Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы

Промышленные Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора (Ti, W, Та) С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении работы деформации при повышенных температурах. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Отечественный стандарт (ГОСТ 3882—74) включает пять марок сплавов этой группы: ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12, ТТ20К9 и Т8К7, в которых содержание карбида тантала колеблется от 2 до 12 % (табл. 7.4).

Таблица 7.4

Состав и характеристики физико-механических свойств титанотанталовольфрамовых сплавов (ГОСТ 3882—74)

С учетом отмеченных свойств сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, рекомендованный для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование), что по сравнению с быстрорежущим инструментом позволяет повысить скорость резания в 1,5—2 раза.

Безвольфрамовые твердые сплавы. В связи с высокой дефицитностью основных компонентных составляющих твердого сплава и прежде всего W и Со проводятся широкие изыскания по разработке экономнолегированных твердых сплавов, обычно не содержащих или содержащих в небольших количествах вольфрам. Такие сплавы называют безвольфрамовыми (БВТС, или керметы). Перспективным направлением разработки БВТС оказалось создание сплавов на основе карбидов или карбидонитридов титана с никельмолибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения по стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию, что уменьшает износ инструмента особенно по передней поверхности, позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. Вместе с тем БВТС в сравнении со стандартными вольфрамосодержащими сплавами имеют более низкий модуль упругости, меньшую теплопроводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, упругим и пластическим деформациям, имеют пониженную жаропрочность, более интенсивно разупрочняются при повышенных температурах.

БВТС рекомендуется использовать главным образом для чистовой и получистовой обработок (точение, фрезерование) углеродистых и легированных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сечением среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Физико-механические характеристики некоторых марок БВТС представлены в табл. 7.5.

Таблица 7.5

Состав и основные свойства промышленных марок БВТС

РЕЖУЩАЯ КЕРАМИКА

Промышленность страны выпускает несколько групп режущей керамики: оксидную (белая керамика) на основе Аl₂ О₃, оксиднокарбидную (черная керамика) на основе композиции А1₂О₃—TiC , оксиднонитридную (кортинит) на основе Аl₂ О₃ —TiN и нитридную керамику на основе Si₃N₄.

Основной особенностью режущей керамики является отсутствие связующей фазы, что значительно снижает степень ее разупрочнения при нагреве в процессе изнашивания, повышает пластическую прочность, что и предопределяет возможность применения высоких скоростей резания, намного превосходящих скорости резания инструментом из твердого сплава. Если предельный уровень скоростей резания для твердосплавного инструмента при точении сталей с тонкими срезами и малыми критериями затупления составляет 500—600 м/мин, то для инструмента, оснащенного режущей керамикой, этот уровень увеличивается до 900—1000 м/мин. Составы основных типов режущей керамики и некоторые физико-механические свойства представлены в табл. 7.6.

Таблица 7.6

Состав, свойства и область применения керамики

Отсутствие связующей фазы оказывает и отрицательное влияние на эксплуатационные свойства керамического инструмента. В частности, снижаются хрупкая прочность, ударная вязкость, трещиностойкость. Это оказывает сильное влияние на характер изнашивания керамического инструмента.

Например, низкая трещиностойкость сплава является причиной формирования фронта трещин, которые из-за отсутствия пластической связующей фазы не встречают барьеров, способных затормозить или остановить их развитие.

Указанное является главной причиной микро- или макровыкрашиваний контактных площадок инструмента уже на стадиях приработочного или начального этапа установившегося изнашивания, приводящего к отказам из-за хрупкого разрушения инструмента.

Основные тенденции совершенствования режущей керамики. В настоящее время для производства режущей керамики в основном используют оксиды алюминия и нитрид кремния.

В качестве армирующего элемента для режущей керамики чаще всего используют нитевидные кристаллы карбида кремния SiC, имеющие прочность до 4000 МПа. Например, введение нитевидных кристаллов SiC в оксидную керамику повышает твердость с HV 2000 до HV 2400, прочность при изгибе с 350 до 600—800 МПа.

Режущий инструмент из армированной керамики является дорогостоящим и его применение экономически эффективно только в определенных областях, например при обработке заготовок из жаропрочных никелевых сплавов.

Параллельно с совершенствованием керамических материалов на основе оксида алюминия созданы новые марки режущей керамики на основе нитрида кремния. Такой керамический материал имеет высокую прочность на изгиб и низкий коэффициент термического расширения

В настоящее время имеются промышленные марки режущей керамики, прочность которых превышает уровень σ_и = 1000 МПа, что примерно соответствует аналогичным показателям твердых сплавов ТЗОК4 и ТН20. При этом твердость такой керамики составляет HRA 92—94, что заметно превосходит соответствующие показатели указанных марок твердых сплавов.