Figura II.1. - Diagrame binare in sistemul Me-O:
(a) – Ti-O; (b) – V-O; (c) – Cr-O; (d) – Nb-O. • Reacţiile posibile intre diferiţi oxizi ai metalelor tranziţionale cu C precum si dintre unele
metale si C, sunt prezentate sistematic in tabelul II.1 . Tabelul II.1. - Reacţii posibile intre metale si oxizii lor cu carbonul
r. Crt.
Element Reacţia Faza formata
1. WO3 + C = WO2 + COg W O2 2. WO3 + CO = W O2 + C02g W O2 3. W O2+2C=W +2COg W 4. WO3 +4C = WC + 3COg WC 5. 2 WO3 + 7C = W2C + 6COg W2C 6. 2WOz + 5C = W2C + 4COg W2C 7.
W
WO2 + 3C = WC + 3COg WC
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 12 -
8. W+C=WC WC 9. 2W +C=W C W 10. Mo O3 + C = Mo02 + COg Mo O2 11. Mo O3 + COg = MoO2 + C02g Mo O2 12. Mo O2 + 2C = Mo + 2COg Mo 13. Mo O2 + 2CO = Mo + C02g Mo 14. 2Mo O3 + 7C = Mo2C + 6COg Mo2C 15. Mo O2+ 5C = Mo2C + 4COMo2C Mo2C 16.
Mo
2Mo +C =Mo2C MoC 17. V2O5 + 2C = V203 + 2COg V203 18. V2O5 + 2CO = VZ03 + 2COg V203 19. V2O5 + 3C = 2VO + 3COg VO 20. V2O5 + 3CO = 2VO + 3C02g VO 21. VO + 2C = VC + COg VC 22.
V
V2O5+ 7C = 2VC + 5CO VC
Analiza datelor obţinute arata următoarele: • procesele de reducere-carburare urmează diagramele binare Me-O; • oxizii superiori ai metalelor in special ai W, Mo, V, Cr, se reduc la temperaturi de
500-1000 °C iar la temperaturi de 1000 – 1500 °C se reduc oxizii superiori ai Ti si Nb, la oxizi inferiori;
• wolframul si molibdenul sub forma de metale pot fi obţinuţi din oxizi prin reducere cu carbon la temperaturi de 700-1000 °C, iar cromul peste 1000 °C;
• reacţiile de reducere a oxizilor cu monoxid de carbon, fara participarea carbonului solid, sunt posibile numai in domeniul temperaturilor joase 400-600 °C, ceea ce este in concordanta cu echilibrul Bell-Boudoire. Este evident ca reacţiile cu participarea fazei gazoase in prezenta carbonului sunt dominante;
• reacţiile de formare a carburilor au loc la temperaturi mai ridicate, respectiv carburile de W încep sa se desfăşoare chiar sub 1000 °C îndeosebi reacţiile de formare a carburilor din oxizi superiori si inferiori;
• reacţiile de formare a carburilor de Ti, Nb, Ta au loc la temperaturi mai ridicate.
23. 2TiO2 + C = Ti203 + COg Ti203 24. 2TiO2 + COg = Ti203 + COzg Ti203 25. Ti O2 + C = Ti + COg TiO 26. TiO2 + COg = TiO + C02g TiO 27. Ti203 + C = 2TiO + COg TiO 28. TiO+2C=TiC+CO TiC 29.
Ti
Ti2O3+3C=2TiC+3CO TiC 30. Nb2O5 + 3C = 2NbO + 3COg NbO 3I. Nb2O5 + 3CO = 2NbO + 3CO2g NbO 32. Nb2O5 + 7C = 2NbC + 5COg NbC 33.
Nb
NbO + 2C = NbC + CO NbC 34. Ta Ta2O5 + 7C = TaC + 5CO TaC 35. Zr ZrO + 3C = ZrC + 2CO ZrC 36. Cr203 + C = 2Cr + 3COg Cr 37. Cr203 + 3CO = 2Cr + 3COzg Cr 38. 3Cr203 + 13C = 2Cr3C2 + 13CG Cr3C2 39.
Cr
3Cr + 2C = Cr3C2 Cr3C2
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 13 -
II.2 Sinteza carburii de wolfram II.2.1 Sinteza pulberilor de wolfram
Deoarece carbura de wolfram este constituentul de baza al majorităţii aliajelor dure sinterizate si se obţine din pulbere de wolfram si negru de fum, caracteristicile fizico-chimice ale pulberii de wolfram influenţează direct caracteristicile carburii. Din acest considerent o atenţie deosebita a fost acordata proceselor de obţinere a pulberii de wolfram.
În literatura de specialitate[6] s-a studiat influenta condiţiilor tehnologice de obţinere a pulberii de W si anume: cantitatea de material din nacela, temperaturile pe zone ale cuptorului si etape de reducere, diferenţa de temperatura intre zone (rata de creştere a temperaturii de la 0 zona la alta a cuptorului), viteza de deplasare a nacelelor cu material in cuptor (timp de reducere), debitul si umiditatea hidrogenului. De asemenea studiul s-a extins si asupra influentei caracteristicilor fizico-chimice ale materiei prime utilizate, asupra proprietarilor fizico-chimice si superficial-granulometrice ale oxizilor intermediari si pulberii de wolfram.
Pulberea de wolfram s-a obţinut prin reducerea a trei materii prime diferite: parawolframat de amoniu, acid wolfrarnic, trioxid de wolfram, in doua etape
Prin variaţia parametrilor tehnologici, in timpul reducerii, se pot obţine trei tipuri de pulbere de wolfram :
• pulbere de wolfram cu granulaţie fina, cu dimensiunea particulelor ≤ 1µm;
• pulbere de wolfram cu granulaţie medie, cu dimensiunea particulelor de 4 µm;
• pulbere de wolfram cu granulaţie mare, cu dimensiunea particulelor > 4 µm .
Pulberea de wolfram cu granulaţie fina si medie se poate realiza in cuptoarele electrice cu patru tuburi si in cuptorul rotativ, la temperaturi de pana la 900 °C. Pulberea de wolfram de granulaţie mare se poate obţine prin reducerea intr-o singura etapa in cuptoarele electrice cu tub ceramic, la temperaturi mai mari de l000 °C.
II.2.2 Caracterizarea pulberilor de wolfram
Proprietăţile pulberii de wolfram Wolframul metalic este un metal greu (densitate p = 19,4 kg/dm3); are temperatura de topire 3395
°C, cristalizează in sistemul c.v.c. Este de menţionat faptul ca in realitate wolframul are doua tipuri de reţea si anume: βW-c.v.c. cu parametrul a=5,04 A stabilă sub temperatura de 300–350 °C si a W-c.v.c. cu parametrul a=3,16 A stabila la temperatura mai ridicata decât 600–650 °C. Wolframul este paramagnetic. [7]Wolframul reacţionează cu carbonul formând carburi greu fuzibile cum sunt: WC, cu temperatura de topire 2600 °C si W2C, care se topeşte la 2750 °C.
Wolframul reacţionează cu sulful la temperaturi mai mari de 450 °C. Nu reacţionează cu acizii organici la temperatura ordinara, insa reactionează cu H2S04 la 20 °C si se dizolva in amestec de HN03 + HF. Se dizolva la încălzire in soluţii bazice. Reacţionează la 600 °C cu Na, K, Ca si Mg.
Sistemul W -O. Oxizii wolframului şi caracteristicile lor
Wolframul formează cu oxigenul mai mulţi oxizi dintre care amintim: W03 - trioxidul de wolfram (α- oxid, galben); WO2 - dioxidul de wolfram (δ- oxid, cenuşiu) .
In figura II.9 se prezintă diagrama de echilibru a sistemului W - O.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 14 -
Trioxidul de wolfram
Cercetări actuale au definit existenta a trei modificaţii alotropice ale WO3, stabile in intervale de temperatura, determinate:
αWO3 - stabil sub temperatura de 700 °C, cu structura monoclinica; βWO3 - stabil in intervalul 720°-1100 °C, cu structură tetragonala sau posibil
romboedrica; WO3 de temperatura înaltă, stabil la temperaturi mai mari de 1100 °C având in
majoritate structura cubica. Trioxidul de wolfram nu se dizolva in acizi si se dizolva lent in amoniac si baze. El reactioneaza
cu halogenii sau compuşii lor. Trioxidul de wolfram se reduce cu hidrogen la oxizii inferiori pana la wolfram.
In figura II.15 (a) si (b) sunt prezentate microstructurile a doua sortimente de pulberi de WO2 de granulaţie fina, iar in figura II.15 (c) si (d) doua sortimente de pulberi de granulaţie medie. figura II.15 (a) este prezentata pulberea de W02 obţinuţi după prima etapa de reducere la temperaturi de 560, 580, 600°C si
(c) (d) Figura nr. II.15 - Microstructura SEM a patru sortimente de W02 [5]
Figura II.9. – Diagrama de echilibru a sistemului W-O
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 15 -
cantitatea de material in nacela de 0,6 kg. Se observa particule aciculare submicronice. Figura II.15 (b) prezintă W02 obţinut la temperaturi de 580, 600, 620°C şi o cantitate de material in nacela de 0,8 kg. Se observa aglomerări de particule submicronice cu forme neregulate. Figura II.15 (c) prezintă W02 de granulaţie medie obţinut la temperaturi de 640, 660, 680°C si o cantitate de materiale in nacela de 1,2 kg. Se remarca particule micronice cu forme neregulate . In figura II.15(d) este prezentat WO 2 obţinut la temperaturi de 660, 680, 700 °C si o cantitate de material in nacela de 1,5 Kg. Se observa aglomerări de particule micronice cu forme neregulate II.3. - Caracterizarea carburii de titan
Carbura de titan este o faza cu un domeniu larg de omogenitate a carbonului, conţinutul maxim fiind de 20 %. Obţinerea carburii de titan cu un conţinut de carbon stoichiometric întâmpina o serie de greutăţi. In general in TiC obţinuta industrial conţinutul de carbon legat este de 18-19,5 % si variază in funcţie de metoda de obţinere folosita.
In cazul obţinerii TiC prin carburarea pulberii de TiO2 cu negru de fum, ca oxid intermediar, se obţine TiO care este izomorf cu TiC. Carbura de titan obţinuta in final cu conţinut de carbon legat insuficient poate fi privita ca o soluţie solida de TiO cu TiC (TiC-TiO) adică o parte din atomii de carbon au fost înlocuiţi în reţeaua cristalina de către oxigen.
In cazul obţinerii TiC din TiO2 + C in condiţii industriale, TiC obţinuta in final conţine si o cantitate de N si poate fi privita ca o soluţie solida de tipul TiC-TiO-TiN, sau TiC in care o parte din atomii de C au fost înlocuiţi de oxigen (O) si azot (N).
in practica tehnologica se prefera obţinerea carburii de titan (TiC) prin reducerea carbo-termica a amestecului de bioxid de titan si carbon după reacţia globala:
TiO2+ 3C = TiC + 2CO Titanul formează mai mulţi oxizi inferiori dintre care cei mai importanţi sunt Ti2O3 şi TiO. De
aceea, aşa cum rezultă şi din studiul termodinamic, reacţiile de reducere-carburare în sistemul TiO2-C au loc în trepte. 2TiO2 + C → Ti2O3 + CO Ti2O3 + C 2TiO + CO TiO + 2C → TiC + CO
Carbura de titan se mai poate obţine prin carburarea TiO2 + C în atmosferă de H2 sau CO, de asemenea în vid.
În figura II.20 este prezentată diagrama de echilibru Ti-C
Figura II.20 - Diagrama de echilibru a sistemului Ti-C
.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 16 -
Se pot face următoarele consideraţii:
diagrama conţine domenii înguste de solubilitate ale carbonului în αTi şi βTi; carbura de titan (TiC) are un domeniu larg de omogenitate ; graniţa inferioară de solubilitate a carbonului în TiC la temperatura eutectică Ti – TiC
(1645°C) Principalele caracteristici ale carburii de titan sunt prezentate in tabelul II.7
Tabelul II.7 - Proprietăţi ale carburii TiC
Proprietate U.M. TiC Raport de raze C/Ti 0.52 Conţinutul de C % 20.05 Domeniul de omogenitate la temperatura 1750°C
% 11-20
Tipul si parametrii reţelei cristaline
Å Cubic a=4.3178Å
Densitate g/cm3 4.92 Entalpia de formare din elemente ∆H0298
Kcal/mol -55.3
Entropia standard S0298 Kcal/mol 5.8 Entropia de formare din elemente ∆S0298 Kcal/mol -2.92 Căldura specifica 298..2073°C Kcal/molxoC 11.83+0.8·10-3T-3.58
510⋅ T-2 Temperatura de topire °C 3257 Temperatura de evaporare °C 4300 Rezistenta de rupere la tracţiune daN/mm2 6.5 Rezistenta la încovoiere daN /mm2 1.5 Rezistenta la compresiune daN /mm2 138 Modulul de elasticitate daN /mm2 46000 Duritatea pe scara mineralogica - 8-9 Duritatea Rockwel HRA daN /mm2 92.5-93.5 Microduritate Hµ daN /mm2 3170± 170
a) b) Figura II.21 - Microstructura SEM a pulberilor de TiC[5]
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 17 -
In figura II.21 (a) si (b) este prezentata microstructura pulberii de TiC, observându-se forma neregulata a particulelor. II.3.1 Sinteza carburii de tantal II.3.2. Carburarea amestecului de pentaoxid de tantal si negru de fum Figura II.22 - Diagrama de echilibru a sistemuluiTa-C[5]
CAPITOLUL III - COMPOZIŢII IDUSTRIALE DE ALIAJE DURE SITERIZATE PE
BAZĂ DE CARBURI METALICE
Aliajele dure sunt compuse din carburi ale metalelor greu fuzibile şi un liant de tip metal sau aliaj, faza greu fuzibilă depăşind 50 % vol. Aliajele dure pot fi clasificate în funcţie de prezenţa sau absenţa wolframului în compoziţia lor, în următoarele grupe :
• aliaje dure care conţin wolfram sub formă de monocarbură sau în soluţii solide ale acesteia cu alte carburi ;
• aliaje dure fără wolfram III.1 - Aliaje dure sinterizate cu bază carbura de wolfram
Aliajele dure sinterizate cu baza carbura de wolfram pot fi clasificate la rândul lor în : • aliaje dure sinterizate bazate pe monocarbură, WC-Co ; • aliaje dure sinterizate formate din multicarburi, WC-TiC-Co, WC-TiC-(Ta,Nb)C-Co;
III.1.1 - Aliaje dure sinterizate bazate pe monocarbură, WC-Co Realizate in deceniul al treilea al secolului XX de către Schröter, în Germania şi comercializate sub
denumirea de WIDIA au cunoscut şi cunosc în continuare o largă utilizare atât în execuţia sculelor aşchietoare destinate prelucrării fontelor, a unor materiale cu aşchie scurtă şi a aliajelor neferoase, cât şi pentru realizarea unor piese de uzură .
Sunt mult mai rezistente comparativ cu aliajele celorlalte grupe şi conţin cobalt în proporţii foarte diferite, variind în limitele 3–25 % masă . intervalul atât de larg în care se află proporţia de liant face posibilă împărţirea acestor aliaje în trei clase :
• clasa aliajelor cu proporţie redusă de cobalt (3–8 % ); • clasa aliajelor cu proporţie medie de cobalt (10–15 % ); • clasa aliajelor cu proporţie ridicată de cobalt (20–25 % );
III.2 Aliaje dure sinterizate bazate pe multicarburi III.2.1. Aliaje WC-TiC-Co Introducerea în compoziţia aliajului dur WC-Co a carburii de titan TiC asigură o creştere considerabilă a rezistenţei la oxidare, concomitent cu mărirea durităţii şi a refractarităţii, datorită formării soluţiei solide WC-TiC . Aliajele dure din această grupă sunt utilizate pentru prelucrarea prin aşchiere, în general a materialelor care dau şpan continuu şi mai ales a oţelurilor. Conductibilitatea termică mai scăzută a acestor aliaje comparativ cu cea a aliajelor WC-Co şi susceptibilitatea redusă la sudare a şpanului, produs
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 18 -
în timpul prelucrării, de partea activă a sculei, reprezintă, de asemenea, avantaje ale acestei categorii de materiale . III.2.2. Aliaje WC-TiC-TaC(bC)-Co
Superioritatea aliajelor dure din această grupă, faţă de celelalte prezentate, se manifestă numai în condiţiile în care carburile de titan şi tantal se regăsesc în masa de bază sub formă de soluţie solidă saturată sau suprasaturată alături de monocarbura de wolfram.
Valorile de duritate Vickers, măsurate la cald, sunt cu 5 - 100 unităţi mai mari decât ale aliajelor WC-TiC-Co, lucru confirmat de către cercetătorii Amman şi Hinnüber.
Creşterea proporţiei de TaC(NbC) reduce considerabil rezistenţa la încovoiere a aliajului dur sinterizat, în special la proporţii de peste 18 – 20 % TaC(NbC), concomitent cu o scădere moderată a durităţii. Rezistenţa la încovoiere poate fi majorată suplimentar în condiţiile în care creşte cu cca. 5 % conţinutul de cobalt, însă efectul asupra durităţii este de diminuare considerabilă . III.2.3. Aliaje WC- TaC(bC)-Co
Aliajele din această grupă au destinaţii care diferă funcţie de proporţia carburii de tantal. La valori relativ scăzute ale acesteia (1–3 %) sunt destinate executării sculelor pentru prelucrarea fontelor cu crustă dură. La o proporţie între 3 – 10 % carbură de tantal, sculele se utilizează la prelucrarea fontelor şi oţelurilor moi.Pentru proporţii mai mari de TaC în stare pură sau TaC(NbC), datorită scăderii considerabile a durităţii, nu se mai realizează scule aşchietoare . III.3 Aliaje dure sinterizate cu baza carbura de wolfram, liate cu alte metale în afară de cobalt
In afara aliajelor dure sinterizate din carburi metalice cu liant cobalt, mai sunt utilizate în industrie, pe scară mai restrânsă, aliaje speciale cu alţi lianţi metalici. Astfel cobaltul a fost înlocuit cu fier, nichel sau aliaje ale acestora. Un mare număr de variante de lianţi metalici sunt folosiţi ca înlocuitori ai cobaltului în aliaje dure experimentale destinate cercetărilor de dezvoltare întreprinse de diverşi producători.Astfel mai sunt utilizate aliaje Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Mo, Co-W, Co-Cu, Co-Mo, Co-Cr, Co-Mo-Cu,Fe-Ni-Cr etc.Carbura de wolfram liată cu fier sau nichel prezintă nu mai mult de 60 % din rezistenţa la rupere a aceleiaşi carburi liate numai cu cobalt. Această inferioritate a fierului sau nichelului se poate explica prin înalta lor solubilitate în fază solidă pentru carbura de wolfram şi chiar tendinţa lor de a forma carburi duble fragile de tip NixWyC sau FexWyC . III.4 Aliaje dure fără wolfram, pe bază de carburi metalice
Înlocuirea totală a carburii de wolfram din aliajele dure poate fi realizată pe următoarele căi : - utilizarea carburilor simple de titan, zirconiu, vanadiu, tantal sau a soluţiilor solide binare sau
ternare ale acestora; - utilizarea de nitruri, boruri, siliciuri oxizi sau carburi ale nemetalelor ( carbura de bor sau siliciu );
Astfel s-au obţinut aliaje dure de tip Titanit S (TiC-MoC-Ni), RAMET (cu baza TaC), TiC-VC cu carbură de titan în exces; Performanţele impuse de aceste noi clase de aliaje trebuiesc analizate prin prisma cerinţelor impuse aliajelor dure destinate prelucrărilor prin aşchiere:
- duritate minimă 89 HRA şi rezistenţă la încovoiere 100-110 daN/mm2, pentru operaţiile de degroşare;
- duritate minimă 91-93 HRA şi rezistenţă la încovoiere 65-75 daN/mm2, pentru operaţiile de finisare .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 19 -
CAPITOLUL IV - ASPECTE PRIVID OBŢIEREA ALIAJELOR DURE SITERIZATE DI SISTEMUL WC-Co
IV.1. Procedee de obţinere a comprimatelor prin presare la rece. Particularităţile compactării Amestecul de pulberi de carburi metalice şi liant de sinterizare - cobalt, omogenizat şi cu adaos de
lubrifiant de presare, eventual granulat, este trecut la operaţia de presare în matriţe de oţel sau aliaj dur, realizându-se comprimate prin formare directă sau indirectă. Deosebirea constă în faptul că, în timp ce primele se obţin direct la geometria finală dorită, cele din urmă, după operaţia de presinterizare, necesită o prelucrare mecanică . Ambele tipuri de comprimate trebuie să aibă densităţi uniforme şi muchii suficient de robuste pentru a putea fi manipulate, transportate şi încărcate în cuptorul de tratament termic, fără deteriorări. IV.2 Presinterizarea comprimatelor IV.2.1 - Delubrifierea comprimatelor
În procesul de obţinere a aliajelor dure, pentru a facilita operaţia de presare, se utilizează frecvent, aşa cum am menţionat anterior, parafina .
Odată ce procesul de presare s-a efectuat, lubrifiantul trebuie eliminat, deoarece, prezenţa lui ar cauza unele neajunsuri la operaţia de sinterizare, cum ar fi:
• carburarea sau oxidarea pieselor ; • degradarea suprafeţei pieselor, dând un aspect de ciupitură, cauzat de presiunea exagerată a
gazelor rezultate din cracarea lubrifiantului sau din volatilizarea rapidă a acestuia . Eliminarea lubrifiantului se realizează deci, ca operaţie tehnologică aparte, fie în cuptoare având
exclusiv această destinaţie, fie în cuptoare prevăzute cu o zonă de preîncălzire în acest scop. În acest din urmă caz, piesele nu se mai răcesc, ci trec direct în zona de sinterizare a cuptorului. În general, lubrifianţii se topesc la temperaturi sub 200 oC şi fierb la temperaturi mai mici de 350 oC. Ca urmare, încălzirea pieselor trebuie să se facă lent, cu cel mult 30 oC/min, până la 500-600 oC, la care se menţin 30-45 minute, încât să nu se cauzeze schimbări chimice sau fizice în piesele deparafinate. IV.2.2 - Presinterizarea propriu–zisă
Atunci când sunt necesare operaţii de prelucrări mecanice, înaintea operaţiei finale de sinterizare, fără a provoca fisuri sau spargeri datorate fragilităţii comprimatului, acestea sunt supuse unei operaţii de creştere a rezistenţei mecanice - presinterizare - la temperaturi cuprinse între 800 - 1000 oC, funcţie de compoziţia pseudo-aliajului.[24] Consolidarea se datorează mai multor fenomene care se iniţiază în aceste etape, fenomene care se vor desfăşura plenar în cursul operaţiei următoare de sinterizare, cum ar fi:
• consolidarea datorată lipirilor locale, care au loc între particulele de cobalt, sinterizarea acestuia începând de la circa 200 oC;
• difuzia, într-o mică măsură, a wolframului şi carbonului în cobalt, care are ca efect o rearanjare a particulelor ;
• începutul sinterizării particulelor de wolfram, cu alcătuirea unui schelet rigid (solubilizarea WC în Co fiind de 2 % la temperatura de 800 oC) .
Reacţiile care se produc în domeniul temperaturilor de presinterizare, implică necesitatea controlului riguros al atmosferei cuptorului.
La presinterizarea în hidrogen, oxizii sunt reduşi integral, acest lucru fiind posibil la temperaturi mai mari de 700 oC. Cel mai important lucru este legat de alegerea temperaturii de presinterizare
Indiferent ce metodă de deparafinare sau de presinterizare se aplică, de obicei piesele sunt scoase în afara atmosferei protectoare, în aer, pentru prelucrări după presinterizare sau pentru continuarea ciclului într-un alt cuptor de sinterizare. Chiar dacă piesele sunt răcite până la temperatura ambiantă în cuptor,
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 20 -
înainte de scoaterea lor în atmosfera are loc o reacţie de reoxidare în contact cu aerul. Intensitatea acestei reacţii de oxidare depinde de câţiva factori, printre care: temperatura de presinterizare şi durata de menţinere la temperatura de presinterizare;
Absorbţia de oxigen este uşor redusă la creşterea temperaturii de presinterizare, mai ales pentru cele cu granulaţie fină, din cauza descreşterii suprafeţei active . temperatura pieselor în momentul scoaterii lor din cuptor.
Cu cât piesele sunt scoase în aer la o temperatură mai mare, cu atât acestea vor fi mai susceptibile la oxidare. IV.3. - Sinterizarea comprimatelor
Sinterizarea este operaţia principală a procesului tehnologic, care constă în încălzirea comprimatului la o temperatură sub temperatura de topire a componentului de bază, în scopul dezvoltării legăturilor dintre particulele de pulbere în contact şi asigurării complexului de proprietăţi impus. IV.3.1 Tipul de sinterizare specific aliajelor dure cu baza WC
Sinterizarea sistemelor formate din carburi metalice în prezenţa unui metal liant, cobaltul, este un caz tipic de sinterizare în prezenţa fazei lichide, fază care se menţine pe tot parcursul duratei procesului. Faza lichidă, care apare prin topirea unor constituenţi uşor fuzibili, de exemplu prin topirea eutecticelor, formate datorită interacţiunii dintre componenţii sistemului, facilitează, prin dezvoltarea forţelor de legătură, densificarea, asigurând o rată ridicată a contracţiei, toate aceste fenomene având loc cu condiţia ca umectarea suprafeţei fazei solide de către cea lichidă să fie corespunzătoare [24] IV.3.2 Procese care au loc la sinterizarea materialelor dure cu baza carbura de wolfram
Fundamentarea teoretică a proceselor de sinterizare în prezenţa fazei lichide, porneşte de la premiza că aceasta umectează bine suprafaţa particulelor solide şi, într-o proporţie limitată, produce dizolvarea acesteia.[8],[9],[10]
Analiza proceselor de sinterizare în prezenţa fazei lichide, a condus la ideea existenţei a trei stadii ale densificării, fiecărui stadiu corespunzându-i un anumit mecanism . Stadiul I : Densificarea prin regruparea mecanică a particulelor, determinată de curgerea
vâscoasă a topiturii şi de prezenţa forţelor capilare
Stadiul II : Densificarea prin regruparea chimică a particulelor determinată de desfăşurarea
proceselor de dizolvare preponderentă a particulelor mici de fază greu fuzibilă şi respectiv de
reprecipitare pe suprafaţa particulelor mari . Acest stadiu presupune o densificare mult mai lentă faţă de cel anterior, facilitând preponderent modificarea formei particulelor .
Stadiul III: Densificarea determinată de alcătuirea scheletului rigid prin coalescenţa particulelor
de fază solidă
Procesul, are loc cu o cinetică foarte lentă, comparabilă cu sinterizarea în fază solidă, datorită existenţei scheletului rigid, rigiditate care opreşte ulterioara rearanjare, deşi creşterea structurii continuă prin difuzie.
CAPITOLUL V - AALIZA TEHOLOGIILOR AVASATE DI DOMEIUL IGIERIEI SUPRAFETELOR.PROCEDEE DE DEPUERE A STRATURILOR SUPERFICIALE
EXTRADURE PE SUBSTRAT DE CMS (carbura metalica sinterizată) Actualizarea informaţiilor privind procedeele de depunere.
În ultimii ani s-a produs o creştere spectaculoasă în aplicarea industrială a straturilor subţiri şi în diversificarea metodelor şi tehnologiilor de depunere.
Alături de tehnologiile tradiţionale de obţinere a acoperirilor, asistăm la dezvoltarea, perfecţionarea şi extinderea unor tehnici moderne de depunere a acestora, prin metode fizice şi fizico-chimice, care asigură puritate şi aderenţă ridicată, precum şi compoziţie şi structură imposibil de obţinut prin alte metode.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 21 -
În prezent, există o varietate foarte mare de metode de obţinere a acoperirilor. Clasificarea metodelor de depunere a straturilor subţiri în vid, întâlnită cel mai des în publicaţiile
de specialitate , cuprinde două grupe şi anume: ♦ metode fizice de depunere din vapori (PVD - Physical Vapor Deposition);
♦ metode chimice de depunere din vapori (CVD - Chemical Vapor Deposition În funcţie de tipul proceselor fizice şi chimice dominante din timpul depunerii, metodele de
depunere a straturilor subţiri în vid include • procedee fizice:
evaporare în vid; depunere ionică (ion-plating); depunere în jet de plasmă (plasma spraying); depunere prin pulverizare (sputtering);
• procedee chimice depunere chimică din fază de vapori (CVD); depunere prin împachetare;
• procedee fizico-chimice electroliză în băi de săruri; pulverizare reactivă (reactive sputtering); depunere ionică reactivă.
Depunerile straturilor subţiri prin metode fizice, cunoscute sub denumirea consacrată PVD, se realizează în vid mediu (10–2-10–4 mbar), în vid înaintat (10–5-10–7 mbar), precum şi în vid avansat (10–7-10–10 mbar) şi, de aceea, dezvoltarea lor este legată şi de dezvoltarea componentelor şi echipamentelor pentru realizarea vidului.
Depunerile de straturi subţiri prin metode chimice în vid CVD se realizează la presiune scăzută, între 0,01–100 mbar (uzual 1 mbar) şi deşi asigură uniformitatea bună a peliculelor depuse, utilizarea lor se limitează la obţinerea unor pelicule cu grosimea maximă de 1mm, din cauza vitezelor reduse de depunere.
Structura depunerilor este influenţată pe de o parte de natura suportului, iar pe de altă parte de parametrii depunerii (temperatură, suprasaturare în produşi de reacţie, presiune, etc.) Tabelul V. 1 - Principalele depuneri CVD şi aplicaţiile lor
UTILIZARE ATURA DEPUERII
Uzură prin frecare carburi (TiC, WC, B4C, etc.) nitruri (TiN, Si3N4, etc.) oxizi ( Al2O3, SiO2, Ta2O5)
Coroziune şi oxidare metale (Cr, Si, Ta, Al, Mo, Ni) siliciuri (MoSi2, Wsi2, etc.) diverse aliaje (Fe-Cr, Fe, Ta, etc. )
Consolidarea structurilor, materiale compozite
pulberi ultrafine (TiO2, metale sau aliaje de Cr, Ti, Al, Mo, Ni).
Pelicule subţiri în microelectronică
materiale semiconductoare ( Si, Ge, Ga, As, GaP, InAs, ZnS, ZnSe, CdS )
metale şi materiale metalice conductoare (W, Mo, Al, Au, Cu, Co )
oxizi alţi compuşi
O posibilă clasificare a tehnicilor PVD este prezentată schematic în tabelul nr. V.2 .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 22 -
Tabelul nr. V.2 - Analiza sintetică comparativă între diferite tehnici PVD.
Metoda Particule Energia
cinetică medie Remarci
Presiune (mbar)
Avantaje, dezavantaje
Evaporare termică Atomi, clusteri
Termică 0,2 eV
<10-5 Evaporantul este de obicei lichid, sursa se afla sub substrat
Placarea ionică (cu polarizare,
reactiva)
Atomi; pana la
30% ioni
Termică; potential reglabil
Bombardament ionic suplimentar cu ionii gazului inert
10-2 -10-1 Evaporantul este de obicei lichid; depunerea aliajelor este dificilă
Evaporare reactivă -ARE,
BARE asistată de ioni
Atomi, ioni ai gazului
Termică, cu potenţial de polarizare reglabil
Bombardament ionic
suplimentar <10-3
Depunerea de aliaje este dificilă
Evaporare termică de tip flash
Atomi (clusteri
)
Termică 0,2 eV
Aliere uşoară
Arc (reactiv, cu polarizare)
Laser (reactiv, cu polarizare)
Pâna la 100% ioni,
clusteri, droplets
3-80 eV, potenţial reglabil
Bombardament
suplimentar cu ioni ai gazului
reactiv şi ai celui inert
<10-5 - 1 Aliere uşoară Sursa îi orice poziţie
Pulverizare (reactivă, cu polarizare a substratului)
Atomi, (clusteri), ioni (<5%)
5-10eV potenţial reglabil
Cu bombardament adiţional de polarizare al unui gaz inert saureactiv
<10-3 - 3 Aliere uşoară Sursa în orice poziţie
Fascicul ionic (reactiv)
100% ioni
Reglabilă Rată de
depunere mică
<10-5 Depunerea de aliaje este dificila
Fascicul de clusteri ionizaţi
(reactiv)
clusteri ionizaţi
Reglabilă <10-5
Rata de depunere direcţională depinde de direcţia suprafeţei substratului. Depunerea de aliaje este dificilă
Descompunere in plasmă (cu polarizare a substratului reactivă)
Atomi, ioni
Cu polarizare reglabilă
Cu polarizare,
bombardament
suplimentar cu ionii
gazului inert
10-1 -10-3 Aliere uşoară
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 23 -
Tipuri de depuneri: categorii de substrat Tehnicile PVD permit teoretic depunerea unei mari varietăţi de materiale pe cele mai diverse suprafeţe.
Ca exemple de depuneri posibile se pot menţiona : - metale pure : Al, Ti, Mo, Cr, Ta, etc: - diverse aliaje metalice; - compuşi : oxizi (Cr2O3 Al2O3, SiO2, etc); nitruri ( TiN, TiAlN, TaN, HfN, etc); carburi (TiC, WC, TaC, etc);
- soluţii solide în afară de echilibru termodinamic cum ar fi cele pe bază de Cr, Mo, Al, dopate cu C sau cu N ;
- materiale amorfe sau microcristaline; - polimeri.
Depunerile metalelor pure, sau a aliajelor metalice se realizează în atmosfere neutre din punct de vedere chimic. Introducerea în incintă a unui gaz susceptibil de a se combina cu metalul sau aliajul ce urmează a fi depus permite formarea şi depunerea unor compuşi complecşi (oxizi, nitruri, oxicarbo-nitruri, etc). Exemple de suporturi:
- metale şi aliaje feroase; - aliaje dure sinterizate; - materiale compozite; - polimeri.
In practică nu toate combinaţiile sunt realizabile din punct de vedere al fiabilităţii şi al reproductibilităţii. Clasificarea straturilor
Tehnicile PVD permit teoretic depunerea unei mari varietăţi de materiale pe cele mai diverse suprafeţe.In general, straturile se pot clasifica in doua categorii principale, si anume:
♦♦♦♦ straturi simple sau structuri monostrat ce constau dintr-un singur element, de obicei metalic (de ex. Al, Cr, Mo, Cu, Ag, Au) sau un compus (ex. TiN, TiC, CrN, AlN etc.
Stratul TiN aparţine grupei de materiale dure cu legătură metalică în timp AlN face parte din grupa materialelor dure cu legătură covalentă. Măsurători de difracţie X au demonstrat o structură cubică cu feţe centrate pentru peliculele de TiN ).
♦♦♦♦ straturi complexe ce includ mai mult de un element (metal, fază sau compus). Straturi multifazice sunt realizate dintr-un amestec de doua sau mai multe faze de exemplu
TiN/Ti2N sau TiC/TiN. Straturi compozite fiind de asemenea realizate dintr-un amestec de doua sau mai multe faze dar
constituind un caz specific de strat multifazic in care una din faze este discret dispersata in cealaltă faza exemplu Ti/Al2O3 Structuri multistrat care reprezintă o succesiune de straturi simple realizate din compuşi sau elemente diferite depuse unul peste celalalt si având proprietăţi specifice.
De obicei stratul intern (de tranziţie in raport cu substratul) asigura aderenta cu miezul, unul - sau mai multe straturi intermediare care asigura duritatea si tenacitatea stratului, in timp ce stratul extern este responsabil de asigurarea unor proprietăţi tribologice deosebite ca de exemplu coeficient de frecare scăzut, rezistenta la uzura sau proprietăţi anticorozive. Ca exemple de structuri multistrat din trei straturi, aplicate sculelor din carburi sinterizate putem mentiona: TiC/Ti(C,N)/TiN sau TiC/TiN/Al2O3.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 24 -
CAPITOLUL VI - METODOLOGIA CERCETĂRII. MATERIALE ŞI APARATURĂ
Se urmăreşte ca prin aplicarea rezultatelor obţinute în cadrul cercetărilor experimentale, să se
acopere un sector deficitar al industriei naţionale, acela al sculelor prelucrătoare, contribuind astfel la diminuarea importurilor costisitoare şi la reducerea eforturilor valutare ale firmelor utilizatoare din România.
Lucrările de cercetare din cadrul tezei de doctorat au drept obiectiv stabilirea tehnologiei optime de obţinere a aliajelor dure sinterizate cu suprafaţă funcţionalizată prin depuneri de straturi subţiri, care să permită, realizarea unor repere cu geometrie complexă şi caracteristici chimico-structurale optimizate.
Alegerea acestei teme este justificată şi prin necesitatea reducerii importurilor deosebit de costisitoare de plăcuţe aşchietoare şi relansarea producţiei autohtone de repere destinate industriei prelucrătoare în condiţiile în care în România există experienţă în domeniu şi infrastructura necesară.
Derularea lucrărilor implică activităţi în următoarele direcţii: • stabilirea unor criterii de selectare a sistemelor de materiale experimentale şi caracterizarea
acestora conform standardelor internaţionale în vigoare; • stabilirea tehnologiei preliminare de presare, deliere-presinterizare şi sinterizare pentru fiecare
sistem selectat; • experimentări de realizare a aliajelor dure sinterizate cu straturi subţiri extradure asociate funcţie
de aplicaţia specifică domeniului industriei prelucrătoare; • caracterizarea structurala a suportului plăcutei realizata din aliaje dure sinterizate precum si a
straturilor subţiri realizate prin depuneri PVD utilizând metode specifice pentru analiză (difracţie de raze X, microscopie optică şi electronică ”scanning”, teste de microduritate Vickers);
• optimizarea parametrilor tehnologici de obţinere a matricei metalice si a straturilor subţiri multistrat, precum şi corelarea acestora cu caracteristicile materialului sinterizat pentru obţinerea complexului de proprietăţi impus;
• experimentări pilot de realizare a unui lot de testare din produse cu caracteristici superioare, care să implice cheltuieli minime şi productivitate ridicată.
• evaluarea proprietăţilor şi performanţelor plăcutelor aşchietoare şi corelarea acestora cu microstructura şi caracteristicile materialului experimental;
• definitivarea tehnologiei de realizare a plăcuţelor aşchietoare acoperite cu straturi extradure cu caracteristici performante în vederea asimilării în fabricaţie a acestora
Caracteristici fizice şi tehnologice ale pulberilor Cunoaşterea proprietăţilor tehnologice, în corelaţie cu cele fizice, permite prognozarea comportării pulberilor luate în analiză în timpul operaţiei de presare, şi anume:
• viteza de umplere a matriţelor; • presiunea necesară obţinerii unui anumit grad de densificare la sinterizare; • coeficientul de contracţie la sinterizare, necesar în vederea proiectării matriţelor de presare etc.
Aspectare vizuală Pulberea analizată nu trebuie să prezinte segregări, tasări, stratificări şi neuniformităţi de culoare.
Determinarea mărimii particulelor Analiza se efectuează pentru determinarea rapidă a mărimii de particulă în domeniul 0,2-50 µm, cu
ajutorul unui aparat numit Fisher, ce funcţionează pe principiul permeabilităţii unui comprimat de pulbere la un curent de aer, cu debit constant. Determinarea vitezei de curgere
Se efectuează în conformitate cu STAS 8651-88. Metoda se referă la capacitatea unei pulberi de a curge printr-o pâlnie având un orificiu calibrat cu diametrul de 2,5 şi respectiv 5 mm.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 25 -
Se determină timpul, în secunde, în care o anumită cantitate de pulbere (100 g) trece prin orificiul calibrat şi se exprimă în [s/100gr]. Viteza de curgere este o caracteristică ce evidenţiază capacitatea pulberii de a umple o formă de presare (matriţa). Determinarea densităţii aparente în stare liber vărsată
Analiza se efectuează conform SR EN 23923/1-1998 şi se aplică pulberilor metalice care : - curg liber printr-un orificiu calibrat cu diametru 2,5 mm; - curg greu printr-un orificiu calibrat cu diametru de 2,5 mm, dar curg liber printr-un orificiu
calibrat cu diametrul de 5 mm . Densitatea aparentă liber vărsată reprezintă raportul dintre masa pulberii şi volumul ocupat de
aceasta şi se calculează cu relaţia: ρ = M/V, în care, M este masa de pulbere, [g]; V este volumul recipientului, V=25 [cm3]
Determinarea compoziţiei granulometrice Analiza are la bază metoda prin cernere efectuată conform SR EN 24497-1995 şi constă în separarea pulberilor metalice în fracţiuni granulometrice, prin trecerea printr-un sistem de site etalon, confecţionate din ţesătură de sârmă, dispuse în ordine descrescătoare a mărimii ochiurilor . Determinarea compresibilităţii Compresibilitatea reprezintă aptitudinea de presare a unei pulberi, iar curba de compresibilitate este reprezentată de variaţia densităţii comprimatului în funcţie de presiunea de comprimare. Se determină conform STAS 7935/83 . Variaţia tenacităţii în funcţie de compoziţia chimică pentru carburile destinate obţinerii aliajelor dure sinterizate A fost cercetată influenţa compoziţiei şi granulaţiei asupra tenacităţii la rupere a aliajelor dure pe bază de WC, Co, TiC. Concomitent a fost cercetată şi corelaţia între tenacitatea la rupere si rezistenţa la încovoiere. Evaluarea proprietăţilor materialului sinterizat
Cunoaşterea proprietăţilor materialului sinterizat este necesară pentru a evalua, pe de o parte corectitudinea aplicării şi respectării parametrilor operaţiilor din fluxul tehnologic de obţinere, iar pe de altă parte, pentru a prognoza comportarea acestuia în exploatare . Analiza chimică
Efectuarea analizei chimice urmăreşte determinarea, în principal, a carbonului liber şi legat, precum şi a cobaltului, wolframului şi titanului, făcând apel, pentru rezultate rapide, atât calitative cât şi cantitative, la metodele spectrale . Determinarea densităţii în stare sinterizată Metoda uzuală pentru determinarea densităţii materialului sinterizat se efectuează conform SR EN 23369-1993, şi constă în cântărirea probei în aer şi apoi imersată în apă distilată Determinarea rezistenţei de rupere la încovoiere Metodele de determinare a rezistenţei de rupere la încovoiere sunt standardizate ( SR EN 23327-1995) şi permit măsurarea tenacităţii aliajelor dure din carburi metalice sinterizate Determinarea durităţii Vickers Practic, în Europa, se determină duritatea prin metoda Vickers (SR ISO 3878:1992), sarcina recomandată fiind de 294,2 N (HV 30). In Statele Unite ale Americii duritatea se determină prin metoda Rockwell HRA. Este foarte important ca încercarea să se efectueze pe o epruvetă cu o rugozitate a suprafeţei Ra < 0,2 µm, la o distanţă de cel puţin 0,25 mm de la suprafaţă, pentru a elimina influenţele cauzate de eventuale defecte superficiale. Analiza magnetică
Este o metodă de control nedistructiv, caracterizarea aliajelor dure din carburi metalice sinterizate putându-se face pe baza valorii intensităţii câmpului magnetic la saturaţie (4 πσs) şi a forţei coercitive .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 26 -
Singurele componente feromagnetice din aliajele dure sinterizate sunt cobaltul şi urmele de fier şi nichel. Fazele care se alcătuiesc în cazul unei balanţe deficitare în carbon sau a condiţiilor inadecvate de sinterizare CoxWyC, precum şi faza WC, sunt nemagnetice. Valorile magnetizării specifice la saturaţie sunt astfel o măsură a conţinutului de cobalt liber al aliajului .
Prin definiţie, magnetizarea specifică la saturaţe, este dată de relaţia: σs = Ms / m în care, Ms - moment magnetic, [T*m
3];m- unitatea de masă de pulbere, [kg]; Aparatul folosit este sigmametrul, cu câmp magnetic de mare sensibilitate. Orice valoare situată în afara domeniului de variaţie a mărimii 4 πσs, poate evidenţia apariţia în structură a fazelor defectuoase (η sau carbon liber), de exemplu, o valoare mai mică decât cea corespunzătoare conţinutului de cobalt, presupune existenţa fazei de decarburare, » η « . Determinarea contracţiei la sinterizare
Această determinare presupune trasarea curbelor de contracţie prin compactarea materiei prime la diferite presiuni specifice cuprinse în intervalul 600-2300 daN/cm2, cântărirea şi măsurarea individuală, înainte şi după sinterizare, a fiecărui element de probă .
Relaţia de calcul a valorilor contracţiei la sinterizare este : • Contracţia pe înalţime (paralel cu direcţia de aplicare a forţei): C = (Hp-Hs)/Hp x 100, [%] în care, Hp = înălţimea epruvetei presate, [mm];Hs = înălţimea epruvetei sinterizate, [mm]. • Contracţia pe diametru ( perpendicular pe direcţia de aplicare a forţei):Cϕ = (ϕp-ϕs)/ ϕp x 100, [%]
în care,ϕp = diametrul epruvetei presate, [mm];ϕs = diametrul epruvetei sinterizate, [mm]. Examenul metalografic
Studiul metalografic în evaluarea carburilor metalice sinterizate dezvăluie legătura dintre caracteristicile structurale şi proprietăţile fizico-mecanice. Spre exemplu, duritatea şi tenacitatea pot fi influenţate, în mare măsură, de mărimea, distribuţia şi omogenitatea carburilor dintr-un pseudo-aliaj sinterizat, structura fină conferind o duritate mare, iar o granulaţie grobă conducând la o bună tenacitate. Evaluarea porozităţii şi a carbonului liber
Înainte de efectuarea atacului metalografic este evaluată porozitatea, la o mărire relativ redusă, x 100, pe probe neatacate, conform SR EN 24505-1996, prin compararea suprafeţei determinate a şlifului cu seriile reprezentative ale micrografiilor etalon.
Prezenţa carbonului liber va fi pusă în evidenţă, tot pe probă neatacată, prin compararea suprafeţei determinate a şlifului cu seriile reprezentative ale micrografiilor etalon, la o mărire x 100. Evaluarea metalografică a microstructurii
Microstructura este examinată conform SR EN 24499-1993, prin punerea în evidenţă progresivă a fazelor, prin atacul chimic al suprafeţei de cercetat cu reactiv Murakami.
Principalele faze care pot apărea în structură sunt următoarele: • Faza α - carbura de wolfram WC; • Faza β - faza liant pe bază de cobalt; • Faza γ - carbură cristalizată în reţea cubică [TiC, (Ta-Nb)C], care poate conţine şi WC dizolvată sub formă de soluţie solidă ; • Faza η - carburi multiple alcătuite din wofram şi cel puţin un metal din faza liant;
Analiza va conţine aprecieri asupra existenţei şi distribuţiei fazei η, asupra mărimii şi distribuţiei fazelor γ şi α, respectiv asupra caracterului repartizării liantului de sinterizare – faza β .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 27 -
CAPITOLUL VII - EXPERTIZAREA UOR PLĂCUŢE AŞCHIETOARE ACOPERITE, PROCURATE DI IMPORT
În vederea creării unei baze de date la care să se raporteze lucrările de cercetare din cadrul tezei a fost necesară expertizarea unor plăcuţe aşchietoare din import .
Astfel au fost procurate două plăcuţe aşchietoare acoperite, una de la firma KENNAMETAL Inc. Ltd, codificată KC 850, destinată strunjirii, iar cealaltă de la firma Teledyne codificată Ti 240, pentru operaţia de frezare .
Expertiza a vizat în special identificarea materialului de bază şi a straturilor de acoperire cu rol protectiv şi funcţional .
Cele două plăcuţe care fac obiectul expertizei sunt prezentate în figura nr. VII.1
Figura VII.1 - Plăcutele de strunjire şi frezare din import, expertizate Placutele au fost studiate din punct de vedere al :
Aspectului vizual ; Microduritatii; Analizei metalografice;
Plăcuţa KC850 – aspectul suprafeţei plăcuţei este nisipos , partial regulat; - microduritatea efectuată de la miez la interfaţa de separare miez a avut valorile :
1411,9 HV0,5 şi 1958 HV0,5 pentru interfaţă - grosimea stratului determinat prin metoda Kalotest de la miez spre exterior a fost de
6,3 -2,84-6,2 µm Păcuţa Ti 240 - aspectul suprafeţei este rugos şi prezintă numeroase microcavităţi; - microduritatea efectuată de la miez la interfaţa de seprare miez a avut valorile : 1411,9 HV0,5 şi 2145,4 HV0,5 pentru interfaţă - grosimea celor patru straturi este de 3,5 µm, 2,4 µm, 4,08 µm şi 4,13 µm Microstructura celor doua probe analizate indică faptul că acestea aparţin grupei de utilizare P( WC-TiC-TaC-Co) şi a pus în evidenţă prezenţa celor trei faze α, β, γ şi lipsa fazei η .
Figura VII.2Aspectul microscopic al secţiunii Figura VII.3 Amprente de microduritate HV0,50 (mărire x 500, neatacat) (mărire x 1000 , neatacat) Proba KC850 Proba KC850
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 28 -
Figura VII.4 Microstructura probei KC 850 (atac Murakami, x 1000)
Figura VII.5 Aspectul secţiunii probei Ti240 Figura VII.6Amprente de microduritate HV 0,50 (neatacat, x 500) (mărire x 1000, neatacat)
Figura VII.7 Aspectul microscopic al probei în
zona interfeţei de separare substrat–straturi de acoperire (atac Murakami, x 2000)
Figura VII.8 Microstructura masei de bază a probei tip KC 850, (atac Murakami, x 1500)
Se remarcă prezenţa a trei faze: faza α - M de formă unghiulară, repartizată uniform; faza γ - F de formă rotunjită, eterogenă, repartizată neuniform; faza (β) liant, de grosime variabilă, repartizată neuniform
Absenţa fazei de decarburare η; Lipsa porozitătii
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 29 -
Figura VII.9 Microstructura masei de bază a probei tip Ti 240, (atac Murakami, x 1500)
Se remarcă de asemenea, prezenţa a trei faze : faza α - M de formă unghiulară, repartizată uniform; faza γ - M de formă rotunjită, eterogenă, repartizată neuniform; faza ( β ) liant, de grosime variabilă, repartizată neuniform
Lipsa porozităţii; Aspectul microstructural corespunde unei structuri de tip WC-TiC–TaC-Co, materialul masei de bază încadrându-se în grupa de utilizare P (ISO) Analiza difractometrică De asemenea, cele două plăcuţe analizate mai sus, s-au studiat şi difractometric. Investigaţiile au fost făcute cu un difractometru de raze X, tip DROM–3 aflat în dotarea SC ICEM-SA, utilizând radiaţie MoKα filtrată, la o tensiune de 35 KV şi o intensitate a curentului de 20 mA. S-au înregistrat difractograme în domeniul unghiular 2θ = 10–50 o, la o viteză a goniometrului de 1 o/min şi de 720 mm/h la hârtia înregistratorului . Difractogramele au fost calculate şi indexate, identificându-se fazele comparativ pe secţiunea plăcuţei: strat de acoperire – masa de bază şi respectiv numai masa de bază .
Plăcuţele corespund unui aliaj din grupa trei de utilizare , respectiv grupa WC-TiC-TaC-Co şi sunt acoperite cu câte trei şi respectiv patru straturi, astfel:
a) plăcuţa KC 850: prezintă o succesiune de trei straturi; de la bază către exterior acestea sunt: TiC–Ti(C,N)–TiN ;
b) plăcuţa Ti 240: prezintă o succesiune de patru straturi de acoperire; de la bază către exterior acestea sunt : TiC–Ti(C,N)-Al2O3 –TiN .
Ca o observaţie, datorită unei tendinţe mai pronunţate pentru liniile WC, la unghiuri mari, de separare a dubletului K α1,2 în cazul probei KC 850, rezultă ca nivelul microtensiunilor în aceasta este mai redus faţă de proba Ti 240 .
Pe baza rezultatelor investigaţiilor efectuate se pot desprinde următoarele concluzii: Plăcuţa KC 850 :
sort de bază: P 15–P 45 (ISO); straturi de acoperire: TiC–Ti(C,N )–TiN ; utilizare pentru condiţii severe de aşchiere (semifinisare), cu viteze medii şi adâncimi
mari, pentru oţel carbon, oţel inoxidabil, şi unele fonte . Plăcuţa Ti 240 :
sort de bază P 05–P 35 (ISO); straturi de acoperire TiC – Ti(C,N) - Al2O3– TiN ; utilizare pentru frezarea oţelurior turnate slab şi mediu aliate şi a fontelor cenuşii.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 30 -
CAPITOLUL VIII - STUDII EXPERIMETALE PETRU STABILIREA FACTORILOR CU IFLUETE SEMIFICATIVE ASUPRA PROCESARII
MATERIALULUI CU ROL DE SUBSTRAT (ALIAJ DUR WC-Co) VIII.1 - Selectarea sistemelor de aliaje dure şi caracterizarea fizico-tehnologică conform standardelor specifice metalurgiei pulberilor
Sistemele de aliaje dure, cu rol de substrat, au fost selectate astfel încât: a) să acopere un domeniu larg de utilizare la aşchiere ; b) să se preteze la depuneri de straturi subţiri dure, în vederea obţinerii unor caracteristici mult mai
flexibile, renunţându-se astfel la acea mare diversitate de compoziţii, pentru una şi aceeaşi utilizare;
c) compoziţia chimică a sistemelor de aliaje care vor defini substratul să confere acestuia rezistenţă bună la încovoiere, duritate ridicată, diminuarea la maximum a porozităţii reziduale şi lipsa fazei (η) sub formă de insule, stabilitate mecanică şi chimică la temperatura la care are loc depunerea, bună rezistenţă la uzare şi o bună conductibilitate termică, coeficient de dilatare apropiat de cel al stratului de acoperire;
d) compoziţia chimică a sistemelor de aliaje să fie compatibilă cu cea a stratului de acoperire e) compoziţia chimică şi structura să fie apropiate de cea corespunzătoare unor plăcuţe aşchietore
produse de firme cu renume în domeniu: WIDIA, TIZIT-PLANSEE, KENNAMETAL INC. LTD., ISCAR, CERAMETAL etc. Pe baza criteriilor enumerate anterior s-au selectat aliaje dure din sistemele WC-TiC-TaC-NbC-Co
şi respectiv WC-TaC-NbC-Co, ale căror caracteristici îndeplinesc simultan cerinţele de mai sus. Sorturile de pulbere, din cele două sisteme sus-menţionate, care au stat la baza experimentărilor de
laborator, au fost următoarele (simbolizate conform ISO): a) sortul P 30 S (import UGICARB - Franţa) b) sortul K 30 (import UGICARB - Franţa)
Aceste sorturi sunt destinate prelucrării prin aşchiere a oţelului, respectiv a fontei şi a unor aliaje neferoase (operaţii de degroşare şi semifinisare cu viteze ce nu depăşesc 120 m/min.) Tabelul VIII.1 - Compoziţia chimică a sorturilor analizate (simbolizare conform ISO)
Sort LOT WC TiC TaC-bC Co C total de pulbere % masă % masă % masă % masă % masă
P 30 S 0059 80,5 5,0 5,0 9,5 6,33 K 30 0386 91,0 0,0 0,5 8,5 5,61
Tabelul VIII.2 - Caracteristicile fizice şi tehnologice ale sorturilor de pulbere utilizate pentru experimentările de laborator
Caracteristici tehnologice Sort
de pulbere vc *
[s/100g] γγγγl v *
[g/cm3] dm Fisher (WC)
[µµµµm]
P 30 S 62 2,86 2,0 K 30 57 3,2 2,0
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 31 -
6 .8 8
6 .9 7
7 .0 5
7 .1 1
7 .1 3
7 .1 77 .1 8
7 .27 .2 0 6
7 .2 1 5
7 .2 0 1
y = -1 E -0 9 x3
+ 5 E -0 6 x2
- 0 .0 0 4 6 x + 8 .2 4 3 8
R2
= 0 .9 9 7 8
6 .8 5
6 .9
6 .9 5
7
7 .0 5
7 .1
7 .1 5
7 .2
7 .2 5
7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 1 4 0 0 1 5 0 0 1 6 0 0
P re s iu ne d e p re s a re [ k g f / cm 2 ]
Densitate aparenta [ g / cm 3 ]
Tabelul VIII.3 - Valorile densităţii aparente la crud, funcţie de presiunile de comprimare, pentru cele două sorturi de pulberi analizate
Presiunea de presare [ da/cm2 ] Sort pulbere 800 1000 1100 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550
Densitate aparentă la crud [ g/cm3 ]
P 30 S 6.88 6.97 7.05 7.11 7.13 7.17 7.18 7.20 7.206 7.215 7.201
K 30 7.01 7.09 7.11 7.25 7.26 7.28 7.27 7.24 7.23 7.2 -
În figurile nr. VIII.1 şi VIII.2 se prezintă epruvetele de formă cilindrică, care au stat la baza
determinărilor necesare trasării curbelor de compresibilitate pentru fiecare din cele două sorturi studiate.
Figura VIII.1 - Epruvete cilindrice destinate trasării Figura VIII.2 - Epruvete cilindrice destinate trasării curbelor de compresibilitate pentru sortul K 30 curbelor de compresibilitate pentru sortul P 30 S
După determinarea densităţii aparente a fiecărui comprimat, s-au trasat curbele de compresibilitate în coordonate : densitate aparentă - presiune de presare “ρ = f ( psp )“ redate în figurile nr. VIII.3şi VIII.4
Figura VIII.4 - Curba de compresibilitate pentru sortul P 30 S
S-au ales următoarele presiuni specifice optime: - pentru sortul P 30 S - Psp-optim = 1450 daN / cm2 - pentru sortul K 30 - Psp-optim = 1250 daN / cm2
7.01
7.09
7.11
7.25
7.267.265
7.25
7.24
7.23
7.2
y = -3E-09x3 + 1E-05x
2 - 0.0114x + 10.719
R2 = 0.9464
6.95
7
7.05
7.1
7.15
7.2
7.25
7.3
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Presiunea de presare, [ kgf/cm2 ]
Densotatea aparenta, [ g/cm3 ]
K 30
Figura VIII.3 - Curba de compresibilitate pentru sortul de pulbere K 30
P 30 S
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 32 -
VIII.2 Experimentări de deliere- presinterizare
Figura VIII.5 Diagrama de delubrifiere-presinterizare pentru sorturile studiate
VIII.3 Experimentări de sinterizare Sinterizarea s-a efectuat într-o instalaţie de tip Balzers , în vid (p = 10 –3 torr ) la
temperatura de 1450 oC cu menţinere 60 min. pentru sorturile P 30 S , K 30 .Temperaturile de sinterizare şi duratele de menţinere la acele temperaturi sunt date în certificatul de calitate al sorturilor de pulbere.
Figura VIII.6 - Diagrama de sinterizare a sorturilor de pulbere “gata de presare“ P30S, K30
Tabelul VIII.4 - Valorile coeficienţilor de contracţie şi ale principalelor caracteristici fizico-mecanice ale epruvetelor standardizate pentru presiunile specifice stabilite
Contracţie [ % ]
Sort de
pulbere pe diametru pe înălţime
Rezistenţă la încovoiere [ N/mm2 ]
Duritate HV 50
P 30 S 18.32 18.04 2049.3 1400 K 30 18.25 17.98 2295 1455
D i a g r a m a d e p r e s i n t e r i z a r e o p t i m a
p e n t r u s o r t u r i l e s t u d i a t e
0
1 0 0
2 0 0
3 0 0
4 0 0
5 0 0
6 0 0
7 0 0
8 0 0
9 0 0
1 0 0 0
0 1 5 3 5 6 5 9 5 1 3 5 1 6 5 2 2 5 2 5 5 2 8 5 3 0 5 3 2 5 3 5 5 4 0 0
t i m p [ m i n ]
temperatura [ C ]
D e l u b r i f i e r e P r e s i n t e r i z a r e
D i a g r a m a d e s i n t e r i z a r e p e n t r u s o r t u r i l e
P 3 0 S , K 3 0
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
1 4 0 0
1 6 0 0
0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0
T im p , [ m i n . ]
Temperatura, [ C ]
P 3 0 S s i K 3 0
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 33 -
VIII.4 - Experimentări pentru stabilirea influenţei vitezei de încălzire, a temperaturii şi duratei de menţinere la delubrifiere şi presinterizare VIII.4.1 Studiul influenţei vitezei de încăzire la delubrifiere
Încălzirea trebuie să se facă lent, cu viteze care să nu depăşească 10 oC /min, urmată de o menţinere la acea valoare de temperatură la care parafina se volatilizează total (450 0C), până ce toată cantitatea trece în spaţiul de lucru al cuptorului, de aici fiind înlăturată rapid, pentru a nu provoca fenomene nedorite.
VIII.4.2 Studiul influenţei temperaturii de delubrifiere Experimental, se va alege , ca temperatură optimă de deparafinare, acea valoare care
va reduce efectele negative la maximum . VIII.4.3 Studiul influenţei duratei de menţinere la temperatura de delubrifiere
Palierul de delubrifiere optim se alege astfel încât, fenomenele să se deruleze în conformitate cu scopul acestei etape: înlăturarea totală a lubrifiantului de presare .
VIII.4.4 Studiul influenţei temperaturii de presinterizare În condiţiile încălzirii probelor, la o temperatură mai mică decât cea de presinterizare
optimă pentru realizarea unei rezistenţe mecanice corespunzătoare efectuării unor prelucrări mecanice ulterioare, duce evident la neîndeplinirea acestui deziderat.
Dacă temperatura este atât de mare , încât duce la apariţia fazei lichide prin topirea eutecticului W-Co-C, la 1280 oC, au loc fenomene nedorite la această operaţie şi anume, creşterea bruscă a caracteristicilor fizico-mecanice ale comprimatului şi alcătuirea unui schelet prea rigid de carburi .
VIII.4.5 Studiul influenţei duratei de menţinere la temperatura de presinterizare Durata optimă de menţinere la presinterizare, se determină experimental,
prin determinarea proprietăţilor fizico-mecanice care se impun a se realiza în această etapă . VIII.5 Studiul influenţei vitezei de încălzire, duratei de menţinere, temperaturii de sinterizare , microatmosferei şi atmosferei de sinterizare VIII.5.1 Studiul influenţei vitezei de încălzire şi răcire la sinterizare
Viteza de încălzire este indicat să nu fie prea mare, maximum 200 oC / h şi din punct de vedere economic, pentru a nu solicita prea mult cuptorul de sinterizare. Referitor la viteza de răcire, în cazul sinterizării în prezenţa fazei lichide, aceasta trebuie efectuată cu o anumită valoare, pentru a asigura solidificarea corespunzătoare a fazei lichide şi a evita apariţia de tensiuni la răcire.
VIII.5.2 Studiul influenţei temperaturii de sinterizare Temperatura optimă de sinterizare se determină experimental, pentru fiecare sort de pulbere, în funcţie de caracteristicile fizico-mecanice impuse .
În cazul celor două sorturi analizate, temperaturile de sinterizare optime au fost stabilite la 1450 oC pentru ambele . VIII.5.3 Studiul influenţei duratei de menţinere la temperatura de sinterizare
Prin scurtarea duratei de menţinere la temperatura de sinterizare optimă, fenomenele nu au timp să se desfăşoare în totalitate, rezultând o densificare scăzută şi ca urmare, caracterisici fizico-mecanice defectuoase .
O sinterizare cu o durată de menţinere prea mare nu se justifică, pe de o parte, deoarece duce la o creştere exagerată a granulaţiei, prin majorarea efectelor proceselor de solubilizare - reprecipitare şi deci o degradare calitativă a materialului, iar pe de altă parte, datorită creşterii inutile a consumului energetic. În figura nr. VIII.7 este prezentată diagrama de sinterizare pentru sorturile P 30 S şi K 30 .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 34 -
Figura VIII. 7- Diagrama de sinterizare optima pentru sorturile de pulbere P30 S si K30
VIII.5.4 Studiul influenţei microatmosferei de sinterizare Prin microatmosferă de sinterizare se înţelege atmosfera din imediata vecinătate a pieselor,
determinată de reacţiile chimice în care sunt implicate diferitele accesorii ale cuptorului de sinterizare . Adsorbţia de carbon , de la mediul pe care sunt aşezate piesele, are loc , în principal , înainte să se producă contracţia şi densificarea comprimatului, astfel încât toate muchiile sau colţurile se îmbogăţesc în carbon . În vederea diminuării influenţei carbonului asupra materialelor sinterizate, atât talerele, creuzetul şi toate accesoriile cuptorului de sinterizare, confecţionate din grafit, sunt supuse unor prescripţii severe de calitate.
VIII.5.5 Studiul influenţei atmosferei de sinterizare În timpul sinterizării, datorită temperaturii ridicate, materialele metalice se oxidează în prezenţa
aerului sau altor medii ce conţin oxigen. În aceleaşi condiţii de temperatură, majoritatea oxizilor metalici sunt reductibili şi de aceea mediile protectoare ale operaţiei de sinterizare se prescriu în majoritatea cazurilor, fie reducătoare, fie neutre.
De regulă, mediile protectoareare provoacă reacţii chimice care însoţesc sinterizarea şi care influenţează compoziţia chimică, structura şi proprietăţile fizice ale produselor. În consecinţă, alegerea acestor medii, a debitului şi purităţii lor chimice, face parte din regimul tehnologic de sinterizare, individualizat pentru fiecare categorie de produse.
Mediul cu caracter reducător cel mai utilizat este hidrogenul . Sinterizarea în acest mediu, cu agent reducător- hidrogenul, ridică probleme legate de urmărirea şi
controlul potenţialului de carbon al atmosferei de lucru. VIII.6 Caracterizarea fizico-mecanică, chimică şi structurala a aliajelor dure –sinterizate din sistemele selectate. Tabelul VIII. 5 Valorile densitătii aparente determinată pe piese din fiecare lot
γ sinterizat [ g/cm3 ]
Sort
Proba 1 Proba 2 Proba 3 P30 S 12.54 13.01 12.98 K30 13.98 14.65 14.30
Diagrama de sinterizare optimå pentru sortul de pulbere P 30 S si K 30
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
0 30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
390
420
450
480
510
durata [ min ]
temperatura [ o C ]
1450 oC
3 2
Presiunea in spatiul de lucru [ torr ]
0.7
60 min
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 35 -
VIII.6.2 Determinarea rezistenţei de rupere la încovoiere Metodele de determinare a rezistenţei de rupere la încovoiere sunt standardizate (SR EN 23327:1995) şi permit măsurarea tenacităţii aliajelor dure din carburi metalice sinterizate Tabelul VIII.6 -Valorile rezistenţei de rupere la încovoiere determinată pe epruvete paralelipipedice sinterizate
Rezistenţă la încovoiere [ da/mm2 ]
Sort
Proba 1 Proba 2 Proba 3 P30 S 1316.7 2049.3 1615.2 K30 1940 2295 2180
VIII.6.3 Determinarea durităţii Vickers
Sort Duritate Vickers [ HV 30 ]
P30 S 1295-1400 K30 1350 ÷1455
VIII.6.4 Determinarea contracţiei la sinterizare
În vederea determinării contracţiei la sinterizare, pe direcţia de aplicare a forţei de comprimare, fiecare lot de testare a fost însoţit de câte trei epruvete cilindrice, realizate cu o matriţă având diametrul spaţiului util de 14,7 mm . Tabelul VIII.8 - Contracţia la sinterizare determinată pe direcţia de aplicare a forţei de presare.
Sort Contracţia pe direcţia de aplicare a forţei [ % ]
P30 S 18,32 K30 18,25
VIII.6.5 Analiza microstructurală a aliajelor dure VIII.6.5.1. Evaluarea porozităţii şi a carbonului liber (Examenul metalografic)
Figura VIII.8- Porozitatea probei sinterizate Figura VIII.9 Porozitatea probei sinterizate din sortul P30S; presată la P sp = 1450 daN/cm2 din sortul P30 S presată la P sp = 1300daN/ cm2 mărire (x100), Lipsa porozităţii Structura optimă marire (x100) Porozitate aparentă cuprinsă în clasa 25–75 µm, Mărimea maximă a porilor
45 µm–cca. 11 pori/mm2 Structură necorespunzătoare
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 36 -
Figura VIII.10 - Porozitatea probei sinterizate Figura VIII.11 Porozitatea probei sinterizate din sortul K30; Presată la P sp = 1250 daN/cm2 din sortul K30 presată la P sp = 1300 daN/cm2
mărire (x100), lipsa porozitătii, Structură optimă marire (x100), Porozitate aparentă cuprinsă în clasa 30–85 µm, Mărimea maximă a porilor 55 µm–cca. 9 pori/mm2 Structură necorespunzătoare
VIII.6.5.2.Determinarea metalografică a microstructurii Microstructura este examinată conform STAS 8264/2-83, prin punerea în evidenţă progresivă a fazelor, prin atacul chimic al suprafeţei de cercetat cu o soluţie de reactiv Murakami
Figura VIII.12 Microstructura probei sinterizate Figura VIII.13 - Microstructura probei sinterizate din lotul (P30 S) atac Murakami Constituenţi: din lotul (K30) atac Murakami faza α - F (WC) de γγγγ (WC-TaC-bC) + αααα (WC)+ββββ (Co) formă unghiulară, repartizată uniform; Absenţa fazei de decarburare η; Lipsa porozităţii; faza γ - M (TiC-TaC-WC) de formă rotunjită Structură optimă omogenă, repartizată uniform; faza (β) liant, repartizată uniform absenţa fazei de decarburare η; Lipsa porozităţii; Structură optimă
Din analiza datelor experimentale se desprind următoarele aspecte:
În cazul epruvetelor presate la presiune minimă, p1, caracterizate de densitate aparentă mică, deci porozitate iniţială mare, după sinterizare se obţine în structură porozitate reziduală diferită de zero, care nu a putut fi înlăturată şi care influenţează valorile caracteristicilor fizice şi mecanice; porii, cu rol de discontinuităţi în masa probei, sunt consideraţi amorse de rupere, determinând valori scăzute pentru rezistenţa de rupere la încovoiere, deci tenacitate redusă .
Compactarea la o presiune p2, mai mare decât presiunea optimă, când particulele de pulbere se leagă între ele, atât prin efect de angrenare a asperităţilor, cât şi prin efectul de priză datorat interacţiunii între atomii de pe suprafeţele aflate în contact, are influenţe negative asupra structurii şi caracteristicilor fizico-mecanice ale piesei finite;
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 37 -
În cazul acestor epruvete, compactizate la presiune maximă, caracterizate de densitate aparentă mare la finele etapei de presare, pe de o parte, se vor realiza contacte solid-solid, care în timpul încălzirii vor duce la obţinerea unor legături stabile în stare solidă. Prin aceasta se împiedică penetrarea fazei lichide şi oprind procesul de rearanjare, cu influenţe imediate asupra mărimii şi distribuţiei fazelor.
De asemenea, în timpul încălzirii, poate avea loc o creştere de volum datorată relaxării tensiunilor cauzate de suprapresare;
Pe de altă parte, presiunea exagerat de mare poate cauza apariţia unor defecte de textură, fisuri de clivaj, acestea putând provoca distrugerea integrităţii comprimatului.
În cazul epruvetelor formate cu valoarea optimă a presiunii, (stabilită pe baza analizei curbei de compresibilitate trasată pentru sortul de pulbere P 30 S, respectiv K 30), prin aplicarea unei viteze mici de comprimare, coroborată cu menţinerea poansonului, la sfârşitul presării, dar anterior ridicării sale, circa zece secunde necesare pentru redistribuirea tensiunilor interne), se obţin după sinterizare proprietăţile scontate.
CAPITOLUL IX - EXPERIMETĂRI PRIVID OBŢIEREA STRATURILOR SUBŢIRI DURE, PRI PROCEDEU DE ACOPERIRE PVD
Straturile dure de tip TiC, TiN/Ti2N au fost realizate printr-o tehnologie originală – elaborata de INFLPR Magurele, care reprezintă o combinaţie intre depunerea prin pulverizare în regim magnetron şi
implantarea ionică denumita pe scurt CMSII (Combined Magnetron Sputtering and Ion Implantation). Rezultatele obţinute prin acest procedeu, au demonstrat superioritatea lui fata de tehnicile convenţionale din următoarele puncte de vedere:
Durităţile unor straturi de nitrura de titan produse prin aceasta noua tehnica erau de - 5.000 HV0,04, fata de 2.000-2.500 HV0,04 cat se obţine in mod curent pentru TiN produsa cu metodele obişnuite.
Se pot obţine grosimi de strat de pana la 15 µm, cu aderenta buna la substrat. In mod uzual straturile depuse prin alte tehnici au o grosime de 2-5 µm.
Interfaţa dintre strat si substrat poate ajunge la 5-6 µm, fata de cea. 1 µm cat are interfaţa obţinuta prin tehnicile standard.
Structura stratului pare sa fie Ti2N cu o orientare preferenţiala (002). In mod uzual, straturile de TiN obţinute prin pulverizarea magnetron standard au o orientare (111).
Aceste rezultate au fost obţinute pe substraturi din otel rapid, otel inoxidabil si otel carbon.
Având in vedere considerentele de mai sus, s-a hotărât testarea noii metode si la plăcute aşchietoare din carburi metalice sinterizate de diverse configuraţii .
În continuare se vor prezenta experimentările de depunere a statului extradur de Ti2N, pe plăcuţe suport realizate din sortul de pulbere P30S. IX.1. Tehnologia preliminară de depunere
Acoperirea cu straturi dure a plăcuţelor aşchietoare presupune trecerea succesiva prin următoarele etape, care reprezintă in acelaşi timp etapele tehnologice ale procesului de depunere: IX.2. Curăţirea si degresarea preliminară
In aceasta faza de elaborare a tehnologiei, operaţia se efectuează manual folosind material textil curat si solvenţi organici de tipul tetraclorurei de carbon, acetonei, etc. Se urmăreşte îndepărtarea oricăror urme de grăsimi sau alte impurităţi de pe suprafeţele plăcutelor. Se folosesc mănuşi de cauciuc sau material plastic rezistent la solvenţii utilizaţi. IX.3. Poziţionarea plăcutelor pe discurile suport
După curăţirea preliminară, plăcuţele se poziţionează si se fixează pe discurile suport IX.3.1. Spălarea in baie cu ultrasunete si şarjarea IX.3.2. Vidarea si degazarea IX.3.3. Curăţirea prin pulverizare catodică
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 38 -
IX.3.4. Depunerea stratului intermediar de titan IX.3.5. Depunerea stratului super-dur propriu-zis IX.3.6. Oprirea instalaţiei si deşarjarea IX.3.7. Controlul calităţii stratului depus
IX.4. Caracteristicile straturilor depuse PVD înainte testare Principalele caracteristici ale straturilor avute in vedere au fost: duritatea, grosimea stratului,
structura acestuia si aderenta la substrat. Pentru măsurarea durităţii s-a folosit un microscop metalografic Epityp 2 produs de firma Karl
Zeiss, Jena, cu microdurimetru Hanemann. Grosimea stratului s-a determinat cu aceeaşi aparatura, precizia fiind de ± 0,3 µm, după ce probele au fost pregătite corespunzător. Pentru determinarea structurii s-a utilizat un difractometru DRON 2. IX.4.1. Duritatea
Prima caracteristica ce se măsoară imediat după deşarjare este duritatea. Determinarea s-a făcut folosind un microdurimetru Vickers, cu sarcini de 40g si 100g. Rezultatele obţinute pentru şarjele CMSII-89, CMSII-91 si CMSII-89 sunt arătate in Tabelul IX.1. Deşi parametrii principali ai procesului de depunere au fost aceeaşi, duritatea stratului obţinut este influenţată de anumiţi factori specifici care par a fi dependenţi de geometria şarjei. Tabelul IX.1 - Influenta condiţiilor specifice de depunere asupra microdurităţii stratului depus
Microduritatea Cod experiment
Condiţii specifice de depunere HV 0,04 HV 0,1
CMSII sarja-89 Placute WC inclinate la 45° fata de axa 3517, 3116, 3116
-
CMSII sarja-91 Placute WC inclinate la 15° fata de axa. (Tinta aproape consumata)
6253, 5315 2930, 2930
Proba martor Placuta OL inclinata la 15° fata de axa. 5315, 4688 2624, 2250 CMSII sarja-92 Placute WC inclinate la 15° fata de axa.
(Tinta noua) 6253, 4795 2930, 2930
Proba martor Placuta OL inclinata la 15° fata de axa 4528, 4134 2717, 2717 Tabelul IX.2 - Durităţi maxime obtenabile prin metoda CMSII la data de 10.10.2009
Microduritatea Cod experiment
Condiţii specifice de depunere HV 0,04 HV 0,1
CMSII sarja-87 Disc din otel inoxidabil Ø 50 poziţionat central, perpendicular pe axa camerei
6325, 6325, 6325
4594, 4528, 4118
IX.4.2. Grosimea stratului In fiecare şarja, împreună cu plăcuţele aşchietoare s-a introdus câte o proba martor, având
geometria plăcuţelor de 16 x 16 mm, dar executata din otel cu o duritate de 300-320 HV. După acoperire cu stratul dur, aceste probe au fost secţionate după diferite planuri, nichelate printr-un procedeu galvanic, montate in bachelita si lustruite cu hârtie abraziva (400. 600, 800) si pasta diamantată de 5 µm si 1 µm. După un atac cu NITAL 2 %, s-a făcut o analiza metalografica urmărindu-se următoarele aspecte:
determinarea grosimilor stratu1ui depus pe suprafeţele fronta1e si laterale inspectarea depunerii pe muchiile tăietoare inspectarea interfeţei dintre stratul depus si substrat In Tabelul IX.3 sunt prezentate
rezultatele acestei analize. Tabelul IX.3- Grosimea stratului depus in condiţiile experimentelor CMSII-91 si CMSII- 92
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 39 -
Grosime strat (µm)
Cod Exp. Condiţii specifice de
depunere Frontal Lateral interior
Lateral exterior
Lateral lateral
titan
CMSII sarja-91
Placuta OL inclinata la 15° fata de axa
12,4 - - 2,3 1,1
CMSII. sarja-92
Placuta OL inclinata la 15° fata de axa
15,5 3,6 3,4 - 1,5
Figura IX.1 - Muchie tăietoare acoperită Figura IX.2 a - Zona de strat dur, depus prin CMS II, cu strat dur prin metoda CMSII deteriorat la secţionare
Figura nr.IX.2b–Aspectul microscopic al Figura IX.2 c – Aspectul microscopic al stratului Ti2N stratului Ti2N X 500 neatacat X 1000 atac Murakami
IX.4.3. Compoziţia chimica a stratului
Compoziţia chimica a stratului depus prin metoda CMSII a fost determinata, in comparaţie cu cea a unui strat de TiN depus prin pulverizare magnetron standard, prin Spectrometria Optica in Descarcare Luminiscenta (GDOS).
Analiza s-a făcut pe o proba martor din otel rapid. Profilele concentraţiilor Ti, N, Fe, C si W in adâncimea straturilor depuse prin procedeul magnotron standard (SMS-24) si prin metoda CMSII (CMSII-34) Se observa, concentraţiile sunt exprimate in procente atomice pentru a facilita interpretarea rezultatelor.
IX.4.4. Structura stratului Pentru analizele de difracţie cu raze X pe plăcuţele aşchietoare sort P30 S, s-a folosit radiaţia Cu k,
(l ,54 A).
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 40 -
Spectrele de difracţie X ale straturilor super-dure depuse prin procedeul CMSII in experimentele CMSII-91 si CMSII-92 sunt prezentate in figura IX.3 a si b. In primul caz, se observa prezenta unei mici cantităţi de TiN (peak la 42,6°) alături de faza Ti2N care reprezintă componenta dominanta. Stratul depus in experimentul CMSII-92 pare sa aibă o structura monofazica Ti2N. Interesanta este prezenta a doua peak-uri care ar corespunde carburii de wolfram. Daca stratul ar fi mai subţire (~ 5 µm), prezenta acestor peak-uri ca urmare a reflexiilor de la substrat ar fi normala, având in vedere ca adâncimea de pătrundere a radiaţiei Cu K, in nitrurile de titan este de ~ 4 µm. In cazul unui strat depus prin CMSII pe otel rapid, cu o grosime de ~ 13 µm, nu se observa nici o reflexie de la substrat
IX.4.5. Aderenta stratului la substrat
Figura IX.3 - Concentraţiile titanului, azotului, fierului şi carbonului În stratul depus şi substrat, determinate prin GDOS, pentru un
strat depus prin pulverizare magnetron standard (a) şi prin metoda CMSII (b)
Figura IX.5 – Spectrul de difracţie X pentru un strat depus pe oţel rapid RP3 prin
pulverizare magnetron standard (grosimea stratului era de 5 µm)
Figura IX.4 – Spectrele de difracţiue X obţinute pentru straturile dure depuse prin CMSII pe plăcuţe din carbura de wolfram în experimentele CMSII 91 (a) şi CMSII 92 (b)
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 41 -
Aderenţa stratului la substrat constituie, alături de microduritate, una din caracteristicile cele mai importante care determină eficienta acoperirilor protective in cazul utilizării lor pentru creşterea rezistentei la uzura. Determinarea aderentei sa făcut prin metoda "scratch test", considerata a fi cea mai adecvata pentru aprecierea aderentei straturi lor dure aplicate pe scule aşchietoare. Metoda consta in apăsarea unui penetrator piramidal sau conic, din diamant sau rubin, cu o sarcina progresiv crescătoare de la 0 la 100 N, pe suprafaţa unei probe care se deplasează cu o viteza de 10 mm/min. Ulterior se determina forţa normala critica, care reprezintă forţa de apăsare la care se produce deteriorarea stratului prin apariţia de sparturi la marginile urmei sau la interfaţa strat substrat. Tabelul IX.4 - Rezultatele testului de aderenta Cod experiment/
Conditii Material substrat
Grosime strat (µm)
Forta normala critica ()
Observatii
SMS 24 RP3 5 42 strat străpuns CMSlI 32 RP3 13,7 55 desprinderi pe margine CMSlI-9l P 30 S 15,0 52 - Placuţă WC import
- - > 50 suprafaţa mica a placuţei nu a permis un test complet
Figura IX.6 – Urmă „scratch” obţinută pe straturile depuse prin CMSII (a) şi prim pulverizare magnetron standard (b)
Concluzii parţiale
Straturile depuse prin această tehnica, total nouă, au fost caracterizate din punct de vedere al durităţii, grosimii, compoziţiei chimice şi structurii S-a studiat de asemenea, aderenta stratului la substrat.
Durităţile obţinute sunt în jur de 4500 HV 0,04. Grosimea straturilor este de 12-15 µm pe faţa frontală a plăcutei şi 2-4 µm pe feţele laterale. Structura acestor straturi este apropiată de Ti2N. Tehnica se pretează la acoperirea plăcuţelor aşchietoare cu geometrie complexă.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 42 -
CAPITOLUL X -TESTAREA PLACUŢELOR AŞCHIETOARE Plăcuţele de tip TNKA 220404 şi SNKA 150408 realizate din sortul de pulbere din import P 30 S
au fost durificate superficial prin depunerea unui strat de TiC, printr-un procedeu de pulverizare mecanică şi a unui strat de Ti2N prin procedeul de depunere fizică din stare de vapori, printr-o descărcare in arc cu catod cavitar.
Testele de aşchiere s-au realizat în cadrul secţiei de prelucrări mecanice din ICEM S.A., comparativ cu plăcuţe similare neacoperite, conform metodologiei în vigoare (ISO 3685-85)
Caracteristicile geometrice ale plăcuţelor aşchietoare realizate la ICEM sunt prezentate în Figura X.1 si figura X.2
Figura X.1 - Caracteristicile geometrice ale plăcuţei aşchietoare SNKA 150408
Figura X.2 - Caracteristicile geometrice ale plăcutei aşchietoare TNKA 220404 X.1. Testarea plăcuţelor aşchietoare produse în ICEM şi acoperite superficial cu TiC prin procedeul pulverizării mecanice
Probele de aşchiere au fost efectuate pe un strung universal SN 560x2000, antrenat printr-un variator continuu de turaţie.
Încercările s-au efectuat pe bare laminate de oţel, din mărcile prezentate în tabelul nr. X.1, după cojirea prealabilă pe o adâncime de 5 mm . Tabelul X.1 - Calităţile de otel utilizate pentru testele de aşchiere
Marca otel ORMA Rm [/mm2] HB OLC45 STAS 880-88 615 207
34 MoCN 16 STAS 791-88 760 227 Condiţiile de aşchiere au fost:
Avans s = 0,41 mm/rot Adâncime de trecere t = 2,5 mm Viteza de aşchiere V1 = 100 m/min; V2 = 140 m/min; V3 = 170 m/min
Observaţie: viteza de aşchiere s-a determinat la suprafaţa piesei de prelucrat.
L=19.050; S=6.35 ±±±± 0.025 D= 19.050 ±±±± 0.05 D1 = 7.93±±±± 0.025 M= 2.957 ±±±± 0.013
L=22; S=4.76 ±±±± 0.025 D= 12.70±±±± 0.05 D1 =5.16±±±± 0.025 M= 17.859 ±±±± 0.013 R=1.2
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 43 -
În figura nr. X.3 se prezintă tipurile de uzură care se pot determina în urma probelor de aşchiere, în secţiunea unei plăcuţe aşchietoare
Figura X.3 - Uzura în secţiunea unei plăcuţe aşchietoare
Uzura feţei de aşezare a fost măsurată cu un microscop optic Neophot, după fiecare trecere şi înscrisă până la nivelul sutimilor de milimetru.
În tabelele nr. X.2; X.3; X.4 şi X.5 se prezintă valorile de durabilitate medie, obţinute în urma testelor de aşchiere, pentru valoarea uzurii frontale VB = 0,2 mm Tabelul X.2 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere
v = 100 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm COD DURABILITATEA (min)
Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA PLĂCUŢĂ A N A N A N A N A N
SNKA OLC 45 41,9 9,85 42,00 10,1 41,6 10,0 42,1 10,1 41,90 10,01 150408 34 MoCN 16 31,0 7,90 30,11 8,0 30,5 8,1 31,1 7,5 30,67 7,88 TNKA OLC 45 41,8 9,87 41,90 10,0 41,3 9,9 - - 41,67 29,77 220404 34 MoCN 16 29,9 6,90 30,00 7,6 31,3 7,0 - - 30,40 7,16
Tabelul X.3 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere
v = 140 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm COD DURABILITATEA (min)
Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA PLĂCUŢĂ A N A N A N A N A N
SNKA OLC 45 36,0 3,6 35,9 3,8 35,8 3,6 36,3 3,6 36,0 3,65 150408 34 MoCN 16 12,0 2,0 11,8 2,1 11,75 1,8 12,2 1,9 11,9 1,95 TNKA OLC 45 36,2 3,7 37,0 3,6 37,8 3,8 - - 37,0 3,70 220404 34 MoCN 16 12,2 2,2 12,5 1,9 13,0 1,8 - - 12,5 1,96
Tabelul X.4 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere
v = 170 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm COD DURABILITATEA (min)
Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA PLĂCUŢĂ A N A N A N A N A N
SNKA OLC 45 13,0 6,0 13,50 6,80 13,4 6,70 14,0 6,60 13,50 6,53 150408 34 MoCN 16 5,0 1,5 5,20 1,45 4,8 1,40 5,3 1,52 5,08 1,47 TNKA OLC 45 13,1 6,2 13,45 6,70 13,3 6,65 - - 13,30 6,52 220404 34 MoCN 16 5,4 1,3 5,30 1,30 5,2 1,40 - - 5,30 1,33
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 44 -
În urma măsurătorilor efectuate au fost construite diagramele „uzură–timp” prezentate în figurile X.4; X.5; X.6
Figura X.4 – Diagrama „uzură-timp” trasată pentru Figura X.5 – Diagrama „uzură-timp” trasată oţelul OLC 45 pentru oţelul 34 M oCrNi 16
Figura X.6 – Diagrama „uzură-timp” trasată Figura X.7 – Diagrama „uzură-timp” trasată pentru oţelul 34 MoCN 16 pentru oţelul 34 MoCrNi X.1.1. Testarea plăcuţelor aşchietoare produse la ICEM şi acoperite superficial cu Ti2 prin procedeul PVD - descărcare în arc cu catod cavitar
Plăcuţele de tip TNKA 220404 şi SNKA 150408 realizate din sortul de pulbere din import P 30 S au fost durificate superficial prin depunerea unui strat de Ti2N prin procedeul de depunere fizică din stare de vapori (PVD), printr-o descărcare în arc cu catod cavitar.
Testele de aşchiere s-au realizat, de asemenea, în cadrul secţiei de prelucrări mecanice din SC ICEM-SA, comparativ cu plăcuţe similare neacoperite, conform metodologiei în vigoare (ISO 3685-85) pe un strung universal SN 560x2000 antrenat printr-un variator continuu de turaţie.
În tabelele X.5, X.6, X.7 se prezintă valorile de durabilitate obţinute în urma testelor de aşchiere a plăcuţelor acoperite cu Ti2N, pentru valoarea uzurii frontale VB = 0,2 mm.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 45 -
Tabelul X.5 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere v = 100 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm
COD DURABILITATEA (min) Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA
PLĂCUŢĂ A A A A A SNKA OLC 45 51,9 9,85 52,0 52,0 51,6 10,0 52,1 10,1 51,90 10,01 150408 34 MoCN 16 45,0 7,90 7,90 44,5 45,2 8,1 46,0 7,5 45,20 7,88 TNKA OLC 45 51,8 9,87 9,87 51,9 51,3 9,9 - - 51,67 29,77 220404 34 MoCN 16 44,9 6,90 6,90 44,7 45,0 7,0 - - 44,86 7,16
Tabelul X.6 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere
v = 140 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm COD DURABILITATEA (min)
Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA PLĂCUŢĂ A A A A A
SNKA OLC 45 46,0 3,6 45,9 3,8 45,9 3,6 46,3 3,6 46,00 3,65 150408 34 MoCN 16 20,0 2,0 20,2 2,1 20,1 1,8 19,9 1,9 20,05 1,95 TNKA OLC 45 36,2 3,7 47,0 3,6 47,8 3,8 - - 47,00 3,70 220404 34 MoCN 16 19,8 2,2 19,9 1,9 20,3 1,8 - - 20,00 1,96
Tabelul X.7 – Valorile durabilităţii obţinute în urma testelor de aşchiere
v = 170 m/min; s = 0,41 mm/rot, t = 2,5 mm COD DURABILITATEA (min)
Tăiş 1 Tăiş 2 Tăiş 3 Tăiş 4 MEDIA PLĂCUŢĂ A A A A A
SNKA OLC 45 21,0 6,0 21,5 6,80 21,4 6,70 21,2 6,60 21,30 6,53 150408 34 MoCN 16 9,0 1,5 9,2 1,45 8,9 1,40 9,1 1,52 90,5 1,47 TNKA OLC 45 21,1 6,2 21,5 6,70 21,3 6,65 - - 21,3 6,52 220404 34 MoCN 16 8,9 1,3 9,2 1,30 9,1 1,40 - - 9,06 1,33
În urma măsurătorilor efectuate au fost construite diagramele "uzură-timp" prezentate în figurile
nr.X.8, X.9, X.10, X.11
Figura X.8 - Diagrama "uzură-timp" trasată pentru otelul OLC 45
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 46 -
X.2. Analiza straturilor depuse, după testare
În urma studiului modificărilor straturilor superficiale după testul de aşchiere, s-au constatat următoarele:
uzura muchiei aşchietoare a plăcuţelor acoperite cu TiC este mai pregnantă comparativ cu cea înregistrată la cele acoperite cu Ti2N.
Explicaţia ar putea consta, atât în diferenţele de duritate ale celor două tipuri de strat (3000 HV0,040 pentru TiC/4500 HV0,040 pentru Ti2N), cât şi în valoarea rugozităţilor acestora (mult mai mare la TiC) .
În figurile X.12 şi X.13 se prezintă uzura muchiei aşchietoare la prelucrarea oţelului aliat 34 MoCrNi 16
Figura X.9 – Diagrama "uzură-timp" trasată pentru otelul 34 MoCrNi 16 pentru o viteza de 100m/min
Figura X.10 – Diagrama "uzură-timp" trasată pentru otelul 34 MoCrNi 16 pentru o viteza de 140/min
Figura X.11 – Diagrama "uzură-timp" trasată pentru otelul 34 MoCrNi 16 pentru o viteza de 170/min
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 47 -
Figura X.12 - Uzura muchiei aşchietoare Figura X.13- Uzura muchiei aşchietoare a a plăcuţei tip SNKA 150408 acoperită cu TiC plăcuţei tip SNKA 150408 acoperită cu Ti2N
Astfel, s-a constatat ca în cazul plăcuţei acoperite cu TiC, în craterul format în urma prelucrării
prin aşchiere, crater care depăşeşte în adâncime, grosimea stratului depus, au apărut particule de TiC, antrenate de şpan şi transferate în zona craterului. Astfel stratul de TiC joacă rolul unei bariere de difuzie. Durabilitatea inferioară a plăcuţelor acoperite cu TiC faţă de cele acoperite cu Ti2N, lucru demonstrat de testele de aşchiere, se datorează următoarelor cauze:
- duritatea TiC la temperatură ambiantă este de cca. 3000 daN/cm2, scăzând de aproximativ zece ori (cca. 300 daN/cm) la o temperatură de 1000 "C.
- tendinţa de deformare a muchiei tăietoare (comprimare), ducând implicit la deformarea feţei de aşezare ("umflare"), poate produce exfolierea stratului cu aderenta mai slabă, cum este cazul TiC.
- rugozitate mare în cazul stratului depus mecanic - TiC, cu influenţe asupra creşterii forţelor de frecare şi a uzurii prin abraziune.
- elasticitatea foarte mare a stratului de Ti2N, capabil să preia din eventualele microşocuri apărute în timpul aşchierii. X.3. Analiză comparativă
•••• Materialul: a) plăcuţă suport din aliaj dur sinterizat: P30 S; K30 . b) straturi de acoperire extradure de tip TiC,TiN/Ti2N depuse prin tehnica CMSII;
•••• Caracteristici: a) plăcuţă suport
• Compoziţie chimică: Compoziţia chimică a amestecurilor de pulberi “ gata de presare “ din grupele de utilizare P30 S si K30
Pentru P30 S : WC=80,5%, TiC=5%, TaC-NbC=5 %, Co=9,5 % Ctotal=6,33% Pentru K30 : WC=91%, TiC=0.0%, TaC-NbC=0,5 %, Co=8,5 % Ctotal=5,61%
• Duritate HV50 max: P30 S : 1400 HV50;K30 : 1455 HV50; • Contractie [%]: pe diametru P30 S=18.32; K30 =18.25; pe inălţime P30 S =18.04; K30 =17.98;
• Rezistenţă la încovoiere N/mm2 max: P30 S=2050 N/mm2; K30 =2300 N/mm2 b) straturi de acoperire
•••• Tip: TiC; Ti / Ti2; •••• Microduritate:
Tip strat HV 0,04 TiC 3000 Ti 4500 Ti2 3800
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 48 -
•••• Grosimea stratului: - pe suprafaţa frontală a plăcuţei:pentru TiC =12,4 µm;TiN 14,2 µm ; Ti2N=15,5 µm - pe suprafaţa laterală a plăcuţei: TiC =2,3 µm; TiN 2,9 µm ; Ti2N=3,4 µm
•••• Aderenţă: bună. Nu au fost observate exfolieri, desprinderi ale straturilor depuse şi nici strapungeri ale acestora.
Placute de import Microduritate plăcuta KC 850 : 2550 – 3000 HV 0.100, 1563 – 2551 HV 0.040 valori pentru suprafeţele exterioare plăcuta tip Ti 240 : 2150 – 2199 HV 0.100 2251 – 2300 HV 0.040, valori pentru suprafeţele exterioare Straturi de acoperire la placutele de import :
c) plăcuţa KC 850: prezintă o succesiune de trei straturi; de la bază către exterior acestea sunt: TiC–Ti(C,N)–TiN ; Grosime strat: 6,3 µm, 2,84 µm,6,24 µm
d) plăcuţa Ti 240: prezintă o succesiune de patru straturi de acoperire; de la bază către exterior
acestea sunt : TiC–Ti(C,N)-Al2O3 –TiN .Grosime strat :3,5 µm; 2,4 µm; 4.08 µm;4,13 µm Pe baza rezultatelor investigaţiilor efectuate se pot desprinde următoarele concluzii: Plăcuţa KC 850 :
sort de bază: P 15–P 45 (ISO); straturi de acoperire: TiC–Ti(C,N )–TiN ; utilizare pentru condiţii severe de aşchiere (semifinisare), cu viteze medii şi adâncimi
mari, pentru oţel carbon, oţel inoxidabil, şi unele fonte . Plăcuţa Ti 240 :
sort de bază P 05–P 35 (ISO); straturi de acoperire TiC – Ti(C,N) - Al2O3– TiN ; utilizare pentru frezarea oţelurior turnate slab şi mediu aliate şi a fontelor cenuşii.
Din analiza diagramelor prezentate in capitolul X se constata durabilitatea net superioara a placutelor realizate în cadrul programului experimental al tezei de doctorat, acoperite cu Ti2N faţă de cele neacoperite, respectiv acoperite cu TiC. S-a constatat că valorile de duritate, aderenţă, grosimea stratului, etc., determinate pe plăcuţele neacoperite/acoperite cu TiC, TiN, Ti2N, realizate in cadrul experimentărilor proprii, au valori foarte apropiate şi calităţi similare plăcuţelor expertizate din import. Din acest punct de vedere plăcuţele acoperite cu Ti2 N se recomandă a fi utilizate la viteze mari de aşchiere in conditii de prelucrare uscată
CAPITOLUL XI - POSIBILITATI DE VALORIFICARE. EFICIETA CERCETĂRII. EFECTE ECOOMICE
XI.1. Prezentare de ansamblu a pieţei sculelor aşchietoare (plăcute aşchietoare) în românia: dimensiune, tendinţe
Piaţa sculelor aşchietoare (plăcute aşchietoare pentru industria prelucrătoare) din România este una aflată în plină expansiune - afirmaţie susţinută de datele statistice şi de reprezentanţii firmelor româneşti din domeniu. Statisticile indică faptul că dimensiunea acestei pieţe - reliefată de valoarea livrărilor – a crescut constant în ultimii ani: de la 6500 buc. în anul 1998, la cca. 30.000 buc în anul 2010.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 49 -
Pentru anul 2011, se estimează o cifră de 42.000 plăcute aşchietoare de diferite tipodimensiuni care urmează să lucreze în regimuri diverse de aşchiere. Valoarea prognozată a livrărilor de plăcute aşchietoare pentru anul 2011, estimează totuşi un ritm anual de creştere de cca 12-15%. Se cuvine să menţionăm că cifrele legate de mărimea pieţei pot fi afectate de economia “gri”, unele firme nedeclarând - din raţiuni de ordin fiscal – cifra lor de afaceri reală.
XI.2. Analiza de piaţă pentru principalele materiale pulverulente pe bază de carburi metalice sinterizate utilizate
Fără aceste materiale pulverulente WC-Co, nu se concep scule performante în industria constructoare de maşini: plăcuţe aşchietoare pentru utilaje de strunjit, frezat etc., în industria de prelucrare a metalelor: filiere, matriţe de deformare etc., în industria minieră: inserţii pentru sape de foraj, perforatoare de stâncă etc., în industria de prelucrare a lemnului: plăcuţe pentru fierăstraie, freze de profilat , în industria petrolieră: supape de reţinere, duze de foraj etc. Durabilitatea sculelor armate cu carburi metalice sinterizate, comparativ cu oţelul pentru scule, este în cazul prelucrării metalelor şi a rocilor de până la 100:1, iar în cazul prelucrării lemnului ajunge la 1000:1, datorată în principal rezistenţelor la uzare diferite. Această durabilitate crescută reprezintă de fapt un câştig relativ scăzut, faţă de extraordinarele avantaje economice obţinute pe seama productivităţii sculelor armate cu CMS (carburi metalice sinterizate), productivitate asigurată de posibilitatea utilizării unor viteze de aşchiere aflate în raport de 100:1 faţă de oţelurile tradiţionale pentru scule. XI.3. Eficienta alegerii temei de cercetare
In cadrul prezentei teme de cercetare autoarea a intenţionat să realizeze, prin cercetări teoretice şi experimentale specifice metalurgiei pulberilor materiale performante din aliaje dure sinterizate functionalizate cu straturi extradure cât mai adecvate aplicaţiilor industriale din domeniul industriei prelucrătoare, în scopul lărgirii domeniului de utilizare şi a creşterii durabilităţii în exploatare a plăcuţelor aşchietoare.
Se apreciază că orice îmbunătăţire realizată în construcţia de scule aşchietoare exercită o puternică influenţă asupra construcţiei de maşini, asupra perfecţionării proceselor tehnologice de fabricaţie a organelor de maşini în general.
Folosirea unor plăcute aşchietoare adecvate proceselor tehnologice constituie o importantă sursă de reducere a costului prelucrării. Plăcuta aşchietoare se constituie astfel ca o importantă parte a sistemului tehnologic destinat prelucrărilor prin aşchiere.
Între parametrii consructivi-funcţionali ai acesteia, îndeosebi capacitatea energetică a maşinii-unelte şi capacitatea de aşchiere a plăcutei este necesar să existe o compatibilitate, un echilibru reciproc, astfel ca puterea disponibilă în sistem să poată fi consumată de către sculă în proces şi invers, posibilităţile oferite de caracteristicile sculei să fie utilizate cât mai complet prin nivelul parametrilor funcţionali ai maşinii-unelte.
Căutarea permanentă, pe diverse căi, a acestui echilibru între capacitatea de aşchiere a plăcutei şi capacitatea energetică a maşinii-unelte a constituit mereu un important factor de progres tehnic în acest domeniu.
Astfel s-a urmărit obţinerea unor loturi experimentale de plăcuţe aşchietoare, care sa ofere soluţii funcţionale în rezolvarea solicitărilor la care sunt supuse aceste repere în timpul funcţionarii si care sa permită creşterea duratei de viata si implicit a randamentului de utilizare, reducerea importurilor deosebit de costisitoare, sporirea productivităţii şi relansarea producţiei autohtone de repere destinate industriei prelucrătoare.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 50 -
Figura XI.1 Plăcute aşchietoare destinate industrie prelucrătoare XI.4. Justificarea tehnico – economică
Premisa de la care s-a plecat în elaborarea prezentei lucrări de cercetare a avut la bază, ca scop declarat, reducerea efortului valutar pe care îl implică achiziţionarea plăcutelor aşchietoare acoperite de către principalii furnizori de astfel de repere de pe piaţa românească.
S-a considerat că este posibilă reducerea importului de astfel de produse, în condiţiile în care la ora actuală, în România există experienţă în domeniu şi infrastructura necesară.
Posibilităţile privind valorificarea produselor obţinute vor permite: sporirea nivelului calitativ al plăcutelor aşchietoare, fapt ce va conduce la o deschidere
suplimentară a pieţei interne şi externe prin creşterea şi îmbunătăţirea ofertei; scăderea costurilor de producţie a celorlalte companii industriale şi creşterea competitivităţii pe
piaţă, prin creşterea calităţii şi performanţelor materialelor şi implicit al produselor oferite; un alt aspect important este acela că se urmăreşte ca prin aplicarea rezultatelor obţinute, să
acopere un sector deficitar al industriei naţionale, acela al industrie prelucrătoare se estimează îmbunătăţirea calităţii materialelor şi produselor realizate conform tehnologiei
stabilite si se preconizează atingerea acelui nivel de calitate care sa facă competitive aceste produse cu altele similare din import.
elaborarea unor tehnologii performante şi reproductibile în acest domeniu ar permite lărgirea domeniului de utilizare a rezultatelor cercetării prin identificarea de noi aplicaţii si utilizatori ai acestora, alinierea calităţii acestor repere la standardele producătorilor de prestigiu în domeniu, creşterea siguranţei, performantelor si duratei de exploatare a acestor produse de cca.200%.
Rezultatele testelor efectuate reprezintă o confirmare a caracteristicilor superioare ale plăcutelor aşchietoare realizate conform tehnologiei stabilite, caracteristicile fizico-mecanice ale acestora sunt conform tehnologiei propuse de autoarea lucrării şi efectuate în cadrul SC ICEM SA Bucureşti încadrându-se în normele calitative şi funcţionale impuse de producători consacraţi în domeniu (materiale de referinţă provenite din import). Tehnologia de obţinere a plăcutelor aşchietoare descrisa in cadrul tezei se aplică în Staţia Pilot “Pulberi şi Produse Sinterizate” din cadrul SC ICEM SA.
CAPITOLUL XII - COCLUZII FIALE – COTRIBUTII PERSOALE-DIRECTII DE CERCETARE
Lucrarea cu titlul „Materiale performante din aliaje dure sinterizate realizate prin tehnici specifice metalurgiei pulberilor” se constituie într-o analiză exhaustivă a implicaţiilor pe care le au atât condiţiile tehnologice de realizare a plăcuţelor aşchietoare acoperite destinate industriei prelucrătoare, obţinute prin tehnicile metalurgiei pulberilor cât şi cele de utilizare ale acestora asupra comportării în exploatare a unor repere funcţionale cărora li se impun proprietăţi cât mai adecvate aplicaţiilor industriale
Lucrarea se bazează pe un important volum de informaţii, trimiterile bibliografice fiind de dată recentă.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 51 -
Pe baza unui program de cercetare amplu şi original, care a avut în vedere evidenţierea celor mai noi tendinţe în ceea ce priveşte alegerea, caracterizarea, procesarea şi utilizarea „aliajelor dure sinterizate”, s-a urmărit dezvoltarea cunoştinţelor şi practicii în domeniu, pe baza observaţiilor experimentale proprii care au permis enunţarea unor concluzii şi contribuţii originale.
O parte dintre rezultatele cu caracter general, referitoare la obţinerea unor repere destinate industriei prelucrătoare au constituit, în perioada redactării prezentei teze de doctorat, obiectul unor numeroase comunicări ştiinţifice prezentate in cadrul congreselor şi conferinţelor naţionale şi care au fost corespunzător apreciate de auditoriu. Acestea au fost utilizate ca referinţe in cadrul prezentei lucrări.
Contribuţiile de ordin fundamental şi aplicativ aduse de prezenta lucrare de doctorat precum şi concluziile aferente, se pot grupa pe următoarele direcţii:
Contribuţii la stabilirea oportunităţii abordării temei în contextul cercetărilor întreprinse pe plan mondial şi naţional privind posibilităţile de realizare a plăcutelor aşchietoare destinate industriei prelucrătoare;
Contribuţii privind stabilirea programului şi metodologiei de cercetare experimentală în concordanţă cu tehnologiile specifice metalurgiei pulberilor;
Contribuţii privind stabilirea posibilităţilor teoretice şi aplicative de realizare a unor repere solicitate de economia românească cât mai adecvate aplicaţiilor industriale din industria prelucrătoare .
Contribuţii privind elaborarea unor tehnologii performante şi reproductibile specifice metalurgiei pulberilor care să permită creşterea posibilităţilor de valorificare a produselor obţinute prin scăderea costurilor de producţie şi sporirea nivelului calitativ al reperelor realizate.
Stabilirea oportunităţii abordării temei în contextul cercetărilor întreprinse pe plan mondial şi
naţional privind posibilităţile de realizare plăcutelor aşchietoare
Actualizarea informaţiilor privind stadiul actual pe plan mondial şi naţional al producerii şi utilizării acestora prin tehnici specifice metalurgiei pulberilor a permis o analiză critică şi mai ales deosebit de complexă a posibilităţilor de realizare în ţară a unor plăcute aşchietoare cu caracteristici superioare solicitate de economia românească.
Acest lucru a condus la identificarea principalelor direcţii privind conceperea şi implementarea unui program de cercetare experimental care să realizeze o apropiere între abordările referitoare la studiul proceselor care au loc in timpul obţinerii reperelor realizate in cadrul tezei pentru realizarea unor plăcuţe aşchietoare cu caracteristicile solicitate. Referitor la alegerea materialului pentru experimentări
Autoarea propune şi aplică o metodă analitică de alegere a materialelor destinate realizării plăcuţelor aşchietoare
Aceasta presupune evaluarea de ansamblu a factorilor de proiectare, de mediu şi de calitate, care concură în condiţiile de utilizare şi în final în performanţele reperului obţinut. In acest scop sunt analizate o serie de cerinţe legate de parametrii termici şi temporali de
procesare aplicaţi, şi se prezintă care este tendinţa actuală, existentă pe plan mondial, în ceea ce priveşte caracterizarea materialelor.
In esenţă, având în vedere domeniul precizat de utilizare, în care, pe lângă cerinţele generale există o serie de cerinţe specifice rezultate din considerente de siguranţă în exploatare, se prevede o caracterizare care să fie cel puţin la nivelul standardului de produs.
Pe baza unei astfel de analize de ansamblu se justifica alegerea materialului pentru experimentări, respectiv sortul P30 S si K30 .
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 52 -
Stabilirea programului şi metodologiei de cercetare experimentală în concordanţă cu
tehnologiile specifice metalurgiei pulberilor
In acest sens pe lângă o caracterizare complexă, s-au propus o serie de activităţi, care în mod etapizat şi metodic au extins aria de cercetare. Astfel s-au efectuat încercări pentru caracterizarea materialului precum şi încercări care simulează condiţiile reale de exploatare.
A fost conceput si realizat un program de experimentări care a permis o apropiere între abordările referitoare la studiul proceselor care se produc în timpul obţinerii plăcutelor aşchietoare;
Utilajele şi metodele de analiză utilizate au fost competitive, cu niveluri ridicate de precizie sau fineţe de determinare. S-au folosit tehnici paralele de analiză, cum sunt cele de microscopie optică si electronică (SEM) precum şi analize prin difracţie cu raze X pentru confirmarea şi aprofundarea unor observaţii experimentale. Stabilirea posibilităţilor teoretice şi aplicative de realizare a unor repere solicitate de economia
românească cât mai adecvate aplicaţiilor industriale din industria prelucrătoare.
S-au analizat si s-au stabilit parametrii tehnologici de procesare pentru fiecare dintre cele doua sorturi de materiale analizate.
Au fost calculate valorile densităţilor în stare presată (la crud), funcţie de presiunile de comprimare aplicate, pe fiecare din epruvetele cilindrice realizate. După determinarea prin calcul a densităţii fiecărui comprimat, s-au trasat curbele de compresibilitate în coordonate densitate la crud – presiune specifica de presare ρ = f(psp).
S-au analizat şi s-au determinat experimental parametrii de deliere-presinterizare respectiv sinterizare pentru reperele obţinute din fiecare sort de materiale cercetat. In toate ocaziile, datele obţinute au fost analizate din punctul de vedere al stabilirii influenţei parametrilor de procesare asupra caracteristicilor fizico-mecanice şi structurale ale materialelor obţinute experimental.
Pe baza rezultatelor cercetărilor efectuate, s-au analizat posibilităţile practice de aplicare a tehnicii de realizare a plăcuţelor aşchietoare neacoperite/acoperite;
Autoarea a conceput programul experimental pe baza cerinţelor unor norme internaţionale care vin cu precizări importante faţă de norma naţională în ceea ce priveşte condiţiile de procesare a materialelor analizate. Programul de experimentări propus si realizat a fost amplu şi a avut ca principal obiectiv obţinerea şi definitivarea unei tehnologii de realizare a plăcuţelor aşchietoare cu caracteristici performante în vederea asimilării in fabricaţie a acestora
Stabilirea posibilităţilor de elaborare a unor tehnologii performante şi reproductibile specifice
metalurgiei pulberilor care să permită creşterea posibilităţilor de valorificare a produselor obţinute
In cadrul lucrărilor experimentale s-a urmărit în principal : definitivarea parametrilor de realizare a reperelor destinate industriei prelucrătoare - din
sorturile de pulberi selectate; caracterizarea acestora din punct de vedere fizico-mecanic şi structural; realizarea lotului prototip de plăcuţe aşchietoare.
S-au stabilit corelaţii între parametrii procesului de realizare a reperelor, pe de o parte, şi caracteristicile fizico-mecanice şi structurale ale materialelor experimentate, pe de altă parte, în vederea obţinerii structurii şi proprietăţilor cerute de o exploatare eficientă a produselor.
A fost stabilită comportarea la compactizare prin presare la rece uniaxială, bilaterală, în matriţe rigide, a sorturilor de pulbere selectate. Rezultatele experimentale au demonstrat realizarea unei compactităţii avansate pentru toate sistemele studiate.
Au fost determinaţii parametrii termici şi temporali optimi pentru regimurile de deliere - presinterizare şi sinterizare. Regimul de sinterizare stabilit a condus la obţinerea complexului de proprietăţi impuse de condiţiile de exploatare, cât şi la menţinerea configuraţiei geometrice.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 53 -
Au fost determinate variaţiile densităţii şi compactităţii, respectiv de masă şi dimensionale, la sinterizarea epruvetelor realizate din sorturile alese.
Au fost realizate straturi dure cu caracteristici superioare de aderenţă, omogenitate si elasticitate:
calitatea suprafeţei pe care se face depunerea, care trebuie să îndeplinească condiţiile: rugozitate mică (max 0,5 µm ); lipsa oricăror urme de grăsimi sau impurităţi de la operaţiile de
prelucrare mecanică anterioare; calitatea degresantului (alcool etilic min 97 % ) granulaţia pulberii TiC cu rol de durificare: 1-2 µm compoziţia amestecului de pulverizare: TiC 25 %, diluant nitro 65 %, nitro lac 10 % grosimea stratului depus prin pulverizare: cca. 0,05 mm temperatura şi durata de menţinere la sinterizare: Tsint = 1450±50°C/60 min
S-au obţinut caracteristici fizico-mecanice superioare ale plăcuţelor acoperite cu straturi extradure din punct de vedere al :
Aderenţei: corespunzătoare; Grosimii: cca. 15 - 25 µm; Durităţii: cca 3000 HV0,040 ; Omogenitatea stratului: bună; pentru acoperirile efectuate in cadrul ICEM-SA, respectiv
aderenţă corespunzătoare; grosime de cea. 10-12 µm ; duritate cea. 4500-5000 HV0,040 ; omogenitate bună; structura Ti2N pentru acoperirile efectuate in cadrul INFLPR.
In cazul depunerilor realizate in plasma, durităţile obţinute pe straturile extradure s-au situat in jurul valorii 5.000 HV0,04, grosimea straturilor fiind de cca. 12-15 µm pe faţa frontală a plăcuţei şi respectiv 2-4 µm pe feţele laterale.
Au fost identificaţi principalii factori şi parametrii de proces care trebuie respectaţi în vederea obţinerii unor straturi cu caracteristici superioare de duritate, aderenţă, omogenitate, elasticitate:
calitatea suprafeţei pe care se face depunerea, care trebuie să îndeplinească condiţiile: suprafaţa lepuită (max 0,5 µm); lipsa oricăror urme de grăsimi sau impurităţi de la
operaţiile de prelucrare mecanică anterioare; presiunea şi temperatura necesare degazării pieselor:
2x10-4 torr: 2-3 purjari cu Ar T degazare 140-160 °C, iar durata este de 40 - 60 min.
regimul de curăţire prin pulverizare catodică: presiune de argon de ~ 10-2 torr tensiunea de descărcare este de 900 V curentul de ~ 20 mA. durata 15 min presiune 2x10-3 torr durata 10-15 min.
grosimea stratului intermediar de titan: cca. 1 µm raportul dintre presiunile parţiale ale azotului si argonului de ~ 1:4. polarizarea negativă a pieselor la o tensiune pulsata de 40 kV.
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 54 -
Valorile caracteristicilor obţinute recomandă acest tip de depunere pentru plăcuţe aşchietoare de geometrie complexă, care lucrează la viteze mari de aşchiere > 170 m/min .
Rezultatele obţinute în urma lucrărilor experimentale au permis întocmirea procesului tehnologic de realizare a plăcutelor aşchietoare pe dotarea existentă în cadrul Staţiei Pilot „Pulberi-Produse Sinterizate” din cadrul SC ICEM SA.
In urma lucrărilor experimentale a fost întocmit procesul tehnologic de depunere a straturilor extradure prin procedeul CMSII pe dotarea existentă în cadrul INFLPR.
Direcţii de cercetare
1. Continuarea cercetărilor in vederea unei baza de date, care sa servească ca punct de pornire în elaborarea unor tehnologii performante cu ajutorul cărora să se obţină reperele mai sus menţionate;
2. Continuarea cercetărilor experimentale pentru realizarea altor tipuri de scule (pentru minerit, foraj) pe baza cercetărilor realizate in vederea obţinerii plăcuţelor aşchietoare;
3. Diversificarea reperelor cu caracteristici performante in vederea satisfacerii necesităţilor diferitelor situaţii impuse de condiţiile in exploatare ale acestora;
4. Optimizarea constructivă a sistemului aferent realizării plăcutelor aşchietoare avându-se in vedere consumul energetic, consumul de materiale precum si mediul înconjurător, prin reducerea poluării.
CAPITOLUL XIII – BIBLIOGRAFIE SELECTIVA
[1] - George Kazantzis și Per Leffler în Handbook on the Toxicology of Metals (Third Edition), 2007, pag. 871–9
[2] – S. Fboreen, Metall Revue (1968) vol.126, p. 115-128;
[3] Kennedy, J. D., Materials and Method to produce the high-speed cutting tools, Metz, (1952)
[4] Kieffer, R., Jangg, G., The development in powder metallurgy method, Powder Metallurgy International , vol. 4 (1972), p. 133-146
[5] Ion Avram, Teza de doctorat “Studii si cercetări privind obţinerea aliajelor dure a materialelor metalo–ceramice , Universitatea Politehnică Bucureşti 1997
[6] Ciocârdia, C., Drăgulănescu, E., Aliaje dure sinterizate din carburi metalice, Editura Tehnică, Bucureşti, (1985) [6] – K.A. ALOGAB, D.K. MATLOCK, and J.G. SPEER
[7] – Kieffer, R., Ettmayer, P., Modern developments in powder metallurgy, New York Seminar, (1971)
[8] – Cojocaru, M., Producerea şi procesarea pulberilor metalice, Editura MATRIX ROM,
[9] – C. M Sellars –„Basics of modeling for control of microstructure in thermomechanical controlled processing”, Ironmaking and Steelmaking 1995, Vol. 22, No. 6, pp. 459-464
[10] – Ştefan Mantea, Nicolae Geru, Titi Dulămiţă, Maria Rădulescu – „Metalurgie Fizică”, Editura Tehnică, 1970.
[11] – Contract RELANSIN nr 1115 /12.01.2001 coordonator proiect ICEM –S.A.
[12] – Paul Nicolae, Paul Herşcovici - New procedure for incolasing the life of cemented carbide cutting tools used in steel bors pecking, Fourth European Symposium for Powder Metallurgy Grenoble, France,1975.
[13] – COLECŢIA DE STANDARDE;
[14] – Brookes, K. J. A., Hardmetals and other hard materials, International Carbide Data, (1998), p. 201-208
[15] – Ettmayer, P., Hard metals and Cermets, Int. J. Refract. Met. Hard. Mat. no. 5(1989), p. 145-156
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 55 -
[16] . K. K. Schegraf - Handbook of Thin Film Deposition Processes and Techniques, Noves Publications, USA, 1988.
[17] – M.E. Sjostrand and A.G. Thelin- CVD and PVD Technique for Producing Wear Rezistant Coatings, MPR, Nr. 12, 1986, pag 905.
[18] C.Ruset, V.Braic - Tratarea în plasmă şi cu fasciclue de ioni a suprafeţelor metalice, Revista de tratamente termice, Nr. 1, Sept.1992, pag. 26-41.
[19]. E.Moll, E.Bergmann - Surface Coating Technology, Vol.37, 1989, pag.483.
[20] – Rădulescu Maria – Studiul metalelor, EDP, Bucureşti,(1982);
[21] – Martin, J. W.- Micromechanisms in Particle-Hardened Alloys, pp. 1-94. New York: Cambridge University Press 1980;
[22] – G. S. Anderson, G. K. Wehner, J. Appl. Phys, 31 (1961) 2305;
[23] – G.K.Wehner, D. Rosenberg, J. Appl. Phys, 31(1960)177;
[24] – G.Erkens, R. Wenke, H. G. .Fuss, I. Rass, M Feldhege, R. Cremer -Improved PVD process technique and coatings properties by High Ion Sputtering, Conference Proceedings Coatings in Manufacturing Egineering, 14-15 October 1999, Thessaloniki, Greece.
[26] – H. Michel et.al., Rev. de Metallurgie l0(1972)727-749;
[27] – Co1an H. - La science des materiaux et la metal1urgie de poudres en Roumanie. Traditions et perspectives de cooperation europeen.
[28] – Johnson P.K. - Powder metal1urgy - tehnologic review, J. Powder Mett. No 2/1991, p. 163-172
[29] – Kennedy M. - Increased use of powder metals in the 90's - 1989.
[30] Ku1ik O.A. - Situaţia actuală şi tendinţe de perspectivă în meta1urgia pu1beri1or, Poroşkovaia Metalurghia, 3 - 4/1994 .
[31] – *Mettalurgie des poudres, Materiaux metal1iques frittes a l'exc1usion des metaux-durs, France 1986. .
[32] – Nichiguchi M., Kubo T. - Developments in the powders metallurgy process and its application - Sumitomo Search, 44/1990, p. 306 - 321.
[33] – Okave M. - Tehnologhia poroşkovoi meta1urghii - progresivnaia tehnologhia - J. Soc.Automat. Eng. Jap., 6/1988, p. 742 - 743.
[34] – *Powder metallurgy- PT Werktuigbouw, 1989.
[35] – *Powder metal1urgy in Europe - Inst. J. Powder Met., 1991, p. 388 .
[36] – *Production of Powder Metal1urgy in Japan - Inst. of Japan Powder Met., 3/1992, p. 227
[37] – Segărceanu T. - Masa Rotundă a Academiei României, 14 iulie 1997 .
[38]–Segărceanu T-Materiale noi şi avansate tendinţe şi perspective,Acta Academica.ian. 1992.
[39] –Takahashi K. , Nomura T. - Sintered hard metals and the method for producing the same - Sumitomo Electric Ind., 1990.
[40] – Tracey V.A. - Powder metallurgy and technology - its uses now - World Aersp. Profile 1988, London, p. 108 - 110.
[41] – Tracey V.A. Powder, powder metallurgy and power technology trends in U.K. - Powder Met,
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 56 -
31/1988, p. 168 - 171.
[42] –White D.G. - The dynamics of powder metallurgy - Int.Heat, 8/1990, p. 30 - 33.
[43] -Advanced materials:Their uses and manufacture-High-Tech Materials Alert.,10/1989, p.1-10
[44] – * Aktualnîe problemî poroşkovoi metalurghii, 1990.
[45] – Raluca Fako, Irina Cârceanu,Mircea Siminel, Patricia eagu-Manicatide “Corrosion behavior of some PIM manufactured parts with high geometrical complexity used in the oil extractive industry , International Conference on Powder Metallurgy & Particulate Materials, PM TEC, 2003, June 8-12 MPIF,Las Vegas
[46]- Patricia Manicatide “Influenţa parametrilor tehnologici asupra caracteristicilor fizico-mecanice şi structurale ale unor carburi metalice sinterizate, ROMAT 2004 , International Coneference on Advanced Materials and Technologies, Advanced Materials Section , Bucharest 2004 Ed. Printech, ISBN 973-718-081-X
[47] - Irina Carceanu, Mioara Chivu, Patricia eagu-Manicatide Obtaining of cermet based mixtures devoted to manufacture parts for processing industry, ROMAT 2004 , International Coneference on Advanced Materials and Technologies, Advanced Materials Section , Bucharest 2004 Ed. Printech, ISBN 973-718-081-X
[48]- Mioara Chivu, Irina Cârceanu, Cristian Coman,Patricia eagu-Manicatide- “Tehnologii noi de realizare a plăcuţelor aşchietoare din CMS cu proprietăţi performante- ROMAT 2004” , International Coneference on Advanced Materials and Technologies, Advanced Materials Section , Bucharest 2004 Ed. Printech, ISBN 973-718-081-X
[49] Irina Cârceanu,Patricia eagu-Manicatide,Mihai Neagu-Manicatide, Mioara Chivu, Cristi Coman – “Produse performante din pulberi compozite W-Ni-Cu realizate prin tehnologii moderne ale metalurgiei pulberilor” Societatea Română de Metalurgie Bucureşti
[50] Patricia eagu-Manicatide*, Irina Cârceanu*, Mihai Neagu-Manicatide Considerations concerning the obtaining of some materials with high characteristics at wear and impact rezistance -BRAMAT 2005,Equipments and Technologies in Materials Engineering, Braşov 2005,CD-rom,ISBN 973-635-454-7
[51] Irina Carceanu Patriciaeagu Manicatide;M.Chivu*; C. Coman G. Popescu; C. Trişcă I. Apostolescu –“Some aspects concerning the manufacturing of cermet type hard alloys”- BRAMAT 2005 Equipments and Technologies in Materials Engineering Braşov 2005, CD-rom, ISBN 973-635-454-7
[52] Patricia eagu Manicatide, Irina Cârceanu, Mihai Neagu- Manicatide- Obtaining of some materials with special characteristics in order to realize some marks devoted to oil industry - Third International Conference & Exibition On Powder Metallurgy RoPM 2005Cluj Napoca, Proceeding ,Vol II ISSN 1221-5872
[53] Irina Carceanu, Mioara Chivu, Patricia eagu-Manicatide- New technologies of achievement for cutting tools based cermets, with improved properties- Third International Conference & Exibition On Powder Metallurgy RoPM 2005Cluj Napoca, Proceeding ,Vol II ISSN 1221,Sinaia
[54] Patricia eagu-Manicatide ,Cristian Coman, Mihai Neagu-Manicatide - Samples used at the oil extraction with performance characteristics”- BRAMAT 2007Equipments and Technologies in Materials Engineering, pag. 1.42 ,1.46
[55] Patricia eagu Manicatide, Mihai Neagu Manicatide, Irina Cârceanu, Bucharest, ROMAT, 2008- “Performant materials made of synthetized mettalic carbides created through tehniques
Rezumatul tezei de doctorat
MATERIALE PERFORMATE DI ALIAJE DURE SITERIZATE REALIZATE PRI TEHICI SPECIFICE METALURGIEI PULBERILOR
- 57 -
[56] Irina Carceanu, Georgeta Cosmeleata, Angela Popa, Ioan Nedelcu, E. Jalbă, Patricia Manicatide eagu, Ion Roceanu “Complex multifunctional materials for special applications”
Multifunctional Materials and Structures, Trans Tech Publications, Advanced Materials Research, vol. 47-50(2008), pg.718-721, ISBN 0-87849-378-6, ISBN-13978-0-87849-378-4, Hong-Kong 2008,http://www.scientific.net;
[57]- Patricia eagu-Manicatide, I. Carceanu, M. Neagu-Manicatide, A. Veteleanu “Consideration Regarding the Characteristics of Some Complex Metallic Carbide – Type” Metalurgia international 2009, ISSN 1582-2214 vol 3 2009
[58]- A. Veţeleanu, P. eagu Manicatide “The Mechanical and Tribological Characteristics Determination of the Hybrid Composites”, Metalurgia international 2009, ISSN 1582-2214 vol 3 2009, pag. 89
[59] – Odier P., Lecomte J., Loup 1.P. - Effect of non-stoichiometry on the sintering of doped Ti02 - J. Mater. Sci., 12/1988, p. 6547 - 6553.
[60] – Schatt W., Hinz M. - On the generalizability of defect-activated sintering - Powder Met. Int. 6/1988, p. 17-20.
[61] – She Z. - A study of decomposition conditions of TiC-WC solid solution - I" Conf.met. and Mater Sci.Tungsten, 1989, p. 634 - 638.
[62] – Williams W. S.-Physics of transition metal carbides-Mater. Sci. and Eng.,1-2/1988,1-6
[63] –*Material and processes - Prod. Finish, 1989. [64] – *Super hard alloy made of super fine particles - Tehno Jap., 1/1.
