Металлокерамические твердые сплавы

 

Эти сплавы полу­чают методами порошковой металлургии в виде пластин или коронок. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала ТаС и нио­бия NbС, мельчайшие частицы которых соединены посред­ством сравнительно мягких и менее тугоплавких кобальта или никеля
в смеси с молибденом (табл. 8). Твердые сплавы имеют высокую твердость – 88...92 HRA (72...76 HRC) и теплостойкость до 850...1000 °С, широко применяются для изготовления различного режущего инструмента.

С появлением твердых сплавов произошел резкий скачок в металлообработке. Скорости резания возросли в 5…10 раз по сравнению с обработкой инст­рументами из быстрорежущих сталей.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются
однокарбидные, двухкарбидные и трехкарбидные твердые спла­вы –вольфрамовые (ВК), титановольфрамовые (ТК) и танталотитано-вольфрамовые (ТТК). Твердые сплавы подразделяются на марки,
отличающиеся одна от другой физико-механическими свойствами и процентным содер­жанием входящих в них элементов. Твердость НRА: ВК – 91…86; ТК – 92…87; ТТК – 87…89. Химический состав твердых сплавов легко расшифровывается по обозначению
марок.

Так, в сплаве ВК2 содержится 98 % WС и 2 % Со; в сплаве ВК8 содержится 92 % WС и 8 % Со; в сплаве Т15К6 содержится 79 % WС, 15 % ТiС и 6 %Со; в сплаве ТТ7К12 содержится 81 % WС,

Таблица 8

Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

Марка стали	С	W	Cr	V	Мо	Со
Стали нормальной теплостойкости
Р18	0,70…0,8	17,0…18,5	3,8…4,4	1,0…1,4	До 1,0	–
Р12	0,8…0,9	12,0…13,0	3,8…4,4	1,5…1,0	До 1,0	–
Р9	0,85…0,95	8,5…10,0	3,8…4,4	2,0…2,6	До 1,0	–
Р6М5	0,8…0,9	5,5…6,5	3,8…4,4	1,7…2,1	5,0…5,5	–
Р6М3	0,85…0,95	5,5…6,5	3,0…3,5	2,0…2,5	3,0…3,6	–
Р8М3	0,8…0,9	7,6…8,4	3,6…4,0	1,6…1,9	3,0…3,5	–
Р2М5	0,95…1,05	1,7…2,3	3,8…4,3	0,9…1,3	4,8…5,3	–
11М5Ф	1,0	–	3,8	1,2	5,1	–
Стали повышенной теплостойкости
10Р8М3	0,96…1,05	7,5…8,5	3,3…3,9	1,7…2,1	3,0…3,6	–
10Р6М5	1,05	6,0	4,0	2,4	5,0	–
Р12Ф3	0,94…1,04	12,0…13,5	3,5…4,0	2,5…3,3	До 1,0	–
Р2М3Ф8	0,90…1,05	2,0…2,5	4,0…4,8	7,5…8,5	2,5…3,0	–

Окончание табл. 8

 

Марка стали	С	W	Cr	V	Мо	Со
Р9Ф5	1,4…1,5	9,0…10,5	3,8…4,4	4,3…5,1	До 1,0	–
Р18Ф2К5	0,85…0,95	17,0…18,5	3,8…4,4	1,8…2,4	До 1,0	5,0…6,0
Р6М5К5	0,8…0,9	6,0…7,0	3,8…4,3	1,7…2,2	4,8…5,8	4,8…5,3
Р9К5	0,9…1,0	9,0…10,5	3,8…4,4	2,0…2,6	До 1,0	5,0…6,0
Р9К10	0,9…1,0	9,0…10,5	3,8…4,4	2,0…2,6	До 1,0	9,5…10,5
Р9М4К8Ф	1,0…1,1	8,5…9,6	3,0…3,6	2,1…2,5	3,8…4,3	7,5…8,5
10Р6М5Ф2К8	1,0	5,75	4,1	2,1	6,0	8,0
Р3М3Ф4К5	1,0	3,0	4,0	4,0	3,0	5,0
А11Р3М3Ф2	1,02…1,12	2,5…3,3	3,8…4,4	2,2…2,7	2,5…3,0	–
Стали высокой теплостойкости
В11М7К23	0,1		–	0,5
В14М7К25	0,1		–	0,5
3В20К20Х4Ф	0,25		4,0	1,0	–

4 %ТiС и 3 % ТаС, 12 % Со; в сплаве ТT20К9 содержится 71 % WС,8 % ТiС, 12% ТаС, 9 % Со.

Карбиды вольфрама, титана и тантала являются как бы режущими составляющими. В качестве связки выступает Со. Чем меньше Со
в спла­ве, тем он более твердый, но более хрупкий, и прочность
его ниже.

Теплостойкость их – 800...950 °С; износостойкость выше быстрорежущих ~ в 50 раз.

Вольфрамовые сплавы менее износоустойчивы, чем титано-вольфрамовые, поэтому их лучше применять для обработки хрупких материалов. Сплавы ВК с меньшим содержанием Со используются для чисто­вой обработки, сплавы с большим содержанием Со – для черновых операций. Кроме того, сплавы группы ВК рекомендуется применять при обработке закаленных, жаропрочных, коррозионно-стойких и других труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся на:

1) вольфрамовые сплавы группы ВК: ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др. (табл. 9). Буква М означает, что сплав мелкозернистый (величина зерна до 1 мкм), а В – высокопрочный, крупнозернистый, в которых размер зерен 3…5 мкм. У других марок сплавов этой группы размеры зерен 1…2 мкм. В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8 % кобальта
и 92 % карбидов вольфрама. Буквами ОМ обозначается особо мелко­зернистая структура;

2) титановольфрамовые сплавы группы ТК: Т15К6, Т5К10, Т30К4, Т14К8, Т5К12, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

3) титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК: ТТ7К12, ТТ10К8, ТТ20К9, ТТ8К6 и др. В условном обозначении цифры, стоящие после букв Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К – кобальта, остальное – карбиды вольфрама;

Таблица 9

Марки, химический состав и свойства вольфрамосодержащих
твердых сплавов

Груп­пы сплавов	Марки сплавов	Состав сплавов, %	Физико-механи­ческие свойства
Карбид воль­фрама	Карбид титана	Карбид тантала	Кобальт	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	Твердость HRA, не менее
ВК	ВК3		–	–			89,5
ВК3-М		–	–			91,0
ВК4		–	–			89,5
ВК4-В		–	–			88,0
ВК6		–	–			88,5
ВК6-М		–	–			90,0
ВК6-ОМ		–				90,5
ВК6-В		–	–			87,5
ВК8		–	–			87,5
ВК8-В		–	–			86,5
ТК	Т5К10			–			88,5
Т15К6			–			90,0
Т14К8			–			89,5
Т30К4			–			92,0
ТТК	ТТ7К12						87,0
ТТ8К6						90,5
ТТ10К8-Б			7*			89,0
ТТ20К9						89,0

 

* В смеси с карбидами ниобия.

 

4) безвольфрамовые твердые сплавы. В связи с дефицитом вольфрама поя­вились так называемые безвольфрамовые твердые сплавы. Основой их является ТiС и (ТiМo)С, т.е. карбиды или карбонитриды ТiNiС; а связкой – Co или Мо.

Эти сплавы имеют высокую теплостойкость, низкую теплопро­водность, высокую твердость (НRА 89…90). Они применя­ются для чистовой и получистовой обработки. Стойкость инструмен­тов из этих сплавов в 1,5 раза выше, чем из Т15К6.

На никельмолибденовой связке выпускают следующие марки безвольфрамовых твердых сплавов: ТМ-3, ТН-20, КНТ-16; напри­мер ДНТ-16 состоит из 74 % карбонитридов титана ТiNiC и 16 % Мо.

Состав сплавов ТМ-1, ТМ-3, ТН-20, КНТ-16, ТС20ХН приведен в табл. 10. Обозначения этой группы твердых сплавов условные.
Во ВНИИинструмент проведены исследования более 30 сплавов, показавшие, что наиболее перспективными с точки зрения практиче­ского применения являются твердые сплавы ТН-20 и КНТ-16.

 

Таблица 10

Марки, химический состав и свойства безвольфрамовых
твердых сплавов

Марки сплавов	Состав сплавов, %	Физико-механические свойства
Карбиды титана и ниобия	Карбонитриды титана	Карбиды титана	Никель	Молибден	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	Твердость НRА, не менее
Тм-1		–	–	5,0	5,0
ТМ-3		–	–	21,0	15,0
ТН-20	–	–		15,0	6,0
КНТ-10	–		–	19,5	6,5

 

 

На инструментальных заводах Минстанкопрома освоено промышленное производство резцов, оснащенных пластинами из этих сплавов.

Сплав КНТ-16 состоит из 84 % карбонитрида и 16 % молибдено-никелевой связи. Прочность на изгиб s _b – 1200 МПа, НRА 89...90.

ТН-20 состоит из 80 % карбида Тi и 20 % молибденоникелевой связки; s _b ~ 1100 МПа; НRА – 91.

Разрабатываются новые составы безвольфрамовых твердых сплавов и методы их изготовления. Один из них – метод высокотемпера­турного самораспространяющегося синтеза (ССВС).

 

Рекомендации по применению твердых сплавов

 

Сплавы группы ТК более износостойки и имеют повышенную теплостойкость по сравнению с ВК. Сплавы группы ТТК предпочтительно применять для обработки труднообрабатываемых сталей
и сплавов. Тантал придает сплаву большую вязкость и прочность. Твердые сплавы с особомелким (субмикронным) зерном имеют повышенную прочность и стойкость. Выпускаются сплавы на основе карбида вольфрама: ВК6-ХОМ, ВК10-ХОМ, ВК15-ХОМ. Они рекомендуются для обработки труднообрабатываемых материалов.

Нанесение тонкого износостойкого покрытия (толщиной
5…10 мкм) на твердые сплавы является весьма перспективным способом упрочнения поверхностного слоя и повышения режущих свойств ин­струмента. Для этого применяют карбиды и нитриды титана (ТiС и ТiN) или их сочетание – карбонитриды.

Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизо­ванных пластин, которые припаиваются, приклеиваются или крепятся механически к державкам из конструк­ционной стали. Выпускаются также инструменты, рабо­чая часть которых целиком выполнена из твердого спла­ва (монолитные).

Правильным выбором марки твердого сплава обеспе­чивается эффективная эксплуатация режущих инструмен­тов. Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов, могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко при­меняют при обработке сталей.

Инструменты из твердых сплавов группы ВК приме­няют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы станок–приспособление–инструмент–деталь, при пре­рывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обуслов­лено повышенной прочностью этой группы твердых спла­вов и невысокими температурами в зоне резания.

Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, по сравнению со сплавами ВК.

Введение в твердый сплав карбидов тантала или карбидов тантала и ниобия (ТТ10К8-Б) повышает его проч­ность. Поэтому трех-
и четырехкарбидные твердые сплавы применяются для оснащения инструментов, работающих с ударами и по загрязненной корке. Однако температура теплостойкости этих сплавов ниже, чем у двухкарбидных. Из твердых сплавов с существенно улучшенной струк­турой следует отметить особомелкозернистые, применя­емые для обработки материалов с большой истирающей способностью. Сплавы ОМ обладают плотной, особомелкозернистой структурой, а также имеют малый (до 0,5 мкм) размер зерен карбидов вольфрама. Последнее обстоятельство позволяет затачивать и доводить инстру­мент, изготовленный из них, с наименьшими радиусами режущих кромок. Инструменты из сплавов этой группы применяются для чистовой и получистовой обработки деталей из высокопрочных вязких сталей
с повышенной склонностью к наклепу.

Незначительное добавление в состав сплавов группы ОМ карбида тантала и кобальта способствует повыше­нию их теплостойкости, что позволяет использовать эти сплавы при изготовлении инструментов, предназначенных для черновой обработки деталей из различных сталей. Весьма эффективна замена карбидов тантала карбидами хрома. Это обеспечивает получение сплавов с мелкозер­нистой однородной структурой и высокой износостойко­стью. Представителем таких материалов является сплав ВК10-XOM.

Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) обладают меньшей вязкостью и при­меняются для изготовления инструментов, срезающих тонкие стружки на чистовых операциях. Наоборот, сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) являются более вязкими и применяются при снятии стружек большого сечения на черновых операциях.

Работоспособность твердых сплавов значительно возрастает при нанесении на них износостойких покрытий.

Минералокерамика

 

Из современных инструментальных материалов заслуживает внимания минералокерамика, которая не содержит дорогостоящих
и дефицитных элементов. В основе минералокерамики лежит окись алюминия Аl₂О₃. Она дешевле других инструментальных материалов. оксидная минералокерамика ЦМ-332 имеет более высокую твердость (на 2…5 единиц), а теплостойкость 1200 °С, а также повышенную износостойкость по сравнению с твердыми сплавами. Однако этот материал хрупок и малопрочен. вследствие ее малой прочности (s _b ~300 МПа) используемая до настоящего времени оксидная минералокерамика ЦМ-332 не нашла широкого применения
в качестве режущего материала.

Всесоюзный научно-исследовательский институт абразивов
и шлифования (ВНИИАШ) создал оксидную керамику марки ВШ-75. ее рекомендуется применять при чистовой и получистовой обработке сталей и чугунов. Минералокерамика допускает скорость резания
в 1,5…2 раза выше, чем твердые сплавы.

Всесоюзный научно-исследовательский институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (ВНИИТС) разработал минералокерамку оксидно-карбидного типа, полученную методом горячего прессования марок В-3, ВОК-60 и ВОК-63 и методом холодного прессова­ния ВО-13, ВО-15, ВО-16. В основе ее лежат окись алюминия и до­бавки карбидов тугоплавких металлов – вольфрама, титана. Режущие свойства их выше керамики ВШ; стойкость в 3…5 раз выше, чем стой­кость сплавов Т3ОК4.

Минералокерамика В-3, ВОК-60, ВОК-63 применяется для получистовой и чистовой обработки сталей и высокопрочных чугунов. Основу ее составляют оксиды алюминия Аl₂O₃ с небольшой добавкой оксида магния MgO (0,5...1 %). Высокая твердость минералокерамики, теплостой­кость до 1200 °С, химическая инертность к металлам, сопротивление окислению во многом превосходят эти же параметры твердых сплавов. Однако минералокерамика уступает этим сплавам по теплопроводности, имеет более низкий предел прочности на изгиб. Современная минералокерамика, созданная в нашей стране и за рубежом, по прочности приближается к наиболее износостойким твердым сплавам. Минералокерамику на основе оксида алюминия можно разделить на три группы:

1) чисто оксидная керамика (белая), основу которой составляет оксид алюминия с незначительными приме­сями (АlО₃ – до 99,7 %);

2) керамика, представляющая собой оксид алюминия с добавлением металлов (титан, ниобий и др.);

3) оксидно-карбидная (черная) керами­ка оксид алюминия с добавлением карбидов тугоплавких металлов (титана, вольфрама, молибдена) для повы­шения ее прочностных свойств и твердости.

Отечественная промышленность в настоящее время выпускает оксидную керамику ЦМ-332, ВО-13 и оксидно-карбидную В-3,
ВОК-60, ВОК-63, в состав которой входит до 40 % карбидов титана, вольфрама и молибдена. Наряду с материалами на основе оксида алюминия выпускается материал на основе нитрида кремния – силинит-Р и кортинит ОНТ-20 (с добавками оксидов алюминия и некоторых других веществ). Физико-механические свойства режущей минералокерамики приведены в табл. 11.

 

Таблица 11

Физико-механические свойства режущей минералокерамики

Марка	Плотность, г/см3, не менее	Твердость НRА	Предел прочности при изгибе, МПа, не менее
ЦМ-332	3,85	90…92	295…350
ВО-13	3,95	90…92	450…500
ОНТ-20	4,30	92…94	500…650
В-3	4,50	92…94	560…600
ВОК-60	4,20	92…94	560…600
ВОК-63	4,20	92…93	635…700
Силинит-Р	–	94…96	500…700

Высокие режущие свойства инструментов из минералокерамики проявляются при скоростной обработке сталей и высокопрочных чугунов, причем чистовое и получистовое точение и фрезерование повышает производительность обработки деталей до 2 раз при одновременном возраста­нии периодов стойкости инструментов до 5 раз по сравнению с обработкой инструментами из твердого сплава.

Минералокерамика выпускается в виде неперетачиваемых пластин, что существенно облегчает условия ее эксплуатации.

Инструмент, оснащенный пластинами из керамики, прошел про­мышленные испытания. На ВАЗе режущую керамику применяют на семи позициях чис­товой обработки деталей из серого чугуна. На
КамАЗе режущую керамику широко используют при обработ­ке тормозных барабанов, гильз деталей. На заводе «Красный пролетарий» при чистовой обработке деталей из серого чугуна резцы ВК3-М были заменены керамикой ВОК-60. Машинное время сократилось за счет увеличения скорости резания почти в 6 раз при одновременном увеличении стойкости в 5…6 раз.

Разработанные отечественные марки керамики не уступают по сво­им свойствам физико-механическим свойствам керамики зарубежных фирм. Применение режущих пластин из керамики позволило повысить скорость резания в 2…4 раза при одновременном повышении стойкости до двух раз.

 

Абразивные материалы

Абразивные материалы – это вещества природного или синтетического происхождения, содержащие минералы высокой твердо­сти и прочности, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других тел путем царапания, скобления или истирания. Их применяют для изготовления шлифовальных и заточных кругов, головок, брусков, хонов, доводочных порошков и паст.

Абразивные материалы разделяют на естественные и искусствен­ные.

К первым относятся кварц, наждак и корунд. Все они имеют сравнительно низкие режущие свойства и поэтому мало применяются в абразивной промышленности. Кроме того, залежи корунда
в приро­де ограничены.

Для абразивных инструментов в основном применяют искусст­венные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, кар­бид бора, силикокарбид бора.

Электрокорунд получают методом электрической плавки в дуго­вых печах при температуре 2000…2500 °С из материалов, богатых оки­сью алюминия (бокситы, глинозем). В зависимости от процентного содержания А1₂О₃ электрокорунд бывает нормальный, белый, легиро­ванный и монокорунд.

Карбид кремния SiC получают в печах при температуре 1800…1850 °С из нефтяного кокса, антрацита, т.е. из материалов, богатых кремнеземом и высоким содержанием углерода. Карбид кремния раз­деляется на черный 5С и зеленый 6С. Лучше из них зеленый: он име­ет большую твердость и лучшие режущие кромки.

Карбид бора В₄С получают при плавке борной кислоты В₂О₃
и нефтяного кокса в электропечах. Применяется в виде порошков или паст для доводки твердоплавкого инструмента.