Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Была разработана технологическая схема создания образцов твердого сплава с применением 3д печати, которая включает в себя четыре этапа: разработка пресс-формы, изготовление пресс-формы методом 3д печати из пластика, прессование пластифицированной твердосплавной порошковой смеси и спекание. Были изготовлены пластиковые пресс-формы для прессования образцов твердых сплавов методом послойного наплавления с помощью 3D принтера Flash Forge Dreamer. При печати использовали 100% - ное заполнение и толщину слоев равную 0,1 мм. Были проведены механические испытания пуансонов вне матрицы и внутри матрицы. Матрицы пластиковых пресс-форм перед испытанием помещали в стальную оболочку для повышения прочности и жесткости пресс-форм. В качестве объекта для сравнения была использована пресс-форма из закаленной стали 45. При испытании использовали матрицы и пресс-формы для получения заготовок (штабиков) используемых для испытания на прочность по ИСО 3327:2009. Так же были получены заготовки и образцы режущих пластин SNUM-120408 из твердых сплавов WC-15Co и WC-5TiC-10Co с использованием спроектированной пресс-формы. Были проведены поисковые исследования эффективности различных методов решения проблемы прилипания заготовок к пуансонам пресс-форм: использование разделительных смазок на основе парафина, силикона и стеариновой кислоты, и использование разделительных прокладок. Были проведены исследования прессуемости порошковых смесей WC-Co и WC-TiC-Co при прессовании заготовок в изготовленных методом 3д печати пластиковых пресс-формах при давлении до 120 МПа, и в пресс-форме из закаленной стали при давлении 210 МПа. Для изготовления образцов использовали порошковые смеси WC-15Co и WC-5TiC-10Co, полученные смешиванием соответствующих массовых долей среднезернистых порошков WC, (Ti,W)C и Co в течение 20-ти минут в планетарной шаровой мельнице. В полученные партии порошка добавляли раствор каучука в бензине для получения смесей, содержащих 1% - 4 % каучука. Затем смеси высушивали и гранулировали. Были получены зависимости плотности заготовок от давления в процессе прессования на основе показаний испытательного пресса и зависимости плотности от давления прессования отдельных образцов. Значения плотности прессованных заготовок и спеченных образцов определяли гидростатическим взвешиванием. Спрессованные заготовки спекали в вакуумной печи Сarbolite STF при максимальной температуре 1450°С и выдержке – 60 минут. После спекания проводили измерение размеров с помощью микрометра и профиля с помощью профилометра. Затем поверхность образцов шлифовали для исследования микроструктуры и свойств. Далее проводили исследование микроструктуры и измерение плотности, твердости, прочности и вязкости разрушения образцов. Выводы 1. Испытания показали, что прочность пластиковых пуансонов из PLA составляет 70 МПа, прочность пуансона из ABS - 73 МПа. Пластиковый пуансон из PLA, при испытании в составе пресс-формы, выдерживает давление до 140 МПа благодаря наличию давления со стороны стенок матрицы. Исследования показали, что модуль Юнга пластикового пуансона из PLA (1,35 ГПа) используемого для создания пресс-формы в 148 раз меньше модуля Юнга стального пуансона (200 ГПа). Прочность пластиков удовлетворяет минимальным требованиям для прессования заготовок твердосплавных изделий. Исследования показали, что сила трения составляет 14,1 % от приложенной нагрузки для пресс-формы из PLA и 15,1 % от приложенной нагрузки для пресс-формы из ABS при максимальных прилагаемых давлениях. 2. Исследования показали, что разделительные смазки на основе парафина и силикона не решают проблему с отделением спрессованной твердосплавной заготовки от деталей пластиковой пресс-формы, так как сами смазки имеют высокую адгезию и к каучуку и к пластику. Использование разделительной смазки на основе стеариновой кислоты позволяет успешно отделять заготовки от пластиковых пресс-форм, так как данная смазка обладает низкой адгезией к каучуку. Испытания показали, что тонкие одноразовые пластиковые прокладки, изготовленные методом 3д печати из тех же материалов (ABS и PLA), и располагаемые между пуансоном и заготовкой легко отделяются от пресс-формы и от заготовки без остатка при нагреве до температуры 100 ͦС. 3. Увеличение давления прессования с 40 до 210 МПа в пластиковых и стальных формах повышает относительную плотность заготовок WC-15Co с 65% до 75%. Плотность заготовки, полученной в пластиковой форме при давлении 120 МПа, была всего на 5% ниже плотности заготовки, спрессованной в стальной форме при давлении 210 МПа. Плотность заготовки режущей пластины WC-15Co (63%), полученной под давлением 64 МПа, была на 2% меньше плотности других заготовок из-за увеличенной площади поверхности контакта пуансона и заготовки. 4. Выявлена тенденция к линейному увеличению плотности спеченных образцов WC-15Co с 98,7% до 99,5% при увеличении давления прессования их заготовок с 40 до 120 МПа. Плотность образца, спеченного после прессования в стальной форме при давлении 210 МПа (99,8%), оказалась только на 0,2% выше плотности образца, спеченного после прессования в пластиковой пресс-форме при давлении 120 МПа. Плотность режущей пластины WC-15Co (98,7%) оказалась ниже из-за меньшей плотности заготовки. 5. Исследования показали, что при увеличении содержания пластификатора (каучука) с 1% до 4% наблюдается рост относительной плотности заготовок WC-15Co с 61% до 91% при использовании пластиковой пресс-формы. 6. Плотности спеченных образцов WC-15Co при увеличении содержания пластификатора c 1% до 4% снижаются с 99,4% до 99,3% из-за увеличения содержания углерода и остаются на 0,3-0,6% меньше плотности образцов, полученных с применением стальной пресс-формы (99,6% -100,0%). 7. Относительная плотность заготовок, полученных прессованием в изготовленных методом 3д печати пластиковых пресс-формах (61%-90%), оказалась значительно выше, чем плотность заготовок, полученных методами струйной, гелевой и экструзионной 3д печати напрямую (20-30%). 8. Микроструктуры образцов, полученных с применением пластиковых и стальной пресс-форм, мало отличаются друг от друга. Твердость всех изготовленных образцов сплава WC-15Co находится в диапазоне от 1140 до 1170HV и не отличается от аналогов, полученных при использовании стальной пресс-формы. Вязкость разрушения наиболее плотных образцов WC-15Co (24,0±1,4 МПа*м1/2), полученных после прессования в пластиковых пресс-формах, отличается незначительно от вязкости образцов, полученных после прессования в стальной пресс-форме (24,4±1,6 МПа*м1/2). Прочность образцов WC-15Co, полученных с использованием стальной и пластиковой форм, снижается с 2430 до 1550 МПа при увеличении пористости с 0,5% (давление прессования 120 МПа) до 1,3%(давление прессования 40 МПа). Сравнительный анализ показал, что полученные образцы твердого сплава обладают большей плотностью и твердостью, чем аналоги, получаемые методами 3Д печати напрямую. 9. В работе установлено, что зависимость относительной плотности заготовок из сплава WC-5TiC-10Co от давления при прессовании в пресс-формах из ABS и PLA отличаются друг от друга незначительно. Плотность спеченных образцов из сплава WC-5TiC-10Co, спеченных после прессования в пресс-формах из PLA оказалась выше, чем плотность образцов, полученных после прессования в пресс-формах из ABS. Относительная плотность режущей пластины WC-5TiC-10Co (96,6%) при использовании PLA удовлетворяет требованиям существующего стандарта и обеспечивает удовлетворительную твердость (1400HV). Использование ABS в качестве материала пресс-формы для изготовления пластины приводит к снижению плотности до 95,0% и твердости до 1370HV получаемого изделия из-за смешивания с пластификатором (каучуком) в процессе спекания.