Материалы для изготовления режущего инструмента: металлокерамические твердые сплавы
Твёрдыми называют сплавы, созданные на основе тугоплавких и высокотвердых карбидов вольфрама, тантала, титана, соединенных кобальтом или другой металлической связкой. Такие сплавы являются металлокерамическими. Их выпускают в виде пластин для оснащения фрез, сверл, резцов и другого металлорежущего инструмента, измерительных приборов, деталей машин и пр.
Преимущества твердосплавного инструмента:
- износостойкость;
- твёрдость HRA 80–92 (HRCЭ 73–76);
- высокая теплостойкость – до 800–1000°С;
- скорость резания в 5-10 раз выше, чем быстрорежущего инструмента.
По своим эксплуатационным характеристикам твердосплавные инструменты превосходят изделия из углеродистых и быстрорежущих сталей. На рисунке показана зависимость твердости инструментальных материалов от температуры испытания.
Обозначения: 1 - углеродистая сталь, 2 - быстрорежущая сталь, 3 - твердый сплав.
Область применения металлокерамических твердых сплавов определяется их свойствами, которые зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC) и от её соотношения со связывающей фазой. Регулируя эти факторы, можно изменять свойства сплавов.
Виды твердых сплавов
Согласно ГОСТ 3882–74 на российских заводах производят три группы металлокерамических твёрдых сплавов:
- вольфрамовая (однокарбидная) – ВК;
- титановольфрамовая (двухкарбидная) – Т..К..;
- титанотанталовольфрамовая (трехкарбидная) – ТТ..К...
Сплавы вольфрамовой группы (WC—Со) обладают теплостойкостью до 800 °С, наибольшей прочностью, но меньшей твердостью, чем другие твердые сплавы. Их применяют при изготовлении режущего инструмента для обработки сталей, чугунов, цветных сплавов и неметаллических материалов. Для вольфрамовой группы сталей характерна повышенная стойкость к износу и сопротивляемость ударам, поэтому их широко применяют для производства горного инструмента, фильер, пуасонов, штампов, матриц и др.
Сплавы титановольфрамовой группы (WC—TiC—Co) обладают теплостойкостью до 900–1000 °С и более высокой твёрдостью. При температуре спекания карбид вольфрама растворяется в карбиде титана, образуя раствор (Ti, W)С, превышающий по твёрдости WC. Соотношение в шихте WC и TiC определяет структуру карбидной фазы. Так, в сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза - раствор (Ti, W)С, который обеспечивает максимальную твёрдость сплава (HRA 92) и одновременно пониженную прочность. В других сплавах титановольфрамовой группы количество WC превышает растворимость в TiС, и карбиды вольфрама присутствуют в виде избыточных частиц. Основная сфера применения таких материалов – высокоскоростная обработка чугунов и сталей.
Группа титанотанталовольфрамовых сплавов (WC—TiC—TaC—Co) имеет структуру карбидной основы в виде твердого раствора (Ti, Та, W)С, и избыток WC. Для твердых сплавов этой группы характерна более высокая прочность и сопротивляемость выкрашиванию и вибрациям. Поэтому их используют при наиболее тяжелых условиях резания: при работе с труднообрабатываемыми сплавами и сталями, при черновой обработке стальных поковок и отливок.
В таблице приведены марки спеченных твердых сплавов, их характеристики и химический состав по ГОСТ 3882–74.
|
Марки |
Группы |
Массовая доля основных |
Физико-механические свойства |
|||||
|
Карбид вольфрама |
Карбид титана |
Карбид тантала |
Кобальт |
Предел прочности при изгибе, МПа (кгс/мм2), не менее |
Плотность, (кг/м3) · 10–3 |
Твердость HRA, |
||
|
ВК3 |
Вольфра-мовая |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
89,5 |
|
ВК3-М |
97 |
– |
– |
3 |
1176 (120) |
15,0–15,3 |
91,0 |
|
|
ВК4-В |
96 |
– |
– |
4 |
1470 (150) |
14,9–15,2 |
88,0 |
|
|
ВК6 |
94 |
– |
– |
6 |
1519 (155) |
14,6–15,0 |
88,5 |
|
|
ВК6-М |
94 |
– |
– |
6 |
1421 (145) |
14,8–15,1 |
90,0 |
|
|
ВК6-ОМ |
92 |
– |
2 |
6 |
1274 (130) |
14,7–15,0 |
90,5 |
|
|
ВК6-В |
94 |
– |
– |
6 |
1666 (170) |
14,6–15,0 |
87,5 |
|
|
ВК8 |
92 |
– |
– |
8 |
1666 (170) |
14,4–14,8 |
88,0 |
|
|
ВК8-В |
92 |
– |
– |
8 |
1813 (185) |
14,4–14,8 |
86,5 |
|
|
ВК8-ВК |
92 |
– |
– |
8 |
1764 (180) |
14,5–14,8 |
87,5 |
|
|
ВК10 |
90 |
– |
– |
10 |
1764 (180) |
14,2–14,6 |
87,0 |
|
|
ВК10-КС |
90 |
– |
– |
10 |
1862 (190) |
14,2–14,6 |
85,0 |
|
|
ВК11-В |
89 |
– |
– |
11 |
1960 (200) |
14,1–14,4 |
86,0 |
|
|
ВК11-ВК |
89 |
– |
– |
11 |
1862 (190) |
14,1–14,4 |
87,0 |
|
|
ВК15 |
85 |
– |
– |
15 |
1862 (190) |
13,9–14,4 |
86,0 |
|
|
ВК20 |
80 |
– |
– |
20 |
2058 (210) |
13,4–13,7 |
84,0 |
|
|
ВК20-КС |
80 |
– |
– |
20 |
2107 (215) |
13,4–13,7 |
82,0 |
|
|
ВК10-ХОМ |
88 |
– |
2 |
10 |
1470 (150) |
14,3–14,7 |
89,0 |
|
|
Т30К4 |
Титано-вольфрамовая |
66 |
30 |
– |
4 |
980 (100) |
9,5–9,8 |
92,0 |
|
Т15К6 |
79 |
15 |
– |
6 |
1176 (120) |
11,1–11,6 |
90,0 |
|
|
Т14К8 |
78 |
14 |
– |
8 |
1274 (130) |
11,2–11,6 |
89,5 |
|
|
Т5К10 |
85 |
6 |
– |
9 |
1421 (145) |
12,4–13,1 |
88,5 |
|
|
Т8К7 |
85 |
8 |
– |
7 |
1519 (155) |
12,8–13,1 |
90,5 |
|
|
ТТ7К12 |
Титано-тантало-вольфрамовая |
81 |
4 |
3 |
12 |
1666 (170) |
13,0–13,3 |
87,0 |
|
ТТ8К6 |
84 |
8 |
2 |
6 |
1323 (135) |
12,8–13,3 |
90,5 |
|
|
ТТ10К8-Б |
82 |
3 |
7 |
8 |
1617 (165) |
13,5–13,8 |
89,0 |
|
|
ТТ20К9 |
71 |
8 |
12 |
9 |
1470 (150) |
12,0–12,5 |
91 |
|
Металлокерамические твердые сплавы обладают двумя существенными недостатками:
- повышенная хрупкость;
- дефицитность основного сырья – вольфрама;
- сложность изготовления из них фасонных изделий.
В связи с высоким дефицитом вольфрама приоритетным направлением отрасли стало применение безвольфрамовых твердых сплавов. Удачно применяют сплавы на основе карбида титана со связкой из никеля и молибдена, которые маркируются КТС и ТН соответственно. В состав твердых сплавах КТС-1 и КТС-2 входит 15–17 % никеля (Ni) и 7–9 % молибдена (Mo), остальная часть – карбид титана. В сплавах ТН-20, ТН-25, ТН-30 содержание никеля достигает 16-30%, молибдена – 5-9%. Твёрдость таких безвольфрамовых сплавов составляет 87–94 HRA, они обладают высокой стойкостью к коррозии и износу. Применяется такой материал для изготовления быстроизнашиваемых деталей в технологическом оборудовании и режущего инструмента.
На смену твёрдым сплавам в сфере обработки резанием всё чаще приходят керамические инструментальные материалы. В частности, керамики оксидного и оксидно-карбидного типа (В-3, ВОК-60, ВО-13), которые используют для оснащения режущего инструмента по ГОСТ 26630–85.
По материалам источника: Инструментальные стали. Твердые сплавы / В.Г.Шипша // Металлы и сплавы: справочник / В.К.Афонин, Б.С.Ермаков, Е.Л.Лебедев, др., Ю.П.Солнцев . – СПб.: Профессионал: Мир и Семья, - 2003.