6.Твердые сплавы. Режущая керамика

Твердые сплавы - это материалы, состоящие из зерен карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов, соединенных металлической связкой. Режущая керамика состоит только из твердых химических соединений - оксидов, карбидов, нитридов.

Компоненты этих инструментальных материалов имеют ковалентный или ионный тип связи. Именно сильные межатомные связи обусловливают их высокие свойства: твердость, модуль упругости, теплостойкость.

Основной метод изготовления изделий из этих материалов - порошковая металлургия. Отличием этой технологии от литья является то, что в процессе спекания - окончательной операции получения материала, по крайней мере, один из компонентов находится в твердом состоянии. Применение порошковой металлургии для получения этих материалов предопределено либо весьма высокими температурами плавления, либо разложением некоторых компонентов (например, карбида вольфрама) при нагреве в нормальных условиях (нагревающая среда, давление) еще до их расплавления.

6.1.Сведения о технологии порошковой металлургии.

Основными технологическими процессами порошковой металлургии являются:

- получение порошков;

- приготовление смесей;

- формование смесей;

- спекание.

Для получения порошковисходных компонентов используют различные технологии, в зависимости от природы сырья.

Для получения карбида вольфрама (WC) - основного компонента большинства твердых сплавов - используют карбидизацию порошкообразного металлического вольфрама в среде углеродсодержащего газа.

Сначала, в две стадии получают металлический вольфрам. На первой, в результате разложения вольфрамовой кислоты образуется оксид вольфрама, который на второй стадии подвергают восстановлению в среде водорода. Затем производят карбидизацию в среде углеродсодержащего газа.

1) H₂WO₄®WO₃+H₂O; 2)WO₃+3H₂®W+3H₂Oи, наконец, - карбидизация -2W+C₂H₂®2WC+H₂.

Карбид титана (ТiС), являющийся компонентом и твердых сплавов и режущей керамики, получают восстановлением окиси титана:TiO+С₂Н₂®TiC+CO+Н₂.

Оксид алюминия (Al₂O₃) - основа некоторых видов керамики может быть получен переработкой бокситов, в которых его содержание составляет от 50 до 100%, а также обжигом глинозема.

Нитрид кремния (SiN) может быть получен азотированием кремниевого порошка или при термическом разложении диамида кремния:Si(NH₂)®SiN+H₂.

Искусственный алмаз и нитрид бора получают синтезом, используются также природные технические алмазы.

Порошкообразный металлический кобальт, являющийся связкой большинства твердых сплавов, получают восстановлением оксидов кобальта в среде водорода.

Наиболее распространенный метод приготовление смесей- размол в шаровых мельницах. При этом происходит измельчение порошков, а в многокомпонентных системах и их перемешивание, что обеспечивает получение однородной массы. Наибольшее распространение получил размол в жидкой среде. При наличии жидкости в тонких щелях частиц компонентов создается повышенное давление вследствие капиллярных сил. Это приводит к распространению трещины частицах, разрушению и, таким образом, измельчению частиц. Кроме того, это приводит сначала к расширению промежутков между частицами в конгломератах, а затем и расчленению собственно конгломератов, что облегчает смешивание порошков. Для мокрого размола могут быть использованы различные органические жидкости: этиловый и метиловый спирты, ацетон, бензин. Время размола - от 2-3 до 4-5 суток в зависимости от требований к дисперсности порошков. По окончанию мокрого размола избыток жидкости сливается, дальнейшее отделение жидкости осуществляется отжатием или центрифугированием с последующей сушкой в восстановительной атмосфере при 650-750^ОС.

Формованиезаготовок для последующего спекания может осуществляться различными методами: прессование в прессформах, гидростатическое прессование, мундштучное прессование (метод шприцевания или выдавливания), шликерное литье (отливка суспензий). Наиболее распространенной технологией в порошковой металлургии является прессование в прессформах.

Давление прессования 500-600 Мпа. При прессовании важно обеспечить высокую и равномерную плотность смеси по объему. От степени уплотнения зависит величина усадки при последующем спекании. Чем выше пористость заготовки, тем больше усадка, т.е. тем сильнее меняются размеры компактного спеченного изделия. Если заготовка имеет неодинаковую плотность по объему, то вследствие различной усадки происходит искажение формы.

Исходные порошки инструментальных материалов обладают весьма малой пластичностью. Это не позволяет обеспечить равномерную плотность при одностороннем прессовании (при одностороннем прессовании цилиндрических заготовок высотой 25-30 мм из порошков твердого сплава фактическое давление в нижних слоях смеси - у дна прессформы -составляет всего 20-30% от приложенного к пуансону). Для получения более равномерной плотности по объему используют двустороннее прессование, при котором давление к уплотняемому порошку прикладывается с двух сторон.

Для большего уплотнения заготовок твердых сплавов при прессовании в смесь вводят пластифицирующие вещества - пластификаторы, облегчающие скольжение частиц друг относительно друга и стенок прессформы. В качестве пластификаторов используют раствор синтетического каучука в бензине, парафин. Кроме того, пластификаторы придают заготовкам некоторую прочность за счет клеющей способности. Такие заготовки можно обрабатывать резанием либо непосредственно после формования, либо после предварительного спекания при 800-1000^ОС, когда заготовки имеют большую пористость, облегчающую их обработку резанием. Это позволяет изготавливать изделия сложной формы. Однако, вследствие высокой хрупкости таких заготовок при резании могут возникать выкрашивания или даже поломки.

Спекание- заключительная технологическая операция порошковой металлургии. В процессе спекания происходит превращение пористого вещества в компактный малопористый или, в идеале, беспористый материал. В процессе спекания увеличивается плотность за счет снижения пористости, т.е. происходит уменьшение объема исходной смеси, ее усадка.

Спекание может быть твердофазным (фазы находятся в твердом состоянии) или жидкофазным (в присутствии жидкой фазы).

Соединение порошка в монолит происходит за счет диффузии. Движущей силой спекания является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии (удельная поверхность монолита значительно меньше, чем дисперсных частиц).

Особенностью тугоплавких соединений является их низкая диффузионная способность. Поэтому процессы твердофазного спекания длительны.

Процессы диффузии значительно ускоряются в присутствии жидкой фазы. В этом случае диффузия происходит через жидкость. В жидкости растворяются частицы наименьшего размера. При охлаждении, вследствие уменьшения растворимости, происходит осаждение твердой фазы на не растворившихся более крупных частицах, являющихся центрами кристаллизации. Жидкость должна заполнять пустоты между частицами твердых фаз, т.е. должна их смачивать (т.е. растекаться по поверхности, а не собираться в шарики, как ртуть).

В твердых сплавах появление жидкой фазы при температурах спекания обусловлено наличием металла-связки. Рассмотрим процесс жидкофазного спекания на примере распространенных твердых сплавов, состоящих из карбида вольфрама с кобальтовой связкой. При нагреве смеси WCи Со в ней происходят фазовые изменения в соответствии с диаграммой «WC-Co»: при повышении температуры карбид вольфрама растворяется в кобальте, образуя твердый раствор, состав которого меняется вплоть до эвтектического. При этом начинается плавление, и в спекаемой массе появляется жидкость эвтектического состава. Дальнейший нагрев и выдержка при температурах спекания (1400^ОС) приводит к увеличению количества жидкости в сплаве. Это способствует достижению большей плотности материала при спекании. При охлаждении от температуры спекания до эвтектической эвтектика не образуется, т.к. карбидWCкристаллизуется на нерастворенных карбидах - центрах кристаллизации. Дальнейшее понижение температуры вызывает уменьшение растворимостиWCв твердом растворе и его выделение. После окончательного охлаждения структура состоит из карбидаWCи кобальтовой связки (точнее, твердого раствора малой концентрации - около 1%,WCв кобальте). Следует отметить, что структура реальных твердых сплавов может отличаться от описанной и будет рассмотрена ниже.

Для активирования процесса спекания керамики в смесь вводятся добавки, которые образуют жидкую фазу.

Так, керамика, состоящая из оксида алюминия (Al₂O₃), получает плотность 98,5-99,5%, от теоретической, если спекание проводится достигается при плотность 98,5-99,5% от теоретической достигается при температуре процесса 1800-1900^ОС. Технологическая добавкаMgOв количестве 0,2-0,4% (при этом образуется жидкая фаза) позволяет получить ту же плотность, понизив температур спекания до 1600-1700^ОС. При производстве керамики могут быть использованы и компоненты, образующие не жидкую фазу, а твердые растворы с компонентами керамики.

Используют следующие технологии спекания:

• без приложения нагрузки после холодного прессования (ХП+С);

• при совмещении процессов прессования и спекания - горячее прессование (ГП);

• условиях всестороннего давления - горячее изостатическое прессование (ГИП). ГИП может быть использовано в качестве основного метода или быть дополнительной операцией после ХП+С или ГП. Его осуществляют в печах высокого давления (до 300 Мпа), которое достигается за счет подачи нейтрального газа.

Наиболее дешевым является метод ХП+С. Методы горячего прессования более энергоемки, они требуют применения дорогостоящей прессовой оснастки из высокопрочного графита. Поэтому для массовой продукции основным является метод холодного прессования.

Режущие пластинки из твердого сплава изготавливают в основном методом ХП+С. ГП применяется, главным образом, при изготовлении изделий больших габаритов - волок, размольных шаров. Технология ГИП используется для изготовления тяжело нагруженного штампового инструмента.

Применение горячего прессования при изготовлении керамики более актуально в связи с ее низкой прочностью. Применение ГП взамен ХП+С позволяет снизить пористость с 2 до 0,5% и повысить механические свойства. В изделиях, полученных ГИП, отсутствует анизотропия плотности, они равноплотны (что недостижимо при однонаправленном нагружении, характерном для ХП+С и ГП). Керамика, полученная методом ГИП, обладает максимальной стойкостью, однако эта технология очень дорогая.

6.2. Твердые сплавы.

Основной фазой твердых сплавов являются карбиды или карбонитриды, в количестве 80% и более. Твердые сплавы имеют высокие твердость - 87-92 HRA(HRC=2HRA-104) и теплостойкость (800-1100^ОС), поэтому допустимые скорости резания при использовании твердосплавного инструмента также высокие - 100-300 м/мин.

В зависимости от типа твердой фазы - карбиды, карбонитриды - и металла-связки твердые сплавы делятся на следующие четыре группы:

• WC-Co- вольфрамокобальтовые типа ВК;

• WC-TiC-CO- титановольфрамокобальтовые типа ТК;

• WC-TiC-TaC-Co- титанотанталовольфрамокобальтовые типа ТТК;

• TiCиTiCN-Ni+Мо - сплавы на основе карбида и карбонитрида титана – безвольфрамовые (БВТС), типа ТН и КНТ.

Сплавы ВК.Сплавы маркируются буквами «ВК» и цифрой, показывающей содержание кобальта (например, состав сплава ВК6 - 94%WС и 6% Со). Свойства сплавов определяются главным образом содержанием кобальта. Его увеличение приводит к повышению прочности, но твердость и износостойкость при этом снижаются (табл.6.1). Теплостойкость сплавов ВК - около 900^ОС. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами.

Таблица 6.1.

Механические свойства сплавов ВК

Сплав	Прочность при изгибе,Мпа	Твердость, HRA
ВК3	1176	89,5
ВК4	1519	89,5
ВК6	1519	88,5
ВК8	1666	87,5
ВК10	1764	87

По содержанию кобальта сплавы можно разделить на три группы: низкобальтовые (3-8% Со), среднекобальтовые (10-15% Со) и высокобальтовые (20-30% Со). Для режущего инструмента используются сплавы с содержанием кобальта до 10%, т.е. в основном низкобальтовые. Сплавы с содержанием кобальта 10-15% применяют для изготовления бурового инструмента, а высокобальтовые - для штампового инструмента.

Свойства сплавов определяются не только составом, значительное влияние на них оказывают структурные факторы. В соответствии с диаграммой «WC-Cо» в структуре сплава должны присутствовать только две фазы: карбидWС и кобальтовая связка. Однако, фактически структура может изменяться в зависимости от сбалансированности сплава по углероду. В случае дефицита углерода в структуре сплава образуетсяh-фаза, представляющая собой карбид типа Ме₆С (Со₂W₄С), а при его избытке в структуре появляется графит. Максимальная прочность сплава достигается при правильно сбалансированном составе. Наличиеh-фазы снижает прочность из-за фактического уменьшения Со в связке, т.к. его часть расходуется на образование карбида, кроме того, самаh-фаза обладает повышенной хрупкостью. При наличии этой фазы твердость сплава обычно повышается. Наличие включений графита, обладающего низким механическими свойствами, снижает и прочность и твердость сплава.

Значительное влияние на свойства оказывает размер карбидных частиц. Уменьшение их размера приводит к увеличению твердости, но прочность при этом снижается. В зависимости от величины карбидов сплавы делятся на следующие группы (табл.6.2):

- особо мелкозернистые (ОМ);

- мелкозернистые (М);

-среднезернистые (в обозначении нет дополнительных букв);

- крупнозернистые (В).

Таблица 6.2

Влияние размеров карбидов на механические свойства

Сплав	Размер карбидов, мкм	sизг, МПа	Твердость, HRA	Е, Гпа
ВК6-ОМ	1,3	1270	90,5	-
ВК6-М	1,6	1421	90	645
ВК6	2,0	1519	88,5	640
ВК6-В	3,4	1660	87,5	635

Для получения особо мелкозернистой структуры в состав сплавов вводится карбид тантала (ТаС), препятствующий росту карбидов WCпри спекании (сплавы ВК6-ОМ и ВК10-ОМ содержат 2% ТаС). Однако, из-за дороговизны, вместо карбида тантала используют карбид хрома, оказывающий аналогичное влияние. В обозначение сплава в этом случае вводится буква «Х» - ВК10-ХОМ, ВК15-ХОМ.

Режущие инструменты из сплавов группы ВК применяются главным образом для обработки материалов, при резании которых образуется элементная стружка (надлома). Это, в первую очередь чугуны, а также цветные металлы, стеклопластики и др. Обработка таких материалов часто связана с возникновением динамических нагрузок, что предопределяет использование твердых сплавов с повышенной прочностью.

Мелкозернистые сплавы обладают высокой термоциклической стойкостью, поэтому их используют, в основном, для обработки труднообрабатываемых материалов (высокие температуры в зоне резания). Следует также отметить, что из-за малого размера карбидов инструмент из мелкозернистых сплавов получает при заточке более острую режущую кромку. Это позволяет получать меньшую шероховатость обработанной поверхности.

Сплавы ТК.Сплавы обозначаются комбинацией букв и цифр. Цифра после «Т» указывает на содержание в сплаве карбида титана, после «К» - кобальта (например, состав сплава Т15К6 - ТiC- 15%, Со - 6%, остальное, 81%, -WC).

Структура этих сплавов состоит из карбида титана, в котором растворяется некоторое количество вольфрама - (Тi,W)С, карбидаWCи кобальтовой связки. Также, как и в сплавах ВК, в структуре может присутствовать либоh-фаза, либо свободный углерод. Влияние этих фаз, такое же, как и в сплавах ВК.

Твердость сплавов ТК больше, чем у ВК (твердость ТiC- 3220HV,WC- 2080HV), они также имеют преимущество по теплостойкости - 1000^ОС, однако их прочность ниже (при одинаковом содержанием кобальта). Увеличение содержание кобальта приводит к повышению прочности с одновременным снижением твердости и теплостойкости.

В сплавах с одинаковым содержанием кобальта увеличение количества ТiС приводит к росту твердости и снижению прочности (табл. 6.3).

Влияние размера карбидов на свойства сплавов оказывается более сложным. Наименьшую прочность имеют сплавы с крупнозернистой титановой фазой и мелкозернистой вольфрамовой.

Таблица 6.3

Свойства сплавов группы ТК.

Сплав	sизг, МПа	Твердость, HRA	Е, Гпа
Т30К4	980	92,0	430
Т15К6	1176	90,0	530
Т14К8	1274	89,5	530
Т5К10	1421	88,5	560
Т5К12	1666	87,0	560

Инструменты из сплавов группы ТК используются для обработки материалов со сливной стружкой, т.е. сталей. При обработке стали инструмент находится в постоянном контакте с обрабатываемым материалом (в отличие от чугуна со стружкой надлома). Это определяет его больший нагрев. Поэтому от инструментального материала требуется повышенная теплостойкость. Кроме того, в условиях непрерывного контакта инструментального и обрабатываемого материала возникает нежелательный процесс наростообразования - возникновение адгезионных связей. «Схватывание» стали со сплавами ТК происходит при более высоких температурах (в паре «сталь – ВК» оно появляется при 625^ОС, а в паре «сталь – ТК» - при 770^ОС). Это позволяет выполнять обработку с более высокими скоростями.

Сила адгезии в паре «сталь - ТК» значительно, примерно в 10 раз, ниже, чем в паре «сталь - ВК». При использовании инструмента из сплава ТК наиболее вероятно не скалывание режущей кромки под воздействием сил резания, а только удаление нароста, слабо связанного с инструментальным материалом. Более сильная адгезионная связь нароста и твердого сплава типа ВК повышает вероятность скалывания режущей кромки.

Сплавы ТТК.Обозначение сплавов ТТК и ТК аналогично. Цифра после второй буквы «Т» указывает на суммарное содержание карбидов ТiCи ТаС. Структура промышленных четырехкомпонентных сплавов ТТК состоит из трех фаз. Это сложный карбид на основе ТiC, в котором часть атомов титана замещены атомами вольфрама и тантала - (Тi,Та,W)С,WС и связка. В зависимости от содержания углерода в структуре могут присутствовать графит илиh-фаза.

При равной теплостойкости (1000^ОС) сплавы ТТК превосходят сплавы ТК по сочетанию свойств «твердость - прочность» (табл.6.4). Так, при одинаковом содержании кобальта сплав ТТ8К6 превосходит сплав Т15К6 и по твердости (90,5 и 90HRAсоответственно), и по прочности (1323 и1176 Мпа). Наибольшее влияние легирование карбидом тантала проявляется при циклических нагрузках - ударная усталостная долговечность повышается от 6 до 25 раз. Поэтому инструмент из танталсодержащих сплавов используют, в основном, для тяжелых условий резания с большими силовыми и температурными нагрузками - при больших сечениях среза, при прерывистом резании, при обработке труднообрабатываемых (жаропрочных) материалов.

Таблица 6.4.

Состав и свойства сплавов ТТК.

Сплав	Химический состав, % масс
	WC	TiC	TaC	Co	sизг,Мпа	HRA	Е,ГПа
ТТ7К12	81	4	3	12	1666	87,0	-
ТТ8К6	84	8	2	6	1323	90,5	-
ТТ10К8	82	3	7	8	16170	89,0	490
ТТ20К9	67	9,4	14,1	9,5	1470	91,0	550

Сплавы ТН, КНТ. Это безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) на основе карбида и карбонитрида титана с никельмолибденовой, а не кобальтовой связкой.

По теплостойкости (800^ОС) БВТС уступают вольфрамсодержащим сплавам Их прочность и модуль упругости также ниже (табл.6.5).

Таблица 6.5

Состав исвойства БВТС

Cплав	Химический состав, % масс
	TiC	TiCN	Ni	Mo	HRA	sизг, МПа	Е,ГПа
КНТ–16	-	74	19,5	6,5	89	1200	425
ТН-20	79	-	15,0	6,0	90	1050	420
ТН-50	534	-	34,0	13,0	86,5	1400	-

Теплоемкость и теплопроводность БВТС ниже, чем у традиционных сплавов. Это означает, что при одинаковом количестве теплоты, выделяемой при резании, режущая кромка инструмента из БВТС нагревается сильнее. Это обстоятельство, наряду с меньшей теплостойкостью, определяет более низкую стойкость такого инструмента при высоких скоростях резания. Из-за более низкой прочности и трещиностойкости (значения К_1ссоставляет 10-17 и 7-11 МПа×м^-1/2для вольфрамсодержащих сплавов и БВТС, соответственно). БВТС заметно уступают традиционным сплавам при силовом резании с большими подачами и глубинами резания.

Несмотря на более низкую стоимость широкое применение БВТС для изготовления режущего инструмента проблематично. Наиболее целесообразно использование БВТС для изготовления измерительного (концевые меры, калибры) и волочильного инструмента.