1.5. Твердые сплавы

В настоящее время для скоростного резания металлов применяют инструмент, оснащенный твердыми сплавами. Рабочая температура резания инструмента из твердых сплавов до 800–1000°С.

Твердость металлокерамических твердых сплавов очень высокая, т. к. эти сплавы состоят из 90–95% карбидов (остальное – кобальтовая связка), обладающих исключительно высокой твердостью, поэтому спеченные детали из твердых сплавов нельзя подвергать никакой другой механической обработке, кроме шлифования.

Инструмент не изготавливают целиком из твердого сплава – из него изготавливают лишь режущую часть; пластинку из твердого сплава прикрепляют к державке из обычной конструкционной или инструментальной стали.

Подобным образом сейчас изготавливают резцы и многие другие металлорежущие инструменты высокой производительности (фрезы, сверла и т. д.).

При высокой твердости твердый сплав обладает повышенной хрупкостью и малой прочностью в отношении растягивающих напряжений. При работе с ударами и толчками твердый сплав выкрашивается и в таких условиях не обладает высокой стойкостью.

Как видно из диаграммы, приведенной на рис. 3.4, рабочая температура резания инструмента из твердых сплавов может быть увеличена до 800–1000°С, тогда как для инструмента из быстрорежущей стали разогрев режущей кромки выше 650°С недопустим.

Значит, имея инструмент из твердых сплавов, можно работать на более высоких скоростях резания, чем с инструментом из быстрорежущей стали, хотя при меньшей подаче.

Твердый сплав изготовляется методами порошковой металлургии. Для изготовления твердых сплавов порошки карбидов вольфрама и титана смешивают со связующим веществом (кобальтом), прессуют в формах и тем самым придают изделию соответствующую внешнюю форму, затем подвергают спеканию при высокой температуре (1500–2000°С). В результате получается изделие, состоящее из карбидных частиц, связанных кобальтом. Такая технология не обеспечивает получения совершенно плотного изделия, в нем имеются поры, занимающие объем до 5%.

При высокой твердости твердый сплав обладает повышенной хрупкостью и малой прочностью в отношении растягивающих напряжений. Придавая соответствующую форму инструментам, подбирая режимы резания, этот недостаток твердого сплава хотя и устраняется, но не полностью. При работе с ударами и толчками твердый сплав выкрашивается и в таких условиях не обладает высокой стойкостью.

В табл. 3.14 приведены составы и некоторые свойства стандартных твердых сплавов.

Таблица 3.14

Свойства некоторых твердых сплавов (гарантируемые)

Группа сплава	Марка сплава	Состав, %			Сопротивление изгибу, МПа	Плотность, г/см^3	Твердость HRA
		WC	ТiС	Со
ВК	ВК2	98	–	2	1000	15,0–15,4	90
	ВК3	97	–	3	1000	14,9–15,3	89
	ВК6	94	–	6	1200	14,6–15,0	88
	ВК8	92	–	8	1300	14,4–14,8	87,5
ВТК	Т5К10	85	5	10	1150	12,3–13,2	88,5
	Т14К8	78	14	8	1150	11,2–12,0	89,5
	Т15К6	79	15	6	1100	11,0–11,7	90
ТК	Т30К6	66	30	4	900	9,5–9,8	92
	Т60К6	36	60	6	750	6,5–7,0	90

По структуре и природе карбидных фаз современные твердые сплавы могут быть разделены на три группы.

К первой группе относятся однокарбидные твердые сплавы, состоящие из карбида вольфрама (так называемая группа ВК). Внутри группы сплавы подразделяются на марки (ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК10), различающиеся содержанием кобальта (в сплаве ВК8 – 8% Со, в сплаве ВК6 – 6% и т. д.). Чем больше в сплаве кобальта, тем он менее тверд и размягчается при более низкой температуре, но и менее хрупок. Прочность твердых сплавов из-за хрупкости меньше прочности быстрорежущей стали.

Сплав следует выбирать с учетом этих особенностей, а также условий работы.

Структура однокарбидного сплава группы ВК приведена на рис. 3.18, а. Светлые угловатые зерна и являются кристаллами карбида WC. Кобальтовая прослойка располагается по границам зерна и на оптических микрофотографиях протравленных шлифов четко не выявляется. Темные участки на шлифе – преимущественно поры.

Карбид вольфрама WC почти не растворяет титана, тогда как карбид титана TiC ведет себя по отношению к вольфраму совсем иначе. Согласно исследованию Я. С. Уманского и др., в карбиде титана может раствориться до 70% вольфрама, а при высокой температуре – до 90%.

Диаграмма состояния карбидной системы показана на рис. 3.19.

Ко второй группе твердых сплавов относят двухкарбидные сплавы – группа ВТК. Наиболее типичным представителем этой группы сплавов является сплав Т15К6. Хотя перед спеканием порошок состоит из 15% карбида титана и 79% карбида вольфрама, но при спекании вследствие процессов диффузии и растворения вольфрама и углерода в карбиде титана структура состоит более чем из 50% карбида титана (Ti, W) С (темные крупные карбидные частицы, рис. 3.18, б).

Рис. 3.18. Микроструктура твердых сплавов, ×100:

а – ВК3; б – Т15К6; в – Т30К4

Pиc. 3.19. Псевдобинарный разрез системы W – Ti – С

Из диаграммы состояния видно, что вертикаль, соответствующая сплаву Т15К6, как и сплаву Т5КШ (т. е. когда исходная шихта сплава состоит из 15 или 5% карбида титана), находится в двухфазной области.

К третьей группе относятся однокарбидные сплавы, состоящие из карбида (Ti,W)С, – группа ТК. Это сплавы Т30К4 и Т60К6. При таком количестве карбида титана в шихте (т. е. 30 и 60%) в нем полностью растворен весь вольфрам. Вертикали, соответствующие этим сплавам, находятся в однофазной области твердого раствора на базе карбида титана. Структура такого сплава состоит из округлых зерен карбида (Ti, W)С (рис. 3.18, в).

Карбид титана отличается от карбида вольфрама не только более высокой твердостью, но и повышенной хрупкостью. Практика показала, что для обработки стали лучше применять сплавы группы ВТК, для обработки хрупких материалов – сплавы группы ВК. Сплавы группы ТК имеют применение при обработке горных пород, бурении нефтяных скважин.

В качестве режущих элементов инструмента применяют и другие здесь не описанные высокотвердые неметаллические материалы – начиная от алмаза (самый твердый материал в природе) и приближающиеся к алмазу по твердости соединения типа боридов и более сложные.