Твёрдые сплавы

Твёрдые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов резанием.

Общее количество режущего инструмента из твердого сплава не превышает 25%, но из-за высокой скорости резания (в 2,5…3 раза выше по сравнению с быстрорежущим инструментом) они снимают до 65% всей стружки (из всего объёма стружки, снимаемой инструментами из всех имеющих инструментальных материалов). Стандартные твердые сплавы состоят из тугоплавких соединений (карбидов вольфрама, титана и тантала) и связующей фазы (кобальт) и подразделяются на три группы:

1 – однокарбидные (вольфрамовые, группа ВК, (WC + Co));

2 – двухкарбидные (вольфрамотитановые, группа ТК, (WC + TiC + Co));

3 – трёхкарбидные (вольфрамотитанотанталовые, группа ТТК, (WC + TiC + TaC + Co)).

Обозначение твердых сплавов включает буквы, характеризующие карбидообразующие элементы (В-вольфрам, Т-титан, вторая буква Т-тантал) и связку (К-кобальт). Цифра после буквы К обозначает массовую долю связки в процентах. Массовая доля карбидообразующих элементов в однокарбидных сплавах, содержащих только карбид вольфрама, определяется разностью между 100% и массовой долей связки. Например, сплав ВК4 содержит 4% кобальта и 96% WC. В двухкарбидных WC+TiC сплавах цифра после буквы карбидообразующего элемента обозначает массовую долю карбида этого элемента (TiC), а массовая доля карбида второго элемента (WC) определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбида первого элемента (например, сплав Т5К10 содержит 5% ТiС, 10% Со и 85% WC). В трехкарбидных WC+ТiС+ТаС сплавах цифра после букв ТТ означает массовую долю карбидов титана и тантала. Массовая доля карбида вольфрама определяется разницей между 100% и массовыми долями связки и карбидов TiC и ТаС. Например, сплав ТТ7К12 содержит 12% Со, 7% карбидов титана и тантала (TiC+TaC) и 81% WC.

Вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы

Вольфрамо-кобальтовые сплавы (ВК) состоят из карбида вольфрама и кобальта. Марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама (WC) и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяются сплавы с содержанием кобальта от 3% до 10% весовых (табл. 7).

Таблица 7. Физико-механические характеристики

вольфрамокобальтовых сплавов.

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
WC	Другие соединения	Co
ВК3 ВК3-М ВК6 ВК6-М ВК6-ОМ ВК8 ВК10-ХОМ		- - - - ТаС - Сr2C3			15,0-15,3 15,0-15,3 14,6-15,0 14,8-15,1 14,7-15,0 14,4-14,8 14,3-14,6	89,5 91,0 88,5 90,0 90,5 87,5 89,0

При увеличении в сплавах содержания кобальта в рассматриваемом диапазоне предел прочности при поперечном изгибе и эксплуатационная прочность при резании возрастают, в то время как твердость и износостойкость уменьшаются. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуют для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, а сплавы ВК8 и ВК10-ХОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением среза в условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для обработки материалов, дающих дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома): чугуны, цветные материалы, стеклопластики, фарфор и труднообрабатываемые материалы (коррозионностойкие, высокопрочные стали, жаропрочные сплавы на основе никеля и титана и т.д.).

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработанные технологические приемы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрона до 10-15 мкм. С увеличением размера зерен карбидо-вольфрамовой фазы твердость, модуль упругости, сопротивление абразивному изнашиванию и стойкости при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эту закономерность широко используют для создания сплавов различного назначения с требуемыми свойствами.

Первыми такими сплавами, выпущенными промышленностью были мелкозернистые сплавы марок ВК3-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при чистовой обработке твердых чугунов, закаленных сталей, а также коррозионностойких сталей и некоторых других марок труднообрабатываемых материалов. Затем была разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структурой (основная масса зерен карбида вольфрама размером менее 1 мкм) и с содержанием кобальта 6 и 10%.

Сплавы содержат также наибольшие добавки карбида тантала (около 2%) и ванадия (0,1%), которые, главным образом, препятствуют росту зерен карбида вольфрама при спекании. Сплав ВК6-ОМ дает хорошие результаты при тонком точении и растачивании некоторых марок жаропрочных и коррозионностойких сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких, закаленных сталей и алюминиевых сплавов. Особенно эффективен сплав ВК6-ОМ при обработке вольфрама и молибдена, а также при развертывании и шабрении заготовок из стали и чугуна.

Дальнейшим развитием и совершенствованием сплавов этого направления являются сплавы, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Установлено, что карбид хрома тормозит рост зерен карбида вольфрама при спекании и способствует получению сплавов с весьма мелкозернистой структурой и высокой износостойкостью, а также увеличивает твердость и прочность сплавов при повышенных температурах.

Сплав ВК10-ХОМ предназначен для черновой и получерновой обработки некоторых марок коррозионностойких сталей, титановых и никелевых сплавов, и особенно сплавов вольфрама и молибдена. Благодаря особо мелкозернистой, плотной структуре сплавов можно затачивать и доводить инструменты с наименьшими радиусами округления режущих кромок, что, в свою очередь, обеспечивает получение более малой высоты микронеровностей обработанной поверхности и размерной точности.

Еще одно направление совершенствования сплавов для резания конструкционных сталей, чугунов и труднообрабатываемых материалов связано с совершенствованием связки. Примером такого совершенствования сплава является разработка сплава ВРК15 (ТУ 48-19-462-89) с жаропрочной кобальт-рениевой связующей фазой для черновой и получистовой обработки. Сплав отличается высокой прочностью при повышенных температурах, низкой адгезией с обрабатываемым материалом и относительно высокой износостойкостью. Применение инструментов, оснащенных сплавом ВРК15, позволяет повысить производительность обработки резанием за счет увеличения скорости резания или сечения среза.

Наряду с содержанием кобальта и зернистостью фазы WC, большое влияние на режущие свойства сплавов WC-Co оказывает содержание углерода в сплаве. Это связано с тем, что содержание углерода в пределах двухфазовой области WC-Co не влияет на фазовый состав сплава, но оказывает заметное влияние на состав связующей (кобальтовой) фазы. Последнее обусловлено изменением растворимости вольфрама в кобальте. Изменение состава кобальтовой фазы оказывает сильное влияние и на изменение свойств сплава в целом. Кроме того, наличие в сплаве избытка углерода в виде графита приводит к снижению износостойкости сплава, а недостаток углерода вызывает образование -фазы (W3Co₃C), которая повышает износостойкость, но снижает прочность сплава. Таким образом, при одинаковом содержании кобальта малоуглеродистые сплавы более износостойки, но менее прочны, чем высокоуглеродистые. С ростом в сплаве содержание кобальта увеличивается и влияние углерода на свойства сплава.

Титановольфрамовые твердые сплавы

Титановольфрамовые сплавы (ТК) выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами ВК они обладают большей стойкостью против окисления, твердостью и теплостойкостью (теплостойкость сплавов ТК~900^оС, сплавов ВК~800^оС), в то же время меньшую теплопроводность и электропроводность, а также меньший модуль упругости.

Повышенная способность титановольфрамовых сплавов сопротивляться адгезионно-усталостному изнашиванию объясняется тем, что температурный порог их схватывания со сталью существенно выше, чем у сплавов WC-Co. Титановольфрамовые сплавы позволяют применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повысить стойкость инструмента.

Сплавы группы ТК стандартных марок имеют различный состав в зависимости от условий их применения. Содержание карбида титана колеблется в пределах 5-30%, кобальта от 4 до 10% (табл. 8).

Таблица 8. Физико-химические характеристики титано-вольфрамо-

кобальтовых сплавов (ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
WC	TiC	Co
Т30К4 Т15К6 Т14К8 Т5К10					9,5-9,8 11,1-11,6 11,2-11,6 12,4-13,1	92,0 90,0 89,5 88,5

Так же, как и у сплавов WC-Co, предел прочности при изгибе и сжатии, а также ударная вязкость у сплавов ТК увеличивается с ростом содержания кобальта. С увеличением содержания углерода в пределах трехфазовой области прочность при изгибе растет, а твердость и износостойкость снижаются. Наличие структурно свободного углерода приводит одновременно к снижению прочности, твердости и износостойкости при резании.

Присутствие в сплаве -фазы снижает предел прочности при изгибе, но повышает твердость и износостойкость при резании.

У сплавов с одинаковым содержанием кобальта и одинаковым размером карбидных фаз предел прочности при изгибе и сжатии, ударная вязкость, пластическая деформация и модуль упругости уменьшается при увеличении содержания карбида титана.

В соответствии с приведенными закономерностями меняются и режущие свойства сплавов: увеличение содержания кобальта приводит к снижению износостойкости сплавов при резании, а с ростом содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) повышается износостойкость, но одновременно снижается эксплуатационная прочность. Поэтому такие марки сплавов, как Т3ОК4 и Т15К6, обладающие максимальным запасом пластической прочности, применяются в условиях чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания, малыми или умеренными нагрузками на инструмент. Сплавы Т5К10, Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта и запасом хрупкой прочности предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Титано-тантало-вольрамовые твердые сплавы

Промышленные титано-тантало-вольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора (Ti, W, Ta)С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при изгибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении работы деформации при повышенных температурах. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Отечественный стандарт (ГОСТ 3882-74) включает следующие марки сплавов этой группы – ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ7К12, ТТ20К9, в которых содержание карбида тантала колеблется от 2 до 12% (табл. 9).

Исследование режущих свойств сплавов ТТК показало, что увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его износостойкость при резании, особенно за счет меньшей склонности к лункообразованию и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

Таблица 9. Состав и характеристики физико-механических свойств титано-тантало-вольфрамовых марок твердых сплавов

для резания(ГОСТ 3882-74)

Марка сплава	Состав, %	, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
WC	TiC	TaC	Co
ТТ7К12 ТТ8К6 ТТ10К8-Б ТТ20К9		9,4	14,1	9,5		13,0-13,8 12,8-13,3 13,5-13,8 12,0-13,0	87,0 90,5 89,0 91,0

С учетом отмеченных свойств, сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, который рекомендуют для обработки стали в особо неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование). Применение инструмента из сплава ТТ7К12 взамен быстрорежущего инструмента позволяет повысить скорость резания в 1,5-2,0 раза.

Для операций фрезерования рекомендуется сплав марки ТТ20К9 (для обработки стали).

Для чистового и получистового точения, растачивания и фрезерования серого и ковкого чугуна, цветных металлов, непрерывного точения высокопрочных, коррозионностойких сталей, в том числе и термообработанных, а также титановых сплавов, предназначен сплав ТТ8К6.

Черновое, получерновое точение и фрезерование высоколегированных, нержавеющих и жаропрочных сталей и некоторых сплавов успешно осуществляется инструментом из сплава марки ТТ10К8-Б.

К группе танталсодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы “Sandvik Coromant” (Швеция) (табл. 10).

Таблица 10. Основные свойства сплавов группы “МС” (ТУ 48-19-308-80)

Марка сплава	Сплав-аналог (ГОСТ3882-74)	Свойства
, МПа	, г/см3	Твердость, НV30	Коэрцитив-ная сила, КА/м
МС111	Т15К6		10,22-10,38	1525-1675	8,7-11,9
МС121	Т14К8		11,60-11,79	1475-1625	7,2-9,5
МС131	Т5К10		11,35-11,51	1430-1570	8,0-10,4
МС137	Т14К8, ТТ20К9		11,68-11,85	1485-1635	13,5-15,2
МС146	ТТ7К12		13,04-14,60	1320-1460	10,2-15,2
МС211	ВК6-М		14,70-14,86	1590-1680	15,9-23,6
МС221	ТТ10К8Б		13,81-13,97	1530-1630	10,3-13,3
МС241	ВК8		14,15-14,25	1175-1295	9,4-11,2
МС301	ВК3-М		14,95-15,11	1760-1940	20,6-23,6
МС306	ВК6-ОМ		14,74-14,94	1665-1835	19,8-23,2
МС312	ВК6-М		12,79-12,95	1700-1940	15,9-23,2
МС318	ВК6, Т8К7		12,80-12,96	1575-1725	15,2-20,6
МС321	ВК6		14,64-14,86	1450-1600	13,4-15,2
МС313	ВК6-М		14,74-14,94	1505-1655	13,4-17,3

Сплав марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 – для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 – для обработки чугуна и цветных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерования стали и чугуна.

Исследования режущих свойств сплавов МС показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повышенной стабильностью их физико-механических характеристик. Поэтому более высокая стоимость (на 40-60%) сплавов МС по сравнению со стандартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пластинами МС.

Безвольфрамовые твердые сплавы

В связи с высокой дефицитностью основных компонентных составляющих твердого сплава и, прежде всего, W и Со, в развитых странах мира и СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономно-легированных твердых сплавов обычно не содержащих или содержащих в небольших количествах вольфрама, такие сплавы получили наименование безвольфрамовые (БВТС ). Перспективным направлением разработки БВТС оказалось создание сплавов на основе карбидов или карбидонитрпидов титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию, что уменьшает износ инструмента, особенно по передней поверхности, позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. Вместе с тем, БВТС в сравнении со стандартными вольфрамосодержащими сплавами имеют более низкий модуль упругости, меньшую теплопроводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, упругим и пластическим деформациям, имеют пониженную жаропрочность, более интенсивно разупрочняются при повышенных температурах.

Указанные свойства определяют и области рационального применения БВТС при обработке материалов резанием. В настоящее время БВТС рекомендуется использовать, главным образом, для чистовой и получистовой обработке (точение, фрезерование) углеродистых и легированных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сечением среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Эффективно применение БВТС, главным образом, в виде сменных многогранных пластин, так как при напайке и заточке из-за низкой теплопроводности возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин на пластинах, а также снижение их эксплуатационной стойкости.

Физико-механические характеристики некоторых марок БВТС представлены в таблице 11.

С учетом относительно низких значений теплостойкости и пластической прочности БВТС проведены исследовательские работы по совершенствованию их свойств за счет упрочнения связки или карбидонитридной фазы. Результатом таких разработок стало появление новых марок БВТС с улучшенными свойствами по хрупкой и пластической прочности. Примером совершенствования БВТС могут служить сплавы ЛЦК20, карбидонитридная фаза которых легирована цирконием, сплавы ТВ4, ЦТУ и НТН30, связки которых имеют заметно высокую прочность и теплостойкость за счет легирования, соответственно, карбидом вольфрама, вольфрамом и карбидами титана и ниобия. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения. В частности, сплавы ТВ4, НТН30 рекомендуют для черновой обработки стали при фрезеровании и точении.

Таблица 11. Состав и основные свойства промышленных марок БВТС

Марка сплава	Содержание основных компонентов в % (по массе)	Физико-механические характеристики
, МПа	Плотность , г/см3	НRA, не менее
TiC	TiCN	Ni	Mo
ТН20 КНТ16	-	-	15,0 19,5	6,0 6,5		5,5-6,0 5,5-6,0	90,0 89,0

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки, включая обрабатываемый материал. Например, стандартный БВТС марок ТН-20, КНТ-16 не рекомендуется при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

Состав и некоторые свойства БВТС повышенной прочности показаны в табл. 12.

Опыт внедрения существующих БВТС и прогнозируемое расширение их применения в связи с появлением новых более совершенных марок показывает, что при выпуске требуемой номенклатуры изделий и обеспечении стабильного уровня качественных показателей, около 25-30% объема выпуска фольфрамосодержащих сплавов для обработки стали может быть заменено на безвольфрамовые.

Таблица 12. Характеристики БВТС повышенной прочности

Марка	Состав, %	, МПа	, г/см3	НRA, не менее
TiCN	TiC	NbC	Ni	Mo
НТН30 (ТУ 48-4206-331-88) ЦТУ (ТУ 48-4206-365-89) ТВ4 (ТУ 48-19-429-87)	56,3			19,5	10,5   12 МоС   8,7		6,0-6,5   6,2-6,8     6,3-6,7	89,5   89,5     89,0

Области применения твердых сплавов

При анализе областей применения марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной

организации стандартов (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условия обработки (t, S, V, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы классифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою очередь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 13).

Таблица 13. Классификация современных твердых сплавов по

стандарту ИСО 513

*Неблагоприятными и особо неблагоприятными называют условия обработки с переменной глубиной резания, прерывистой подачей, ударами, вибрациями, наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале.

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допускаемая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость) и допустимая подача и глубина резания (см. табл. 13). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы – соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.

Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неоднозначно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух-трех подгруппах применения (например, сплав Т15К6 – Р10, Р15, Р20) или даже в различных группах применения (например, сплав ВК8 – К30, К40, М30).

Основные тенденции совершенствования твердых сплавов. В настоящее время номенклатура твердых сплавов, выпускаемых промышленностью РФ, существенно изменилась, заметно повысилось качество сплавов. Это связано с использованием производителями более совершенного производственного и контрольного оборудования, а также более качественных технологий. В частности, сказанное относится к Московскому комбинату твердых сплавов (МКТС), который производит твердые сплавы по технологии и с использованием оборудования и сырья шведской фирмы “Sandvik Coromant”, заводу “Победит” (г.Владикавказ), выпускающего твердые сплавы серии ВП, а также к опытному производству ВНИИТС. С учетом перехода РФ на рыночную экономику и интеграции ее промышленности с промышленностью развитых стран Запада, целесообразно рассмотреть основные тенденции совершенствования современных марок твердых сплавов.

Совершенствование вольфрама-кобальтовых твердых сплавов (WC-Co) связано с: разработкой сплавов особомелкозернистой ( мкм) и ультрамелкозернистой структуры ( мкм); созданием сплавов со связками повышенной прочности и теплостойкости; применение новых технологий производства сплавов на основе использования субмелкозернистого исходного зерна, совмещения процессов синтеза и горячего статического прессования; введения дополнительной операции доуплотнения структуры сплавов на специальных установках газостатического прессования (процесс ГИП).

Использование твердых сплавов ультра- и особомелкозернистой структуры позволяет получить радиус округления режущих кромок инструмента в пределах 5-10 мкм, что соответствует радиусу округления для инструмента из углеродистой и быстрорежущей сталей. кроме того, такие сплавы имеют более высокую однородность зерен по объему, что делает ультра- и особомелкозернистые сплавы наиболее пригодными для изготовления мелкоразмерного цельнотвердосплавного инструмента (сверла, концевые фрезы, резьбонарезной инструмент и т.д.).

В настоящее время западные производители режущего инструмента рекомендуют использовать инструмент из ультра- и особомелкозернистых сплавов для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей, сплавов на основе никеля, титана и молибдена, высококремниевых алюминиевых сплавов, стекло-, угле-, боропластиков.

В частности, пластины из сплава ТНМ, имеющего средний размер зерна около 0,6 мкм, фирма Krupp Widia (ФРГ) рекомендует для обработки высокотвердых сталей (НRC 55), а также для обработки высококремниевого алюминиевого сплава.

Фирма Sandvik Coromant (Швеция) рекомендует пластины из сплава Н10F (М20-М30) для фрезерования жаропрочных сплавов, а фирма Kennametal-Hertel (США-ФРГ) рекомендует мелкозернистый сплав К313 для резания труднообрабатываемых материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности. Следует отменить, что сплав К313 обладает уникальной прочностью при изгибе =3,2 ГПа, что достигается использованием технологии дополнительного горячего изостатического прессования (ГИП). Сплав К313, кроме того, обладает высокой сопротивляемостью термопластическому деформированию при повышенных температурах.

Надежность твердосплавного инструмента, особенно инструмента применяемого в автоматизированном производстве, зависит не только от средних значений прочности, но и от стабильности его прочностных свойств. Поэтому разработаны технологии, направленные на повышение однородности свойств сплавов. Примером такой тенденции может служить создание особомелкозернистого сплава А-1, разработанного фирмой Sumitomo (Япония). Этот сплав имеет не только строго фиксированный размер зерна (0,5-0,8 мкм), но и высокую однородность распределения связки по объему материала. Пластины из сплава А-1 фирма рекомендует для черного точения и фрезерования, так как такой инструмент обладает высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению режущих кромок и высокой прочностью удержания карбидного зерна в сплаве, что предопределяет высокую износостойкость сплава в условиях прерывистого резания. В частности, при чистовой обработке высоколегированной стали 16МпСг5Е с твердостью НRСэ 62 применение торцовых фрез, оснащенных сплавом А-1, позволило увеличить скорость фрезерования до 120 м/мин.

Для производства цельнотвердосплавных сверл и концевых фрез диаметром 0,1-0,8 мм для обработки отверстий в печатных фольгированных платах фирма Sumitomo (Япония) разработала несколько марок мелко- и особомелкозернистых сплавов, обладающих высокими показателями по прочности при изгибе и кручении и однородностью размера зерна. В частности, твердый сплав АF-1 с размером зерен 0,5-0,15 мкм и содержанием кобальта 12% по объему, имеющий твердость НRА 93 и прочность при изгибе =5,0 ГПа, был использован для изготовления сверл диаметром 0,1 мм. Необходимо отметить, что при производстве сверл такого диаметра малейшие дефекты сплава и, в частности, неравномерность размера зерна WC по объему, приводит к неизбежной поломке сверла при эксплуатации. При обработке отверстий диаметром 0,1-0,3 мм в фольгированных пластинах сверла из сплава А-1 имели стойкость, существенно превышающую стойкость сверл из быстрорежущей стали.

Аналогичные цельнотвердосплавные сверла фирмы Kennametal-Hertel позволили до 3 раз повысить подачу при сверлении в сплошном материале по сравнению с подачей для быстрорежущих сверл при одновременном увеличении скорости резания до 80-120 м/мин.

Большое внимание уделяют совершенствованию связки твердого сплава, которая является слабым технологическим звеном сплава. В частности, как было показано выше, на свойства связки сильно влияет содержание углерода, которое усиливается по мере роста содержания в сплаве кобальта.

Легирование связующей фазы рением (Re) повышает ее прочность, сопротивляемость высокотемпературной ползучести и, кроме того, предотвращает формирование хрупкой -фазы. Следует отметить, что появление жидкой фазы твердого раствора Co-Re происходит при температуре выше на 100-300 ^оС, чем у твердого раствора Co-W-C, при этом твердость сплава с (Co-Re)-связкой на 200-300 HV выше. Это является главной причиной повышения стойкости инструмента, оснащенного сплавом с (Co-Re)-связкой, которая в 3-5 раза превышает стойкость инструмента, оснащенного твердым сплавом со стандартной кобальтовой связкой.

Улучшение свойств твердого сплава отмечено при его легировании рутением (Ru). В частности, введение 0,4% (по массе) рутения в сплав (94% WC – 6% Со) увеличивает его прочность при изгибе на 16% при сохранении твердости. Это связано с тем, что рутений сдерживает рост карбидных зерен и улучшает их смачиваемость, что, в свою очередь, приводит к росту прочности адгезионной связи между WC и Co. Сплавы с (Со-Ru)-связкой хорошо сопротивляются механическим ударам и термической усталости.

Широкое применение сплавов с (Со-Re)- и (Со-Ru)-связками сдерживается дефицитностью Re и Ru. Поэтому в последнее время разработаны сплавы с новыми типами экономнолегированных связок, в которых кобальт частично или полностью заменен никелем, молибденом и железом. В частности, все большее применение находят сплавы со связками Fe-Co, Fe-Ni, Co-Ni, Fe-Co-Ni, Fe-Mo и др.

Заметное влияние на свойства особо- и мелкозернистых твердых сплавов оказывает содержание кобальта. В частности, рост содержания кобальта в сплаве позволяет увеличить предел прочности при изгибе и ударную вязкость, теплопроводность, снизить коэффициент термического расширения, твердость, модуль упругости и удельное электрическое сопротивление. Снижение содержания кобальта (например, до 3,69% по объему) заметно снижает оптимальное значение температуры спекания (с 1400 до 1275^оС), что, в свою очередь, позволяет снизить тенденцию роста зерна при спекании и увеличить износостойкость сплава. Оптимальное сочетание свойств мелкозернистых сплавов обеспечивается при содержании кобальта в пределах 6% по объему. Такие сплавы используют для производства цельнотвердосплавных инструментов: сверл, зенкеров, концевых фрез, метчиков и т.д.

Фирма Krupp-Widia (ФРГ) предлагает потребителям несколько новых марок титанотанталовольфрамовых твердых сплавов для фрезерования. Высокая эффективность сплава ТТМ-S обеспечивается сочетанием высокой твердости (HV1500) и прочности при изгибе ( =2,1 ГПа), поэтому пластины из твердого сплава рекомендуют для чернового и чистового фрезерования сталей, стального литья, легированного чугуна, высоколегированных жаропрочных сталей (Р10-Р30, М20-М30) на скоростях резания до 140 м/мин, подачах до 0,34 мм/зуб; глубинах резания 4-10 мм.

Японская фирма Mitsubishi разработала широкую гамму титанотанталовольфрамовых сплавов различного назначения. В частности, сплав UTi20T рекомендуется для оснащения инструмента, который может быть использован при точении и фрезеровании сталей, чугунов, труднообрабатываемых материалов (Р25, К20, М20). Инструмент, оснащенный пластинами из сплава STilOT, рекомендуется для чистого и копировального точения, нарезания резьбы и канавок, а пластины из сплава HTi05T – для тонкого точения и растачивания стальных заготовок.

Более прочные пластины HTilOT рекомендуют для точения заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Отмечается тенденция замены карбида тантала ТаС более эффективными карбидами гафния HfC, ниобия NbC, хрома CrC, ванадия VC. В частности, сплавы, легированные карбидами гафния, имеют заметное преимущество по износостойкости при точении, но уступают при фрезеровании сплавам, легированным ТаС. Это связано с ростом склонности к большому изменению линейных размеров и снижением теплопроводности для сплавов, легированных HfC и NbC по сравнению с соответствующими характеристиками сплавов, легированных ТаС. Например, стойкость резцов, оснащенных пластинами S20C (Р20), содержащими 63% WC, 17% TiC и 9% NbC, близка к стойкости резцов, оснащенных пластинами S20S, содержащими 14% ТаС и NbC и на 20% выше стойкости инструмента, оснащенного пластинами S20, не содержащими карбиды гафния, ниобия и тантала.

В табл. 14 приведены основные марки твердых сплавов и области их применения, сплавов, производимых в РФ по улучшенным технологиям, а также по технологиям ряда западных фирм (Kennametal-Hertel, Sandvik Coromant и др.)

Таблица 14. Марки сплавов, производимых и применяемых в РФ

*Сплавы с износостойким покрытием

Наиболее радикально совершенствуются БВТС. Необходимо отметить, что если в странах СНГ выпуск БВТС составляет не более 1% от общего объема твердых сплавов, то в Западной Европе и США используют 2-5% БВТС, а в Японии до 30-35%.

В мироной практике в настоящее время производят БВТС главным образом на основе TiС, TiC-TiN с различными вариантами связок (табл. 15).

Для повышения пластичности и сопротивляемости разрушению при термоциклических нагрузках БВТС дополнительно легируют карбидами Мо, V, Ta, Nb, Zr, Hf, Al, Cr, а также W. Рассматривается также возможность производства БВТС на основе боридов переходных металлов IV – VI групп Периодической системы и, в частности, TiB и TiB₂.

Таблица 15. Составы БВТС, применяемые в мировой практике

Эффективность БВТС при резании в значительной степени определяется составом и свойствами связки. При производстве БВТС в качестве связки чаще всего используют никель с добавками молибдена или кобальта (см. табл. 15), а для ее упрочнения в состав связки вводят Fe, Cr, Al, W, Ti, Si и др.

Например, при легировании БВТС алюминием происходит образование субмикроскопической фазы Ni(Ti,Al), выполняющей роль своеобразного фазового упрочнителя. В результате происходит упрочнение связки, растет твердость сплава без снижения его прочности. В мировой практике используют БВТС с содержанием связки в пределах 5-25% (по весу).

Фирма Sumitomo разработала серию БВТС, которые успешно заменили вольфрамосодержащие твердые сплавы для операций чистового и получистового точения сталей (Р01-Р20). В частности, сплав Т12А (HV=1580, =1,65 ГПа) применяется для получистового точения и фрезерования конструкционных сталей на ферритной основе с V=150-200 м/мин соответственно, а также для точения и фрезерования нержавеющих сталей на скоростях резания V=60-250 м/мин; V=60-120 м/мин. Наиболее удачным в этой серии является сплав Т25А (HV=1520; =1.85 ГПа) предназначенный для получистового точения конструкционных сталей (V=50-200 м/мин) и фрезерования (V=120-180 м/мин, S_z=0,25 мм/зуб).

Еще одно направление совершенствования БВТС связано с введением в их состав небольшого количества WC и ТаС с целью повышения теплопроводности, снижения коэффициента термического расширения, что заметно повышает сопротивляемость БВТС разрушению в условиях термоциклирования и значительно повышает износостойкость сплава для тяжелых операций и, в частности, для чернового фрезерования.

Например, фирма Toshiba Tungalloy (Япония) разработала гамму БВТС (302, 308, 350, NS500) на основе TiC-TiN, легированных WC и ТаС. Эти сплавы рекомендованы фирмой для оснащения инструмента, предназначенного для получистового точения сталей и чугунов, а также закаленных сталей и чугунов повышенной прочности, нержавеющих аустенитных сталей (Р10-Р20, К05-К20, М05-М10). Благодаря высокой сопротивляемости разрушению при термоциклических нагрузках торцовые фрезы, оснащенные пластинами NS540, могут быть использованы для фрезерования стали твердостью НВ160 с V=170 м/мин; S_z=0,2 мм/зуб; t=2-3 мм, при этом допускается применение СОТС.

Фирма Adamas Carbide (США) рекомендуют пластины из БВТС марок ADAMAX300 и ADAMAX400 для чистового, получистового и чернового точения сталей (НRС_э 42-45) и чугунов на скоростях резания до 220 м/мин, минутной подаче до 813 мм/мин и глубиной резания до 15 мм.

Фирма Teledyne First Stering (США) рекомендует разработанные БВТС на основе TiCN и (Ti,Mo)CN с никельмолибденовой связкой (марка SD-3) для точения, растачивания, подрезки, нарезания резьбы в сталях и чугунах, жаропрочных сталях, что свидетельствует о широкой области применения сплава SD-3. В частности. инструмент из сплава SD-3 достаточно эффективен при резании с V=300-400 м/мин заготовок из стали твердостью до 50 НRC_э.

Следует отметить, что БВТС, с их более высокой, чем у вольфрамосодержащих твердых сплавов, теплостойкостью, меньшей склонностью к адгезии с обрабатываемым материалом, вполне отвечают современной тенденции обработки заготовок за одну установку при минимальном припуске, высоких требованиях к точности и шероховатости обработанных поверхностей и использовании высоких скоростей резания. Таким образом, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, становится особенно эффективным при обработке больших поверхностей с высокими требованиями по точности, правильности геометрической формы, шероховатости обработанных поверхностей. В частности, при тонком фрезеровании направляющих длиной до 600 мм и шириной до 40 мм из стали 58СМо фрезой, оснащенной пластинами из БВТС марки Т60 с V=125 м/мин, S_z=0,15 мм/зуб; t=0,3 мм (критерием отказа служил параметр шероховатости R_a=0,4 мкм), число обработанных деталей за период стойкости фрезы составило 12 штук при шероховатости по всей обработанной поверхности R_a=0,35 мкм. При использовании торцовых фрез, оснащенных вольфрамосодержащим твердым сплавом, шероховатость обработанной поверхности при аналогичных условиях обработки составила R_a=2,1 мкм.

В ряде случаев инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, превосходит инструмент из твердых сплавов с износостойкими покрытиями и керамики. В частности, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС марки SN80 фирмы «Feldmuhle» (ФРГ) превосходит керамический инструмент при резании на скоростях 350-500 м/мин в условиях повышенных требований к прочности режущих кромок и качеству обработанной поверхности.