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.
Суперсплав — Материал, который НЕ ДОЛЖЕН БЫЛ появиться!
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.
Самый прочный сплав в мире
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
Теплостойкость сплавов ВК – около 900 °С. Сплавы этой группы обладают наибольшей прочностью по сравнению с прочими твердыми сплавами.
Механические свойства сплавов ВК
Твердость, HRA
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).
Влияние размеров карбидов на механические свойства
Размер карбидов, (средний), мкм
Твердость, HRA
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
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).
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 °С, 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
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.
Состав и свойства сплавов ТТК
Химический состав, % масс.
Источник: studme.org
Классификация твердых сплавов по применяемости
Материалы группы Р применяются в основном для обработки:
Сталей конструкционных и углеродистых (точение, фрезерование, рассверливание, зенкерование)
В основном к материалам группы Р относятся карбидо-титановые и твердые сплавы ТК (WC–TiC–Co): Т30К4, Т15К6, Т14К8,Т15К10, Т5К12 реже марки ВК.
Материалы группы применяемости К используют для обработки серых, твердых, отбеленных чугунных отливок, цветных металлов и их сплавов (латунь, бронза, баббиты) при фрезеровании, точении чистовом, получерновом, черновом (в том числе в условиях прерывистого резание и по литейной корке), сверление, нарезание резьбы, растачивание.
Реже твердые сплавы применяются при тонком и получистовом точении некоторых сталей (ВК3М, ВК60М) труднообрабатываемых сталей ВК10М.
В группу применяемости K входят преимущественно карбидо-вольфрамовые сплавы ВК (WC–Co): ВК3, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК60М, ВК8, ВК80М, ВК10, ВК100М, ВК10КС. Иногда возможно применение высококобальтовых твердых сплавов групп ТТК.
Материалы группы применяемости М используют практически для всех видов обработки высокопрочных нержавеющих, жаропрочных, высоколегированных сталей (в том числе при черновом, прерывистом точении, фрезеровании, ударных нагрузках, обработке стальных поковок, штамповок, отливок по корке).
Реже при чистовом и получистовом точении, растачивании серого, ковкого, отбеленных чугунов.
В группу применяемости М входят в основном твердые сплавы марок ТТК (WC–TiC–TaC–Co): ТТ7К12, ТТ10К8Б, ТТ20К9, ТТ8К6, иногда используют марки ВК10М, ВК10КС.
При обработке высокопрочных труднообрабатываемых сталей неоходимо иметь в виду, что существуют определенные закономерности и система распределения различных марок твердых сплавов и их свойств в пределах каждой группы по подгруппам:
Р (Р05, Р10, Р20, Р30, Р40, Р50)
К (К10, К20, К30, К40)
М (М05, М10, М20, М30, М40)
Следует обратить внимание, что с увеличением индекса – номера подгруппы Р05–Р50, К10–К40, М05–М40 возрастают прочность, ударная вязкость, возможность воспринимать большие усилия, глубины резания и подачи.
Эти факторы необходимо использовать при выборе марок твердосплавного инструмента для обработки различных материалов заготовок и видов металлообработки. Для предварительного назначения марки твердого сплава предлагается использовать схему, приведенную на рис. 6.10, а также данные, приведенные в таблице 6.14.
Для выбора марки быстрорежущих сталей и областей их возможного (предпочтительного) применения в процессах формообразования предлагается использовать данные, приведенные в табл. 6.14.
В последние годы ведущие производители инструмента, такие как SANDVIK, HOUGENES и др. идентифицируют твердые сплавы по областям применения еще по трем группам – N, S, H. В укрупненной современной версии классификации и (предварительно и ориентировочно) можно распределить обрабатываемые твердым сплавом материалы по следующим группам:
Р – сталь конструкционная и углеродистая, отливки и прокат стальной;
М – нержавеющие, высоколегированные, труднообрабатываемые материалы;
К – чугун и чугунные отливки;
N – алюминий и алюминиевые сплавы;
S – жаропрочные и титановые сплавы;
Н – закаленные и высокотвердые стали.
Области применения твердых сплавов групп Р, М, К
| Обрабатываемый материал | группа | Изменение свойств | |
| Твердость | Прочность, ударная вязкость | Износостойкость | Скорость резания Теплостойкость |
| Углеродистые конструкционные стали, конструкционные стали | Р01 | ||
| Р05 | |||
| Р10 | |||
| Р15 | |||
| Р20 | |||
| Р25 | |||
| Р30 | |||
| Р40 | |||
| Стальное литье, высоколегированные и нержавеющие стали | М10 | ||
| М20 | |||
| М30 | |||
| М40 | |||
| Чугунные отливки, чугуны, цветные сплавы | К05 | ||
| К10 | |||
| К20 | |||
| К30 | |||
| К40 |
Р01
Рис. 6.10. Некоторые рекомендации по применяемости Т.
Источник: zdamsam.ru
Исторический обзор твердых сплавов
Классические твердые вещества — алмаз, корунд, карбид кремния и карбид бора — давно используются как шлифовальные средства; кроме того, алмаз использовали также в качестве волок и инструмента для точения раньше, чем стали применять тугоплавкие карбиды (в особенности карбид вольфрама, карбид титана, карбид тантала и др.) как основной материал современной твердосплавной промышленности.
Благодаря первым работам Муассана и др. карбиды металлов известны уже более 50 лет, но их техническое применение для спеченных твердых сплавов и режущих инструментов началось примерно 35 лет назад. Создание сплавов из твердых соединений тугоплавких металлов и вспомогательной металлической связки произвело переворот в технике резания.
Первые практические предложения о применении карбидов металла как износостойких твердых сплавов можно найти в патентах. В 1909 г. предлагалось применение шариков из литого карбида вольфрама для осевых опор часового механизма. Этот исторически интересный американский патент не нашел технического осуществления.
Более поздние попытки заменить твердыми сплавами алмаз и естественные или синтетические корунды в этой области также оказались безуспешными, по-видимому, вследствие гетерогенной структуры литых спеченных твердых сплавов. Только в 1914 г. Фойхтлендеру и Ломану удалось в промышленном масштабе в электрической угольной трубчатой печи изготовить волоки из литого карбида вольфрама, что принесло исключительный технический успех. Некоторые фирмы еще до сих пор изготовляют фасонные изделия из литого карбида по способу центробежного литья.
Первые литые карбиды были очень твердыми, большей частью пористыми и содержали выделения графита (до введения центробежной отливки). Ломан пытался улучшить неоднородность своих волок применением нового способа. Он измельчал литой карбид вольфрама в тонкий порошок, прессовал его и нагревал отформованные заготовки почти до температуры плавления.
С этих изделий, изготовленных Ломаном в 1914 г. методом порошковой металлургии, начинается развитие спеченных твердых сплавов, необычайно важное для техники резания. Примененный Ломаном порошок карбида вольфрама содержал после измельчения значительное количество железа. Однако Ломан не знал и не упоминал еще о значении добавки вязких металлов группы железа при спекании.
Для понижения температуры спекания и повышения прочности спеченных изделий Ломан предложил вводить молибден. Он, однако, не знал, что в спеченных твердых сплавах следует отдать предпочтение монокарбиду вольфрама с точным составом WC (6,12% С). На рис. 97 показана микроструктура изделия, спеченного из литого измельченного в порошок дикарбида вольфрама. На рис.
98 для сравнения дана микроструктура спеченного изделия из чистого монокарбида вольфрама, а на рис. 99 — шлиф литого карбида вольфрама.
Известна попытка получения сплавов для режущих инструментов своего рода цементацией вольфрамовых и молибденовых прессованных изделий с добавками железа, никеля, хрома, титана и др. в процессе горячего прессования между угольными электродами. Этот способ имел также мало успеха, как и попытки перевести безуглеродистые литые вольфрамомолибденотитанохроможелезистые сплавы в твердые сплавы последующим науглероживанием. Двукратное спекание с приданием изделию окончательной формы после первого спекания, т. е. до того как прессованная заготовка стала чересчур твердой для промежуточной механической обработки, упоминается в американском патенте.
Патенты Ломана и более поздние Шретера послужили основой для разработки различных марок сплава «видиа» типа G и H. Дальнейшее развитие сплавов «тицит» и «видиа» наряду с работами Шварцкопфа, Гиршля, Киффера и Штрауха явилось основой для разработки современных многокарбидных сплавов (титанит Si, S2, S3).
Способ пропитки пористых железных изделий медью, примененный позднее для изготовления сплавов вольфрам-медь и вольфрам-серебро, Баумхауэр перенес на пористые каркасы из карбида вольфрама; в качестве пропитки были предложены металлы группы железа. Пропитанные твердые сплавы по структуре и режущим свойствам мало отличались от позднее созданных спеченных твердых сплавов, у которых вспомогательный металл (металлическая связка.
Ред.) вводился в шихту также в порошкообразной форме (до прессования). Пропитанные изделия обладают, однако, пористостью; кроме того, распределение связующего металла при низком его содержании получалось недостаточно равномерным, так что этот способ изготовления твердых сплавов не приобрел большого технического значения. Пропитка стеллитами по способу Вальтера дает удовлетворительные твердые сплавы. Хольцбергер занимался пропиткой холоднопрессованных заготовок карбида титана.
Решающий шаг в развитии спеченных твердых сплавов сделал Шретер, использовав в качестве основы монокарбид вольфрама (с 6,12% С) и смешивая его с 10—20% металлов группы железа, преимущественно с порошкообразным кобальтом. Прессованную смесь нагревали почти до температуры плавления связующего металла. Образующийся при спекании эвтектический сплав карбида вольфрама и кобальта связывал при усадке частицы карбида вольфрама, которые после охлаждения оказывались расположенными в вязкой кобальтовой решетке, обнаруживая слабый рост зерен и более или менее сильно выраженное образование каркаса. В результате введения и дальнейшей разработки твердых сплавов на основе карбида вольфрама и кобальта спеченные твердые сплавы известны как немецкое изобретение.
На рис. 101 показана микроструктура вольфрамкобальтового твердого сплава с 5% Co, который впервые появился в продаже в 1923 г. под маркой «видиа» (советский сплав ВК.6. — Ред.).
Способ спекания Шретера, в принципе примыкающий к классическому методу изготовления вольфрамовых проволок, до настоящего времени остается почти единственным промышленным способом для изготовления режущих твердых сплавов на основе карбидов. Для получения WC-Co спеченных изделий был разработан, по аналогии со способами формовки керамики и на основании прежних патентов, так называемый способ двукратного спекания, состоящий из прессования, предварительного спекания, механической обработки и окончательного спекания. Дальнейшие результаты исследовательских работ Шретера и его сотрудников сообщались в ряде статей Скаупи. Патенты Шретера были переданы в Германии, в США и в Англии различным фирмам, которые первоначально готовили исключительно вольфрамокобальтовые твердые сплавы с 4—13% Co (марки «видна», «карболой», «вимет» и «ардолой»).
Дальнейшая разработка твердых сплавов характеризуется попытками полной или частичной замены карбида вольфрама карбидами титана, тантала и молибдена, а также замены кобальта другой связкой — никелем, сплавами никеля с хромом, кобальта с молибденом, кобальта с вольфрамом или многокомпонентными железными сплавами. В 1929—1931 гг. Шварцкопф с сотр. предложили вместо чистого карбида вольфрама (или в дополнение к нему) сложные карбиды — двойные, тройные и четверные твердые растворы карбидов WC, Mo2C, TiC, TaC, VC, ZrC и др. Сначала были исследованы композиции из WC-TiC, Mo2C-TiC, WC-Mo2C-TiC, W2C-Mо2C и WC-Mo2C. Считали, что твердость отдельных карбидов повышается при образовании твердых растворов, а также усиливается их стойкость против окисления.
Хотя Киффер и Гиршль еще в 1930 г. разработали твердый сплав 80% WC, 14% TiC и 6% Co + Ni с хорошей вязкостью и с исключительной стойкостью при резании стали, массовое производство (учитывая патенты Шретера 1931 г.) началось с твердого сплава без карбида вольфрама, предложенного Шварцкопфом и Гиршлем на основе Mo2C-TiC-Ni (42,5% Мо2С; 42,5% TiC; 14% Ni; 1% Cr) (в Германии — «титанит»; в Англии и США—«кутанит»).
В США в 1930 г. был выпущен твердый сплав без карбида вольфрама (также по патентным соображениям) на основе карбида тантала и никеля (87/13) под маркой «рамет». Этот сплав позднее был вытеснен сплавами на основе карбида вольфрама, карбида тантала, никеля и кобальта (васколойрамет, карболой), которые в США долго занимали место европейских титановольфрамокобальтовых твердых сплавов.
В 1931—1932 гг., важных для истории твердых сплавов, сплавами для резания на основе карбида титана, карбида тантала и кобальта занимался Феткенхейер. К ранним безвольфрамовым или бедным вольфрамом твердым сплавам относятся также разработанные Хольцбергером в 1931 г. сплавы TiC-Mo-W-Co(Ni).
Предложенные еще в 1930 г. фирмой Крупп важные сплавы на основе WC-Go с добавками до 30% VC, NbC или TaC лишь позднее распространились на европейском континенте в виде сплава Н2 с небольшими добавками VC и TaC.
Наконец, в тот же период в США выпустили сплав 831 приблизительно с 30% TiC и 7—8% Co (остальное WC). Тем самым титановольфрамокобальтовые твердые сплавы были дополнены маркой для чистового резания. В Европе этот сплав нашел распространение под маркой F1 (25—30% TiC; 6—7% Co).
Следует упомянуть американские сплавы на основе WC-TiC-TaC, а также твердые сплавы WC-TiC-Co и WC-TiC-TaC-Co, изготовляемые с применением сложных карбидов, получаемых в расплавленной никелевой ванне.
В настоящее время в США для обработки стали преимущественно применяют твердые сплавы WC-TiC-TaC-Co. В Европе они в последние годы также вытеснили ранее применявшиеся титановольфрамокобальтовые твердые сплавы. Так называемые твердые сплавы общего назначения для обработки стали и чугуна также содержат карбид титана и карбид тантала в количестве 5—10%.
Для изготовления волок, штампов, валков для холодной прокатки и др. все более распространяется горячее прессование. Для изготовления волок и специальных марок сплавов для строгания, а также для обработки легированного твердого литья применяют сплавы с небольшими добавками карбида титана, карбида тантала и карбида ванадия (1—5%). О горячепрессованных сплавах WC-Co для изготовления волок см.
Во время второй мировой войны вновь приобрели значение (из-за недостатка материалов) безвольфрамовые твердые сплавы. В 1944 г. в Германии для обработки стали были введены в ограниченном объеме сплавы TiC-VC-Ni(Fe). Еще в 1938 г. Киффер указал на техническое значение таких сплавов. В самое последнее время вновь обратили на себя внимание пропитанные твердые сплавы. По-видимому, способ пропитки перспективен для изготовления жаропрочных, окалиностойких, коррозионностойких и вязких сплавов на основе карбида гитана с пропиткой сплавами никель-хром и кобальт-хром.
Историческое развитие твердых сплавов вследствие большого хозяйственного значения нашло отражение также в многочисленных описаниях патентов. Следует указать на перечни патентов. Следующие патенты, без сомнения, оказали влияние на развитие техники изготовления твердых сплавов:
Английский патент 278955 (1927) — изготовление безграфитового твердого сплава.
Германский патент 520139 (1928) — введение кобальта в виде оксалата в твердые сплавы WC-Co.
Германский патент 578815 (1930) — применение твердых сплавов WC-Co для снарядов и снарядных головок.
Германский патент 589597 (1930) — безвольфрамовые твердые сплавы на основе VC-NbC-TaC (со связкой).
Германские патенты 608772 (1928), 629794 (1929) — WC-твердые сплавы со стеллитной связкой.
Германский патент 608664 (1930) — спеченный (или горячепрессованный) твердый сплав из борида циркония (15—50% Zr, остальное бор).
Германский патент 659971 (1931) — твердый сплав борид-нитрид, например, %: 60 TiB2, 34 TiN и 6 Ni, или 78 TaB2, 12 VN и 10 Ni.
Германский патент 667071 (1931) — боридно-карбидный твердый сплав, например WB-WC-Co, TiB2-Co, TaB2-TaC-CrSi2-Co.
Историческое развитие сплавов для резания отражено в табл. 78, начиная с литых твердых сплавов. Для полноты в эту таблицу включены также сталь и стеллиты.
В тесной связи с разработкой сплавов для резания находится также коренной переворот в области техники резания, а в последнее время успехи в области борьбы с износом. На рис. 103 представлена картина роста производительности резания при точении стали. С увеличением содержания карбидов, в особенности карбидов вольфрама и титана, значительно повысились скорости резания; в настоящее время сталь с прочностью 40—50 кг/мм2 можно обрабатывать со скоростью 250—300 м/мин с подачей от 1 до 3 мм при глубине резания до 4 мм.
Другие новости по теме:
- Окись алюминия
- Карбид кремния
- Карбид бора
- Алмаз
- Общий обзор особотвердых неметаллических материалов
- Система силицид — борид
Источник: fccland.ru