Введение

Твердые сплавы, материалы с высокой твердостью, прочностью, режущими и др. свойствами, сохраняющимися при нагреве до высоких температур.

Различают спечённые и литые твёрдые сплавы. Главной особенностью спеченных твердых сплавов является то, что изделия из них получают методами порошковой металлургии и они поддаются только обработке шлифованием или физико-химическим методам обработки (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др), а литые твердые сплавы предназначены для наплавки на оснащаемый инструмент и проходят не только механическую, но часто и термическую обработку (закалка, отжиг, старение и др). Порошковые твердые сплавы закрепляются на оснащаемом инструменте методами пайки или механическим закреплением.
Под сплавом понимают вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. Возможны другие способы приготовления сплавов: спекания, электролиз, возгонка.

Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом. Сплавы обладают более разнообразным комплексом свойств, которые изменяются в зависимости от состава и метода обработки.

Цель моего реферата: изучение свойств твердых сплавов, области их применения и методы упрочнения.

Задачи: 1) изучить материал по данной теме; 2) систематизировать и классифицировать материал по теме «Твердые сплавы» и представить его в виде таблицы.

Классификация и маркировка твердых сплавов

Твердые сплавы представляют собой сплавы на основе карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC) и металлической связки (кобальт или никель). Твердые сплавы обычно содержат 70-97 % тугоплавких карбидов. Они обладают высокой твердостью (86-92 HRA), красностойкостью (800-1000 °С) и износостойкостью при меньшей прочности по сравнению с быстрорежущей сталью (σ < 2500 МПа).

Твердые сплавы условно делят на 4 группы:

1) однокарбидные вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта (WC – Co);

2) двухкарбидные титановольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама (основа), карбида титана и кобальта (WC - TiC - Co);

3) титанотанталовольфрамовые сплавы, в состав входят карбиды вольфрама (основа), титана, тантала и кобальт (WC – TiC – TaC – Co);

4) безвольфрамовые твёрдые сплавы, состоящие из карбида или карбонитрида титана, связки Ni или сплава Ni - Mo: TiC - Ni - Mo (сплавы ТН); TiC – TiN - Ni - Mo (сплавы КНТ).

Вольфрамовые сплавы обозначаются буквами ВК и цифрой, указывающей процентное содержание кобальта, например, сплав ВК6 содержит 6 % кобальта, остальное (94 %) - карбид вольфрама. К этой группе относятся сплавы ВК3, ВК4, ВК6, ВК8, BKIO, BKI5, ВК20, ВК25. Чем больше кобальта в твердом сплаве, тем выше прочность, но ниже твердость и износостойкость. Теплостойкость их - до 800 °С. Для сплава ВК8, например, предел прочности при изгибе σu = 1717 МПа, твёрдость 87,5 НRА, а для сплава ВК25: σu = 2452 МПа, 83 HRA.

Буква М в марке сплава обозначает, что сплав мелкозернистый (ВК6 М), буква К – крупнозернистый (ВК20 – К), буква В указывает, что изделия спекались в атмосфере водорода (ВК6-В). Сплавы с крупным зерном отличаются повышенной ударной вязкостью. Чем меньше зерно карбидной фазы, тем выше износостойкость твёрдого сплава.

Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквами ТК и цифрами, стоящими после каждой цифры, которые указывают конкретное содержание карбида титана и кобальта. Так, Т15К6 содержит 15 % карбида титана, 6 % кобальта, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТК – до 900-1000 °С.

Титанотанталовольфрамовые сплавы обозначаются буквами ТТК и цифрами: ТТ7К12 - карбидов титана и тантала - 7 %, кобальта 12 %, остальное - карбид вольфрама. Теплостойкость сплавов группы ТТК- до 1000 °С¹.

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются высокой окалиностойкостью, отсутствием дефицитного вольфрама, вдвое меньшей плотностью по сравнению со сплавами группы ВК, однако уступают им по прочности, ударной вязкости и теплопроводности.

Химический состав безвольфрамовых твёрдых сплавов:

• карбидотитановые – 70-80 % TiC, 20-40 % Ni-Mo (сплавы TH-20, TH-

30, TH-40);

• карбидонитридотитановые – 25-45 % TiC, 25-45 % TiN, 30-35 % Ni-Mo

(KHT16 и др.)

При обработке сталей используются сплавы группы ТК, а чугунов - группы ВК. Сплавы группы ТТК более универсальные, применяются как при обработке сталей, так и чугунов. Безвольфрамовые твердые сплавы рационально использовать при получистовой и чистовой обработке углеродистых сталей и цветных металлов².

Свойства сплавов

Физические свойства.

Плотность. Плотность сплавов зависит от химического состава сплавов (с увеличением содержания Со и титана уменьшается). Плотность снижается при наличии в конкретном сплаве остаточной пористости, свободного графита.

Теплопроводность. Твердые сплавы работают в условиях трения. В результате образуется тепло, которое при хорошей теплопроводности отводится от места контакта с обрабатываемым материалом.

Большое влияние теплопроводность оказывает на обработку резанием материалов, дающих сливную стружку, т.е. такую, которая в процессе резания трется о твердый сплав. Если твердый сплав имеет низкую теплопроводность, то выделяющееся тепло сосредоточивается на режущей кромке резца и стружке. В этом случае стружка размягчается и мало изнашивает сплав, но режущая кромка разогревается и интенсивнее изнашивается. Поэтому теплопроводность должна быть оптимальной, обеспечивая наилучшие режущие свойства сплава.

В пределах одной группы сплавов теплопроводность зависит от количества карбидной фазы и пористости. С уменьшением карбидной фазы и пористости теплопроводность возрастает.

Вольфрамокобальтовые сплавы более теплопроводны, чем титановольфрамкобальтовые.

Коэффициент линейного расширения. Он характеризует удлинение тела при нагреве. Коэффициент линейного расширения твердых сплавов зависит от химического состава сплава. С увеличением содержания кобальта коэффициент линейного расширения увеличивается.

Коэффициент линейного расширения титановольфрамовых сплавов примерно в 2 раза ниже, чем для малоуглеродистой стали. Это различие отражается на качестве инструмента с напаянными пластинами. Из-за дополнительных напряжений, возникающих в результате различия в коэффициентах линейного расширения , пластины могут отслаиваться от державки или иметь трещины.

Термические свойства твердых сплавов играют большую роль при изготовлении и эксплуатации инструмента. Твердые сплавы чувствительны к условиям нагрева и охлаждения, а они всегда имеют место при пайке пластин твердого сплава к инструменту, при шлифовании и заточке изделий. Во избежание образования трещин в изделиях из твердых сплавов. Следует применять медленное нагревание и охлаждение при пайке, оптимальные режимы при шлифовании и обильное охлаждение³.

Красностойкость - свойство твердого сплава сохранять твердость, износостойкость и другие качества, необходимые для резания. Красностойкость важна для резания стали, т.к. сливная стружка трется о твердосплавную пластину и разогревает ее. Она проявляется в интервале температур 900- 100С. Красностойкость титановольфрамовых сплавов выше, чем вольфрамокобальтовых , благодаря присутствию карбида титана.

Магнитные свойства.

Из магнитных свойств сплавов практически важной является величина коэрцитивной силы. Зависит главным образом от содержания кобальта и дисперсности кобальтовой фазы. Чем выше дисперсность кобальтовой фазы, тем выше значение коэрцитивной силы. Чем выше содержание кобальта, тем ниже коэрцитивная сила. (т.к. увеличивается толщина прослоек).

Значения коэрцитивной силы указывают на размер зерен карбидной фазы, т.к. размер участков кобальтовой фазы (при одном и том же содержании кобальта) зависит от величины зерен карбидной составляющей.

Механические свойства.

Твердость - свойство твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела. Твердость- одно из главных свойств твердых сплавов ,т.к. от нее зависит износостойкость.. Главное влияние на нее оказывает количество карбидной фазы и величина зерна этой фазы. С увеличение количества карбидной фазы или уменьшением величины зерна твердость возрастает.

Для ТК-сплавов при постоянном размере зерен фазы WC и при увеличении размера зерен титановой фазы твердость сплава практически не меняется.

Титановольфрамовые сплавы отличаются более высокой твердостью, чем вольфрамовые, т.к. карбид титана тверже, чем карбид вольфрама.

С увеличением плотности (снижении пористости) твердость возрастает.

Наличие в избытке углерода в виде графита снижает твердость сплава, а недостаток углерода, вызывающий появление η-фазы , существенно повышает твердость, но снижает прочность.

Содержание углерода в пределах двухфазной области системы WC-Co не приводит к изменению фазового состава сплава, но отражается на составе кобальтовой фазы в связи с изменением растворимости вольфрама в кобальте (с уменьшением содержания углерода, увеличивается содержание растворенного вольфрама). Состав кобальтовой фазы в значительной степени определяет ее свойства и тем самым свойства сплава в целом⁴.

Предел прочности при изгибе.

Прочность-свойство твердого тела сопротивляться воздействию внешних сил.

Обычно прочность характеризуется величиной разрушающих нагрузок при сжатии, изгибе, растяжении и т.д.

Прочность твердых сплавов - одно из основных свойств.

Предел прочности находится в обратной зависимости от твердости и увеличивается с увеличением содержания кобальта , проходя через максимум 15-20%. Зависит и от величины зерна карбидной фазы. Максимум зависит от содержания кобальта.

Титановольфрамовые сплавы менее прочные, т.к. карбид титана менее прочный. Зависимость прочности и др. свойств от зернистости у ТК-сплавов более сложная. Наименьшую прочность имеют сплавы с крупной титановой фазой и мелкой фазой WC. При постоянной зернистости титановой фазы с увеличением размера зерен WC-фазы прочность растет, а твердость падает.

Прочность зависит от пористости, наличия графита, степени обезуглероживания, от интенсивности размола.

Предел прочности зависит и от содержания углерода в сплаве. Зависимость отражается кривой, максимум которой проходит при содержании в сплаве углерода 6.12 в пересчете на карбид вольфрама. Причем падение прочности происходит более резко при дефиците углерода, чем в случае его избытка. В общем можно сказать, что предел прочности сохраняет практически постоянное значение в интервале содержания в сплаве от 0.5%Соб. до 0.1%η-фазы.

Предел прочности при сжатии.

Прочность твердых сплавов при сжатии имеет весьма большое значение и характеризует в некоторой степени пластические свойства.

Кривые зависимости σсж от содержания кобальта проходят через максимум, но максимум лежит при значительно меньшем содержании кобальта(4-6%).

С увеличением среднего размера зерна карбидных зерен σсж монотонно уменьшается, но для всех размеров наблюдается максимум в интервале 6-8%. Наиболее высокий уровень σсж наблюдается у мелкозернистых сплавов при содержании кобальта 4 или 8.6%Со.

Ударная вязкость растет непрерывно с увеличением содержания кобальта и ростом зерна. Является функцией прочности, так и пластичности. Поэтому зависимость более сложная.

Пластичность достигается не только увеличением размера зерна, но и применением высокотемпературных процессов восстановления вольфрама и карбидизации⁵.

Применение

Твердые сплавы ввиду своей высокой твердости применяются в следующих областях:

• Обработка резанием конструкционных материалов: резцы, фрезы, сверла, протяжки и прочий инструмент;

• Оснащение измерительного инструмента: оснащение точных поверхностей микрометрического оборудования и опор весов;

• Клеймение: оснащение рабочей части клейм;

• Волочение: оснащение рабочей части волок;

• Штамповка: оснащение штампов и матриц (вырубных, выдавливания и проч.);

• Горнодобывающее оборудование: напайка спеченных и наплавка литых твердых сплавов;

• Производство износостойких подшипников: шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь;

• Рудообрабатывающее оборудование: оснащение рабочих поверхностей;

• Газотермическое напыление износостойких покрытий⁶.

Основные марки   вольфрамосодержащих твердых сплавов и области их применения:

Основные характеристики и области применения безвольфрамовых твердых сплавов:

Методы и способы упрочнения

Применяемые технологические методы:

• CVD метод химического осаждения (термическое разложение (водородное восстановление) карбонилов, металлоорганических соединений, иодидов, хлоридов);

• PVD метод физического осаждения;

• ALD (Atomic Layer Deposition);

• PECVD (термическое разложение (водородное восстановление) карбонилов, металлоорганических соединений, иодидов, хлоридов) с инициированием низкотемпературной неравновесной плазмой;

• Вакуумно-дуговое распыление;

• ДВДР (двойной дуговой разряд);

• Электроннолучевое распыление;

• Магнетронное распыление;

• Sputtering Method;

• Вакуумное диффузионное насыщение (силицирование, алитирование, борирование);

• Ионное насыщение (азотирование, цементация, нитроцементация, оксидирование);

• Ионно-лучевая обработка;

• Имплантация;

• Ионное травление;

• Ионная очистка;

• Ионная полировка⁷.

Заключение

Большая часть имеющихся твердых сплавов предназначена для обработки резанием различных материалов, в том числе чугунов, нержавеющих, жаропрочных и специальных сталей и сплавов. Важной областью применения твердых сплавов является их использование для волочения и калибрования проволоки, прутков, труб и т.д. В качестве материала для покрытия пластин используют карбиды, нитриды, бориды и силициды тугоплавких металлов IV— VI групп периодической системы элементов. Наиболее широко применяемыми соединениями такого рода являются карбид, нитрид, карбонитрид титана.

В результате обработки на поверхности твердосплавной пластины образуется мелкозернистый слой соединений, обладающих высокой твердостью, износостойкостью и химической устойчивостью при высоких температурах.

Повышению износостойкости инструмента посвящено много работ и исследования в этой области продолжаются и в настоящее время. И как результат качественных работ в этой области - огромная номенклатура всевозможного инструмента ведущих фирм производителей в области металлообработки таких как: Вальтер, Митсубиси, Сандвик и т.д. Предлагающих инструмент с различным спектром износостойких покрытий, оптимальной геометрией, изготовленного из высококачественного инструментального материала, для, казалось бы, всех существующих условий работы инструмента на современном оборудовании, включая и скоростную обработку. Из всех существующих методов упрочнения инструмента выделим наиболее прогрессивные, нашедшие свое применение в производстве и являющиеся базой для многих современных покрытий. К таким относятся: химико-термический метод (цианирование); плазменное азотирование; плазменное нанесение покрытий типа TiN, в том числе и многослойных, градиентных покрытий.

Список литературы

1. Креймер Г. С., Прочность твёрдых сплавов, 2 изд., М., 1971.

2. Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — кобальт, М., 1971.

3. Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — карбид титана — карбид тантала — карбид ниобия — кобальт, М., 1973.

4. Третьяков В. И., Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов, 2 изд., М., 1976.

Приложение

Литые твердые сплавы

Пластины из твердых сплавов

Фасонные матрицы из твердых сплавов

Свойства твердых сплавов

1^ Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — карбид титана — карбид тантала — карбид ниобия — кобальт, М., 1973.

2^ Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — карбид титана — карбид тантала — карбид ниобия — кобальт, М., 1973.

3^ Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — кобальт, М., 1971.

4^ Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — кобальт, М., 1971.

5^ Туманов В. И., Свойства сплавов системы карбид вольфрама — кобальт, М., 1971.

6^ Третьяков В. И., Основы металловедения и технологии производства спечённых твёрдых сплавов, 2 изд., М., 1976.

7^ Креймер Г. С., Прочность твёрдых сплавов, 2 изд., М., 1971