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 (HRC_Э 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.

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.

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). Керамические материалы по сравнению с твердыми сплавами обладают меньшей прочностью, но более высокой твердостью (HRA 92–93). Их преимуществом является доступность и низкая стоимость, благодаря чему они используются как замена вольфрамосодержащих твердых сплавов.

Особотвердые инструментальные материалы созданы на основе алмаза, нитрида бора и нитрида кремния.

Алмаз имеет твердость (HV10 000) в 6 раз выше твердости карбида вольфрама (HV1 700). Преимущественно применяют синтетические алмазы (борт, баллас, карбонадо) поликристаллического строения, отличающиеся меньшей хрупкостью и стоимостью, чем монокристаллы. Алмазным инструментом обрабатывают цветные сплавы, стеклопластики, керамику, обеспечивая при этом низкую шероховатость. При обработке сталей и чугунов применение алмаза ограничивается его высокой адгезией к железу и, как следствие, низкой износостойкостью.

Большей универсальностью обладают инструменты из поликристаллического нитрида бора с кубической решеткой (b -NB), называемого кубическим нитридом бора (КНБ). В зависимости от технологии получения, КНБ выпускают под названиями: эльбор, эльбор-Р, боразон. Нитрид бора (b -NB) по твердости (HV9000) почти не уступает алмазу, но превосходит его по теплостойкости (1200 °С) и химической инертности. Применяется для обработки труднообрабатываемых материалов: закаленных, цементованых сталей (HRC > > 60), твердых сплавов, стеклопластиков и др.

ЧУГУНЫ

(В.Г. Шипша)

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. В отличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодаря высоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне, чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют в доменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуны бывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные и специальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. В вагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всех выплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.