Углеродистые и легированные инструментальные стали

 

Для изготовления режущего инструмента применяют высокоуглеродистые, высококачественные стали с содержанием углерода 0,9…1,3% (У9А, У10А, У12А и т. д.).

 

Таблица 1. Некоторые свойства наиболее применяемых углеродистых

инструментальных сталей.

Марка стали	Физико-механические свойства	Карбид-ная фаза, %	Тепло-стой-кость, ^оС
г/см^3	НВ, МПа	После отжига	После закалки и отпуска
НВ, МПа	, МПа	, МПа	10^5, Дж/м^2	НRCэ
У10;У10А	7,81					0,2	63-65	14,0-16,0	200-250
У11;У11А	7,81					-	63-65	15,5-17,0	200-250
У12;У12А	7,81					0,2	63-65	17,0-18,5	200-250
У13;У13А	7,81			-		-	63-65	18,5-20,0	200-250

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У, за которой следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали, умноженная на 0,1. Так в стали марки У10 массовое содержание углерода составляет 1%. Буква А в обозначении соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей.

После полной термической обработки они имеют высокую твёрдость (61…63 HRC_э), что позволяет режущему инструменту, изготовленному из данных сталей, обрабатывать заготовки из углеродистых сталей и чугунов в отожжённом и нормализованном состоянии с твёрдостью 30…32 HRC_э. Из-за низкой теплостойкости режущий инструмент, изготовленный из них, работает на скоростях резания не выше 20…25 м/мин.

Износостойкость углеродистых сталей в указанном диапазоне скоростей резания может быть повышена путём легирования их небольшим количеством вольфрама, хрома, кремния и марганца. Такие инструментальные стали получили название легированных (9ХС, ХВГ, ХВ6 и др.).

Таблица 2. Некоторые свойства наиболее применяемых

легированных инструментальных сталей.

Марка стали	Физико-механические свойства	Карбид-ная фаза, %	Тепло-стой-кость, ^оС
г/см^3	НВ, МПа	После отжига	После закалки и отпуска
НВ, МПа	, МПа	, МПа	10^5, Дж/м^2	НRCэ
11Х;11ХФ	7,82			-		1,6	63-65	15,5-17,0	200-250
9ХС	7,83					0,25	63-66	12,5-14,0	240-250
ХВСГ	7,83			-		-	62-64	14,0-15,5	200-220
ХВГ	7,83			-		-	63-66	14,0-16,0	200-220
Х6ВФ	-					-	59-61	12,0-14,0	400-500
Х12Ф1	-			-		2,95	63-65	15,0-17,0	490-510
Х12М	-			-	-	-	63-65	-	490-510

 

Легированные инструментальные стали обозначаются цифрой, характеризующая массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, то содержание углерода 1%), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г-марганец, Х-хром, С-кремний, В-вольфрам, Ф-ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах. Они обладают повышенной твёрдостью (HRC_э 63…65), средняя теплостойкость – 250 ^оС. Из легированных сталей изготавливают сложнопрофильные мелкоразмерные инструменты: развёртки, фасонные резцы, метчики, плашки.

 

 

Быстрорежущие стали

Доля режущего инструмента из быстрорежущей стали (в общем объёме режущего инструмента) составляет до 70%.

Повышенная теплостойкость данных сталей предопределяется введением в их состав легирующих элементов (W, Mo, Cr, V и Co), образующих сложные карбиды, которые связывает практически весь углерод. Поэтому коагуляция карбидов происходит при повышенных температурах и теплостойкость стали повышается до 580…700 ^оС. Высокая твёрдость быстрорежущих сталей (63…70 HRC_э), прочность на изгиб и сжатие связаны с превращением (переходом) остаточного аустенита в мартенсит, а также с дисперсионным упрочнением сталей в результате выделения карбидов, не растворившихся при закалки. Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующие карбидообразующим и легирующим элементам (В-вольфрам, М-молибден, Ф-ванадий, А-азот, К-кобальт). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

По уровню теплостойкости быстрорежущие стали делятся на три группы:

1. Стали нормальной теплостойкости – вольфрамовые быстрорежущие (Р18, Р9, Р12) и вольфрамомолибденовые быстрорежущие стали (Р6М5,Р8М3). 2.Стали повышенной теплостойкости – вольфрамокобальтовые быстрорежущие (Р9К5, Р9К10, Р6М5К5), вольфрамованадивые быстрорежущие стали (Р12Ф3, Р6М5Ф3). 3. Стали высокой теплостойкости (В11М7К23, В14М7К25).

Быстрорежущие стали нормальной теплостойкости. Стали данной группы имеют твердость в закаленном состоянии 63-65 НRС_э, предел прочности при изгибе 2,9-3,4 ГПа, ударную вязкость 2,7-4,8 Дж/м², теплостойкость 620-630^оС (табл. 3). Указанные в табл.3 марки сталей получили наиболее широкое распространение для изготовления режущего инструмента. Режущие инструменты, изготовленные из сталей нормальной теплостойкости, используются при обработке заготовок из конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и конструкционных пластмасс. Применяются стали дополнительно легированные азотом, например, Р6АМ5, которые являются модификациями обычных быстрорежущих сталей. Легирование азотом повышает твердость стали и режущие свойства инструмента.

 

Таблица 3. Некоторые свойства быстрорежущих сталей нормальной

теплостойкости.

Марка стали	г/см^3	Твердость	После закалки	Температура, ^оС	Тепло-стойкость, ^оС
После отжи-га, НВ	После закалки и отпус-ка, НRСэ	,МПа	10^5, Дж/м^2	Закал-ки	Отпус-ка
Р18	8,75			2,9-3,1	3,0
Р9	8,3			3,35	2,0
Р6М5; Р6АМ5	8,15			3,3-3,4	4,8
11Р3АМ3Ф2	7,9			2,9-3,1	4,5
Р6М5Ф3	8,15			-	4,0
Р12Ф3	8,39			3,0-3,1	2,7
Р9К5	8,25			2,5	0,7
Р6М5К5	8,15			3,0	2,75
Р9М4К8	8,3			2,5	2,6

Быстрорежущие стали повышенной теплостойкости. Повышение износостойкости и теплостойкости быстрорежущих сталей достигается дополнительным легированием их ванадием и кобальтом с соответствующим изменением содержания углерода (табл. 4, 5).

 

Таблица 4. Некоторые составы высокованадиевых сталей.

Марка стали	Химический состав, % (масса)
С	W	Мо	Сr	V
Р12Ф4 Р6М5Ф3 Р6М5Ф4	1,27 1,2 1,3	5,8 5,8	до 1 5,0 5,0	4,0 4,2 4,2	4,0 3,0 4,0

 

Стали данной группы характеризуются повышенным содержанием углерода. Твердость сталей в закаленном состоянии достигает 65-67 НRC_э, теплостойкость сталей – 640-650^оС. Инструменты, изготовленные из сталей повышенной теплостойкости, используются при обработке заготовок из жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, а также конструкционных сталей повышенной прочности.

При легировании 2,5…5% ванадия и увеличением содержания на каждые 1% ванадия 0,2% углерода, в стали образуется повышенное количество карбидов вольфрама (типа Ме₆С), которые практически не растворяются при нагреве под закалку. Наличие в стали после закалки и отпуска ванадиевых карбидов аналогичного типа обеспечивает изготовленному из нее инструменту повышенную износостойкость. Наиболее распространенной маркой этой группы является сталь Р6М5Ф3.

Наряду с высокой износостойкостью, ванадиевые стали обладают плохой шлифуемостью из-за присутствия карбидов ванадия, так как твердость последних не уступает твердости зерен шлифовального круга.

Кобальт не является карбидообразующим элементом, поэтому его введение приводит к увеличению температуры превращений, повышается химическая активность углерода, вольфрама и молибдена в феррите, что является причиной образования увеличенного количества дисперсных частиц, играющие роль фазовых упрочнителей при отпуске. Кроме того, повышается теплопроводность стали, так как кобальт является единственным легирующим элементом, приводящим к такому эффекту.

Влияние кобальта на свойства быстрорежущей стали становится заметным при его введении в сталь в количестве 5%. В связи с указанным, типичные концентрации кобальта составляют 5-8% и реже – 10-12%.

Наиболее распространенные кобальтовые стали представлены в табл. 5.

 

Таблица 5.Составы наиболее применяемых кобальтовых

быстрорежущих сталей.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
Р9К5 Р9К10 Р18Ф2К5 Р6М5К5 Р6М5К8 Р2М9К8 Р12Ф4К5	0,9 0,9 0,77 0,88 0,90 0,90 1,35	9,0 9,0 18,0 6,2 6,2 1,8 12,2	до 1,0 до 1,0 до 1,0 5,0 5,0 8,6 до 1,0	4,0 4,0 4,0 4,0 4,1 4,0 4,5	2,3 2,3 1,5 1,9 1,9 2,0 4,0	5,0 10,0 5,0 5,0 8,0 8,2 4,8

 

Наряду с большими достоинствами по износостойкости, твердости, теплостойкости и теплопроводности, кобальтовые стали имеют существенные недостатки: относительно низкая пластичность, высокая склонность к обезуглероживанию, в процессе нагрева под горячее деформирование и закалку, сниженная прочность при изгибе. Последний параметр сильно зависит также и от других легирующих элементов. В частности, большей прочностью обладают кобальтовые стали Р2М9К8 ( ГПа) и Р6М5К6 ( ГПа), легированные молибденом, меньшей прочностью обладают вольфрамовые стали типа Р12Ф4К5 ( ГПа).

Быстрорежущие стали высокой теплостойкости (стали с интерметаллидным упрочнением). Данные стали характеризуются пониженным содержанием углерода (содержание С до 0,3%) и большим количеством легирующих элементов (В11М7К23, В14М7К25) (табл. 6). Они имеют твердость 69-70 НRC_э и теплостойкость 700-720^оС.

 

Таблица 6. Составы некоторых сталей высокой теплостойкости.

Марка стали	Химический состав, % по массе
C	W	Mo	Cr	V	Co
В11М7К23 В14М7К25	0,1 0,1	11,0 14,0	7,0 7,0	- -	0,5 0,5	23,0 25,0

 

Высокая теплостойкость, твердость и износостойкость сталей данной группы определяется повышением уровня температур, приводящих к фазовым превращениям, а также большой сопротивляемостью коагуляции интерметаллидной фазы.

Стали с интерметаллидным упрочнением имеют низкую обрабатываемость резанием в отожженном состоянии (38-40 НRC_э), их прочность близка к прочности кобальтовых сталей ( ГПа). Поэтому инструмент, изготовленный из таких сталей, рекомендуют для обработки заготовок из труднообрабатываемых материалов и титановых сплавов.

Экономнолегированные быстрорежущие стали. В связи с возрастающей дефицитностью вольфрама и молибдена – основных легирующих элементов, используемых при производстве быстрорежущих сталей, все большее применение находят стали с низким содержанием указанных элементов или не содержащие вольфрам, которые называют экономнолегированными. Среди сталей этого типа наибольшее применение получила сталь 11Р3М3Ф2, которая обладает достаточно высокими показателями по твердости (НRC_э 63-64), прочности ( ГПа) и теплостойкости (до 620^оС).

Находит применение низколегированная безвольфрамовая сталь 11М5Ф (1,06% С; 5,5% Мо; 4,0% Сr; 1,5% V). Эта сталь принадлежит к новому классу заэвтектоидных сталей, в отличие от традиционных ледебуритных сталей. Нагрев под закалку позволяет растворить все карбиды типа Ме₆С (что невозможно для ледебуритных сталей), что обеспечивает легированность и свойства стали 11М5Ф примерно на уровне соответствующих показателей стали Р6М5.

Сравнительные исследования режущих свойств инструмента из экономнолегированных сталей показали, что по режущим свойствам ближе всех к стали Р6М5 наряду с 11Р3АМ3Ф2 стоят Р2М5 и 11М5Ф.

Сталь 11Р3АМ3Ф2 более технологична в металлургическом производстве, однако из-за худшей шлифуемости ее применение ограничено инструментами простой формы, не требующими больших объемов абразивной обработки (пилы по металлу, резцы и т.п.).

С целью улучшения свойств быстрорежущей стали 70-х годах широко начали использовать технологию электрошлакового переплава. Карбидная неоднородность металла после электрошлакового переплава снижается на 1-2 балла, стойкость инструмента возрастает на 15-20%.

Электрошлаковый переплав повышает пластичность стали в горячем состоянии, что позволяет увеличивать выход годного при производстве малотехнологичных в металлургическом производстве “сверхбыстрорежущих” сталей. Стоимость сталей электрошлакового производства примерно на 30% выше стоимости таких же марок обычной технологии выплавки.

Порошковые быстрорежущие стали. Наиболее эффективные возможности повышения свойств и качества быстрорежущих сталей является технология производства методами порошковой металлургии. Высокие режуще свойства порошковых быстрорежущих сталей определяются особой мелкозернистой структурой, способствующей повышению прочности и уменьшению радиуса округления режущей кромки, улучшенной обрабатываемости резанием и особенно шлифованием.

Порошковая быстрорежущая сталь характеризуется однородной мелкозернистой структурой, равномерным распределением карбидной фазы, пониженной деформируемостью в процессе термической обработки, хорошей шлифуемостью, более высокими технологическими и механическими свойствами, чем стали аналогичных марок, полученных по традиционной технологии.

Существуют два различных способа получения порошковой быстрорежущей стали: распылением водой и азотом. Изготовление инструмента из водораспыленных порошков дешевле, однако качество металла ниже ввиду сильной окисляемости зерен порошка. Поэтому для получения высококачественного металла используют порошки, получаемые распылением азотом.

Промышленное производство порошковых быстрорежущих сталей в начале 80-х годов направлено на изготовление марок, являющихся аналогами сталей традиционной технологии. Опыт ряда зарубежных фирм США, Швеции, а также отечественных исследователей, показал, что новая технология позволяет существенно изменить схему легирования с целью направленного повышения тех или иных свойств стали, определяющих работоспособность инструмента.

Предлагают следующие принципы разработки новых составов порошковых быстрорежущих сталей:

1. Введение в состав стали до 5-7% ванадия (по массе) с целью увеличения объемной доли карбидов Ме₆С в стали до 15% и повышения износостойкости без ухудшения шлифуемости.

2. Повышение содержания углерода, выше его стандартного содержания в быстрорежущих сталях, т.е. введение углерода с “перенасыщением”, а также замена части углерода азотом, который вводят путем азотирования порошка непосредственно перед операцией “компактирования”.

Реализация указанных принципов позволяет использовать относительно низкие массовые доли вольфрама, молибдена и кобальта для получения максимальных значений твердости и теплостойкости. В частности, были разработаны порошковые быстрорежущие стали ДИ 100 (Р7М2Ф6) и ДИ 106 (Р9М2Ф5К6-М1) по ГОСТ 28393-89. Инструменты, изготовленные из указанных сталей, показали высокую эффективность в ходе многочисленных промышленных испытаний.

Технология порошковой металлургии также используется для получения карбидосталей, которые по своим свойствам могут быть классифицированы как промежуточные между быстрорежущими сталями и твердыми сплавами.

Карбидостали отличаются от обычных быстрорежущих сталей высоким содержанием карбидной фазы (в основном, карбидов титана), что достигается путем смешивания порошка быстрорежущей стали и мелкодисперсных частиц карбида титана. Содержание карбидной фазы в карбидостали колеблется от 30 до 70%. Пластическим деформированием, главным образом экструзией, из спрессованного порошка получают заготовки простой формы. В отожженном состоянии твердость карбидостали составляет НRC_э 40-44, а после закалки и отпуска НRC_э 68-70.

При использовании в качества материала режущего инструмента карбидосталь обеспечивает повышение стойкости в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными марками обычной технологии производства. В ряде случаев карбидосталь является полноценным заменителем твердых сплавов, особенно при изготовлении формообразующих инструментов.

Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием.

Общее количество режущего инструмента из твердого сплава не превышает 25%, но из-за высокой скорости резания (в 2,5…3 раза выше по сравнению с быстрорежущим инструментом) они снимают до 65% всей стружки (из всего объёма стружки, снимаемой инструментами из всех имеющих инструментальных материалов). Стандартные твердые сплавы состоят из тугоплавких соединений (карбидов вольфрама, титана и тантала) и связующей фазы (кобальт) и подразделяются на три группы:

1 – однокарбидные (вольфрамовые, группа ВК, (WC + Co));

2 – двухкарбидные (вольфрамотитановые, группа ТК, (WC + TiC + Co));

3 – трёхкарбидные (вольфрамотитанотанталовые, группа ТТК, (WC + TiC + TaC + Co)).

Обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В-вольфрам, Т-титан, вторая буква Т-тантал) и связку (К-кобальт). Цифра после буквы К обозначает массовую долю связки в процентах. Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки. Например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. В двухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента обозначает массовую долю карбида этого элемента (TiC), а массовая доля карбида второго элемента (WC) определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбида первого элемента (например, сплав Т5К10 содержит 5% ТiС, 10% Со и 85% WC). В трехкарбидных WC+ТiС+ТаС сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Массовая доля карбида вольфрама определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбидов TiC и ТаС. Например, сплав ТТ7К12 содержит 12% Со, 7% карбидов титана и тантала (TiC+TaC) и 81% WC.

 

Вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы

Вольфрамо-кобальтовые сплавы (ВК) состоят из карбида вольфрама и кобальта. Марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама (WC) и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяются сплавы с содержанием кобальта от 3% до 10% весовых (табл. 7).

 

 

Таблица 7. Физико-механические характеристики

вольфрамокобальтовых сплавов.

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см^3	НRA, не менее
WC	Другие соединения	Co
ВК3 ВК3-М ВК6 ВК6-М ВК6-ОМ ВК8 ВК10-ХОМ		- - - - ТаС - Сr2C3			15,0-15,3 15,0-15,3 14,6-15,0 14,8-15,1 14,7-15,0 14,4-14,8 14,3-14,6	89,5 91,0 88,5 90,0 90,5 87,5 89,0

 

При увеличении в сплавах содержания кобальта в рассматриваемом диапазоне предел прочности при поперечном изгибе и эксплуатационная прочность при резании возрастают, в то время как твердость и износостойкость уменьшаются. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуют для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, а сплавы ВК8 и ВК10-ХОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома): чугуны, цветные материалы, стеклопластики, фарфор и труднообрабатываемые материалы (коррозионностойкие, высокопрочные стали, жаропрочные сплавы на основе никеля и титана и т.д.).

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработанные технологические приемы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрона до 10-15 мкм. С увеличением размера зерен карбидо-вольфрамовой фазы твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному изнашиванию и стойкости при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эту закономерность широко используют для создания сплавов различного назначения с требуемыми свойствами.

Первыми такими сплавами, выпущенными промышленностью были мелкозернистые сплавы марок ВК3-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при чистовой обработке твердых чугунов, закаленных сталей, а также коррозионностойких сталей и некоторых других марок труднообрабатываемых материалов. Затем была разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структурой (основная масса зерен карбида вольфрама размером менее 1 мкм) и с содержанием кобальта 6 и 10%.

Сплавы содержат также наибольшие добавки карбида тантала (около 2%) и ванадия (0,1%), которые, главным образом, препятствуют росту зерен карбида вольфрама при спекании. Сплав ВК6-ОМ дает хорошие результаты при тонком точении и растачивании некоторых марок жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких, закаленных сталей и алюминиевых сплавов. Особенно эффективен сплав ВК6-ОМ при обработке вольфрама и молибдена, а также при развертывании и шабрении заготовок из стали и чугуна.

Дальнейшим развитием и совершенствованием сплавов этого направления являются сплавы, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Установлено, что карбид хрома тормозит рост зерен карбида вольфрама при спекании и способствует получению сплавов с весьма мелкозернистой структурой и высокой износостойкостью, а также увеличивает твердость и прочность сплавов при повышенных температурах.

Сплав ВК10-ХОМ предназначен для черновой и получерновой обработки некоторых марок коррозионностойких сталей, титановых и никелевых сплавов, и особенно сплавов вольфрама и молибдена. Благодаря особо мелкозернистой, плотной структуре сплавов можно затачивать и доводить инструменты с наименьшими радиусами округления режущих кромок, что, в свою очередь, обеспечивает получение более малой высоты микронеровностей обработанной поверхности и размерной точности.

Еще одно направление совершенствования сплавов для резания конструкционных сталей, чугунов и труднообрабатываемых материалов связано с совершенствованием связки. Примером такого совершенствования сплава является разработка сплава ВРК15 (ТУ 48-19-462-89) с жаропрочной кобальт-рениевой связующей фазой для черновой и получистовой обработки. Сплав отличается высокой прочностью при повышенных температурах, низкой адгезией с обрабатываемым материалом и относительно высокой износостойкостью. Применение инструментов, оснащенных сплавом ВРК15, позволяет повысить производительность обработки резанием за счет увеличения скорости резания или сечения среза.

Наряду с содержанием кобальта и зернистостью фазы WC, большое влияние на режущие свойства сплавов WC-Co оказывает содержание углерода в сплаве. Это связано с тем, что содержание углерода в пределах двухфазовой области WC-Co не влияет на фазовый состав сплава, но оказывает заметное влияние на состав связующей (кобальтовой) фазы. Последнее обусловлено изменением растворимости вольфрама в кобальте. Изменение состава кобальтовой фазы оказывает сильное влияние и на изменение свойств сплава в целом. Кроме того, наличие в сплаве избытка углерода в виде графита приводит к снижению износостойкости сплава, а недостаток углерода вызывает образование -фазы (W3Co₃C), которая повышает износостойкость, но снижает прочность сплава. Таким образом, при одинаковом содержании кобальта малоуглеродистые сплавы более износостойки, но менее прочны, чем высокоуглеродистые. С ростом в сплаве содержание кобальта увеличивается и влияние углерода на свойства сплава.

 

Титановольфрамовые твердые сплавы

Титановольфрамовые сплавы (ТК) выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами ВК они обладают большей стойкостью против окисления, твердостью и теплостойкостью (теплостойкость сплавов ТК~900^оС, сплавов ВК~800^оС), в то же время меньшую теплопроводность и электропроводность, а также меньший модуль упругости.

Повышенная способность титановольфрамовых сплавов сопротивляться адгезионно-усталостному изнашиванию объясняется тем, что температурный порог их схватывания со сталью существенно выше, чем у сплавов WC-Co. Титановольфрамовые сплавы позволяют применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повысить стойкость инструмента.

Сплавы группы ТК стандартных марок имеют различный состав в зависимости от условий их применения. Содержание карбида титана колеблется в пределах 5-30%, кобальта от 4 до 10% (табл. 8).

 

Таблица 8. Физико-химические характеристики титано-вольфрамо-

кобальтовых сплавов (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см^3	НRA, не менее
WC	TiC	Co
Т30К4 Т15К6 Т14К8 Т5К10					9,5-9,8 11,1-11,6 11,2-11,6 12,4-13,1	92,0 90,0 89,5 88,5

 

Так же, как и у сплавов WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии, а также ударная вязкость у сплавов ТК увеличивается с ростом содержания кобальта. С увеличением содержания углерода в пределах трехфазовой области прочность при изгибе растет, а твердость и износостойкость снижаются. Наличие структурно свободного углерода приводит одновременно к снижению прочности, твердости и износостойкости при резании.

Присутствие в сплаве -фазы снижает предел прочности при изгибе, но повышает твердость и износостойкость при резании.

У сплавов с одинаковым содержанием кобальта и одинаковым размером карбидных фаз предел прочности при изгибе и сжатии, ударная вязкость, пластическая деформация и модуль упругости уменьшается при увеличении содержания карбида титана.

В соответствии с приведенными закономерностями меняются и режущие свойства сплавов: увеличение содержания кобальта приводит к снижению износостойкости сплавов при резании, а с ростом содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) повышается износостойкость, но одновременно снижается эксплуатационная прочность. Поэтому такие марки сплавов, как Т3ОК4 и Т15К6, обладающие максимальным запасом пластической прочности, применяются в условиях чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания, малыми или умеренными нагрузками на инструмент. Сплавы Т5К10, Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта и запасом хрупкой прочности предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

 

Титано-тантало-вольрамовые твердые сплавы

Промышленные титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора (Ti, W, Ta)С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении работы деформации при повышенных температурах. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Отечественный стандарт (ГОСТ 3882-74) включает следующие марки сплавов этой группы – ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12, ТТ20К9, в которых содержание карбида тантала колеблется от 2 до 12% (табл. 9).

Исследование режущих свойств сплавов ТТК показало, что увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его износостойкость при резании, особенно за счет меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

 

Таблица 9. Состав и характеристики физико-механических свойств титано-тантало-вольфрамовых марок твердых сплавов

для резания(ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см^3	НRA, не менее
WC	TiC	TaC	Co
ТТ7К12 ТТ8К6 ТТ10К8-Б ТТ20К9		9,4	14,1	9,5		13,0-13,8 12,8-13,3 13,5-13,8 12,0-13,0	87,0 90,5 89,0 91,0

 

С учетом отмеченных свойств, сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, который рекомендуют для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование). Применение инструмента из сплава ТТ7К12 взамен быстрорежущего инструмента позволяет повысить скорость резания в 1,5-2,0 раза.

Для операций фрезерования рекомендуется сплав марки ТТ20К9 (для обработки стали).

Для чистового и получистового точения, растачивания и фрезерования серого и ковкого чугуна, цветных металлов, непрерывного точения высокопрочных, коррозионностойких сталей, в том числе и термообработанных, а также титановых сплавов, предназначен сплав ТТ8К6.

Черновое, получерновое точение и фрезерование высоколегированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и некоторых сплавов успешно осуществляется инструментом из сплава марки ТТ10К8-Б.

К группе танталсодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы “Sandvik Coromant” (Швеция) (табл. 10).

 

Таблица 10. Основные свойства сплавов группы “МС” (ТУ 48-19-308-80)

Марка сплава	Сплав-аналог (ГОСТ3882-74)	Свойства
, МПа	, г/см^3	Твердость, НV30	Коэрцитив-ная сила, КА/м
МС111	Т15К6		10,22-10,38	1525-1675	8,7-11,9
МС121	Т14К8		11,60-11,79	1475-1625	7,2-9,5
МС131	Т5К10		11,35-11,51	1430-1570	8,0-10,4
МС137	Т14К8, ТТ20К9		11,68-11,85	1485-1635	13,5-15,2
МС146	ТТ7К12		13,04-14,60	1320-1460	10,2-15,2
МС211	ВК6-М		14,70-14,86	1590-1680	15,9-23,6
МС221	ТТ10К8Б		13,81-13,97	1530-1630	10,3-13,3
МС241	ВК8		14,15-14,25	1175-1295	9,4-11,2
МС301	ВК3-М		14,95-15,11	1760-1940	20,6-23,6
МС306	ВК6-ОМ		14,74-14,94	1665-1835	19,8-23,2
МС312	ВК6-М		12,79-12,95	1700-1940	15,9-23,2
МС318	ВК6, Т8К7		12,80-12,96	1575-1725	15,2-20,6
МС321	ВК6		14,64-14,86	1450-1600	13,4-15,2
МС313	ВК6-М		14,74-14,94	1505-1655	13,4-17,3

 

Сплав марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 – для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 – для обработки чугуна и цветных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерования стали и чугуна.

Исследования режущих свойств сплавов МС показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повышенной стабильностью их физико-механических характеристик. Поэтому более высокая стоимость (на 40-60%) сплавов МС по сравнению со стандартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пластинами МС.

Безвольфрамовые твердые сплавы

В связи с высокой дефицитностью основных компонентных составляющих твердого сплава и, прежде всего, W и Со, в развитых странах мира и СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономно-легированных твердых сплавов обычно не содержащих или содержащих в небольших количествах вольфрама, такие сплавы получили наименование безвольфрамовые (БВТС). Перспективным направлением разработки БВТС оказалось создание сплавов на основе карбидов или карбидонитрпидов титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию, что уменьшает износ инструмента, особенно по передней поверхности, позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. Вместе с тем, БВТС в сравнении со стандартными вольфрамосодержащими сплавами имеют более низкий мо