Твердые сплавы

2.3 Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке этим инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента.

Твердые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством сравнительно мягких и менее тугоплавких связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом .

Твердые сплавы по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамокобальтовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамокобальтовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

2.3.1 Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК)

Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбида вольфрама(WC) и кобальта. Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама  и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3-10%.

В табл. 2.3 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств твердых сплавов, в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.3 - Состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов, на основе WC-Co (группа ВК)

В условном обозначении сплава цифра показывает процентное содержание кобальтовой связки. Например обозначение ВК6 показывает, что в нем 6% кобальта и 94% карбидов вольфрама.

При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне от 3 до 10% предел прочности,  ударная вязкость и пластическая деформация возрастают, в то время как твердость и модуль упругости уменьшаются. С ростом содержания кобальта повышаются теплопроводность сплавов и их коэффициент термического расширения (рис. 2.2).

1) Прочность на изгиб sизг; 2) Твердость – HRA; 3) Теплопроводность - λ

Рисунок 2.2 – Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы (ВК)

Из всех существующих твердых сплавов, сплавы группы ВК при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими ударной вязкостью и пределом прочности при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако стойкость этих сплавов к окислению и коррозии значительно ниже, кроме того, они обладают большой склонностью к схватыванию со стружкой при обработке резанием. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются средним размером зерен карбида вольфрама (WC). Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые

сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10-15 мкм.

Сплавы с размерами карбидов от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым и обозначаются буквой В (ВК6-В), с размерами карбидов от 0,5 до 1,5 мкм буквой М (мелкозернистым ВК6-М), а с размерами, когда 70% зерен менее 1,0 мкм – ОМ (особо мелкозернистым ВК6-ОМ). Сплавы с меньшим размером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие, а также позволяют затачивать более острую режущую кромку (допускают получение радиуса округления режущей кромки до 1,0-2,0 мкм).

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации.

С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, а эксплуатационная прочность растет.

Эти закономерности и положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, но с малыми подачей и глубиной резания, а сплавы ВК8, ВК10М и ВК10-ОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

2.3.2 Титановольфрамокобальтовые сплавы (ТК).

 Сплавы второй группы ТК состоят из трех основных фаз:твердого раствора карбидов титана и вольфрама (TiC-WC) карбида вольфрама (WC) и кобальтовой связки. Предназначены  они главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами группы ВК они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и жаропрочностью и в то же время меньшими теплопроводностью и электропроводностью, а также модулем упругости.

Способность сплавов группы ТК сопротивляться изнашиванию под воздействием скользящей стружки объясняется  также и тем, что температура схватывания со сталью у сплавов этого типа выше, чем у сплавов на основе WC-Co, что позволяет применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повышать стойкость инструмента.

В табл. 2.4 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.4 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе WC-TiC-Co, группа ТК

Так же как у сплавов на основе WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта.

Теплопроводность сплавов группы ТК существенно ниже, а коэффициент линейного термического расширения выше, чем у сплавов группы ВК. Соответственно меняются и режущие свойства сплавов: при увеличении содержания кобальта снижается износостойкость сплавов при резании, а при увеличении содержания карбида титана  снижается эксплуатационная прочность (рис. 2.3).

1) Прочность на изгиб - sизг; 2) Твердость - HRA

Рисунок 2.3 – Влияние кобальта на свойства твердого сплава группы ТК

Поэтому такие сплавы, как Т30К4 и Т15К6, применяют для чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания и малыми нагрузками на инструмент. В то же время сплавы Т5К10 и Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Путем введения  легирующих добавок получены сплавы, применяемые для резания стали с большими ударными нагрузками.

Разработан сплав Т4К8 для замены стандартного сплава Т5К10. Предел прочности его при изгибе 1600 МПа, в то время как у сплава Т5К10 он составляет 1400 МПа. Предельная пластическая деформация Т4К8 1,6%, а у сплава Т5К10 – 0,4%.

Сплав Т4К8 в большей степени, чем сплав Т5К10, сопротивляется ударным нагрузкам и может применяться при черновой токарной обработке стальных отливок при скорости резания 30-70 м/мин, глубине резания до 40 мм и подаче 1-1,2 мм/об. Стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т4К8  в 1,5-2,0 раза выше, чем стойкость инструмента, оснащенного сплавом Т5К10.

2.3.3.Титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (ТТК). Промышленные танталосодержащие твердые сплавы на основе TiC-WC-TaC-Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов титана, вольфрама и тантала(TiC-TaC-WC), а также карбида вольфрама (WC)  и  кобальтовой связки.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе при температуре 20°С и 600-800°С.

Сплав, содержащий карбид тантала, имеет более высокую твердость, в том числе и при 600-800°С. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе.

В табл. 2.5 приведены состав и характеристики основных физико-механических свойств сплавов в соответствии с

ГОСТ 3882-74.

Таблица 2.5 - Состав и характеристики физико-механических свойств сплавов на основе TiC-WC-TaC-Co( группа ТТК)

Увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его стойкость при резании, особенно благодаря меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

Поэтому танталосодержащие сплавы рекомендуются главным образом для тяжелых условий резания с большими сечениями среза, когда на режущую кромку инструмента действуют значительные силовые и температурные нагрузки, а также для прерывистого резания, особенно фрезерования.

Наиболее прочным для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование) является сплав ТТ7К12. Применение его взамен быстрорежущей стали позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза.

2.3.4.Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС).

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность выпускает безвольфрамовые твердые сплавы  на основе карбидов и карбонитридов титана с никельмолибденовой связкой (табл. 2.6).

Таблица 2.6 - Состав и характеристики физико-механических свойств безвольфрамовых твердых сплавов

                Продолжение таблицы 2.6

По твердости БВТС находятся на уровне вольфрамосодержащих сплавов (группы ВК), по прочностным характеристикам и особенно по модулю упругости им уступают. Твердость БВТС по Виккерсу при повышенных температурах в диапазоне температур 293-1073К несколько ниже, чем твердость вольфрамосодержащего сплава Т15К6.

БВТС имеют низкую окисляемость. Наибольшая термостойкость у сплава КНТ16, у сплава ТН20 она значительно ниже. Поэтому из сплава КНТ16 целесообразно изготовлять инструмент, работающий при прерывистом резании, например фрезеровании. Средняя «ломающая подача» (при которой происходит разрушение лезвия) составляет для сплава ТН20 – 0,3 мм/зуб, а для сплава КНТ16 – 0,54 мм/зуб. При выборе режимов резания подача не должна превышать этих значений, а глубина резания – 5мм.

Наибольшей износостойкостью обладает сплав ТН20. При точении стали 45  и стали 40Х  при t=1мм и S=0,2мм/об стойкость сплава ТН20 выше стойкости сплава Т15К6, во всем диапазоне скорости резания (от 200 до 600 м/мин).

Нагрев инструмента из БВТС на установках ТВЧ, обычно применяемых при пайке инструмента, ухудшает его эксплуатационные характеристики. Поэтому для резания из БВТС изготовляют в основном сменные неперетачиваемые пластины (СМП).

В связи с пониженной теплопроводностью наибольшую стойкость БВТС имеют в случае применение четырех-, пяти- и шестигранных СМП, а не трехгранных. оптимальными геометрическими параметрами пластин при этом являются передний угол 10°, задний угол 8-10°, радиус при вершине 0,8 мм.

 Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки. Пластины должны иметь высококачественную доводку по режущим кромкам и опорной поверхности и прилегать к опоре без зазора.

Обрабатываемая заготовка не должна иметь биения, превышающего половину припуска на обработку, а также следов газовой сварки, шлаковых включений.

При точении по возможности следует применять охлаждение.

Для предотвращения катастрофических поломок инструмента рекомендуется производить принудительный поворот пластинки после обработки определенного числа заготовок. Допустимый износ резцов по задней грани 1,5-1,8 мм.

 При фрезеровании БВТС можно эксплуатировать до износа 2,5-3,0 мм по задней грани.

2.3.5.Краткие рекомендации по выбору твердых сплавов.

Твердые сплавы на основе WC-Co рекомендуют для обработки серых, модифицированных и отбеленных чугунов, цветных металлов и их сплавов, стеклопластиков и других подобных материалов, дающих короткую сыпучую стружку надлома.

Обладая высокой прочностью, сплавы WC-Co лучше сопротивляются пульсирующей высокой нагрузке, имеющей место в данных условиях обработки. Превалирующим видом изнашивания в этом случае является адгезионно-усталостное, а при обработке белых чугунов и стеклопластиков - абразивное, при которых  важным фактором, определяющим стойкость инструмента, является не только содержание кобальта в сплаве, но и размеры зерен фазы WC. И чем выше твердость обрабатываемого материала, тем существеннее влияние зернистости твердого сплава на стойкость инструмента.

Сплавы WC-Co рекомендуются также для обработки труднообрабатываемых высокопрочных и жаропрочных материалов, особенно сплавов на основе никеля и титана.

Сплавы на основе Ni, обладающие высокой прочностью и значительным сопротивлением ползучести при высоких температурах, а также низкой теплопроводностью, с большим трудом обрабатываются резанием. На поверхности резания инструмент – заготовка генерируются очень высокие температуры и напряжения, происходят схватывание и последующий отрыв частиц твердого сплава. Лучшую стойкость в этих условиях показывают особомелкозернистые высококобальтовые сплавы.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-Co рекомендуют в случае обработки стали при высоких скоростях резания, когда образуется сливная стружка. Стружка постоянно контактирует с передней поверхностью инструмента в условиях значительных температуры и давления, что приводит к интенсивному образованию лунки износа на передней поверхности резца. В этом случае превалирует диффузионное изнашивание. Раствор карбида вольфрама в карбиде титана растворяется в стали при более высокой температуре и гораздо медленнее, чем карбид вольфрама. Кроме того, присутствие фазы WC-TiC-Co способствует уменьшению скорости растворения зерен карбида вольфрама в стали, и тем самым снижает интенсивность изнашивания.

При диффузионном характере изнашивания его скорость, определяемая скоростью растворения карбидных зерен в стали, в большей степени зависит от химических свойств сплава, чем от его твердости, связанной с зернистостью. В таких условиях значительно большей стойкостью обладают безвольфрамовые сплавы, основой которых является карбид или карбонитрид титана. Они взаимодействуют со сталью менее интенсивно, чем сложный карбид WC-TiC.

Твердые сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co рекомендуют при прерывистом резании, например фрезеровании, когда на рабочих поверхностях инструмента появляются многочисленные короткие трещины, перпендикулярные к режущей кромке. Эти трещины вызваны периодическим расширением при нагреве в процессе резания и сжатием при охлаждении поверхностных слоев твердого сплава. При дальнейшем развитии трещины приводят к выкрашиваниям и сколам и становятся главной причиной выхода инструмента из строя.

Поэтому, для оснащения фрезерного инструмента применяют твердые сплавы, наименее чувствительные к термической усталости и динамическим циклическим нагрузкам, сплавы содержащие в своем составе карбид тантала, т.е. сплавы на основе WC-TiC-TaC-Co.

2.3.6.Классификация современных твердых сплавов по международному стандарту ИСО513 и определение условий их эффективного использования.

При определении областей применения твердых сплавов,  обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают их использование с учетом обрабатываемых материалов и типа стружки, типа обработки (чистовая, получистовая, легкая черновая и черновая), условий обработки (хорошие, нормальные и тяжелые), а также видов обработки (точение, растачивание, фрезерование и др.).

По (ISO) предусматривается деление всех обрабатываемых материалов на три группы: Р (обозначаются синим цветом), М (желтым) и К (красным). В группу Р входят стали и стальное литье, при обработке которых получают сливную стружку. В группу М входят нержавеющие стали, титановые и жаропрочные сплавы, при обработке которых получают стружку надлома и сливную. В группу К входят чугуны, цветные металлы и их сплавы, материалы с высокой поверхностной твердостью, при обработке которых получают стружку надлома и элементную (табл. 2.7).

Таблица 2.7 - Классификация обрабатываемых материалов по группам резания

Каждая группа применения делится на подгруппы, причем с увеличением индекса подгруппы от 01 до 40 (50), условия обработки становятся более жесткими, начиная от чистового резания и заканчивая черновым с ударами. Такое рассмотрение удобно для подбора рекомендуемых марок твердых сплавов по свойствам. Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже требуется износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (табл. 2.8).

Таблица 2.8  Подгруппы применения твердых сплавов

*  Работа с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале

Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и теплостойкость, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность обработки.

Скорость резания, непрерывность обработки, жесткость системы СПИД, способ получения заготовки (состояние обрабатываемой поверхности) позволяет определить условие обработки и сформулировать требования к основным свойствам твердого сплава. Условия обработки могут быть хорошие, нормальные и тяжелые.

ХОРОШИЕ – Высокие скорости. Непрерывное резание. Предварительно обработанные заготовки. Высокая жесткость технологической системы СПИД .

Требования к твердому сплаву – высокая износостойкость.

НОРМАЛЬНЫЕ – Умеренные скорости резания. Контурное точение. поковки и отливки. Достаточно жесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву – хорошая прочность в сочетании с достаточно высокой износостойкостью.

ТЯЖЕЛЫЕ – Невысокие скорости. Прерывистое резание. Толстая корка на литье или поковках. Нежесткая система СПИД.

Требования к твердому сплаву – высокая прочность.

Кроме подгрупп применения необходимо знать тип обработки (чистовая, получистовая, легкая и черновая), который позволяет ориентироваться в величинах глубины резания (t, мм) и подачи (S₀, мм/об). Тип обработки приведен в табл. 2.9.

Таблица 2.9   Тип обработки

Область применения твердых сплавов можно представить сводной таблицей 2.10.

Таблица 2.10  Определение области применения твердого сплава

Из табл. 2.10 видно, что область использования марки твердого сплава будет зависеть от обрабатываемого материала, условий и типа обработки. Области рационального применения твердых сплавов отечественного производства приведены в табл. 2.11.

Таблица 2.11    Области применения твердых сплавов

Примечание. Износостойкость сплавов возрастает снизу вверх, прочность – наоборот.

Твердые сплавы серии МС выпускаются на Московском комбинате твердых сплавов (МКТО) по технологии фирмы «Sandik Coromant».

Используя рекомендации табл. 2.11 можно быстро и эффективно подобрать марку твердого сплава для резания любого обрабатываемого материала в конкретных условиях.