Производство порошковых изделий (Учебник для техникумов)

Либенсон Г.А.

Металлургия, 1990 г.

Г л а в a 3. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ И СВЕРХТВЕРДЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Такие МАТЕРИАЛЫ обладают комплексом ценных свойств, обеспечивающих их эффективное использование во многих областях техники. Присущая этим материалам большая твердость сочетается с высоким сопротивлением их износу при трении как о металлы, так и о неметаллические МАТЕРИАЛЫ (горные породы, стекло, дерево, пластмассы и др.), в том числе и при повышенных температурах.

Наибольшее значение имеют порошковые вольфрамсодержащие, безвольфрамовые, минералокерамические, литые и наплавочные твердые сплавы, сверхтвердые алмазные абразивные и поликристаллические инструментальные материалы.

Более распространены твердые сплавы, которые представляют собой порошковый материал на основе металлоподобных твердых соединений с металлической связкой, обладающий твердостью свыше HRA 80.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986-1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС, записано: "Развивать специализированное производство инструмента, повысить в 3 - 4 раза выпуск высокопроизводительного режущего инструмента с неперетачиваемыми пластинами из твердых сплавов и металлокерамики, с износостойкими многослойными покрытиями"1.

5. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

В самом общем виде порошковые твердые СПЛАВЫ представляют собой гетерогенные материалы, в которых частицы высокотвердых тугоплавких соединений (чаще всего карбиды, реже нитриды или бориды переходных металлов; наиболее широко используют карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их сочетаний) сцементированы пластичным металлом-связкой (кобальтом, никелем, железом и их сплавами).

В настоящее время отечественная промышленность выпускает несколько десятков марок разнообразных твердых сплавов, которые в соответствии с областью применения подразделяют на группы:

1. Инструментальные сплавы, применяемые при обработке материалов резанием, давлением или штамповкой, при бурении горных пород и т.п.

2. Конструкционные сплавы, служащие для изготовления износостойких деталей машин, механизмов и приборов, в том числе и с особыми свойствами - высокой плотностью, большим временным сопротивлением и значительным модулем упругости.

3. Жаропрочные и жаростойкие сплавы.

1. Вольфрамсодержащие инструментальные твердые сплавы

Начавшееся примерно с 1800 г. развитие различных обрабатывающих станков и машин существенно тормозилось вплоть до конца XIX века отсутствием эффективных режущих материалов и инструмента из них, так как применявшиеся в течение почти 100 лет углеродистые стали позволяли работать со скоростями резания всего в несколько метров в минуту. Появившиеся затем высоколегированные, а около 1900 г. и быстрорежущие стали, хотя и обеспечивали скорости резания 20-40м/мин, оказались малопригодными для обработки большой группы разработанных к тому времени высокопрочных и твердых материалов, в том числе на основе тугоплавких металлов.

Не решили проблему обработки таких материалов созданные позднее литые стеллиты (1907 г.) и литые карбиды вольфрама (1914 г.).

Только с появлением в 1923 - 1925 гг. порошковых твердых сплавов (изготовитель - германская фирма "Осрам", патенты Шрёттера) в металлообрабатывающей и горной промышленности произошла настоящая техническая революция, так как эксплуатационная стойкость такого твердосплавного инструмента оказалась в 15-100 раз выше применявшихся до этого инструментальных сталей, что позволило резко (в 5 - 10 и более раз) увеличить скорости при резании (с одновременным возрастанием подачи) и бурении, стойкость между переточками рабочих частей штампов для вырубки деталей из листовой стали и т.п. Благодаря этому производительность труда в отраслях, потребляющих твердые сплавы, возросла в 3 - 5 раз. Кроме того, выяснилось, что Дорогостоящий вольфрам, являющийся основным компонентом таких твердых сплавов, в их составе дает гораздо больший эффект, чем, например, в составе быстрорежущей стали. Так, инструментом с одной и той же массой вольфрама в случае твердосплавного инструмента можно обработать в 6 раз больше металла, чем инструментом из быстрорежущей стали.

Все это определяет огромное народнохозяйственное значение производства и рационального потребления твердых сплавов. В СССР промышленное производство твердых сплавов было начато на Московском электрозаводе в 1929 г. выпуском вольфрамокобальтового твердого сплава марки ВК10, названного "победит". В 1931 г. выпуск твердых сплавов был организован на Заводе редких элементов (г.Москва), который в 1936 г. был реорганизован в Московский комбинат твердых сплавов.

В 1935 г. освоен выпуск титановольфрамокобальтовых твердых сплавов, а к концу 30-х годов ассортимент твердых сплавов был уже существенно расширен за счет создания специализированных марок, предназначенных для обработки чугунов и цветных металлов, сталей и для бурения горных пород. В годы Великой Отечественной войны выпуск твердых сплавов резко возрос.

Послевоенный период оказался весьма плодотворным для развития твердосплавной промышленности и в нашей стране, и за рубежом. Так, уже к концу 50-х годов мировое производство твердых сплавов составило более 5000 т, в том числе в СССР 1500 т, в США и Канаде 1400 т (в 1937 г. в-США выпускали всего 1 т твердого сплава в месяц!), в ФРГ 800 т, в Швеции 400 т, в остальных европейских странах 900 т, в южноамериканских странах 50 т и во всех других странах мира вместе взятых 50 т.

Существующие сейчас весьма многочисленные марки порошковых твердых сплавов на основе карбида вольфрама в зависимости от их состава можно разделить на три группы:

1) вольфрамовые твердые сплавы, состоящие из монокарбида вольфрама WC и кобальта (сплавы ВК) или другого цементирующего металла; некоторые марки сплавов этой группы содержат также небольшие добавки карбидов ванадия, тантала, ниобия;

2) титановольфрамокобальтовые твердые СПЛАВЫ системы WC -TiC - Со, или ТК, содержащие карбиды вольфрама (основа) и титана и кольбальт;

3)титанотанталовольфрамокобальтовые твердые СПЛАВЫ системы WC - TiC - ТаС - Со, или ТТК, в состав которых входят карбиды вольфрама (основа), титана, тантала и кобальт; твердые СПЛАВЫ этой группы зачастую в своем составе имеют также карбид ниобия из-за применения по экономическим соображениям танталового сырья, содержащего ниобий, или в результате частичной замены карбида тантала более дешевым и менее дефицитным карбидом ниобия. Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием нескольких тысяч видов материалов, в том числе: разнообразных по свойствам чугунов, термически обработанных и не подвергавшихся упрочняющей обработке легированных, высоколегированных, нержавеющих, жаропрочных и специальных сталей и сплавов; цветных металлов и их сплавов (латуней, бронз, сплавов на основе алюминия, магния, титана), неметаллических (графитированных и угольных электродов, отделочных камней, пластмасс, фарфора, древесины и т.п.) и композиционных (например, алюминий + пластмасса, стеклопластик + металл и др.) материалов.

Инструментом, оснащенным твердым сплавом, осуществляют точение (черновое, получерновое, получистовое, чистовое, непрерывное и прерывистое), растачивание, отрезку, фрезерование, строгание, сверление, рассверливание, развертывание отверстий, долбежку, зенкерование (черновое и чистовое), нарезание резьбы (предварительное - токарными резцами, вращающимися головками, окончательное - плашками), протяжку.

ГОСТ 2209-69, ГОСТ 4406-67, ГОСТ 9473-71, ГОСТ 11378-75, ГОСТ 13833-77, ГОСТ 17163-71, ГОСТ 20312-74, ГОСТ 20771-75 и др. предусматривают производство около пятидесяти форм нескольких сотен типоразмеров твердосплавных пластин, роликов и коронок для режущего инструмента, позволяющего обрабатывать детали массой от долей грамма до сотен тонн.

В соответствии с рекомендациями Международной организации по стандартам (ИСО), членом которой является СССР, твердые СПЛАВЫ делят на три группы в зависимости от характера материала, для обработки которого резанием они предназначены: К- для обработки чугуна, цветных металлов, пластиков и других материалов,

образующих при резании стружку надлома;

М - универсальные для обработки нержавеющих, жаропрочных сталей, титановых сплавов и ковких легированных чугунов; Р - для обработки стального литья и других материалов, дающих сливную стружку.

Эти основные группы режущих твердых сплавов далее подразделяют на подгруппы, обозначаемые двузначным индексом (например, Р01, Р10, Р50, М05, М10, М40, К01, К10, К40). Увеличение индекса означает, что при обработке резанием нужен твердый сплав большей прочности, понижение его значения - возрастание требований к твердости и сопротивлению сплава износу.

Важной областью применения твердых сплавов являются волочение проволоки, волочение и калибрование прутков, волочение профилей и труб из сталей, цветных металлов и их сплавов (алюминия и его сплавов, цинка, меди, латуни, бронзы, никеля, медноникелевых сплавов), тугоплавких металлов (вольфрамовых и молибденовых прутков и проволоки) и горячее прессование прутковой латунной заготовки на горизонтальных гидравлических прессах. Из твердых сплавов изготовляют фильтры для волочения проволоки стальной и из цветных металлов и сплавов диаметром э 0,2 мм, из тугоплавких металлов - диаметром * 0,5 мм, волоки-заготовки (ГОСТ 9453-75, ГОСТ 2330-76, ГОСТ 5426-76) круглого, шестигранного, квадратно-. и прямоугольного сечений для волочения труб и прутков, составные волоки для сложных профилей, оправки для волочения труб с утонением стенки. Штамповый твердосплавный инструмент высокой прочности и износостойкости применяют для Работы в условиях ударных нагрузок различной интенсивности, например при высадке (ГОСТ 10284-74) болтов, гаек, винтов, шурупов и заклепок, для разделительных и гибочных штампов (ГОСТ 19106-73).

Горный инструмент с твердосплавными изделиями (ГОСТ 4411 -79) обеспечивает работу врубочных машин и высокопроизводительных комбайнов при добыче угля, бурении геологоразведочных и промышленных скважин в породах различной крепости (бурение шарошечными долотами, ударно-поворотное, погружными перфораторами и вращательное).