1.3. Твердые сплавы

Твердые (металлокерамические) сплавы. Их получают методами порошковой металлургии. Они содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов и связывающих материалов. Стандартные марки твердых сплавов выполнены на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC. Кобальт Со в со­ставе твердых сплавов является цементирующей связкой.

Пластинки твердого сплава (HRA 86…92) обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800…1000°С), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 м/мин.

В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В — вольфрам, Т — титан, вторая буква Т — тантал) и связку (буква К — кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид воль­фрама, определяется разностью между 100 % и массовой долей связки (цифра после буквы К). В двухкарбидных WC + TiC сплавах цифрой после буквы карбидообразующего элемента характеризуется мас­совая доля карбидов этого элемента, следующая цифра — массовая до­ля связки, остальное — массовая доля карбида вольфрама (напри­мер, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со и 79 % WC).

В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К — массовая доля связки, остальное — массовая доля карбидов вольфрама.

Стандартом ИСО выделены три группы (Р, К и М) применяемости твердосплавного режущего инструмента: Р — для обработки материа­лов, дающих сливную стружку; К — для обработки материалов, да­ющих стружку надлома; М — для обработки различных материалов универсальными твердыми сплавами.

Твердые сплавы обычно изготовляются в виде пластинок путем спекания при температуре 1500° С в электрических печах. Кроме готовых пластин выпускают также заготовки в соответствии с ОСТ 48-93—81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы 3.

Основное преимущество инструмента, оснащенного пластиной на твердого сплава, — это то, что его режущие свойства не уменьшаются при температуре нагрева до 800...900 °С. Поэтому такие инструменты могут применяться для обработ­ки твердых металлов, включая закаленные стали, и неметаллических труднообрабатываемых материалов. Недостаток твердых сплавов — их хрупкость.

Вязкость отдельных марок твердых сплавов (а следователь­но, и их хрупкость) зависит от содержания кобальта (К): чем меньше массовая доля К, тем меньше вязкость. При увеличе­нии в сплавах содержания ко­бальта в диапазоне 3...10 % предел прочности при попереч­ном изгибе, ударная вязкость и пластическая деформация воз­растают. С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, а эксп­луатационная прочность растет.

Полученные закономерности положены в основу практических реко­мендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплавы типа ВК3, ВК4 применяют для инструментов на чис­товых операциях, когда толщина срезаемых стружек невелика. При снятии стружек большого сечения применяют сплавы, содержащие по­вышенное количество кобальта, например ВК8, ВК10-М, Т14К8 и др. Однокарбидные сплавы группы ВК, как менее хрупкие, применяют при резании чугунов и других хрупких материалов.

Режущие свойства твердых сплавов зависят также от структуры. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режу­щие свойства сплавов в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом средним размером зерен карбида вольфрама. Современные технологические процессы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может быть от долей микрометра до 10...15 мкм.

С увеличением размера зерен карбидовольфрамовой фазы сплава твердость, модуль упругости, сопро­тивление абразивному изнашиванию, стойкость при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эта закономерность широко используется при создании сплавов различного назначения с заданными свойствами. В СССР первыми такими сплавами были мелкозернистые сплавы ВК3-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при обработке твердых чугунов, закаленных и коррозионно-стойких сталей, а также других труднообрабатываемых материалов. Кроме того, мелкозернистые сплавы с повышенным содержанием кобальта, например ВК10-М, применяют для оснащения цельнотвердосплавного мелкоразмерного инструмента: сверл, зенкеров, разверток и фрез различных типов.

Пластины твердых сплавов припаивают (или наклеивают) или прикрепляют механически к стальному корпусу. Наибольшее распростра­нение получили сменные многогранные пластины со стружколомающими элементами, сформированными при прессовании или последую­щей их обработке.

Многогранные сменные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из стандартных сплавов с покрытиями различными композитами: TiC, TiN, Al₂O₃ и др. Последние обладают в 2…3 раза большей стойкостью. Толщина покры­тия стандартных марок твердых сплавов карбидом титана составляет 3…10 мкм. На стандартных марках твердого сплава, покрытого нитридом титана, подставляется маркировка КИБ, а к обозначению групп ISO — буква С.

Трехкарбидные сплавы, содержащие карбиды вольфрама, титана и тантала, отличаются повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют при обработке труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе и тита­новых сплавов применяют пластины из твердого сплава группы ВК, не содержащие в своем составе титана. Сложнофасонный твердосплавный инструмент (относительно небольших размеров) изготовляют из пластифицированных заготовок, которые легко обрабатываются на ме­таллорежущих станках. После обработки пластифицированные заго­товки спекаются и затем подвергаются окончательной обработке: шли­фованию, заточке, доводке.

Помимо стандартных твердых сплавов выпускаются также пласти­ны из специальных сплавов. Сплавы этой группы обладают более высокими режущими свойствами. Обо­значение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий) или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа, например, МС 131, МС 1460. Первая цифра соответст­вует области применения сплава по классификации ИСО (1 — обработ­ка материалов, дающих сливную стружку; 3 — обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 — область обработки, соответствующая области М по ИСО); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу приме­няемости; 4-я цифра — наличие покрытия.

С целью экономии дефицитных элементов разработано и освоено изготовление безвольфрамового и маловольфрамового твердосплавного инструмента. Хорошие результаты при чистовой и получистовой обработке низколегированных и углеродистых сталей, цветных метал­лов на основе меди, чугунов, никелевых сплавов дают безвольфрамо­вые сплавы марок ТН20, КНТ16 (СССР). Фирма «Тошиба» (Япония) разработала маловольфрамовые твердые сплавы марок № 308, № 350, которые могут эффективно применяться при точении и фрезеровании на легких и средних режимах резания.

Получены положительные результаты испытаний отечественного маловольфрамового твердого сплава ТВ-4, разработанного Минцветметом, сплава КТ2С, созданного в ИПМ АН УССР, и др.