Твёрдые спла́вы — твёрдые и износостойкие металлокерамические и металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготавливаются из твёрдых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама , титана , тантала , , связанных кобальтовой или никелевой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля .

Типы твёрдых сплавов

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твёрдых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только шлифованию или физико-химическим методам обработки (лазерной, ультразвуковой, травлением в кислотах и других) также хорошо обрабатываются электроэрозионным методом, а литые твёрдые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку ( закалка , отжиг , старение и др.). Элементы из порошковых твёрдых сплавов закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки твёрдыми припоями или механическим закреплением.

Твёрдые сплавы различают по металлам карбидов, в них присутствующих: вольфрамовые — ВК2, ВК3,ВК3М, ВК4В, ВК6М, ВК6, ВК6В, ВК8, ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25; титано-вольфрамовые — Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В; титано-тантало-вольфрамовые — ТТ7К12, ТТ10К8Б. Безвольфрамовые: ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30.

По химическому составу твёрдые сплавы классифицируют:

• вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ВК);
• титановольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ТК);
• титанотанталовольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (ТТК).

Твёрдые сплавы по назначению делятся (классификация ISO) на:

• Р — для стальных отливок и материалов, при обработке которых образуется сливная стружка;
• М — для обработки труднообрабатываемых материалов (обычно нержавеющая сталь);
• К — для обработки чугуна;
• N — для обработки алюминия, а также других цветных металлов и их сплавов;
• S — для обработки жаропрочных сплавов и сплавов на основе титана;
• H — для закаленной стали.

Из-за относительной дороговизны вольфрама разработана группа безвольфрамовых твёрдых сплавов, называемых керметами. Эти сплавы содержат в своём составе карбиды титана (TiC), карбонитриды титана (TiCN), связанные никель-молибденовой основой. Технология их изготовления аналогична вольфрамосодержащим твёрдым сплавам.

Эти сплавы по сравнению с вольфрамовыми твёрдыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, ударную вязкость, чувствительны к перепаду температур из-за низкой теплопроводности , но имеют преимущества — повышенную теплостойкость (1000 °C) и низкую схватываемость стружки с обрабатываемыми материалами, благодаря чему не склонны к образованием наростов обрабатываемого материала на инструменте при резании, поэтому их рекомендуют использовать для чистовой и получистовой обработке. По назначению относятся к группе Р по классификации ISO .

Свойства твёрдых сплавов

Пластинки из твёрдого сплава имеют 86—92 HRA обладают высокой износостойкостью и красностойкостью (800—1000 °C), что позволяет вести обработку со скоростями резания до 800 (2000 для цветных сплавов и металлов) м/мин.

Спечённые твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы изготавливают путем спекания смеси порошков карбидов и кобальта . Порошки предварительно изготавливают методом химического восстановления (1—10 мкм), смешивают в соответствующем соотношении и прессуют под давлением 200—300 кгс/см², а затем спекают в формах, соответствующих размерам готовых пластин, при температуре 1400—1500 °C, в защитной атмосфере. Термической обработке спечённые твёрдые сплавы не подвергаются, так как сразу же после изготовления имеют основные свойства.

Композиционные материалы, состоящие из металлоподобного соединения, цементированного металлом или сплавом . Их основой чаще всего являются карбиды вольфрама или титана, сложные карбиды вольфрама и титана (часто также и тантала ), карбонитрид титана, реже — другие карбиды , бориды и тому подобные. В качестве матрицы для удержания зерен твёрдого материала в изделии применяют так называемую «связку» — металл или сплав. Обычно в качестве «связки» используют кобальт, так как кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду, он не образует карбиды и не разрушает карбиды других элементов, реже — никель , его сплав с молибденом (никель-молибденовая связка).

Получение твёрдых сплавов легкой порошковой металлургии

1. Получение порошков карбидов и кобальта методом восстановления из оксидов.
2. Измельчение порошков карбидов и кобальта (производится на шаровых мельницах в течение 2—3 суток) до 1 — 2 микрон.
3. Просеивание и повторное измельчение при необходимости.
4. Приготовление смеси (порошки смешивают в количествах, соответствующих химическому составу изготавливаемого сплава).
5. Холодное прессование (в смесь добавляют органическую связку для сохранения формы, например ПВС , парафины или глицерин ).
6. Спекание под нагрузкой (горячее прессование) при 1400 °C (при 800—850 °C органическая связка полностью выгорает). При 1400 °C кобальт плавится и смачивает порошки карбидов, при последующем охлаждении кобальт кристаллизуется, соединяя между собой частицы карбидов.

Номенклатура спеченных твёрдых сплавов

Твёрдые сплавы условно можно разделить на три основные группы:

• вольфрамосодержащие твёрдые сплавы
• титановольфрамосодержащие твёрдые сплавы
• титанотанталовольфрамовые твёрдые сплавы

Каждая из вышеперечисленных групп твёрдых сплавов подразделяется в свою очередь на марки, различающиеся между собой по химическому составу, физико-механическим и эксплуатационным свойствам.

Некоторые марки сплава, имея одинаковый химический состав, отличаются размером зерен карбидных составляющих, что определяет различие их физико-механических и эксплуатационных свойств, а отсюда и областей применения.

Свойства марок твёрдых сплавов рассчитаны таким образом, чтобы выпускаемый ассортимент мог в максимальной степени удовлетворить потребности современного производства. При выборе марки сплава следует учитывать: область применения сплава, характер требовании, предъявляемых к точности обрабатываемых поверхностей, состояние оборудования и его кинематические и динамические данные.

Обозначения марок сплавов построено по следующему принципу:

• 1-я группа — сплавы содержащие карбид вольфрама и кобальт. Обозначаются буквами ВК, после которых цифрами указывается процентное содержание в сплаве кобальта. К этой группе относятся следующие марки: ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК6ОМ, ВК6КС, ВК6В, ВК8, ВК8ВК, ВК8В, ВК10КС, ВК15, ВК20, ВК20КС, ВК10ХОМ, ВК4В.
• 2-я группа — титановольфрамовые сплавы, имеющие в своём составе карбид титана, карбид вольфрама и кобальт. Обозначается буквами ТК, при этом цифра, стоящая после букв Т обозначает процентное содержание карбидов титана, а после буквы К — содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4.
• 3-я группа — титанотанталовольфрамовые сплавы, имеющие в своём составе карбид титана, тантала и вольфрама, а также кобальт и обозначаются буквами ТТК, при этом цифра, стоящая после ТТ процентное содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К — содержание кобальта. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К12, ТТ20К9.
• 4-я группа — сплавы с износостойкими покрытиями. Имеют буквенное обозначение ВП. К этой группе относятся следующие марки: ВП3115 (основа ВК6), ВП3325 (основа ВК8), ВП1255 (основа ТТ7К12).

Твёрдые сплавы применяемые для обработки металлов резанием: ВК6, ВКЗМ, ВК6М, ВК60М, ВК8, ВК10ХОМ, ТЗОК4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, ТТ7К12, ТТ20К9.

Твёрдые сплавы применяемые для бесстружковой обработки металлов и древесины, быстроизнашивающихся деталей машин, приборов и приспособлений: ВКЗ, ВКЗМ, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК15, ВК20, ВК10КС. ВК20КС.

Твёрдые сплавы применяемые для оснащения горного инструмента: ВК6В, ВК4В, ВК8ВК, ВК8, ВК10КС, ВК8В, ВК11ВК, ВК15.

В СССР и сейчас России для обработки металлов резанием применяются следующие спечённые твёрдые сплавы :

Иностранные производители твёрдого сплава, как правило, используют каждый свои марки сплавов и обозначения.

Разработки

В настоящее время ^{[ когда? ]} в российской твердосплавной промышленности проводятся глубокие исследования, связанные с возможностью повышения эксплуатационных свойств твёрдых сплавов и расширением сферы применения. В первую очередь эти исследования касаются химического и гранулометрического состава RTP (ready-to-press) смесей. Одним из удачных примеров за последнее время можно привести сплавы группы ТСН (ТУ 1966—001-00196121-2006), разработанные специально для рабочих узлов трения в агрессивных кислотных средах. Данная группа является логическим продолжением в цепочке сплавов ВН на никелевой связке, разработанных Всероссийским научно-исследовательским институтом твёрдых сплавов . Опытным путём было замечено, что с уменьшением размера зёрен карбидной фазы в твёрдом сплаве качественно повышаются твёрдость и прочность. Технологии плазменного восстановления и регулирования гранулометрического состава в данный момент позволяют производить твёрдые сплавы размеры зёрен (WC) в которых могут быть менее 1 микрометра. Сплавы ТСН-группы находят широкое применение в производстве узлов химических и нефтегазовых насосов российского производства.

Литые твёрдые сплавы

Литые твёрдые сплавы получают методом плавки и литья .

Применение

Твёрдые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. Тугоплавкие карбиды в структуре сплава придают твердосплавному инструменту высокую твёрдость HRA 80—92 (HRC 73—76), теплостойкостью (800—1000 °C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твёрдые сплавы имеют пониженную прочность на изгиб ( σ _и = 1000—1500 МПа), низкую ударную вязкость . Твёрдые сплавы нетехнологичны: из-за большой твёрдости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент сложной формы, к тому же они плохо шлифуются и обрабатываются только алмазным инструментом, поэтому твёрдые сплавы обычно применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним.

Твёрдые сплавы ввиду своей высокой твёрдости применяются в следующих областях:

• Обработка резанием конструкционных материалов: резцы , фрезы , свёрла , протяжки и прочий инструмент.
• Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического измерительного инструмента и опор точных весов.
• Клеймение: оснащение рабочей части клейм.
• Волочение : оснащение рабочей части волок .
• Штамповка : оснащение штампов и матриц (вырубных, выдавливания и проч.).
• Прокатка : твердосплавные валки (выполняются в виде колец из твёрдого сплава, надеваемых на металлическое основание).
• Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твёрдых сплавов.
• Производство износостойких подшипников : шарики, ролики, обоймы и покрытие стали.
• Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.
• Газотермическое напыление износостойких покрытий.

См. также

• Сплавы хром-кобальт-молибденовые
• Победит

Примечания

Ссылки

Литература

• Конструкционные материалы. Под ред. Б. Н. Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990.
• Технология конструкционных материалов. Под ред. А. М. Дальского. Москва, изд «Машиностроение», 1985.
• Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А. Технология порошковой металлургии. — К.: Вища шк., 1989. — 415 с.
• Скороход В. В. Порошковые материалы на основе тугоплавких металлов и соединений. — К.: Техніка, 1982. — 167 с.

Для улучшения этой статьи желательно : Оформить статью по правилам . Проставить сноски , внести более точные указания на источники. После исправления проблемы исключите её из списка. Удалите шаблон, если устранены все недостатки.