ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ И МИНЕРАЛОКЕРАМИКА

Твердые (металлокерамические) сплавы

Их получают методами порошковой металлургии. Они содержат смесь зерен карбидов, нитридов, карбонитридов тугоплавких металлов в связывающих материалах. Стандартные марки твердых сплавов (табл. 4.4) выполнены на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала ТаС. Кобальт Со в составе твердых сплавов является цементирующей связкой.

В зависимости от состава карбидной фазы и связки обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В — вольфрам, Т — титан, вторая буква Т — тантал) и связку (буква К — кобальт). Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки (цифра после буквы К).

В двухкарбидных WC + TiC сплавах цифрой после буквы карбидообразующего элемента характеризуется массовая доля карбидов этого элемента, следующая цифра — массовая доля связки, остальное — массовая доля карбида вольфрама (например, сплав Т15К6 содержит 15% TiC, 6% Со и 79% WC).

В трехкарбидных сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Цифра за буквой К — массовая доля связки, остальное — массовая доля карбидов вольфрама.

Стандартом ИСО выделены три группы (Р, К и М) применяемости твердосплавного режущего инструмента:

Р — для обработки материалов, дающих сливную стружку; К — для обработки материалов, дающих стружку надлома; М — для обработки различных материалов универсальными твердыми сплавами.

Таблица 4.4

Твердые сплавы обычно изготовляются в виде пластинок путем спекания при температуре 1500 °С в электрических печах. Кроме готовых пластин выпускают также заготовки в соответствии с ОСТ 48- 93-81; обозначение заготовок то же, что и готовых пластин, но с добавлением буквы 3.

Основное преимущество инструмента, оснащенного пластиной из твердого сплава, — это то, что его режущие свойства не уменьшаются при температуре нагрева до 800...900 °С. Поэтому такие инструменты могут применяться для обработки твердых металлов, включая закаленные стали, и неметаллических труднообрабатываемых материалов. Недостаток твердых сплавов — их хрупкость.

Вязкость отдельных марок твердых сплавов (а следовательно, и их хрупкость) зависит от содержания кобальта (К): чем меньше массовая доля К, тем меньше вязкость. При увеличении в сплавах содержания кобальта в диапазоне 3...10% предел прочности при поперечном изгибе, ударная вязкость и пластическая деформация возрастают. С ростом содержания кобальта в сплаве его стойкость при резании снижается, а эксплуатационная прочность растет.

На рис. 4.1 приведены зависимости стойкости резца от скорости резания для сплавов с различным содержанием кобальта при точении серого чугуна (рис. 4.1, а), и стали 50 (рис. 4.1, б) с подачей s = 0,2 мм/об и глубиной резания t = 1 мм: 1 — ВК4; 2 — ВК6; 3 — ВК8; 4 — ВК12. Значения подач, при которых происходит разрушение сплава в зависимости от содержания кобальта во время фрезерования однозубой фрезой, приведены на рис. 4.2 (V= 56 м/мин; /= 1,5 мм).

Рис. 4.1. Зависимость стойкости (Т) резца от скорости резания (V) при точении

чугуна (а) и стали (б)

Полученные закономерности положены в основу практических рекомендаций по рациональному применению конкретных марок сплавов. Так, сплавы типа В КЗ, ВК4 применяют для инструментов на чистовых операциях, когда толщина срезаемых стружек невелика. При снятии стружек большого сечения применяют сплавы, содержащие повышенное количество кобальта, например ВК8, ВК10-М, Т14К8 и др. Однокарбидные сплавы группы ВК, как менее хрупкие, применяют при резании чугунов и других хрупких материалов.

Режущие свойства твердых сплавов зависят также от структуры. При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом средним размером зерен карбида вольфрама. Современные технологические процессы позволяют получать твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может быть от долей микрометра до 10... 15 мкм. Зависимость стойкости твердосплавных резцов от среднего размера зерен фазы WC при точении серого чугуна СЧ 30 показана на рис. 4.3: 1 - ВК6-ОМ; 2 - ВК6-М; 3 - ВК6; 4 - ВК6В; 5 - ВК6-КС.

С увеличением размера зерен карбидовольфрамовой фазы сплава твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному изнашиванию и стойкость при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эта закономерность широко используется при создании сплавов различного назначения с заданными свойствами. В РФ первыми такими сплавами были мелкозернистые сплавы ВКЗ-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при обработке твердых чугунов, закаленных и коррозионно-стойких сталей, а также других труднообрабатываемых материалов. Кроме того, мелкозернистые сплавы с повышенным содержанием кобальта, напри-

Рис. 4.2. Схема оценки влияния подачи (S) на разрушения сплава в зависимости от содержания в нем кобальта

Рис. 4.3. Зависимость стойкости (7)

твердосплавных резцов от среднего размера зерен(К) фазы WC при точении серого чугуна

мер ВК10-М, применяют для оснащения цельного твердосплавного мелкоразмерного инструмента: сверл, зенкеров, разверток и фрез различных типов.

Пластины твердых сплавов припаивают (или наклеивают) или прикрепляют механически к стальному корпусу. Наибольшее распространение получили сменные многогранные пластины со стружколомающими элементами, сформированными при прессовании или последующей их обработке.

Многогранные сменные пластины выпускаются как из стандартных марок твердых сплавов, так и из стандартных сплавов с покрытиями различными композитами: TiC, TiN, А1₂0₃ и др. Последние пластинки обладают в 2...3 раза большей стойкостью. Толщина покрытия стандартных марок твердых сплавов карбидом титана составляет 3...10 мкм. На стандартных марках твердого сплава, покрытого нитридом титана, проставляется маркировка КИБ, а к обозначению групп ISO — буква С.

Трехкарбидные сплавы, содержащие карбиды вольфрама, титана и тантала, отличаются повышенной износостойкостью, прочностью и вязкостью. Их применяют при обработке труднообрабатываемых сталей аустенитного класса.

Для обработки жаропрочных сплавов на никелевой основе и титановых сплавов применяют пластины из твердого сплава группы ВК, не содержащие в своем составе титана. Сложный фасонный твердосплавный инструмент (относительно небольших размеров) изготовляют из пластифицированных заготовок, которые легко обрабатываются на металлорежущих станках. После обработки пластифицированные заготовки спекаются и затем подвергаются окончательной обработке; шлифованию, заточке, доводке.

Помимо стандартных твердых сплавов выпускаются также пластины из специальных сплавов. Сплавы этой группы обладают более высокими режущими свойствами. Обозначение сплава состоит из букв МС и трехзначного (для пластин без покрытий) или четырехзначного (для пластин с покрытием карбидом титана) числа, например, МС 131, МС 1460. Первая цифра соответствует области применения сплава по классификации ИСО (1 — обработка материалов, дающих сливную стружку; 3 — обработка материалов, дающих стружку надлома; 2 — область обработки, соответствующая области М по ИСО); 2-я и 3-я цифры характеризуют подгруппу применяемости; 4-я цифра — наличие покрытия.

С целью экономии дефицитных элементов разработано и освоено изготовление безвольфрамового и маловольфрамового твердосплавного инструмента. Хорошие результаты при чистовой и получисто- вой обработке низколегированных и углеродистых сталей, цветных металлов на основе меди, чугунов, никелевых сплавов дают безволь- фрамовые сплавы марок ТН20, КНТ16.