Характеристики и свойства твердых сплавов

К основным характеристикам, определяющим свойства сталей и их назначение, относятся:

• процентное значение входящих в состав химических элементов (определяется в соответствии с ГОСТ);
• физико-механические свойства (допустимая прочность на изгиб, твердость, плотность, теплопроводные параметры, коррозийная устойчивость, жаропрочность);
• технология изготовления (литые или спеченные составы).

Карбиды, используемые в производстве, не подвергаются растворению и разрушению при чрезмерных температурах. Но они хрупки, поэтому, для формирования необходимого уровня твердости изделия, их связывают другими металлами.

Как выбрать нужную марку твердого сплава

При выборе марки сплава нужно обращать внимание на их разделение. Это могут быть титановольфрамовые и вольфрамовые смеси. Первыми обрабатывают стали, вторыми — чугун.

Также нужно учитывать физические и механические характеристики. Важную роль играет мощность оборудования, с помощью которого будет проводиться обработка.

Достоинства и недостатки

У твердых соединений металлов существуют как преимущества, так и недостатки. К сильным сторонам относятся:

1. Высокая механическая и термоударная прочность.
2. Однородность структуры.
3. Заточка на инструменте сохраняется гораздо дольше.
4. Устойчивость к высоким температурам.

К недостаткам можно отнести высокую цену на инструменты и оснастку из твердых соединений.

Классификация

1. По составу

• Вольфрамокобальтовые (ВК) – марки ВК3М, ВК3, ВК8, ВК6М и др. Внутри группы марки отличаются разным процентом кобальта, типом производства, величиной зерна карбида вольфрама (мелкозернистая и крупнозернистая структура). Для режущих инструментов подходят марки с процентным содержанием кобальта до 12%. При повышении процента кобальта устойчивость состава при резании понижается, но увеличивается его эксплуатационная прочность. Инструменты, изготовленные из сталей данной группы, используются для работы с чугунными, конструкционными сталями, хрупкими материалами при ударной обработке, прерывистом технологическом цикле, в процессе которого температура в зоне резки не поднимается до значительных уровней.
• Титановольфрамокобальтовые (ТК) – марки Т14К8, Т5К10 и др. В химический состав этого типа твердых сплавов входят следующие компоненты: карбид титана, вольфрама и кобальт в виде связующего звена. Если сравнивать данные сплавы с марками ВК, можно отметить у них высокие показатели твердости и жаропрочности, устойчивости к окислению, но они менее упруги, электро- и теплопроводность материалов ниже. Предназначаются для работы с металлами, которые эксплуатируются при более интенсивных скоростях резки.
• Титанотанталовольфрамокобальтовые (ТТК) – ТТ8К6, ТТ7К12, ТТ10К8Б и др. Добавление в структуру тантала значительно улучшает эксплуатационные возможности получаемых сплавов, повышая их устойчивость к высоким температурным воздействиям и увеличивая прочность. Они используются для резки тяжело обрабатываемых материалов, когда инструмент в процессе работы подвергается серьезной нагрузке.
• Безвольфрамовые (БВТС) – КНТ16, ТН20 и др. Изготавливаются без использования вольфрама и кобальта, на базе титановых соединений, с добавлением никеля и молибдена в качестве связующих элементов. По твердости данные составы аналогичны маркам вольфрамовой группы, они почти не окисляются, а по упругости и прочности им уступают. Подходят для оборудования, которое работает при прерывистом резании.

• По технологии получения
• Литые стали – изготавливаются по классической технологии литья, с последующей механической и термической обработкой.
• Спекаемые составы (однокарбидные, двухкарбидные, трехкарбидные) – производятся методами порошковой металлургии, с дальнейшей шлифовкой, лазерной, ультразвуковой, химической обработкой.

• Инструментальные – используются для резания, штамповки, давления, бурения обрабатываемых материалов.
• Конструкционные – применяются для производства деталей, к которым предъявляются высокие требования износоустойчивости, сопротивления большим нагрузкам.
• Жаростойкие и жаропрочные – подходят для инструментария, подвергающегося в процессе эксплуатации температурным воздействиям.

• Группа P – для материалов, образующих сливную стружку.
• Группа K – для резки чугуна, цветных металлов, твердых материалов, образующих элементную и стружку надлома.
• Группа M – для обработки нержавейки, жаропрочных и титановых материалов, образующих сливную и стружку надлома.

Основные сведения

Твердые сплавы распространены в различных областях промышленности. Из них изготавливают детали для станков, машин, кораблей, самолетов, крепежные элементы, строительные пластины и другие изделия. Часто их используют при производстве инструмента. Людям, занимающимся металлургией и кузнечным делом, желательно знать основную информацию о том, что такое твердый сплав.

История открытия

История открытия твердых сплавов начинается с начала 20 века. До этого периода инструменты для обработки металла изготавливали из инструментальной стали, которая была насыщена углеродом. Однако процесс обработки был малопроизводительным и неэкономичным.

К началу 20 века, совместными усилиями металлургов была разработана высоколегированная инструментальная сталь. Она начала использоваться при обработке труднообрабатываемых видов металлов на высоких скоростях. Спустя непродолжительный промежуток времени она получила название «быстрорежущая сталь». Инструменты из неё впервые были продемонстрированы общественности в 1910 году.

Развитие инструментальной технологии на этом не остановилось. На территории СССР, США и Германии начиная с 1925 года смеси твердых металлов начали выпускаться как товарная продукция. Изготавливались такие товары из карбида вольфрама и металлического кобальта. На территории стран СНГ этот сплав получил название — «победит». Однако новым материалом можно было эффективно обрабатывать чугунные заготовки, но не сталь. В связи с этим продолжилась разработка новых соединений и с 1935 годов появилась вольфрамотитановая смесь. Она подходила для обработки стали, но крошилась при работе с чугуном.

В последующие годы начали использовать синтетические алмазы в качестве покрытия рабочих частей инструментов. Ещё одной разработкой стал эльбор — соединение азота и бора.

Области применения твердых сплавов

Твердые сплавы металлов активно используются в производстве оснащения оборудования и инструмента для отделки труднообрабатываемых материалов, деталей станков и машин, подвергающихся интенсивным нагрузкам.

Основные сферы использования:

• производство инструментария для металлообработки резкой: фрез, протяжек, сверл, резцов;
• оснащение горнодобывающей и лесозаготовительной техники: буры, рабочие поверхности оборудования, приспособления для вырубки;
• производство прочных подшипников: обойм, шариков, роликов, напыление на корпуса;
• инструмент и детали станков для волочения, штамповки, калибровки, проката, прессования, клеймения: оснащение рабочей поверхности, матриц и штампов и т. д.;
• оснащение измерительного оборудования: деталей инструмента, рабочих поверхностей;
• поверхностное напыление на детали из других материалов для придания им лучшей износостойкости, жаропрочности, твердости, антикоррозийных свойств;
• производство элементов для бытовых и промышленных приборов: резисторов, реостатов, электронагревателей, деталей для лабораторных и промышленных печей.

Продукция из твердых сплавов

Основной тип изделий, предлагаемый производителями и компаниями по металлообработке, – это режущий инструмент. Сверла, фрезы, пластины, стержни – самая популярная продукция в сегменте твердосплавного металлопроката. Оснащение производства инструментом и оборудованием из высокотвердых сплавов значительно повышает производительность и эффективность технологических процессов, позволяет использовать современные технологии обработки металлов. Это положительно сказывается на качестве и скорости производимой металлопродукции.

Как получают твердые сплавы

Соединения металлов представляют собой смесь порошков, которые прессуются и запекаются. В её состав входят карбиды и кобальт. Смешивают порошки в формах для запекания, прессуют под давлением от 200 кгс/см2. После обработки давлением формы разогреваются до температуры в 1500 градусов. Готовые соединения используют при получении труднообрабатываемых материалов.

Свойства твердых сплавов

Чтобы понять, какой металл или смесь самый прочный в мире, необходимо знать их свойства. Основные характеристики помогут разбираться в тех или иных видах материалов и грамотно использовать их при производстве. Свойства твердых сплавов:

1. Высокая механическая и термоударная прочность.
2. Износоустойчивость.
3. Красностойкость. Этот показатель проявляется при температурах от 900 и до 1000 градусов.

Такие свойства твердых сплавов, как ударопрочность, пластичность, прочность при сжатии или изгибе и твердость напрямую зависят от количества кобальта, содержащегося в соединениях. Также важен размер зерна карбида вольфрама.

Характеристики твердых сплавов

Чтобы определить самый твердый сплав, необходимо разбираться в характеристиках. К ним относится химический состав соединения металлов, его механические и физические свойства, процесс получения готовых сплавов.

Механические и физические характеристики:

1. Жаропрочность.
2. Плотность (14,9г/см3–15,2г/см3).
3. Твердость (89,5HRA-91 HRA).
4. Теплопроводность — 51 Вт.
5. Допустимая прочность — 2150 Мпа.

Также к этим характеристикам можно отнести устойчивость соединений к воздействию коррозийных процессов. Самый твердый сплав обладает завышенным физико-механическими характеристиками.

Жаропрочный металл

Марки

По государственным ГОСТам устанавливается специальная маркировка, которой отмечаются все соединения твердых металлов. Она представляет собой заглавные буквы и цифры:

1. ВК6М — вольфрамокобальтовая смесь. Цифра 6 указывает на количество кобальта в составе. Буква «В» указывает на вольфрам, соответственно буква «К» — кобальт. Буква «М» обозначает то, в какой сфере применяется этот сплав. Из него изготавливают инструменты для обработки металлов.
2. ВК2 — в этом случае в смеси содержится 2% кобальта и 98% вольфрама.
3. ВК8 — в этой смеси кобальта содержится до 8%.
4. Т14К8 — в таких соединениях содержится третий элемент — титан. Его в составе содержится 14%. Кобальта 8%. Всё остальное это вольфрам.
5. Т5К10 — аналогична предыдущей смеси, в которой 5% титана, 10% кобальта и 85% вольфрама.
6. ТТ7К12 — к указанным выше элементам добавляется тантал. Его процентное содержание такое же, как и у титана.

Марки сплава указываются на готовых деталях и заготовках.

Области применения

Существует множество сфер применения твердых сплавов. К ним относятся:

1. Производство инструмента для обработки металла.
2. Изготовление деталей для промышленного оборудования.
3. Оснастка для работы с металлическими заготовками.

Часто твердые сплавы используются в качестве напыления на более мягкие. Сферы применения доходят вплоть до постройки крупного транспорта.

Виды покрытий и твердых сплавов для режущего инструмента

Покрытие режущего инструмента должно увеличивать:

— твердость, для того чтобы в течение длительного времени сохранять режущие свойства инструмента;

— способность сохранять необходимую твердость при резании метлла;

В настоящее время примерно 75% в мире режущего инструмента изготавливается из твердого сплава.

Качественно новый рывок изготовления режущего инструмента связан с открытием в конце прошлого века ионноплазменных технологий нанесения износостойких покрытий. В мире технологии по упрочнению представлены двумя метода: метод химического осаждения (Chemical Vapour Deposition — CVD) и метод физического осаждения покрытий (Physical Vapour Deposition — PVD). В России широкое промышленное применение получили PVD-способы нанесения защитных покрытий на режущий инструмент. Это связано с тем, что технологии CVD предполагают использование дорогостоящих высокочистых химических реагентов (TiCl4, NH3 и др.) и точный контроль продуктов химических реакций в рабочей камере. А нанесение PVD-покрытий при помощи дугового или тлеющего разряда (магнетронa) обладает большей производительностью и не столь чувствительно к незначительным отклонениям технологических параметров.

Многообразие применяемых в настоящее время способов физического осаждения износостойких покрытий сводится к испарению или ионному распылению титана или его сплавов, ионизация и гетерогенная реакция на поверхности инструмента атомов и ионов металла и реакционного газа, приводящая к формированию нитридных, карбидных, карбонитридных.

Структуру и адгезию покрытия инструмента, а также их режущие свойства определяет многие параметры: повышение степени ионизации, скорости и плотности потока напыляемых частиц, оптимизация температуры нанесения покрытий, применение ионной очистки подложки, ускоряющих напряжений, различные режимы нанесения, конфигурация технологической оснастки, проведение предвари тельного ионного травления или легирования и многие другие особенности определяют структуру самих покрытий и строение межфазной границы «покрытие — подложка».

В начале 80х годов прошлого века начали применяться и сразу же продемонстрировали экономическую эффективность покрытия TiN. Следующим шагом было создание двух слойных покрытий, состоящих из последовательно нанесенных слоев карбида титана TiC или карбонитрида титана TiCN и тонкого поверхностного слоя оксида алюминия Al2O3.

Альтернативным вариантом служили многослойные покрытия типа TiCTiCNTiN. Следует отметить, что понятие «многослойные» во многих случаях весьма условно, поскольку методы напыления позволяют добиться отсутствия четко выраженных межфазных границ между слоями, а также между покрытием и подложкой. Многослойные износостойкие твердые покрытия обладают повышенной трещиностойкостью, улучшенной адгезией, высокой ударной прочностью, меньшим уровнем внутренних напряжений и напряжений на границе «покрытие — подложка» вследствие выравнивания коэффициентов термического расширения. Например, покрытие TiCN имеет многослойную двухфазную структуру TiN–TiCN, что увеличивает прочностные и вязкостные характеристики по сравнению с покрытием TiN.

В последнее десятилетие разработаны и широко применяются различные комбинации покрытий с применением тонких внешних твердосмазочных покрытий (например, TiAlN/MoS2), которые обеспечивают хороший отвод стружки. Низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью обладают высокотвердые алмазоподобные покрытия (diamondlikecarbon coatings — DLC). Однако у них имеется серьезный не достаток: очень высокий уровень внутренних напряжений, приводящий к охрупчиванию и отслаиванию при высоких контактных нагрузках, что ограничивает толщину покрытий до 1 мкм. Еще одна проблема такого покрытия — низкая теплопроводность, которая может приводить к их локальной графитизации с последующим вымыванием. Верхний рабочий температурный предел ограничен 250 °C, и требуется применение смазывающих охлаждающих жидкостей (СОЖ). Покрытия кубического нитрида бора (CBN) также обладают высоким уровнем внутренних напряжений и толщину покрытия не более 0,1 мкм.

В условиях конкуренции предприятия вынуждены постоянно совершенствовать свои технологические процессы в области снижения трудоемкости, улучшения качества и повышения эффективности использования оборудования.

При обработке резанием максимальная эффективность достигается при интегрированном использовании высокотехнологичного оборудования, оснащенного ЧПУ, и современного металлорежущего инструмента, обеспечивающего более высокие скорости резания и производительность.

Наиболее универсальная группа режущих материалов, позволяющих производить обработку подавляющего большинства металлических и неметаллических материалов. Твердосплавный инструмент предназначен для работы со скоростями резания до 300 м/мин (сверла 50–70 м/мин, новейшие разработки до 90-180 м/мин); используется, в основной массе, на станках зарубежных производителей с частотой вращения шпинделя в среднем до 10000 об/мин. Для улучшения свойств (увеличения твердости, уменьшения радиуса скругления режущей кромки и, как следствие, увеличения стойкости работы инструмента) производители стремятся к уменьшению зерна сплавов.

Производители предлагают широкую гамму исполнений геометрий для обработки любых металлических материалов. Из зарубежных поставщиков в России работают: Sandvik Coromant, Iskar, Wolf, Seco, Mitsubishi, Walter, Korloy, Kennametal, Dormer.

Среди российских производителей следует о (Белгород) — разработчик и изготовитель фрез со сменными режущими пластинами из твердого сплава и ОАО «Серпуховской инструментальный . также осуществил оригинальные разработки конструкций фрез, программного обеспечения и изготавливает фрезы методом вышлифовывания из твердосплавных заготовок зарубежных производителей.

Одним из недостатков практически всех перечисленных поставщиков является отсутствие услуг по переточке цельных твердосплавных фрез и утилизации твердосплавных пластин и рабочих частей фрез. Следует также заметить, что все эти поставщики ориентированы, прежде всего, на продажи инструмента для нового, современного оборудования, а работы по подбору твердосплавного инструмента с СМП для оборудования отечественного производства ведутся крайне неохотно.

При сухой обработке хорошо себя зарекомендовало покрытие TiAlN. Это покрытие позволяет улучшить адгезию, повысить ударную прочность, снизить коэффициент трения, обладают повышенной трещиноустойчивостью.

В то же время, покрытия увеличивают радиус скругления режущей кромки, что неблагоприятно сказывается, например, при снятии небольшого припуска.

Некоторые покрытия характеризуются высокими внутренними напряжениями, приводящими к отслаиванию покрытий. Наиболее применимы покрытия на неперетачиваемых инструментах и пластинах, т.к.при переточке покрытия на участках, подвергаемых заточке, полностью разрушаются.

В России нанесением покрытий занимается ООО «Технологические покрытия» (Москва), ООО НПФ «Элан Практик»(Нижний Новгород).

Основные виды покрытий PVD (характеризуются толщиной 1-3,5 мкм, поэтому применяются для режущих кромок с маленьким радиусом скругления, позволяющих снизить силы резания, улучшить стружкодробление, предотвратить вибрации) и CVD-покрытия с толщиной до 20 мкм (Al2O3). Основная разница между этими покрытиями состоит в способе нанесения: для PVD покрытия (400–500оС) применяется физическое осаждение, для CVD (1000–1100оС) – химическое.

Ударное механическое разрушение инструмента также неблагоприятно сказывается на работе покрытий, поэтому их эффективность может снижаться при использовании несовершенного оборудования.

Кроме износостойких покрытий (наиболее распространенные нитридные TiAlN, TiAlCrN, TiN) используются твердосмазочные покрытия, обладающие очень низким коэффициентом трением и обеспечивающие снижение сил резания и удаление стружки (TiO2, WO3V2O5).

Инструмент с напайными твердосплавными пластинами, либо со сменными твердосплавными ножами для торцевых фрез, наиболее распространен в России. Его достоинства: простота, низкая стоимость. Основной недостаток — низкая производительность, необходимость качественной заточки. Скорость резания редко превышает 100 м/мин.

Твердые сплавы с покрытием CVD

Надежный контакт покрытия с высокопрочной основой. Препятствие образованию нароста и высокая износостойкость. Оптимальный выбор для черновой обработки нержавеющих сталей Высокая эффективность обработки низкоуглеродистых и конструкционных сталей. Высокая стойкость при обработке труднообрабатываемых материалов.

Твердые сплавы без покрытия

Твердыми сплавами являются инструментальные материалы полученные методом порошковой металлургии в основе которых лежит карбид вольфрама, титана, тантала с применением кобальтовой связки (TaC, TiC, WC и Cо). Вакуумное спекание улучшает физические характеристики (прочность, износостойкость, теплостойкость и т.д.) материалов и расширяет область их применения. Преимущества Широкая номенклатура выпускаемых марок сплава для групп Р,М,К. Устойчивость к образованию термотрещин.тВозможность изготовления СМП с высокой степенью точности геометрических размеров.

Твердые сплавы с покрытием РVD

Высокая эффективность обработки чугунов, углеродистых, нержавеющих и жаропрочных сталей. Мелкозернистая структура основы обладает высокой твердостью и ударной вязкостью, которая препятствует выкрашиванию и повышает прочность режущей кромки. Усовершенствованная технология РVD покрытия обеспечивает высокую твердость и препятствует окислительному износу при высоких температурах.

Ультра-мелкозернистый твердый сплав

Ультра-мелкозернистый твердый сплав имеет более высокую механическую прочность в сравнении с твердым сплавом имеющим средний размер зерна. Это позволяет существенно повышать скорость резания.

Твердые сплавы с алмазным покрытием

Увеличивается стойкость инструмента на 150%. Снижается коэффициент трения между стружкой и передней поверхностью СМП покрытия (

10 микрон) уменьшает нагрев пластины. Уменьшается наростообразования улучшается качество обрабатываемой поверхности.

Твердые сплавы с покрытием DLC

Низкий коэффициент трения по передней поверхности (<0,1) обеспечивает высокое качество обработки. Обеспечение высокой стойкости при обработке цветных металлов Применяется для обработки алюминия, пластика, древесины Покрытие используется для токарных СМП, сверл и концевых фрез.

Поликристаллический алмаз (ПКА)

Пластинаы из ПКА (поликристаллического искусственного алмаза) спекаются при высокой температуре на основе средних и мелких кристаллов алмаза и обладают высокой твердостью и износостойкостью. Обрабатываемые материалы: Алюминиевые и медные сплавы Алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния Полимерные материалы

5.Металлокерамические твердые сплавы.

Твердосплавные материалы широко применяются в металлообработке в качестве рабочих частей режущего инструмента благодаря высоким показателям стойкости, превышающим значения многих быстрорежущих марок стали.

Марки твердых сплавов: классификация материалов

Твердые сплавы классифицируют по двум основным критериям.

Способ получения

По способу получения твердые сплавы делят на два вида.

1. Литые. Их изготавливают по технологии литья. К сплавам этой группы относятся стеллиты, сормайты, а также твердые сплавы с большим содержанием никеля. Обычно при производстве применяют прессование и термическую постобработку (закалка, старение, отжиг и пр.). В результате получаются высококачественные материалы. Литые твердые сплавы предназначены для наплавки на инструменты для металлообработки.
2. Спеченные. Такие твердые сплавы еще называют металлокерамическими из-за того, что технологии изготовления очень похожи. Материалы производят по технологии порошковой металлургии. Ее дополняют лазерная/ультразвуковая обработка или травление в кислотах. На выходе материалы получаются максимально качественными.

Спеченные твердые сплавы закрепляют на инструментах механическим методом или по технологии пайки.

Химический состав

По химическому составу твердые сплавы делят на 4 группы.

1. Однокарбидные (вольфрамо-кобальтовые). Маркировка — ВК.
2. Двухкарбидные (титано-вольфрамо-кобальтовые). Маркировка — ТК.
3. Трехкарбидные (титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые). Маркировка — ТТК.
4. Безвольфрамовые. Маркировка — ТН.

§7. Карбиды вольфрама

Очень важными с практической точки зрения являются соединения вольфрама с углеродом — карбиды вольфрама. Вольфрам образует два карбида — W2C и WC. Указанные карбиды различаются растворимостью в карбидах других тугоплавких металлов и химическим поведением в различных кислотах. Карбиды вольфрама, подобно карбидам других тугоплавких металлов, обладают металлической проводимостью и положительным коэффициентом электросопротивления. Тугоплавкость и высокая твердость карбидов обусловлены прочными межатомными связями в их кристаллах. Причем высокая твердость карбида WC сохраняется и при повышенных температурах.
Наиболее распространенный способ получения карбидов вольфрама WC и W2C — прокаливание смеси порошкообразного вольфрама с сажей в интервале температур 1000-1500 °С.

Карбиды вольфрама WC и W2C применяются в основном для изготовления твердых сплавов.

Твердые сплавы

Можно выделить 2 группы твердых сплавов на основе карбида вольфрама:

• литые твердые сплавы (часто называемые литыми карбидами вольфрама);
• спеченные твердые сплавы.

Литые твердые сплавы
получают методом литья. Для получения сплава обычно исходят из порошкообразного вольфрама, карбида с недостатком углерода (до 3% C) или смеси WC + W, в которой содержание углерода не превышает 3%. Мелкозернистая структура карбидов данного типа обеспечивает более высокую твердость и износоустойчивость сплава. Однако литые сплавы достаточно хрупкие. Это обстоятельство ограничивает их применение. Главным образом, литые твердые сплавы применяются при изготовлении буровых инструментов и волок для тонкого волочения проволоки.

Спеченные твердые сплавы

сочетают в себе монокарбид вольфрама WC и цементирующий металл-связку, которым обычно служит кобальт, реже — никель. Такие сплавы могут быть получены только методом порошковой металлургии. Порошок карбида вольфрама и порошок кобальта или никеля смешивают, прессуют в изделия необходимой формы, а затем спекают при температурах близких к температуре плавления цементирующего металла. Помимо высокой твердости и износоустойчивости данные сплавы обладают хорошей прочностью. Спеченные твердые сплавы являются наиболее производительными современными инструментальными материалами для обработки металлов резанием. Также они используются для изготовления волок, штампов, бурового инструмента. Среди твердых сплавов, для производства котрых используется карбид вольфрама, стоит выделить сплавы группы ВК — вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Широкое распространение в промышленности получили
сплавы ВК8 и ВК6. Из них изготовляют резцы, сверла, фрезы, а также другой режущий и буровой инструмент.

Преимущества и недостатки твердых сплавов

К преимуществам твердых сплавов относят:

1. очень высокие твердость и износостойкость;
2. исключительную прочность;
3. тугоплавкость;
4. высокие жаростойкость и жаропрочность.

Есть лишь 2 недостатка.

1. Карбиды металлов, которые идут на производство твердых сплавов, стоят дорого.
2. Материалы отличаются чувствительностью к ударным нагрузкам и имеют небольшую (по сравнению с быстрорежущими сталями) вязкость.

Особенности и применение

Твердые сплавы широко применяются в различных сферах деятельности:

• Металлорежущий инструмент. Из твердых сплавов изготавливаются токарные резцы, фрезы, коронки, диски, зенкера, развертки и многое другое. Чаще всего они используются в качестве съёмных или напаянных рабочих пластин или других режущих элементов.
• Детали измерительного инструмента.
• Высоконагруженные детали машин и оборудования.
• Детали машин с высокими требованиями к точности поверхности.
• Матрицы для литья простых и сложных деталей.
• Рабочие элементы оборудования и машин, эксплуатируемых при высоких нагрузках, например, буровые установки или ножи грейдеров.

Широкое применение твердых сплавов в современной технике обусловлено их преимуществами. Это высокие показатели твердости и стойкости к износу, значительно превышающую значения быстрорежущих инструментальных сталей. А также прочность, жаростойкость и тугоплавкость материала.

У твердосплавных материалов есть и свои недостатки. Это высокая стоимость и малая стойкость к ударным нагрузкам из-за небольшой вязкости. Эти факторы ограничивают сферу применения твердых сталей режущими частями рабочего инструмента. Для изготовления основной части инструмента, например токарного резца, используются обычные инструментальные стали.

Основные марки твердых сплавов, их состав и физико-механические свойства

Расскажем в деталях о твердых сплавах вышеперечисленных групп.

Однокарбидная группа

Таблица с марками вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов; их состав и основные физико-механические свойства.

Марка твердого сплава	Состав (%)			Физико-механические свойства
	Карбид тантала	Кобальт	Карбид вольфрама	Предел прочности при изгибе (МПа)	Твердость по Роквеллу (HRA)	Плотность (10-3, кг/м3)
ВК3	–	3	97	1176	89,5	15–15,3
ВК3-М	–	3	97	1176	91	15–15,3
ВК4	–	4	96	1519	89,5	14,9–15,2
ВК6	–	6	94	1519	88,5	14,6–15
ВК6-М	–	6	94	1421	90	14,8–15,1
ВК6-ОМ	2	6	92	1274	90,5	14,7–15
ВК8	–	8	92	1666	87,5	14,4–14,8
ВК10	–	10	90	1764	87	14,2–14,6
ВК10-М	–	10	90	1617	88	14,3–14,6
ВК10-ОМ	2	10	88	1470	88,5	14,3–14,6

«М» в маркировках говорит о том, что сплав является мелкозернистым. Материалы с маркировкой «ОМ» обладают особой мелкозернистостью.

Это самая распространенная группа твердых сплавов. Из них изготавливают различные детали, изделия, конструкции и инструменты с высокими показателями жаростойкости. Отличный пример — борфрезы ВК8.

Двухкарбидная группа

Таблица с марками титано-вольфрамо-кобальтовых твердых сплавов; их состав и основные физико-механические свойства.

Марка твердого сплава	Состав (%)			Физико-механические свойства
	Карбид титана	Кобальт	Карбид вольфрама	Предел прочности при изгибе (МПа)	Твердость по Роквеллу (HRA)	Плотность (10-3, кг/м3)
Т30К4	30	66	4	980	92	9,5–9,8
Т15К6	15	79	6	1176	90	11,1–11,6
Т14К8	14	78	8	1274	89,5	11,2–11,6
Т5К10	6	85	9	1421	88,5	12,4–13,1
Т5К12	5	83	12	1666	87	13,1–13,5

Титано-вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы предназначены для изготовления инструментов, используемых для резания сталей, дающих сливную стружку. Наличие титана в составе снижает адгезию при обработке деталей и заготовок. Повышаются износостойкость и твердость, но понижается прочность.

Трехкарбидная группа

Таблица с марками титано-вольфрамо-танатало-кобальтовых твердых сплавов; их состав и основные физико-механические свойства.

Марка твердого сплава	Состав (%)				Физико-механические свойства
	Карбид титана	Кобальт	Карбид вольфрама	Карбид тантала	Предел прочности при изгибе (МПа)	Твердость по Роквеллу (HRA)	Плотность (10-3, кг/м3)
ТТ7К12	4	12	81	3	1666	87	13–13,3
ТТ8К6	8	6	84	2	1323	90,5	12,8–13,3
ТТ10К8–Б	3	8	82	7	1617	89	13,5–13,8
ТЕ20К9	9,4	9,5	67	14,1	1470	91	12–13
Т8К7	7,5	7	85	0,5	1519	90,5	12,8–13,1

Добавление в состав карбида тантала приводит к еще большему увеличению износостойкости. Стоимость твердых сплавов этих марок находится на высоком уровне.

Безвольфрамовые твердые сплавы группа

Таблица с марками безвольфрамовых твердых сплавов; их состав и основные физико-механические свойства.

Марка твердого сплава	Состав (%)				Физико-механические свойства
	Карбид титана	Карбонитрит Титана	Молибден	Никель	Предел прочности при изгибе (МПа)	Твердость по Роквеллу (HRA)	Плотность (10-3, кг/м3)
ТН20	79	–	6	15	1050	90	5,5–6
КНТ16	–	74	6,5	19,5	1200	89	5,5–6

Безвольфрамовые твердые сплавы отличаются меньшими прочностью и теплостойкостью по сравнению с материалами всех предыдущих групп.

19 6522 1176(120) 15,0-15,3 89,5 ВК6 19 6524 1519(155) 14,6-15,0 88,5 ВК3-М 19 6511 1176(120) 15,0-15,3 91,0 ВК6М 19 6512 1421(145) 14,8-15,1 90,0 ВК6-ОМ 19 6516 1274(130) 14,7-15,0 90,5 ВК6-В 19 6532 1666(170) 14,6-15,0 87,5 ВК8 19 6525 1666(170) 14,5-14,8 88,0 ВК8-В 19 6533 1813(185) 14,4-14,8 86,5 ВК8-ВК 19 6535 1764(180) 14,5-14,8 87,5 ВК10 19 6526 1764(180) 14,2-14,6 87,0 ВК10-ХОМ 19 6552 1470(150) 14,3-14,7 89,0 ВК4-В 19 6531 1470(150) 14,9-15,2 88,0

Основные сферы применения твердых сплавов различных марок

Твердые сплавы различных марок находят применение в следующих сферах.

1. Изготовление инструментов для металлообработки. Твердые сплавы используют при производстве фрез, сверл, коронок, резцов, дисков, зенкеров и зенковок, протяжек, разверток, метчиков, плашек и пр. (Вот здесь можно добавить много ссылок на соответствующие разделы каталога)

Фотография №2: твердосплавные фрезы по металлу.

Классификация

Она зависит от содержания карбидов кобальта, тантала, вольфрама и титана. В этой связи рассматриваемые материалы разделяются на три группы. При обозначении марок соединений используют буквы:

1. Карбид вольфрама — «В».
2. Кобальт — «К».
3. Карбид титана — первая «Т».
4. Карбид тантала — вторая «Т».

Цифры, указанные после букв, обозначают приблизительное процентное содержание компонентов. Остальное в соединении (до 100 %) — карбид вольфрама. Указанные в конце буквы обозначают зернистость структуры: «В» — крупная, «М» — мелкая, «ОМ» — особо мелкая. Промышленность выпускает твердые сплавы марок ВК (вольфрамовые), ТТК (титанотанталовольфрамовые) и ТК (титановольфрамовые).

Выбор марки твердого сплава

Международная организация по стандартизации делит твердые сплавы в зависимости от назначения при металлообработке на категории. Основных — три.

1. P. Инструменты из твердых сплавов с такой международной маркировкой подходят для обработки заготовок и изделий из следующих материалов.
2. Рессорно-пружинные, нелегированные, легированные и подшипниковые конструкционные стали.
3. Коррозионно-теплостойкие стали ферритного и мартенситного классов.
4. Низколегированные и углеродистые стали для отливок.
5. Быстрорежущие, углеродистые и штамповые инструментальные стали.

цинковых и алюминиевых антифрикционных сплавов

Сферы применения инструментов из сплавов остальных групп таковы:

1. S — обработка жаропрочных сплавов и материалов на титановой основе;
2. H — обработка заготовок и изделий из закаленной стали;
3. N — обработка цветных металлов.

При выборе инструмента по марке твердого сплава специалисты обращают внимание на 5 моментов.

1. Эксплуатационные и физико-механические свойства твердого сплава.
2. Особенности материала, из которого изготовлена заготовка.
3. Состояние станка, его динамические и кинематические характеристики.
4. Вид операции и важные технические условия.
5. Требования к точности обработки и чистоте металлических поверхностей.

8.2. Классификация твердых сплавов и минералокерамических материалов

Твердые сплавы и минералокерамические материалы — это большая группа конструкционных и инструментальных материалов, полученных из металлических и иных порошков. Изделия, полученные в процессе производства порошковой металлургии, называются спеченными.

Спеченные твердые сплавы — это материалы, состоящие из карбидов (химическое соединение углерода с различными металлами) вольфрама, титана и тантала, спрессованных в чистом металлическом кобальте. Твердые сплавы обладают высокими твердостью, прочностью, режущими и другими свойствами и сохраняют их при нагреве до высоких температур. Их твердость значительно выше твердости других материалов и приближается к твердости алмаза. Обладая такими высокими физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами, они находят очень широкое применение в инструментальной, машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности.

Твердые сплавы классифицируются по следующим параметрам:

• по назначению — инструментальные, конструкционные, (наплавочные, литые), фрикционные, антифрикционные, магнитные, электротехнические, для фильтров, приборов, а также материалы, идущие на изготовление быстроизнашивающихся деталей приборов, машин и конструкций, матрицы для синтеза алмазов и др. Особую группу составляют твердые спеченные инструментальные материалы для следующих видов работ: обработка металлов и других материалов резанием (токарные и другие резцы, сверла, фрезы, в том числе модульные, протяжки, развертки, строгальные ножи, накатки, шевинги и др.); горные работы (сверла для шурпов и скважин, зубила для отбойных молотков, фрезы для угольных комбайнов, шарошки для бурения, ножи, пилы, фрезы для обработки камня и др.); кузнечно-прессовые, прокатные и штамповочные работы (многопозиционные ручьи, пуансоны, матрицы, фильеры, штампы, ножи, пилы, долбяки, прокатные валики, в том числе фасонные, волочильные доски и др.); деревообработка (рамные пилы, фрезы, центровки, фрезерные крючья, строгальные ножи и др.);
• по химическому составу (материалу шихты) — металлические (легированные, быстрорежущие вольфрамовые, быстрорежущие безвольфрамовые, железоникелевые, хромоникелевые и др.), металлокерамические (карбидохромовые, карбидотитановые, вольфрамовые, титановольфрамовые, титанотанталовольфрамовые и др.), минералокерамические (микролит, керметы, оксидная и оксидно-карбидная керамика и др.);
• по видам производимого материала — порошковые (зернистые), прутковые, трубчатые, электродные, монолитные, разнотиповые заготовки и готовые изделия;
• по способу переработки в изделия — холодное прессование, горячее прессование, гидростатическое прессование, мундштучное прессование, вакуумно-компрессионное спекание и прокатка металлических порошков;
• по свойствам — красностойкие (теплостойкие), химически стойкие (коррозионно-стойкие) и твердосплавные.

Красностойкие сплавы состоят из карбидов металлов (вольфрама, титана, тантала и др.), минералокерамики и кобальта, алюминия и железа, химически стойкие — из никеля, титана, кремния и др.

Твердосплавные и минералокерамические материалы также подразделяют:

• на твердые, или повышенной твердости (1 500 … 2 000 HV), которые производят из порошков карбидов вольфрама, титана, тантала, легированных сталей, железа и других металлов и их карбидов;
• очень высокой твердости (2 000 … 2 500 HV), относящиеся, как правило, к абразивным материалам (карбид кремния, электрокорунд и др.);
• весьма твердые (более 2 500 HV), предназначенные как для абразивов, так и для режущего инструмента (алмазы естественные и искусственные, кубический нитрид бора и др.).

Особую группу в порошковой металлургии (металлокерамике) составляют твердые спеченные инструментальные материалы, выпускаемые в виде сменных многогранных пластин (СМП) для токарной, фрезерной обработки и сверления. Сменными многогранными пластинами оснащаются концевой металлорежущий, буровой и долбежный инструмент, а также фрезы, протяжки, развертки, строгальные ножи, резцы для обработки железнодорожных колес и рельсов, накатки и шевинги.

В зависимости от характеристики обрабатываемого материала и типа снимаемой стружки режущий инструмент, изготовленный из твердых спеченных сплавов, подразделяется на группы применения по ISO с числовым индексом. Группы применения учитывают механические свойства: твердость, прочность, упругость, обрабатываемость и др. и обозначаются одной из следующих букв: P, M, K, N, S и H основной группы резания и числовым индексом: 01, 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50.

Группы применения инструментов соответствуют следующим обрабатываемым материалам:

P — углеродистые стали всех групп и марок, низколегированные стали, высоколегированные и инструментальные стали после отжига, подшипниковая и электротехническая сталь, стальное литье, коррозионно-стойкая сталь и ковкий чугун, при точении которых образуется сливная стружка;

M — коррозионно-стойкие стали (ферритная, мартенситная и аустенитная), стальное литье, автоматная сталь, а также низколегированный и ковкий чугуны, при обработке которых образуется элементная стружка;

K — серые, ковкие и высокопрочные чугуны ферритного и перлитного классов, при обработке которых образуется стружка надлома;

N — алюминий чистый, деформируемые и литейные алюминиевые сплавы, силумин с содержанием кремния от 8 % и более, а также медь и сплавы меди (латунь и бронза); при обработке этих металлов образуется длинная сливная стружка;

S — титан и его сплавы (технически чистый титан, альфа-сплавы, сплавы альфа+бета, жаропрочные сплавы на основе железа, никеля и кобальта, при обработке которых образуется элементная стружка; H — твердые материалы (закаленная сталь и отбеленный чугун групп ЧХ, ЧН и ЧС), при обработке которых образуется сыпучая стружка.

Числовой индекс характеризует изменение вида обработки, режим резания и свойства инструментального твердого сплава.

При выборе марки твердого сплава следует учитывать тип и характеристику обрабатываемого материала, режимы резания и техническую характеристику оборудования, его технологические возможности. Чем выше число индекса в обозначении группы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допускаемая скорость резания, но выше прочность твердого сплава и допускаемые подача и глубина резания.

Основные свойства твердых металлов

Свойства твердых металлов очень важны в строительстве, промышленности и других сферах жизни человека. Именно по этим особенностям металлы отбирают и применяют в той или иной области. Материалы получают разнообразными способами. Некоторые разновидности металлов соединяют вместе, чтобы получить сплавы, приобретающие уникальные физические и химические качества.

Чтобы производить различные высококачественные изделия, важно правильно выбрать оптимальный процесс заготовки и обработки металлов, а также понимать, каким образом механические характеристики металлических материалов влияют на эксплуатационные свойства готового продукта. Какие классификации металлов существуют, что относится к твердым сплавам, где их применяют – обо всем этом в нашей статье.

Классификации и свойства различных металлов

Металлами называют группу простых веществ, отличающихся от всех остальных своими характерными свойствами. В природных условиях их нельзя встретить в чистом виде – только в качестве руд и соединений. Изучением их свойств занимаются специалисты по химии, физике, металловедению.

При работе с металлами необходимо учитывать целый ряд их качеств. Механические характеристики влияют на их возможность сопротивляться деформации и разрушению. По технологическим свойствам оценивают целесообразность использования различных подходов к обработке. Химические особенности влияют на реакцию с разными веществами, а физические свидетельствуют об определенных реакциях на изменение теплового, гравитационного и электромагнитного поля.

При классификации отталкиваются от таких свойств твердых металлов, как:

1. Твердость, то есть устойчивость к разрушению.
2. Прочность, или способность не изменять форму, структуру, размеры после воздействия динамической, статической, знакопеременной нагрузки.
3. Упругость, то есть сохранение целостности при изменении формы и возможность принять первоначальный вид.
4. Пластичность, которая предполагает сохранение формы и целостности под действием сил.
5. Износостойкость или сохранение параметров изделия при трении в течение долгого времени.
6. Вязкость – это способность удерживать целостность в условиях повышающегося физического воздействия.
7. Усталость, то есть число и период циклических воздействий, которые твердый металл может выдержать, при этом не потеряв целостности.
8. Жароустойчивость, или возможность сохранять свойства даже при высоких температурах.

Ключевой характеристикой интересующих нас материалов является отрицательный коэффициент проводимости электричества. Он повышается при снижении температуры, а при ее увеличении частично либо совсем теряется. К второстепенным признакам относятся характерный блеск и высокая температура плавления. Также нужно понимать, что существуют типы металлов, являющихся соединениями, которые играют роль восстановителей во время окислительно-восстановительных реакций.

Все свойства твердых металлов связаны между собой, поскольку от составляющих материала зависят остальные его качества. Самая известная классификация металлов предполагает деление на черные и цветные, однако их оценивают и по ряду других признаков.

Черные металлы обладают высокой плотностью, им свойственна большая температура плавления и темно-серый окрас. Основными представителями данной группы являются железо и его сплавы. Чтобы добиться от сплавов специфических свойств, в них вносят легирующие добавки.

Все черные твердые металлы делят на подгруппы:

1. Железные: железо, кобальт, марганец, никель. Чаще всего они играют роль основы либо добавки к сплавам.
2. Тугоплавкие: вольфрам, молибден, титан, хром. Для их плавления требуется более высокая температура, чем для работы с железом. Именно из них изготавливают легированные стали.
3. Редкоземельные: лантан, неодим, церий. Они обладают схожими химическими свойствами, но при этом имеют различные физические параметры. Их используют в качестве присадки к сплавам.
4. Урановые, или актиноиды: актиний, нептуний, плутоний, торий, уран. Основная сфера их применения – это атомная энергетика.
5. Щелочноземельные: кальций, литий, натрий – не используются сами по себе.

К черной группе относятся сплавы железа с разной долей углерода и дополнительными химическими элементами, такими как кремний, сера, фосфор. На производствах активно используются сталь и чугун.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

В норме сталь содержит до 2 % углерода, ей свойственна пластичность и высокие технологические показатели. В чугуне содержание углерода выше и может доходить до 5 %. Свойства данного сплава можно изменять за счет добавления различных химических элементов: за счет серы и фосфора повышается хрупкость, хром и никель позволяет придать чугуну стойкость к высоким температурам и коррозии.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Цветные металлы используются чаще черных, так как большинство из них является сырьем для прокатных изделий. Кроме того, эти твердые материалы нашли применение в металлургии, машиностроении, радиоэлектронике, сфере высоких технологий и целом ряде других областей.

По физическим параметрам такие металлы классифицируют следующим образом:

1. Тяжелые: кадмий, никель, олово, ртуть, свинец, цинк. В природе они встречаются в прочных соединениях.
2. Легкие: алюминий, магний, стронций, титан и другие. Выделяются на фоне других небольшой температурой плавления.
3. Благородные: золото, платина, родий, серебро. Имеют высокую стойкость к коррозии.

В целом, цветные металлы обладают небольшой плотностью и температурой плавления, также они пластичны и обычно имеют белый, желтый или красный цвет. Так как эти материалы не могут похвастаться высокой прочностью, их не используют в чистом виде, а изготавливают легкие сплавы различного назначения. В том числе их применяют при производстве техники.

Отметим, что материалы, относящиеся к данной группе, обладают внушительным атомным весом и более высокой плотностью, чем железо.

На производствах активно используется медь в качестве проводника электрического тока. Она имеет розовато-красный оттенок, низкое удельное сопротивление, хорошо проводит тепло, отличается небольшой плотностью, хорошей пластичностью и устойчивостью к образованию ржавчины.

Не менее актуальны для сферы производства сплавы меди, такие как бронза (с добавлением алюминия, никеля или олова) и латунь (с цинком). Бронза используется для изготовления мембран, круглых и плоских пружин, червячных пар и различных видов арматуры. Латунь идет на изготовление лент, листов, проволоки, труб, втулок, подшипников.

Группа тяжелых металлов относится к основным причинам, из-за которых ухудшается состояние экологии. Токсичные вещества сбрасываются в естественные водоемы вместе со сточными водами промышленных предприятий. Некоторые вещества данной группы способны накапливаться в живых организмах.

Ртуть высокотоксична, ее соединения попадают в атмосферу во время сжигания угля на электростанциях, после чего вместе с осадками оказываются в водоемах. Это приводит к тому, что в организме пресноводной и морской рыбы, а также других обитателей данных систем постепенно накапливается высокая доля опасного вещества. При потреблении в пищу таких морепродуктов человек может отравиться, что нередко приводит к летальному исходу.

Кадмий – рассеянный и достаточно редкий элемент, но и он попадает в океан вместе со сточными водами с металлургических предприятий. В небольших количествах кадмий содержится в нашем организме, однако при серьезном превышении данного уровня он разрушает костную ткань и приводит к анемии.

Свинец в рассеянном состоянии содержится практически везде. Но его избыточная доля в организме человека приводит к проблемам со здоровьем.

Помимо твердых, выделяют также мягкие виды металлов.

Алюминий имеет серебристо-белый оттенок, небольшой вес, хорошую электропроводность, устойчив к коррозии и пластичен. Благодаря таким свойствам, этот материал широко используется в строительстве самолетов, электрической и пищевой промышленности. Также сплавы алюминия незаменимы в машиностроении.

Магний достаточно легко поддается коррозии, однако является незаменимым материалом для применения в технической области. В сплавах с магнием используют алюминий, марганец и цинк, так как они легко поддаются резанию и имеют высокую прочность. Такие соединения применяются для изготовления корпусов фотоаппаратов, двигателей и других приборов.

Титан используется в машиностроительной, ракетной отраслях и химической промышленности. Сплавы на его основе обладают небольшой плотностью, отличными механическими свойствами, устойчивы к коррозии и без труда обрабатываются давлением.

Существует ряд твердых металлов, которые редко встречаются в природе, при этом их добыча сопряжена с большими трудозатратами. Речь идет о металлах благородной группы, таких как:

• золото;
• серебро;
• платина;
• родий.

Люди узнали о золоте и его свойствах еще в каменном веке. Этот металл встречается в природе в виде самородков с небольшой долей примесей либо его можно найти в виде сплавов с серебром. Золото имеет высокую теплопроводность, низкое сопротивление и хорошую ковкость, все эти свойства особенно ценят ювелиры.

Серебро уступает золоту по ценности. В природе его чаще всего можно найти в виде серебряной руды. Серебро мягкое, пластичное, тепло- и электропроводное.

Платина была открыта только в середине XX века и считается редким материалом. Дело в том, что его можно найти лишь в залежах в виде различных сплавов, что усложняет его добычу. Основная ценность платины состоит в том, что она не вступает в реакцию с кислотами, а при нагревании не меняет цвет и не окисляется.

Родий тоже входит в число благородных твердых металлов. Он имеет серебристо-голубой оттенок, устойчив к химическому воздействию, не боится перепадов температур, при этом остается хрупким и теряет свои свойства под механическим воздействием.

Кроме того, металлы принято делить на твердые и мягкие.

К самым мягким металлам относят калий, натрий, рубидий и цезий. В эту же группу входят золото, серебро, медь и алюминий. Золото можно найти в морских комплексах, осколках гранитов и даже в организме человека. Оно способно разрушаться при воздействии внешних факторов. Мягкое серебро используют в качестве материала для посуды, ювелирных изделий. Натрий активно применяется в большинстве промышленных отраслей. Ртуть является самым мягким металлом в мире, ею пользуются в сельскохозяйственной, химической промышленности, электротехнике.

Самый твердый из чистейших материалов в мире – это хром. Он тугоплавкий и может хорошо обрабатываться механическими способами.

Еще одним твердым металлом считается вольфрам. Среди его основных свойств стоит назвать высокую температуру плавления, теплоустойчивость, гибкость. Из него выковывают и изготавливают небольшие детали осветительных приборов. Отметим, что вольфрам нередко можно встретить в тяжелых сплавах. Вещества твердого типа отличаются тем, что они редко встречаются на Земле, и их сложно добывать. Чаще всего их обнаруживают в упавших на поверхность нашей планеты метеоритах.

Далее более подробно остановимся на твердых сплавах и сферах их применения.

Что относится к твердым металлам и где применяют их сплавы

За последние пару десятилетий твердые сплавы стали активно использоваться. Без них не обходится горная промышленность, где они применяются в бурении. В обрабатывающих отраслях их используют для резания, штамповки и волочения, наплавки деталей, способных изнашиваться быстрее других.

Использование твердых сплавов во многих сферах промышленности связано с тем, что инструменты из них дают возможность значительно повысить производительность оборудования и снизить себестоимость изделий. Немаловажен и тот факт, что наплавленные твердыми сплавами детали работают до истирания в десятки раз дольше, чем их ненаплавленные аналоги.

В основе всех сплавов лежат карбиды вольфрама, молибдена, хрома, титана или марганца. За счет карбидов сплавы обладают высокой твердостью и устойчивостью к износу. Помимо этого, в состав твердых сплавов входят кобальт, никель, железо.

Твердые сплавы обычно делят на:

• литые;
• порошкообразные;
• металлокерамические.

1. Литые и порошкообразные твердые сплавы.

Они используются для наплавки деталей, склонных к быстрому износу.

Литые твердые сплавы – стеллиты и стеллитоподобные – имеют высокую коррозионную стойкость, в частности, в серной кислоте; не изменяют своих свойств при значительных повышениях температуры (стеллиты – до +8 000 °С, стеллитоподобные до – +6 000 °С).

Стеллиты и сормайт распространены в машиностроении, где используются для наплавки деталей и инструментов, работающих без ударов. Также их используют в тех случаях, когда деталь после механической обработки должна оставаться ровной и чистой. Без них не обойтись, например, при изготовлении гибочных и вытяжных матриц, центров станков, измерительных скоб, колец для протяжки. Такие сплавы обладают высокой жаропрочностью, поэтому используются для наплавки деталей, задействованных в работах при высоких температурах. Речь идет об элементах металлургического оборудования, ножах для горячей резки, клапанах двигателей внутреннего сгорания.

Для наплавки литых твердых сплавов подходят стальные (железные) и чугунные детали любого сечения и конфигурации. Для покрытия рабочей поверхности слоем сплава применяют газовую горелку с ацетиленокислородным пламенем.

2. Порошкообразные твердые сплавы – вокар и сталинит – используются преимущественно для наварки деталей, осуществляющих грубую работу. В таком случае допускается максимальное количество пор и раковин и отсутствие финальной обработки наваренной поверхности. Данный метод применяют для щек дробилок, зубьев экскаваторов, землечерпалок, пр.

Вокар содержит 86 % вольфрама, 9,5–10,5 % углерода, до 0,5 % кремния и до 2,5 % железа; сталинит – 16–20 % хрома, 8–10 % углерода, 13–17 % марганца, до 3 % кремния, остальное – железо.

Наварка порошкообразных твердых сплавов осуществляется при помощи электрической дуги постоянного тока по способу Бенардоса, то есть посредством угольного электрода. Перед наваркой обрабатываемую поверхность устанавливают горизонтально, наносят на нее тонкий (0,2–0,3 мм) слой флюса, то есть прокаленной буры, и слой порошкообразного твердого сплава толщиной 3–5мм.

Далее электрод соединяется с отрицательным полюсом, деталь – с положительным. Между электродом и деталью образуется электрическая дуга, которая плавит порошкообразный сплав и верхние слои основного материала. Отметим, что в процессе работы образуется небольшая ванночка расплава. При сварке электрод должен двигаться зигзагообразно, при этом дуга постоянно переносится по поверхности твердого сплава.

3. Металлокерамические твердые сплавы.

Данные соединения используются как пластинки к режущему инструменту. Стоит пояснить, что оборудование с пластинками твердых сплавов сегодня очень распространено в заводской практике, где позволяет осуществлять скоростное резание.

Одним из ключевых свойств металлокерамических твердых соединений считается их высокая твердость и способность резать даже при температуре до +1 000…+11 000 °С. Дело в том, что их режущие качества обеспечиваются карбидами вольфрама. Некоторые марки сплавов также включают в себя карбиды титана, а роль связующего вещества обычно играет кобальт.

При производстве пластинок металлокерамических твердых сплавов порошкообразные компоненты перемешиваются, после чего смесь подвергается давлению в пресс-формах 1 000–4 200 кгсм 2 . Полученные заготовки отправляются в электропечи, где спекаются при температуре +1 400…+15 000 °С. При таких условиях кобальт плавится, обволакивая зерна карбидов, за счет чего обеспечивается их связывание. При производстве твердых сплавов вместо прессования и спекания нередко выполняют одну операцию, а именно горячее прессование.

Пластинками твердых сплавов оснащают резцы, сверла, фрезы, зеркеры и другие инструменты. Для этого пластины напаивают или механически крепят на державки.

Физические свойства твердых металлов

Среди таких свойств необходимо назвать: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температуру плавления, способность расширяться при нагревании.

Цвет относится к признакам, по которым можно оценивать свойства материала. При нагреве сварщики по цвету примерно определяют температуру. Но нужно понимать, что существуют металлы, такие как алюминий, неспособные менять цвет при нагреве.

Удельный вес, то есть масса одного кубического сантиметра вещества, выраженная в граммах. Так, у углеродистой стали этот показатель составляет 7,8 г/см 3 . В автомобильном и авиастроении вес деталей относится к важнейшим свойствам, так как к конструкциям предъявляются повышенные требования – они должны быть прочными и при этом легкими. Чем выше показатель удельного веса, тем большую массу (при равном объеме) будет иметь готовое изделие.

Теплопроводность, или способность материала проводить тепло. Данный показатель измеряется количеством тепла, проходящим за минуту по стержню сечением 1 см 2 . Чем выше теплопроводность, тем сложнее добиться необходимой температуры от кромок свариваемой детали.

Температура плавления, то есть температура, при которой твердый металл меняет свое агрегатное состояние на жидкое. Нужно понимать, что чистые вещества плавятся при постоянной степени нагрева, тогда как сплавы достигают необходимого состояния в определенном интервале температур.

Расширение при нагревании также входит в число важных свойств. Так как сварка сопровождается местным нагревом, разные участки изделия имеют отличающиеся температуры, из-за чего возможно деформирование изделия. Если нагреть до одинаковой температуры две детали из разных материалов, они не смогут расшириться одинаково. Если при этом детали будут соединены между собой, они могут изогнуться и даже разрушиться.

Усадка, которая предполагает уменьшение объема расплавленного вещества при снижении его температуры. Усадка сварного шва приводит к короблению детали, из-за чего образуются трещины либо усадочные раковины. Данное свойство проявляется у всех твердых металлов в разной степени, но чем она выше, тем сложнее добиться надежного соединения.

Механические свойства твердых металлов

Основными механическими свойствами твердых веществ и их сплавов являются прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.

По данным свойствам судят о пригодности материала к использованию в различных условиях.

Прочностью называют сопротивление разрушению под действием нагрузки.

Твердость – способность металла противостоять внедрению в его поверхность другого тела с превосходящей твердостью.

Упругость – возможность восстанавливать форму и размеры после прекращения воздействия. Высокая упругость необходима рессорам и пружинам, поэтому для их производства используют соответствующие сплавы.

Пластичность – свойство изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять полученные характеристики после прекращения воздействия. Это качество противоположно упругости. Чем выше уровень пластичности, тем легче ковать, штамповать и прокатывать материал.

Вязкостью называют способность сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам. Данное свойство является обратным хрупкости. Вязкие металлы используются для изготовления деталей, подвергаемых в процессе работы ударным нагрузкам. Это могут быть элементы вагонов, автомобилей, пр.

Для определения механических свойств к твердому металлу прикладывают растягивающие, изгибающие и другие силы.

Механические свойства описываются:

• пределом прочности (кг/мм 2 );
• относительным удлинением (%);
• ударной вязкостью (кгм/см 2 );
• твердостью;
• углом загиба.

Для определения названных ключевых свойств при помощи специальных машин проводят испытания на:

• растяжение;
• загиб;
• твердость;
• удар.

Испытание на растяжение. Так выявляют предел прочности и относительное удлинение материала. Предел прочности – это усилие, которое необходимо приложить на единицу площади поперечного сечения образца для его разрыва.

Для испытания на растяжение образцы подготавливают в соответствии с ГОСТом 1497-42 – данный документ устанавливает их форму и размеры.

Испытание на твердость в нашей стране обычно осуществляется при помощи прибора Бринеля или Роквелла. В первом случае для определения твердости стальной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм вдавливают в образец при помощи пресса. Далее используют бинокулярную трубку, чтобы определить диаметр отпечатка шарика. После чего этот показатель соотносят с соответствующей таблицей и выясняют твердость.

Увеличение твердости приводит к снижению пластичности.

Испытание на удар. Таким образом определяют, насколько материал способен сопротивляться ударным нагрузкам. Подобная проверка позволяет оценить ударную вязкость материала.

Ударная вязкость определяется при помощи проверки специальных квадратных образцов с надрезом на маятниковых копрах. Чем ниже ударная вязкость, тем более хрупок и ненадежен в работе данный металл. И наоборот: чем выше этот показатель, тем материал лучше. У хорошей малоуглеродистой стали ударная вязкость составляет 10–15 кгм/см 2 .

Достаточно часто пластичность материала изделия или сварных соединений проверяют за счет технологических испытаний образцов. Сюда входят испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание, пр.

Испытания на загиб. Во время такой проверки свойств образец из твердого металла размещается на шарнирных опорах, к его середине прикладывается нагрузка. В результате чего образец деформируется до образования трещин на внешней стороне. Когда необходимый эффект достигнут, замеряют внешний угол. Чем он больше, тем лучше пластичность материала. Сталь высокого качества с низким содержанием углерода обеспечивает показатель 180°.

Для определения пластичности сварного соединения вырезают образец со швом посредине и со снятым усилением.

Испытание на сплющивание позволяет определить, насколько хорошо материал способен сопротивляться соответствующим нагрузкам. Таким образом чаще всего проверяют отрезки сварных труб диаметром 22–52 мм с толщиной стенок в пределах 2,5–10 мм. Для этого образец сплющивают прессом, чтобы просвет между внутренними стенками трубы стал равен учетверенной толщине ее стенки. В процессе испытании на качественном образце не появляются трещины.

Технологические и химические свойства твердых металлов

К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.

Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках. В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки. На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.

Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.

Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.

Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.

Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств. Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей. Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.

Значение различных свойств твердых металлов при использовании на производстве

Механические свойства. Главным требованием, которому должно отвечать любое изделие, является достаточная прочность.

По сравнению с остальными материалами, металлы имеют более высокую прочность, поэтому их используют для изготовления нагруженных деталей машин, механизмов и сооружений.

Однако прочность – не единственное важное свойство. Также многие изделия должны иметь особые качества, обеспечивающие их нормальную работу. Так, режущим инструментам требуется повышенная твердость, поэтому их производят из инструментальных сталей и сплавов.

Для рессор и пружин используют стали и сплавы с высокой упругостью.

Вязкие металлы необходимы для деталей, которые в процессе работы должны испытывать на себе ударную нагрузку.

Такое свойство, как пластичность, позволяет обрабатывать интересующий нас материал давлением, то есть ковать, прокатывать.

Физические свойства. Для авиа-, авто- и вагоностроения небольшой вес деталей является одним из самых важных качеств, поэтому в данной сфере используют легкие сплавы алюминия и магния. Интересно, что удельная прочность, то есть отношение предела прочности к удельному весу, у некоторых алюминиевых сплавов превышает данный показатель мягкой стали.

Плавкость считается важным свойством, позволяющим получать отливки при помощи заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (такие как свинец) принято использовать как закалочную среду для стали. Существуют сложные сплавы, температура плавления которых настолько низкая, что позволяет им расплавляться в горячей воде. Из них изготавливают типографические матрицы. Кроме того, они используются в приборах, обеспечивающих защиту от пожаров.

Медь, алюминий обладают высокой электропроводностью, поэтому широко используются в электромашиностроении, при строительстве линий электропередач. А сплавы с высоким электросопротивлением незаменимы в качестве материала для элементов ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Благодаря магнитным свойствам твердых металлов удается изготавливать динамо-машины, моторы, трансформаторы, различные приборы связи, такие как телефонные и телеграфные аппараты, и целый ряд других устройств.

Теплопроводность используется в процессе пайки и сварки металлов.

Коэффициент линейного расширения у ряда сплавов приближен к нулю, благодаря чему удается использовать подобные материалы в производстве точных приборов, радиоламп. В процессе строительства длинных сооружений, таких как мосты, необходимо учитывать расширение металлов. Кроме того, нельзя забывать, что нагревание двух скрепленных друг с другом деталей из металлов с различным коэффициентом расширения приводит к их изгибу или разрушению.

Химические свойства. Коррозионная стойкость является ключевым свойством изделий, используемых в сильноокислительных средах. К таким изделиям относятся колосниковые решетки, детали химических машин и приборов. Если требуется повышенная коррозионная стойкость, используют нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали. Кроме того, на них могут наноситься специальные защитные покрытия.

Технологические свойства имеют немаловажное значение при осуществлении разного рода производственных операций.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

• цветные металлы;
• чугун;
• нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Источник https://met-lit.ru/raboty-s-metallami/tverdye-splavy-markirovka.html

Источник https://italy-expert.ru/materialovedenie/primenenie-tverdyh-metallov.html

Источник https://vt-metall.ru/articles/372-osnovnye-svojstva-tverdyx-metallov