RU2845808C1 - Способ получения твердосплавных изделий заданной формы из гранулированного порошка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способу получения твердосплавных изделий заданной формы с применением 3Д-печати. По чертежу изделия с учетом деформации заготовки при прессовании изготавливают форму из пластика с прочностью более 50 МПа и модулем Юнга более 1 Гпа. Форму из пластика запрессовывают в стальную оболочку, засыпают гранулированный порошок и прессуют при давлении более 100 МПа. Спрессованную заготовку отделяют от формы и спекают. Обеспечивается высокая твердость, плотность и прочность полученного твердосплавного изделия. 3 ил., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности - к получению образцов твердосплавных изделий заданной формы с применением 3Д-печати.

Известны исследования [1, 2, 3], описывающие получение твердосплавных изделий методом селективного лазерного плавления, селективного лазерного спекания и электронно-лучевого плавления.

Получаемые изделия обладают пониженной твердостью и прочностью из-за высокой пористости и наличия изменений химического состава. При спекании сплава используется высокая температура (>2000°С), вызывающая изменения состава.

Другим подходом является использование связующей струйной 3Д-печати [4], моделирование методом послойного наплавления (ММПН) [5] или гелевой 3Д-печати [6] для изготовления заготовок, которые затем спекают. Так же предлагается использовать пластиковые формы, изготовленные ММПН [7], для шликерного литья заготовок твердосплавных и керамических изделий, которые затем спекают обычными методами. В качестве сырья используются смеси твердосплавных порошков и специальных текучих или легкоплавких материалов.

Из-за отсутствия давления плотность получаемых таким образом заготовок и спеченных образцов ниже, чем плотность заготовок и образцов, получаемых по обычной технологии.

Наиболее близко к предлагаемому методу производства твердосплавных изделий находится способ изготовления высокоплотных твердосплавных деталей заданной формы и режущего инструмента посредством гелевого литья в формы, изготовленные методом 3Д-печати из пластика по чертежу изделия [8]. Суспензию, содержащую вольфрамокобальтовый порошок, впрыскивают в форму детали, полученную из пластика и затем экстрагируют при повышенной температуре и давлении. Полученную заготовку спекают методом горячего статического прессования.

Из-за отсутствия давления плотность получаемых таким образом заготовок и спеченных образцов ниже, чем плотность заготовок и образцов, получаемых по обычной технологии. Применение горячего изостатического прессования приводит к удорожанию процесса спекания.

Технический результат предлагаемого метода формования твердосплавных заготовок заключается в удешевлении производства единичных твердосплавных изделий, обеспечение их высокой плотности, твердости и прочности посредством применения прессования для уплотнения заготовки в процессе формования применяемых в массовом производстве твердосплавных смесей в заключенных в стальную оболочку формах из пластика, изготавливаемых на 3Д-принтере ММПН в соответствии с чертежами, с последующим спеканием изделий из полученных заготовок в печи по обычным для данных марок сплавов методикам.

Технический результат заключается в обеспечении высокой технологической эффективности посредством использования заранее спроектированной с учетом усадки и деформации на основе чертежа изделия формы для прессования, изготовленной ММПН с помощью 3Д-принтера из пластика, обладающего достаточной жесткостью и прочностью, и заранее помещенной в стальную оболочку для повышения жесткости и прочности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения твердосплавных изделий заданной формы из гранулированного твердосплавного порошка, включающем, разработку формы по чертежу изделия с учетом усадки заготовки при спекании, изготовление формы с помощью 3Д-печати из пластика и спекание заготовки, разработку формы из пластика по чертежу изделия осуществляют также с учетом деформации заготовки при прессовании, при этом используют пластик, обладающий прочностью более 50 МПа и модулем Юнга более 1 ГПа, при этом форму из пластика запрессовывают в стальную оболочку, осуществляют прессование гранулированного твердосплавного порошка при давлении более 100 МПа, отделение заготовки от формы и спекание по применяемой для данной марки сплава методике.

Возможность формирования требуемой последовательности выполняемых действий предложенными средствами позволяет решить поставленную задачу, определяет новизну, промышленную применимость и изобретательский уровень разработки.

Способ получения твердосплавных изделий заданной формы из гранулированного порошка изображен на чертежах.

На фиг. 1 - общий вид твердосплавного изделия заданной формы из гранулированного порошка к примеру 1; на фиг. 2 - общий вид твердосплавного изделия заданной формы из гранулированного порошка к примеру 2.

Предлагаемый способ получения твердосплавных изделий заданной формы из гранулированного порошка включает в себя несколько этапов. Разработка конструкции формы по чертежу твердосплавного изделия с учетом деформации заготовки при прессовании и усадки при спекании. Форма матрицы должна позволять запрессовать ее в предварительно изготовленную стальную оболочку простой формы ручным способом.

1) Изготовление формы с помощью 3Д-печати методом наплавки при 100%-ном заполнении из пластика, обладающего удовлетворительной прочностью (>50 МПа) и жесткостью (модуль Юнга не менее ГПА), и запрессовывание ее в стальную оболочку.

2) Прессование гранулированной твердосплавной порошковой смеси в форме из пластика, запрессованной в стальную оболочку.

3) Отделение заготовки от формы из пластика и спекание изделия в условиях, соответствующих марке сплава.

Разработка формы из пластика

Разработка модели формы из пластика ведется в системе автоматизированного проектирования исходя из чертежа твердосплавной детали, планируемой к получению. При проектировании формы из пластика необходимо учитывать размеры получаемой заготовки, чтобы компенсировать усадку заготовки при спекании и упругую деформацию формы из пластика. Для этого необходимо знать относительную плотность заготовки, получаемой при прессовании в заданных условиях. Внешние размеры матрицы формы из пластика должны соответствовать применяемой стальной оболочке. В качестве оболочки можно использовать стальной цилиндр с отверстием, в который будет помещаться матрица формы из пластика.

Изготовление формы из пластика

На втором этапе изготавливают пресс-форму с помощью ММПН. Для этого используют недорогой пластик, обеспечивающий достаточную прочность, точность и качество поверхности. Стальная оболочка позволяет использовать полилактид или акрилонитрил-бутадиен-стирол, предел прочности при сжатии которых составляет более 50 МПа, модуль Юнга - более 1 ГПа. Для достижения максимальной прочности пластика необходимо использовать 100%-ное заполнение формы при печати.

Прессование заготовки

Полученную форму помещают в стальную оболочку прессованием для повышения жесткости и прочности. Для упрощения в дальнейшем отделения заготовки от пресс-формы можно нанести на матрицу и пуансон разделительную смазку на основе стеариновой кислоты. Затем в пресс-форму насыпают заранее приготовленную гранулированную твердосплавную порошковую смесь и прессуют заготовку при давлении не менее 100 МПа для достижения необходимой плотности заготовки. Для улучшения прессуемости изделий заданной формы можно увеличить содержание пластификатора в исходной смеси. При этом необходимо учесть, что, за счет наличия стальной оболочки и объемно-напряженного состояния, пуансон формы из пластика выдерживает давление внутри матрицы, превышающее предел прочности данного пластика на сжатие в 1,5-2 раза. Далее проводят выпрессовывание заготовки и отделяют ее от пуансона.

Спекание заготовки

Спекание заготовки проводят по обычной методике, пригодной для используемой марки твердого сплава. На начальной стадии спекания удаляют пластификатор, на конечной стадии спекания уплотняют изделия до необходимой плотности. Для спекания изделий из полученных заготовок не требуется каких-либо изменений в процессе спекания. После спекания, возможно, понадобится механическая обработка для достижения заданных размеров и качества поверхности изделий.

Пример 1

Для приготовления твердосплавных штабиков, используемых для определения прочности, с размерами 20×6.5×5.25 мм из твердого сплава WC-15Со была разработана форма из пластика, модель которой изображена на фиг. 1. Было рассчитано, что размеры сечения матрицы формы из полилактида с модулем Юнга 1600 МПа увеличатся на 8.7% в результате деформации формы при прессовании твердосплавной смеси в ней при давлении 140 МПа. Относительная плотность заготовки после прессования при давлении 140 МПа и удаления пластификатора по результатам испытаний составляет 55%. Следовательно, линейная усадка образца при спекании до 100%-ной плотности составит (100%-(100%-55%)^1/3)=23.4%. Допуская равномерное распределение плотности заготовки и линейность деформации при прессовании, получаем линейную усадку образца, равную (100%+8.7%)*(100%-23.4%)=16.7%. Таким образом, для получения заготовки с сечением 20×6.5 необходимо увеличить длину и ширину матрицы и пуансона формы из пластика на (16.7%/(100%-16.7%))=20.1%. В результате длина и ширина матрицы и пуансона составили 24.0 и 7.8 мм, соответственно.

Форма из пластика с заданными размерами сечения (фиг. 2) была изготовлена по модели ММПН с помощью незаявляемого 3D-принтера Flashforge Dreamer (фирма производитель Flashforge, Китай). В качестве полимера для ММПН использовался полилактид (PLA), который является одним из наиболее доступных пластиков, применяемым для 3Д-печати. Условия печати были выбраны таким образом, чтобы обеспечить наибольшую твердость, прочность и жесткость деталей формы из пластика при минимальных затратах времени на изготовление. Заполнение было 100%, толщина первого слоя 0.27 мм, толщина остальных слоев - 0.15 мм. Температура печати - 205°С.

Масса навески 12.5 г гранул порошка WC-15Co, содержащих 4% каучука, была подобрана таким образом, чтобы обеспечить необходимый объем и массу заготовки. Перед началом прессования пуансоны и внутренняя поверхность формы из пластика обрабатывались разделительной смазкой на основе стеариновой кислоты для облегчения отделения образцов от формы. Прессование проводилось на испытательном прессе ИП-250М. Перед прессованием экспериментально было определено максимальное давление, которое выдержит пуансон формы из пластика в процессе прессования без заметной пластической деформации и разрушения. Давление прессования в стальной пресс-форме было 140 МПа. После прессования образцы выпрессовывали и аккуратно отделяли от пуансона. Значения плотности заготовок, полученных прессованием в формах из пластика, составили 7.98 г/см³. Относительные плотности прессовок составляют 90% исходя из теоретической плотности смеси порошка и пластификатора 8.85 г/см³. Относительная плотность полученных заготовок выше, чем плотность заготовок 20-30%, полученных методами 3Д-печати напрямую (ССЗДП, ЗДГП, СЛП). Это связано с тем, что при 3Д-печати уплотнение смеси происходит под действием гравитации, что не позволяет заполнить поры даже при использованиях смесей с повышенной текучестью.

После прессования образцы спекали в вакуумной печи при максимальной температуре 1450°С в течении 60 минут. После спекания проводили измерения плотности, массы, геометрических размеров, твердости и прочности полученных образцов. Дина (19,8 мм) и ширина (6,4 мм) образца отличались от прогнозируемых значений в пределах допуска (ГОСТ 20019-74). Испытания на прочность по стандартной методике ISO 3327:2009 показали, что прочность образца составила 1950 МПа. Относительная плотность составляет 99.5%, твердость по Виккерсу - 1150HV.

Благодаря высокой относительной плотности (>99%) и отсутствию крупных дефектов полученные спеканием образцы обладают прочностью и твердостью, соответствующей стандартному сплаву ВК15 ГОСТ 3882-74. Плотность полученных образцов выше, чем плотность всех образцов, полученных 3Д-печатью напрямую, поэтому их прочность оказалась выше. Образцы, полученные прессованием в напечатанную форму из пластика, сохранили на своей поверхности оттиск поверхности пуансона, пример оттиска на штабике приведен на фиг. 3. Профиль пуансона формы из пластика полностью повторяется в профиле поверхности полученного образца. При этом размеры элементов образца на 15-25% меньше, чем размеры этих же элементов у пуансона, что приблизительно равно усадке образца.

Пример 2

Для приготовления квадратного резца SNUM-120408 с размерами 12.7×12.7×5 мм из используемой в примере 1 твердосплавной порошковой смеси WC-15Co с пластификатором (4% каучука) была разработана форма из пластика, изображенная на фиг. 4. Размеры сечения матрицы были увеличены на 20.1% до 15.2*15.2 для того, чтобы учесть деформацию при прессовании и усадку при спекании. Процесс изготовления формы, прессование резца и спекание повторяет пример 1. Масса навески с учетом заданной высоты образца составила 9.2 г. После спекания был получен квадратный резец, фотография которого представлена на фиг. 5. Характеристики полученного образца удовлетворяют требованиям ГОСТа 3882-74 к сплаву ВК15 по плотности 99.2% (13,95 г/см³) и твердости HRA86.

Заключение

Предлагаемый способ позволяет значительно снизить затраты на получение единичных твердосплавных изделий заданной формы за счет использования промышленных гранулированных твердосплавных порошковых смесей в результате их прессования в форме из пластика, изготовленной с помощью 3Д-принтера ММПН, и последующего спекания в обычных условиях.

Список источников

1. Y. Yang, С.Zhang, D. Wang, L. Nie, D. Wellmann, and Y. Tian, Additive manufacturing of WC-Co hardmetals: a review, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 108, no. 5-6, pp. 1653-1673, May 2020, doi: 10.1007/s00170-020-05389-5

2. J. Chen et al. Microstructure analysis of high density WC-Co composite prepared by one step selective laser melting, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 84, Nov 2019, Art no. 104980, doi: 10.1016/j.ijrmhm.2019.104980

3. A. Domashenkov, A. Borbely, and I. Smurov, Structural modifications of WC/Co nanophased and conventional powders processed by selective laser melting, Materials and Manufacturing Processes, vol. 32, no. 1, pp. 93-100, 2017, doi: 10.1080/10426914.2016.1176195

4. A. Mostafaei, P.R. De Vecchis, K.A. Kimes, D. Elhassid, and M. Chmielus, Effect of binder saturation and drying time on microstructure and resulting properties of sinter-HIP binder-jet 3D-printed WC-Co composites, Additive Manufacturing, vol. 46, Oct 2021, Art no. 102128, doi: 10.1016/j.addma.2021.102128

5. W. Lengauer et al. Fabrication and properties of extrusion-based 3D-printed hardmetal and cermet components, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 82, pp. 141-149, Aug 2019, doi: 10.1016/j.ijrmhm.2019.04.011

6. X.Y. Zhang, Z.M. Guo, C.G. Chen, and W.W. Yang, Additive manufacturing of WC-20Co components by 3D gel-printing, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 70, pp.215-223, Jan 2018, doi: 10.1016/j.ijrmhm.2017.10.005

7. H. Kim, J.I. Kim, S.S. Ryu, and H. Jeong, Cast WC-Co alloy-based tool manufacturing using a polymeric mold prepared via digital light processing 3D printing, Materials Letters, vol. 306, Jan 2022, Art no. 130979, doi: 10.1016/j.matlet.2021.130979

8. CN 104907567 A.

Claims (1)

1. Способ получения твердосплавного изделия заданной формы из гранулированного твердосплавного порошка, включающий изготовление путем ЗД-печати из пластика формы, содержащей матрицу и пуансон, формование и спекание заготовки, отличающийся тем, что упомянутую форму изготавливают по чертежу изделия с учетом деформации заготовки при прессовании из пластика, обладающего прочностью более 50 МПа и модулем Юнга более 1 ГПа, при этом внешние размеры матрицы обеспечивают возможность ее запрессовки в стальную оболочку ручным способом, в матрице размещают гранулированный твердосплавный порошок, а формование осуществляют путем прессования при давлении более 100 МПа.