Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co
The results are given of technological studies of the injection molding of products from metal-ceramic powders-based thermoplastic mixtures. The results are given of influence of the injection molding parameters on the mechanical properties of WC–Co alloys.
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Дата: | 2007 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2007
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135421 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co / В.В. Ивженко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 460-466. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-135421 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ивженко, В.В. 2018-06-15T10:58:13Z 2018-06-15T10:58:13Z 2007 Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co / В.В. Ивженко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 460-466. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135421 621.762 The results are given of technological studies of the injection molding of products from metal-ceramic powders-based thermoplastic mixtures. The results are given of influence of the injection molding parameters on the mechanical properties of WC–Co alloys. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co |
| spellingShingle |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co Ивженко, В.В. Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности |
| title_short |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co |
| title_full |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co |
| title_fullStr |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co |
| title_full_unstemmed |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co |
| title_sort |
исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов wc–co |
| author |
Ивженко, В.В. |
| author_facet |
Ивженко, В.В. |
| topic |
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности |
| topic_facet |
Техника и технология производства твердых сплавов и их применение в инструменте для различных отраслей промышленности |
| publishDate |
2007 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
The results are given of technological studies of the injection molding of products from
metal-ceramic powders-based thermoplastic mixtures. The results are given of influence of the injection molding parameters on the mechanical properties of WC–Co alloys.
|
| issn |
2223-3938 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/135421 |
| citation_txt |
Исследование влияния параметров инжекционного литья на физико-механические свойства твердых сплавов WC–Co / В.В. Ивженко // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2007. — Вип. 10. — С. 460-466. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT ivženkovv issledovanievliâniâparametrovinžekcionnogolitʹânafizikomehaničeskiesvoistvatverdyhsplavovwcco |
| first_indexed |
2025-11-24T16:07:15Z |
| last_indexed |
2025-11-24T16:07:15Z |
| _version_ |
1850850771508133888 |
| fulltext |
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
460
УДК 621.762
В. В. Ивженко, канд. техн. наук
Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев, Украина
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНЖЕКЦИОННОГО
ЛИТЬЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ WC–Co
The results are given of technological studies of the injection molding of products from
metal-ceramic powders-based thermoplastic mixtures. The results are given of influence of the in-
jection molding parameters on the mechanical properties of WC–Co alloys.
Получение изделий из твердых сплавов сложной формы наиболее перспективно с ис-
пользованием технологии инжекционного формования (ИФ). Метод ИФ изделий из керами-
ческих и металлокерамических материалов заключается в структурообразовании монолитно-
го изделия определенной геометрической формы из порошковых смесей и состоит из 5 эта-
пов [1].
Первый этап – подготовка порошков с необходимыми гранулометрическим составом
частиц и морфологией.
Второй этап – получение гомогенных смесей порошков со связующими веществами.
Третий этап – выдавливание через инжектор пластифицированной порошковой массы
в пресс-форму, рабочая полость которой соответствует конфигурации формуемого изделия.
Четвертый этап – удаление связующего.
Пятый этап – уплотнение заготовок при температурах спекания порошков.
При инжекционном литье керамических и металлокерамических порошков в качестве
связующего обычно применяются термопластичные органические связки. К ним относятся
органические вещества, которые способны переходить из твердого состояния в жид-
кое, из жидкого в твердое в результате нагрева и охлаждения. Выбор состава связки
производят исходя из основных требований, предъявляемых к термопластичным массам:
минимальная концентрация связующего, необходимая для образования литейной системы;
максимальный коэффициент упаковки частиц в системе; минимальная вязкость системы;
минимальная объемная усадка; максимальная механическая прочность материала после
инжекционного литья. В качестве основы термопластичных связующих для керамиче-
ских и металлокерамических порошков наиболее приемлемыми являются парафиновые
связки [2, 3]. Парафин обладает низкими температурами плавления (51 °С) и кристалли-
зации (54–55 °C), низкой вязкостью (0,73 Пас при 70 °С), небольшой величиной объем-
ной усадки при охлаждении (10 %). Для улучшения литейной способности в состав термо-
пластичних связующих вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ). В качестве ПАВ в
состав парафиновой связки вводятся органические вещества: олеиновая и стеариновая
кислоты, животные жиры, пчелиный воск и др. [2].
В наших исследованиях использовался парафин и пчелиный воск. Температура плав-
ления пчелиного воска – 59 ºС, температура кристаллизации – 61–63 ºС. Соотношение ком-
понентов термопластичной связки составляло: 94 % (по массе) парафина, 6 % (по массе)
пчелиного воска. Подготовку термопластичных масс проводили на трехскоростном смеси-
тельном устройстве объемом 2 л установки для горячего шликерного литья. При исследова-
нии процесса инжекционного литья использовали установку для инжекционного литья тер-
мопластичных масс, имеющую систему вакуумирования рабочего объема [4]. Отгонка свя-
зующего осуществлялась в вакуумных шкафах СНВС-4,5 в засыпке из оксида алюминия.
Спекание изделий проводилось в трубчатой четырехзонной печи модели 12.092. Для прове-
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
461
дения исследований использовался порошок марки ВК15 со средним размером частиц 1,1
мкм. Фазовый состав порошка составлял 86 % (по массе) WC, 14 % (по массе) Со.
Инжекционное литье осуществляется путем заполнения металлической формы тер-
мопластичной массой, разогретой до заданной температуры, и выдержки под давлением на
протяжении времени, необходимого для охлаждения массы в форме. В наших исследованиях
использовались пресс-формы для получения изделий размером 32×45×6,3 мм (объем 9,1 см
3
)
и 6×6×40 мм (объем 1,4 см
3
). Эксперименты при давлении инжектирования 2÷9,5 МПа про-
водили на установке для инжекционного литья. Эксперименты при давлении 0,5 МПа прово-
дили на установке для шликерного литья. Время выдержки под давлением после инжектиро-
вания массы в пресс-форму составляло 8–10 с [4]. При исследовании процесса проводилась
оценка изделий на наличие таких типичных для технологии горячего шликерного литья де-
фектов, как недолив и неслитины [2]. Недолив – это дефект, вызванный отвердением литей-
ной системы до полного заполнения объема формы. Неслитины – это результат неполноцен-
ного слияния нескольких потоков шликера из-за их сильного охлаждения и затвердения по-
верхностных слоев вещества литейной системы. Плотность и пористость материалов опреде-
ляли по методике, регламентированной ГОСТ 20018–74. Определение характеристик проч-
ности материалов проводили на универсальной испытательной машине UTS-100 методом
трехточечного изгиба на призматических образцах размером 5×5×35 мм при расстоянии ме-
жду опорами 30 мм. Скорость нагружения составляла 6,5∙10
-5
м/с.
Установлено, что при температуре в рабочем цилиндре (Тц) ниже 60 ºС и исследуемых
давлениях формования (0,5–9,5 МПа) впрыскивание термопластичной массы в пресс-форму
не происходит. При Тц>82ºС наблюдается значительное вспучивание термопластичной мас-
сы в питателе установки. В таблице приведены результаты исследования влияния темпера-
туры и давления на характер дефектов в модельных изделиях из термопластичных материа-
лов на основе порошка WC–Co.
Для сравнения в таблице представлены также результаты аналогичного исследования
модельных изделий из термопластичного материала на основе керамического порошка AlN–
Y2O3. Исследования показали, что инжектирование термопластичной массы на основе кера-
мического порошка происходит без видимых дефектов при температурах процесса 68–82 ºС.
При меньших температурах наблюдаются такие дефекты, как недолив и неслитины. Инжек-
тирование термопластичной массы на основе карбида вольфрама происходит при более низ-
ких температурах процесса, а именно – при 62–74 ºС. При температуре процесса 76 ºС инже-
ктирование массы в пресс-форму невозможно из-за ее расслоения в объеме рабочего цилин-
дра на парафин и порошок. Очевидно, такое отличие эффективного интервала температуры
инжектирования термопластичных масс на основе керамических и металлокерамических
порошков связано с большой разностью в удельном весе порошков: с повышением темпера-
туры значительно уменьшается вязкость литейной системы, тяжелые частицы карбида воль-
фрама не удерживаются молекулярными связями со связующим и оседают под действием
силы тяжести.
На рис. 1 представлены результаты исследования зависимости плотности термопласти-
чного материала на основе карбида вольфрама от давления инжектирования при температурах
процесса 62; 68; 74 ºС. Плотность материала увеличивается на ~3,5 % с увеличением давления
от 0,5 до 7–9,5 МПа при температуре 68 ºС. При этом в 3–4 раза уменьшается разброс значений
плотности образцов. С увеличением температуры процесса с 68 до 74 ºС плотность уменьшае-
тся и разброс значений плотности увеличивается.
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
462
Влияние режимов инжекционного литья на характер дефектов в модельных
изделиях из термопластичных материалов
Характеристика термопластичной
массы
Температура
формования,
ºС
Давление
формова-
ния,МПа
Дефект
Состав шихты: 95 % AlN–5 % Y2O3
Средний размер частиц порошка 1,2
мкм
Весовое содержание связующего
11,6 %
Объемное содержание связующего
32,4 %
Вязкость 26 Н∙с/м
2
60
0,5 Нет заполнения
2,0 Недолив
9,5 Недолив
62
0,5 Нет заполнения
2,0 Неслитины
9,5 Неслитины
68
0,5 Нет дефектов
2,0 Нет дефектов
82
0,5 Нет дефектов
2,0 Нет дефектов
Состав шихты: 85 % WC–15 % Co
Средний размер частиц порошка
1,1 мкм
Весовое содержание связующего
5,5 %
Объемное содержание связующего
47,5 %
Вязкость 24 Н∙с/м
2
60 0,5 Нет заполнения
2,0 Неслитины
9,5 Неслитины
62 0,5 Нет дефектов
2,0 Нет дефектов
74 0,5 Нет дефектов
2,0 Нет дефектов
76 0,5 Расслоение массы
9,5 Расслоение массы
Рис. 1. Зависимость плотности (ρ) термопластичных материалов 52,5 % (по объему)
(WC–Co) – 47,5 % (по объему) парафина от давления инжектирования (Р) при температу-
рах процесса 62 ºС; 68 ºС; 74 ºС.
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
463
На рис. 2 представлены результаты исследования зависимости предела прочности при
изгибе термопластичного материала на основе карбида вольфрама от давления инжектиро-
вания при различных температурах процесса. Прочность материала, полученного при 62 ºС,
увеличивается на ~ 11 % с увеличением давления от 0,5 до 3–9,5 МПа. Более высокие значе-
ния прочности материала получены при температуре 68 ºС и давлениях 3–5 МПа. При давле-
ниях формования 5–9,5 МПа наблюдается падение прочности термопластичного материала.
Прочность материала, полученного при 74 ºС, уменьшается на ~ 12 % с увеличением давле-
ния от 0,5 до 9,5 МПа.
Рис. 2. Зависимость предела прочности при изгибе (Rbm) термопластичных материа-
лов 52,5 об. % ( WC–Co) – 47,5 % (по объему) парафина от давления инжектирования (P)
при температурах процесса 62 ºС; 68 ºС; 74 ºС.
Такой характер зависимости предела прочности при изгибе от давления формования ма-
териала при температурах процесса 68 и 74 ºС связан с явлением упругого последействия [6].
На рис. 3 представлена зависимость изменения размеров модельных изделий из тер-
мопластичного материала на основе карбида вольфрама от давления инжектирования. С уве-
личением давления усадка уменьшается, а при давлениях 7–9,5 МПа и температуре процесса
74 ºС она уменьшается более чем в два раза. В результате упругого последействия напряже-
ния, которые возникают в термопластичном материале, приводят к микрорастрескиванию и
снижению прочности материала.
Рис. 3. Зависимость изменения размеров модельных изделий (∆l/l) из термопластич-
ного материала 52,5 % (по объему) (WC–Co) – 47,5 % (по объему) парафина при охлажде-
нии пресс-форм от давления инжектирования (P) при температурах процесса: 1 – Тц =
62 ºС; 2 – Тц = 68 ºС; 3 – Тц = 74 ºС.
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
464
В результате проведенных исследований можно сделать вывод, что основными пара-
метрами, которые определяют эффективность инжектирования, является уровень температуры
в рабочем тракте. Определен эффективный градиент температуры для получения термопла-
стичных материалов на основе металлокерамических порошков (62–76 ºС). При более низких
температурах процесс инжектирования не реализуется или проходит с технологическими де-
фектами (недолив, неслитины). При более высоких температурах в связи с расслоением тер-
мопластичной массы процесс невозможен. Установлено, что при увеличении давления инжек-
тирования уменьшается усадка модельных изделий. Этот эффект является следствием упруго-
го последействия материала после снятия давления. Определено, что упругое последействие
снижает механические свойства термопластичного материала из-за микрорастрескивания. Ис-
следования зависимостей плотности и предела прочности при изгибе от давления инжектиро-
вания показали, что на формирование механических свойств термопластичного материала
влияют два фактора, которые действуют в противоположных направлениях: увеличение плот-
ности и увеличение упругого последействия при увеличении давления инжектирования.
На рис. 4 представлены результаты исследования зависимости плотности твердого спла-
ва 85 % (по массе) WC–15 % (по массе) Co от давления формования при инжекционном литье.
При увеличении давления от 0,5 до 2–9,5 МПа плотность материала увеличивается на 2,5–4,5 %.
Разброс значений уменьшается в 3–5 раз. При этом наиболее высокие значения плотности полу-
чены на образцах, инжектированных при температуре 68 ºС и давлении 3–9,5 МПа: плотность
материала образцов составляет 13,58–13,84 г/см
3
. При температуре инжектирования 74 ºС полу-
чены наиболее низкие значения плотности во всем исследуемом диапазоне давлений, однако
при этом рост плотности при увеличении давления от 0,5 до 9,5 МПа составляет 4,5 %.
Рис. 4. Зависимость плотности материалов (ρ) 85 % (по массе) WC–15 % (по массе)
Co от давления формования (Р) при температурах процесса 62 ºС; 68 ºС; 74 ºС.
На рис. 5 представлены результаты исследования зависимости предела прочности при
изгибе твердого сплава 85 мас. % WC–15 % (по массе) Co от давления формования при ин-
жекционном литье.
РАЗДЕЛ 3. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ
И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ИНСТРУМЕНТЕ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
465
Рис. 5. Зависимость предела прочности при изгибе (Rbm) материала 85 % (по массе)
WC–15 % (по массе) Co от давления формования (Р) при температурах процесса 62 ºС; 68
ºС; 74 ºС.
При увеличении давления от 0,5 до 2–9,5 МПа прочность материала увеличивается на
24–33 %. При этом наиболее высокие результаты (1900–2300 МПа) получены на образцах, ин-
жектированных при температуре 68 ºС (согласно ГОСТ 3882–74 «Спеченные твердые спла-
вы», предел прочности при изгибе для марки твердого сплава ВК15 должен составлять 1900
МПа). При повышении температуры с 68 до 74 ºС предел прочности при изгибе уменьшается
на 5–10 % (плотность твердых сплавов уменьшается на 1–2 %). Таким образом, с увеличением
температуры инжектирования механические свойства твердых сплавов возрастают до опреде-
ленной величины температуры процесса.
На рис. 6 представлены результаты исследования зависимости твердости по Виккерсу
твердого сплава 85 % (по массе) WC–15 % (по массе) Co от давления формования при инже-
кционном литье.
Рис. 6. Зависимость твердости (Hв) материала 85 % (по массе) WC – 15 % (по массе) Co от
давления формования (Р) при температурах процесса: 62 ºС (1); 68
ºС (2); 74 ºС (3).
При увеличении давления от 0,5 до 2–9,5 МПа твердость материала увеличивается на
8–12 %. При этом более высокие значения твердости наблюдаются в образцах, полученных
при температурах инжектирования 68 ºС и 74 ºС. Исследование твердости материалов по
Роквеллу показали, что эта характеристика для всех образцов, полученных при давлении 2–
9,5 МПа, практически одинакова и составляет 86–87 HRA (согласно ГОСТ 3882–74 «Спе-
ченные твердые сплавы», твердость твердого сплава ВК15 должна составлять 86,0 HRA).
Выпуск 10. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
466
Таким образом, наиболее оптимальной температурой процесса инжекционного литья
термопластичных масс на основе порошка карбида вольфрама является 68 ºС. При более вы-
соких температурах происходит изменение в литейных свойствах термопластичной массы
из-за расслоения частиц порошка WC и парафина. Это приводит к неоднородности термоп-
ластичного материала, неравномерной усадке при спекании и, в результате, к неоднороднос-
ти спеченного твердого сплава.
На основании проведенных исследований можно сделать заключение, что основными
параметрами технологии ИФ твердых сплавов являются температура и давление при инжек-
ционном литье, которые определяют коэффициент упаковки, однородность структуры тер-
мопластичного материала и механические свойства твердого сплава.
Литература
1. Powder injection molding / German r. m. // Metal Powd. Industr. Fed. (MPIF), Princeton,
USA. – 1990. – 521 p.
2. Грибовский П. О. Керамические твердые схемы. – М.: Энергия, 1971. – 448 с.
3. Li Y., Huang B., Qu X. Viscosity and melt rheology of metal injection moulding feedstocks //
Powder Metallurgy. – 1999. – 42, N. 1. – P. 86–90.
4. Новиков Н. В., Ивженко В. В., Попов В. А. и др. Оборудование для инжекционного литья
термопластичных масс на основе керамических и металлокерамических порошков // По-
рошковая металлургия. – 2004. – № 9–10. – С. 119–127.
5. Новиков Н. В., Ивженко В. В., Лещук А. А. и др. Экспериментальные исследования и
моделирование инжекционного литья изделий сложных форм из технической керамики //
Сверхтв. материалы. – 2004. – № 5. – С. 3–19.
6. Технологическое исследование закономерностей инжекционного формования изделий
сложной формы из технической керамики и компьютерная оптимизация процесса: Отчет
о НИР / ИСМ НАН Украины. – № ГР 0101U006189. – К., 2005. – 153 с.
Поступила 05.07.07.
|