2.3. Металлокерамические твердые сплавы

Изготовляются на специальных заводах твердых сплавов по технологии порошковой металлургии. Все исходные материалы для изготовления вольфрамовых твердых сплавов поступают в виде порошков: вольфрамовый ангидрид WO₃, технический углерод - сажа, кобальт и др. Из вольфрамового ангидрида восстановительной реакцией в среде водорода получают вольфрам в виде порошка. Затем вольфрам подвергают карбидизации: смешивают с сажей и нагревают до К в среде водорода, либо в среде окиси углерода. В обоих случаях происходит соединение вольфрама с углеродом - образуется порошок карбида вольфрама WС. Смешивают все порошки WС, TiC, Co и другие, в необходимых соотношениях и подвергают длительному мокрому размолу и смешиванию в шаровых барабанных мельницах. После сушки смеси из нее прессуют пластинки, коронки, цельные инструменты и др. Затем их подвергают спеканию путем нагревания до температуры плавления кобальта К в вакууме или в атмосфере водорода.

Твердые сплавы делятся на две группы: вольфрамовые и безвольфрамовые. Длительное время в металлообработке применялись исключительно вольфрамовые твердые сплавы. Однако вольфрам - это дефицитный материал, имеет весьма небольшое распространение в земной коре. Запасы вольфрамовых руд в земле таковы, что достигнутые темпы их добычи позволяют за несколько десятков лет полностью извлечь вольфрам из недр земли. Поэтому нельзя рассчитывать на длительное применение вольфрамовых твердых сплавов для обработки резанием. Уже ведутся работы по созданию твердых сплавов из других материалов: титана, хрома и др.

Вольфрамовые твердые сплавы бывают однокарбидные, двух - и трехкарбидные. Однокарбидные твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама WС и кобальта Со. Последний во всех марках вольфрамовых твердых сплавов служит связкой: в процессе спекания кобальт плавится и соединяет при затвердевании зерна карбидов вольфрама. Однокарбидные сплавы выпускаются в виде следующих марок: ВК2, ВКЗ…ВК8, ВК15…ВК25. Число в обозначении марки указывает на содержание кобальта в процентах. Чем больше процентное содержание кобальта, тем выше предел прочности при изгибе, но меньше твердость и теплостойкость сплава.

Из вышеуказанных марок наибольшее применение для обработки резанием имеет марка ВК8, меньшее: ВКЗ, ВК4, ВК6, ВК15. Они применяются для обработки заготовок из чугуна, титановых и цветных сплавов.

Двухкарбидные твердые сплавы состоят из карбида вольфрама, карбида титана и кобальта: WC+ТiC+Co. Карбиды титана, не являющиеся дефицитными и дорогими, повышают твердость и теплостойкость сплава. Основные марки: Т5К10, Т15К6, ТЗОК4. Число после буквы Т указывает процентное содержание карбидов титана. Эти сплавы применяются для обработки сталей. Сплав Т5К10 рекомендуется для черновой обработки, допускает обработку заготовок с большим и неравномерным припуском. Сплав Т15Кб рекомендуется для получистовой и чистовой обработки с небольшой глубиной резания до 10 мм и равномерном припуске. Сплав ТЗОК4 рекомендуется исключительно для чистовых операций.

Трехкарбидные твердые сплавы состоят из карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта: WC+TiC+TaC+Co. Карбиды тантала повышают износостойкость и прочность при ударных и переменных нагрузках. Основные марки их: ТТ10К8, ТТ17К12 и др. Число после букв ТТ указывает на суммарное содержание TiC и TaC. Они применяются для инструментов, работающих с ударами: торцовые, цилиндрические, дисковые и торцовые фрезы, строгальные и долбежные резцы и др.

Из вольфрамовых сплавов изготовляют около 25% режущего инструмента. Эти инструменты срезают с заготовок около 70% припусков, срезаемых всеми режущими инструментами.

Безвольфрамовые твердые сплавы не содержат вольфрама. Они состоят из карбидов и нитридов титана, молибдена и никеля, служащего связкой. Химический состав и механические свойства некоторых марок приведены в табл.2.1.

Безвольфрамовые твердые сплавы производятся в незначительном количестве и пока не могут быть рекомендованы для широкого применения в серийном и крупносерийном производствах, хотя режущие свойства их при обработке сталей выше, чем у вольфрамовых.

Это объясняется нейтральностью этих материалов к железу, что обуславливает малый коэффициент трения между инструментом и стружкой. В перспективе применение их увеличится, и в будущем они во многом заменят вольфрамовые твердые сплавы.

Таблица 2.1.

№ пп	Марка	Химичекий состав, в %				Показатели физико – механических свойств
		TiC	TiCN	Ni	Mo	Плотность, г/см3	HRA	σu, МПа	Θд, °К
1	ТН – 20	79	-	16	5	5,5	91	1100	1250
2	ТН – 25	74	-	20	6	5,7	90	1200	1250
3	ТН – 30	69	-	24	7	5,9	89	1300	1150
4	КНТ – 16	-	84	8	8	5,8	90	1150	1240
5	КНТ – 20	-	80	10	10	6	89	1350	1200
6	КНТ – 30	-	70	15	15	6,4	88	1700	1100

Твердые сплавы различаются не только по химическому составу, но и по размеру зерен карбидов. Они делятся на крупнозернистые с размером зерен от 3 до 5 мкм, среднезернистые - от 1,5 до 3 мкм, мелкозернистые - от 0,5 до 1,5 мкм и особомелкозернистые, состоящие из зерен размером не более 1 мкм. Зернистость в марках сплавов обозначается буквами: В - крупнозернистые, например ВК8В, среднезернистые - ВК8, мелкозернистые - ВК8М, особомелкозернистые - ВК8 ОМ.

С целью повышения износостойкости твердосплавных пластин на них наносят твердые покрытия - пленки из нитридов титана, карбидов, толщиной 5…10 мкм. Покрытия обеспечивают повышение стойкости инструмента в 3…5 раз по сравнению с инструментами без покрытий и значительное уменьшение трения между стружкой и инструментом.

По применяемости твердые сплавы делятся на три группы, обозначаемые буквами Р, К и М. Сплавы группы Р: ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, ТТ10К8Б, Т5К12В, ТТ7К12 - предназначены для обработки сталей и сплавов повышенной вязкости, при резании которых образуется сливная стружка и возникают высокие температуры.

Сплавы группы К: ВК3, ВК6-ОМ, ВК6М, ВК8, ВК15 - предназначены для обработки хрупких материалов, дающих стружку надлома: чугуна, цветных сплавов, неметаллических материалов при более низких температурах резания.

Сплавы группы М: ВК60М, ВК6М, ВК1ОМ, ВК8 - рекомендуются для обработки труднообрабатываемых материалов, легированного чугуна. Режущей пластины из твёрдых сплавов группы Р маркируются синим цветом, группы М - желтым, группы К - красным.