Получение твердосплавных изделий с использованием аддитивных технологий

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00063

НазваниеПолучение твердосплавных изделий с использованием аддитивных технологий

Руководитель Дворник Максим Иванович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Хабаровский Федеральный исследовательский центр Дальневосточного отделения Российской академии наук , Хабаровский край

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова аддитивные технологии, пластик, метод послойного наплавления, твердый сплав, карбид вольфрама, прессование, спекание, пористость, прочность, твердость.

Код ГРНТИ53.39.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Благодаря высоким эксплуатационным характеристикам твердые сплавы (WC-Co, WC-TiC-Co и др.) применяются уже 100 лет и являются в настоящее время наиболее распространенным инструментальным материалом. В последние годы предпринимаются многочисленные попытки производства образцов из твердых сплавов сложной формы методами 3д печати, что позволило бы значительно сократить затраты на создание единичных изделий. Однако получение образцов твердых сплавов селективным лазерным плавлением требует использования дорогостоящих частиц сферической формы. Полученные изделия имеют низкую твердость и прочность из-за высокой пористости и декарбидизации. Изделия, спеченные из заготовок, полученных струйной или гелевой 3D-печатью, 3D-печатью методом наплавления или шликерным литьем в напечатанные на 3д принтере пластиковые пресс-формы обладают низкой плотностью и пониженными механическими характеристиками из-за отсутствия давления при создании заготовок. Мы предлагаем использовать пресс-формы, полученные 3д печатью методом послойного наплавления, для прессования в них заготовок из гранулированной смеси твердого сплава и связующего, которая используется в обычной технологии производства твердосплавных изделий. Такой подход позволяет достичь необходимой плотности заготовок и изделий и удешевить производство прототипов. Полученную заготовку можно спекать по обычной методике в вакуумных печах или под давлением. Предлагаемая методика позволит получать изделия сложной формы с криволинейными поверхностями и внутренними полостями, без потери качества. Отдельным достоинством применения пластиковых пресс-форм является возможность их полного удаления плавлением или растворением. Можно будет создавать детали твердосплавных пресс-форм, режущие пластины, турбины, цельные твердосплавные инструменты, сердечники бронебойных снарядов, буровые коронки и трущиеся детали сложной формы с использованием существующих технологий без необходимости закупать дорогостоящее оборудование и специальные порошки. Впервые будет применено прессование при получении твердосплавных изделий с применением аддитивных технологий, что позволит снизить пористость и получить высокие механические характеристики. Для этого необходимо исследовать возможности получения таких изделий с требуемыми свойствами при использовании пластиковых форм. Несмотря на низкую прочность (около 75 МПа) и жесткость (около 1.1 ГПа) широко применяемых в 3д печати пластиков в работе будет обеспечено достаточное для прессования твердосплавных порошков давление прессования (100-400 МПа) за счет использования эффекта всестороннего сжатия и заключения пластиковой пресс-формы в стальную оболочку. Будут определены максимальные нагрузки для разных видов пластика. Будут определены плотности заготовок в зависимости от состава и условий прессования в пресс-формах, полученных 3д печатью. Планируется проведение оценки неравномерности распределения давления по объему заготовок сложной формы при прессовании. Будут определены величины деформации пресс-формы при прессовании и усадки заготовок при спекании. Планируется получение резца и фрезы и исследование их механических и эксплуатационных характеристик. Цель работы – разработка методики производства твердосплавных изделий сложной формы с использованием пластиковых пресс-форм, полученных методом послойной наплавки которые бы не отличались по составу структуре и свойств от изделий получаемых современными методами в промышленности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дворник М.И., Михайленко Е.А., Бурков А.А., Шичалин О.О. 3D printed plastic molds utilization for WC-15Co cemented carbide cold pressing International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Volume115, Article Number 106312 (год публикации - 2023)
10.1016/j.ijrmhm.2023.106312

2. Дворник М.И., Михайленко Е.А., Бурков А.А., Кользун Д.А. Зависимость плотности, твердости, прочности и размеров образцов твердого сплава WC- 15Co от содержания пластификатора в заготовках, полученных при использовании пластиковой пресс-формы, изготовленной методом 3D-печати Перспективные материалы (год публикации - 2024)

3. Дворник М.И., Михайленко Е.А., Бурков А.А., Кользун Д.А. ПОЛУЧЕНИЕ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА Т5К10 С ИCПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРЕСС-ФОРМ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ АДДИТИВНЫМ МЕТОДОМ ИЗ PLA И ABS Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование: Материалы XXI региональной научной конференции. – Благовещенск: Амурский гос. ун-т, 2023., Благовещенск, материалы XXI региональная научная конференция, 25 – 28 сентября 2023 г., с. 139-143 (год публикации - 2023)
10.22250/9785934934195

4. ДВОРНИК М.И., МИХАЙЛЕНКО Е.А., БУРКОВ А.А., ЧЕРНЯКОВ Е.В. Исследование характеристик режущих пластин из твердого сплава WC–5TiC–10Co, полученных с применением пластиковой формы, изготовленной методом 3D-печати ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ, Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. – 2024. – Т. 18. – №. 5. – С. 55-65. (год публикации - 2024)
10.17073/1997-308X-2024-5-55-65

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В работе экспериментально подтверждено, что использование пластиковой пресс-формы из полилактида, изготовленной аддитивным методом и дополненной стальной оболочкой и толкателем, позволяет прессовать твердосплавные заготовки при давлении до 200 МПа. В работе были изготовлены режущие пластины из твердого сплава WC-5TiC-10Co спеканием заготовок, спрессованных в пластиковой форме, полученной из полилактида на 3Д принтере методом послойной наплавки. Плотность полученных прессованием в таких формах заготовок режущих вставок из WC-5TiC-10Co мало отличаются от плотности заготовок, полученных в стальных пресс-формах при том же давлении (200 МПа). Исследования показали, что при увеличении давления прессования с 50 до 200 МПа плотности заготовок с различным содержанием пластификатора (1 – 6 %) увеличиваются только на 2 – 6 %. При увеличении концентрации пластификатора (каучука) с 1 до 6 % относительная плотность заготовок, прессованных при разных давлениях (50 - 200 МПа), увеличивается на 28 - 32 %. Давление прессования заготовок не оказало заметного влияние на плотность спеченных режущих пластин. В то же время увеличение концентрации пластификатора с 1 до 6 % привело к увеличению концентрации свободного углерода с 0,15 до 0,64 %. Увеличение концентрации углерода привело к снижению относительной плотности образцов с 98,7 до 86,0 %, увеличению включений свободного углерода в микроструктуре образцов и снижению твердости с 1400HV до 1070HV и прочности с 1610 до 640 МПа. Полученные режущие вставки при использовании порошка, содержащего 1 % пластификатора, не отличаются по плотности и пористости от коммерческих вставок Т5К10. Из-за большего среднего диаметра зерен WC полученные образцы WC-5TiC-10Co обладают меньшей твердостью (1400HV±10) и большей вязкостью (13,5±0,4 МПа м1/2) по сравнению с коммерческими образцами (1447±15 и 12,1±0,4 МПа м1/2) такого же сплава. Скорость износа экспериментальной режущей вставки оказалась на 5 - 6 % выше, чем у коммерческого резца из-за меньшей твердости и большей шероховатости. В работе была получена твердосплавная концевая фреза из сплава WC-TiC-Co, заготовка которой была создана прессованием в одноразовой неразъемной пресс-форме, изготовленной методом 3д печати. Предлагаемая методика позволяет прессовать заготовки и спекать изделия сложной формы только при использовании смесей, содержащих значительное количество (около 50 об.%) пластификатора. Высокая концентрация пластификатора, наличие макроскопических дефектов и искажения формы не позволяют напрямую производить изделия, отвечающие высоким современным требованиям по точности, плотности, твердости и прочности. Необходимы дальнейшие улучшения методики для получения изделий с высокой плотностью. Необходимо повышать жесткость формы, и снижать адгезию заготовки к форме, уменьшать деформацию при прессовании и спекании.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты могут быть использованы для создания и развития производства твердосплавных изделий. Предлагаемая методика позволяет многократно снизить затраты на получение единичных изделий.