Твёрдые сплавы в настоящее время являются распространенным инструментальным материалом, широко применяемым в инструментальной промышленности. За счет наличия в структуре тугоплавких карбидов твёрдосплавный инструмент обладает высокой твёрдостью HRA 80-92 (HRC 73-76), теплостойкостью (800-1000°C), поэтому ими можно работать со скоростями, в несколько раз превышающими скорости резания для быстрорежущих сталей. Однако, в отличие от быстрорежущих сталей, твёрдые сплавы имеют пониженную прочность (σ = 1000-1500 МПа), не обладают ударной вязкостью. Твёрдые сплавы нетехнологичны: из-за большой твёрдости из них невозможно изготовить цельный фасонный инструмент, к тому же они ограниченно шлифуются - только алмазным инструментом, поэтому твёрдые сплавы применяют в виде пластин, которые либо механически закрепляются на державках инструмента, либо припаиваются к ним.
Таблица 2. Спечённые твёрдые сплавы, применяемые в современной мировой промышленности
Вольфрам - тугоплавкий твердый металл серого цвета, химический элемент под номером 74 в таблице Менделеева, обладает следующими физическими свойствами: плотность - 19,3 г/см3, температура плавления - 3422°С, температура кипения - более 5500°С.
Среди разнообразной продукции из вольфрама (проволока, прутки, электроды, листы) также широкое применение получил и вольфрамовый порошок. Основные марки порошка вольфрама - ПВН (порошок вольфрамовый низкоактивный), ПВВ (порошок вольфрамовый высокоактивный), ПВТ (порошок вольфрамовый технический), ВП. Данная продукция выпускается в соответствии с ТУ 48-19-72-92 "Порошок вольфрамовый. Технические условия". Средний диаметр зерна для порошка вольфрамового ПВН должен составлять 3,5-6 мкм, ПВВ - 0,8-1,7 мкм, ПВТ - 3,5-6 мкм. При этом не более 40% зерен вольфрама порошка ПВН могут иметь размер более 4 мкм.
Как правило, вольфрамовый порошок служит сырьем для дальнейшего производства компактного вольфрама. Порошок вольфрамовый применяется в качестве легирующей добавки или основного компонента быстрорежущих и инструментальных сталей, а также износостойких и жаропрочных сплавов (например, стеллитов).
Рис. 3. Вид порошка для сплава ВК8 при многократном увеличении
Рис. 4. Деталь, изготовленная из ВК8
Карбид вольфрама - соединение тугоплавкого металла вольфрам (W) с углеродом (C). Всего существует два карбида - WC и W2C. Основными достоинствами карбидов вольфрама являются высокая твердость и тугоплавкость. Карбид WC сохраняет повышенную твердость и при высоких температурах. Карбид вольфрама - основа твердых сплавов типа ВК (вольфрамокобальтовые).
Карбиды вольфрама являются основой для производства различных твердых сплавов. Среди наиболее распространенных твердых сплавов стоит выделить сплавы марки ВК, а именно ВК8. Как правило, твердые сплавы получают методами порошковой металлургии из смеси карбида тугоплавкого металла с порошком металла-связки. Так, например, химическое или механическое смешивание карбида вольфрама с порошком кобальта дает смесь ВК. В дальнейшем проводится прессование смеси и ее спекание для получения твердого сплава.
Вольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбида вольфрама (карбид - химическое соединение металла с углеродом, обладающее весьма высокой твердостью) и кобальта, служащего связкой. Сплав обозначается двумя буквами - ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. Так, ВК8 означает вольфрамокобальтовый сплав с содержанием кобальта 8 % и карбида вольфрама - 92 %. Чем больше в сплаве кобальта, тем он мягче и прочнее. Сплавы вольфрамокобальтовой группы предназначены в основном для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов.
Таблица 3. Свойства вольфрамовых твёрдых сплавов «Вириал» в сравнении со стандартным твёрдым сплавом ВК8
Из смеси ВК8 или ВК6 получают одноименные твердые сплавы, которые содержат 8% и 6% кобальта соответственно.
Химический состав вольфрамо-кобальтовой смеси ВК8 (массовая доля, %): кобальт - 7,5-8,1, кислород, не более – 0,5, углерод общий - 5,30-5,65, углерод свободный, не более – 0,1, железо – 0,3.
Массовая доля основных компонентов пластифицированной смеси (пластификатор ПЭГ): кобальт - 7,3-7,9, кислород, не более – 1,5, углерод общий - 6,5-7,0, углерод свободный – 0,1, железо, не более – 0,3.
Области применения. Изделия из вольфрамовых твердых сплавов находят применение в качестве пар трения подшипников скольжения и торцовых уплотнений, деталей запорной арматуры, штампов, пресс-форм и др. Сплав ВК8 применяется для чернового строгания при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгании, чернового фрезерования, сверления, чернового рассверливания, чернового зенкерования серого чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов. Твердые сплавы группы ВК активно используются при изготовлении бурового и режущего инструмента. Существуют резец ВК8, сверло ВК8; фреза ВК8 и другие режущие инструменты, сделанные с применением твердого сплава ВК. Пластины твердосплавные ВК8 также нашли применение в промышленности.
Титановольфрамокобальтовые сплавы состоят из карбидов вольфрама и титана, сцементированных кобальтом. Марки сплавов обозначаются буквами Т (титан) и К (кобальт). Цифры после букв показывают соответственно содержание карбида титана и кобальта в процентах. Остальная часть состава приходится на карбид вольфрама. С увеличением в сплаве содержания карбида титана прочность его уменьшается, а с увеличением количества кобальта - увеличивается.
Т15К6 - сплав двухкарбидный твердый титано-вольфрамовой группы, по сути - композиционный материал. Массовая доля основных компонентов в смеси порошков, %: карбид вольфрама – 79, карбид титана – 15, карбид тантала – отсутствует, кобальт – 6. Этот сплав наиболее подходит для обработки стали, но без прерывистости резания, т. е. для фрез, для строгания не подходит. Кобальта, отвечающего за прочность, маловато.
Предел прочности при изгибе, Н/мм2 (кгс/ мм2), не менее 1176*(120). Твёрдость, HRA, не менее 90,0. Плотность, х103 кг/м2 (г/см2) = 11,1-11,6.
Применение. Титановольфрамовый твердый сплав Т15К6 предназначен для обработки вязких материалов: стали, латуни. Сплав применяется для обработки материалов резанием – получернового точения при непрерывном резании, чистового точения при прерывистом резании, нарезания резьбы токарными резцами и вращающимися головками, получистового и чистового фрезерования сплошных поверхностей, рассверливания и растачивания предварительно обработанных отверстий, чистового зенкерования, развертывания и других аналогичных видов обработки углеродистых и легированных сталей.
Список использованной литературы:
1. Борисов Ю.С., Кулик A.Я., Мнухин A.С. Газотермическое напыление композиционных порошков. - Л.: Машиностроение, 1985. - 197 с.
2. Казаков В.Г. Тонкие магнитные пленки // Соросовский образовательный журнал, 1997, №1, с. 107-114.
3. Кіндрачук М.В., Лабунець В.Ф., Пашечко М.І., Корбут Є.В. Трибологія: підручник/ МОН. – Київ: НАУ-друк, 2009. – 392 с. (укр). ISBN 978-966-598-609-6.
4. Конструкционные материалы. Под ред. Б.Н. Арзамасова. Москва, изд «Машиностроение», 1990.
5. Материаловедение. А.Е. Лейкин, Б.И. Родин, Москва, 1971, Изд. “Высшая школа”.
6. Мышкин Н.К., Петроковец М.И. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. -368 с. ISBN 978-5-9221-0824-9.
7. Производство и литье сплавов цветных металлов. Юдкин В.С. - М., 1967.
8. Словарь-справочник по трению, износу и смазке деталей машин / В.Д. Зозуля, Е.Л. Шведков, Д.Я. Ровинский, Э.Д. Браун.- Киев: Наукова думка, 1990. - 264 с.
9. Термодинамика сплавов. Вагнер К. - Москва, 1997.
10. Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них - Панов B.C., Чувилин A.M. - МИСИО, 2001.
11. Технология конструкционных материалов. Под ред. А.М. Дальского. – Москва. Изд. «Машиностроение», 1985.
12. Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров. - Москва, 1968, Изд. “Высшая школа”.
13. Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров. - Москва, 1968, Изд. “Высшая школа”.
Для армирования бурового породоразрушающего инструмента используют спеченные вольфрамокобальтовые сплавы марки ВК (табл. 2.25 ).
Преимущества твердых сплавов ВК :
- большая твердость (до 91 HRC)
- высокое сопротивление износу при нагреве до 1000 °С
- неподверженность заметной пластической деформации
- большая прочность на сжатие
- отсутствие упругой деформации.
Недостатки:
- малый предел прочности на изгиб и растяжение
- небольшая ударная вязкость
Спеченный сплав изготавливают из порошковой смеси карбида вольфрама путем прессовки ее в специальных графитовых пресс-формах и спекания при температуре ниже температуры плавления карбидов в соответствии с требованиями ГОСТ 388-74. Цифры в марке сплава соответствуют процентному содержанию кобальта.
Твердость сплава возрастает с увеличением содержания карбида вольфрама и уменьшением размеров его зерен. Предел прочности при изгибе повышается с увеличением содержания кобальта и размера зерен вольфрама. При увеличении содержания кобальта возрастает сопротивление сплава сжатию, максимум достигается при 6% Со, затем плавно снижается. Мелкозернистые сплавы обладают более высокой прочностью на сжатие, чем крупнозернистые. Ударная вязкость сплава растет с повышением содержания кобальта и увеличением зернистости.
При
нагреве сплава
в процессе работы уменьшаются его твердость, предел прочности
на изгиб и сжатие. В интервале температур 20-200°С прочность твердого
сплава
на изгиб несколько растет, а с увеличением температуры до
900-1000°С - интенсивно падает, уменьшаясь в 2-2,5 раза.
Плотность твердых
сплавов уменьшается с увеличением содержания кобальта, причем плотность
мелкозернистых сплавов выше, чем крупнозернистых. Твердый сплав
обладает высокой теплопроводностью, что способствует быстрому отводу тепла от
режущих кромок и уменьшению их износа.
Соединение твердого сплава со
сталью
, т.е. резца с корпусом породоразрушающего инструмента, должно быть
достаточно прочным, так как большое значение (2-4 раза) коэффициентов
термического расширения сплава и стали приводит к возникновению при пайке
(нагреве) термических напряжений, после охлаждения часто превосходящих предел
прочности твердого сплава.
Таблица 2.25. Характеристика твердых сплавов
| Марка сплава | Содержание основных компонентов, % | Физико-механические свойства | |||
| Карбид, вольфрама | Кобальт | Предел прочности при изгибе, МПа, не менее | Плотность, г/см 3 | Твердость HRC, не менее | |
| ВКЗ | 97 | 3 | 1100 | 15 - 15,3 | 89,5 |
| ВКЗ - М | 97 | 3 | 1100 | 15 - 15,3 | 91,0 |
| ВК4 | 96 | 4 | 1400 | 14,9 - 15,2 | 89,5 |
| ВК4 - В | 96 | 4 | 1400 | 14,9 -15,2 | 88,0 |
| ВК6 | 94 | 6 | 1500 | 14,6 - 15 | 88,5 |
| ВК6 - М | 94 | 6 | 1350 | 14.8 - 15,1 | 90,0 |
| ВК6 - ОМ* | 92 | 6 | 1200 | 14,7 - 15 | 90,5 |
| ВК6 - В | 91 | 6 | 1550 | 14,6 - 15 | 87,5 |
| BK8 | 92 | 8 | 1600 | 14,4 - 14,8 | 87,5 |
| ВК8 - В | 92 | 8 | 1750 | 14,4 - 14,8 | 86,5 |
| ВК8 - ВК | 92 | 8 | 1750 | 14,5 - 14,8 | 87,5 |
| ВК10 | 90 | 10 | 1650 | 14,2 - 14,6 | 87,0 |
| ВК10 - М | 90 | 10 | 1500 | 14,3 - 14,6 | 88,0 |
| BK 10 - OM* | 88 | 10 | 1400 | 14,3 - 14,6 | 88,5 |
| ВК10 - КС | 90 | 10 | 1750 | 14,2 - 14,6 | 85,0 |
| BK11 - B | 89 | 11 | 1800 | 14.1 - 14,4 | 86,0 |
| ВК11 - ВК | 89 | 11 | 1800 | 14,1 - 14,4 | 87,0 |
| ВК15 | 85 | 15 | 1800 | 13,9 - 14,1 | 86,0 |
| ВК20 | 80 | 20 | 1950 | 13,4 - 13.7 | 89,0 |
| ВК20 - КС | 80 | 20 | 2050 | 13,4 - 13,7 | 82,0 |
| ВК20 - К | 80 | 20 | 1550 | 13,4 - 13,7 | 79,0 |
| ВК25 | 75 | 25 | 2000 | 12,9 - 13,2 | 82,0 |
С учетом основных физико-механических свойств среднезернистые и крупнозернистые малокобальтовые сплавы применяют для армирования инструмента, работающего в условиях безударных нагрузок или при малой их интенсивности (табл. 2.26 ). В частности, ими армируют коронки для вращательного и вращательно-ударного бурения и шарошечные долота, работающие в породах средней твердости.
Средне- и высококобальтовые сплавы используют для армирования инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок, в частности, для коронок ударно-вращательного бурения с применением гидро- и пневмоударных машин и шарошечных долот, предназначенных для бурения пород высокой твердости. Эти сплавы обладают наибольшей прочностью, но они менее износостойкие.
Предел прочности резцов из твердых сплавов ВК при поперечном изгибе может быть существенно повышен путем их алмазного шлифования. Алмазное шлифование не создает поверхностных дефектов и обеспечивает максимальную прочность сплава; оно положительно влияет и на усталостные свойства. Так, предел прочности при изгибе и ударная вязкость у шлифованных образцов повышаются на 20-25%. Алмазное шлифование всей поверхности твердосплавной вставки увеличивает срок службы инструмента и стабильность его работы при эксплуатации.
Для армирования бурового инструмента изготавливаются следующие формы твердого сплава (ГОСТ 880 - 75):
| Для оснащения буровых колонок к погружным пневмоударникам | Г13, Г15 |
| Для оснащения коронок гидроударного бурения | Г55, Г57 |
| Для армирования шарошечных долот | Г25, Г26, Г54 |
| Для армирования лопастных долот | Г41 |
| Для армирования коронок для вращательного и вращательноударного бурения | Г42, Г51, Г53, Г62, Г63 |
Наплавочные твердые сплавы делятся на литые, зернистые и трубчато-зернистые. Они наносятся на поверхность инструмента газопламенной или электродуговой наплавкой.
Сплавы релит 3 и ТЗ применяют
для армирования зубьев шарошечных и лопастных долот. Зернистый карбид вольфрама,
из которого состоят эти сплавы имеет следующий химический состав: 95,5-96% W;
3,7-4% С; 0,06% свободного углерода и 0,02% примесей (Na, Ca, Si, Fe и др.).
Микротвердость должна быть в пределах 20000-24000 МПа.
Таблица 2.26. Области применения твердых сплавов в бурении (ГОСТ 3882-74)
| Область применения | Марка сплава |
| Вращательное бурение эксплуатационных и геологоразведочных скважин, взрывных шпуров в монолитных и абразивных горных породах с f = 8 | ВК6 |
| Ударно-поворотное бурение шпуров в горных породах, твердых каменных углях с f = 8 | ВК6-В |
| Бурение электро- и пневмосверлами углей, антрацитов, сланцев, калийных и каменных солей; бурение ручными и колонковыми электросверлами горных пород с f = 8; бурение шарошечными долотами | ВК4-В |
| Вращательное бурение скважин и взрывных шпуров в трещиноватых абразивных породах с f = 8 | ВК8 |
| Шарошечное бурение взрывных скважин в твердых и очень твердых абразивных породах с f = 18 | ВК8-ВК |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в твердых горных породах с f <14; шарошечное бурение скважин и шпуров в вязких, средней твердости и твердых абразивных породах с f <10 | ВК11-ВК |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в очень твердых и абразивных горных породах с f <18 | BK11-B |
| Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в высшей степени твердых горных породах с f <20 | ВК15 |
| То же, при ударной нагрузке средней интенсивности | ВК20 |
| То же, при ударной нагрузке высокой интенсивности | ВК20 и ВК25 |
Примечание: f - коэффициент крепости породы по шкале проф. Протодьяконова М. М.
Твёрдые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама (WC), титана (TiC) и тантала (ТаС), мельчайшие частицы которых соединены сравнительно мягким и менее тугоплавким кобальтом. Карбиды придают сплаву высокую твёрдость и теплостойкость, кобальт - прочность на изгиб.
Твердые сплавы имеют высокую твердость - 72...76 HRC и теплостойкость до 850... 1000 °С. Это позволяет работать со скоростями резания в 3 - 4 раза большими, чем инструментами из быстрорежущих сталей.
Применяемые в настоящее время твердые сплавы делятся на:
- Вольфрамовые сплавы группы ВК : ВК3, ВК3-М, ВК4, ВК6, ВК6-М, ВК6-ОМ, ВК8 и др. В условном обозначении цифра показывает процентное содержание кобальта. Например, обозначение ВК8 показывает, что в нем 8 % кобальта и 92 % карбидов вольфрама. Буквами М и ОМ обозначается мелкозернистая и особо мелкозернистая структура;
- Титановольфрамовые сплавы группы ТК : Т5К10, Т15К6, Т14К8, ТЗОК4, Т60К6 и др. В условном обозначении цифра, стоящая после буквы Т, показывает процентное содержание карбидов титана, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды вольфрама;
- Титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК : ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 и др. В условном обозначении цифры, стоящие после буквы Т, показывают процентное содержание карбидов титана и тантала, после буквы К - кобальта, остальное - карбиды вольфрама.
Твердые сплавы выпускаются в виде стандартизованных пластин, которые припаиваются, или крепятся механически к державкам из конструкционной стали.
Правильным выбором марки твердого сплава обеспечивается эффективная эксплуатация режущих инструментов . Для конкретного случая обработки сплав выбирают исходя из оптимального сочетания его теплостойкости и прочности. Например, сплавы группы ТК имеют более высокую теплостойкость, чем сплавы ВК. Инструменты, изготовленные из этих сплавов (ТК), могут использоваться при высоких скоростях резания, поэтому их широко применяют при обработке сталей.
Инструменты из твердых сплавов группы ВК применяют при обработке деталей из конструкционных сталей в условиях низкой жесткости системы СПИД, при прерывистом резании, при работе с ударами, а также при обработке хрупких материалов типа чугуна, что обусловлено повышенной прочностью этой группы твердых сплавов и невысокими температурами в зоне резания.
Такие сплавы используются также при обработке деталей из высокопрочных, жаропрочных и нержавеющих сталей, титановых сплавов. Это объясняется тем, что наличие в большинстве этих материалов титана вызывает повышенную адгезию со сплавами группы ТК, также содержащими титан. Кроме того, сплавы группы ТК имеют значительно худшую теплопроводность и более низкую прочность, чем сплавы ВК.
Сплавы группы ТТК занимают промежуточное положение между сплавами ТК и ВК. Сплавы ТТК по применимости - универсальны.
Основная область их применения - резание с очень большими сечениями срезаемого слоя, тяжёлыми ударами и малыми скоростями резания (строгание и долбление).
Сплавы с низким процентным содержанием кобальта (Т30К4, ВК3, ВК4) обладают высокой твёрдостью, малой прочностью на изгиб и меньшей вязкостью. Применяются для чистовых операций. Наоборот, сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, Т14К8, Т5К10) являются более вязкими, обладают высокой прочностью на изгиб и применяются при снятии стружек большого сечения на черновых операциях.
Работоспособность твердых сплавов значительно возрастает при нанесении на них износостойких покрытий.
Как увеличить скорость обработки стали резанием? Над решением этого вопроса инженеры и профессора всего мира трудились и продолжают трудиться со времен совершения промышленной революции. Высокие показатели твердости, теплостойкости, износостойкости - вот неполный перечень задач, стоящих перед учеными. Так, в Германии середины 30х годов активно проводились исследования по поиску материала, отвечающего всем вышеперечисленным требованиям. Тогда и появился первый аналог твердого сплава ВК8. Образцы данного материала по скорости резания превзошли все типы сталей, существующих на тот момент. Что послужило причиной такого успеха? Каков химический состав? Как, в конце концов, выглядит расшифровка ВК8? Обо всем этом по порядку.
Химический состав и способ получения
Согласно ГОСТ 3882-74 твердый сплав ВК8 представляет собой смесь зерен карбида вольфрама и кобальта, выступающего в качестве связующего звена. Кобальт (ГОСТ 123-2008) - металл, по виду схожий с железом, но обладает более темным оттенком. Основное назначение его в ВК8 - это придание тягучести и прочности сплаву. Карбид вольфрама (ГОСТ 28377-89)- соединение углерода с тугоплавким металлом вольфрамом . Твердость - свыше 80 единиц по Роквеллу.
ВК8 является продуктом порошковой металлургии, т. к. вышеперечисленные свойства составных элементов не позволяют проводить механическую обработку ковкой. Получение мелкой фракции карбида и кобальта осуществляется способом восстановления из оксидов и включает следующие операции:
- Дробление шихты структурных составляющих.
- Просеивание через сито с размером ячейки 1-2 мкм.
- Смешивание фракций в пропорции, согласно требуемому химическому составу твердого сплава ВК8.
- Предварительное придание формы прессованием с использованием органического клея.
- Обработка давлением свыше 30 МПа и температурой 1400 ºС.
Вследствие этих процессов расплавившийся кобальт смачивает, а при последующей кристаллизации скрепляет кристаллы карбида. Как результат, образуется прочное и износостойкое соединение.
Физические свойства
ВК8 в отличие от быстрорежущих сталей обладает большей твердостью, которая соответствует 87,5 единиц HRC. Как пример, сталь Р12 имеет всего 60-70 HRC.
Теплостойкость сплава, т. е. температура, при которой материал будет работать, не теряя жесткости, составляет 800-1000 ºС. Благодаря этому и высокому значению теплопроводности (50,2 ВТ/ м С) резец ВК8 может работать со скоростью резания до 200 м/мин, в зависимости от типа обрабатываемого материала. Тогда как в этих же условиях сталь Р12 позволяет достичь значения только в 50 м/мин.
Предел прочности 1660 Н/мм2, плотность 14,5 г/см3, ударная вязкость 35 кДж/м2 - данные механические свойства дают возможность использовать сплав в условиях динамических и вибрационных нагрузок.
Физические свойства определяются не только его химическим составом, но и размером зерна карбида вольфрама. Чем больше зерно, тем выше показания прочности и ниже значение износостойкости. И наоборот, если сплав имеет мелкозернистую структуру.
Расшифровка стали ВК8
Обозначение исходит из наличия в составе карбидной фазы и связки в виде кобальта. В целом, оно схоже с шифровкой легированных сталей. Буква «В» означает вольфрам, «К» - кобальт. Цифра в конце определяет процентное соотношение последнего элемента. Итак, ВК8 состоит на 92% из карбоната вольфрама и 8% кобальта.
Для обозначения зернистости в конце могут ставить букву «М», что значит мелкозернистый, или «В» - крупнозернистый. Отсутствие буквы говорит о наличии среднего по размеру зерна в составе.
Область применения ВК8
ВК8 получил широкое распространение в разных видах производства, начиная с медицины и заканчивая ювелирным делом. Режущие инструменты, сделанные из данного твердого сплава, хорошо сопротивляются воздействию истирания материалом заготовки. Они не изменяют своей физической структуры и сохраняют эксплуатационные характеристики до температуры 1100 ºС, в отличие от инструментальных и быстрорежущих сталей. Из-за этого ВК8 получил наибольшее применение в следующих производственных операциях:
- Механическая обработка деталей. Изготовление токарных резцов, фрез, сверл, зенкеров. Технологические операции, которые выполняют данным инструментом, подходят как для черновых, так и для чистовых работ. ВК8 зарекомендовал себя в обработке материалов с высоким значением коэффициента вязкости: бронзы , латуни, чугуны, жаропрочные стали, коррозионностойкие стали, сплавы титанов. Следует обратить внимание, что для обеспечения лучшей скорости резания и уменьшения износа рабочего инструмента необходимо учитывать зернистость сплава. Крупнозернистый сплав ВК8 применяют в условиях грубого, чернового точения жаростойких сталей и значительной величины подачи резца. Мелкозернистую структуру материала применяют для чистовой обработки стальных (без термообработки), чугунных, фторопластовых, алюминиевых и бронзовых деталей.
- Бесстружковая обработка. Изготавливают валки прокатного оборудования, пуансоны и матрицы для штамповки цветных металлов, калибровки труб и прутков.
- Газотермический напылитель . Нанесение его на поверхность деталей любых типов сталей увеличивает показатели ее износостойкости.
- Быстроизнашивающиеся детали механизмов и машин. Например, как материал обоймы подшипников скольжения. При условии наличия жидкостного трения работает на окружных скоростях шпинделя до 6 м/с.
Твердые сплавы сохраняют относительно высокую твердость при нагреве до температуры 800-900° С (см. рис. 1, кривые 2-6). Поэтому инструмент, оснащенный твердыми сплавами, более износостоек по сравнению с инструментом, изготовленным из инструментальных сталей, и позволяет вести обработку на высоких скоростях резания, т. е. с большей производительностью . При соответствующих геометрических параметрах инструмента, оснащенного твердым сплавом, скорость резания достигает 500 м/мин при обработке заготовок из стали 45 и 2700 м/мин при обработке заготовок из алюминия. Кроме того, инструментом из твердого сплава можно обрабатывать заготовки из закаленных (HRC до 67) и труднообрабатываемых сталей. Для такого широко распространенного инструмента, как резцы и торцовые фрезы, твердые сплавы являются основным материалом, вытеснившим быстрорежущую сталь. Все большее применение находят твердые сплавы и при изготовлении других видов режущего инструмента (зенкеров, разверток, сверл и др.).
Твердые сплавы имеют высокие плотность (9,5-15,1 г/см 3), твердость (HRB 87-92) и износостойкость при высоких температурах. Теплоемкость твердых сплавов в 2-2,5 раза меньше теплоемкости быстрорежущей стали Р18, а теплопроводность сплава Т15К6 примерно та лее (выше в 1,13 раза) и значительно выше у сплава ВК8 (в 3 раза).
Для изготовления инструментов применяют следующие металлокерамические твердые сплавы:
- вольфрамовые (однокарбидные), состоящие из зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом (сплавы ВК2, ВКЗМ, ВК4, В Кб, ВК6М, ВК8, ВК8В);
- титановольфрамовые (двухкарбидные), состоящие из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом, или только из зерен твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана, сцементированных кобальтом (сплавы Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, Т30К4, Т5К12В);
- титанотанталовольфрамовые, состоящие из зерен твердого раствора (карбида титана, карбида тантала и карбида вольфрама) и избыточных зерен карбида вольфрама, сцементированных кобальтом (ТТ7К12).
В обозначении сплавов вольфрамовой группы цифра показывает содержание кобальта в процентах; например, в сплаве ВК8 8% кобальта и 92% карбида вольфрама. В обозначении сплавов титановольфрамовой группы число после буквы К показывает содержание кобальта, а число после буквы Т - содержание карбида титана в процентах; например, в сплаве Т15К6 содержится 6% кобальта, 15% карбида титана и 79% карбида вольфрама.
Твердость сплавов определяется твердостью карбидов; чем больше в сплаве карбидов, тем выше его твердость. Но с увеличением твердости уменьшается вязкость твердого сплава; он делается более хрупким и плохо выносит нагрузку на изгиб и срез, особенно если эта нагрузка носит ударный характер.)
Вольфрамовые сплавы более вязки и менее хрупки, чем титановольфрамовые сплавы. Это объясняется тем, что в последних находится большое количество свободных карбидов титана, которые очень хрупки) Поэтому при обработке заготовок из чугунов, когда получается «сыпучая» стружка надлома и имеется ударная, пульсирующая нагрузка вблизи режущей кромки, необходимо применять более вязкие сплавы, т.е. сплавы вольфрамовой группы; твердые сплавы этой группы применяют также при обработке заготовок из цветных и легких металлов и сплавов, а также неметаллических материалов (резины, пластмассы, фибры, стекла и др.).
При обработке заготовок из незакаленных углеродистыми легированных сталей, когда центр давления стружки отстоит дальше от режущей кромки и сходящая стружка истирает переднюю поверхность инструмента, необходимо применять сплавы титановольфрамовой группы, которые по сравнению со сплавами вольфрамовой группы тверже и более износостойки, но менее вязки.
Применение инструмента из вольфрамовых сплавов при обработке заготовок из чугуна и инструмента из титановольфрамовых сплавов при обработке заготовок из незакаленных сталей во многом определяется и тем, что титановольфрамовые сплавы обладают большей красностойкостью, имеют меньший коэффициент трения и меньшую слипаемость (свариваемость) со стальной стружкой, что способствует менее интенсивному износу режущего инструмента.
Инструменты из титановольфрамовых сплавов применяют также при точении (без ударов и при отсутствии корки) заготовок из жаропрочных сталей и сплавов, обладающих повышенной вязкостью и пониженной теплопроводностью)
При обработке заготовок из закаленных углеродистых и легированных (НRС> 55) сталей, а также высоколегированных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов с ударной нагрузкой (торцовое фрезерование, точение прерывистых поверхностей) или при точении заготовок из этих материалов с коркой целесообразно (вследствие большей прочности и теплопроводности) применять инструмент из вольфрамового сплава ВК8.
Вязкость твердых сплавов зависит от зернистости и количества кобальта; при одинаковой зернистости чем больше в сплаве кобальта, тем он вязче. Поэтому по механическим свойствам твердые сплавы могут быть разделены также на дополнительные группы:
- более прочные и вязкие, но менее износостойкие (ВК8 и ВК.6);
- менее прочные и вязкие, но более износостойкие (ВК2 и ВКЗМ).
Исходя из этого, инструменты из сплавов ВК8 и ВК6 применяют в основном при предварительной (черновой) обработке заготовок из чугуна, когда припуск может быть неравномерным и работа производится с относительно большими подачами, вызывающими увеличенную нагрузку на единицу длины режущей кромки инструмента. Инструмент из сплавов ВК2 и ВКЗМ применяют при чистовой обработке заготовок из чугуна, т. е. при снятии тонкой непрерывной стружки, так как толстая стружка (при больших подачах) вызывает быстрое разрушение этих малопрочных сплавов.
В сплавах ВКЗМ, ВК4, ВК6М, ВК8В (ГОСТ 3882-74 ) буквам обозначает особенности изготовления сплава, приводящие к мелкозернистой структуре, а В - к более крупнозернистой структуре. Инструменты из сплава ВК4 применяют при чистовой и черновой обработке заготовок из чугуна: стойкость сплава ВК4 при точении в 2-4 раза выше стойкости сплава ВК8.
Сплав ВК6М, имея высокую плотность, мелкую зернистость и повышенную твердость при нагреве до температуры 400-900° С, показал хорошие результаты при обработке нержавеющих сталей и при чистовой обработке чугуна (особенно - закаленного). Его применяют для изготовления сложного и прецизионного инструмента (фасонных резцов, цельных дисковых мелкомодульных фрез).
Сплав ВК8В по сравнению со сплавом ВК8 имеет меньшую износостойкость, но большую прочность, а потому рекомендуется для чернового точения заготовок из жаропрочных сталей и сплавов и строгания заготовок из сталей.
Из сплавов титановольфрамовой группы выделяют:
а) наиболее прочные, но обладающие низкой износостойкостью (Т5К10);
б) менее прочные, но более износостойкие (Т14К8, Т15К6);
в) самые хрупкие, но наиболее износостойкие (Т30К4); такое разделение предопределяет область их применения. Сплав Т5КЮ применяют для предварительной обработки заготовок из сталей, при прерывистом резании, больших подачах (толстых стружках ) и неравномерном сечении стружки; сплавы Т14К8 и Т15К6 - при получистовой обработке заготовок из сталей со средними значениями подач, с относительно равномерным сечением стружки при непрерывном резании; сплав Т30К4 - при чистовой обработке заготовок из сталей с малыми значениями подач и непрерывном резании при высоких скоростях.
Твердые сплавы, имея высокую твердость, теплостойкость и износостойкость, обладают малой прочностью (предел прочности при изгибе 90-155 кгс/мм 2 , т. е. в 1,5-2 раза меньше, чем у закаленных быстрорежущих сталей) и низкой ударной вязкостью. Поэтому необходимо создавать такие конструкции режущего инструмента, при которых твердый сплав работал бы на сжатие, так как предел прочности при сжатии у твердых сплавов относительно высок (в 1,3-1,5 раза выше, чем у закаленной быстрорежущей стали).
Однако применение твердосплавного инструмента специальных конструкций вызывает другие недостатки [сложность изготовления, увеличенный расход мощности прирезают, увеличение сил, действующих на систему станок - приспособление - инструмент - деталь (СПИД), снижение точности обработки и др .] и не всегда позволяет полностью использовать высокие износостойкие качества твердых сплавов. К твердым сплавам повышенной прочности относятся титанотанталовольфрамовые сплавы ТТ7К12 и титановольфрамовый сплав Т5К12В. Плотность этих сплавов 12,8-13,3 г/см 3 , твердость НRВ 87-88, предел прочности при изгибе 150-165 кгс/мм 2 (у наиболее прочного титановольфрамового сплава Т5К10 предел прочности при изгибе 130 кгс/мм 2). Химический состав этих сплавов приведен в табл. 2.
По прочности и стойкости эти сплавы являются промежуточными между быстрорежущей сталью и сплавом Т5К10 и хорошо зарекомендовали себя при предварительном (черновом) резании сталей с большой толщиной стружки, при работе с ударом (например, при строгании, фрезеровании), а также при сверлении.
В последнее время во ВНИИТС разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структурой (основная масса зерна карбида вольфрама размером менее микрометра): ВК6-ОМ (σ и = 120 ÷ 130 кгс/мм 2), ВКЮ-ОМ (σ и = 140 ÷ 160 кгс/мм 2) и ВК15-ОМ (σ и = 150 ÷ 170 кгс/мм 2). Сплав ВК6-ОМ используется при тонком точении и растачивании заготовок из некоторых жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, чугунов высокой твердости и особенно эффективен при обработке вольфрама и молибдена. Сплав ВКЮ-ОМ предназначен для черновой и получерновой обработки, а сплав ВК15-ОМ - для особо тяжелых случаев обработки нержавеющих сталей, титановых и никелевых сплавов и особенно сплавов вольфрама и молибдена.
Применяются также относительно новые производительные марки твердых сплавов ТТ10К8Б и ТТ20К9. Сплав ТТ10К8Б целесообразно применять при черновой и получистовой обработке нержавеющих, маломагнитных сталей и некоторых марок жаропрочных сталей и сплавов. Сплав ТТ20К9 предназначен для фрезерования стали при тяжелых условиях обработки (например, глубоких пазов). Он отличается повышенным сопротивлением тепловым и механическим циклическим нагрузкам.
В последние годы большое внимание уделяется разработке новых твердых сплавов, не содержащих карбида вольфрама (безвольфрамового твердого сплава), который заменен карбидами титана. В качестве связки используется никель (в небольших количествах молибден). Предварительные испытания сплавов ТНМ-20, ТНМ-25, ТНМ-30 и др. показали хорошие результаты при обработке ферритных сплавов, никеля, меди, мельхиора.
Твердые сплавы для оснащения металлорежущего инструмента чаще выпускают в виде пластинок, форма и размер которых определяются соответствующими ГОСТами , а также в виде призматических сплошных и пустотелых столбиков. Все более широкое применение находят многогранные твердосплавные пластинки, используемые для резцов и торцовых фрез новых конструкций, в которых эти пластинки не перетачиваются (после использования всех режущих кромок пластинку заменяют новой, а изношенную перерабатывают). В промышленности используются трехгранные, четырехгранные, пятигранные и шестигранные пластинки.
Для повышения износостойкости (в 3-5 раз) неперетачнваемых твердосплавных пластинок их покрывают тонким слоем (0,005 мм) карбида титана методом осаждения из газовой среды. Из твердых сплавов изготовляют монолитный твердосплавный инструмент. В промышленности с успехом используют монолитные твердосплавные прорезные и отрезные фрезы, спиральные сверла диаметром 0,35-6 мм, канавочные фрезы, дисковые модульные зубофрезерные фрезы m = 0,2 ÷ 0,8 мм, червячные зуборезные фрезы m = 0,05 ÷ 0,9 мм, шлицевые, угловые и пальцевые фрезы, дисковые и фасонные резцы и др.
