Kermised ehk kõvasulamid (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Materjalitehnika instituut
Jüri Pirso
KÕVASULAMID e. KERMISED
Loengukonspekt aines
KÕVASULAMID
Tallinn 2004
1 EESSÕNA . Käesolev loengukonspekt käsitleb kõvasulamite e. kermiste koostist, valmistamise tehnoloogiat, omadusi ja kasutamist. On toodud nende omadused ja näidatud kuidas materjalide keemilise koostise ja tehnoloogia ning struktuuri muutmisega saab muuta kõvasulamite mehaanilisi (kõvadus, tugevus, purunemissitkus ) ja keemilisi (oksüdeerumist, korrodeeruvust hapetes ja korrosioon - erosiooni) omadusi. Eestikeelne kirjandus selles valdkonnas praktiliselt puudub. Mõningast informatsiooni kermiste koostise, tehnoloogia ja omaduste kohta on toodud ,,Metalliõpetus ja metallide tehnoloogia" osa 2, mllest on soovitav kermiseid puudutav peatükk eelnevalt läbi lugeda Käesolevas konspektis vaadeldud kõvasulamite erosiooni- ja kulumiskindlust õige põgusalt. Põhjalikult on käsitletud kermiste erosiooni- ja kulumiskindlust mitmesugustes tingimustes loengukonspektis ,, Paagutatud tribomaterjalid", mis on kättesaadav internetiaadressil http//cadds.me.ttu.ee/mti/Trib.pdf. Kermiste väljatöötamise ja uurimisega on TTÜ-s tegeldud üle 20 aasta, mille jooksul on väljatöötatud volframivabad TiC- ja Cr3C2 - baasil kermised. Täiustatud on WC-Co kõvasulamite valmistamise tehnoloogiat ­ mehaaniliselt aktiviseeritud sünteesi WC valmistamiseks ja sellest ülipeene struktuuriga WC-Co kõvasulamite valmistamiseks. Siinkohal on toodud nende uuringute tulemused, mis ühtivad üldiste arusaamadega kermiste koostisest ja tehnoloogiast . Konspekti on mõeldud bakalaureuse ja magistriõppele aines ,,Kõvasulamid". Kursiivis olev tekst annab täiendavat lisainformatsiooni neile, kes tunnevad huvi selle perspektiivse ja unikaalsete omadustega kõrgtehnoloogiliste materjalide vastu.
10. 02. 2004
2 SISUKORD lk
Sissejuhatus 4 1. Koostis ja struktuur 7 2. Valmistamise tehnoloogia 9 2.1 Karbiide valmistamine 10 2.1.1. WC valmistamine 10 2.1.2 TiC valmistamine 12 2.1.3. Cr3C2 valmistamine 16 2.1.4. Karbonitriidid 17 2.1.5. Karbiiide omadused 18 2.2.. Pulbrisegude jahvatamine 19 2.3.Pulbrisegude ettevalmistamine vormimiseks 22 2.4. Kermiste vormimine 23 2.5. Eelpaagutamine 25 2. 6. Mehaaniline töötlemine 25 2. 7. Kermiste paagutamine 26 2.8. Omaduste kontroll 39 2.9 Täiendav töötlemine 39 2.9.1 Lihvimine 39 2.9.2 Poleerimine 40 2.9.3 Pindamine 40 2.9.4. Termiline töötlemine 41 2.8.4.Isostaatiline kuumpresimine 42 3. Kermiste omadused 43 3.1. Kõvadus 48 3.2 Paindetugevus 52 3.3 Purunemissitkus 59 3.4 Erosioonikindlus 60 3.5. Abrasiivkulumine 61 3.6 Hõõrdekulumine 63 4. Kermiste kasutamine 66 4.1. WC-Co kermised 66 4.2.TiC- baasil kermised 66 4.3.Cr3C2-baasil kermised 67 4.4. Boriidide baasil kermised 67 Soovitatav kirjandus 68
3 SISSEJUHATUS
Kôvasulamid e. kermised on komposiitmaterjalid , mis koosnevad kôvadest ja hab- rastest rasksulava ühendi osakestest ( karbiidid , karbonitriidid, boriidid ) ning suhteliselt plastilisest ja pehmest Fe-grupi metallist (Fe,Co,Ni), mis ümbritseb või seob kôvu 1 osakesi. Sellised sulameid nimetatakse kôvasulameiks e. kermisteks.* Reeglina valmistatakse kermiseid pulbertehnoloogia teel. Rasksulavad ühendid on haprad ja väikese tugevusega , mistôttu neid ei saa kasutada metallide lôiketöötlemiseks (koorival treimisel ja freesimisel) ja kulumis- kindla konstruktsioonmaterjalina. Seepärast lisatakse rasksulavatele ühenditele Fe- grupi metalle . Kermiste omadused sôltuvad mitmest faktorist, kuid eelkôige karbiidi ja sideaine vahekorrast ning nende kõvadusest, nendevahlise piiri tugevusest ja struk- tuurist ( poorsus , karbiiditerade suurus ja kuju, karbiiditerade ja sideaine jagunemine, mikropraod, võõrad lisandid). Keemilise koostise järgi jaotatakse kermised volframi baasil sulamid e.kõvasulamid ja volframita sulamid e. kermised. Volframi baasil kõvasulamid jaotatakse alljärgnevalt: - WC-Co sulamid, - WC-TiC-Co sulamid, - WC-TiC-TaC(NbC)-Co sulamid. Volframita kermised jaotatakse: - TiC-NiMo kermised, - Ti(CN)-NiMo kermised - TiC-teras kermised ( Ferro -TiC), - Cr3C2-Ni kermised. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 * ­ Kõvasulamite (hardmetals) all mõistetakse eelkõige volframi baasil WC-Co sulameid.USA-s kasutatakse WC-Co kõvasulamite kohta terminit ,, cemented carbides". Kermised (cermets) on üldisem nimetus ja sisaldab rasksulavate ühendite, sealhulgas ka TiC, TiCN, TiB2, Cr3C2 baasil komposiitmaterjale.
4 Kasutusala järgi liigitada kermiseid 3 gruppi: - tööriistamaterjalid, mida kasutatakse mitmesuguste tööriistade ja instrumentide valmistamiseks (metallide lôiketöötlemine, stantsimine, survetöötlemine, traadi tômbesilmad jne) (66% kogutoodangust); - maavarade kaevandamine (kivipuurid, puurimispead jt) (26% kogutoodangust), - konstruktsioonmaterjalid , mida kasutatakse kulumiskindlate detailide valmistamiseks ( düüsid, pihustid , valtsid, pressvormid jne)( 5...7%); - korrosiooni- ja kuumuskindlad materjalid, mida kasutatakse kôrgetel temperatuuridel vôi agressiivsetes keskkondades (turbiinide töölabidad, pumpade klapid jne)(1-3%). Kôvasulamite kasutuselevôtt 1920-ndate aastate teisel poolel pôhjustas revolutsiooni metallide lôiketöötlemisel. Lôikekiirused ja sellest tulenevalt tööviljakus kasvasid mitmeid kordi vôrreldes senikasutatud kiirlôiketerastest tööriistadega. Edasine kermiste areng on kujunenud nende koostise ja tehnoloogia täiustamisele (Tabel 1). Vaatamata sellele, et kõvasulamist tööriistad on 3-5 korda kallimad kui tööriistaterasest tööriistad, on nende kasutamine õigustatud kuni kümneid kordi pikema tööea tõttu, eriti kui automaatliinidel tööriista vahetamine seiskab kogu tootmisliini. Karbiididest on kôvasulameist kôige enam kasutatav volfram monokarbiid (WC). Ligi 96% maailmas toodetavaist kermistest on WC baasil või sisaldavad WC. WC-l on unikaalsed omadused, mida seni pole suudetud seletada: tal on suhteliselt suure plastsuse juures suurim elastsusmoodul (706 GPa), mis viitab suurtele aatomitevahelistele jõududele. TiC ületab WC-d kôvaduse poolest, kuid jääb tunduvalt alla elastsusmooduli (490 GPa) ja plastilisuse poolest. Teised IV rühma karbiidid HfC ja ZrC vähe erinevad füüsikalis-mehaaniliste omaduste poolest TiC, kuid HfC on kallis ja ZrC märgab halvasti metallidega, mistôttu ei kasutata kermiste saamiseks. V rühma metallide karbiidid VC, TaC ja NbC on vôrreldes TiC väiksema kôvadusega ja ei erine elastsusmooduli poolest. VC annab Fe-rühma metallidega kergestisulava eutektikumi , mistôttu tema baasil kermised on väikese kuumuskindlusega.
5 VI rühma metallide karbiidid Cr3C2 ja Mo2C on leidnud piiratud kasutamist (peale WC). Cr3C2 baasil kermised on haprad ja väikese tugevusega, kuid tänu oma suurepärase korrosioonikindlusele ja kuumapüsivusele, on nad perspektiivsed materjalid kasutamiseks agressiivsetes keskkondades ja kôrgetel temperatuuridel. Kermiste koostise ja tehnoloogia ajalooline areng [ 2] Tabel 1 WC baasil kõvsulamid TiC baasil kermised 1923 - 25 WC- Co 1929-31 TiC-Mo2C-Ni,Cr,Mo 1929-31 WC-TiC-Co 1930-31 TaC-Ni 1930-31 WC-TaC(VC,NbC)-Co 1931 TiC-TaC-Ni 1933 WC-TaC(NbC)-Co 1931 TiC-Ni,Cr,Mo,W,Co 1938 WC-Cr3C2-Co 1938 TiC-VC-Ni,Fe 1947-70 Sub-micron WC-Cr3C2-Co 1944 TiC-NbC-Ni,Co 1956 WC-TaC(NbC)- Cr3C2 - Co 1949 TiC-VC-NbC-Mo2C Ni 1959 WC-TiC- HfC-Co 1950 TiC(TaC-Mo2C)Ni,Co-Cr 1968-69 WC-TaC(NbC)- HfC - Co 1952-66 Termotööt. TiC-Fe 1965-78 TiC,TiN,Ti(C,N),HfC,Al2O3 pinne 1957 TiC-TiB2 1965-75 Isostaatiline kuumpressimine 1965-70 TiC-Mo2C-Ni,Mo 1969-71 Termomehaaniline pinna tugevdamine 1968-70 (Ti,Mo)C-Ni,Mo 1974-77 Teemantpinded WC-baasil kermistel 1969-70 TiC-TiN-Ni 1973-78 Kombineeritud mitmekihilised pinded 1968-73 TiC- Al2O3 1976-79 Ru- miga legeeritud kermised 1972-75 TiC-TaN-Ni 1981 AlON õhukesed pinded kermistel 1979 TiC-TaC-Mo2C-Ni sulam 1992-96 CVD teemantpinded kermistel 1980 Ti(C,N) -supersulam 1995-96 CVD boornitriid pinded kermistel 1990-94 CVD ja PVD pinded 1999 Nanostruktuursed kermised 2001 Nanostruktuursed TiC ker.
Seega tänapäeval valmistatakse kermised pôhiliselt WC baasil ja vähesel määral TiC ja Cr3C2 baasil. Teine kermise komponet ­ sideaine- on samuti olulise tähtsusega,
6 kuna temast sôltuvad oluliselt kermiste omadused. Seepärast esitatakse sideainele rida kindlaid eeltingimusi: 1. Rasksulav keemiline ühend ( karbiid , karbonitriid, boriid) ja sideaine peavad moodustama kahefaasilise struktuuri. 2. Rasksulav ühend peab osaliselt lahustuma sideaines, kuid sideaine ei tohi lahustuda temas ega moodustada tema baasil tardlahuseid vôi keemilisi ühendeid. 3. Sideaine peab vedelas olekus hästi märgama rasksulavat ühendit, et tagada vedela metalli valgumine terade vahele. 4. Sideaines lahustunud rasksulav ühend ei tohi moodustada tema baasil intermetalliide ega keemilisi ühendeid. 5. Sideaine peab olema suure voolavuspiiriga nii normaal kui ka kôrgetel temperatuuridel. Kôige paremini vastab eeltoodud nôuetele sideainena Fe grupi metallid - koobalt (WC baasil kermistele) ja nikkel (TiC ja Cr3C2 baasil kermistele) ning Fe - TiC sulameile. Nad praktiliselt ei lahustu toatemperatuuril karbiidides (