По стан­дарту ИСО 513

Классификация современных твердых сплавов

Продолжение табл. 11.12

Окончание табл. 11.12

* Неблагоприятными условиями работы следует считать ра­боту с переменной глубиной резания, с прерывистой подачей, с ударами, вибрациями, с наличием литейной корки и абразивных включений в обрабатываемом материале

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

Основные тенденции совершенствования твердых сплавов. В настоящее время номенклатура твердых сплавов 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 вольфрамокобальтовых твердых сплавов (WC‑Co) связано с разработкой сплавов особомелкозернистой (радиус скругления до 1 мкм) и ультрамелкозернистой структуры (радиус скругления до 0,1–0,5 мкм); созданием сплавов со связками повышенной прочности и теплостойкости; применением принципиально новых технологий производства спла­вов на основе использования субмелкозернистого исходного зер­на, совмещения процессов синтеза и горячего прессования; вве­дения дополнительной операции доуплотнения структуры сплавов на специальных установках газостатического прессования (про­цесс ГИП).

Использование твердых сплавов ультра- и особомелкозернистой структуры при производстве режущего инструмента позво­ляет при заточке и доводке инструмента получить радиус скругления режущих кромок в пределах 5–10 мкм, что вполне соизмери­мо с радиусом скругления 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- и боропластиков.

В частности, пластины из сплава ТНМ, имеющего средний размер зерна около 0,6 мкм, фирма «Krupp Widia» (ФРГ) рекомен­дует для обработки высокотвердых сталей (HRC 55), а также для обработки высококремниевого алюминиевого сплава [13].

Фирма «Sandvik Coromant» (Швеция) рекомендует пластины из сплава H10F (M20–M30) для фрезерования жаропрочных сплавов, а фирма «Kennametal» (США) рекомендует мелкозернистый сплав К313 для резания труднообрабатываемых материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности. Следует отметить, что сплав К313 обладает уникальной прочностью при изгибе s_и = 3200 МПа, что достигается использованием технологии дополнительного горячего изостатического прессования (ГИП). Сплав К313, кроме того, об­ладает высокой сопротивляемостью термопластическому деформиро­ванию при повышенных температурах [137].

Надежность твердосплавного инструмента, особенно применя­емого в автоматизированном производстве, зависит не только от средних значений прочности, но и стабильности его прочностных свойств. Поэтому еще одно направление совершенствования совре­менных твердых сплавов связано со стабилизацией однородности его свойств. Примером такой тенденции может служить особомелкозернистый сплав А–1, разработанный 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 рекоменду­ются фирмой для чернового точения и фрезерования, так как такой инструмент обладает высокой сопротивляемостью хрупкому разру­шению режущих кромок и высокой прочностью удержания карбидного зерна в сплаве. Последнее предопределяет высокую износостой­кость сплава в условиях прерывистого резания и приложения пе­ременных нагрузок большой величины [99].

В частности, при чистовой высоколегированной стали 16МпСг5Е с твердостью НRС_э=62 применение торцовых фрез, оснащенных сплавом А-1, поз­волило увеличить скорость фрезерования до 120 м/мин [126].

Для производства цельнотвердосплавных сверл и концевых фрез диаметром 0,1–0,8 мм для обработки отверстий в печатных фольгированных платах фирма «Sumitomo» разработала несколько марок мелко- и особомелкозернистых сплавов, обладающих высоки­ми показателями по прочности при изгибе и кручении однород­ности размера зерна. В частности, твердый сплав AF–1 с разме­ром зерен 0,5–0,15 мкм и содержанием кобальта 12% по объему, имеющий твердость HRA 93 и прочность при изгибе s_и = 5,0 ГПа, был использован для производства сверл диаметром 0,1 мм. Необ­ходимо отметить, что при производстве сверл такого диаметра малейшие дефекты сплава и, в частности, неравномерность вели­чины зерна WC по объему, приводят к неизбежной поломке сверла при эксплуатации. По данным [126] при обработке отверс­тий в фольгированных пластинах (d = 0,1– 0,3 мм) сверла из сплава А–1 имели стойкость существенно превышающую стойкость сверл из быстрорежущей стали.

Аналогичные цельнотвердосплавные сверла фирмы «Hertel AG» (ФРГ) (типа SE–Drill) позволили повысить до трех раз величину подачи, по сравнению с применяемыми для быстрорежущих сверл, при одновременном увеличении скорости резания до 80–120 м/мин [118].

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°С), что, в свою очередь, позволяет снизить тенденцию роста зерна при спекании и увеличить износостойкость сплава.

В [139] показано, что оптимальное сочетание свойств мел­козернистых сплавов обеспечивается при содержании кобальта в пределах 6% по объему. Такие сплавы используют для производс­тва цельнотвердосплавных инструментов: сверл, зенкеров, раз­верток, концевых фрез, метчиков и т.д.

Большое количество зарубежных исследовательских работ посвящено совершенствованию свойств твердых сплавов за счет упрочнения связки, которая является слабым технологическим звеном сплава. В частности, как было показано выше, на свойс­тва связки большое влияние оказывает содержание углерода, при­чем это влияние усиливается по мере роста содержания в сплаве кобальта.

Легирование связующей фазы рением повышает ее прочность, сопротивляемость высокотемпературной ползучести и, кроме того, предотвращает формирование хрупкой h–фазы. Следует отметить, что появление жидкой фазы твердого раствора Co–Re происходит при температуре выше на 100–300 °С, а твердость сплава с (Co-Re)–связкой на 200–300 HV выше, чем у твердого раствора Co–W–C. Это является главной причиной повышения стойкости инс­трумента, оснащенного сплавом с (Co–Re)–связкой: в 3–5 раз по сравнению со стойкостью инструмента, оснащенного обычным твер­дым сплавом.

Заметное улучшение свойств сплава отмечено при его леги­ровании рутением. В частности, введение 0,4% (на весу) рутения в сплав 94% WC – 6% Со увеличивает предел его прочности при изгибе на 16% при том же значении твердости. Это связано с тем, что рутений является ингибитором роста зерен и увеличивает смачиваемость зерен WC, что, в свою очередь, приводит к росту прочности адгезионной связи между WC и Со. Сплавы с (Co–e)–связ­кой хорошо сопротивляются механическим ударам и термической усталости.

Широкое применение сплавов с (Co–Re)– и (Co–Ru)–связками сдерживается дефицитностью Re и Ru. Поэтому в последнее время ряд фирм разработали 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.

Фирма «Krupp–Widia» (ФРГ) разработала несколько новых ма­рок титанотанталовольфрамовых твердых сплавов для фрезерования. Высокая эффективность сплава TTM–S обеспечивает­ся сочетанием высокой твердости (HV1500) и прочности при изги­бе (s_и =2,1 ГПа), поэтому пластины из этого 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 [125, 137].

Японская фирма «Mitsubishi» разработала широкую гамму титано-танталовольфрамовых 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 SТi10T, рекомендуется для чистового и копировального точения, нарезания резьбы и канавок, а пластины из сплава HTi05T – для тонкого точения и растачивания стальных заготовок.

Более прочные пластины STi10T рекомендуют для точения за­готовок из труднообрабатываемых материалов.

Отмечается тенденция замены карбида тантала более эффек­тивными карбидами гафния, ниобия, хрома, ванадия. 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 МbС 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 [130].

В табл. 11.13 приведены основные марки твердых сплавов, производимых в РФ по улучшенным технологиям, а также по технологиям ряда западных фирм («Hertel», «Sandvik Coromant» и др.), их аналоги и области применения.

Таблица 11.13