Порошковые твердые сплавы

К порошковым твердым сплавам относятся материалы, состоящие из высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой.

Твердые сплавы изготовляют порошковой технологией. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющего роль связки, прессуют и спекают при температуре 1400—1550 °С. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал, структура которого на 80—95% состоит из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержания связки вызывает снижение твердости, но повышение прочности и вязкости. Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащают резцы, сверла, фрезы и другие режущие инструменты. Такие инструменты сочетают высокую твердость 85—92 Н11А (74—76 НЯС) и износостойкость с высокой теплостойкостью (800—1000 °С). По своим эксплуатационным свойствам они превосходят инструменты из быстрорежущих сталей и применяются для резания с высокими скоростями.

Твердые сплавы характеризуются также высоким модулем упругости (до 6,8 • 10⁵ МПа) и пределом прочности на сжатие (до 6000 МПа), их недостатки — сложность изготовления фасонных изделий и высокая хрупкость.

В зависимости от состава карбидной основы выпускают три группы порошковых твердых сплавов.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы «УС — Со». Их маркируют буквами ВК и числом, показывающим содержание кобальта в процентах. Карбидная фаза сплавов данной группы состоит из зерен ХУС. При одинаковом содержании кобальта они в отличие от сплавов двух других групп характеризуются наибольшей прочностью, но более низкой твердостью. Сплавы вольфрамовой группы теплостойки до 800 °С.

Сплавы ВКЗ—ВК8 применяют для режущих инструментов при обработке материалов, дающих прерывистую стружку (чугунов, цветных металлов, фарфора, керамикаи и т.п.).

Сплавы ВК10 и ВК15, обладающие из-за повышенного содержания кобальта более высокой вязкостью, используют для волочильных и буровых инструментов, стойкость которых в десятки раз превышает стойкость стальных инструментов. Сплавы с высоким содержанием кобальта (ВК20 и ВК25) применяют для изготовления штамповых инструментов, а также в качестве конструкционного материала для деталей машин и приборов, от которых требуется высокое сопротивление пластической деформации или изнашиванию.

Вторую (титановольфрамовую) группу образуют сплавы системы «ПС — С — Со». Их маркируют буквами Т и К, а также числами, показывающими процентное содержание карбидов титана и кобальта. При температуре спекания карбид титана растворяет до 70% WC и образует твердый раствор (И, XV) С, обладающий более высокой твердостью, чем ХУС. Структура карбидной основы зависит от соотношения карбидов в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (П, XV) С, который придает ему наиболее высокие режущие свойства, но понижает прочность. В остальных сплавах данной группы количество ХС превышает его предельную растворимость в ПС, поэтому карбиды вольфрама присутствуют в виде избыточных кристаллов.

Сплавы второй группы характеризуются более высокой, чем у сплавов первой группы, теплостойкостью (900—1000 °С), которая повышается по мере увеличения количества ПС. Их наиболее широко применяют для высокоскоростного резания сталей.

Третью (титанотанталовольфрамовую) группу образуют сплавы системы «ПС — ТаС — ХУС - Со». Число, стоящее в марке после букв ТТ, обозначает суммарное процентное содержание карбидов ПС + ТаС, а после буквы К — количество кобальта в процентах. Структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Тй Та, W) С и избыточные кристаллы УС. От сплавов предыдущей группы эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Их применяют при наиболее тяжелых условиях резания (черновая обработка стальных слитков, отливок, поковок).

Основная масса твердых сплавов применяется при обработке резанием металлических и неметаллических (пластмассы, стекла, резины и др.) материалов в виде пластин стандартной формы и размеров для оснащения рабочей части инструментов (резцов, фрез, свёрл и др.) путем механического крепления или напайки. Кроме стандартных пластин промышленность твердых сплавов выпускает монолитный (цельный) инструмент (сверла, фрезы и др.).

Замена быстрорежущей стали твердыми сплавами при обработке резанием черных металлов (труднообрабатываемых сталей и сплавов) позволяет повысить в 3—4 раза и более скорость резания и в несколько раз увеличить стойкость инструмента.

Особенно большой эффект получается при применении для обработки резанием многогранных пеперетачиваемых пластин из твердых сплавов, на которые наносятся однослойные или многослойные износостойкие покрытия.

Твердые спеченные сплавы применяются также при бесстружковой обработке металлов (инструменты для волочения проволоки, прутков, труб; для холодной высадки метизов и штамповки различных изделий из листа или лепты), для изготовления износостойких деталей машин, приборов и приспособлений.

Структура вольфрамовых сплавов представляет собой частицы карбида вольфрама УС, связанные кобальтом. Чем меньше в сплавах кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше твердость, износостойкость сплава, но ниже прочность и вязкость.

Вольфрамовые сплавы применяются для обработки резанием чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов (пластмассы, стекла, резины, фибры и др.), труднообрабатываемых (нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных) сталей и сплавов; оснащения горного инструмента; бесстружковой обработки металлов (волочения, штамповки); изготовления быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений.

Согласно ГОСТ 3882-74 выпускается 18 марок вольфрамовых сплавов.

Титановольфрамовые твердые сплавы обладают большей твердостью, износостойкостью и теплостойкостью (900-1000 °С), чем вольфрамовые сплавы. Они имеют также меньший коэффициент трения и меньшую склонность к свариванию (слипанию) со стальной стружкой, чем вольфрамовые сплавы. Поэтому титановольфрамовые сплавы применяются для обработки резанием сталей, дающих непрерывную (сливную) стружку.

Твердость, износостойкость и теплостойкость титановольфрамовых твердых сплавов возрастают с повышением содержания карбидов титана, но при этом одновременно снижаются их механическая прочность и вязкость.

По ГОСТ 3882-74 выпускаются четыре марки титановольфрамовых сплавов.

Титанотанталовольфрамовые сплавы отличаются от титано- вольфрамовых сплавов большей прочностью и лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются для наиболее тяжелых условий резания (тяжелой черновой обработки стальных поковок и отливок), черновой и получистовой обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов и др.

ГОСТ 3882-74 предусматривает пять марок титанотанталовольфрамовых сплавов.

Твердые сплавы хотя и являются высокопроизводительными инструментальными материалами, однако имеют существенный недостаток: они содержат большое количество дорогостоящих дефинитных металлов, к числу которых в первую очередь относится вольфрам. Острый дефицит вольфрама привел к необходимости создания безвольфрамовых твердых сплавов, которые по своим физико-механическим свойствам являются полноценными заменителями традиционных твердых сплавов.

Для экономии твердых сплавов при обработке металлов резанием необходимо шире внедрять минералокерамику, которая не только дешевле твердых сплавов, но и имеет более высокую твердость и теплостойкость. Наряду с минералокерамикой на основе оксида алюминия используется керамика на основе нитрида кремния.

Износостойкость твердых сплавов значительно возрастает за счет нанесения покрытий из твердых материалов на рабочие поверхности режущих инструментов. Стойкость многогранных твердосплавных пластинок с покрытиями из карбида титана или нитрида титана возрастает в 2—4 раза по сравнению с пластинами без покрытия. Все большее распространение получают многогранные пластины с многослойными покрытиями, стойкость которых еще выше (например, двухслойные покрытия из карбида титана и оксида алюминия или из карбонитрида и карбида титана).

В перспективе в качестве инструментальных материалов все шире будут применяться нитриды, бориды и другие сверхтвердые материалы, обладающие высокой теплостойкостью.

На основе кубического нитрида бора создана гамма сверхтвердых материалов — композитов. Наиболее широкое применение в качестве инструментального материала при обработке резанием сталей и чугунов получил композит марки 01 — эльбор. По режушим свойствам и теплостойкости композиты превосходят твердые сплавы и минералокерами- ку при обработке закаленных сталей, чугунов, труднообрабатываемых сталей и сплавов. Незначительно уступая по твердости алмазу, эльбор превосходит его по теплостойкости (1300 °С). Еше одно преимущество эльбора перед алмазом — химическая инертность к черным металлам.

ГОСТ 26530-85 распространяется на твердые безвольфрамовые сплавы, предназначенные для оснащения режущего инструмента и для изготовления износостойких деталей.

Изделия из безвольфрамовых сплавов производят методом порошковой металлургии.

Марки, химический состав (содержание основных компонентов для приготовления смеси порошков) и основные физико-механические свойства сплавов должны соответствовать данным, указанным в табл. 7.6.

Таблица 7.6. Сплавы твердые спеченные безвольфрамовые

Создание твердых безвольфрамовых сплавов вызвано к жизни в первую очередь экономией остродефицитного вольфрама. Сплавы марок ТН20 и КНТ16 по своим основным свойствам не уступают традиционным вольфрамовым сплавам и успешно применяются взамен вольфрамовых и титановольфрамовых сплавов марок ВК6, ВК8, Т14К.8, Т15К6, ТЗОК4 и других, что позволяет значительно экономить вольфрам и кобальт.

Безвольфрамовые сплавы отличаются пониженной адгезионной способностью по отношению к обрабатываемому материалу и почти в 2 раза меньшей плотностью, чем сплавы, содержащие вольфрам. Основу сплава марки ТН20 составляет карбид титана, а сплава марки КНТ16 — карбонитрид титана. Связующим материалом в сплавах обеих марок служат никель и молибден. Как видно из табл. 7.6, сплав марки КНТ16 более прочный и менее хрупкий, чем сплав марки ТН20. Его используют при непрерывном получистовом и получерновом точении углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, сплавов на основе меди, низколегированных сплавов никеля, в том числе при неравномерном сечении среза обрабатываемого материала. Сплав применяется для чистового и получернового фрезерования отливок из серого и ковкого чугуна, для чистового фрезерования сталей. Используется сплав также для бесстружковой обработки металлов, изготовления быстроизнашивающихся деталей машин, торцевых уплотнительных колец химических насосов.

Сплав марки ТН20 применяется для непрерывного чистового и получистового точения углеродистых и низколегированных конструкционных сталей, сплавов на основе меди, низколегированных сплавов никеля, серых чугунов и пластмасс (полиэтилена). Используется сплав при чистовом и получисговом фрезеровании чугунных отливок.

Безвольфрамовые сплавы успешно применяются также для сопел распылителей, вытяжных матриц, клапанов буровых насосов, колец и втулок плунжеров, деталей измерительной аппаратуры, деталей для микросварки, пресс-оснастки при изготовлении изделий из резины, оснащения мерительного инструмента (калибров, концевых мер длины и др.).