10.3. Твердые сплавы

Твердые сплавы представляют в настоящее время наиболее широкий класс инструментальных материалов. Они обладают такими ценными свойствами, как высокая твердость и износостойкость (сохраняющаяся и при высокой температуре), значительный предел прочности при сжатии, хорошая теплопроводность.

Твердые сплавы - это продукты порошковой металлургии, состоящие из зерен карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), скрепленных вязкой металлической связкой. Чаще всего в качестве связки используется кобальт, отличающийся хорошей способностью смачивать карбиды вольфрама. В твердых сплавах, не содержащих карбидов вольфрама, в качестве связки используется никель с добавками молибдена.

Карбиды вольфрама, титана и тантала обладают высокой твердостью и тугоплавкостью. Чем больше в твердом сплаве карбидов, тем выше его твердость и теплостойкость, но ниже механическая прочность. При увеличении содержания кобальта растет прочность, но твердость и теплостойкость снижаются.

Современные твердые сплавы можно классифицировать по составу на четыре основные группы:

• вольфрамокобальтовые (ВК) твердые сплавы WC-Co;

• титановольфрамокобальтовые (ТК) твердые сплавы WC-TiC-Co;

• титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) твердые сплавы WC-TiC-TaC-Co;

• безвольфрамовые (БВТС) твердые сплавы TiC (TiN)-Ni-Mo.

В зарубежной литературе все твердые сплавы, содержащие вольфрам, называются вольфрамовыми, а не содержащие вольфрама – титановыми.

Вольфрамовые или вольфрамокобальтовые (ВК) твердые сплавы (однокарбидные) состоят из карбида вольфрама WC и кобальта (связки). Сплавы этой группы различаются содержанием кобальта (от 3 до 15%), размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. При увеличении содержания кобальта увеличиваются предел прочности твердого сплава при изгибе, ударная вязкость и пластическая деформация, однако, при этом уменьшаются твердость и модуль упругости.

Теплостойкость сплавов группы ВК составляет: ВК8 - 950ºС, ВК6 - 1050ºС, ВК3 - 1100ºС, что позволяет вести обработку металлов с более с высокими скоростями резания, чем инструментальными сталями. Цифры, стоящие за буквой К, означают процентное содержание кобальта, остальное - WC. Прочность и ударная вязкость сплавов ВК увеличивается по мере возрастания содержания кобальта. В таком же порядке уменьшается твердость сплавов этой группы.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих при резании стружку надлома: чугунов, цветных металлов (бронз, силуминов, дуралюминов), стеклопластиков. Мелкозернистые и особомелкозернистые сплавы этой группы (имеющие в обозначении буквы М и ОМ, соответственно), рекомендуются также для обработки жаропрочных и коррозионно-стойких сталей и сплавов.

Значительное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства твердых сплавов, в том числе, на основе WC-Co, оказывает размер зерен твердой фазы. В сплавах нормальной зернистости средний размер зерен WC составляет 2-3 мкм. При одинаковом содержании кобальта уменьшение среднего размера зерен приводит к увеличению твердости и износостойкости при незначительном уменьшении прочности.

Титановольфрамовые или титановольфрамокобальтовые (ТК) твердые сплавы WC-TiC-Co (двухкарбидные) предназначены для обработки сталей и цветных металлов (латуней), дающих при резании сливную стружку. По сравнению с твердыми сплавами ВК на основе WC-Co, они обладают большей стойкостью к окислению, твердостью и теплостойкостью, меньшими значениями тепло- и электропроводности, модуля упругости.

Карбиды вольфрама и титана, составляющие основу твердых сплавов, обладают высокой природной теплостойкостью. Теплостойкость сплавов группы ТК составляет: Т5К10 - 1100ºС, Т14К8 и Т30К4 - 1150ºС. Цифра, стоящая после буквы К, означает процентное содержание кобальта, цифра за буквой Т - содержание TiC, остальное - WC. Увеличение содержания в твердом сплаве карбидов вольфрама и титана при соответствующем уменьшении содержания кобальта ведет к повышению теплостойкости твердых сплавов.

У твердых сплавов на основе WC-TiC-Co, так же как у сплавов вольфрамокобальтовой группы предел прочности при изгибе и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта, при этом уменьшается износостойкость. Поэтому сплавы Т30К4 и Т15К6 применяются при чистовой и получистовой обработке сталей с высокими скоростями резания и малыми нагрузками на инструмент, а сплавы Т5К10 и Т5К12 предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Титанотанталовольфрамовые или титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) твердые сплавы WC-TiC-TaC-Co (трехкарбидные) отличаются повышенной прочностью и высокой твердостью (в том числе при температурах 600-800С).

Карбид тантала уменьшает ползучесть твердых сплавов, существенно повышает предел усталости при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость к окислению на воздухе. В обозначениях сплавов этой группы цифры, стоящие за буквами ТТ, означают суммарное содержание карбидов титана и тантала, остальное - WC.

Сплавы группы ТТК по применяемости являются универсальными и их можно использовать как при обработке стали, так и при обработке чугуна. Основная область применения трехкарбидных сплавов – резание с очень большими сечениями среза в условиях точения и строгания, а также обработка с тяжелыми ударами. В этих случаях повышенная прочность, обусловленная наличием карбидов тантала, компенсирует их пониженную теплостойкость.

Для прерывистого точения и фрезерования стали используется наиболее прочный сплав ТТ7К12, применение которого взамен быстрорежущей стали позволяет увеличить скорость резания в 1,5-2,0 раза. Для фрезерования в особо тяжелых условиях используется твердый сплав ТТ20К9, который отличается повышенным сопротивлением тепловым и механическим циклическим нагрузкам. Сплав ТТ10К8-Б эффективен при черновой и получистовой обработке нержавеющих, маломагнитных и жаропрочных сталей и сплавов. Сплав ТТ8К6 обладает мелкозернистой структурой и используется для получистовой и чистовой обработки чугунов, высокопрочных сталей и титановых сплавов.

Приведенные выше обозначения марок твердых сплавов, изготовляемых в России, отражают химический состав данных сплавов. Зарубежные фирмы, как правило, присваивают выпускаемым ими твердым сплавам обозначения, содержащие информацию об областях применения той или иной марки.

Обозначения вольфрамовых твердых сплавов

Основная	Группа применяемости по ИСО		Маркировка РФ
	подгруппа	цвет маркировки
P	P01 P10 P20 P25 P30 P40 P50	Синий	T30K4 T15K6 T14K8 TT20K9 T5K10 T5K12 TT7K12
М	М10 М20 М30 М40	Желтый	TT8K6 TT10K8-Б ВК10-ОМ ТТ7К12
K	K01 K05 K10 K20 K30 K40	Красный	ВК3, ВК3М ВК6М ВК6-ОМ ВК6 ВК8 ВК8М ВК15

Международная организация стандартов ISO (ИСО) предложила систему классификации твердых сплавов, согласно которой все твердые сплавы делятся на группы применяемости в зависимости от материалов, для обработки которых они предназначены. Эта система выделяет: группу твердых сплавов P - для обработки материалов, дающих сливную стружку; группу сплавов K – для обработки материалов, дающих элементную стружку и промежуточную группу сплавов - M.

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), допустимая подача и глубина резания. Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы соответствуют черновым операциям, когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью.

В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки. Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неоднозначно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух-трех подгруппах применения (например, Т15К6 – Р10, Р15 и Р20) или даже в различных группах применения (например, ВК8 – K30, K40 и М30).

Такая система, несмотря на всю ее условность, сыграла положительную роль, так как изготовители инструмента могут наряду с торговой маркой твердого сплава указать условно область его применения, а потребители - выбирать марку твердого сплава, наиболее близко соответствующую условиям работы.

В последние годы перспективным направлением является создание и использование безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС). Интенсивные исследования в этом направлении проводятся во всем мире. Наиболее развито производство безвольфрамовых твердых сплавов в Японии (около 40% от общего объема выпуска твердых сплавов), в США, в странах Европы.

Безвольфрамовые твердые сплавы, как и вольфрамосодержащие сплавы, являются продуктами порошковой металлургии, однако в качестве твердой износостойкой фазы в них используются карбид и карбонитрид титана, обладающие высокой твердостью, износо- и окалиностойкостью. В качестве цементирующего металла применяется никель, а для улучшения смачивания карбидной фазы в процессе спекания расплавленной связкой и, одновременно, для снижения хрупкости БВТС в их состав вводится молибден и ниобий.

БВТС отличаются также пониженной склонностью к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, что уменьшает износ инструмента при обработке сталей и позволяет получать при их обработке низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. Пониженная склонность к адгезии также важна при обработке никеля, магнитных сплавов и других вязких материалов.

Однако, прочностные характеристики безвольфрамовых твердых сплавов во многих случаях ниже, чем у вольфрамосодержащих твердых сплавов. К недостаткам БВТС следует отнести и более низкие по сравнению с вольфрамовыми твердыми сплавами значения модуля упругости, теплопроводности, а также более высокий коэффициент термического расширения, что предопределяет их более высокую чувствительность к ударным и тепловым нагрузкам.

В России наиболее перспективными с точки зрения практического применения проявили себя безвольфрамовые сплавы ТН20, КНТ16 и ЛЦК20. Сплав марки ТВ4 на основе карбонитрида титана содержит в молибдено-никелевой связке 8-9% вольфрама для повышения его прочности и по сути является маловольфрамовым. Новая группа сплавов ЦТУ и НТН30 имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения за счет легирования вольфрамом и карбидами титана и ниобия соответственно.

Указанные сплавы предназначены для замены вольфрамосодержащих твердых сплавов группы ТК на операциях точения и фрезерования сталей (области применения Р20-Р30). Однако в целом, несмотря на экономию дорогостоящего вольфрама, БВТС могут служить равноценной заменой вольфрамовых твердых сплавов только при строго определенных условиях обработки, а значительная нестабильность свойств и низкая циклическая прочность не дают возможность рекомендовать их в качестве инструментальных материалов для автоматизированного производства.

В настоящее время твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов. Общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет 45-50%, причем этим инструментом снимается 70-80% общего объема стружки.

В массовом и крупносерийном производстве характерно применение специализированных марок твердых сплавов для определенного обрабатываемого материала и типа операции, которые обеспечивают наивысшую производительность при максимальной скорости. При обработке часто сменяемых партий деталей из различных материалов используют универсальные марки твердых сплавов, которые во всех допустимых случаях обеспечивают достаточную производительность и стойкость инструмента.