Тверді сплави

ТВЕРДІ СПЛАВИ

Тверді  сплави — це сплави на основі тугоплавких  сполук (переважно карбідів), що мають  високу твердість, теплостійкість і  стійкість проти спрацювання. Крім того, вони вирізняються також великою  корозієстійкістю, зберігають високі різальні властивості в широкому діапазоні температур, але поступаються перед інструментальними сталями за міцністю на згин і крихкіші. За способом виробництва тверді сплави поділяють на спечені і литі.

Спечені тверді сплави виготовляють методами порошкові металургії з дрібних порошків карбідів тугоплавких металів (вольфраму, титану і танталу) і зв'язуючого металу (кобальту) за технологією, що нагадує виготовлення керамічних виробів, і тому їх ще називають металокерамічними. Суміш, приготовлену в певній пропорції з таких компонентів, старанно перемішують, пресують у прес-формах і спікають при температурі 1400°С — 1500°С. Одержані пластинки шліфують і припаюють до держаків інструментів або кріплять механічним способом. Твердість такого інструменту досягає NRA 80 — 90, а теплостійкість — 900°С — 1100°С.

Залежно від призначення і умов роботи інструменту застосовують однокарбідні сплави WC-Co (вольфрамові), двокарбідні WC-TiC0-Co (титановольфрамові) і трикарбідні сплави WC-TiC-TaC-Co (титанотанталовольфрамові). Згідно з ГОСТом 3882-74 перші літери в позначеннях марок означають групу, до якої належить сплав: ВК — вольфрамова, Т — титановольфрамова, ТТ — титанотанталовольфрамова. Цифри після літери К вказують на " вміст кобальту у сплаві, після літери Т — на вміст карбіду титану, а після літер ТТ — на сумарний вміст карбідів титану і танталу, решта — на карбід вольфраму. Наприклад, сплав ВК3 містить 3% кобальту і 97% карбіду вольфраму; сплав Т15К6 містить 6% кобальту, 15% карбіду титану і 79% карбіду вольфраму; сплав ТТ10К8-Б містить 8% кобальту, 3% карбіду титану, 7% карбіду танталу і 82% карбіду вольфраму.

Літери, які стоять після цифр у кінці  марок сплавів, характеризують зернистість  карбідної складової: М — дрібнозерниста (розмір зерен 1 — 2 мкм), ОМ — особливодрібнозерниста (розмір зерен до 1 мкм), В, ВК і КС — крупнозерниста (розмір зерен 2 — 5 мкм) з різними властивостями вихідного карбіду вольфраму.

Від складу і зернистості сплаву залежать його механічні та експлуатаційні властивості. Чим менший вміст кобальту в сплаві ВК і дрібніші карбідні частки, тим  вища стійкість проти спрацювання, але менша міцність і опірність  до ударів. Сплави ВК, і особливо ВК3-М, які мають найбільшу стійкість  проти спрацювання, допускають високі швидкості різання при обробці  чавуну, кольорових металів і неметалічних матеріалів. Сплави цієї групи з  вмістом кобальту 10% і більше, що мають високу міцність і ударну в'язкість, застосовують дня виготовлення швидкоспрацьовуваних деталей машин, приладів і пристроїв, матриць і волок, твердосплавних штампів та інших виробів, які працюють в умовах ударних навантажень.

Порівняно із сплавами групи ВК двокарбідні сплави групи ТК мають більшу стійкість проти спрацювання при дещо менших значеннях міцності, їх основні властивості визначаються вмістом карбіду титану: при зростанні його вмісту знижується міцність на згин, а твердість і стійкість проти спрацювання збільшуються. Сплави цієї групи застосовують при різних видах обробки різанням вуглецевих і легованих сталей, а також інших в'язких матеріалів.

Трикарбідні сплави групи ТТК, поряд з підвищеною експлуатаційною міцністю і високою стійкістю проти спрацювання, мають підвищену в'язкість і добре протидіють вібраціям тому вони придатні для експлуатації при найбільш жорстких режимах обробки в умовах ударних навантажень, їх застосовують при обробці різанням важкооброблюваних матеріалів, у тому числі жароміцних сталей і сплавів.

Литі  тверді сплави виготовляють у вигляді спеціальних електродів і застосовують для наплавлення (наварювання) стійкого проти спрацювання шару на поверхні нових або спрацьованих деталей та інструментів, штампів, ножів для різання металу, деталей сільськогосподарських машин, центрів токарних верстатів, бурових доліт та ін. До литих сплавів належать стеліти В2К і В3К — сплави на основі вольфраму, хрому і кобальту, сормайти № 1 і №2 — високовуглецевї сплави на залізохромовій основі, литий карбід вольфраму — реліт. Наплавлення здійснюють за допомогою ацетиленокисневого полум'я або електричної дуги. Крім того, на заводах сільськогосподарського машинобудування широко застосовують порошкові тверді сплави, що наносяться на поверхню виробів способом індукційної наплавки. Деталі чи інструмент, призначені для наплавлення, виготовляють з вуглецевої сталі, чим досягають економії дорогих легованих сталей. Після наплавлення вироби відпалюють, обробляють різанням для надання необхідної форми і розмірів, гартують і відпускають.

Для оснащення  робочої частини металообробного  інструменту останнім часом розроблені і широко впроваджуються мінералокерамічні  тверді матеріали. Вихідними матеріалами  для їхнього виробництва служать  дрібні порошки різних мінералів (оксиди, карбіди, нітриди, бориди), а зв'язкою — тонко подрібнені скловидні сполуки, які не перевищують 1% загального об'єму, або метали — алюміній, залізо, нікель і ін. Залежно від хімічного складу їх поділяють на дві групи: кераміка і кермети.

До першої групи мінералокерамічних матеріалів належить оксидна, оксидно-карбідна і  оксиднонітридна кераміка.

Оксидна (біла) кераміка складається з оксиду алюмінію (99%) і невеликої кількості  оксиду магнію або інших елементів. Спосіб виготовлення керамічних пластин  марок ЦМ-332 і ВО-13 — холодне  пресування з наступним спіканням. Пластини з кераміки ВШ-75 виготовляють більш трудомістким способом — гарячим  пресуванням. Незважаючи на високу твердість (НКА 90 — 93) і теплостійкість (1100°С — 1300°С), оксидна кераміка має істотний недолік — невелику міцність і  низьку в'язкість. Тому пластини з неї  найбільш доцільно застосовувати для  токарної обробки сталі і чавуну при чистовому точінні з високими швидкостями різання.

Оксидно-карбідна (чорна, мішана) кераміка складається  з оксиду алюмінію і карбіду титану (ВОК-60, В-3 та ін.) або оксиду алюмінію і нітриду титану (ОНТ-20). Пластини з такої кераміки одержують методом  гарячого пресування і застосовують для чистової обробки загартованих конструкційних сталей, сірих та легованих  чавунів, а також сплавів на основі міді і нікелю.

Пластини  з нітридної кераміки (силініт-Р) виготовляють методом гарячого пресування з нітриду кремнію і застосовують для ^напівчистової обробки чавунів і нікелевих сплавів. Останнім часом кераміку застосовують і для фрезерування сталей і чавунів.

Матеріали, у яких в ролі керамічної фази служать  оксиди, карбіди, бориди і нітриди тугоплавких металів, а зв'язкою — метали групи заліза або тугоплавкі метали, називають керметами. Наприклад, найбільш поширені карбіднохромові кермети КХН-ІО, КХН-15, ... КХН-40 містять від 10 до 40% нікелю, решта — карбід хрому Cr₃C₂. Від кераміки вони відрізняються дещо підвищеними міцнісними характеристиками, меншою крихкістю і схильністю до виникнення тріщин. Завдяки великій стійкості проти спрацювання з.них виготовляють штампи, фільєри, матриці Для протяжки чорних і кольорових металів методом холодної деформації, прес-форми для пресування виробів із порошків.

У різних галузях техніки мінерал о  керамічні матеріали використовуються як матеріали конструкційного призначення. Так, із керметів на основі карбіду  хрому, що мають високу коррзієстійкість, виготовляють деталі насосів для перекачування кислот, сопла для агресивних рідин і газів, клапани нафтових свердловин. Кермети на основі оксидів, незважаючи на наявність у них металів, мають високу вогнетривкість. Так, для плавлення хімічно активних металів застосовують матеріали на основі двоокису цирконію з титаном або цирконієм, а для, розливальних жолобів ливарних машин — на основі окису алюмінію з хромом. У електроніці кермети застосовують для виготовлення термоелектронних катодів, а в ядерній техніці — захисної арматури, регулювальних та аварійних стержнів, елементів виділення тепла. Область застосування мінералокерамічних матеріалів постійно розширюється, а технологія виробництва удосконалюється.