Твердые сплавы

Твердые сплавы — материалы с неоднородной (гетерогенной) структурой. Они состоят из тугоплавких соединений высокой твердости, связанных между собой металлом. При этом в качестве основы обычно выступают карбиды титана, вольфрама, хрома, тантала или их соединений. А функцию связки выполняет железо, кобальт, никель, либо их сплавы с разным процентным соотношением. Такие сплавы выдерживают серьезные нагрузки, устойчивы к износу и термическому воздействию (до 1500 °C).

Классификация

Твердые сплавы имеют различные классификации.

1. По способу изготовления. Здесь они разделяются на два основных типа:

— литые,

— спеченные.

Из названия понятно, что для получения литых твердых сплавов используется метод литья. К их числу относятся:

— сормайты (основа — железо; добавки: кремний, хром, углерод, никель),

— стеллиты (в основе кобальт и хром; добавки: никель и вольфрам),

— стеллитоподобные сплавы (основа — никель; добавки: хром, углерод, железо; в отличие от стеллитов, у них низкая химическая стойкость).

Для производства спеченных сплавов используется порошковая металлургия. Она позволяет задавать материалу именно те свойства, которые нужны для решения определенных задач. У спеченных сплавов существует альтернативное название «металлокерамические». Оно возникло из-за идентичности производственных технологий с керамикой.

Данный способ позволяет добиваться высочайшей точности изделий. Это избавляет производителей от последующей трудоемкой доводки, ограничиваясь легкой обработкой (шлифовкой, травлением кислотами, ультразвуком и т. п.).

Наиболее распространенными сплавами такого типа являются:

— вольфрамовые — ВК (ВК8, ВК10),

— титано-вольфрамовые — ТК (Т15К6, Т14К8),

— титано-тантало-вольфрамовые — ТТК (ТТ7К12, ТТ8К6).

Накладки из сплавов фиксируют на инструментах двумя способами:

— механические крепления.

— пайка.

2. По области применения.

По этому параметру сплавы можно сгруппировать на:

• Конструкционные. Используются преимущественно в машинах, обеспечивая деталям высокую износостойкость. Также могут иметь специальные свойства (значительный Модуль Юнга, плотность, временное сопротивление).
• Жаростойкие и жаропрочные сплавы.
• Инструментальные. Используются при буровых работах, в обработке моделей путем штамповки, резания, давления и т.п.

3. Вольфрамосодержащие.

В их основе почти всегда находится карбид вольфрама, но также применяют карбиды тантала и титана. Металло-связкой является никель или кобальт, либо связка молибдена и никеля.

4. Безвольфрамовые.

Изготовлении безвольфрамовых сплавов осуществляется двумя способами, каждый из которых подразумевает замену карбида вольфрама:

• Использование карбида другого тугоплавкого металла (ванадия, гафния, циркония, хрома, тантала и т. д.).
• Применение альтернативных твердых металлов (борида, нитрида, силицида).

Связующим металлом являются никель и болибден в пропорции 80 на 20%.

Основные свойства

У таких сплавов выделяют несколько основных свойств:

— износостойкость,

— твердость,

— прочность,

— тугоплавкость,

— жаропрочность,

— жаростойкость.

Каждая из групп твердых сплавов (ВК, ТК, ТТК) имеет свои свойства.

В ВК основную роль играет размер зерен карбида вольфрама. Например, увеличение размера приводит к уменьшению твердости. При этом вязкость материала и прочность на изгиб значительно повышаются (только если кобальт и вольфрам присутствуют в равном количестве).

Если сравнить сплавы ТК и ВК, то у первых ниже прочность на изгиб, показатели вязкости, а также электро- и теплопроводность. В то же время у сплавов группы ТК выше твердость, лучше характеристики жаропрочности и стойкости к окислению.

Когда в сплав добавляются карбиды титана и тантала (ТТК), это повышает его прочность на изгиб (если сравнивать с ТК).

Твердые сплавы обладают такими характеристиками, которые позволяют обойтись без нагрева при обработке будущих деталей методом давления. При необходимости можно довольно легко и очень надежно произвести сварку заготовок из сплава. Но другие механические способы воздействия предполагают снижение скорости обработки. В противном случае произойдет быстрое нагартовывание.

Какие существуют марки твердых сплавов?

Наиболее широкое распространение среди вольфрамосодержащих сплавов получили марки ВК, ТК и ТТК. Их формирование происходит следующим образом: В — карбид вольфрама, Т — карбид титана, КНТ — карбонитрид титана, ТТ — карбиды таланта и титана, К — кобальт, Н — никель.

Пояснение: ТТ — общее содержание карбидов таланта и титана; цифры, расположенные после букв, говорят о соотношении веществ в процентах; количество карбида вольфрама определяют по разности и в маркировке не указывается.

Далее в таблице подробной указан хим. состав наиболее востребованных марок сплавов.

Плюсы и минусы твердых сплавов

Достоинства:

• обладают высокими характеристиками прочночти,
• имеют отличные показатели по сопротивлению к изнашиваемости и твердости,
• отличаются прекрасными свойствами по использованию в условиях критических температур (жаростойкости и жаропрочности),
• их сложно расплавить (тугоплавкость).

Недостатки:

• плохо переносят ударные нагрузки и обладают меньшими показателями вязкости (если сравнивать с быстрорезами),
• карбид вольфрама очень дорог, что ведет к дороговизне сплавов.

Где применяются?

Если сравнивать частоту использования литых и спеченных ТС, то первые применяются намного реже. Чаще всего их используют в изготовлении буровых инструментов и специальных фильер (формы для продавливания веществ с высокой пластичностью).

Спеченные ТС обычно становятся главным сырьем для:

— элементов машин, испытывающих значительные нагрузки,

— инструментов для горной промышленности (буровые головки),

— штампов,

— изделия для резания металла (резцы),

— приспособлений для калибровки, волочения и т. д.

В целях экономии инструменты никогда не делают целиком из твердых сплавов. Для достижения поставленных задач достаточно сделать режущие накладки или детали для самых нагруженных узлов!