2.3 Твердые сплавы

Твердые сплавы изготовляются методом порошковой металлургии. Основными компонентами твердых сплавов яв­ляются карбиды вольфрама WC, титана TiC и тантала ТаС. В качестве связки в твердых сплавах используются кобальт, никель, молибден.

Теплостойкость твердых сплавов различных марок состав­ляет 800...1000⁰ С, что позволяет значительно повысить ско­рость резания по сравнению с быстрорежущими сталями. Недостатком твердых сплавов является относительно низкая прочность при изгибе σи=0,9...1,6 ГПа (для быстрорежущих сталей σи =3...3,5 Гпа). Твердые сплавы имеют твердость 86...90 HRA.

В зависимости от состава карбидной фазы твердые сплавы (ГОСТ 3882—74 и ГОСТ 4872—75) делятся на четыре группы: однокарбидные, двухкарбидные, трехкарбидные и безвольф­рамовые.

Однокарбидные твердые сплавы (группа ВК - вольфрамовые) содержат WC+Co. Наиболее распространенными марками этой группы являются ВКЗ; ВК4 (96%WC+4%Co), BK6, ВК8, ВК10. С увеличением содержания кобальта уменьшается твердость сплава и увели­чивается его пластичность. Поэтому сплавы ВКЗ, ВК4, как наиболее хрупкие, применяются при чистовой обработке, а сплавы ВК8, ВК10, как наиболее вязкие,—при черновой обработке. Физико-механические свойства твердых сплавов во многом определяются размером зерен порошков, применяемых для спекания. Теплостойкость их 800…900°С. Большой износостойкостью отличаются мелко­зернистые и особомелкозернистые (размер зерен до 0,5 мкм) сплавы (обозначаются соответственно буквами М, ОМ), например ВК6-М, ВК6-ОМ; ВК10-ОМ.

Легирование мелкозернистых и особомелкозернистых од­нокарбидных сплавов хромом позволяет дополнительно по­высить их режущие свойства. Выпускаются следующие марки таких сплавов: ВК6-ХОМ, ВК10-ХОМ, ВК15-ХОМ. Хорошие результаты показывают однокарбидные сплавы с добавками рения, например марка ВРК15. Наибольший эффект перечис­ленные марки однокарбидных твердых сплавов дают при резании труднообрабатываемых материалов. Для изготовления инструментов, работающих с ударными нагрузками (обдироч­ные операции, прерывистое точение и т. д.), применяются крупнозернистые (В) твердые сплавы, например ВК6В.

Двухкарбидные твердые сплавы (группа ТК - вольфрамотитановые) содержат WC+TiC+Co. Наиболее распространенные марки этой группы: T15K6, Т14К8, Т5К10, ТЗОК4 (30%TiC +66%WC+4%Co). Теплостойкость их соответствует 900…1000°С и твердость HRA88-90. Спла­вы группы ТК при одинаковом содержании кобальта имеют большую твердость и хрупкость, чем однокарбидные. Поэтому их целесообразно применять при получистовой и чистовой обработке материалов, обладающих высокой твердостью.

Трехкарбидные твердые сплавы (группа ТТК- титанотанталовольфрамовые) содержат WC+(TiC+TaC)+Co, их марки: ТТ7К12; ТТ20К9. Цифра после букв ТТ указывает на суммарную долю TiC+TaC в процентах. Например, сплав ТТ20К9 содержит: 20% (TiC+TaC)+9%Co+71%WC. Твердые сплавы группы ТТК превосходят двухкарбидные сплавы по прочности (σи =1.3...1,6 ГПа). Теплостойкость их ~ 1000°С и твердость ~ HRA88. Они характеризуются высокой износостой­костью и эксплуатационной прочностью, хорошо сопротивля­ются ударным нагрузкам и вибрациям. Поэтому их используют при черновой обработке с большими сечениями срезаемого слоя, при работе с ударами—строгание, фрезерование.

Безвольфрамовые твердые сплавы созданы на основе кар­бида или карбонитрида титана и тугоплавких связок, в ча­стности, никельмолибденовой. Разработка данной группы ин­струментальных материалов является новым направлением в инструментальном производстве, которое вызвано возрастающим дефицитом на вольфрамовую руду и кобальт, используемые в про­изводстве обычных твердых сплавов. Их твердость достигает HRA 87,5—91 и плотность 5,5—5,9 г/см³.

Безвольфрамовые твердые сплавы по сравнению с вольфрамовыми сплавами имеют меньшую прочность на изгиб, но отличаются по­вышенной жаростойкостью (до 1000 °С) и низкой схватываемостью с обрабатываемыми материалами (адгезией), этот фактор снижает изнашивание инструмента по передней поверхности, обеспечивая более высокий параметр шероховатости обрабо­танной поверхности, а также высокой окалиностойкостью (в 10—15 раз выше чем у стандартных сплавов Т15К6, Т5К10), низким коэффициентом трения, причем образую­щаяся на поверхности твердосплавных пластин тонкая окисная пленка в процессе эксплуатации инструмента при высоких тем­пературах выполняет роль твердой смазки. Благодаря этому сплавы хорошо сопроти­вляются изнашиванию. Изно­состойкость их в 1,2—1,5 раза выше износостойкости сплавов группы ТК.

Благодаря высокой плотности при заточке режущих инстру­ментов можно получить острую кромку, что особенно ценно для инструмента, предназначенного для чистовой обработки. Инструменты из этих сплавов работают по сталям практически без наростообразования. Эти свой­ства и предопределили область их применения—чисто­вое и получистовое точение и фрезерование.

В то же время безвольфрамовые сплавы имеют, как правило, более низкую прочность, особенно склонны к разупрочнению при повышенных температурах, обладают низкой теплопровод­ностью, теплостойкость их сравнима со сплавами группы ВК, но большей твердостью.

К этой группе относятся сплавы: КНТ-16, ТН-20, ТН-30. В этих сплавах: Т - карбид титана, Н - никель, КН - карбонитрид титана, цифра означает суммарное процентное содержание никеля и молибдена, остальное карбид титана или карбонитрид титана.

Карбидохромистые твердые сплавы КХН-10, КХН-15, КХН-20, КХН-30, КХН-35 и КХН-40 (цифра в обозначении ма­рок этих сплавов указывает на процентное содержание никеля, остальное — карбид хрома) не окисляются при нагреве в воз­душной среде до 1100°С, хорошо сопротивляются истиранию, абразивному изнашиванию и коррозии, обладают низкой склонностью к схватыванию. Их плотность 6,6—7 г/см³, HRA 80—90, прочность при сжатии 2800—3500 МПа, при изги­бе - 400-700 МПа.

Область применения безвольфрамовых твердых сплавов: чистовая и получистовая обработка конструкционных и ма­лолегированных сталей и чугунов, а также некоторых цветных металлов вместо стандартных сплавов ТЗОК4 и Т15К6.

Безвольфрамовые твердые сплавы применяются в машино­строении для изготовления режущего инструмента, измери­тельных калибров, вытяжных матриц и пресс-форм.

При обработке же труднообрабатываемых матери­алов (например, жаропрочных сплавов на хромоникелевой основе, титановых сплавов) стойкость этих твердых сплавов значительно ниже стойкости сплавов групп ВК, ТК, ТТК. Вследствие неудовлетворительных термических свойств они плохо поддаются пайке и заточке, поэтому их при­меняют в основном в виде неперетачиваемых пластин.