Материалы и классификация резцов (Т5К10, Т15К6, ВК8 и пр.). Сплавы твердые спеченные ТС1Ф покрытие CVD

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

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):

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)

Примечание: f - коэффициент крепости породы по шкале проф. Протодьяконова М. М.

Вольфрамовые твердые сплавы - двухфазные спеченные металлокерамические материалы на основе карбида вольфрама на Co и Ni связках, получаемые методами порошковой металлургии. При этом содержание металло-связки меняется в достаточно узких пределах от 3 до 15%. Такие твердые сплавы характеризуются высокими значениями физико-механических показателей, таких как теплопроводность, твердость, модуль упругости, ударная прочность, устойчивость к вибрации и т.д. Твердые сплавы существенно более прочны и менее хрупки, нежели традиционные конструкционные керамики или керметы, что обуславливает возможность их работы с значительно большими нагрузками, а также обеспечивает их лучшую технологичность и эксплуатационную устойчивость. Уступают твердые сплавы конструкционным керамикам, в частности, карбидокремниевым керамикам, по износостойкости, что обусловлено меньшей твердостью; а также по химической стойкости. Твердые сплавы, выпускаемые ООО«Вириал», ВК8 и СВН8, соответствуют требованиям технических условий ТУ 1965-018-2304285-2009 и ТУ 1967-019–2304285-2009.

Различие этих твердых сплавов между собой проявляется, прежде всего, в коррозионной стойкости, сплавы с никелем более корозионностойкие.

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.

Отличительные особенности трибологических вольфрамовых твёрдых сплавов компании «ВИРИАЛ»:

1. Высокая прочность и износостойкость, обеспечиваемая строгим соблюдением углеродного баланса сплавов, а также применением вакуум-компрессионного спекания, которое практически устраняет остаточную пористость в материале. Высокая прочность сплавов значительно снижает вероятность растрескивания изделий в процессе эксплуатации.
2. Низкий и стабильный коэффициент трения, обеспечиваемый микронным размером зерна карбида вольфрама, снижает энергозатраты оборудования.
3. Высокая коррозионная стойкость сплавов, способных работать в агрессивных жидкостях, например в пластовых жидкостях при добыче нефти и газа при температурах близких к кипению.

Свойства вольфрамовых твёрдых сплавов «Вириал» в сравнении со стандартным твёрдым сплавом ВК8

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:

1. более прочные и вязкие, но менее износостойкие (ВК8 и ВК.6);
2. 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.