Описание твердых сплавов: виды, состав, применение

Несмотря на некоторые ограничения, например, повышенную чувствительность к ударным нагрузкам, такие материалы находят всё возрастающее применение в качестве деталей металлорежущей и штамповой оснастки.

Классификация твердых сплавов

Большинство марок в своей основе имеют карбиды вольфрама, кобальта, тантала и/или титана. Испытания, проведенные в лабораторных и производственных условиях, показали, что стойкость твёрдосплавной инструментальной оснастки не менее чем вдвое превышает стойкость стального инструмента аналогичного применения. При этом не менее 70% химического состава приходится на металлические карбиды, а остальные 10…30 % соответствуют кобальту, титану или танталу.

Соответственно этому разработана классификация данных материалов, которая определяет и области их рационального использования.

Вольфрамо-кобальтовые

Твёрдые сплавы этой группы считаются основными, используемыми при изготовлении инструмента. Это не случайно, поскольку и вольфрам, и кобальт – сильные карбидообразующие металлы. Процесс формирования карбидов происходит во время отпуска, что существенно увеличивает уровень вторичной твёрдости. Этот результат объясняется ростом числа зародышей карбидных частиц под влиянием термодинамической активности углерода. Этому соответствует и дополнительный прирост упрочнения, который достигается введением второго карбидообразующего элемента.

Сплавы вольфрамо-кобальтовой группы обладают следующими отличительными особенностями:

• Очень высокой твёрдостью;
• Высоким сопротивлением сжатию;
• Достаточным значением сопротивления на изгиб.

С другой стороны, такие материалы очень хрупки и характеризуются низкой удельной вязкостью и сопротивлением отрыву. Однако при увеличении содержания кобальта предел прочности при изгибе, ударная вязкость и усталостная прочность повышаются.

При выборе марки твёрдого сплава, содержащего вольфрам и кобальт, его работоспособность оценивают показателями прочности (на растяжение и изгиб) и стойкости против износа (твёрдостью).

ГОСТ 3882-74 определяет следующие характеристики данных сплавов:

• Предел прочности на изгиб, МПа - от 1176 до 2107.
• Плотность, кг/м³ – от 13,4 до 15,3.
• Твёрдость, HRA - от 82,0 до 90,5.

Приведенные значения показателей относятся к диапазонам рабочих температур применения до 200…300⁰С, хотя продукты с повышенным содержанием кобальта сохраняют свою работоспособность и до температур 700…800⁰С.

Все сплавы твёрдых металлов получают технологией спекания. Заготовками служат мелкодисперсные порошки, которые загружают в пресс-формы, где подвергают одновременному воздействию повышенных температур и давлений. Спекание может быть полным и частичным. Конечными продуктами спекания являются пластины, цилиндры и диски.

Рассматриваемая категория универсальна и хорошо зарекомендовала себя в качестве оснастки для процессов обработки резанием и давлением.

Титано-тантало-вольфрамово-кобальтовые

Твёрдые сплавы этой группы представляют собой минерало-керамические композиции, которые также получаются с помощью процесса спекания. Порошкообразный углерод добавляется к вольфрамо- танталовому порошку и формируется при наличии карбидов кобальта. После охлаждения образуется чрезвычайно твёрдый и хрупкий полуфабрикат. Это может быть моновольфрамовый карбид (WC) или матрица из карбида дитуфрама (W₂C), причём каждый из них имеет свои уникальные свойства, основанные на составе и методе изготовления. Титано-вольфрамо-танталовые сплавы, спечённые в присутствии карбидов кобальта, в 2…3 раза более жёсткие и плотные, чем большинство инструментальных сталей, даже быстрорежущих, и в настоящее время являются одним из самых прочных материалов, предназначенных для производства металлообрабатывающей оснастки.

ГОСТ 3882-74 устанавливает следующий диапазон характеристик продукции данной группы:

• Предел прочности на изгиб, МПа - 1323…1666.
• Плотность, кг/м³ –12,0…13,8.
• Твёрдость, HRA – 87…91.

Твёрдые сплавы титано-вольфрамо-тантало-кобальтовой группы, будучи чрезвычайно сложными при ковке и механической обработке, отличаются высоким сопротивлением на истирание, хорошо сопротивляются всем проявлениям коррозии, а также резким перепадам температуры.

Твёрдость таких материалов приближается к показателям твёрдости алмаза. Эта твёрдость позволяет инструментам легко резать почти все другие материалы, причём обработка может осуществляться с высокими скоростями. Некоторые важные области применения данных твёрдых сплавов - режущие инструменты, снарядные головки, горнодобывающая промышленность, атомная энергетика, хирургические и ювелирные изделия.

Схожими эксплуатационными характеристиками обладают твёрдые сплавы титано-вольфрамовой группы:

1. Предел прочности на изгиб, МПа - 980…1421.
2. Плотность, кг/м³ –9,5…13,1.
3. Твёрдость, HRA – 88,5…92.

При несколько меньшей прочности такие твёрдые сплавы стали труднозаменимы в условиях динамических нагрузок, поскольку показатели вязкости таких материалов выше, чем другой продукции, полученной на основе карбидов вольфрама и кобальта.

Безвольфрамовые

Вследствие дефицитности вольфрама были разработаны твёрдые сплавы, не содержащие данного элемента. Они также получаются методом спекания, а технические требования к этим материалам оговорены ГОСТ 26530-85.

Безвольфрамовые сплавы также применяются для производства инструментальной оснастки. В их состав входят карбиды и карбонитриды титана, молибден, хром и ниобий, а эксплуатационные показатели находятся в следующем диапазоне значений:

1. Предел прочности на изгиб, МПа - 1050…1200.
2. Плотность, кг/м³ –5,5…6,0.
3. Твёрдость, HRA – 89…90.

Сферы рационального применения твёрдых сплавов, не содержащих вольфрам – чистовые процессы механической обработки сталей, чугуна и цветных сплавов, а также рабочие детали технологической оснастки для гидроабразивной обработки.

В производственной практике также встречаются безвольфрамовые сплавы марок ТМ, для которых дополнительно указываются предельные значения коэффициентов теплового расширения – от 7,1 до 7,8. Такие материалы находят применение в процессах длительной механической обработки стальных заготовок, а также при производстве контрольно-измерительного инструмента.

Классификация и производство материала

В зависимости от процентного соотношения компонентов твёрдые сплавы классифицируются:

1. Для малых ударных нагрузках, но при наличии трения между контактирующими объектами;
2. При небольших ударных нагрузках, работе в коррозионно активных средах и в условиях интенсивного трения;
3. Для средних и высоких ударных нагрузок, при повышенной температуре в зоне обработки;
4. В условиях чрезвычайно высоких удельных усилий.

Основные компоненты твёрдых сплавов первых двух групп содержат не менее 85 % карбида вольфрама и не более 15 % кобальта. Они применяются для изготовления высокостойкого инструмента для механической обработки. В следующих группах процент карбида вольфрама – не более 80 %, а кобальта – не ниже 20%. Из них изготавливают инструменты холодного объёмного деформирования на быстроходных кузнечно-штамповочных автоматах.

Главной проблемой в применении рассмотренных материалов считаются сложности с обработкой спечённых или пластифицированных исходных заготовок. Размеры изделий перед окончательным спеканием увеличиваются согласно известным значениям коэффициента усадки (например, для сплавов вольфрамо-кобальтовой группы он равен 1,27).

Наиболее эффективные способы обработки:

• Электроискровая;
• Анодно-механическая;
• Ультразвуковая;
• С применением алмазного инструмента.

Анодно-механическая обработка заключается в электрошлифовании поверхности заготовки, которую предварительно погружают в рабочую жидкость. К обрабатываемому изделию и инструменту подводится постоянный ток. Заготовка является анодом, а инструмент – катодом. При вращении анода происходит кратковременное касание сближающихся неровностей, и в зазоре возбуждается электрический разряд. Поскольку концентрация тока происходит на малых площадях, приконтактные зоны заготовки интенсивно разогреваются, что приводит к их размерному плавлению (для малых токов – к электромеханическому растворению), сопровождающемуся сьёмом материала.

Аналогичным образом работает и технология электроискровой обработки, но в этом случае источником термического воздействия на поверхность заготовки является электрический разряд переменного тока.

Ультразвуковая обработка твердосплавных вставок является разновидностью механической. Принцип её - в скалывании микрочастиц поверхности твёрдого сплава ударяющимися абразивными зёрнами. Большое количество этих зёрен и высокая частота повторяющихся ударов обуславливают интенсивный съём материала. Движение зёрен задаётся вибрирующим торцом инструмента. Для повышения качества ультразвуковой обработки абразивную суспензию периодически заменяют.

Применяя алмазный инструмент, процесс ведут в следующей последовательности:

1. Шлифуют наружные тангенциальные поверхности заготовки.
2. Обрабатывают радиальные размеры.
3. Скругляют радиусные участки.
4. Запрессовывают полуфабрикат в матрицу гидравлического пресса.
5. Производят предварительное, а затем – окончательное шлифование.
6. Осуществляют размерную доводку.

Точность готового твердосплавного изделия должна находиться в пределах 1-го класса точности по ГОСТ 8.401-80.

Примеры маркировки

Свойства твёрдых сплавов определяются исключительно их составом, который устанавливается маркировкой материала. Для сплавов, которые производятся соответственно техническим требованиям ГОСТ 3882-74, принята следующая маркировка продукции:

• Вольфрамо-кобальтовые: буквы ВК в начале условгного обозначения, после которых указывается процент кобальта;
• Титано-вольфрамовые: буква Т, процент карбида титана, далее буква К и процент кобальта;
• Титано-тантало-вольфрамовые: буквы ТТ, далее - число, указывающее на суммарный процент карбидов титана и тантала, буква К и процент содержания кобальта;
• Маркировка безвольфрамовых сплавов (ГОСТ 26530-85):
• Содержащих только карбид титана: буквы ТН (Н отмечает наличие никеля и ниобия), после чего указывается процентное содержание карбида;
• Содержащих карбонитриды титана: буквы КНТ и число, которое определяет суммарное количество прочих компонентов.

Условные цифровые обозначения продуктов ТМ определяются маркой материала, которая приводится в соответствующих ТУ.

В качестве дополнительной информации после основного обозначения сплава при необходимости указываются буквы КС, М или ОМ (крупно- и мелкозернистые или особо мелкозернистые). Их наличие свидетельствует о повышенных, против обычного, показателях пластичности и ударной вязкости.

Применение и продукция из твердых сплавов

Преобладающим видом продукции из твёрдых сплавов являются рабочие вставки к резцам и штамповому инструменту. Для переходов резки и точения заготовок из труднообрабатываемых материалов используются плоские призматические вставки, которые припаиваются медью к корпусу оснастки. В операциях холодной объёмной штамповки на высадочных автоматах применяют вставки цилиндрического исполнения, которые впрессовываются в стальные бандажи. Усилие запрессовки должно быть больше, чем ожидаемые на вставку рабочие усилия. За счёт этого на контакте бандажа со вставкой результирующими остаются напряжения сжатия, при которых твердосплавный инструмент работает намного лучше.

В качестве материала корпуса используют среднелегированные конструкционные стали по ГОСТ 4543-31: стали типа 30ХГСА, 40 ХН, 38ХМЮА и т.п.