5. Порошковые твёрдые 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 1400 —1550°С. При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получается плотный материал¹, 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 HRA (74-76 HRC) 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 порошковые твердые сплавы выпускают трех групп.

Первую (вольфрамовую) группу составляют сплавы системы WC-Со. Их маркируют буквами ВК и числом, показывающим содержание кобальта в процентах (табл. 1). Карбидная фаза сплавов этой группы состоит из зерен WC. 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.

Таблица 1 – Химический состав и свойства некоторых порошковых твёрдых сплавов

Сплавы ВКЗ-ВК8 применяют для режущих инструментов при обра­ботке материалов, дающих прерывистую стружку (чугуны, цветные ме­таллы, фарфор, керамика 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 TiC-WC-Co. 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 (Ti, W) С, обладающий более высокой твердостью, чем WC. Структура карбидной основы зависит от соотношения карби­дов в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твер­дый раствор (Ti, W) С, который придает ему наиболее высокие режущие свойства, но понижает прочность. В остальных сплавах этой группы ко­личество WC превышает его предельную растворимость в TiC, 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 TiC. Их наиболее широко применяют для высокоскоростного резания сталей.

Третью (титанотанталовольфрамовую) группу образуют сплавы си­стемы TiC-TaC-WC-Co. Число, стоящее в марке после букв ТТ (см. табл. 1), обозначает суммарное процентное содержание карбидов TiC+ТаС, а после буквы К — количество кобальта в процентах. Структу­ра карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W) С и избыточные кристаллы WC. 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).