ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОРОШКОВ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ В КАЧЕСТВЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ НАПЛАВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Спеченные твердые сплавы представляют собой соединения углерода, азота, бора, кремния с переходными элементами периодической системы, а именно, тугоплавкими металлами IV, V и VI групп: титаном, ванадием, хромом, цирконием, ниобием, молибденом, гафнием, танталом, вольфрамом.

Атомы переходных элементов отличаются особенностями строения их электронных оболочек, а именно, они имеют недостроенную внутреннюю подгруппу при наличии электронов на внешней подгруппе. При переходе порядкового элемента к соседнему элементу происходит достройка внутренних электронных уровней (так называемых d-уровней).

Карбиды, нитриды, бориды и силициды перечисленных выше тугоплавких металлов имеют высокую температуру плавления (2000 - 3800 °С), очень большую твердость, уступающую лишь твердости алмаза и карбидов бора и кремния, высокие значения модуля упругости, являются химически стойкими против воздействия кислот, щелочей и паров воды, обладают явно выраженными металлическими свойствами, в частности высокими теплопроводностью и электропроводностью, и в большинстве своем имеют особую кристаллическую структуру, характерную для так называемых «фаз внедрения» [57, 89].

Из названных твердых соединений широкое практическое применение при изготовлении спеченных твердых сплавов в настоящее время нашли только карбиды, главным образом монокарбид вольфрама а - WC, карбид титана TiC и карбид тантала ТаС. В последние годы промышленное значение получили также бориды циркония, титана и силициды молибдена.

Инструментальные твердые сплавы, которые изготовляют на основе монокарбида вольфрама, карбида титана, карбида тантала или сочетаний этих карбидов, иногда с использованием карбидов ниобия, ванадия, хрома в качестве небольших добавок. Цементирующим металлом в сплавах служат кобальт, а иногда - никель и железо.

Спеченные твердые сплавы обладают рядом весьма ценных свойств, благодаря которым их эффективно используют во многих областях техники. Основным из этих свойств является большая твердость (86 -92 HRA), сочетающаяся с высоким сопротивлением износу при трении, как о металлы, так и о неметаллические материалы (горные породы, стекло, дерево, пластмассы и др.) [31, 57, 89].

Способность сплавов сохранять в значительной степени указанные свойства при повышенных температурах является чрезвычайно важной характеристикой.

Сплавы не подвергаются заметной пластической деформации при низких температурах и почти не подвержены упругой деформации: величина модуля упругости составляет 500000 -700000 МПа, т. е. выше, чем у всех известных в технике материалов. Спеченные твердые сплавы выделяются также весьма высоким пределом прочности при сжатии, достигающим 6000 МПа. Однако значения предела прочности при изгибе и ударной вязкости этих сплавов относительно невелики: о изг = 10СКН2500 МПа, а„ = 0,5 аИЗг, а„ = 0,02-Ю,06 МДж/м2 [31, 57, 89].

Сплавы обладают относительно высокой электропроводностью, приближающейся к электропроводности железа и его сплавов; по теплопроводности они также близки к железным сплавам.

В химическом отношении спеченные твердые сплавы весьма устойчивы против воздействия кислот и щелочей; некоторые сплавы заметно не окисляются на воздухе даже при 600 - 800 °С.

С помощью твердых сплавов удалось в несколько раз повысить скорости резания при обработке металлов по сравнению со скоростями, применявшимися при использовании быстрорежущей стали, и тем самым существенно повысить производительность труда в металлообрабатывающей промышленности. Применение твердых сплавов дало возможность обрабатывать на станках изделия из твердых и абразивных неметаллических материалов, например, стекла, фарфора и др.

Важное значение твердых сплавов заключается также и в том, что дорогостоящий вольфрам, являющийся основным компонентом этих сплавов, в их составе дает несравненно больший эффект, чем, например, в составе быстрорежущей стали, используемой для обработки металлов. Так, инструментом из твердого сплава, имеющим в своем составе 1 кг вольфрама, можно обработать в пять раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали с тем же количеством вольфрама.

Существуют три основные группы сплавов, различающиеся по составу их карбидной основы:

  • - сплавы WC - Со (некоторые марки сплавов этой группы содержат небольшие добавки других карбидов - ванадия, ниобия, тантала);
  • - сплавы WC - TiC - Со;
  • - сплавы WC - TiC - ТаС - Со.

Сплавы WC - Со. Монокарбид вольфрама WC образует с кобальтом сплавы, наиболее прочные из известных спеченных сплавов. Промышленные марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, колеблющемуся от 3 до 30 %, размерам зерен карбидной фазы (WC) и иногда по технологии изготовления.

Сплавы с относительно низким содержанием кобальта (менее прочные, но более износостойкие) применяют в условиях безударной нагрузки, где может быть выгодно использована их высокая износостойкость. При работе инструмента в условиях ударной нагрузки приходится пользоваться более прочными сплавами с повышенным содержанием кобальта, которые вместе с тем обладают меньшей износостойкостью [57].

Сплавы группы WC - Со можно условно разделить на три подгруппы в зависимости от содержания кобальта: малокобальтовые (3 - 8 % Со), среднекобальтовые (10 - 15 % Со) и высококобальтовые (20 - 30 % Со).

Сплавы первой подгруппы в машиностроении применяются главным образом для обработки резанием чугуна, неметаллических материалов, некоторых видов сталей и жаропрочных сплавов, для оснащения волочильного инструмента, не испытывающего больших напряжений и ударов, и для оснащения некоторых горных инструментов - перфораторных буров для бурения относительно мягких горных пород, зубков врубовых машин, коронок вращательного бурения. Сплавы второй подгруппы применяют в условиях ударной нагрузки, главным образом при перфораторном бурении крепких и весьма крепких горных пород, и частично для оснащения инструмента по обработке металлов высадкой и штамповкой. Сплавы третьей подгруппы, обладающие наиболее высокой пластичностью, применяют для оснащения штампового инструмента, работающего в условиях ударной нагрузки.

Сплавы WC - TiC - Со. Сплавы этой группы выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей.

Эти сплавы выгодно отличаются от сплавов WC - Со своим свойством в значительно большей степени сопротивляться при высокой температуре обрРзованию «лунки» на передней поверхности резца под воздействием непрерывно скользящей по ней «сливной» стружки, что обеспечивает большую стойкость резца и дает возможность применять высокие скорости резания. Вместе с тем эти сплавы менее прочны и пластичны, чем сплавы WC - Со.

Сплавы WC - TiC - Со промышленных марок имеют различный состав в зависимости от условий их эксплуатации. Содержание карбида титана изменяется от 5 до 40 %, карбида вольфрама - от 35 до 85% и кобальта - от 5 до 15 %. Свойства сплавов зависят главным образом от содержания в них карбида титана, а также и кобальта. Увеличение содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) приводит к повышению износостойкости сплава при резании металлов и одновременно к падению прочности. С увеличением содержания кобальта при постоянном содержании карбида титана твердость и износостойкость сплава падают, и возрастает его прочность.

В зависимости от содержания карбида титана сплавы этой группы могут быть условно разделены на три подгруппы - малотитановые, среднетитановые и высокотитановые, предназначающиеся для различных условий эксплуатации. Наиболее прочные из них (малотитановые), содержащие 4 - 6 % TiC и 9 - 15% Со, используют при обработке резанием стали в тяжелых условиях (резание по корке, в условиях ударной нагрузки, при строгании и т. д.). Среднетитановые сплавы, содержащие 10 - 20% TiC и 6 - 8% Со, применяют в менее тяжелых условиях эксплуатации. Сплавы высокотитановые с содержанием карбида титана 25 - 40 % применяют при снятии стружки малых сечений и при работе без ударов.

Одной из основных проблем использования твердых сплавов в настоящее время является переработка их отходов и дальнейшее использование [31, 57]. Неоднократные попытки вывести вольфрам из состава твёрдых сплавов, ввиду его высокой стоимости, успехом не завершились, поскольку не одно из тугоплавких соединений не обеспечивает столь высоких прочностных характеристик. Поэтому проблема переработки отходов твёрдых сплавов в настоящее время весьма актуальна.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >