Твердые сплавы

Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов. Хотя первые инструменты из твердых сплавов появились в промышленности лишь в 30-е годы, сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве составляет до 28-30%, 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.

Порошковые (спеченные) твердые сплавы - это композиции, состоящие из твердых, тугоплавких соединений (карбиды, карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) в сочетании с цементирующей (связующей) составляющей (кобальт, никель, молибден и др.). Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфрамовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

Твердые сплавы как инструментальные материалы обладают рядом ценных свойств, основным из которых является высокая твердость (HRA 82-92), сохраняемая при нагреве до 700-1100 °С, большое значение модуля упругости (Е = 500-700 ГПа) и предела прочности при сжатии (s_-b = 6000 МПа).

Относительно невысокая прочность при изгибе (s_и = 1000-2500 МПа) и ударная вязкость не являются лимитирующими, так как твердые сплавы способны сохранять достаточно высокую твердость и сопротивляться деформированию при температурах, возникающих в процессе резания. Указанные физико-механические свойства обеспечивают твердосплавному инструменту высокий предел пластической прочности, повышенную сопротивляемость адгезионно-усталостному, химико-окислительному, диффузионному и абразивному изнашиванию. Указанное позволяет существенно повысить скорости резания при обработке сталей, чугунов, цветных сплавов и труднообрабатываемых материалов по сравнению со скоростями резания для' быстрорежущего инструмента.

Инструменты из твердого сплава Т5К10, используемые для обработки сталей на ферритной основе твердостью НВ @ 2000 МПа на станках повышенной жесткости, допускают применение толщин срезаемого слоя 1-2 мм при скорости резания v @ 30 м/мин. При этом температуры поверхностей инструмента достигают около 900 -1000 °С. Быстрорежущие резцы, допускающие температуры на поверхностях инструмента до 600 °С, при обработке той же стали допускают в 3-5 раз меньшую производительность.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК) состоят из карбида вольфрама и кобальта. Марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама (WC) и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта от 3 до 10% весовых ВК3, ВК3-М, ВК6, ВК6-М, ВК-ОМ, ВК8, ВК10-ХОМ При увеличении в сплавах содержания кобальта в рассматриваемом диапазоне предел прочности при поперечном изгибе и эксплуатационная прочность при резании возрастают, в то время как твердость и износостойкость при резании уменьшаются.

Так, сплав марки ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуется только для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, а сплав ВК8 -только для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома): чугуны, цветные металлы, стеклопластики, фарфор и труднообрабатываемые материалы (нержавеющие, высокопрочные стали, жаропрочные сплавы на основе никеля и титана и т.д.).

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработанные технологические приемы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрона до 10-15 мкм.

С увеличением размера зерен карбидовольфрамовой фазы твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному износу и стойкость при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эта закономерность широко используется для создания сплавов различного назначения с требуемыми свойствами.

Первыми такими сплавами, выпущенными промышленностью страны для резания, были мелкозернистые сплавы марок ВКЗ-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при чистовой обработке твердых чугунов, закаленных сталей, а также нержавеющих сталей и некоторых других марок труднообрабатываемых материалов.

Затем была разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структурой (основная масса зерен карбида вольфрама размером менее микрона) и с содержанием кобальта 6 и 10%.

Сплавы содержат также небольшие добавки карбида тантала (около 2%) и ванадия (0,1%), которые, главным образом, препятствуют росту зерен карбида вольфрама при спекании.

Сплавы ВК6-ОМ, ВК10-ХОМ дают хорошие результаты при тонком точении и расточке некоторых марок жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких, закаленных сталей и алюминиевых сплавов. Особенно эффективен сплав ВК6-ОМ при обработке вольфрама и молибдена, а также при развертывании и шабрении стальных и чугунных деталей.

Сплав ВК10-ХОМ, благодаря более мелким размерам зерен карбидной составляющей, а также благодаря повышенному содержанию связки обеспечивает хорошую формоустойчивость режущих кромок даже при относительно высоких режимах резания. Поэтому этот сплав имеет более широкую область применения и может использоваться как для черновой, так и для чистовой обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Дальнейшим развитием и совершенствованием сплавов этого направления являются сплавы, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Установлено, что карбид хрома тормозит рост зерна карбида вольфрама при спекании, а также увеличивает твердость и прочность сплавов при повышенных температурах.

Благодаря особо мелкозернистой, плотной структуре сплавов можно производить заточку и доводку инструментов с наименьшими радиусами округления режущих кромок, что, в свою очередь, обеспечивает получение более высокой чистоты обработанной поверхности и размерной точности.

Еще одно направление совершенствования сплавов для резания конструкционных сталей, чугунов и труднообрабатываемых материалов связано с совершенствованием связки. Впервые работами ГПИ (Т.Н. Лоладзе, Г.Н. Ткемаладзе) было показано, что недостаточная сопротивляемость высокотемпературной ползучести (низкая температура плавления), связующей фазы в твердых сплавах, обуславливает их недостаточную пластическую прочность и, в конечном итоге, снижает производительность обработки резанием. На базе сформированной концепции трудами ученых ГПИ были созданы экономнолегированные твердые сплавы типа НТ и Т с высокой пластической прочностью.

Другим примером такого совершенствования является разработка сплава ВРК15 (ТУ 48-19-462-89) с жаропрочной кобальтрениевой связующей фазой для черновой и получистовой обработки.

Сплав отличается высокой прочностью при повышенных температурах, низкой адгезией с обрабатываемым материалом и относительно высокой износостойкостью. Применение инструментов, оснащенных сплавом ВРК15, позволяет повысить производительность обработки резанием за счет увеличения скорости резания или сечения среза или существенно повысить характеристики износостойкости инструмента (площадь обработанной поверхности, стойкость инструмента), в том числе и при чистовой обработке никелевых сплавов.

Наряду с содержанием кобальта и зернистостью фазы WC, большое влияние на режущие свойства сплавов WC-Co оказывает содержание углерода в сплаве. Это связано с тем, что содержание углерода в пределах двухфазной области WC-Co не влияет на фазовый состав сплава, но оказывает заметное влияние на состав связующей (кобальтовой) фазы. Последнее обусловлено изменением растворимости вольфрама в кобальте. Изменение состава кобальтовой фазы оказывает сильное влияние и на изменение свойств сплава в целом. Кроме того, наличие в сплаве избытка углерода в виде графита приводит к снижению износостойкости сплава, а недостаток углерода вызывает образование h-фазы (W₃Co₃C), которая повышает износостойкость, но снижает прочность сплава. Таким образом, при одинаковом содержании кобальта малоуглеродистые сплавы более износостойки, но менее прочны, чем высокоуглеродистые. С ростом в сплаве содержания кобальта увеличивается и влияние углерода на свойства сплава.

Титановольфрамовые твердые сплавы. Титановольфрамовые сплавы (ТК) выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами ВК они обладают большей стойкостью против окисления, твердостью и жаропрочностью, в то же время имеют меньшую теплопроводность и электропроводность, а также модуль упругости.

Повышенная способность титановольфрамовых сплавов сопротивляться адгезионно-усталостному изнашиванию объясняется тем, что температура их схватывания со сталью существенно выше, чем у сплавов WC-Co. Появление титановольфрамовых сплавов позволило применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повысить стойкость инструмента.

Сплавы группы ТК стандартных марок имеют различный состав в зависимости от условий их применения. Содержание карбида титана колеблется в пределах 5-30%, кобальта от 4 до 10% (табл. 11.7).

Таблица 11.7

Состав и характеристики физико-механических свойств титановольфрамовых марок твердых сплавов по ГОСТ 3882-74

Так же, как и у сплавов ВК, предел прочности при изгибе и сжатии, а также ударная вязкость у сплавов ТК увеличиваются с ростом содержания кобальта.

С увеличением содержания углерода в пределах трехфазной области прочность при изгибе растет, а твердость и износостойкость снижаются.

Наличие структурно свободного углерода приводит одновременно к снижению прочности, твердости и износостойкости при резании. Присутствие в сплаве h-фазы снижает предел прочности при изгибе, но повышает твердость и износостойкость при резании.

У сплавов с одинаковым содержанием кобальта и одинаковым размером карбидных фаз предел прочности при изгибе и сжатии, ударная вязкость, пластическая деформация и модуль упругости уменьшаются при увеличении содержания карбида титана.

В соответствии с приведенными закономерностями меняются и режущие свойства сплавов: увеличение содержания кобальта приводит к снижению износостойкости сплавов при резании, а с ростом содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) повышается износостойкость, но одновременно снижается эксплуатационная прочность. Поэтому такие марки сплавов, как Т30К4 и Т15К6, обладающие максимальным запасом пластической прочности, применяют в условиях чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания, малыми и умеренными нагрузками на инструмент. Сплавы Т5К10, Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта и запасом хрупкой прочности предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы. Промышленные тита-нотанталовольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора (Ti, W, Та)С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении работы деформации при повышенных температурах.

Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Стандарт (ГОСТ 3882-74) содержит пять марок сплавов этой группы -ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ7К12, ТТ20К9 и Т8К7, в которых содержание карбида тантала колеблется от 2 до 12% (табл. 11.8).

Исследование режущих свойств сплавов ТТК показало, что увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его износостойкость при резании, особенно за счет меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

С учетом отмеченных свойств, сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, который рекомендуют для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование).

Применение инструмента из сплава ТТ7К12 взамен быстрорежущего инструмента позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза.

Для операций фрезерования рекомендуются сплавы марки ТТ20К9 (для обработки стали) и ТТ8К7 (для обработки чугуна). Для чистового и получистового точения, растачивания и фрезерования серого и ковкого чугуна, цветных металлов, непрерывного точения высокопрочных, нержавеющих сталей, в том числе и термообработанных, а также титановых сплавов предназначен сплав марки ТТ8К6.

Черновое, получерновое точение и фрезерование высоколегированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и некоторых сплавов успешно осуществляются инструментом из сплава марки ТТ10К8-Б.

Таблица 11.8

Состав и характеристики физико-механических свойств титанотанталовольфрамовых марок твердых сплавов для резания (ГОСТ 3882-74)

К группе танталосодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (табл. 11.9).

Сплавы марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 - для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 -для обработки чугуна и цветных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерования стали и чугуна соответственно.

Исследования режущих свойств сплавов МС показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повышенной стабильностью физико-механических свойств сплавов МС. Поэтому более высокая стоимость (на 40-60%) сплавов МС по сравнению со стандартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пластинами МС.

Таблица 11.9

Основные свойства сплавов группы «МС» (ТУ 48-19308-80)

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС). В связи с высокой дефицитностью основных компонентных составляющих твердого сплава, и прежде всего W и Со, в странах СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономнолегированных беэвольфрамовых твердых сплавов.

Перспективным направлением разработки безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) оказалось создание сплавов на основе карбонитрида и карбида титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения по стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, что уменьшает износ инструмента по передней поверхности при обработке стали и позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. В то же время безвольфрамовые сплавы имеют более низкий модуль упругости, а следовательно, и сопротивление упругим и пластическим деформациям, чем вольфрамосодержащие, меньшую теплопроводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, также отличаются пониженной жаропрочностью, т.е. интенсивно разупрочняются при более низких температурах, чем сплавы типа ТК.

Указанные свойства определили и области рационального применения сплавов при обработке материалов резанием: главным образом чистовая и получистовая обработка при точении и фрезеровании углеродистых и легированных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сечением среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Эффективно применение безвольфрамовых сплавов в виде сменных многогранных пластин, так как при напайке и заточке из-за низкой теплопроводности возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин на пластинах, а также снижение их эксплуатационной стойкости.

Таблица 11.10 Состав и основные свойства промышленных марок БВТС

Промышленность страны выпускает две стандартные марки безвольфрамовых сплавов в соответствии с ГОСТ 26530-85 (табл. 11.10). С учетом относительно низких значений теплостойкости и пластической прочности БВТС проведены исследовательские работы по  совершенствованию их свойств за счет упрочнения связки или карбонитридной фазы. Результатом таких разработок стало появление новых марок БВТС с улучшенными свойствами по хрупкой и пластической прочности.

Примером совершенствования БВТС могут служить сплавы ЛЦК20, карбо-нитридная фаза которых легирована цирконием, сплавы ТВ4, ЦТУ и НТН30, связки которых имеют заметно более высокую прочность и теплостойкость за счет легирования соответственно карбидом вольфрама, вольфрамом и карбидами титана и ниобия. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения. В частности,  сплавы ТВ4, НТН30 рекомендуют для черновой обработки стали при фрезеровании и точении (области применения Р20-Р30).

Состав и некоторые свойства БВТС повышенной прочности показаны в табл. 11.11.

Таблица 11.11

Состав и свойства БВТС повышенной прочности

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки, включая обрабатываемый материал. Например, стандартный БВТС марок ТН-20, КНТ-16 не рекомендуется при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

Опыт внедрения существующих безвольфрамовых сплавов и прогнозируемое расширение их применения в связи с появлением новых более совершенных марок показывает, что при выпуске требуемой номенклатуры изделий и обеспечении стабильного уровня качественных показателей, около 25-30% объема выпуска вольфрамосодержащих сплавов для обработки стали может быть заменено на безвольфрамовые.

Области применения твердых сплавов. При анализе областей применения марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условий обработки (t, S, v, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 11.12).

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), и допустимая подача, и глубина резания (см. табл. 11.12). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, 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 процесса обработки.