Твердые сплавы

Твердые сплавы и минералокерамика — это большая группа конструкционных и инструментальных материалов. Основной ме­тод изготовления изделий из этих материалов — порошковая ме­таллургия. Сплавы, полученные порошковой металлургией, на­зываются спеченными.

Твердые сплавы обладают высокими физическими, химичес­кими, механическими, технологическими и эксплуатационны­ми свойствами. Основными свойствами твердых сплавов, бла­годаря которым они находят широкое применение, являются прочность на изгиб и сжатие, твердость и теплостойкость (крас­ностойкость).

Твердые сплавы классифицируются по следующим парамет­рам:

• по химическому составу (материалу шихты) — металличес­кие (легированные, быстрорежущие вольфрамовые, быстрорежу­щие безвольфрамовые, железоникелевые, хромоникелевые и др.), Металлокерамические (карбидохромовые, карбидотитановые, вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые и др.), минералокерамические (микролит, керметы, оксидная и оксидно-карбидная керамика и др.);

• по видам производимого материала — порошковые (зернис­тые), литые, прутковые, трубчатые, электродные, монолитные, Разнотиповые заготовки и готовые изделия;

• по способу переработки в изделия — холодное прессование, горячее прессование, гидростатическое прессование, мундштуч­ное прессование, прокатка металлических порошков, суспензи­онное (шликерное) литье и спекание;

• по назначению — инструментальные, конструкционные (наплавочные, литые), фрикционные (антифрикционные), магнит­ные, электротехнические, для фильтров и др.;

• по свойствам — красностойкие (теплостойкие) и химически стойкие (нержавеющие).

Красностойкие сплавы состоят из карбидов металлов, минералокерамики и кобальта, алюминия и железа, химически стойкие сплавы — из никеля, титана, кремния и других металлов и неме­таллов.

Также твердосплавные и минералокерамические материалы подразделяют:

• на твердые, или повышенной твердости (1500...2000 HV), которые производят из порошков карбидов вольфрама, титана, тантала, легированных сталей, никеля, железа и других металлов и их карбидов;

• очень высокой твердости (2 000...2 500 HV), относящиеся, как правило, к абразивным материалам (карбид кремния, электроко­рунд и др.);

• весьма твердые (более 2 500 HV), предназначенные как для абразивов, так и для режущего инструмента (алмазы естествен­ные и искусственные, кубический нитрид бора и др.).

Литые твердые сплавы — это группа материалов, получаемая путем расплавления шихты в индукционных электрических или электродуговых печах. После расплавления шихты сплав разлива­ют в чугунные, земляные или графитовые формы, в которых по­лучают стержни или электроды диаметром 5... 10 мм и длиной 300...400 мм, разнотиповые заготовки, монолиты, полуфабрикатные или готовые изделия, а также металлические порошкообраз­ные материалы. Последние получают путем разливки расплава на струю воды или дроблением охлажденного расплава.

Литые твердые сплавы классифицируются по следующим при­знакам:

• по назначению — магнитные, конструкционные и наплавоч­ные;

• по составу шихты (химический состав) — однокомпонентные, двухкомпонентные и трехкомпонентные;

• по виду материала — стержни, электроды, порошки (зерна, крупка), монолиты;

• по способу применения — литые, наплавочные и прессовоч­ные.

Состав шихты подбирается в зависимости от назначения твер­дого сплава и требуемых свойств и состоит из следующих композитов:

- конструкционная основа — чугун, карбиды вольфрама и титана, марганец, хром, ферромарганец и феррохром;

-связую­щая основа — алюминий, железо, медь, кобальт и никель;

-стаби­лизирующая основа — древесный уголь или нефтяной кокс.

Магнитные сплавы представляют собой материалы для посто­янных магнитов системы железо —никель —алюминий с различ­ной массовой долей составляющих компонентов. Для получения специфических электромагнитных свойств в эти сплавы вводят медь, кобальт и незначительное количество титана.

Литые маг­нитные твердые сплавы имеют высокие твердость, хрупкость и низкую пластичность. Из-за низкой пластичности и высокой хруп­кости постоянные магниты изготавливают методом литья.

Порошковая металлургия выпускает следующие марки литых твердых сплавов для постоянных магнитов: ЮНД8, ЮНДК18,

ЮНДК35К5 и др.

Конструкционные твердые сплавы представляют собой много­компонентные материалы:

-сталинит улучшенный на основе сис­темы хром (18 %) —марганец (13 %) —углерод (8%) —кремний (3%), остальное — железо,

- сталинит на основе системы чугун (45 %) — ферромарганец (18%) — феррохром (30 %) — нефтя­ной кокс (7 %).

К наплавочным материалам относятся стеллиты на основе сис­тем чугун — ферромарганец — феррохром с кремнием или воль­фрам—хром—кобальт. Стеллиты выпускаются следующих марок: В2К, ВЗК и др.

Заменители стеллитов — сормайты. Сормайты (№ 1, № 2) выпускаются на основе системы хром — железо — никель. Стеллиты и сормайты выпускаются в виде прутков и электродов. Шихту стеллитов и сормайтов расплавляют в электродуговых пе­чах, затем разливают в чугунные или земляные формы.

Кроме того, выпускаются следующие марки твердых литых сплавов:

- КБХ — боридно-хромистая с кремнием смесь (хром — бор — кремний — углерод — железо);

-БХ — боридная смесь (хром — бор —углерод —железо);

-литой карбид вольфрама — ликар (ТЗ — зерна карбида вольфрама в железной трубке;

-3 — крупка, зерна, порошки карбида вольфрама;

-РФ — заготовки из карбида вольф­рама, блоки, монолиты).

К твердым наплавочным материалам относятся также литые электродные сплавы марок Т540, Т590 и Т600 и твердый сплав на основе литого карбида титана — релит.

Литые карбиды вольфрама расплавляют в графитовых тиглях при температуре 3 000 °С и выше, для формообразования и крис­таллизации их разливают в графитовые формы.

Литые карбиды вольфрама выпускаются в виде готовых изделий, стержней или стальных трубок, заполненных дробленой крупкой.

Выпускается также группа литых твердых сплавов с высоким содержанием углерода (до 4 %) и карбидообразующих элементов:

хрома, вольфрама, титана, которые резко увеличивают износо­стойкость поверхностей деталей.

Массовая доля карбидообразующих элементов достигает 50%.

Связующие элементы, такие как кобальт, никель и частично марганец, устраняют в изделиях склон­ность к хрупкости.

Эта группа твердых сплавов выпускается следу­ющих марок: У25Х38, У30Х23Г2С2Т, У37Х7Г7С, У11Г13, У30Г34.

Применяются эти сплавы для улучшения износостойкости (на­плавки, наварки) деталей машин, механизмов и инструмента в горнорудной промышленности.

Литые твердые (конструкционные) сплавы применяются с це­лью упрочнения рабочих (трущихся) поверхностей деталей и ме­ханизмов, работающих на абразивный износ (на истирание).

Эти поверхности упрочняют путем наплавки электродов или по­рошков литых твердых сплавов указанных марок.

Наплавку про­изводят электродуговым или ацетиленокислородным способом. После наплавки детали и механизмы имеют стойкость в 8 — 12 раз выше, чем детали из углеродистых и легированных сталей после нормализации, закалки и отпуска.

Марки твердых сплавов Т540, Т590 и Т620 идут для наплавки гусеничных траков, буль­дозерных ножей, ковшей экскаваторов, деталей камнедробилок и других деталей и механизмов, работающих на абразивный из­нос.

Литые твердые сплавы, такие как карбиды вольфрама марок ТЗ, 3, РФ, а, также В2К ВЗК и др., обладающие высокой твер­достью, коррозионной стойкостью, теплостойкостью, износо­стойкостью, жаропрочностью, составляют группу литых инстру­ментальных твердых сплавов.

Эти материалы наплавляют на по­верхность кузнечно-прессового инструмента, ножей для резки металла, центров токарных станков и другого инструмента, ра­ботающего на абразивный износ при динамических и статисти­ческих нагрузках, а в отдельных случаях при высокой темпера­туре.

Спеченные твердые сплавы — это материалы, состоящие из карбидов (химическое соединение углерода с различными ме­таллами) вольфрама, титана и тантала, спрессованных в чистом металлическом кобальте.

Твердые сплавы обладают высокими твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами, со­храняющимися при нагреве до высоких температур. Их твердость выше твердости других материалов и приближается к твердости алмаза.

Особую группу в порошковой металлургии (металлокерамике) составляют твердые спеченные инструментальные материалы.

Эта группа твердых сплавов применяется для оснащения инструмен­та, предназначенного для следующих видов работ:

• обработка металлов и других материалов резанием (токарные и другие резцы, сверла, фрезы, протяжки, развертки, модульные фрезы, строгальные ножи, накатки и шевинги);

• горные работы (сверла для шурпов и скважин, зубила для отбойных молотков, фрезы для угольных комбайнов, шарошки для бурения, ножи, пилы и фрезы для обработки камня и др.);

• кузнечно-прессовые, штамповочные и прокатные работы (многопозиционные ручьи, пуансоны, матрицы, фильеры, штам­пы, ножи, пилы, долбяки, фасонные прокатные валики, воло­чильные доски и др.);

• деревообработка (рамные пилы, фрезы, центровки, сверла, фрезерные крючья и строгальные ножи);

• специальную группу составляют материалы, идущие на быс­троизнашивающиеся детали приборов, машин и конструкций.

Существуют различные группы спеченных твердых сплавов:

Вольфрамовые твердые сплавы — это однокарбидные материа­лы, спеченные карбиды вольфрама и спрессованные в чистом ме­таллическом кобальте.

По ГОСТ 3882—74 их выпускают следую­щих марок: ВКЗ, ВКЗ-М, ВК4, ВК4-В, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК6-В, ВК6-С, ВК8, ВК8-В, ВК8-ВК, ВК8-КС, ВК10, ВК10-М, ВК10-КС, ВК10-ОМ, ВК11-ВК, ВК12-КС, ВК13, ВК20, ВК20-КС, ВК20-К, ВК25.

Маркировка вольфрамовых твердых сплавов :

- обозначение группы этих сплавов буквами ВК

- цифра­ми, указывающими на массовую долю в сплаве кобальта.

-Буквы в конце марки обозначают зернистость материала:

М — сплавы на основе мелкозернистых (дисперсных) порош­ков карбида вольфрама, имеют высокую износостойкость;

В — сплавы на основе крупнозернистого карбида вольфрама, имеют повышенную вязкость;

ОМ — сплавы на основе высокодисперсных порошков карбида вольфрама, имеют очень высокую износостойкость;

ВК — сплавы на основе особокрупных порошков карбида воль­фрама, имеют повышенную ударную вязкость;

КС — сплавы на основе карбида вольфрама средней зернисто­сти;

Б — индивидуальное обозначение вольфрамотитанотанталового сплава.

Например, ВКЗ — вольфрамовый твердый сплав; массовая доля кобальта составляет 3 %, остальное (97 %) — карбид воль­фрама.

Вольфрамовые сплавы выпускаются в виде пластинок, кото­рыми оснащается режущий и штамповый инструмент для обра­ботки чугуна, бронз, фарфора, стекла, фильеров для волочения проволоки, шарошек и буров для бурения при геологоразведоч­ных работах, для холодной и горячей листовой и объемной штамповки.

Прочность этих сплавов _в = 1 200...2000 МПа, твердость 82.. 91 HRA, красностойкость 800...900°С. Кобальт в сплаве является не только связующим, он также определяет физико-механичес­кие свойства: твердость, ударную вязкость, красностойкость.

Чем больше кобальта, тем сплав мягче и размягчается при более низ­кой температуре. Поэтому сплавы марок с массовой долей ко­бальта менее 10 % применяются для обработки металлов резанием при тяжелых условиях: подаче, глубине резания, оборотах.

Спла­вы с содержанием кобальта более 10 % применяются не для обра­ботки металлов резанием, а при тяжелых условиях формообразо­вания деталей (волочение, штамповка) или бурении относитель­но мягкой породы (200...300 НВ).

Вольфрамовые твердые инструментальные сплавы имеют сле­дующее применение:

-ВКЗ — чистовое точение с малой глубиной резания, нарезание резьбы, развертывание и другие виды обра­ботки резанием деталей из серого литейного чугуна, цветных ме­таллов и сплавов;

-ВК4, ВК6, ВК8, ВК10 — черновое точение, в том числе с ударами, фрезерование, развертывание и рассверли­вание деталей из чугунов, цветных металлов и сплавов, а также титана и титановых сплавов. Кроме того, эти марки применяются для оснащения горного инструмента и оборудования (шарошки, керны, долота, зубила и др.).

Твердые сплавы марок ВК10, ВК11, ВК15, ВК20, ВК25 имеют высокое содержание кобальта (10...25 %). Эта группа сплавов об­ладает высокой ударной вязкостью, прочностью на изгиб и сжа­тие.

Они применяются для изготовления износостойких деталей, работающих в тяжелых и специфических условиях (волочильного, бурового и штампового инструмента), а также как конструкцион­ный материал в точном машиностроении и приборостроении.

Сплавы ВК11, ВК15, ВК20 и ВК25 применяются для оснащения инструмента для горных работ (бурение, в том числе ударное и вращательное, обработка гранита, мрамора и др.), инструмента для деформирования металлов, вырубного инструмента.

Твердый сплав марки ВК15, кроме того, применяется для оснащения ре­жущего инструмента в деревообработке (рамные пилы, фрезы, сверла, ножи и др.).

Эти марки находят применение для оснаще­ния режущего инструмента для бесстружковой обработки металлов (волочильные доски, фильеры, пуансоны, матрицы, штам­пы, ударный инструмент), быстроизнашивающихся деталей ме­ханизмов и машин.

Титановольфрамовые твердые сплавы состоят из порошков кар­бидов вольфрама, титана, спрессованных в чистом металличес­ком кобальте.

По ГОСТ 3882—74 титановольфрамовые твердые сплавы вы­пускаются следующих марок: Т30К4, Т14К8, Т15К6, Т5К10 и Т5К12.

Прочность на изгиб этих сплавов _из = 1 000... 1 700 МПа, твердость 82...91 HRA, красностойкость 800...900°С.

Титановоль­фрамовые сплавы маркируют следующим образом:

- буквы Т и К означают, что сплав титановольфрамовый, на кобальтовой связ­ке,

- цифры после буквы Т показывают массовую долю карбида титана,

- цифры после буквы К — массовую долю кобальта.

На­пример, Т15К6 — титановольфрамовый сплав, содержащий 15% карбидов титана, 6 % кобальта и 79 % карбида вольфрама.

Титановольфрамовые сплавы являются двухкарбидными. Осо­бенностью двухкарбидных сплавов является то, что карбид титана растворяет в себе карбид вольфрама.

По мере увеличения массо­вой доли карбида титана увеличивается красностойкость и твер­дость сплавов.

Сплавы Т30К14, Т15К6, Т14К8, Т5К12 используют для осна­щения режущего инструмента получернового и чернового реза­ния металлов, в том числе с ударами и при тяжелых условиях работы (поковки, отливки, заготовки из стального проката, угле­родистых легированных сталей и сплавов), нарезания резьбы, раз­вертывания незакаленных и закаленных углеродистых сталей как токарными резцами, так и вращающимися головками, фрезеро­вания, рассверливания и растачивания предварительно обрабо­танных отверстий, чистового строгания, получистового и чисто­вого точения при прерывистом резании, рассверливания литых и кованых отверстий, чернового зенкерования и других видов обра­ботки металлов резанием.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы по ГОСТ 3882— 74 выпускаются следующих марок: ТТ6К8, ТТ7К9, ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8, ТТ20К9, ТТ21К9, ВП322, ТС1 (две последние марки твердых сплавов — это новые материалы, выпускаемые ОАО «Краматорский завод тяжелого станкостроения»).

Спеченные твер­дые сплавы этой группы имеют трехкарбидную основу, состоя­щую из порошков карбидов вольфрама, титана, тантала и чисто­го кобальта.

Прочность этих сплавов _в= 1 500... 1 700 МПа, твердость 89... 90 HRA. При незначительной разнице в прочности, по сравнению с вольфрамовой и титановольфрамовой группами, эти сплавы име­ют более высокую ударную вязкость и прочность на изгиб, боль­шую сопротивляемость вибрации и выкрашиванию.

Принцип мар­кировки следующий:

- буквы ТТ — сплав титанотанталовольфрамовый;

-К — кобальт;

- цифры, стоящие после буквы Т, — массовая доля карбидов титана и тантала в соотношении примерно 1 :2;

-цифра, стоящая после буквы К, — массовая доля кобальта;

-ос­тальное — карбид вольфрама.

Например, ТТ8К6 — твердый титанотанталовольфрамовый сплав, в котором массовая доля карбида титана составляет около 6 %, карбида тантала — около 2 %, кобальта — 6 %, остальные 84 % — карбид вольфрама.

Красностойкость титанотанталовольфрамовых сплавов состав­ляет

900... 1 100 °С. Пластинками из них оснащают сверла, фрезы строгальные и токарные резцы и другой металлорежущий инстру­мент. Эта группа сплавов обладает высокой механической и тер­моударной прочностью режущих кромок и сопротивлением теп­ловым и механическим циклическим нагрузкам.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы, выпускаемые в виде пластинок, применяют для оснащения режущего инструмента чернового и чистового точения, фрезерования, отливок, поковок и штамповок, других заготовок при наиболее тяжелых условиях обработки заготовок (точение, сверление, фрезерование, строга­ние и другие виды обработки резанием). Например, ТТ8К6, ТТ7К12, ТТ10К8-Б применяются для оснащения режущего инст­румента для получернового и чернового резания металла, в том числе с ударами, для обработки чугунных отливок, поковок, вы­сокопрочных и легированных сталей, сплавов и чугунов.

Твердосплавные инструментальные материалы группы МС — это материалы, состоящие из карбидов тантала, ниобия, титана и вольфрама, растворенных в металлическом кобальте (МС111, МС137, МС146, МС221, МС321).

Эти материалы обладают более высокими техническими характеристиками, чем первые три группы твердых сплавов и некоторые марки зарубежного производства.

Эти новые твердосплавные материалы обладают высокой износо­стойкостью, механической и термоударной прочностью режущих кромок, применяются для получистового и чернового точения, развертывания, нарезания резьбы и фрезерования деталей и заго­товок из легированных коррозионно-стойких, жаропрочных и ти­тановых сплавов, конструкционных и инструментальных сталей.

Режущий инструмент, оснащенный этими сплавами, позволяет обрабатывать заготовки при высоких и средних режимах резания.

Перечисленные четыре группы металлокерамических твердых сплавов выпускаются различной формы, размеров и номеров 01, 02, 06, 07, 09, 10, 11, 13, 14, 16, 25 и 26 и предназначены для напайки металлорежущего инструмента, токарных резцов (пря­мых и отогнутых), сверл, галтельных и бандажных резцов, зенке­ров и разверток.