Твердые сплавы и минералокерамика

• Минералокерамика
• Металлокерамика

Твердые сплавы. Твердые сплавы изготовля­ют на основе тугоплавких карбидов, обладаю­щих высокой твердостью, прочностью, износо­стойкостью, жаростойкостью. Эти свойства со­храняются достаточно высокими при нагреве до 800—1000°С. По способу производства твердые сплавы делят на литые и металлокерамические, получаемые спеканием порошков карбидов вольфрама, титана и тантала с кобальтом. Послед­ний вводят для придания сплавам вязкости.

Литые твердые сплавы изготовляют в виде специальных электродов (ГОСТ 10051—75), пригодных для наплавки (наварки) на инструмент или детали. Сплавы В2К, ВЗК (стеллиты), сормайт относят к литым сплавам. Стеллиты представляют собой сплавы на осно­ве вольфрама, хрома и кобальта. Эти сплавы на­плавляют на рабочую поверхность новых или изношенных деталей и инструментов: штампов, ножей для резания металла, центров токарных станков и др. Наплавку осуществляют с по­мощью ацетиленокислородного пламени или электрической дуги. Наплавленный слой стел­лита имеет структуру эвтектики, состоящей из твердого раствора и карбидов хрома. Механиче­ские свойства наплавленного слоя будут тем вы­ше, чем больше скорость его охлаждения, так как зерна будут получаться мельче. Наплавлен­ный слой термической обработке, не подвергают. Детали или инструмент, предназначенные для наплавки, изготовляют из углеродистой стали, этим достигается экономия дорогостоящих ле-. тированных сталей. Наплавлять указанные спла­вы можно как на стальные, так и На чугунные детали.

К литым твердым сплавам относят также сормайты — высокоуглеродистые хромистые сплавы на железохромовой основе. Они представляют со­бой либо заэвтектический высокохромистый чу­гун со структурой первичных карбидов и эвтекти­кой (сормайт № 1), либо доэвтектический белый хромистый чугун со структурой перлита и кар­бидной эвтектики (сормайт № 2). Сормайты из­готовляют в виде прутков диаметром 5—7 мм и применяют для наплавки чугунных и стальных деталей и инструментов, работающих при нор­мальных и высоких температурах в условиях трения скольжения. Слой, наплавленный сормай-том № 1, имеет твердость НКС 48—50. Термиче­ской обработке его не подвергают. Слой, наплав­ленный сормайтом № 2, подвергают отжигу при температуре 850—900° С с последующей закалкой в масле и высоким отпуском. Стойкость деталей и инструмента, покрытых литыми твердыми спла­вами, повышается в 12 раз и более. Зерни­стые (или порошкообразные) твердые сплавы изготовляют в виде порошка или круп­ки с величиной зерна 1—3 мм. К зернистым спла­вам относят сталинит, применяют в качестве за­менителя стеллитов для повышения износостой­кости деталей сельскохозяйственных машин, бу­ровых долот и т. д. Сталинит содержит 8% С, 13% Мn, 3% Al, 18'% Сr и др. Зернистые сплавы используют как наполнитель трубчатого электро­да или в виде присадочного порошка для наплавки. Наплавку производят различными способами, чаще всего применяют различные виды электро­дуговой сварки.

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой твердый раствор карбидов вольфрама (WС), титана (ТiС), танта­ла (ТаС) в металлическом кобальте (Со). Изде­лия из металлокерамических сплавов выпускают в виде

пластинок для оснащения рабочей части металлорежущего инструмента (резцов, сверл, фрез, разверток).

Металлокерамические твердые сплавы (ГОСТ 3882—74) подразделяют на три группы: вольфрамовую, титановольфрамовую, титанотанталовольфрамовую.

Вольфрамовые твердые сплавы (например, ВК3, ВК3М, ВК6, ВК8, ВК8В и др.) применяют при обработке хрупких материалов: чугуна, бронзы, фарфора, стекла. Спла­вом ВК6М оснащают режущий инструмент для чистовой и получистовой обработки отбеленных чугунов, жаропрочных сталей, пластмасс. Спла­вом ВК8В оснащают инструмент для бурения, волочения, чернового точения жаропрочных и не­ржавеющих сталей. Буква В в конце марки ука­зывает, что сплав крупнозернистый, буква М — мелкозернистый.

Мелкозернистые и крупнозернистые вольфра­мовые высококобальтовые твердые сплавы ВК20, ВК25, ВКЗО и новые твердые сплавы ВК15В, ВК20В и ВК25В, обладающие высокой проч­ностью и ударной вязкостью, применяют для из­готовления твердосплавных штампов, работаю­щих в условиях больших ударных нагрузок. Стой­кость твердосплавных штампов по сравнению со стальными возрастает в 30—50 раз, чем обеспе­чивает большой экономический эффект.

Титановольфрамовые твердые сплавы (Т5К10, Т15К6, Т30К4 и др.) пред­назначены для обработки вязких материалов: стали, латуни. Сплавом Т5К10, например, осна­щают режущий инструмент для чернового точе­ния, а также чернового и чистового строгания сталей по корке и окалине (включая стальные тюковки, штампованные заготовки и отливки). Титанотанталовольфрамовые твер­дые сплавы ТТ7К12 и ТТ10К8Б использу­ют для черновой обработки стальных поковок. Эти сплавы имеют более высокую вязкость, из­носостойкость и прочность (σ_в — 1550 МПа), чем твердые титановольфрамовые и вольфрамовые сплавы.

Маркировка вольфрамовых твердых сплавов означает, например, для сплава ВК8, что в нем содержится примерно 92% карбидов вольфрама и 8% кобальта. В титановольфрамовом сплаве Т30К4 содержится примерно 30% карбидов тита­на, 4% кобальта и остальное — карбиды воль­фрама (66%). В титанотанталовольфрамовом сплаве ТТ7К12 сумма содержания карбидов тан­тала и карбидов титана составляет примерно 7%, кобальта 12%, остальное — карбиды вольфрама (81%). Аналогично расшифровываются и осталь­ные марки твердых сплавов. Пластифицированные твердые сплавы применяют для изготовления сложных по форме инструментов (сверл, зенкеров, развер­ток и т. п.), а также инструментов небольших размеров, которые трудно оснастить пластинка­ми из твердого сплава. Пластифицированным твердым сплавом называют спрессованный поро­шок, погруженный в кипящий парафин при тем­пературе 400° С и составляющий с ним после остывания однородную массу. Брикеты из пла­стифицированного твердого сплава легко подда­ются обработке резанием, прессованию и выдав­ливанию через фасонные фильеры. Изготовлен­ный одним из этих методов инструмент подвер­гают спеканию в специальных печах при темпе­ратуре 1300°С. После спекания инструмент, обла­дающий необходимой твердостью, подвергают чистовой обработке и затачиванию. Режущий ин­струмент, изготовленный из пластифицированно­го твердого сплава, обеспечивает более высокое качество обработанных поверхностей изделия, по сравнению с инструментом, оснащенным пла­стинками твердого сплава.

Минералокерамика — это синтетический ма­териал, в основу которого положен технический глинозем (Аl₂O₃). Широкое применение в настоя­щее время получила минералокерамика марки ЦМ-332—микролит. По твердости (НRС 91—93). тепло- и износостойкости он превосходит твердые сплавы. К недостаткам микролита относят низ­кую прочность и большую хрупкость. Инструменты, оснащенные пластинками микролита, не теряют своей твердости при нагревании в процес­се работы до 1200°С. Поэтому их с большой эф­фективностью применяют в условиях безударной нагрузки при чистовой и получистовой обработке стальных и чугунных деталей, цветных металлов и их сплавов, неметаллических материалов из высоких скоростях с небольшими глубинами ре­зания и подачами.

Технология изготовления пластинок микроли­та следующая: подготовленный порошок формуют, прессуют, а затем спекают при температуре 1750—1900°С. Пластинки можно получить так­же литьем под давлением. К державкам инструментов пластинки крепят путем припаивания или механическим креплением. Для пайки необходи­мо предварительно произвести металлизацию пла­стинок, т. е. покрыть их поверхность тонким сло­ем какого-либо металла, пригодного для осуще­ствления пайки.

Эксплуатационные характеристики минералокерамики улучшают добавлением в нее вольфра­ма, молибдена, бора, титана, никеля и т. д. Та­кие материалы называют керметами. Их используют при обработке резанием труднообра­батываемых сталей и сплавов

 

Пористая металлокерамика. Металлокерамику, имеющую остаточную пористость в пределах 15—50%, относят к пористой. В эту группу входят антифрикционные материалы, фильтры и «потеющие» материалы.

Антифрикционные материалы имеют в своем составе графит или другие компонен­ты, выполняющие роль смазки. Поры заполняют­ся маслом. Выпускают бронзографитовые и железографитовые металлокерамические изделия. Бронзографит по микроструктуре представляет собой зерна твердого раствора олова в меди с включением графита и пор, заполненных смаз­кой. Железографит может иметь ферритную, пер­литную и цементитную структуру. Антифрикци­онные материалы используют для изготовления подшипниковых втулок, применяемых в различ­ных отраслях промышленности (автомобильной, станкостроительной, авиационной и т. д.).

Фильтры изготовляют из порошков желе­за, бронзы, никеля, коррозионностойкои стали и других материалов. Они имеют пористость не менее 40—50%. Фильтры применяют для очист­ки топлива в двигателях автомобилей, тракторов и т. д., для очистки воздуха и различных жидко­стей.

Металлокерамические материалы, предназначенные для охлаждения за счет испарения хладоагента через поры, называют «потеющими» материалами. Их изготовляют из порошков коррозионностойкой стали, никеля, вольфрама, титана и т. д.

Компактная металлокерамика. Фрикцион­ные металлокерамические материалы представ­ляют собой сложные по химическому составу композиции на основе меди или железа. В состав фрикционных материалов входят компоненты, служащие в качестве смазки и предохраняющие материал от износа (свинец, графит, различные сульфиды и сернокислые соли), компоненты, при­дающие материалу высокие фрикционные свой­ства (асбест, кварцевый песок, различные окис­лы, тугоплавкие соединения и т. д.). Фрикцион­ные металлокерамические материалы имеют по­вышенную хрупкость и низкую прочность. Поэто­му изделия из них, как правило, состоят из стальной основы с нанесенным на нее слоем фрикционной металлокерамики. Эти материалы применяют в узлах сцепления и торможения.

Магнитные металлокерамические мате­риалы получают методами порошковой метал­лургии. Это магнитно-мягкие (ферриты), магнит­но-жесткие материалы (постоянные магниты) и магнитодиэлектрики.

Ферриты изготовляют методами холодного и горячего прессования из порошков чистого желе­за и сплавов на его основе или из порошков на основе окислов железа. Ферриты спекают в окис­лительной атмосфере.

Постоянные магниты являются металлокерамическими сплавами сложного химического со­става на основе железа, легированного алюминием, никелем, медью, кобальтом. Прессованные и спеченные магниты подвергают дополнительной термической обработке — закалке, закалке и от­пуску и т. д. Металлокерамические постоянные магниты имеют прочность в 3—6 раз выше, чем литые магниты.

Магнитодиэлектрики представляют собой ком­позиции магнитных и изоляционных материалов. Изоляционные материалы разделяют металличе­ские частицы в магнитном и электрическом отно­шении и являются механической связкой. В каче­стве изоляционных материалов применяют фенольные смолы, полихлорвинил, силикаты, кау­чук и т. д. Содержание изоляционного компонен­та в магнитодиэлектриках составляет 5—15%.

Электроконтактные металлокерамиче­ские материалы изготовляют из смеси порошков тугоплавких металлов с медью, серебром, нике­лем. Тугоплавкие металлы (W, Мо, Со, Ni) опре­деляют механические свойства, легкоплавкие ме­таллы служат наполнителем и придают материа­лам высокую электропроводимость. Получаемые материалы устойчивы к эрозии. Контакты изго­товляют монометаллическими или биметалличе­скими. В соответствии с этим применяют различ­ную технологию формования контактов. Метал­локерамические контакты применяют в магнит­ных пускателях, тепловых реле и реле особо тя­желого режима, контроллерах, регуляторах нап­ряжения, аппаратуре управления, преобразова­телях тока и т. д.