Сплав с круглой формой карбидов - экспериментальный

Сплав с круглой формой карбидов — экспериментальный

Читайте обзор структуры, свойств и условий работы основных групп твердых порошковых сплавов, а также о закономерностях изменения механических и эксплуатационных свойств твердых порошковых сплавов с точки зрения металловедения.

Обзор структуры, свойств и условий работы основных групп твердых порошковых сплавов

Механообрабатывающее производство использует твердосплавных инструментов около 35%. Но с помощью таких инструментов снимается около 70% стружки, т. к. эффективность твердосплавной обработки в 3-5 раз больше в сравнении с обработкой быстрорежущими сталями (БРС). При стандартной, цеховой температуре твердые сплавы обладают характерной для них высокой твердостью. Если технологическая температура обработки повышается, твердость начинает снижаться, но и в подобной ситуации она все же больше, чем у быстрорежущих сталей. Для твердосплавного инструмента характерен повышенный предел прочности в момент сжатия (около 6 ГПа) и модуль упругости (от 500 до 700 ГПа). Наравне с этим они обладают относительно небольшой прочностью при изгибающих нагрузках, по сравнению с быстрорезами. Но этот недостаток, в случаях когда это необходимо, компенсируется за счет регулирования размеров инструмента.

Благодаря сочетанию механических и физико-химических свойств, инструменту из твердых сплавов характерны высокие показатели пределов прочности и упругости, увеличенная стойкостью ко всем видам изнашивания, что позволяет значительно увеличить эффективность переработки стальных и чугунных сплавов, тяжелообрабатываемых материалов и цветных металлов. Рассмотрим основные группы твердых сплавов и их свойств с точки зрения металловедения.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы

Вольфрамокобальтовый сплав дает максимальный экономический и технологический эффект при переработке чугуна, фарфора, стеклопластика, цветных металлов, тяжелообрабатываемых материалов (это стали с максимальной прочностью или сплавы с высокими жаропрочными свойствами, в основе которых есть титан (Ti) и никель (Ni)), то есть материалов, образующих элементную стружку. ВКЗ — сплав с незначительной концентрацией связующего материала — кобальта (по маркировке 3%Co). Обладает устойчивостью к износу, но имеет невысокую прочность. Применим для чистовой обработки на предельных скоростях резания, для снимаемого слоя металла рекомендуется минимальная толщина, чтобы не создавать высоких нагрузок на кромку. ВК8 — сплав используется для черновой обработки на уменьшенных скоростях и нагрузках при ударе. Из-за большего содержания кобальта (8%Со), сплав обладает меньшей хрупкостью и более высокой пластичностью и вязкостью. Снимаемый слой может быть гораздо больше, чем при использовании сплава ВК3.

При аналогичной концентрации кобальта физические, механические и режущие свойства инструмента находятся в прямой зависимости от дисперсности (размера фракции) карбидной фазы, главным образом от размера фракции карбида вольфрама. За счет разработанных технологических способов, возможно производство твердосплавных материалов с фракцией карбидных включений размером от доли до десяти-пятнадцати мкм. В качестве примера можно привести сплав ВК10–ХОМ. Этот материал значительно мелкозернистый вольфрамокобальтовый сплав, который успешно используется при чистовой обработке жаропрочных материалов. Он обладает высокой стойкостью при пластических искажениях и высоком температурном режиме обработки.

Повышение эксплуатационных свойств карбидной и карбонитридной связки является перспективным направлением увеличения эффективности твердых сплавов. Так для получистовой и черновой обработки используется сплав ВРК15, обладающий кобальторениевой связующей фазой. Он характеризуется максимальной устойчивостью к износу, высокой прочностью при высоких температурах резания и минимальной адгезией к обрабатываемым материалам. Инструменты из ВРК15 повышают КПД обработки в 1,5 раза относительно сплава ВК10-ХОМ.

Вольфрамовый твердосплавный режущий инструмент высокоэффективен при переработке чугуна и цветных металлов, но имеет недостаточную устойчивость к износу и эффективность при обработке конструкционных сталей и сталей специального назначения. Эта проблема разрешилась путем добавления в сплав при спекании карбидов тантала и титана. Последний относится к более перспективным, потому что более дешевый. Тантал относится к малораспространенным металлам и соответственно является более дорогим.

Титановольфрамовые сплавы

Титановольфрамовые сплавы, если сравнивать с ВК сплавами, имеют более высокую устойчивость к окислительным процессам, имеют большую теплоустойчивость и твердость, но одновременно с этим имеют пониженные модуль упругости (из-за более высокой твердости карбида титана), электро- и теплопроводность.

Стандартные ТК сплавы классифицируются по составу, который определяется условиями их использования. В них содержится от 5 до 30% карбида титана, кобальта от 4 до10%. Это сплавы марок Т5К10, Т14К8, Т15К6 и др. В сплавах ТК, подобно WC–Co сплавам, с повышением концентрации кобальта повышается вязкость и предел прочности при сжатии. У сплавов, имеющих схожую концентрацию кобальта и имеющих одинаковые фракции карбидных включений, при повышении концентрации TiC вязкость, предел прочности на изгиб и сжатие и модуль упругости снижаются.

С учетом этого изменяются и режущие характеристики сплавов:

  • Снижается устойчивость к износу сплавов при увеличении концентрации кобальта
  • Растет устойчивость к износу и снижается прочность во время эксплуатации при повышении концентрации TiC

Соответственно сплавы Т15К6 и ТЗОК4 с характерным предельным запасом пластической прочности, используются при получистой и чистовой переработке стали на предельной скорости резания и с незначительными на инструмент нагрузками. Сплавы Т5К12 и Т5К10, обладающие высокой концентрацией кобальта и увеличенным запасом прочности, используются для работы на сниженных скоростях резания и с утяжеленными ударными нагрузками.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы

За счет добавления карбида тантала (TaC) сплавы приобретают улучшенные механические, физические, эксплуатационные свойства: увеличивается твердость, прочность во время изгиба при повышенных и стандартных температурных режимах. За счет присутствия карбида тантала, у сплавов уменьшается ползучесть, сильно повышается предел усталости 3х-фазных сплавов во время цикличных нагрузок, повышается термоустойчивость и стойкость к окислительным реакциям на воздухе.

ГОСТ 3882-74 предусматривает следующие сплавы этой группы: ТТ10К8Б, ТТ7К12, Т8К7, ТТ8К6, ТТ20К9, концентрация карбида тантала (TaC) составляет 2-12%.

При изучении характеристик ТТК сплавов было обнаружено, что растет устойчивость к износу при резании, если увеличивается концентрация TaC. Сплавы ТТК рекомендовано использовать при резании тяжелообрабатываемых материалов, при серьезных термомеханических нагрузках на инструмент и резании в прерывистом режиме, например при фрезеровании, для которого характерны изменяющееся сечения среза и нагрузки циклического и термического характера.

Танталсодержащими сплавами считаются «МС-сплавы», производство которых осваивалось по лицензии, приобретенной у компании «Sandvik Coromant».

Режущие характеристики сплавов МС имеют максимальную надежность, если сравнивать их с типичными сплавами, благодаря более стабильным механическим и физическим свойствам. Цена на МС сплавы выше на 40-60 процентов, но этот факт компенсируется повышенной стабильностью режущих качеств и надежностью при эксплуатации инструментов.

Безвольфрамовые твердые сплавы

Основные компоненты сплавов (Со и W) являются редкими, поэтому мировые производители ведут разработки по производству альтернативных умеренно-легированных сплавов, в которых не содержится или содержится в незначительных количествах вольфрам. Такие сплавы называются безвольфрамовые. Изготовление сплавов, в основе которых никель-молибденовая связка (КНТ16 и ТН20) и карбидонитриды и карбиды титана, является многообещающим направлением. В ТН20 сплаве содержится никеля 15% и молибдена 6%, остальное карбид титана, а в сплаве КНТ16 содержится никеля 19,5% и молибдена 6,5%, остальное приходится на карбонитрид титана.

Для сплавов характерны высокая прочность, окалиностойкость, минимальный коэффициент трения при обработке стали, уменьшенная адгезия  низкий износ рабочей части инструмента. После обработки, сталям характерны низкая шероховатость и повышенная точность размеров.

Сплав с пластинчатой формой карбидов - твердый танталотитаносвольфрамовый сплав

Сплав с пластинчатой формой карбидов — твердый танталотитановольфрамовый сплав

Характерные свойства безвольфрамовых сплавов определяют область их использования. Они применяются для получистовой и чистовой обработки на максимальных скоростях резания и небольших сечениях среза. На таких режимах обработки эти сплавы можно использовать взамен титанвольфрамовому инструменту. Чаще безвольфрамовые сплавы используются в качестве многогранных резервных пластин, потому что в процессе переточки и напайки, за счет минимальной теплопроводности возникают внутренние напряжения, в результате чего на пластинах образуются трещины, снижается стойкость при эксплуатации. Но и эта проблема может быть решена при правильно подобранных технологических режимах ремонта, поэтому развитие этих сплавов имеет огромный потенциал.

Закономерности изменения механических и эксплуатационных свойств твердых порошковых сплавов с точки зрения металловедения

Порошковые твердые сплавы – это спеченная смесь оптимально подобранных химических элементов. В ее состав входят прочные тугоплавкие компоненты, имеющие низкую эксплуатационную термостойкость (карбиды и карбонитриды вольфрама, титана, тантала), сочетающиеся с пластичным цементирующим (связующим) компонентом: кобальт (Co), никель (Ni, реже молибден (Мо). Уникальные свойства по износостойкости, прочности, пластичности, адгезии и размерной стабильности инструмента обеспечиваются несколькими характеристиками сплавов:

  1. Связующий или цементирующий компонент. Значимость этой характеристики невысока, но от нее в первую очередь зависят пластические и динамические свойства инструмента (KCU – ударная вязкость, E — модуль упругости, предел прочности). Чем больше в химическом составе связующего компонента, тем выше его пластичность и ниже твердость, а соответственно и износостойкость.
  1. Количественный состав карбидов и карбонитридов (упрочняющая фаза твердых сплавов) — одна из главных характеристик инструмента, обеспечивающих его режущие свойства. Чем больше в составе карбидной или карбонитридной фазы, тем выше твердость и износостойкость. При повышении твердости инструмента снижаются характеристики пластичности и повышается хрупкость, что негативно сказывается на эксплуатационных свойствах инструмента в целом, особенно на способности эффективно работать в условиях термомеханических и знакопеременных нагрузок.
  1. Геометрия и размер упрочняющей фазы. Карбиды и карбонитриды могут иметь округлую форму и форму многогранников. От геометрии упрочняющей фазы зависит твердость, прочность и хрупкость инструмента. Округлая форма включений обеспечивает высокие прочностные, антифрикционные свойства инструмента и низкую шероховатость обрабатываемого материала, но при этом инструмент имеет относительно невысокую износостойкость. Пластины карбидной фазы с острыми кромками в микроструктуре сплава — это концентраторы напряжений, которые являются потенциальными местами зарождения и развития трещины. Причем вероятность трещинообразования сильно возрастает при высоких циклических и температурных нагрузках на инструмент. Инструмент с пластинчатой формой упрочняющей фазы имеет более высокую твердость и износостойкость, но меньшую упругость и пластичность. Размер карбидных включений также, как и форма, влияет на весь комплекс механических свойств инструмента. Крупный размер карбидной фазы снижает износостойкость, твердость и повышает комплекс пластических характеристик сплава. На фото показаны микроструктуры сплава с округлой (близкой к округлой) формой карбидов и пластинчатой формой карбидов.

Все вышеперечисленные закономерности характерны для всех металлических сплавов с карбидным, карбонитридным и интерметаллидным упрочнением, в т.ч. и для быстрорежущих сталей.

  1. Качественный состав упрочняющей фазы, т. е. химический состав ее компонентов. По этому признаку твердые сплавы делятся на следующие основные группы:
  • ТК (титановольфрамовые на кобальтовой основе) WC–TiC–Co
  • ВК (вольфрамовые на кобальтовой основе) WC–Со
  • БВТС (безвольфрамовые) на основе TiС, TiCN с разными связками
  • ТТК (титанотанталовольфрамовые на кобальтовой основе) WC–TiC–TaC–Co

Последняя группа сплавов имеет в своей структуре т.н. карбиды смешанного типа. Дело в том, что при спекании, карбид титана и тантала полностью взаимно растворяются друг в друге и частично растворяются в карбиде вольфрама. При этом образуется несколько упрочняющих фаз сплава. Экспериментально установлено, что по сравнению с однофазным упрочнением, сплавы с карбидами смешанного типа имеют болле высокие режущие свойства при всех режимах обработки и типах нагружения инструмента.

Вообще, по увеличению степени полезного влияния на режущие характеристики инструмента, в первую очередь на совместное увеличение износостойкости, твердости и динамических характеристик (KCU), карбиды можно расположить следующим образом:

карбид вольфрама (WC) – карбид титана (TiC) – карбид тантала (TaC)

Карбиды смешанного типа могут располагаться до и после карбида тантала, т.к. их свойства могут изменяться в зависимости от концентрации химических элементов.

Химический состав сплава является определяющим фактором при выборе инструмента для определенных условий обработки и обрабатываемого материала.

На сегодняшний день, главной задачей всех инструментальных производителей является разработка сплавов с одновременно высокими показателями твердости, упругости, прочности, пластичности, ударной вязкости, высокими адгезионными и антифрикционными свойствами. При этом немаловажным дополнительным качеством инструмента, должна являться его низкая стоимость. Это требование заставляет производителей разрабатывать инструментальные материалы из широко распространенных и дешевых металлов, при использовании современных технологий формо- и структурообразования.

Петров Алексей, автор проекта
«Металловедение и термическая обработка металлов.
Техника и технологии
»



Понравилась статья? Поделитесь: