3. Твердые сплавы

Твердые сплавы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Твердые сплавы обладают высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью до 1000 °С. При этом они обладают меньшей ударной вязкостью и теплопроводностью по сравнению с быстрорежущими сталями. Твердые сплавы выпускают в виде пластинок различных форм и размеров, получаемых методом порошковой металлургии.

Промышленностью выпускаются три группы вольфрамовых твердых сплавов (ГОСТ 3882–74): ВК – вольфрамовые, ТК – титановольфрамовые и ТТК – титанотанталовольфрамовые. Кроме того, существует еще группа безвольфрамовых твердых сплавов на основе карбидов и карбонитридов титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких металлов.

Однокарбидные вольфрамокобальтовые сплавы производят на базе карбида вольфрама и называют вольфрамовыми (группа ВК). В марках ВК2, ..., ВК30 буква К обозначает кобальт Co, цифра показывает его содержание в процентах, остальное – карбид вольфрама WC.

Пример расшифровки сплава ВК8: 8% Co + 92% WC.

Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются однокарбидные сплавы для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 950…1000 °С.

Двухкарбидные титановольфрамокобальтовые твердые сплавы содержат карбиды вольфрама, и титана и называются титановольфрамовыми (группа ТК). В марках Т5К10, Т14К8, Т15К6, Т30К4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбида титана TiC, буква К – Co, цифра после буквы К – содержание кобальта в %, остальное – WC.

Пример расшифровки сплава Т15К6: 15% TiC + 6% Co + 79% WC.

Таблица 1.9. Физико-механические характеристики

вольфрамокобальтовых сплавов.

Марка сплава	Состав, %			, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
	WC	Другие соединения	Co
ВК3	97	-	3	1176	15,0…15,3	89,5
ВК3-М	97	-	3	1176	15,0…15,3	91,0
ВК6	94	-	6	1519	14,6..15,0	88,5
ВК6-М	94	-	6	1421	14,8…15,1	90,0
ВК6-ОМ	92	ТаС	6	1274	14,7…15,0	90,5
ВК8	92	-	8	1666	14,4…14,8	87,5
ВК10-ХОМ	88	Сr2C3	10	1600	14,3…14,6	89,0

Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100…1150 °С.

Таблица 1.10. Физико-химические характеристики

титановольфрамокобальтовых сплавов (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %			, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
	WC	TiC	Co
Т30К4	66	30	4	980	9,5…9,8	92,0
Т15К6	79	15	6	1176	11,1…11,6	90,0
Т14К8	78	14	8	1274	11,2…11,6	89,5
Т5К10	85	6	9	1421	12,4…13,1	88,5

Трехкарбидные титанотанталовольфрамокобольтовые твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТК включают карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра после двух букв Т (ТТ) показывает суммарное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – содержание Co, остальное – WC.

Пример расшифровки сплава ТТ10К8: 10% (TiC + TaC) + 8% Co + 82% WC.

Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

Особомелкозернистая структура (ОМ) способствует повышению износостойкости материала без существенного снижения его прочности. Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ОМ, ВК15-ОМ имеют основную массу зерен размером менее 1 мкм. ГОСТ 3882–74 предусматривает применение мелкозернистых (М) и крупнозернистых (В) вольфрамокобальтовых сплавов ВК3-М, ВК6-В и др.

Таблица 1.11. Состав и характеристики физико-механических свойств титанотанталовольфрамокобольтовых марок твердых сплавов

для резания (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %						, МПа	Плотность ρ, г/см3	НRA, не менее
	WC	TiC		TaC		Co
ТТ7К12	81		4		3	12	1666	13,0…13,8	87,0
ТТ8К6	84		8		2	6	1323	12,8…13,3	90,5
ТТ10К8-Б	82		3		7	8	1617	13,5…13,8	89,0
ТТ20К9	67		9,4		14,1	9,5	1470	12,0…13,0	91,0

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) ТМ1, ТМ3, ТН-30, КТН-16 и др. производят на основе карбидов или других соединений титана с добавками молибдена, никеля и других тугоплавких соединений.

Пример расшифровки сплава ТН-30: 30% Ni + 70% TiC.

Таблица 1.12. Состав и основные свойства

промышленных марок БВТС

Марка сплава	Содержание основных компонентов в % (по массе)						Физико-механические характеристики
							, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
	TiC	TiCN		Ni		Mo
ТН20 КНТ16	79 -		- 74		15,0 19,5	6,0 6,5	1050 1200	5,5-6,0 5,5-6,0	90,0 89,0

Таблица 1.13. Характеристики БВТС повышенной прочности

Марка	Состав, %					, МПа	, г/см3	НRA, не менее
	TiCN	TiC	NbC	Ni	Mo
НТН30 (ТУ 48-4206-331-88)		52	10	19,5	10,5	1323	6,0-6,5	89,5
ЦТУ (ТУ 48-4206-365-89)	56		9	23	12 МоС	1274	6,2-6,8	89,5
ТВ4 (ТУ 48-19-429-87)	56,3		10		8,7	1323	6,3-6,7	89,0

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизо­ванных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструк­ционной стали. Выпускаются также инструменты, рабо­чая часть которых целиком выполнена из твердого спла­ва (монолитные).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспе­чивается эффективная эксплуатация режущих инструмен­тов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко при­меняют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК приме­няют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при пре­рывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обуслов­лено повышенной прочностью этой группы твердых спла­вов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.

Введение в твердый сплав карбидов тантала или кар­бидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б) повышает его проч­ность. Поэтому трех- и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной струк­турой следует отметить особомелкозернистые, применя­емые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особо-мелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инстру­мент, изготовленный из них, с наименьшими радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов группы ОМ карбида тантала и кобальта способствует повыше­нию их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома. Это обеспечивает получение сплавов с мелкозер­нистой однородной структурой и высокой износостойко­стью . Представителем таких материалов является сплав ВК10-XOM.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (ТЗОК4, ВКЗ, ВК4) обладают меньшей вязкостью и при­меняются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, спла­вы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8„ Т5К10) являются более вязкими и применяются при сня­тии стружек большого сечения на черновых операциях.

В ряде случаев режущие пластины сплавов покрывают тонким (5…10 мкм) слоем износостойкого материала (карбида, нитрида, карбонитрида титана), что повышает стойкость пластин в 2…3 раза и позволяет вести обработку со скоростями резания до 800…1000 м/мин. Работоспособность твердых сплавов значительно воз­растает при нанесении на них износостойких покры­тий.

Область применения твердых сплавов представлена в табл. 1.14.

Каждая марка твердого сплава может эффективно применяться лишь в конкретных условиях.

Таблица 1.14 Область применения твердых сплавов.

Марка сплава	Область применения
1	2
ВК3	Чистовое точение, нарезание резьбы, развертывание чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов.
ВК4	Фрезерование, черновое точение, зенкерование, рассверливание и растачивание чугуна, цветных металлов и сплавов.
ВК6	Черновое и получистовое точение, предварительное нарезание резьб, растачивание и зенкерование серого чугуна, цветных металлов и сплавов и неметаллических материалов.
ВК8	Чистовое точение, фрезерование, рассверливание, зенкерование, строгание и сверление серого чугуна, коррозионно-стойких, высокопрочных и жаропрочных сталей и сплавов, цветных сплавов.
ВК15	Деревообрабатывающий инструмент.
Т30К4	Чистовое точение с малыми сечениями среза, нарезание резьб и развертывание в заготовках из незакаленных и закаленных углеродистых сталей.
Т15К6	Получистовое и чистовое точение, нарезание резьб, получистове и чистовое фрезерование углеродистых и легированных сталей.
Т5К10	Черновое точение и фрезерование заготовок из углеродистых и легированных сталей, полученных ковкой, штамповкой или литьем.
Т5К12 ТТ17К12	Черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок, строгание стальных заготовок.
ТТ10К8	Черновая и получистовая обработка труднообрабатываемых материалов, коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, жаропрочных сталей и сплавов.
ТН-20, ТН-30, ТН-40	Чистовая и получистовая обработка цветных металлов и сплавов.

При анализе областей применения марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной организации стандартов (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условия обработки (t, S, V, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 1.15).

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допускаемая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл.1.15). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы – соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.

Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неоднозначно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух-трех подгруппах применения (например, сплав Т15К6 – Р10, Р15, Р20) или даже в различных группах применения (например, сплав ВК8 – К30, К40, М30).

Таблица 1.15. Классификация современных твердых сплавов по

стандарту ИСО 513

Основные группы резания		Группы применения			Марка твердого сплава по ГОСТ 3882-74
Обозначение	Цвет маркировки	Обозначение	Обрабатываемый материал и тип стружки	Вид обработки и условия применения
1	2	3	4	5	6
Р	Синий	Р01	Сталь, стальное литье, при обработке которых формируется сливная стружка	Чистовое точение, растачивание, развертывание, высокоточное резание без вибраций	Т30К4 МС101 ТН20
		Р10		Точение, точение по копиру, нарезание резьбы, фрезерование, рассверливание, растачивание	Т15К6 МС111 КНТ16 ЦТУ
		Р20	Сталь, стальное литье, ковкий чугун, цветные металлы, при обработке которых формируется сливная стружка	Точение, фрезерование	Т14К8 МС121 КНТ16 ЦТУ КТН30
		Р25	Сталь нелегированная, низко- и среднелегированная	Фрезерование в т.ч. глубоких пазов, обработка при предъявлении требований к повышенной сопротивляемости сплава тепловым и механическим нагрузкам	ТТ20К9 МС137 ТВ4
		Р30		Черновое точение, фрезерование и строгание	Т5К10 МС131 ТВ4
		Р40 Р50	Сталь, стальное литье с включениями песка и раковинами	Для работ в неблагоприятных и особо неблагоприятных условиях*	ТТ7К12 МС146
М	Желтый	М05 М10	Сталь, стальное литье, высоколегированные аустенитные, жаропрочные труднообрабатываемые стали и сплавы, серый, ковкий и легированный чугуны	Точение, развертывание	ВК6-ОМ ВК6-М ТТ8К6 ВК6-ОМ
		М20	Стальное литье, аустенитные, марганцовистые, жаропрочные, труднообрабатываемые стали и сплавы	Точение, фрезерование	ВК6-ВС ТТ10К8-Б МС221
		М30	Сплавы, серый и ковкий чугуны, дающие как сливную, так и стружку надлома	Точение, фрезерование, строгание. Условия резания неблагоприятные*	ВК10-ОМ ВК10-ХОМ ВРК15 ВК8
		М40	Низкоуглеродистая сталь с низкой прочностью, автоматная сталь и другие материалы, дающие как сливную, так и стружку надлома	Точение, фасонное точение, отрезка, преимущественно на станках-автоматах	ТТ7К12 МС146
К	Красный	К01	Серый чугун высокой твердости, алюминиевые сплавы с большим содержанием кремния. Закаленная сталь, абразивные пластмассы, керамика, дающие стружку надлома	Чистовое точение, растачивание, фрезерование и шабрение	ВК3 ВК3-М МС301
		К05	Легированные и отбеленные чугуны, закаленные стали, нержавеющие высокопрочные и жаропрочные стали и сплавы, дающие стружку надлома	Чистовое и получистовое точение, растачивание, развертывание, нарезание резьбы	ВК6-ОМ ТТ8К6 МС306
		К10	Серый и ковкий чугуны преимущественно повышенной твердости, закаленная сталь, алюминиевые и медные сплавы, пластмассы, стекло, керамика, дающие стружку надлома	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	Т8К6 ВК6-М ВК6-ОМ МС312 МС313
		К20	Серый чугун, цветные металлы, сильно абразивная прессованная древесина, пластмассы	Точение, растачивание, фрезерование, сверление	Т8К6 ВК6-М ВК6-ОМ МС312 МС313
		К30	Серый чугун низкой твердости и прочности, сталь низкой прочности, древесина, цветные металлы, пластмассы	Точение, фрезерование, строгание, сверление. Работа в неблагоприятных условиях*	ВК8 ВК10-ХОМ МС321
		К40	Цветные металлы, древесина, пластмассы, дающие стружку надлома	Точение, фрезерование, строгание	ВК8 МС347

*Неблагоприятными и особо неблагоприятными называют условия обработки с переменной глубиной резания, прерывистой подачей, ударами, вибрациями, наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале.