Описание твердых сплавов: виды, состав, применение
По мере развития технологических процессов обработки стальных заготовок (особенно изготовленных из высокопрочных марок) эксплуатационные показатели инструментальных сталей перестали удовлетворять требованиям производства. Со временем альтернатива была найдена в использовании инструмента из метало- или минералокерамических композиций, которые получили единое название - твердые сплавы.
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:
- Предел прочности на изгиб, МПа - 980…1421.
- Плотность, кг/м3 –9,5…13,1.
- 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:
- Предел прочности на изгиб, МПа - 1050…1200.
- Плотность, кг/м3 –5,5…6,0.
- 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:
- Для малых ударных нагрузках, но при наличии трения между контактирующими объектами;
- При небольших ударных нагрузках, работе в коррозионно активных средах и в условиях интенсивного трения;
- Для средних и высоких ударных нагрузок, при повышенной температуре в зоне обработки;
- 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:
- Шлифуют наружные тангенциальные поверхности заготовки.
- Обрабатывают радиальные размеры.
- Скругляют радиусные участки.
- Запрессовывают полуфабрикат в матрицу гидравлического пресса.
- Производят предварительное, а затем – окончательное шлифование.
- 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.
Школьная программа без скуки: смысл произведений за 3 минуты, тесты на знание классики и ловушки русского языка. Короткие статьи, которых нет на сайте.
Перемена: игры на пять минут
Все тесты
- Английский язык
- Биология
- Химия
- География
- Окружающий мир
- История
- Русский язык
- Литература
- Биографии
- Краткие содержания
- Анализ стихотворений
- Орфография
- Правоведение
- Пунктуация
- Математика
- Подготовка к ЕГЭ
- Помощь студенту
- Физкультура
- Экономика
- ОБЖ
- Сочинения
- Обществознание
- Стихи
- Физика
- Информатика
- Религия
- Фонетический разбор
- Тест на тему To be going to: значение, правила употребления 5 вопросов
- Тест на тему Конструкция go on: значения, правила употребления, примеры 5 вопросов
- Тест на тему Be familiar with: значение и правила употребления 5 вопросов
- Тест на тему Британский vs американский английский: в чем разница? 5 вопросов
- Тест на тему Be mad about - как переводится и как использовать в речи 5 вопросов
- Тест на тему Be hooked on в английском языке: значение и примеры предложений 5 вопросов
- Тест на тему История сибирской язвы и как она стала оружием 5 вопросов
- Тест на тему Что такое “железное легкое” и как жилось узникам аппарата 5 вопросов
- Тест на тему Суть и методы клеточной инженерии 5 вопросов
- Тест на тему Злаковые растения - общая характеристика, признаки и список представителей 7 вопросов
- Тест на тему Семейство бобовые - общая характеристика, строение и представители 7 вопросов
- Тест на тему Суровый климат тайги: особенности, влияние на природу 10 вопросов
- Тест на тему Острова и полуострова Зарубежной Европы 10 вопросов
- Тест на тему Уровень урбанизации Африки: города растут, вызовы множатся 5 вопросов
- Тест на тему Уровень и особенности урбанизации Канады 5 вопросов
- Тест на тему Как найти полярную звезду и зачем ее искать? 5 вопросов
- Тест на тему Что нужно знать про контурные карты 5 вопросов
- Тест на тему Сколько в нашем мире языков? 10 вопросов
- Тест на тему Золото: сколько его осталось на планете и что это значит для нас? 10 вопросов
- Тест на тему Русские по всему земному шару: сколько нас на самом деле? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире фамилий? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире самолетов? 10 вопросов
- Тест на тему Сколько всего в мире денег? 10 вопросов
- Тест на тему Команда реформ: сподвижники Петра I 10 вопросов
- Тест на тему Экономика и управление: реформы Афанасия Ордина-Нащокина 10 вопросов
- Тест на тему Положение крестьян и указ Павла I о трехдневной барщине 10 вопросов
- Тест на тему Программа Южного общества и декабрист П. И. Пестель 10 вопросов
- Тест на тему Комитет общественного блага или Негласный комитет 10 вопросов
- Тест на тему Планы переустройства России: «Конституция» Муравьева 10 вопросов
- Тест на тему Как выполнить разбор наречия по составу 5 вопросов
- Тест на тему Правила правописания суффиксов наречий 5 вопросов
- Тест на тему Морфологический признак наречий: неизменяемость 5 вопросов
- Тест на тему Чем отличаются и как найти тему и рему в тексте? 5 вопросов
- Тест на тему Способы и примеры образования наречий 5 вопросов
- Тест на тему Особенности и применение составных предлогов 5 вопросов
- Тест на тему История создания рассказа «Матренин двор» А. Солженицына 5 вопросов
- Тест на тему История создания песни «Смуглянка» 5 вопросов
- Тест на тему История создания поэмы “Кому на Руси жить хорошо” Н. Некрасова 5 вопросов
- Тест на тему История создания романа “Как закалялась сталь” Н. Островского 5 вопросов
- Тест на тему История создания оперы М. Глинки «Иван Сусанин» 5 вопросов
- Тест на тему История создания знаменитой песни “Катюша” 5 вопросов
- Тест на тему Биография Владимира Вольфовича Жириновского 5 вопросов
- Тест на тему Биография поэта и писателя Льва Рубинштейна 5 вопросов
- Тест на тему Биография президента Белоруссии Александра Лукашенко 5 вопросов
- Тест на тему 10 интересных фактов про Афанасия Фета 5 вопросов
- Тест на тему 10 интересных фактов про Ивана Тургенева 5 вопросов
- Тест на тему Биография писателя и поэта Вячеслава Урюпина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание повести «А тем временем где-то» А. Алексина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание комедии «Мнимый больной» Жана-Батиста Мольера 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание комедии “Доходное место” А. Островского 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание новеллы “Падение дома Ашеров” Эдгара По 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание рассказа “Крепкий мужик” В. Шукшина 5 вопросов
- Тест на тему Краткое содержание пьесы «Золотая карета» Л. Леонова 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Каким бы малым ни был...” К. Кулиева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения «Цицерон» Ф. Тютчева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Поэт” М. Лермонтова 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Пора, мой друг, пора” А. Пушкина 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения «Шестое чувство» Н. Гумилева 5 вопросов
- Тест на тему Анализ стихотворения “Юбилейное” В. Маяковского 5 вопросов
- Тест на тему Особенности раздельного написания местоимений с предлогами 5 вопросов
- Тест на тему Правописание падежных окончаний прилагательных 5 вопросов
- Тест на тему Правописание слов с непроверяемой безударной гласной в корне 5 вопросов
- Тест на тему Нужно ли ставить запятую к фразе - "с уважением"? 5 вопросов
- Тест на тему «Во-вторых» или «во вторых» – как правильно пишется? 5 вопросов
- Тест на тему "Нету" или "нет" - как правильно писать и говорить? 5 вопросов
- Тест на тему Что нужно сдавать на бухгалтера? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на пилота 5 вопросов
- Тест на тему Какие экзамены нужно сдавать на фотографа? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на хореографа? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на актера? 5 вопросов
- Тест на тему Какие предметы нужно сдавать на режиссера? 5 вопросов
- Тест на тему Реферат по физкультуре на тему: «Здоровое питание» 5 вопросов
- Тест на тему История развития лыжного спорта в разных странах - классификация и интересные факты 6 вопросов
- Тест на тему Важность самоконтроля при занятиях спортом 5 вопросов
- Тест на тему Как выполняются прыжки через козла? 5 вопросов
- Тест на тему Что такое здоровый образ жизни? 5 вопросов
- Тест на тему Как правильно выполнять кувырки? 5 вопросов
- Тест на тему Образ Шарикова в повести «Собачье сердце» М. Булгакова 5 вопросов
- Тест на тему Образы героев в повести «Невский проспект» Н. Гоголя 5 вопросов
- Тест на тему Московские главы в романе «Мастер и Маргарита» Булгакова 7 вопросов
- Тест на тему Описание образа бирюка из рассказа И. Тургенева 7 вопросов
- Тест на тему Образы героев в романе «Отцы и дети» И. Тургенева 7 вопросов
- Тест на тему Образы героев в повести «Котлован» А. Платонова 7 вопросов
- Тест на тему "Банты" - как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Конечно же» - выделяется ли слово запятыми? 5 вопросов
- Тест на тему «Подчеркивать» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Лифты» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Строку» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов
- Тест на тему «Апостроф» – как правильно ставить ударение в слове? 5 вопросов

