Металлокерамические твердые сплавы

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900-1150°С. Твердые сплавы известны человеку уже около 100 лет. В основном изготовляются на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома при различном содержании кобальта или никеля. Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Основой всех твёрдых сплавов являются прочные карбиды металлов, не разлагающиеся и не растворяющиеся при высоких температурах. Особенно важны для твёрдых сплавов карбиды вольфрама, титана, хрома, частично марганца. Карбиды металлов слишком хрупки и часто тугоплавки, поэтому для образования твёрдого сплава зёрна карбидов связываются подходящим металлом; в качестве связки используются железо, никель, кобальт.

Металлокерамические твердые сплавыявляются наиболее высококачественным материалом для изготовления режущего инструмента в настоящее время. Современное скоростное резание металлов основано на применении этих сплавов. При чистовой обработке стали скорость резания при применении твердых сплавов доходит до 2000 м/мин.

Металлокерамические сплавы в зависимости от содержания в них карбидов вольфрама, титана, тантала и кобальта приобретают различные физико-механические свойства.

В обозначении марок сплавов используются буквы: В - карбид вольфрама, К - кобальт, первая буква Т - карбид титана, вторая буква Т - карбид тантала. Цифры после букв указывают примерное содержание компонентов в процентах. Остальное в сплаве (до 100%) - карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В - крупнозернистую структуру, М - мелкозернистую, ОМ - особомелкозернистую. Промышленностью выпускаются три группы твердых сплавов: вольфрамовые - ВК, титановольфрамовые - ТК и титанотанталовольфрамовые - ТТК.

Твердые металлокерамические сплавы получают путем прессования и спекания в вакууме или в атмосфере водорода карбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала с кобальтом при температуре 1500-2000^оС. Вольфрамовые твердые сплавы (ВК2, ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, ВК10) имеют твердость до 91 HRA и теплостойкость 800-850^оС.

Рис. 1. Схема изготовления металлокерамических сплавов

Использование самых современных твердосплавных материалов, совершенствование технологии изготовления инструментов, методов их шлифовки и заточки, в том числе с применением алмазного инструмента, электрофизических и электрохимических методов обработки, - основные направления работ заводских специалистов, позволяющие поддерживать на высоком техническом уровне выпускаемые нами твердосплавные инструменты.

От размера зерен карбидов и содержания кобальта зависят физико-механические свойства вольфрамовых твердых сплавов. Сплавы с малым содержанием кобальта (ВК2, ВК3, ВК4) имеют высокую жесткость и высокую износостойкость, но невысокую прочность, поэтому рекомендуются для чистовой обработки. С увеличением содержания кобальта прочность сплава возрастает, но снижается износостойкость и твердость, поэтому сплавы с повышенным содержанием кобальта (ВК6, ВК8, ВК10) используются для черновой обработки.

Вольфрамовые твердые сплавы рекомендуется использовать для обработки чугунов, цветных металлов и сплавов. При обработке сталей инструменты из этих сплавов быстро изнашиваются и поэтому не рекомендуются. Исключение составляют сплавы ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8, ВК10-0М, которые с успехом применяются для обработки жаропрочных и коррозионностойких сталей и титановых сплавов. Для обработки жаропрочных сталей и сплавов можно рекомендовать твердые сплавы особенно мелкозернистой структуры, дополнительно легированные карбидами хрома (ВК10Х-0М, ВК15Х-ОМ).

Титановольфрамовые твердые сплавы (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) состоят из карбида вольфрама и карбида титана и связующего элемента - кобальта. Так сплав Т15К6 содержит 6% кобальта (Со), 15% карбида титана (ТиС) и 79% карбида вольфрама (WC). Теплостойкость сплавов ТК 850-900^оС, твердость 87-92 HRA. Эти сплавы имеют большую износостойкость, но их прочность меньше и они более хрупкие. Применяются для обработки углеродистых и легированных сталей. Сплавы с низким содержанием кобальта (Т30К4, Т15К6) рекомендуются для чистовой обработки, а сплавы с высоким содержанием кобальта (Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12) - для черновой обработки стали.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8, ТТ20К9) имеют теплостойкость 750^оС и твердость 90-94 HRA. В состав этих сплавов входит также карбид тантала. Так сплав ТТ7К12 содержит 12% кобальта (Со), 7% карбида титана и карбида тантала (ТиС + ТаС) и 81% карбида вольфрама. Сплавы ТТК имеют более высокую прочность и вязкость, чем сплавы группы ТК, но уступают им по твердости и теплостойкостью. Благодаря высокой износостойкости и ударной вязкости сплавы ТТК эффективны при черновой обработке сталей и сплавов. Особенно эффективны сплавы ТТК при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов. В последнее время для улучшения характеристик сплавов ТТК в их состав вводится карбид ниобия (NbC).

Безвольфрамовые твердые сплавы - это сплавы на основе карбида титана (ТиС), нитрида титана (ТиЩ и карбид хрома (CrC), где в качестве связи используется никель и молибден). Эти сплавы обладают высокой теплостойкостью (до 1000°С), но менее крепкие сравнению со сплавами ВК, поэтому эффективны при чистовом и получистовом точении и фрезеровании. Склонность к слипанию с поверхностью заготовки невысока и нарост на резце при обработке практически не образуется. Инструменты, оснащенные сплавами ТМ1, ТМ3, ТН20, КНТ16, КНТ20, КХН20, КХН30, КТС2М, обеспечивают высокое качество обработки, что позволяет заменить шлифование чистовым точением. Но эти сплаве плохо поддаются пайке и заточке, поэтому их используют в виде непереточенных многогранных пластин.

Таблица 1. Российские спечённые твёрдые сплавы, применяемые в современной мировой промышленности:

Марка сплава	WC, %	TiC, %	TaC, %	Co,%	Прочностьна изгиб(σ), МПа	Твёрдость, HRA	Плотность (ρ), г/см3	Теплопроводность (λ), Вт/(м·°С)	Модуль Юнга(Е), ГПа
ВК2		—	—			91,5	15,1
ВК3		—	—			89,5	15,3	50,2
ВК3-М		—	—				15,3	50,2
ВК4		—	—			89,5	14,9-15,2	50,3	637,5
ВК4-В		—	—				15,2	50,7
ВК6		—	—			88,5		62,8
ВК6-М		—	—				15,1
ВК6-ОМ		—				90,5
ВК8		—	—			87,5	14,8	50,2
ВК8-В		—	—				14,8	50,4	598,5
ВК10		—	—				14,6
ВК10-ОМ		—	—			88,5	14,6
ВК15		—	—				14,1
ВК20		—	—			84,5	13,8
ВК25		—	—				13,1
ВК30		—	—			81,5	12,7
Т5К10			—			88,5	13,1	20,9
Т5К12			—				13,5		549,3
Т14К8			—			89,5	11,6	16,7
Т15К6			—				11,5	12,6
Т30К4			—				9,8	12,57
ТТ7К12							13,3
ТТ8К6						90,5	13,3
ТТ10К8-Б							13,8
ТТ20К9		9,4	14,1	9,5			12,5
ТН-20	—		(Ni15%)	Mo6%		89,5	5,8
ТН-30	—		(Ni23%)	Mo29%		88,5
ТН-50	—		(Ni29%)	Mo10%			6,2

Наибольшее практическое применение для производства металлокерамических твердых сплавов имеют карбиды WC, TiC и ТаС. Связующим металлом в спечённых твердых сплавах является кобальт, а иногда никель и железо.

В зависимости от состава карбидной фазы твердые сплавы разделяют на три основные группы:

· однокарбидные сплавы WC — Со (типа ВК),

· двухкарбидные сплавы WC—TiС—Со (типа ТК),

· трехкарбидные сплавы WC—TiC—ТаС—Со (типаТТК).

Сплавы первой группы различаются по содержанию кобальта (2...30%) и по зернистости карбидной фазы. С увеличением содержания кобальта растет вязкость сплава, но снижается твердость и износостойкость. Укрупнение зерен карбида вольфрама повышает вязкость сплава, но снижает твердость.

Однокарбидные сплавы применяют для изготовления режущих инструментов, предназначенных для обработки хрупких материалов: чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов (резины, фибры, пластмасс), а также нержавеющих и жаропрочных сталей, титана и его сплавов. Сплавы с низким содержание кобальта ВК2, ВКЗ, ВКЗМ, ВК4 применяют для чистовой и получистовой обработки, а сплавы ВК6, ВК6М, ВК8 — для черновой обработки. Вязкие сплавы с большим содержанием кобальта (более 20%) используют для оснащения штампового инструмента, работающего при значительных ударных нагрузках. Мелкозернистые твердые сплавы (ВКЗМ, ВК6М) применяют при обработке твердых чугунов по литейной корке. Если в марке стоит буква В (ВК4В), это значит, что сплавы изготовлены из крупнозернистого карбида вольфрама.

Сплавы второй группы благодаря высокой твердости и износостойкости применяют преимущественно при высокоскоростной обработке сталей резанием. Свойства сплавов определяются содержанием карбида титана и кобальта. С увеличением содержания TiC повышается износостойкость сплава и уменьшается его прочность, а увеличение содержания кобальта повышает вязкость и снижает твердость.

Наивысшей для двухкарбидных сплавов износостойкостью и допустимой скоростью резания при чистовой обработке обладает сплав Т30К4. Сплавы Т15К6, Т5К.Ю предназначены для получистовой и черновой обработки углеродистых и легированных сталей (поковок, штамповок, отливок). Сплав Т5К12В применяют для тяжелой черновой обработки поковок, штамповок и отливок, а также для строгания углеродистых и легированных сталей.

Сплавы третьей группы применяют для черновой и чистовой обработки труднообрабатываемых материалов, в том числе жаропрочных сплавов и сталей. Добавка карбида тантала или ниобия оказывает положительное влияние на прочность и режущие свойства сплавов. К этой группе относятся следующие марки: ТТ7К.12, ТТ7К15, ТТ8К6, ТТ20К9 и др.

В связи с дефицитностью твердых сплавов на основе вольфрама применяют сплавы на основе карбидов ванадия, молибдена, хрома. Например, твердый сплав на основе карбида хрома имеет более высокую жаростойкость, чем сплавы ВК и ТК, и обладает хорошей износостойкостью. В последнее время начинают применять безвольфрамовые твердые сплавы группы TiC—Ni—Mo (монитикар), по своим свойствам превосходящие тита-новольфрамовые сплавы. Сплавы группы монитикар предназначены для обработки в условиях безударных нагрузок углеродистых сталей и сплавов. Выпускаются следующие марки сплавов: A3, Б2, БЗ, Б4, Б5, ВЗ, ГЗ и ДЗ (44,3% TiC, 37,4% Ni, 18,3% Mo), имеющие низкий коэффициент трения и высокую износостойкость.

Металлокерамика — искусственный материал, представляющий собой гетерогеннуюкомпозицию металлов или сплавов с неметаллами (керамикой).

Другие названия: керметы, керамико-металлические материалы, спеченные антифрикционные материалы.

Металлокерамики объединяют важные конструкционные и эксплуатационные свойства металлов и неметаллов. Они отличаются большой прочностью, высокими износо- и теплостойкостью, антикоррозионными свойствами. Применяются в качестве антифрикционных или защитных покрытий деталей и самостоятельных конструкционных материалов в авиастроении, автомобилестроении, транспортном и химическом машиностроении, электроприборостроении, турбостроении и других отраслях промышленности. В стоматологии металлокерамикой называют несъемные зубные протезы (мостовидные протезы, коронки), представляющие собой металлический каркас с нанесенной на него керамической массой. В данной ситуации о композиции как таковой речи не идет, есть каркас из металла и керамическая масса, удерживающаяся на нем за счет макро- и микроретенции. Таким образом, понятие металлокерамики в стоматологии отличается от такого понятия в технике и материаловедении.

Методом газотермического напыления частиц порошка получают металлокерамические покрытия для защиты поверхностей деталей от износа и коррозии при производстве деталей. Этот же метод формирования металлокерамического покрытия используется для ремонта при восстановлении размеров изношенных деталей.

Тонкопленочную металлокерамику получают методом термического испарения металла или сплава в вакууме и конденсации его паров на поверхности пластинки (подложки). Примером может служить микрокомпозиция Cr-SiO, используемая при изготовлении тонкопленочных резисторов.

Рис 2. Фасонные изделия из твердых сплавов

Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:

1. Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, сверла, протяжки и прочий инструмент.

2. Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов.

3. Клеймение: оснащение рабочей части клейм.

4. Волочение: оснащение рабочей части волок.

5. Штамповка: оснащение штампов и матриц (вырубных, выдавливания и проч.).

6. Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов.

7. Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.

8. Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей.

Из металлокерамики на основе оксида алюминия изготавливаются запорные элементы керамических трубопроводных кранов. Применение. В современной технике получают широкое распространение и быстро совершенствуются твёрдые сплавы. Развитие техники применения твёрдых сплавов идёт по двум направлениям: с одной стороны, совершенствуются и улучшаются составы твёрдых сплавов и технология их производства, с другой стороны, совершенствуется техника нанесения твёрдых сплавов на изделия.

Дата добавления: 2015-07-08