Твердые сплавы и режущая керамика

Твердые сплавы — это материалы, состоящие из зерен карбидов или карбонитридов тугоплавких металлов, соединенных металлической связкой. Режущая керамика состоит только из твердых химических соединений — оксидов, карбидов, нитридов.

Карбиды и нитриды этих инструментальных материалов имеют ковалентный или ионный тип связи. Именно сильные межатомные связи обусловливают их свойства: высокие твердость, модуль упругости, теплостойкость.

Основной метод изготовления изделий из таких материалов — порошковая металлургия. Отличие этой технологии от литья в том, что по крайней мере один из компонентов в процессе спекания — окончательной операции получения материала — находится в твердом состоянии. Технология порошковой металлургии для получения некоторых материалов является единственно возможной. Это связано с высокими температурами плавления, а также с разложением при нагреве некоторых компонентов (например, карбида вольфрама) еще до их расплавления.

Основные технологические процессы порошковой металлургии: получение порошков, приготовление смесей, формование смесей, спекание — заключительная технологическая операция порошковой металлургии. В процессе спекания происходит превращение пористого вещества (уплотненного порошка) в компактный малопористый или (в идеале) беспористый материал; за счет снижения пористости увеличивается плотность, т. е. происходит уменьшение объема исходной смеси, ее усадка. Спекание может выполняться без приложения нагрузки после холодного прессования («ХП + С» — холодное прессование + спекание), при совмещении процессов прессования и спекания — горячее прессование («ГП»), а также в условиях всестороннего давления в изостатах — горячее изостатическое прессование («ГИП»), «ГИП» может быть использовано в качестве основного метода или быть дополнительной операцией после «ХП + С» или «ГП». Его осуществляют в печах высокого давления (до 300 МПа), достигаемого за счет подачи нейтрального газа.

Наиболее дешевым является метод «ХП + С». Методы «ГП» и «ГИП» более энергоемки, требуют применения дорогостоящей прессовой оснастки из высокопрочного графита, поэтому для массовой продукции основным является метод «ХП + С» .

Режущие пластины из твердого сплава изготавливают, как правило, методом «XII + С». Технология «ГП» применяется главным образом при изготовлении изделий больших габаритов — волок, размольных шаров; технология «ГИП» — для изготовления тяжелонагруженного штампового инструмента.

Твердые сплавы

Основной фазой твердых сплавов являются карбиды или карбонитриды (80% и более), связанные для получения компактного материала металлической связкой. Твердые сплавы имеют высокие твердость — 87…92 HRA (HRC = 2/7/64 — 102) и теплостойкость (800… 1100 °С), поэтому допустимые скорости резания при использовании твердосплавного инструмента также высокие — 100…300 м/мин в зависимости от типа твердой фазы (карбиды, карбонитриды) и металла-связки. Наиболее широко как металл-связку используют кобальт. Это объясняется тем, что он нейтрален по отношение к углероду (не разрушает и не образует собственные карбиды (см. 6.4.2), т. е. не вступает в химическое взаимодействие с карбидами твердых сплавов).

Твердые сплавы подразделяются на следующие группы: WC-Co — вольфрамокобальтовые типа ВК (связка — Со);

• — WC-TiC-Co — титановольфрамокобальтовые типа ТК (связка — Со);
• — WC-TiC-TaC-Co — титанотанталовольфрамокобальтовые типа ТТК (связка — Со);
• — TiC и TiCN — Ni+Mo — сплавы на основе карбида и карбонитрида титана — безвольфрамовые (БВТС) типа ТН и КНТ (связка — Ni + Мо).

Сплавы ВК

Сплавы маркируются буквами «ВК» и цифрой, указывающей на содержание кобальта (например, состав сплава ВК6 — 94% WC и 6% Со). Свойства сплавов определяются главным образом содержанием кобальта. Его увеличение приводит к повышению прочности, но твердость и износостойкость при этом снижаются (табл. 9.2).

По содержанию кобальта сплавы можно разделить на три группы: низко- (3…8% Со), средне- (10…15% Со) и высококобальтовые (20…30% Со). Для режущего инструмента используются сплавы с содержанием кобальта до 10%, т. е. в основном низкокобальтовые. Сплавы с содержанием кобальта 10…15% применяют для изготовления бурового инструмента, а высококобальтовые — для штампового инструмента (см. 9.3.2).

Теплостойкость сплавов ВК — около 900 °C. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами.

Таблица 9.2

Механические свойства сплавов ВК

Значительное влияние на свойства твердых сплавов оказывает размер карбидных частиц. Уменьшение их размера приводит к увеличению твердости, но прочность при этом снижается (сравните свойства сплавов ВК6, ВК6-М и ВКб-ОМ, табл. 9.3). В зависимости от размера карбидов сплавы подразделяются на особо мелкозернистые (ОМ), мелкозернистые (М), среднезернистые (в обозначении нет дополнительных букв) и крупнозернистые (В).

Таблица 93

Влияние размеров карбидов на механические свойства

Для получения особо мелкозернистой структуры в состав сплавов вводится карбид тантала (ТаС), препятствующий росту карбидов WC при спекании (сплавы ВК6-ОМ и ВК10-ОМ содержат 2% ТаС). Однако из-за дороговизны вместо карбида тантала используют карбид хрома, оказывающий аналогичное влияние. В обозначение сплава в этом случае вводится буква «X» — ВК10-ХОМ, ВК15-ХОМ.

Сплавы группы ВК применяются главным образом для обработки материалов, при резании которых образуется стружка надлома (сыпучая), — в первую очередь чугунов, а также цветных металлов, стеклопластиков и др. При обработке таких материалов возникают динамические нагрузки, что и предопределяет использование твердых сплавов с повышенной прочностью. Мелкозернистые сплавы обладают высокой термоциклической стойкостью, поэтому их используют для обработки труднообрабатываемых материалов (высокие температуры в зоне резания). Следует также отметить, что из-за малого размера карбидов инструмент из мелкозернистых сплавов при заточке приобретает более острую режущую кромку. Это позволяет получать меньшую шероховатость обработанной поверхности.

Сплавы ТК

Сплавы обозначаются комбинацией букв и цифр. Цифра после «Т» указывает на содержание в сплаве карбида титана; после «К» — кобальта (например, состав сплава Т15К6 — 15% TiC; 6% Со; остальное 79% - WC).

Структура этих сплавов состоит из карбида титана, в котором растворяется некоторое количество вольфрама, — (Ti, W) C, карбида WC и кобальтовой связки.

Твердость сплавов ТК выше, чем у ВК (твердость карбидов TiC сплавов ТК — 3220 HV выше, чем твердость WС сплавов ВК — 2080 HV), они также имеют преимущество по теплостойкости (1000 °С), однако их прочность ниже (при равном содержании кобальта). Увеличение содержания кобальта приводит к повышению прочности с одновременным снижением твердости и теплостойкости. При увеличении количества TiC твердость сплава возрастает, а прочность уменьшается (табл. 9.4).

Таблица 9.4

Свойства сплавов группы ТК

Сплавы группы ТК используются для обработки материалов со сливной стружкой, т. е. сталей. При обработке стали (в отличие от чугуна со стружкой надлома) инструмент находится в постоянном контакте с обрабатываемым материалом. Это определяет его больший нагрев, поэтому от инструментального материала требуется повышенная теплостойкость.

В условиях непрерывного контакта инструментального и обрабатываемого материала возникают адгезионные связи («схватывание») между инструментальным и обрабатываемым материалом. (Адгезия — образование межатомных связей между разнородными материалами; когезия — между материалами одинаковыми по составу.) На поверхности инструмента образуется нарост, что ухудшает качество обработанной поверхности. «Схватывание» стали со сплавами ТК происходит при более высоких температурах (появление нароста в паре со сталью на сплавах ВК отмечено при 625 °C, а на сплавах ТК — при 770 °С). Это позволяет выполнять обработку с более высокими скоростями. Кроме того, сила адгезии в паре «сталь — ТК» значительно (примерно в 10 раз) ниже, чем в паре «сталь — ВК». Поэтому под воздействием сил резания для сплава ТК наиболее вероятно удаление только нароста, слабо связанного с материалом инструмента, тогда как у инструмента из сплава В К может происходить скалывание режущей кромки.

Сплавы ТТК

Обозначение сплавов ТТК и ТК аналогично. Цифра после второй буквы «Т» указывает на суммарное содержание карбидов TiC и ТаС. Структура промышленных четырехкомпонентных сплавов ТТК состоит из трех фаз. Это сложный карбид на основе TiC, в котором часть атомов титана замещена атомами вольфрама и тантала, — (Ti, Ta, W) C, WC и связка.

При равной теплостойкости (1000 °С) сплавы ТТК превосходят сплавы ТК по сочетанию свойств «твердость — прочность» (табл. 9.5). Так, при одинаковом содержании кобальта сплав ТТ8К6 превосходит сплав Т15К6 и, но твердости, и по прочности. Значительное преимущество сплавов ТТК проявляется при циклических нагрузках — ударная усталостная долговечность повышается в 6…25 раз по сравнению со сплавами ТК. Поэтому танталсодержащие сплавы используются в основном для тяжелых условий резания с большими силовыми и температурными нагрузками — при больших сечениях среза, при прерывистом резании, при обработке труднообрабатываемых (жаропрочных) материалов.

Таблица 9.5

Состав и свойства сплавов ТТК

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС)

Принципиальные отличия БВТС от вольфрамсодержащих твердых сплавов: отсутствие в их составе карбида вольфрама; металлическая связка никель-молибденовая, а не кобальтовая (табл. 9.6). Высокая твердость обеспечивается карбидами или карбонитридами титана.

Таблица 9.6

Состав и свойства БВТС

По теплостойкости БВТС уступают вольфрамсодержащим сплавам — 800 °C. Их прочность и модуль упругости также ниже.

Теплоемкость и теплопроводность БВТС ниже, чем у традиционных сплавов. Это означает, что при одинаковом количестве теплоты, выделяемой при резании, режущая кромка инструмента из БВТС нагревается сильнее. Наряду с меньшей теплостойкостью это определяет более низкую стойкость такого инструмента при высоких скоростях резания. Вследствие более низкой прочности и трещиностойкости (значения Ки. вольфрамсодержащих сплавов составляет 10…17, а БВТС — 7…11 МПа•м½) БВТС заметно уступают традиционным сплавам при силовом резании с большими подачами и глубинами резания. Сплавы рекомендуется использовать при чистовой или в крайнем случае получистовой обработке сталей. Наиболее целесообразно применение этих сплавов для изготовления измерительного (калибры) и волочильного инструмента.

Более высокими механическими свойствами обладают БВТС следующего поколения. Прочность сплавов повышена (~ 1300 МПа — уровень сплавов ВК и ТК) за счет усовершенствования состава. Так, сплав ЛЦК20 легирован карбидом циркония; сплавы ТВ4, ЦТУ, НТНЗО — соответственно карбидами вольфрама, титана и ниобия в небольших количествах. В состав связки сплава ЦТУ введен вольфрам. Такие БВТС могут быть использованы для черновой обработки при точении и фрезеровании.