Металлокерамические твердые сплавы

Металлокерамические твердые сплавы состоят из карбидов тугоплавких металлов и кобальта, играющего роль связки. Рис.13.2 иллюстрирует влияние температуры на твер­дость различных инструментальных материалов от температуры испытания. Твердые сплавы обладают наиболее высокой твердо­стью и сохраняют ее при нагреве до высоких температур.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлур­гии. Применяют карбиды вольфрама, титана и тантала, а за ру­бежом - также карбиды ниобия и ванадия. Сплавы получают спе­канием порошков карбидов с порошком кобальта при 1400-1550 °С после предваритель­ного прессования.При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате получают твердый материал (пористость не превышает 2%),структура которого на 80-95% состоит изкарбидных частиц, соединенных связкой.

Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которые мед­ным припоем припаивают к державке из обычной углеродистой стали или предусматривается механическое крепление.

 Твердые сплавы применяют для резцов, сверл, фрез и дру­гого инструмента.Инструмент из металлокерамических твердых сплавов харак­теризуется высокой твердостью (80-97 HRA), износостойкостью в сочетании с высокой теплостойкостью (до 800-1000 °С), высоким модулем упругости и пределом прочности на сжатие (до 6000МПа).Основным  недос­татком является высокая хрупкость. Скорость резания твердыми сплавами в 5-10 раз выше скоро­сти резания быстрорежущими сталями.

В зависимости от состава карбидной основы различают три группы твердых сплавов: вольфрамовые, титанвольфрамовые и титантанталвольфрамовые.

Вольфрамовые твердые сплавы изготовляют на основе карби­да вольфрама WC и кобальта. Сплавы этой группы обозначают буквами ВК и цифрой, показываю­щей содержание кобальта в процентах. Например, сплав ВКЗ со­держит 3 % Со и 97 % WC. Содержание кобальта может меняться (сплавы ВК6, ВК8). Чем больше содержание кобальта, тем выше прочность, хотя и несколько ниже твердость сплава. Твердые сплавы вольфрамовой группы имеют наибольшую прочность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостойки до 800 °С. Эти сплавы применяют для обработки чугуна, сплавов цветных металлов и различных неметаллических материалов, дающих прерывистую стружку. Сплавы с высоким содержанием кобальта ВК20 и ВК25 применяют для изготовления штампов, а также в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин, от которых требуется высокое сопротивление пластической деформации и изнашиванию.

 

Сплавы второй группы (двухкарбидные) изготовляют на основе карбидов WC и TiC на кобальтовой связке. Их маркируют буквами Т, К и цифрами. Цифры после буквы Т указывают содержание кар­бидов титана в процентах, а цифры после буквы К - содержание кобальта. Например, сплав Т15К6 содержит 15 % TiC, 6 % Со, ос­тальное, т. е. 79 %, WC. Карбид вольфрама растворяется в кар­биде титана при температуре спекания, образуя твердый раствор (Ti, W)C, имеющий более высокую твердость, чем WC. Структура сплава состоит более чем из 50% карбида титана (Ti,W) C. Сплавы этой группы имеют более высокую (до 900-1000 ° С) теплостойкость, по­вышающуюся с увеличением содержания карбидов титана. Их в основном применяют для высокоскоростной обработки сталей.

Для изготовления сплавов третьей группы используют карби­ды вольфрама, титана, тантала и порошок кобальта в качестве связки. Эти сплавы маркируют буквами ТТК и цифрами. Цифра, стоящая после букв ТТ, указывает суммарное содержание карби­дов титана TiC и тантала ТаС, а цифра, стоящая после буквы К, -содержание кобальта. Например, сплав ТТ7К12 содержит 4 % TiC, 3 % ТаС, 12 % Со и 81 % WC. В их структуре присутствует твердый раствор (Ti, Та, W)C и избыток WC. Сплавы этого типа имеют более высокую прочность, чем сплавы второй группы, и лучшую сопротивляемость ударным воздействиям, вибрации и выкрашиванию. Их применяют для более тяжелых условий реза­ния (черновое точение стальных слитков, поковок, литья).

Общим недостатком рассмотренных сплавов помимо высокой хрупкости является повышенная дефицитность исходного вольф­рамового сырья - основного компонента, определяющего их по­вышенные физико-механические характеристики. Использование вакуум - компрессионного спекания дает хорошие результаты не только по уменьшению пористости, но и повышение однородноти пластин и,как следствие, повышение прочности (`20%), в том числе и за счет влияния давления при высокой температуре на структурную составляющую фаз и прослоек. Однородность изделий особенно важна для твердосплавных инструментов, используемых при механической обработке деталей на станках автоматах, а также для инструмента, используемого при бурении, особенно с использованием перфораторов. Для тяжелых условий работы используются сплавы ЖС 17 и ЖС11.Пластины, полученные с применением вакуум - компрессионного спекания и специальной технологии имеют по сечению разные градиентные свойства: режушая кромка отличается повышенной однородностью по зернистости структурных составляющих. Результаты сравнительных испытаний пластин из твердых сплавов, изготовленных разными производителями приведены в табл. 13.7

                                                                                        Таблица 13.7

Зависимость стойкости твердых сплавов от технологии производства.

№п/п	Марка твердого сплава, пластины, производитель		Среднее количество  Обработанных колес, шт.		Величина износа по задней повер-хности, мм
			Одной кромкой	Одной пластиной
1	GM-517c покрытием "CERETEZIT"	Австрия	18	144	0,8
2	СТМ с покрытием "Сандвик- МКТС	Россия	16	128	0,8
3	ЖС 17 без покрытия, "АЛГ"	Россия	12	96	0,7
4	SH, без покрытия"Сандвик"	Швеция	6	48	0,б
5	МС 221 без покрытия, спека- ние в среде водорода	Украина	3	24	0,5
6	МС 221 без покрытия, после ТКО,ИСМ	Украина	10	80	0,8
7	ЖС 17 с покрытием, "АЛГ"	Россия	18	144	0,8

 

Как видно из таблицы, сплавы фирмы "АЛГ" при испытании показали более высокие результаты по сравнению со сплавами других марок.

Хорошо себя зарекомендовали сплавы, для 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 % Мо 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. Так втулки, изготовленные из коррозионностойкого и немагнитного твердого сплав СН 8 (система WC-Ni) успешно используются в нефтяных и других насосах.

Перспективно направление использования безвольфрамовых твердых сплавов.

В настоящее время интенсификация и автоматизация механической обработки обуславливает необходимость дальнейшего повышения износостойкости и надежности инструмента различного назначения, что может быть обеспечено применением специальных покрытий, наносимых на рабочие поверхности как быстрорежущих сталей так и твердых сплавов. За рубежом до 90% инструмента производится с покрытием, в России до 25%. Влияние специальных технологий на износостойкость и долговечность инструмента рассмотрено в Главе 20.

Особо твердые инструментальные материалы созданы на осно­ве нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной метал­лической связки. Изделия из этих материалов изготавливают ли­бо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния ис­пользуют в качестве материала инденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале темпе­ратур 700—1800 °С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закален­ных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных метал­лов. Они обладают высокой твердостью (94-96 HRA), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000 °С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для заме­ны вольфрам содержащих твердых сплавов.

Для изготовления доводочных паст, шлифовальных кругов применяют абразивные материалы. Они представляют собой по­рошки, либо скрепленные связкой, либо нанесенные на гибкую основу - ткань или бумагу. Различают природные и искусствен­ные абразивные материалы. К природным относятся алмазы, гра­наты, корунд; к искусственным - искусственные алмазы, гекса­гональный нитрид бора (эльбор), карборунд.

Штамповые стали

Для обработки металлов давлением применяют штампы (матрицы, пуансоны), валики и т.д., деформирующие металл;стали, применяемые для изготовления изделий этого назначения называются штамповыми. В зависимости от условий работы инструменты делятся на две группы: для холодного деформирования, для горячего деформирования, литья под далением и жидкой штамповки.

Химический состав некоторых марок шгамповых сталей приведен в табл. 13.8

Таблица13.8

Химический состав некоторых штамповых сталей, % (ГОСТ 5950-73)

 

Марка стали	С	Si	Mn	Cr
Х6ВФ Х12 Х12МФ Х12Ф1	Для деформирования в холодном состоянии     1,05-1,15         0,15-0,35          0,15-0,40                 5,5-6,5 2,0-2,2             0,10-0,40          0,15-0,45                 11,5-13,0 1,45-1,65              0,10-0,40              0,15-0,45                  11,0-12,5 1,25-1,45         0,15-0,35            0,15-0,40                      11,0-12,5                                                                                                                                                                                          -
Марка стали	W	V	Mo	Ni
Х6ВФ Х12 Х12МФ Х12Ф1	1,1-1,5 - -	0,5-0,8 - 0,15-0,3 0,7-0,9	- - 0,4-0,6 -	- - - -
Марка стали	С	Si	Mn	Cr
7X3 5ХНМ 4ХМФС ЗХ2В8Ф	Для деформирования в горячем состоянии 0,65-0,75        0,15-0,35             0,15-0,40                     3,2-3,8                              0,50-0,60        0,10-0,40             0,50-0,80                    0,5-0,8               0,37-0,45        0,50-0,80             0,50-0,80                    1,5-1,8       0,30-0,40        0,15-0,40             0,15-0,40                    2,2-2,7
Марка стали		V	Mo	Ni
7X3 5ХНМ 4ХМФС ЗХ2В8Ф	- - - 7,5-9,0	- - 0,3-0,5 0,2-0,5	- 0,15-0,3  0,9-1,2 -	- 1,4-1,8 - -
* Содержание серы и фосфора должно быть меньше 0,030 % во всех сталях.