Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы — это металлические материалы, состоящие из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов) и металлической связки, обладающие высокой твёрдостью, износостойкостью и жаропрочностью. Основу твёрдых сплавов составляют карбиды вольфрама, титана, тантала, ниобия, хрома, а также кубический нитрид бора. В качестве связующего компонента чаще всего используются кобальт, никель, железо или их сплавы. Твёрдые сплавы применяются для изготовления режущего инструмента, штампов, буровых коронок, деталей, работающих в условиях абразивного износа и высоких температур.

История

Первые промышленные твёрдые сплавы были созданы в начале XX века. В 1907 году немецкий химик Карл Шрётер получил карбид вольфрама (WC) и предложил использовать его в качестве абразива. В 1923 году немецкая компания Krupp (ныне ThyssenKrupp) разработала сплав Widia (от немецкого «wie Diamant» — «как алмаз»), состоящий из карбида вольфрама и кобальта. Этот материал впервые был применён для изготовления волочильных фильер и резцов.

В 1929 году в СССР начались работы по созданию собственных твёрдых сплавов. В 1931 году на Московском комбинате твёрдых сплавов (ныне ПАО «Московский комбинат твёрдых сплавов») был освоен выпуск сплавов марок ВК (вольфрам-кобальт) и ТК (титан-вольфрам-кобальт). В 1938 году в США компания General Electric (организация признана иноагентом в РФ) представила сплав Carboloy, легированный титаном для повышения износостойкости при обработке стали.

Во второй половине XX века развитие получили безвольфрамовые твёрдые сплавы (на основе карбида титана, нитрида титана, карбонитрида титана) и сплавы с кубическим нитридом бора (CBN). В 1970-х годах в СССР были разработаны сплавы марок ТН (титан-никель) и КНТ (карбид ниобия-титан). Современные технологии включают наноструктурированные твёрдые сплавы с размером зёрен карбидной фазы менее 0,5 мкм, что позволяет повысить износостойкость на 30–50 % по сравнению с традиционными материалами.

Классификация

Твёрдые сплавы классифицируются по нескольким признакам.

По химическому составу

• Вольфрамовые (WC-Co) — на основе карбида вольфрама с кобальтовой связкой (марки ВК, КВ, WIDIA). Обладают высокой твёрдостью (до 92 HRA) и прочностью на изгиб (до 2500 МПа). Применяются для обработки чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов.
• Титано-вольфрамовые (WC-TiC-Co) — содержат карбиды вольфрама и титана (марки ТК, ТТК). Более износостойки при высоких температурах, чем вольфрамовые, но менее прочны. Используются для обработки стали.
• Тантало-вольфрамовые (WC-TaC-Co) — легированы карбидом тантала (марки ВТ, ТТ). Устойчивы к термическим ударам и окислению. Применяются для черновой обработки и прерывистого резания.
• Безвольфрамовые (TiC-Ni, TiCN-Ni, TiN-Ni) — на основе карбида, нитрида или карбонитрида титана с никелевой или никель-молибденовой связкой (марки ТН, КНТ, НТ). Дешевле вольфрамовых, но уступают им по прочности. Используются для чистовой обработки.
• На основе кубического нитрида бора (CBN) — композиты, состоящие из зёрен CBN (кубический нитрид бора) и керамической или металлической связки (марки ПТНБ, Эльбор). По твёрдости близки к алмазу, но химически инертны к железу. Применяются для обработки закалённых сталей и чугунов.

По способу производства

• Спечённые — порошковая металлургия: смесь порошков карбидов и связки прессуется и спекается при температуре 1300–1600 °C. Самый распространённый тип.
• Литьём — расплавленная смесь заливается в форму. Используется редко, обычно для крупных деталей (например, валков прокатных станов).
• Наплавленные — нанесение на поверхность детали слоя твёрдого сплава методом газопламенного или плазменного напыления. Применяется для восстановления изношенных деталей.

По назначению

• Режущие — для токарных, фрезерных, сверлильных инструментов (резцы, фрезы, свёрла, развёртки).
• Штамповые — для штампов холодного и горячего деформирования (пуансоны, матрицы).
• Буровые — для буровых коронок, долот, шарошек.
• Износостойкие — для деталей, работающих в абразивной среде (направляющие, сопла пескоструйных аппаратов, детали насосов).

Устройство и структура

Твёрдые сплавы представляют собой композиционный материал, в котором твёрдая фаза (карбиды, нитриды) распределена в пластичной металлической матрице (связке). Структура характеризуется следующими параметрами:

• Размер зёрен карбидной фазы — от 0,1 до 10 мкм. Мелкозернистые сплавы (0,1–0,5 мкм) обладают повышенной твёрдостью и износостойкостью, но меньшей прочностью. Крупнозернистые (3–10 мкм) — более прочные, но менее твёрдые.
• Содержание связки — от 3 до 30 % по массе. Чем больше связки, тем выше прочность на изгиб и ударная вязкость, но ниже твёрдость и износостойкость.
• Пористость — в качественных сплавах не превышает 0,1–0,5 %. Повышенная пористость снижает механические свойства.

Микроструктура твёрдых сплавов изучается с помощью оптической и электронной микроскопии. Для повышения эксплуатационных характеристик применяются покрытия (нитрид титана, карбонитрид титана, оксид алюминия), наносимые методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы) или PVD (физическое осаждение из газовой фазы).

Применение

Твёрдые сплавы используются в различных отраслях промышленности:

• Металлообработка — режущий инструмент для токарных, фрезерных, сверлильных, расточных операций. Около 60 % всех твёрдых сплавов применяется для изготовления резцов и фрез.
• Горнодобывающая промышленность — буровые коронки, долота, шарошки для бурения скважин, проходки горных выработок.
• Машиностроение — штампы для холодной и горячей штамповки, пресс-формы для литья под давлением, детали насосов и компрессоров.
• Нефтегазовая отрасль — уплотнительные кольца, клапаны, сопла эжекторов, работающие в абразивных средах.
• Электроника — подложки для микросхем, контакты, электроды.
• Медицина — хирургические инструменты (скальпели, ножницы, зажимы), имплантаты (например, тазобедренные суставы).

Примеры марок

В России и странах СНГ распространены следующие марки твёрдых сплавов (по ГОСТ 3882-74):

• ВК6 — 6 % кобальта, 94 % карбида вольфрама. Для чистовой обработки чугуна и цветных металлов.
• ВК8 — 8 % кобальта. Для черновой обработки, бурения.
• Т15К6 — 15 % карбида титана, 6 % кобальта, остальное — карбид вольфрама. Для обработки стали.
• ТТ20К9 — 20 % карбида титана и тантала, 9 % кобальта. Для тяжелых условий резания.
• ТН20 — безвольфрамовый сплав на основе карбида титана с никелевой связкой. Для чистовой обработки.

Интересные факты

• Твёрдость твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама достигает 92–93 HRA (шкала Роквелла), что лишь немного уступает алмазу (100 HRA).
• Первый твёрдый сплав Widia в 1920-х годах стоил в 10 раз дороже золота из-за сложности производства.
• В СССР в 1960-х годах был разработан сплав «ВК10М» с мелкозернистой структурой (0,2–0,5 мкм), который использовался для изготовления резцов для обработки титановых сплавов.
• Современные твёрдые сплавы могут выдерживать температуры до 1200 °C без потери твёрдости, что позволяет использовать их для скоростного резания (до 1000 м/мин).

Источники

• ГОСТ 3882-74 «Сплавы твердые спеченные. Марки» (с изменениями).
• Третьяков А. В. «Твёрдые сплавы: структура, свойства, технология». — М.: Металлургия, 1987.
• Кипарисов С. С., Левинский Ю. В. «Порошковая металлургия твёрдых сплавов». — М.: Металлургия, 1980.
• Справочник «Твёрдые сплавы» под редакцией И. Н. Францевича. — Киев: Наукова думка, 1978.
• Материалы научно-технического журнала «Порошковая металлургия» (выпуски 1970–2020 гг.).