Твердые сплавы: марки, свойства, применение, компоненты

Твердые металлы и сплавы представляют собой износостойкие материалы, способные сохранять свои характеристики при повышенных температурах (900-1100 градусов). Они известны человеку более ста лет.

Общая характеристика

Твердые сплавы изготавливаются преимущественно на основе хрома, тантала, титана, вольфрама с добавлением различного количества никеля или кобальта.

При производстве используются прочные карбиды, не подверженные разложению и растворению при высокой температуре. Твердый сплав может быть литым или спеченным. Карбиды отличаются хрупкостью.

В этой связи для формирования твердого материала их зерна связывают подходящими металлами. В качестве последних выступают железо, кобальт, никель.

Литые соединения

Твердосплавный инструмент, полученный указанным способом, отличается высокой сопротивляемостью к истиранию материалом заготовки и сходящей стружки. Они не теряют своих характеристик при температуре нагрева от 750 до 1100 градусов.

Установлено, что изделиями, произведенными путем плавки или литья с добавлением килограмма вольфрама, можно обработать в пять раз больше материала, чем предметами из быстрорежущей стали при таком же содержании W. Одним из недостатков таких соединений выступает их хрупкость. При уменьшении в составе доли кобальта она повышается.

Скорость, которой обладают твердосплавные резцы, в 3-4 раза превышает показатели для стали.

Спеченные материалы

Они включают в себя металлоподобное соединение, связанное сплавом или металлом. В качестве основы, как правило, используется карбид (сложный в том числе) титана или вольфрама, а также тантала, карбонид титана. Реже при изготовлении применяют бориды.

Матрицей для удержания зерен материала выступает связка — сплав или металл. Как правило, ею является кобальт. Это нейтральный по отношению к углероду элемент. Кобальт не образует собственные карбиды и не разрушает другие.

Реже в связке используется никель и его соединение с молибденом.

Сравнительная характеристика

Спеченные материалы получают порошковым методом.

Обработка твердых сплавов этого типа осуществляется только шлифованием либо физико-химическими способами (лазером, травлением в кислотах, ультразвуком и прочими).

Литые изделия подвергаются закалке, отжигу, старению и так далее. Они предназначены для наплавки на инструмент. Порошковые материалы прикрепляют посредством пайки или механическим способом.

Классификация

Она зависит от содержания карбидов кобальта, тантала, вольфрама и титана. В этой связи рассматриваемые материалы разделяются на три группы. При обозначении марок соединений используют буквы:

1. Карбид вольфрама — «В».
2. Кобальт — «К».
3. Карбид титана — первая «Т».
4. Карбид тантала — вторая «Т».

Цифры, указанные после букв, обозначают приблизительное процентное содержание компонентов. Остальное в соединении (до 100 %) — карбид вольфрама. Указанные в конце буквы обозначают зернистость структуры: «В» — крупная, «М» — мелкая, «ОМ» — особо мелкая. Промышленность выпускает твердые сплавы марок ВК (вольфрамовые), ТТК (титанотанталовольфрамовые) и ТК (титановольфрамовые).

Отличительные признаки

Основные свойства твердых сплавов заключаются в их высокой прочности, износостойкости. При этом рассматриваемые материалы отличаются меньшей вязкостью и теплопроводностью в сравнении со сталью. Это необходимо учитывать при эксплуатации изделий. Выбирая твердый сплав, необходимо придерживаться ряда рекомендаций:

1. Вольфрамовые изделия в сравнении с титановольфрамовыми отличаются меньшей температурой свариваемости со сталью. В этой связи их используют для работы с чугуном, цветными металлами и неметаллическими материалами.
2. Для стали целесообразно использовать соединения группы ТК.
3. Твердый сплав марки ТТК обладает повышенной вязкостью и точностью. Его применяют для работы со стальными поковками, отливками в неблагоприятных условиях.
4. Чистовое и тонкое точение с небольшим сечением стружки обеспечивают борфрезы твердосплавные с мелкозернистой структурой и меньшим содержанием кобальта.
5. При неблагоприятных условиях и черновой работе с материалами с ударной нагрузкой целесообразно использовать соединения с высоким содержанием кобальта. При этом они должны обладать крупнозернистой структурой.
6. Чистовая и черновая обработка в процессе непрерывного резания осуществляются преимущественно соединениями со средним процентным содержанием кобальта.

Порошкообразные материалы

Они представлены двумя группами: содержащие и не содержащие вольфрам. В первом случае твердый сплав представлен в виде смеси технического порошкообразного W и ферровольфрама с науглероживающими компонентами. Изготавливался он еще в СССР. Называется этот твердый сплав «вокар». Процесс изготовления материала следующий:

1. Высокопроцентный ферровольфрам и технический порошкообразный W смешиваются с молотым коксом, сажей и прочими аналогичными компонентами.
2. Полученная масса замешивается на сахарной патоке или смоле в густую пасту.
3. Из смеси прессуются брикеты, которые слегка обжигаются. Это необходимо для удаления летучих соединений.
4. Брикеты после обжига размалываются и просеиваются.

Готовый материал, таким образом, имеет вид хрупких черных крупинок. Их величина — 1-3 мм. Отличительной особенностью таких материалов выступает их большой насыпной вес.

Сталинит

Этот твердый сплав не содержит вольфрама, что обуславливает его низкую стоимость. Он также был изобретен в советские годы и достаточно широко используется в промышленности.

Как показала практика, несмотря на то что этот твердый сплав не содержит вольфрама, он обладает высокими механическими характеристиками, в большинстве случаев удовлетворяющими технические требования. Сталинит обладает значительными преимуществами перед вольфрамовыми материалами.

В качестве основы сталинита используется смесь дешевых порошкообразных ферросплавов, ферромарганца и феррохрома. Изготовление этого материала аналогично процессу производства вольфрамовых соединений. В сталините присутствует 16-20% хрома, 13-17% марганца.

Применение

В современной промышленности твердые сплавы получили широкое распространение. При этом материалы постоянно совершенствуются. Развитие этого производственного сектора осуществляется в двух направлениях. В первую очередь улучшаются составы сплавов, совершенствуется технология их изготовления.

Кроме этого, внедряются инновационные способы нанесения соединений на изделия. Твердосплавный инструмент способствует существенному повышению производительности труда. Это обеспечивается высокой сопротивляемостью износа и теплостойкостью изделий.

Подобные характеристики позволяют осуществлять работу на скоростях, в 3-5 раз превышающих показатели для стали. Такими достоинствами, например, обладают современные борфрезы.

Твердосплавные материалы, изготавливаемые с применением передовых технологий (электрохимических и электрофизических способов), в том числе с использованием алмазных заготовок, являются сегодня одними из самых востребованных в промышленности.

Разработки

Сегодня в отечественной промышленности проводятся различные исследования, включающие глубокий анализ возможности повышения характеристик твердых сплавов. Главным образом они касаются гранулометрического и химического состава материалов.

В качестве довольно удачного примера за последние несколько лет можно привести соединения группы ТСН. Такие сплавы специально разработаны для узлов трения, работающих в агрессивной кислотной среде. Эта группа продолжает разработки новых соединений в группе ВН, предложенных Всероссийским НИИТС.

При проведении исследований было установлено, что при уменьшении размера зерна карбидной фазы значительно повышаются такие характеристики, как прочность и твердость сплавов.

Сплавы марки ТСН сегодня широко используются в производстве узлов нефтегазовых и химических насосов.

Российская промышленность

Одним из передовых предприятий, занятых в сфере производства и научных разработок, выступает Кировоградский завод твердых сплавов. КЗТС обладает обширным собственным опытом по внедрению инновационных технологий в производство. Это позволяет ему занимать первые позиции на промышленном рынке России.

Предприятие специализируется на выпуске спеченных твердосплавных инструментов и изделий, металлических порошков. Выпуск налажен с января 1942 года. В конце 90-х годов на предприятии была проведена модернизация.

В течение последних нескольких лет Кировоградский завод твердых сплавов направляет свою деятельность на выпуск усовершенствованных многогранных сменных пластин с износостойкими многослойными покрытиями. Предприятие занимается также разработкой новых безвольфрамовых составов.

Заключение

Положительный опыт многих промышленных предприятий позволяет предположить, что в ближайшее время безвольфрамовые сплавы не только станут еще более популярными, но и смогут заменить другие материалы, используемые для производства штамповой и режущей продукции, элементов машин, осуществляющих работу в тяжелых условиях, приспособлений и оснастки. Сегодня уже создана целая группа соединений на основе карбонитрида и карбида титана. Они применяются во многих производственных сферах. Широко распространены, в частности, твердые сплавы ТВ4, ЛЦК20, КТН16, ТН50, ТН20. К новым разработкам относят материалы групп тантала TaC, ниобия NbC, гафния HfC, титана TiC. Выпуск инструментов с применением этих сплавов позволяет заменить вольфрам относительно дешевыми добавками, расширив, таким образом, номенклатуру используемого сырья. Это, в свою очередь, обеспечивает выпуск изделий, обладающих специфическими свойствами, более высокими эксплуатационными характеристиками.

Источник: https://www.syl.ru/article/205207/new_tverdyiy-splav-marki-harakteristiki-primenenie-tverdosplavnyiy-instrument

Характеристики и свойства твердых сплавов

С развитием технологий и увеличивающимися запросами относительно надёжности и долговечности металлов производители пытались создать твердый сплав, который бы удовлетворил потребности покупателей.

В конечном итоге им удалось создать тугоплавкий металл, который соответствовал требованиям развивающейся промышленности.

Металлурги не остановились на одном успешном соединении и продолжили развивать производство.

Вольфрамосодержащий сплав

Основные сведения

Твердые сплавы распространены в различных областях промышленности. Из них изготавливают детали для станков, машин, кораблей, самолётов, крепёжные элементы, строительные пластины и другие изделия. Часто их используют при производстве инструмента. Людям, занимающимся металлургией и кузнечным делом, желательно знать основную информацию о том, что такое твердый сплав.

История открытия

История открытия твердых сплавов начинается с начала 20 века. До этого периода инструменты для обработки металла изготавливали из инструментальной стали, которая была насыщена углеродом. Однако процесс обработки был малопроизводительным и неэкономичным.

К началу 20 века, совместными усилиями металлургов была разработана высоколегированная инструментальная сталь. Она начала использоваться при обработке труднообрабатываемых видов металлов на высоких скоростях. Спустя непродолжительный промежуток времени она получила название «быстрорежущая сталь». Инструменты из неё впервые были продемонстрированы общественности в 1910 году.

Развитие инструментальной технологии на этом не остановилось. На территории СССР, США и Германии начиная с 1925 года смеси твердых металлов начали выпускаться как товарная продукция. Изготавливались такие товары из карбида вольфрама и металлического кобальта.

На территории стран СНГ этот сплав получил название — «победит». Однако новым материалом можно было эффективно обрабатывать чугунные заготовки, но не сталь. В связи с этим продолжилась разработка новых соединений и с 1935 годов появилась вольфрамотитановая смесь.

Она подходила для обработки стали, но крошилась при работе с чугуном.

В последующие годы начали использовать синтетические алмазы в качестве покрытия рабочих частей инструментов. Ещё одной разработкой стал эльбор — соединение азота и бора.

Как получают твердые сплавы

Соединения металлов представляют собой смесь порошков, которые прессуются и запекаются. В её состав входят карбиды и кобальт. Смешивают порошки в формах для запекания, прессуют под давлением от 200 кгс/см2. После обработки давлением формы разогреваются до температуры в 1500 градусов. Готовые соединения используют при получении труднообрабатываемых материалов.

Свойства твердых сплавов

Чтобы понять, какой металл или смесь самый прочный в мире, необходимо знать их свойства. Основные характеристики помогут разбираться в тех или иных видах материалов и грамотно использовать их при производстве. Свойства твердых сплавов:

1. Высокая механическая и термоударная прочность.
2. Износоустойчивость.
3. Красностойкость. Этот показатель проявляется при температурах от 900 и до 1000 градусов.

Такие свойства твердых сплавов, как ударопрочность, пластичность, прочность при сжатии или изгибе и твердость напрямую зависят от количества кобальта, содержащегося в соединениях. Также важен размер зерна карбида вольфрама.

Характеристики твердых сплавов

Чтобы определить самый твердый сплав, необходимо разбираться в характеристиках. К ним относится химический состав соединения металлов, его механические и физические свойства, процесс получения готовых сплавов.

Механические и физические характеристики:

1. Жаропрочность.
2. Плотность (14,9г/см3–15,2г/см3).
3. Твердость (89,5HRA-91 HRA).
4. Теплопроводность — 51 Вт.
5. Допустимая прочность — 2150 Мпа.

Также к этим характеристикам можно отнести устойчивость соединений к воздействию коррозийных процессов. Самый твердый сплав обладает завышенным физико-механическими характеристиками.

Марки

По государственным ГОСТам устанавливается специальная маркировка, которой отмечаются все соединения твердых металлов. Она представляет собой заглавные буквы и цифры:

1. ВК6М — вольфрамокобальтовая смесь. Цифра 6 указывает на количество кобальта в составе. Буква «В» указывает на вольфрам, соответственно буква «К» — кобальт. Буква «М» обозначает то, в какой сфере применяется этот сплав. Из него изготавливают инструменты для обработки металлов.
2. ВК2 — в этом случае в смеси содержится 2% кобальта и 98% вольфрама.
3. ВК8 — в этой смеси кобальта содержится до 8%.
4. Т14К8 — в таких соединениях содержится третий элемент — титан. Его в составе содержится 14%. Кобальта 8%. Всё остальное это вольфрам.
5. Т5К10 — аналогична предыдущей смеси, в которой 5% титана, 10% кобальта и 85% вольфрама.
6. ТТ7К12 — к указанным выше элементам добавляется тантал. Его процентное содержание такое же, как и у титана.

Марки сплава указываются на готовых деталях и заготовках.

Области применения

Существует множество сфер применения твердых сплавов. К ним относятся:

1. Производство инструмента для обработки металла.
2. Изготовление деталей для промышленного оборудования.
3. Оснастка для работы с металлическими заготовками.

Часто твердые сплавы используются в качестве напыления на более мягкие. Сферы применения доходят вплоть до постройки крупного транспорта.

Классификация

Существует специальная международная классификация, именуемая «ИСО». Она разделяет отечественные и зарубежные твердые сплавы по области применения. Маркируется буквами из латинского алфавита:

1. К — используется для чугуна.
2. N — обработка цветных металлов и сплавов аналогичным им.
3. H — применяется при работе с закаленной сталью.
4. M — для нержавеющей стали.
5. P — для отливок со сливной стружкой.
6. S — для работы с жаропрочными сплавами.

Помимо этой классификации, есть разделение по химическим элементам, содержащимся в составе, и количеству основных металлов.

Вольфрамосодержащие

Эти соединения используются при изготовлении режущего инструмента. Они могут маркироваться как ВК или ВКМ. Цифры будут обозначать процентное содержание тех или иных элементов.

Титановольфрамосодержащие

Из этих соединений изготавливают оснастку для обработки стали на высоких скоростях. Марка этих сплавов — ТК. Цифры указывают на содержание кобальта и титана.

Титановольфрамосодержащий сплав

Как выбрать нужную марку твердого сплава

При выборе марки сплава нужно обращать внимание на их разделение. Это могут быть титановольфрамовые и вольфрамовые смеси. Первыми обрабатывают стали, вторыми — чугун.

Также нужно учитывать физические и механические характеристики. Важную роль играет мощность оборудования, с помощью которого будет проводиться обработка.

Достоинства и недостатки

У твердых соединений металлов существуют как преимущества, так и недостатки. К сильным сторонам относятся:

1. Высокая механическая и термоударная прочность.
2. Однородность структуры.
3. Заточка на инструменте сохраняется гораздо дольше.
4. Устойчивость к высоким температурам.

К недостаткам можно отнести высокую цену на инструменты и оснастку из твердых соединений.

Продукция из твердых сплавов

В строительных магазинах и на рынках можно найти различные товары из смесей твердых металлов. Это могут быть различные инструменты, детали для машин, станков, электроинструмента, строительные пластины и другие изделия.

4-4 Твердые сплавы и материалы Твердые соединения металлов популярны в строительстве, металлургии, машиностроении и других отраслях. С их помощью можно обрабатывать твердые материалы, что было крайне проблематично до их появления. Однако за оснастку такого типа придется хорошо заплатить.

Источник: https://metalloy.ru/splavy/tverdye

Твердые порошковые сплавы с точки зрения металловедения

Сплав с круглой формой карбидов — экспериментальный

Читайте обзор структуры, свойств и условий работы основных групп твердых порошковых сплавов, а также озакономерностях изменения механических и эксплуатационных свойств твердых порошковых сплавов с точки зрения металловедения.

Обзор структуры, свойств и условий работы основных групп твердых порошковых сплавов

Механообрабатывающее производство использует твердосплавных инструментов около 35%. Но с помощью таких инструментов снимается около 70% стружки, т. к. эффективность твердосплавной обработки в 3-5 раз больше в сравнении с обработкой быстрорежущими сталями (БРС).

При стандартной, цеховой температуре твердые сплавы обладают характерной для них высокой твердостью. Если технологическая температура обработки повышается, твердость начинает снижаться, но и в подобной ситуации она все же больше, чем у быстрорежущих сталей.

Для твердосплавного инструмента характерен повышенный предел прочности в момент сжатия (около 6 ГПа) и модуль упругости (от 500 до 700 ГПа). Наравне с этим они обладают относительно небольшой прочностью при изгибающих нагрузках, по сравнению с быстрорезами.

Благодаря сочетанию механических и физико-химических свойств, инструменту из твердых сплавов характерны высокие показатели пределов прочности и упругости, увеличенная стойкостью ко всем видам изнашивания, что позволяет значительно увеличить эффективность переработки стальных и чугунных сплавов, тяжелообрабатываемых материалов и цветных металлов. Рассмотрим основные группы твердых сплавов и их свойств с точки зрения металловедения.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы

Вольфрамокобальтовый сплав дает максимальный экономический и технологический эффект при переработке чугуна, фарфора, стеклопластика, цветных металлов, тяжелообрабатываемых материалов (это стали с максимальной прочностью или сплавы с высокими жаропрочными свойствами, в основе которых есть титан (Ti) и никель (Ni)), то есть материалов, образующих элементную стружку. ВКЗ — сплав с незначительной концентрацией связующего материала — кобальта (по маркировке 3%Co). Обладает устойчивостью к износу, но имеет невысокую прочность. Применим для чистовой обработки на предельных скоростях резания, для снимаемого слоя металла рекомендуется минимальная толщина, чтобы не создавать высоких нагрузок на кромку. ВК8 — сплав используется для черновой обработки на уменьшенных скоростях и нагрузках при ударе. Из-за большего содержания кобальта (8%Со), сплав обладает меньшей хрупкостью и более высокой пластичностью и вязкостью. Снимаемый слой может быть гораздо больше, чем при использовании сплава ВК3.

При аналогичной концентрации кобальта физические, механические и режущие свойства инструмента находятся в прямой зависимости от дисперсности (размера фракции) карбидной фазы, главным образом от размера фракции карбида вольфрама.

За счет разработанных технологических способов, возможно производство твердосплавных материалов с фракцией карбидных включений размером от доли до десяти-пятнадцати мкм. В качестве примера можно привести сплав ВК10–ХОМ.

Этот материал значительно мелкозернистый вольфрамокобальтовый сплав, который успешно используется при чистовой обработке жаропрочных материалов. Он обладает высокой стойкостью при пластических искажениях и высоком температурном режиме обработки.

Повышение эксплуатационных свойств карбидной и карбонитридной связки является перспективным направлением увеличения эффективности твердых сплавов.

Так для получистовой и черновой обработки используется сплав ВРК15, обладающий кобальторениевой связующей фазой.

Он характеризуется максимальной устойчивостью к износу, высокой прочностью при высоких температурах резания и минимальной адгезией к обрабатываемым материалам. Инструменты из ВРК15 повышают КПД обработки в 1,5 раза относительно сплава ВК10-ХОМ.

Эта проблема разрешилась путем добавления в сплав при спекании карбидов тантала и титана. Последний относится к более перспективным, потому что более дешевый.

Тантал относится к малораспространенным металлам и соответственно является более дорогим.

Титановольфрамовые сплавы

Титановольфрамовые сплавы, если сравнивать с ВК сплавами, имеют более высокую устойчивость к окислительным процессам, имеют большую теплоустойчивость и твердость, но одновременно с этим имеют пониженные модуль упругости (из-за более высокой твердости карбида титана), электро- и теплопроводность.

Стандартные ТК сплавы классифицируются по составу, который определяется условиями их использования. В них содержится от 5 до 30% карбида титана, кобальта от 4 до10%. Это сплавы марок Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др.

В сплавах ТК, подобно WC–Co сплавам, с повышением концентрации кобальта повышается вязкость и предел прочности при сжатии.

У сплавов, имеющих схожую концентрацию кобальта и имеющих одинаковые фракции карбидных включений, при повышении концентрации TiC вязкость, предел прочности на изгиб и сжатие и модуль упругости снижаются.

С учетом этого изменяются и режущие характеристики сплавов:

• Снижается устойчивость к износу сплавов при увеличении концентрации кобальта
• Растет устойчивость к износу и снижается прочность во время эксплуатации при повышении концентрации TiC

Соответственно сплавы Т15К6 и ТЗОК4 с характерным предельным запасом пластической прочности, используются при получистой и чистовой переработке стали на предельной скорости резания и с незначительными на инструмент нагрузками. Сплавы Т5К12 и Т5К10, обладающие высокой концентрацией кобальта и увеличенным запасом прочности, используются для работы на сниженных скоростях резания и с утяжеленными ударными нагрузками.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы

За счет добавления карбида тантала (TaC) сплавы приобретают улучшенные механические, физические, эксплуатационные свойства: увеличивается твердость, прочность во время изгиба при повышенных и стандартных температурных режимах.

За счет присутствия карбида тантала, у сплавов уменьшается ползучесть, сильно повышается предел усталости 3х-фазных сплавов во время цикличных нагрузок, повышается термоустойчивость и стойкость к окислительным реакциям на воздухе.

ГОСТ 3882-74 предусматривает следующие сплавы этой группы: ТТ10К8Б, ТТ7К12, Т8К7, ТТ8К6, ТТ20К9, концентрация карбида тантала (TaC) составляет 2-12%.

Сплавы ТТК рекомендовано использовать при резании тяжелообрабатываемых материалов, при серьезных термомеханических нагрузках на инструмент и резании в прерывистом режиме, например при фрезеровании, для которого характерны изменяющееся сечения среза и нагрузки циклического и термического характера.

Танталсодержащими сплавами считаются «МС-сплавы», производство которых осваивалось по лицензии, приобретенной у компании «Sandvik Coromant».

Режущие характеристики сплавов МС имеют максимальную надежность, если сравнивать их с типичными сплавами, благодаря более стабильным механическим и физическим свойствам. Цена на МС сплавы выше на 40-60 процентов, но этот факт компенсируется повышенной стабильностью режущих качеств и надежностью при эксплуатации инструментов.

Безвольфрамовые твердые сплавы

Основные компоненты сплавов (Со и W) являются редкими, поэтому мировые производители ведут разработки по производству альтернативных умеренно-легированных сплавов, в которых не содержится или содержится в незначительных количествах вольфрам. Такие сплавы называются безвольфрамовые.

Изготовление сплавов, в основе которых никель-молибденовая связка (КНТ16 и ТН20) и карбидонитриды и карбиды титана, является многообещающим направлением.

В ТН20 сплаве содержится никеля 15% и молибдена 6%, остальное карбид титана, а в сплаве КНТ16 содержится никеля 19,5% и молибдена 6,5%, остальное приходится на карбонитрид титана.

Для сплавов характерны высокая прочность, окалиностойкость, минимальный коэффициент трения при обработке стали, уменьшенная адгезия  низкий износ рабочей части инструмента. После обработки, сталям характерны низкая шероховатость и повышенная точность размеров.

Сплав с пластинчатой формой карбидов — твердый танталотитановольфрамовый сплав

Характерные свойства безвольфрамовых сплавов определяют область их использования. Они применяются для получистовой и чистовой обработки на максимальных скоростях резания и небольших сечениях среза. На таких режимах обработки эти сплавы можно использовать взамен титанвольфрамовому инструменту.

Чаще безвольфрамовые сплавы используются в качестве многогранных резервных пластин, потому что в процессе переточки и напайки, за счет минимальной теплопроводности возникают внутренние напряжения, в результате чего на пластинах образуются трещины, снижается стойкость при эксплуатации.

Но и эта проблема может быть решена при правильно подобранных технологических режимах ремонта, поэтому развитие этих сплавов имеет огромный потенциал.

Закономерности изменения механических и эксплуатационных свойств твердых порошковых сплавов с точки зрения металловедения

Порошковые твердые сплавы – это спеченная смесь оптимально подобранных химических элементов.

В ее состав входят прочные тугоплавкие компоненты, имеющие низкую эксплуатационную термостойкость (карбиды и карбонитриды вольфрама, титана, тантала), сочетающиеся с пластичным цементирующим (связующим) компонентом: кобальт (Co), никель (Ni, реже молибден (Мо).

Уникальные свойства по износостойкости, прочности, пластичности, адгезии и размерной стабильности инструмента обеспечиваются несколькими характеристиками сплавов:

1. Связующий или цементирующий компонент. Значимость этой характеристики невысока, но от нее в первую очередь зависят пластические и динамические свойства инструмента (KCU – ударная вязкость, E — модуль упругости, предел прочности). Чем больше в химическом составе связующего компонента, тем выше его пластичность и ниже твердость, а соответственно и износостойкость.

1. Количественный состав карбидов и карбонитридов (упрочняющая фаза твердых сплавов) — одна из главных характеристик инструмента, обеспечивающих его режущие свойства. Чем больше в составе карбидной или карбонитридной фазы, тем выше твердость и износостойкость. При повышении твердости инструмента снижаются характеристики пластичности и повышается хрупкость, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах инструмента в целом, особенно на способности эффективно работать в условиях термомеханических и знакопеременных нагрузок.

1. Геометрия и размер упрочняющей фазы. Карбиды и карбонитриды могут иметь округлую форму и форму многогранников. От геометрии упрочняющей фазы зависит твердость, прочность и хрупкость инструмента. Округлая форма включений обеспечивает высокие прочностные, антифрикционные свойства инструмента и низкую шероховатость обрабатываемого материала, но при этом инструмент имеет относительно невысокую износостойкость. Пластины карбидной фазы с острыми кромками в микроструктуре сплава — это концентраторы напряжений, которые являются потенциальными местами зарождения и развития трещины. Причем вероятность трещинообразования сильно возрастает при высоких циклических и температурных нагрузках на инструмент. Инструмент с пластинчатой формой упрочняющей фазы имеет более высокую твердость и износостойкость, но меньшую упругость и пластичность. Размер карбидных включений также, как и форма, влияет на весь комплекс механических свойств инструмента. Крупный размер карбидной фазы снижает износостойкость, твердость и повышает комплекс пластических характеристик сплава. На фото показаны микроструктуры сплава с округлой (близкой к округлой) формой карбидов и пластинчатой формой карбидов.

Все вышеперечисленные закономерности характерны для всех металлических сплавов с карбидным, карбонитридным и интерметаллидным упрочнением, в т.ч. и для быстрорежущих сталей.

1. Качественный состав упрочняющей фазы, т. е. химический состав ее компонентов. По этому признаку твердые сплавы делятся на следующие основные группы:

• ТК (титановольфрамовые на кобальтовой основе) WC–TiC–Co
• ВК (вольфрамовые на кобальтовой основе) WC–Со
• БВТС (безвольфрамовые) на основе TiС, TiCN с разными связками
• ТТК (титанотанталовольфрамовые на кобальтовой основе) WC–TiC–TaC–Co

Последняя группа сплавов имеет в своей структуре т.н. карбиды смешанного типа. Дело в том, что при спекании, карбид титана и тантала полностью взаимно растворяются друг в друге и частично растворяются в карбиде вольфрама.

При этом образуется несколько упрочняющих фаз сплава.

Экспериментально установлено, что по сравнению с однофазным упрочнением, сплавы с карбидами смешанного типа имеют болле высокие режущие свойства при всех режимах обработки и типах нагружения инструмента.

Вообще, по увеличению степени полезного влияния на режущие характеристики инструмента, в первую очередь на совместное увеличение износостойкости, твердости и динамических характеристик (KCU), карбиды можно расположить следующим образом:

карбид вольфрама (WC) – карбид титана (TiC) – карбид тантала (TaC)

Химический состав сплава является определяющим фактором при выборе инструмента для определенных условий обработки и обрабатываемого материала.

На сегодняшний день, главной задачей всех инструментальных производителей является разработка сплавов с одновременно высокими показателями твердости, упругости, прочности, пластичности, ударной вязкости, высокими адгезионными и антифрикционными свойствами.

При этом немаловажным дополнительным качеством инструмента, должна являться его низкая стоимость.

Это требование заставляет производителей разрабатывать инструментальные материалы из широко распространенных и дешевых металлов, при использовании современных технологий формо- и структурообразования.

Петров Алексей, автор проекта
«Металловедение и термическая обработка металлов.
Техника и технологии»

Источник: http://TverdySplav.ru/tverdye-poroshkovye-splavy-s-tochki-zreniya-metallovedeniya/

Твердые сплавы

Калькулятор металлопроката

Твердые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью, что определяет их применение в качестве материала для изготовления режущего и бурового инструмента, а также изделий с повышенными требованиями к износостойкости. На странице представлено описание данных сплавов: физические и механические свойства, области применения, марки твердых сплавов, виды продукции.

Твердые сплавы — гетерогенные материалы, в которых частицы высокотвердых тугоплавких соединений (чаще всего карбиды, реже нитриды или бориды переходных металлов; наиболее широко используют карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их сочетаний) сцементированы пластичным металлом-связкой (кобальтом, никелем, железом и их сплавами). Твердые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью и сохраняют эти свойства при температуре 900 — 1500 °С. По способу изготовления выделяют два типа твердых сплавов: Спеченные сплавы получают методами порошковой металлургии. Данный способ дает очень высокую точность изготовления получаемой продукции и обеспечивает высокие значения различных свойств. Изделия, произведенные методами порошковой металлургии, требуют минимальной механической обработки, поэтому они обрабатываются шлифованием или физико-химическими методами (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.). Спеченные твердые сплавы иногда называют металлокерамическими, так как технология их производства сходна с технологией производства керамики. Сплавы данного типа наносят на инструмент с помощью пайки или механическим закреплением. Наиболее распространенными представителями указанной группы являются сплавы ВК (например, ВК6, ВК8), ТК и ТТК — твердые сплавы на основе карбида вольфрама.

Литые твердые сплавы получают методом литья. К данной группе относят стеллиты (хром, вольфрам, никель, углерод; основа — кобальт), сормайты (хром, никель, углерод; основа — железо), стеллитоподобные сплавы (основа — никель). Для наплавки их выпускают в виде литых стержней или прутков различного химического состава.

В соответствии с областью применения выделяют следующие группы твердых сплавов:

инструментальные сплавы, применяемые при обработке материалов резанием, давлением или штамповкой, при бурении горных пород и так далее;

конструкционные сплавы, служащие для изготовления износостойких деталей машин, механизмов и приборов, в том числе и с особыми свойствами — высокой плотностью, большим временным сопротивлением и значительным модулем упругости;

жаропрочные и жаростойкие сплавы.

Также можно выделить две большие группы твердых сплавов:

вольфрамосодержащие;

безвольфрамовые.

Основой всех вольфрамсодержащих сплавов является карбид вольфрама. Также в составе обязательно присутствует металл-связка, в качестве которого выступает кобальт, никель или смесь никеля с молибденом. Помимо карбида вольфрама такие сплавы могут содержать карбиды титана и тантала.

В безвольфрамовых твердых сплавах карбид вольфрама заменяется либо на какой-либо другой твердый материал, например, нитрид, борид, силицид, либо на карбид иного тугоплавкого металла, например, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена.

Основным практически полезными свойствами сплавов данной категории являются высокая твердость, износостойкость и прочность. В некоторых случаях важную роль играет жаропрочность и жаростойкость, а также тугоплавкость. Свойства сплавов изменяются в зависимости от группы, к которой относится тот или иной твердый сплав. Для сплавов ВК большую роль играет размер зерна карбида вольфрама. С уменьшением размера зерна возрастает твердость, но уменьшается прочность при изгибе и вязкость сплава (при одинаковом процентном соотношении карбида вольфрама и кобальта) и наоборот соответственно. Сплавы группы ТК, легированные карбидом титана, обладают лучшей стойкостью против окисления, более высокой твердостью и жаропрочностью по сравнению с группой ВК. Однако, имеют более низкую вязкость, прочность при изгибе, а также тепло- и электропроводность. Одновременное добавление карбидов тантала и титана (группа ТТК) увеличивает прочность сплавов при изгибе по сравнению с группой ТК. Технологические свойства сплава, а именно, его высокая пластичность позволяют без проблем обрабатывать монель давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Также обладает хорошей свариваемостью. А вот механическую обработку необходимо осуществлять с низкой скоростью резания и подачей вследствие быстрого нагартовывания материала.

Марка Плотность, г/см3 σИ, МПа, не менее HRA, не менее

ВК6	14,6-15,0	1500	88,5
ВК8	14,4-14,8	1600	87,5
ВК10	14,2-14,6	1650	87,0
Т30К4	9,5-9,8	950	92,0
Т15К6	11,1-11,6	1150	90,0
Т5К12	13,1-13,5	1650	87,0
ТТ7К12	13,0-13,3	1650	87,0
ТТ8К6	12,8-13,3	1250	90,5
ТТ20К9	12,0-13,0	1300	89,0
ТН20	5,5-6,0	1100	90
КНТ16	5,6-6,2	1350	89,0

Среди вольфрамсодержащих твердых сплавов наиболее распространенными марками являются ВК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки, ТК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки и добавлением карбида титана, ТТК — то же, что и ТК плюс карбид тантала. В общем случае марки вольфрамсодержащих твердых сплавов формируются следующим образом: буква В — карбид вольфрама (WC), Т — карбид титана (TiC), ТТ — карбиды титана и тантала (TaC), КНТ — карбонитрид титана, К — кобальт (Co), Н — никель (Ni); цифры после букв — содержание этих веществ в процентах, а для букв ТТ — сумму содержания карбидов титана и тантала; содержание карбида вольфрама не указывается, оно определяется по разности. В безвольфрамовых сплавах в качестве связующего металла используют никель в смеси с 20- 25% молибдена. Химический состав некоторых марок приведен в таблице.

Марка Состав, % WC TiC TaC Co

ВК6	94	—	—	6
ВК8	92	—	—	8
ВК10	90	—	—	10
Т30К4	66	30	—	4
Т15К6	79	15	—	6
Т5К12	83	5	—	12
ТТ7К12	81	4	3	12
ТТ8К6	84	8	2	6
ТТ20К9	71	8	12	9
ТН20	—	80	—	(Ni+Mo) — 20
КНТ16	—	84 — Ti(C,N)	—	(Ni+Mo) — 20

Достоинства:
• обладают высокой твердостью и износостойкостью;
• имеет достаточно высокие прочностные характеристики;
• имеют хорошие показатели жаропрочности и жаростойкости;
• являются тугоплавкими материалами.

Недостатки:
• карбид вольфрама, являющийся основой большинства твердых сплавов, имеет высокую стоимость;
• по сравнению с быстрорежущими сталями имеют меньшую вязкость и достаточно чувствительны к ударным нагрузкам.

Спеченные твердые сплавы широко применяются для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и так далее. В качестве примера самых распространенных изделий из твердых сплавов можно привести резцы и буровые головки. Инструмент, полностью изготовленный из твердого сплава, очень дорог, поэтому из него изготовляют лишь режущую или изнашиваемую часть. Державки же инструмента изготовляют из обычной конструкционной или инструментальной стали.

Литые твердые сплавы применяются значительно реже по сравнению со спеченными. Они получили распространение при производстве фильер и некоторых буровых инструментов.

Промышленность выпускает сырье для производства твердых сплавов в виде порошкообразных смесей. Широкое распространение получили смеси твердосплавные ВК6 и ВК8. В дальнейшем смеси формуются и спекаются, в результате чего получаются штабики или готовые изделия требуемой формы. Штабики служат исходным сырьем для производства полуфабрикатов, например, листов, пластин, прутков и других изделий.

Источник: https://www.metotech.ru/tvsplavy-opisanie.htm

Твердые сплавы, их характеристики, типы, свойства

4 Октября 2017 14:23

// Металлообработка

К твердым сплавам относят отдельную группу чрезвычайно износостойких металлических соединений, которые сохраняют свои физические и рабочие характеристики при интенсивном механическом и термическом воздействии. Твердые стали производятся из твердых тугоплавких титановых, вольфрамовых, хромистых, танталовых соединений. Связующим звеном является кобальт, железоникелевые составляющие.

К основным характеристикам, определяющим свойства сталей и их назначение, относятся:

• процентное значение входящих в состав химических элементов (определяется в соответствии с ГОСТ);
• физико-механические свойства (допустимая прочность на изгиб, твердость, плотность, теплопроводные параметры, коррозийная устойчивость, жаропрочность);
• технология изготовления (литые или спеченные составы).

Карбиды, используемые в производстве, не подвергаются растворению и разрушению при чрезмерных температурах. Но они хрупки, поэтому, для формирования необходимого уровня твердости изделия, их связывают другими металлами.

Классификация

1. По составу
• Вольфрамокобальтовые (ВК) – марки ВК3М, ВК3, ВК8, ВК6М и др. Внутри группы марки отличаются разным процентом кобальта, типом производства, величиной зерна карбида вольфрама (мелкозернистая и крупнозернистая структура). Для режущих инструментов подходят марки с процентным содержанием кобальта до 12%. При повышении процента кобальта устойчивость состава при резании понижается, но увеличивается его эксплуатационная прочность. Инструменты, изготовленные из сталей данной группы, используются для работы с чугунными, конструкционными сталями, хрупкими материалами при ударной обработке, прерывистом технологическом цикле, в процессе которого температура в зоне резки не поднимается до значительных уровней.
• Титановольфрамокобальтовые (ТК) – марки Т14К8, Т5К10 и др. В химический состав этого типа твердых сплавов входят следующие компоненты: карбид титана, вольфрама и кобальт в виде связующего звена. Если сравнивать данные сплавы с марками ВК, можно отметить у них высокие показатели твердости и жаропрочности, устойчивости к окислению, но они менее упруги, электро- и теплопроводность материалов ниже. Предназначаются для работы с металлами, которые эксплуатируются при более интенсивных скоростях резки.
• Титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) – ТТ8К6, ТТ7К12, ТТ10К8Б и др. Добавление в структуру тантала значительно улучшает эксплуатационные возможности получаемых сплавов, повышая их устойчивость к высоким температурным воздействиям и увеличивая прочность. Они используются для резки тяжело обрабатываемых материалов, когда инструмент в процессе работы подвергается серьезной нагрузке.
• Безвольфрамовые (БВТС) – КНТ16, ТН20 и др. Изготавливаются без использования вольфрама и кобальта, на базе титановых соединений, с добавлением никеля и молибдена в качестве связующих элементов. По твердости данные составы аналогичны маркам вольфрамовой группы, они почти не окисляются, а по упругости и прочности им уступают. Подходят для оборудования, которое работает при прерывистом резании.
2. По технологии получения
• Литые стали – изготавливаются по классической технологии литья, с последующей механической и термической обработкой.
• Спекаемые составы (однокарбидные, двухкарбидные, трехкарбидные) – производятся методами порошковой металлургии, с дальнейшей шлифовкой, лазерной, ультразвуковой, химической обработкой.
3. По области применения
• Инструментальные – используются для резания, штамповки, давления, бурения обрабатываемых материалов.
• Конструкционные – применяются для производства деталей, к которым предъявляются высокие требования износоустойчивости, сопротивления большим нагрузкам.
• Жаростойкие и жаропрочные – подходят для инструментария, подвергающегося в процессе эксплуатации температурным воздействиям.
4. По группе резки материалов
• Группа P – для материалов, образующих сливную стружку.
• Группа K – для резки чугуна, цветных металлов, твердых материалов, образующих элементную и стружку надлома.
• Группа M – для обработки нержавейки, жаропрочных и титановых материалов, образующих сливную и стружку надлома.

Свойства твердых сплавов

Важнейшие свойства твердых сталей – это прочность, износоустойчивость, твердость. Кроме того, практическую роль играют тугоплавкость, жаростойкие и жаропрочные параметры.

Свойства различаются в зависимости от группы, в которую входит сплав, и его марки. Добавление в структуру элементов с нужными свойствами позволяет создавать материал с заданными рабочими параметрами.

Достоинства и недостатки твердых сплавов

Преимущества:

• Высокая прочностные, износостойкие характеристики и твердость;
• Отличные параметры жаростойкости и жаропрочности;
• Тугоплавкость.

Недостатки:

• Высокая стоимость вольфрамсодержащих марок;
• Более низкая вязкость и высокая восприимчивость к ударным воздействиям, относительно быстрорежущих видов сталей.

Области применения твердых сплавов

Твердые сплавы металлов активно используются в производстве оснащения оборудования и инструмента для отделки труднообрабатываемых материалов, деталей станков и машин, подвергающихся интенсивным нагрузкам.

Основные сферы использования:

• производство инструментария для металлообработки резкой: фрез, протяжек, сверл, резцов;
• оснащение горнодобывающей и лесозаготовительной техники: буры, рабочие поверхности оборудования, приспособления для вырубки;
• производство прочных подшипников: обойм, шариков, роликов, напыление на корпуса;
• инструмент и детали станков для волочения, штамповки, калибровки, проката, прессования, клеймения: оснащение рабочей поверхности, матриц и штампов и т. д.;
• оснащение измерительного оборудования: деталей инструмента, рабочих поверхностей;
• поверхностное напыление на детали из других материалов для придания им лучшей износостойкости, жаропрочности, твердости, антикоррозийных свойств;
• производство элементов для бытовых и промышленных приборов: резисторов, реостатов, электронагревателей, деталей для лабораторных и промышленных печей.

Продукция из твердых сплавов

Основной тип изделий, предлагаемый производителями и компаниями по металлообработке, – это режущий инструмент. Сверла, фрезы, пластины, стержни – самая популярная продукция в сегменте твердосплавного металлопроката.

Оснащение производства инструментом и оборудованием из высокотвердых сплавов значительно повышает производительность и эффективность технологических процессов, позволяет использовать современные технологии обработки металлов.

Это положительно сказывается на качестве и скорости производимой металлопродукции.

Источник: https://indust.by/info/articles/metalloobrabotka/tverdye-splavy-ikh-svoystva-i-kharakteristiki/