Металлокерамические твердые сплавы структура и свойства

Металлокерамические твердые сплавы: структура и свойства

Металлокерамические твердые сплавы — это композитные материалы, где твердая керамическая фаза (карбиды, нитриды, borиды) равномерно находится в металличеcком связующем. Такое сочетание даёт не только твердость поверхности, но и достаточную прочность на изгиб за счёт металла, что особенно ценно для режущих инструментов и рабочих деталей, работающих в условиях высокой износостойкости и тепловой нагрузки.

Структура и фазы

Главные элементы структуры — твердый фазовый каркас и металлический связующий слой. В цементированных карбидах доминирует WC (карбид вольфрама) в сочетании с коактивным связующим, чаще всего кобальтом (WC-Co) или никелем/железом. В качестве альтернативы применяют TiC, NbC, TaC в сочетании с никелевыми или железными связующими (TiC-Ni, NbC-Ni и т. д.). Эти сочетания формируют микроструктуру из carbide grains, окружённых связующим, и порой включают дополнительные фазовые участки, которые регулируют прочность и жаростойкость.

• Твердый фазовый компонент: карбиды и нитриды (WC, TiC, NbC, TaC и др.).
• Связующий компонент: Ni, Co, Fe или их сплавы.
• Пористость и границы зерен: их размер, форма и распределение существенно влияют на механические свойства.

Микроструктура и влияние зернового размера

Микроструктура определяется размером кристаллических карбидных зерён и распределением связующего вокруг них. Мелкозернистые структуры обычно обеспечивают более высокую твердость, но могут снижать ударную вязкость. Увеличение зерна к carbides снижает прочность при ударе, но повышает прочность на износ и термостойкость. Растворение и перерывы в связующем на границах зерен влияют на терморегулируемость и стабильность формы при высоких температурах.

Классификация по типу связующего и твердофазной системе

С точки зрения состава выделяют две основные группы:

• Цементированные карбиды (cemented carbides) — карбидная фаза в связующем металле, чаще WC в Co или Ni. Применение: режущие инструменты, сверла, штампы. Эти материалы отличаются исключительной твердостью поверхности и хорошей износостойкостью.
• Металлокерамические керамтоиды (cermets) — сочетание твердых карбидов ( TiC, NbC, TaC ) с более пластичным никелиевым или железным связующим. Обеспечивают лучший баланс прочности и стойкости к трещинообразованию по сравнению с классическими цементированными карбидами при более высоких температурах.

Свойства и связанные с ними trade-off

Основная параллель между структурой и свойствами такая: чем прочнее связующий каркас и чем мельче зерно карбидной фазы, тем выше твердость и износостойкость. Но это же может снизить ударную вязкость и жаростойкость при резком нагружении. В зависимости от состава и метода обработки можно подобрать оптимальный компромисс:

• Высокая твердость и износостойкость — в сочетании с умеренной ударной вязкостью; характерно для WC-Co.
• Улучшенная жаростойкость и сопротивление трещиностойкости — для TiC/Ni и подобных керамико-металлических композитов.
• Тепловая стабильность и химическая стойкость — достигаются за счёт выбора niobium и танталовых карбидов в связующем.

Производство и обработка

Ключ к получению требуемой микроструктуры — технология порошковой металлургии. Этапы включают приготовление пудрингов карбидной фазы и металла-носителя, смешение, формование и спекание под высоким давлением и температурой. Часто применяют горячее изостатическое прессование (HIP) и последующую термоконтрольную обработку для стабилизации зерна и удаления пористости. Дополнительные элементы-ингибиторы роста зерна позволяют сохранить мелкую структуру при нагреве.

Примеры и области применения

• — резка и обработка твёрдых материалов, слепокование, инструментальная твердость, буровые и сверлильные изделия. Отличаются сочетанием высокой твердости поверхности и хорошей прочности на изгиб.
• — резцы, шлифовальные круги, инструменты для резки материалов с высокой тепловой нагрузкой. Обладают лучшей устойчивостью к термоудару и термоокислению по сравнению с классическими цементированными карбидами.
• Композиции на основе NbC, TaC с Ni/Fe-связующим применяются там, где критична термостойкость и стойкость к диффузии в углеводородной или металлообработке.