Группы применения твердых сплавов

Направление изменения свойств	Марка сплава по ГОСТ 3882-74 ТУ 48-19-308-80	Основная группа применения	Подгруппа применения
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	Т30К4 Т15К6, МС111 Т14К8,МС121 Т20К9, ТТ21К9, МС137 Т5К10, ТТ10К8-В, МС131 Т5К12, ТТ7К12, МС146 ТТ7К12	Р	Р01 Р10 Р20 Р25 Р30 Р40 Р50
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	ВК-ОМ, МС313 ВК6-ОМ, ТТ8К6, МС211 ТТ10К8-Б, МС221, МС321 ВК10-М, ВК10-ОМ, ВК8 ВК10-ОМ, ТТ7К12, ВК15-ОМ ВК15-ХОМ, МС241, МС146	М	М05 М10 М20 М30 М40
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	ВК3, ВК3М, МС301 ВК6-ОМ, ВК6-М, МС306 ТТ8К6, ВК6-М, МС312, МС313 ВК4, ВК6, Т8К7, МС318, МС321 ВК4, ВК8 ВК8, ВК15, МС347	К	К01 К05 К10 К20 К30 К40
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	ВК6ОМ, H10A, S05F ВК6М, H13A, H10F, GC1005 ВК10ХОМ, GC1025	S	S01 S05 S10 S20 S30 S40
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	Т30К4 ВК6ОМ, GC4015 ТТ8К6, Н13А	H	H01 H05 H10 H20 H30 H40
с п т р о о й ч к н о о с с т т ь ь	ВК3   H10, CD1810 ВК6   ВК8	N	N01 N05 N10 N20 N30 N40

В табл.2.3 кроме стандартных марок сплавов групп ВК, ТК и ТТ приведены марки МС (Москва-«Сандвик»), изготавливаемые по технологии фирмы «Сандвик Коромант» (Швеция). Трехзначный индекс сплавов МС не содержит информации о химическом составе, а лишь отражает область его применения. Помимо указанных марок приводятся твёрдые сплавы той же фирмы с оригинальными обозначениями, в том числе с покрытиями (четырёхзначный индекс).

Кратко проанализируем состав, свойства, области применения и тенденции совершенствования основных групп твердых сплавов.

Вольфрамокобальтовые сплавы (группа ВК) состоят из карбидов вольфрама и связующего кобальта. Для оснащения режущего инструмента приме­няют сплавы с содержанием кобальта 3-15 %.

Сплавы ВК имеют высокую плотность (вдвое выше, чем у железа). На износостойкость сплавов ВК, помимо содержания карбидов WC, большое влияние оказывают размеры карбидного зерна, при уменьшении которых возрастает износостойкость, но несколько снижается прочность. В обозначении марки сплава с мелким зерном добавляется буква М: ВК3-М, ВК6-М, BK10-M. Ещё большей износостойкостью обладают сплавы ВК с особомелкозернистой структурой, в обозначение которых добавляются буквы ОМ, ХОМ. В сплавах с особомелкозернистой структурой средний размер зерна не превышает 0,5 мкм, а, измельчение зерна достигается более тщательным размолом исходных компонентов сплава, добавлением карбидов ТаС, NbC и СrС.

Структура сплавов типа «ОМ», «ХОМ» позволяет при заточке и доводке инструмента достигать меньших радиусов округления режущих кромок, что заметно повышает качественно-точностные характеристики обрабатываемых деталей.

Повышение качества и снижение стоимости твердых сплавов происходит путем совершенствования технологии производства сплавов и оптимизации их состава и структуры. Например, легирование сплавов карбидами хрома (сплавы с индексом ХОМ) взамен дефицитных карбидов тантала позволило снизить себестоимость сплава, обеспечило получение особомелкозернис­той однородной структуры повышенной износостойкости при сохранении прочностных показателей такими же, как у особомелкозернистых сплавов, содержащих ТаС.

Содержание углерода в двухфазной области системы ванадий-кобальт-углерод не изменяет фазовый состав, но определяет свойства связки и сплава в целом. В частности, при одинаковом содержании кобальта низкоуглеродистые сплавы более износостойки, а высокоуглеродистые - более прочны.

Инструмент из сплавов ВК будет обладать повышенной работоспособностью при условии, если сплав имеет высокие прочность удержания зерен карбида вольфрама, сопротивляемость абразивному изнашиванию и разрушению при циклическом характере термомеханического нагружения режущей части инструмента. В подобных условиях формируется стружка дискретного типа (надлома, суставчатая и т.д.). Это происходит при обработке чугунов, вольфрамовых, молибденовых, никелевых, титановых сплавов, цветных металлов и сплавов повышенной хрупкости, конструкционных полимерных материалов (пластмасс, угле и биопластиков и т, д.), дерева (см. табл.2.2). Инструмент из сплавов ВК не рекомендуется для обработки заготовок из углеродистых и легированных сталей, т.к. зерна карбида вольфрама интенсивно изнашиваются (адгезионно-усталостное, диффузионное изнашивание).

Титано-вольфрамовые сплавы (группа ТК) предназначены для оснащения инструмента, служащего для обработки деталей из конструкционных сталей с образованием стружки стационарного типа (сливная, элементная) (см. табл.2.2). По сравнению со сплавами ВК они обладают большими твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойкостью к коррозии и окислению при повышенных температурах и в то же время меньшими теплопроводностью, коэффициентом линейного расширения и модулем упругости.

Сплавы ТК состоят из зерен карбида вольфрама, сложных титано-вольфрамовых карбидов (Ti, W) C и связующей кобальтовой фазы, представляющей собой твердый раствор вольфрама и углерода в кобальте. Большая твердость сплава ТК объясняется большей твердостью зерен (Ti, W) C, чем твердость зерен WC. Поэтому с ростом содержания зерен (Ti, W) C твердость сплава увеличивается, снижаются теплопроводность и коэффициент линейного расширения. Однако возрастает хрупкость сплава из-за повышенной хрупкости зерен (Ti, W). Особенность строения и физико-механические свойства сплавов ТК определяют и предпочтительную область их применения - обработку конструкционных сталей. Сплавы группы ТК имеют карбидные зерна (Ti, W) C, менее склонные к диффузионному растворению в железе при повышенных температурах, поэтому инструмент из сплавов группы ТК меньше изнашивается при резании конструкционных сталей на повышенных скоростях резания. Кроме того, активные процессы схватыва­ния для зерен (Ti, W) C начинаются при более высоких температурах по сравнению с температурой начала схватывания для зерен WC. Поэтому при обработке сталей на средних и высоких скоростях резания инструмент из сплавов группы ТК гораздо лучше сопротивляется адгезионно-усталостному и диффузионному изнашиванию, чем инструмент из сплавов ВК.

Вследствие повышенной хрупкости сплавы ТК не производят с мелким и особомелким зерном. По этой же причине инструмент из сплавов ТК не рекомендуется для обработки высокопрочных материалов, сложнолегированных сталей и сплавов, т.к. весьма вероятны микро- и макроразрушения контактных площадок инструмента. Худшая смачиваемость зерен (Ti, W)C кобальтом приводит к снижению прочности зерна в сплаве, поэтому инструмент из сплавов ТК нельзя применять для обработки чугунов.

Титано-тантало-вольфрамовые сплавы (группа ТТК) состоят из зерен W-C, сложных зерен тройных титана-тантала-вольфрамовых карбидов (Ti, Ta, W)C и связующей кобальтовой фазы.

Сплавы ТТК имеют мелкозернистую структуру, а их хрупкость значительно ниже хрупкости сплавов ТК. Зерна (Ti, Ta, W)C лучше смачиваются кобальтом, поэтому прочность удержания карбидных зерен в сплавах ТТК выше прочности удержания зерен (Ti, W) C в сплавах ТК. Сплавы ТТК обладают лучшей сопротивляемостью высокотемпературной ползучести и большим пределом прочности при циклическом характере термомеханического нагружения, чем сплавы ВК и ТК. Кроме того, сплавы ТТК имеют высокую термостойкость, обладают хорошей теплопроводностью, сравнительно невысоким коэффициентом линейного расширения. Поэтому инструмент, оснащенный режущими пластинами из ТТК, особенно эффективен при фрезеровании и других процессах прерывистого резания.

Эксплуатационная прочность сплавов ТТК увеличивается не только по мере роста содержания кобальта, но и при повышении содержания связанного углерода. В частности, наилучшим сочетанием свойств обладают сплавы ТТК с содержанием связанного углерода, равным 0,9-0,95 %. Поэтому инструмент из сплавов ТТК рекомендуется также для операции тяжелой черновой обработки с большими сечениями срезаемого слоя, колебаниями припуска, нежесткостью технологической системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка». Для указанных условий рекомендуется инструмент, оснащенный пластинами из ТТ7К12 (P40-P50, М40, прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование). Для получистового фрезерования рекомендуются инструменты из сплава TT20K9A, TT21K9.

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта разработаны и выпускаются безвольфрамовые твердые сплавы БВТС.

Особенности структуры и свойств БВТС рассмотрим на, примере наиболее применяемых марок БВТС-ТН20, КНТ16.

Сплав ТН20 состоит из зерен сложного титаномолибденового карбида и связующей фазы, представляющей собой твердый раствор титана, молибдена и углерода в никеле. Карбидные зерна имеют кольцевую структуру, у которой сердцевина состоит из зерен карбида титана, а периферия - из зерен титаномолибденового карбида. Сплав КНТ16 по строению аналогичен сплаву TH20, но его основу составляют зерна карбонитрида титана.

БВТС не уступают сплавам ТК по твердости, имеют высокую окалиностойкость. Повышенная хрупкость, недостаточная прочность, низкая теплопроводность ограничивают широкое применение инструмента, оснащенного пластинами из БВТС.

БВТС рекомендуется использовать для точения, торцового фрезерования сталей и чугунов.

Режущая керамика

В нашей стране и за рубежом выпускаются три основных вида керамических инструментальных материалов. Оксидная (белая) керамика состоит из оксидов алюминия Аl₂О₃ (до 90 %) и легирующих добавок (MgO, ZrO₂ и др.). Оксидно-карбидную (черную) керамику изготовляют из смеси Al₂O₃ (до 60 %), TiС (20-40 %), ZrO₂ (20-40 %), и других карбидов тугоплавких металлов с легирующими добавками. Керамика на основе нитридов кремния (Si₃N₄) легирована оксидами иттрия, циркония, алюминия.

Керамические режущие пластины не имеют связующей фазы, что снижает вероятность их разупрочнения при нагреве и делает возможным их применение при высоких скоростях резания, намного превосходящих скорости резания, применяемые при использовании инструмента из твердого сплава. Если предельная скорость резания для твердосплавного инструмента составляет 500-800 м/мин, то для керамического инструмента она возрастает до 900-1000 м/мин.

Несмотря на заметное различие свойств представленных типов керамических инструментальных материалов (табл.2.4), все они характеризуются невысокой прочностью при изгибе, повышенной хрупкостью, низкой теплопроводностью, а также достаточно большим коэффициентом линейного расширения. Поэтому керамический режущий инструмент весьма чувствителен к термоциклическому нагружению и склонен к хрупкому микроразрушению при контактных нормальных напряжениях, превышающих 1,2 гПа.

Таблица 2.4

Состав свойства и областиприменения керамического инструментального материала

Вместе с тем, высокая термостабильность при температуре до 1400°С (для оксидной керамики) в сочетании с высокой твердостью, окалиностойкостью, хорошей сопротивляемостью окислению определяет область предпочтительного применения керамического инструмента - чистовую обработку заготовок повышенной твердости и прочности, включая закалённую сталь, (K01-K10, Р01-Р10,) на высоких скоростях резания (400-1000 м/мин) при ограниченных сечениях срезаемого слоя. Керамический инструмент эффективен при использовании жесткого металлообрабатывающего оборудования; а также качественных и жестких державок для крепления пластин.