Твёрдый сплав

Твёрдый сплав — это металлокерамический композиционный материал с высокой твёрдостью, износостойкостью и жаропрочностью, состоящий из тугоплавких карбидов, нитридов или боридов, соединённых металлической связкой. Основу твёрдых сплавов составляют карбиды вольфрама (WC), титана (TiC), тантала (TaC), ниобия (NbC), а также карбонитриды титана (TiCN). В качестве связующего материала чаще всего используются кобальт (Co), никель (Ni) или их сплавы. Твёрдые сплавы обладают уникальным сочетанием свойств: они сохраняют твёрдость при нагреве до 800–1000 °C, что недоступно для инструментальных сталей, и обеспечивают высокую производительность обработки материалов.

История

Предпосылки создания

До начала XX века основным материалом для режущего инструмента служили углеродистые и быстрорежущие стали. С ростом механизации и появлением новых конструкционных материалов (легированных сталей, чугунов) возникла потребность в более твёрдых и износостойких материалах, способных работать при высоких температурах резания.

Первые разработки

В 1914 году немецкий инженер Карл Шрётер получил патент на способ изготовления карбида вольфрама с кобальтовой связкой. Однако практическое применение началось после 1923 года, когда компания Friedrich Krupp AG (Германия) запустила промышленное производство сплава под торговой маркой «Widia» (от нем. wie Diamant — «как алмаз»). Этот материал представлял собой карбид вольфрама с 6–10 % кобальта и по твёрдости приближался к алмазу.

Развитие в СССР

В Советском Союзе первые твёрдые сплавы были разработаны в 1929–1930 годах в Государственном институте прикладной химии (ГИПХ) под руководством профессора В. В. Скобельцына. Промышленное освоение началось в 1931 году на Московском заводе твёрдых сплавов (ныне — ОАО «Московский комбинат твёрдых сплавов»). Отечественные сплавы получили маркировку ВК (вольфрам-кобальт), ТК (титан-вольфрам-кобальт) и ТТК (титан-тантал-вольфрам-кобальт).

Современный этап

Во второй половине XX века были разработаны безвольфрамовые твёрдые сплавы (на основе карбидов титана, ниобия, молибдена), а также наноструктурированные и керметные материалы. В 1970-х годах появились сплавы с покрытиями из нитрида титана (TiN), карбонитрида титана (TiCN) и оксида алюминия (Al₂O₃), наносимыми методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) или физического осаждения (PVD).

Классификация

По химическому составу

Твёрдые сплавы делятся на три основные группы:

• Вольфрамовые (WC-Co) — состоят из карбида вольфрама и кобальта. Маркируются буквой В (вольфрам) и К (кобальт), например: ВК6, ВК8, ВК10. Цифра указывает на содержание кобальта в процентах. Обладают высокой прочностью и ударной вязкостью, применяются для обработки чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов.
• Титановольфрамовые (WC-TiC-Co) — содержат карбиды вольфрама и титана, связанные кобальтом. Маркируются буквами Т (титан) и К (кобальт), например: Т15К6, Т30К4. Цифра после Т — содержание карбида титана, после К — кобальта. Обладают повышенной твёрдостью и износостойкостью при обработке сталей.
• Титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co) — дополнительно содержат карбид тантала (или ниобия), что повышает жаропрочность и стойкость к термическим ударам. Маркируются буквами ТТ, например: ТТ7К12, ТТ20К9.

По назначению

• Режущие — для токарных, фрезерных, сверлильных и других операций. Основная группа.
• Горные — для буровых коронок, долот, проходческих комбайнов. Отличаются повышенной ударной вязкостью.
• Штамповые — для вытяжки, вырубки, холодной и горячей штамповки.
• Износостойкие — для деталей, работающих в условиях абразивного износа (сопла, фильеры, направляющие).

По способу производства

• Спечённые (порошковая металлургия) — основной метод. Смесь порошков карбидов и связки прессуют и спекают при 1300–1500 °C.
• Литье — применяется редко, для некоторых безвольфрамовых сплавов.
• Напыление — нанесение покрытий на стальные или твёрдосплавные основы.

Устройство и свойства

Структура

Твёрдый сплав представляет собой композит, в котором твёрдые и тугоплавкие карбидные зёрна (размером 0,5–5 мкм) равномерно распределены в пластичной металлической матрице (связке). Связка обеспечивает прочность и ударную вязкость, а карбиды — твёрдость и износостойкость. Объёмное содержание связки обычно составляет 3–30 %.

Основные свойства

• Твёрдость — по шкале Роквелла (HRA) 85–93, по Виккерсу (HV) 1200–2000 кгс/мм². Максимальная твёрдость достигается при минимальном содержании связки.
• Плотность — 11–15 г/см³ (для вольфрамовых сплавов), 5–8 г/см³ (для безвольфрамовых).
• Предел прочности на изгиб — 800–2500 МПа. Зависит от состава: чем больше кобальта, тем выше прочность.
• Теплопроводность — 20–100 Вт/(м·К). У вольфрамовых сплавов выше, чем у титановых.
• Температура начала размягчения — 800–1000 °C. Выше этого порога связка теряет прочность, и сплав деградирует.

Покрытия

Для повышения ресурса инструмента на твёрдосплавные пластины наносят одно- или многослойные покрытия толщиной 2–15 мкм. Наиболее распространены:

• TiN (нитрид титана) — золотистый цвет, снижает трение.
• TiCN (карбонитрид титана) — серо-голубой, высокая износостойкость.
• Al₂O₃ (оксид алюминия) — белый, термостойкость до 1200 °C.
• TiAlN (нитрид титана-алюминия) — тёмно-фиолетовый, для высокоскоростной обработки.

Применение

Металлообработка

Твёрдые сплавы — основной инструментальный материал в машиностроении. Из них изготавливают:

• Сменные многогранные пластины для токарных резцов, фрез, свёрл.
• Цельные концевые фрезы, сверла, развёртки.
• Резьбовые гребёнки, протяжки, зенкеры.

Твёрдосплавный инструмент позволяет обрабатывать стали (включая нержавеющие и жаропрочные), чугуны, цветные сплавы, титан, композиты и керамику. Скорости резания при использовании твёрдых сплавов в 3–10 раз выше, чем для быстрорежущей стали.

Горное дело и бурение

В горной промышленности твёрдые сплавы применяются для армирования буровых коронок, шарошечных долот, резцов проходческих комбайнов. Сплавы марок ВК8, ВК10, ВК15 обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью к абразивному износу.

Штампы и пресс-формы

Из твёрдых сплавов изготавливают матрицы, пуансоны, вставки для вытяжки, вырубки, холодной штамповки. Они обеспечивают точность размеров и долговечность (до 10–100 раз выше, чем у стальных).

Износостойкие детали

Твёрдые сплавы используются для изготовления:

• Сопел пескоструйных аппаратов.
• Фильер для волочения проволоки.
• Направляющих втулок, клапанов, седел.
• Деталей насосов, работающих в абразивных средах.

Другие области

• Военная техника (бронебойные сердечники).
• Медицинский инструмент (сверла, фрезы для костной ткани).
• Ювелирное дело (инструмент для обработки драгоценных камней).

Основные производители

Крупнейшими мировыми производителями твёрдых сплавов являются:

• Sandvik Coromant (Швеция) — лидер по выпуску режущего инструмента.
• Kennametal (США) — специализируется на горном и металлообрабатывающем инструменте.
• Iscar (Израиль) — известен инновационными геометриями пластин.
• Mitsubishi Materials (Япония) — производит широкий спектр твёрдосплавных марок.
• Element Six (Великобритания) — подразделение De Beers, выпускает поликристаллические алмазы (PCD) и кубический нитрид бора (CBN), которые часто конкурируют с твёрдыми сплавами.

В России основными производителями являются:

• ПАО «Кировградский завод твёрдых сплавов» (КЗТС, Свердловская область).
• ОАО «Московский комбинат твёрдых сплавов» (МКТС).
• ООО «Вириал» (Санкт-Петербург) — специализируется на безвольфрамовых сплавах.
• АО «Победит» (Владикавказ) — выпускает сплавы для горной техники.

Интересные факты

• Название «победит» (советский аналог «видиа») происходит от слова «победа» — так маркировали первые отечественные твёрдые сплавы.
• Твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама — самые тяжёлые из всех конструкционных материалов (плотность до 15,6 г/см³, что близко к плотности урана).
• В 2020-х годах активно развиваются нанокристаллические твёрдые сплавы с размером зёрен менее 0,2 мкм, что позволяет повысить твёрдость до 2200 HV без снижения вязкости.
• Рециклинг твёрдых сплавов (извлечение вольфрама и кобальта из отработанного инструмента) экономически выгоден: вольфрам — стратегический металл, его мировые запасы ограничены.

Источники

• Третьяков В. И. Основы металловедения и технологии производства твёрдых сплавов. — М.: Металлургия, 1976.
• Кипарисов С. С., Левинский Ю. В., Петров А. П. Порошковая металлургия твёрдых сплавов. — М.: Металлургия, 1990.
• ГОСТ 3882-74 (ИСО 513-75). Сплавы твёрдые спечённые. Марки.
• Энциклопедия машиностроения. Том II-5. Инструментальные материалы. — М.: Машиностроение, 2005.
• Sandvik Coromant. Technical Guide: Hard Materials. — Sandvik, 2018.
• Kennametal. Turning and Milling Technical Data. — Kennametal Inc., 2020.