Металлокерамические твердые сплавы
Под твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы являются металлокерамическими.
Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, прессуют эту смесь в изделия необходимой формы и подвергают спеканию при 1400–1550 °С в защитной атмосфере (водород) или в вакууме. При спекании кобальт плавится и растворяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (пористость не превышает 2 %), состоящий на 80–97 % из карбидных частиц, соединенных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердости, но повышение вязкости.
Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащаются режущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и др.), а также деталей машин, приборов измерительного инструмента.
Такие инструменты обладают высокой твердостью HRA 80–92 (HRCЭ 73–76), износостойкостью и высокой теплостойкостью (до 800–1000 °С). По своим эксплутационным свойствам они превосходят инструменты из инструментальных сталей (см. рис. 6.3). Их недостатком является высокая хрупкость и сложность изготовления фасонных изделий.
Скорость резания твердосплавным инструментом в 5–10 раз выше скорости резания быстрорежущим.
Свойства твердых сплавов и, следовательно, области их применения зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC), а также от соотношения карбидной и связывающей фаз. Регулированием этих факторов можно в определенных пределах менять свойства сплавов.
Рис. 6.3. Зависимость твердости различных инструментальных материалов от температуры испытания: 1 — углеродистая сталь; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — твердый сплав
В соответствии с ГОСТ 3882–74 в РФ выпускают три группы твердых сплавов: вольфрамовая (однокарбидная), титановольфрамовая (двухкарбидная), и титанотанталовольфрамовая (трехкарбидная). Их марки, состав и физико-механические свойства приведены в табл. 6.15.
Сплавы вольфрамовой группы (WC—Со) имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Их применяют в режущем инструменте для обработки чугунов, сталей, цветных сплавов и неметаллических материалов. Повышенная износостойкость и сопротивляемость ударам сплавов группы ВК определяет их применение в горном инструменте и для изготовления штампов, пуасонов, матриц, фильер и т. д.
Таблица 6.15
Марки, химический состав и характеристики спеченных твердых сплавов (гост 3882–74)
Группы |
Марки |
Массовая доля основных компонентов в смеси порошков, % |
Физико-механические свойства |
|||||
Карбид вольфрама |
Карбид титана |
Карбид тантала |
Кобальт |
Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2), не менее |
Плотность, (кг/м3) · 10–3 |
Твердость HRA, не менее |
||
Вольфрамовая |
ВК3 |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
89,5 |
ВК3-М |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
91,0 |
|
ВК4-В |
96 |
– |
– |
4 |
1470 (150) |
14,9–15,2 |
88,0 |
|
ВК6 |
94 |
– |
– |
6 |
1519 (155) |
14,6–15,0 |
88,5 |
|
ВК6-М |
94 |
– |
– |
6 |
1421 (145) |
14,8–15,1 |
90,0 |
|
ВК6-ОМ |
92 |
– |
2 |
6 |
1274 (130) |
14,7–15,0 |
90,5 |
|
ВК6-В |
94 |
– |
– |
6 |
1666 (170) |
14,6–15,0 |
87,5 |
|
ВК8 |
92 |
– |
– |
8 |
1666 (170) |
14,4–14,8 |
88,0 |
|
ВК8-В |
92 |
– |
– |
8 |
1813 (185) |
14,4–14,8 |
86,5 |
|
ВК8-ВК |
92 |
– |
– |
8 |
1764 (180) |
14,5–14,8 |
87,5 |
|
ВК10 |
90 |
– |
– |
10 |
1764 (180) |
14,2–14,6 |
87,0 |
|
ВК10-КС |
90 |
– |
– |
10 |
1862 (190) |
14,2–14,6 |
85,0 |
|
ВК11-В |
89 |
– |
– |
11 |
1960 (200) |
14,1–14,4 |
86,0 |
|
ВК11-ВК |
89 |
– |
– |
11 |
1862 (190) |
14,1–14,4 |
87,0 |
|
ВК15 |
85 |
– |
– |
15 |
1862 (190) |
13,9–14,4 |
86,0 |
|
ВК20 |
80 |
– |
– |
20 |
2058 (210) |
13,4–13,7 |
84,0 |
|
ВК20-КС |
80 |
– |
– |
20 |
2107 (215) |
13,4–13,7 |
82,0 |
|
ВК10-ХОМ |
88 |
– |
2 |
10 |
1470 (150) |
14,3–14,7 |
89,0 |
|
Титановольф- рамовая |
Т30К4 |
66 |
30 |
– |
4 |
980 (100) |
9,5–9,8 |
92,0 |
Т15К6 |
79 |
15 |
– |
6 |
1176 (120) |
11,1–11,6 |
90,0 |
|
Т14К8 |
78 |
14 |
– |
8 |
1274 (130) |
11,2–11,6 |
89,5 |
|
Т5К10 |
85 |
6 |
– |
9 |
1421 (145) |
12,4–13,1 |
88,5 |
|
Т8К7 |
85 |
8 |
– |
7 |
1519 (155) |
12,8–13,1 |
90,5 |
|
Титанотантало-вольфрамовая |
ТТ7К12 |
81 |
4 |
3 |
12 |
1666 (170) |
13,0–13,3 |
87,0 |
ТТ8К6 |
84 |
8 |
2 |
6 |
1323 (135) |
12,8–13,3 |
90,5 |
|
ТТ10К8-Б |
82 |
3 |
7 |
8 |
1617 (165) |
13,5–13,8 |
89,0 |
|
ТТ20К9 |
71 |
8 |
12 |
9 |
1470 (150) |
12,0–12,5 |
91 |
|
Сплавы второй группы (WC—TiC—Co) имеют более высокую теплостойкость (до 900–1000 °С) и твердость. Это связано с тем, что карбид вольфрама частично растворяется в карбиде титана при температуре спекания с образованием твердого раствора (Ti, W)С, имеющего более высокую твердость, чем WC. Структура карбидной фазы зависит от соотношения WC и TiC в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (Ti, W)С, который придает сплаву максимальную твердость (HRA 92), но пониженную прочность. В остальных сплавах этой группы количество WC превышает растворимость в TiС, поэтому карбиды вольфрама в них присутствуют в виде избыточных частиц. Эти сплавы применяют в основном для высокоскоростной обработки сталей и чугунов.
Третью группу образуют сплавы системы (WC—TiC—TaC—Co). В этих сплавах структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W)С, и избыток WC. Сплавы этой группы отличатся от предыдущей большей прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются в наиболее тяжелых условиях резания — при черновой обработке стальных поковок, отливок, а также труднообрабатываемых сталей и сплавов.
Подробные сведения по областям применения твердых сплавов приведены в табл. 6.16.
Общим недостатком рассмотренных сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья — основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характеристики. Поэтому перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов. Хорошо себя зарекомендовали сплавы, в которых в качестве основы используется карбид титана, а в качестве связки — никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15–17 % Ni и 7–9 % Mo соответственно, остальное — карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16–30 %. Концентрация молибдена составляет 5–9 %, остальное — также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87–94 HRA, сплавы имеют высокую износо- и коррозионную стойкость. Их используют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.
Кроме указанных твердых сплавов все шире в практике обработки резанием применяют керамические инструментальные материалы. К ним относятся керамики оксидного и оксидно-карбидного типа (В-3, ВОК-60, ВО-13), предназначенные для оснащения режущего инструмента (ГОСТ 26630–85). Марки, физико-механические свойства и области применения этих материалов представлены в табл. 6.17.
Таблица 6.16