Рубрика: Металлы и сплавы
Твёрдые сплавы — это не стали, а композиционные материалы, в которых зёрна сверхтвёрдых карбидов связаны пластичным металлом. По твёрдости и износостойкости они значительно превосходят любую инструментальную сталь и сохраняют свойства при нагреве до 800–1000 °C. Из твёрдых сплавов делают режущие пластины, свёрла, фрезы, волоки, матрицы штампов, сопла, уплотнительные кольца и износостойкие вставки. Разберём, как устроены эти материалы, что означают их марки и как правильно выбрать сплав под задачу.
Основу сплава составляют карбиды тугоплавких металлов: прежде всего карбид вольфрама WC, а также карбид титана TiC и карбид тантала TaC. Их твёрдость лежит в диапазоне 1700–3000 HV — намного выше, чем у закалённой стали. Однако сами по себе карбиды хрупки, поэтому их соединяют связкой — чаще всего кобальтом, реже никелем или никель-молибденовым сплавом.
Соотношение карбидной фазы и связки определяет главный компромисс материала: чем больше связки, тем выше прочность на изгиб и ударная вязкость, но ниже твёрдость и износостойкость. Второй важный параметр — размер зерна карбидов. Мелкозернистые сплавы при том же содержании кобальта твёрже и лучше держат острую кромку, крупнозернистые лучше переносят удары.
Твёрдые сплавы производят методом порошковой металлургии. Технологическая цепочка выглядит так:
При спекании заготовка уменьшается в размерах на 17–25% по линейным размерам. Поэтому точные поверхности получают уже после спекания — шлифованием алмазными кругами или электроэрозионной обработкой.
По составу карбидной фазы отечественные сплавы делят на четыре группы. Каждая имеет свою область применения.
Состоят из карбида вольфрама и кобальта. Отличаются наибольшей прочностью и теплопроводностью среди твёрдых сплавов, хорошо работают при ударных нагрузках. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов, а также для изготовления штампов, волок, буровых коронок и износостойких деталей. При резании стали сплавы ВК склонны к диффузионному износу: стружка сваривается с кромкой.
Помимо карбида вольфрама, содержат карбид титана, который образует с WC твёрдый раствор. Карбид титана снижает схватывание со стальной стружкой и повышает стойкость к окислению при высоких температурах. Поэтому сплавы ТК предназначены прежде всего для обработки сталей с образованием сливной стружки. Они твёрже, но более хрупкие и хуже переносят удары, чем ВК.
Добавка карбида тантала повышает прочность и стойкость к термическим ударам. Такие сплавы применяют в тяжёлых условиях: при черновом точении поковок и отливок с коркой, строгании, фрезеровании, работе с прерывистым резанием по стали.
Основой служит карбид или карбонитрид титана со связкой из никеля и молибдена (марки ТН20, КНТ16 и аналогичные). Они легче вольфрамовых сплавов, меньше схватываются со сталью и дают хорошую шероховатость при чистовом точении, но значительно уступают по прочности. Используются для чистовой и получистовой обработки сталей на высоких скоростях с малыми сечениями среза.
В отечественной маркировке буквы обозначают компоненты, а цифры — их содержание в процентах. Остальное по умолчанию приходится на карбид вольфрама.
Дополнительные буквы через дефис указывают на структуру: М — мелкозернистый сплав, ОМ — особо мелкозернистый, В — крупнозернистый, К — особо крупнозернистый. Например, ВК6-ОМ предназначен для чистовой обработки жаропрочных сплавов и закалённых сталей, а ВК11-В — для бурового инструмента, работающего с ударом.
| Марка | Кобальт, % | Твёрдость, HRA | Плотность, г/см³ | Основное назначение |
|---|---|---|---|---|
| ВК3 | 3 | 89,5–91 | 15,0–15,3 | Чистовое точение чугуна и цветных металлов |
| ВК6 | 6 | 88,5–90 | 14,6–15,0 | Получистовая обработка чугуна, фильеры, волоки |
| ВК8 | 8 | 87,5–89 | 14,4–14,8 | Черновая обработка чугуна, свёрла, вставки штампов |
| ВК15 | 15 | 86–87,5 | 13,9–14,1 | Штампы, вытяжные матрицы, износостойкие детали |
| ВК20 | 20 | 84–86 | 13,4–13,7 | Штамповый инструмент с ударной нагрузкой, высадка |
| Т15К6 | 6 | 90–91 | 11,1–11,6 | Получистовое и чистовое точение сталей |
| Т5К10 | 10 | 88–89 | 12,5–13,1 | Черновое точение и фрезерование сталей |
| ТТ7К12 | 12 | 87–88 | 13,0–13,3 | Тяжёлое черновое точение, прерывистое резание |
Значения приведены ориентировочно; точные требования к свойствам задают стандарты и технические условия на конкретные изделия. Заметно, как растёт плотность при увеличении доли карбида вольфрама и падает при введении более лёгкого карбида титана — это простой способ косвенно отличить сплавы разных групп.
Зарубежные производители инструмента обозначают сплавы не по составу, а по назначению. Классификация ISO делит обрабатываемые материалы на шесть групп, каждой соответствует свой цвет маркировки.
| Группа | Цвет | Обрабатываемые материалы | Ближайшие отечественные сплавы |
|---|---|---|---|
| P | Синий | Стали, стальное литьё, ковкий чугун с длинной стружкой | Т30К4, Т15К6, Т5К10 |
| M | Жёлтый | Нержавеющие аустенитные стали | ТТ8К6, ТТ10К8Б |
| K | Красный | Чугуны | ВК3, ВК6, ВК8 |
| N | Зелёный | Алюминий, медь, цветные сплавы | ВК3-М, ВК6-М |
| S | Коричневый | Жаропрочные и титановые сплавы | ВК6-ОМ, ВК10-ОМ |
| H | Серый | Закалённые стали и отбелённый чугун | ВК6-ОМ, мелкозернистые сплавы |
Внутри группы сплав обозначают числом от 01 до 50: малые числа соответствуют твёрдым износостойким сплавам для чистовой обработки, большие — прочным сплавам для черновой работы с ударом. Например, P10 подходит для чистового точения стали на высокой скорости, а P40 — для тяжёлого чернового.
Режущий инструмент — самое известное, но далеко не единственное применение. Значительная часть твёрдого сплава уходит на детали, работающие в условиях абразивного износа и высокого давления.
Вставки вырубных и вытяжных штампов из ВК15, ВК20 выдерживают в десятки раз больше ударов, чем стальные, без переточки.
Для волочения проволоки и прутков используют ВК6 и ВК8: канал волоки долго сохраняет размер и чистоту поверхности.
Сопла, втулки насосов, кольца торцевых уплотнений, направляющие и ролики из твёрдого сплава служат там, где сталь быстро истирается.
Для деталей штампов и пресс-форм обычно выбирают сплавы с повышенным содержанием кобальта: им важнее сопротивление выкрашиванию, чем предельная твёрдость. Для уплотнений, работающих в агрессивных средах, применяют сплавы на никелевой связке, которая стойче к коррозии, чем кобальтовая.
Обычным лезвийным инструментом твёрдый сплав практически не обрабатывается. Поэтому окончательная геометрия деталей формируется специальными методами.
Основной способ обработки — шлифование кругами на основе синтетических алмазов. Карбид вольфрама плохо поддаётся абразивам на основе корунда и карбида кремния, а эльбор для него менее эффективен, чем алмаз. Шлифование ведут с обильным охлаждением, умеренными подачами и малой глубиной: перегрев вызывает термические трещины, которые не всегда видны невооружённым глазом, но приводят к выкрашиванию кромки в работе.
Твёрдые сплавы проводят ток, поэтому электроэрозия позволяет вырезать в них сложные контуры, узкие пазы, отверстия малого диаметра и матрицы штампов. Особенность процесса — возможное выгорание кобальтовой связки в поверхностном слое и образование микротрещин. Чтобы этого избежать, применяют генераторы с малой энергией импульса на чистовых проходах и оставляют небольшой припуск на последующую доводку. Подробнее о методе — на странице электроэрозионной обработки.
Пластины напаивают на стальные державки медными или серебряными припоями. Коэффициент теплового расширения твёрдого сплава примерно вдвое меньше, чем у стали, поэтому при остывании в пластине возникают растягивающие напряжения, способные привести к трещинам. Помогают медленное охлаждение, компенсирующие прокладки и правильный выбор толщины пластины. Механическое крепление сменных пластин этой проблемы лишено, поэтому в серийном производстве преобладает именно оно.
Современные сменные пластины почти всегда выпускают с покрытиями. Методом химического осаждения из газовой фазы наносят многослойные покрытия из карбида и карбонитрида титана и оксида алюминия толщиной до 15–20 мкм; они хорошо защищают от износа при точении стали и чугуна. Методом физического осаждения наносят более тонкие покрытия на основе нитридов титана, алюминия и хрома. Они меньше скругляют кромку, поэтому подходят для фрез, свёрл и резьбового инструмента с острой геометрией.
Покрытие позволяет использовать более прочную основу: вязкий сплав с большим количеством кобальта получает износостойкую поверхность, и пластина одновременно хорошо переносит удары и долго держит кромку.
Твёрдый сплав — это всегда баланс между твёрдостью и вязкостью, который задаётся долей кобальтовой связки, составом карбидов и размером зерна. Сплавы ВК универсальны и прочны, ТК лучше всего работают по стали, ТТК выдерживают тяжёлые черновые режимы, а безвольфрамовые хороши на чистовых операциях. Правильный выбор марки и грамотная обработка — алмазное шлифование без перегрева и щадящая электроэрозия — определяют, прослужит деталь годы или выкрошится на первой партии.
Компания «ВМС» изготавливает штампы и пресс-формы с твердосплавными вставками, обрабатывает твёрдые сплавы шлифованием и электроэрозией по чертежам заказчика. Опишите задачу — подскажем подходящую марку и технологию изготовления.
