Твердые сплавы

Раздел: Учебники

Патентные соображения, экономический расчет, временные недостатки сырья и исследования привели к попыткам полной или частичной замены карбида вольфрама в металлокерамических твердых сплавах другими твердыми материалами или карбидами

При полной замене карбида вольфрама (в дальнейшем будет рассмотрен только этот вариант) можно идти по двум путям:

1.         Применение других твердых материалов, например нитридов, боридов, силицидов, окислов (корунда) и карбидов неметаллов (карбиды бора и кремния).

2.         Замена WC другими тугоплавкими карбидами металлов (например, карбидами циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена) или их бинарными или тройными твердыми растворами.

Первый путь пока не привел к получению пригодных для резания твердых сплавов; исключение составляет лишь некоторый успех в области окисной керамики и режущего материала окись алюминия — карбид

Стабильными и относительно легко спекаемыми нитридами являются нитриды титана и ванадия. При горячем прессовании этих нитридов с металлами группы железа, в частности с никелем, получают твердые материалы металлического характера с зеркально-глянцевой поверхностью латунного и золотисто-желтого цвета. Твердость и износостойкость этих сплавов существенно ниже, чем у карбидов. Нитрид титана, изоморфный карбиду и моноокиси титана, присутствует во многих высокотитановых твердых сплавах в количестве 1—3% как неизбежная примесь

Майер и Айлендер описывают твердые сплавы из нитрида титана и нитрида ванадия, а также из соответствующих смесей карбид—нитрид с кобальтовой связкой. Однако твердость этих сплавов совершенно недостаточна для резания материалов.

О нитридах остальных нитридобразующих металлов групп IVa и Va периодической системы опубликовано очень мало подробных работ и проведено слишком мало практических опытов, чтобы можно было судить о возможности применения сплавов на их основе в качестве металлокерамических твердых сплавов. Нитриды карбидообразующих металлов группы Via, очевидно, тем нестабильнее, чем выше склонность этих металлов к карбидообразованию. В то время как нитриды хрома и молибдена имеют некоторое техническое значение, нитрид вольфрама является весьма неустойчивым.

Таким образом, нитриды в качестве основы мало пригодны для производства твердых сплавов из-за высокой упругости паров азота при температуре спекания и склонности к образованию карбидов при обычных условиях спекания.

Существенно большее значение имеют бориды. Трудности получения боридов без загрязнения их карбидами, нитридами и окислами препятствовали техниче-

Скому применению боридов металлов; однако, в последние годы эти трудности были преодолены. В отличие от большинства нитридов и силицидов бориды имеют более ярко выраженный металлический характер. До настоящего времени техническое значение приобрел лишь борид хрома в качестве наплавочного твердого материала Методом горячего прессования борида хрома удается получить представляющие интерес высокожаростойкие твердые сплавы.

Бориды металлов групп IVa и Va периодической системы, например TiB2, ZrB2, HfB2, VB2, NbB2 и TaB2, а также их твердые растворы не подвергались систематическому исследованию с точки зрения пригодности их в качестве основы режущих материалов. В патентной литературе имеется много данных, скудных, однако, по своему содержанию. По физическим, химическим и механическим свойствам, согласно ориентировочным опытам Киффера и Бенезовского , техническое применение боридов явится перспективным, если удастся при помощи соответствующих добавок и металлических связок достигнуть предела прочности при изгибе не менее 80 кГ/мм2 и твердости более 89—90 HRA, необходимых для резания. В этом направлении ведутся интенсивные изыскания; в частности достигнуты определенные успехи при использовании очень твердого TiB2 и соответствующей связки.

Шедлер  предлагает использовать в качестве режущего материала фасонные изделия из TiB2 и TiC (в соотношении 1 :2) без связки. По результатам испытания резанием эти материалы аналогичны режущей керамике.

В качестве режущих материалов предложены материалы на основе тройного соединения Mo2NiB2. Испытания по точению стали, чугуна и цветных металлов дали относительно хорошие результаты, однако величина предела прочности при изгибе этого сплава является пока неудовлетворительной.

Попытки многих исследователей заменить карбиды чистыми силицидами представляются не очень перспективными.

Второй путь, т. е. замена карбида вольфрама другими тугоплавкими» карбидами и твердыми растворами карбидов, характерен следующим:

изготовление «Титанита S» (карбид титана—карбид ' молибдена—никель) Шварцкопфом, Хиршлем и Киффером в 1930—1931 гг.

изготовление американского «Рамета» на основе чистого карбида тантала в 1930—1931 гг. 

патент Киффера на изготовление режущих сплавов на основе TiC—VC при избытке карбида титана промышленная разработка безвольфрамовых твердых сплавов на некоторых заводах твердых сплавов в Германии в первые годы второй мировой войны

производственные испытания резанием безвольфрамовых твердых сплавов в качестве заменителей стандартных WC—TiC—Co-твердых сплавов марок S1 и S2 (78/16/6 и 76/15/9) в последние годы второй мировой войны и подготовка к массовому изготовлению пластинок и инструмента из испытанных сплавов

Прежде чем перейти к подробному рассмотрению отдельных безвольфрамовых твердых сплавов на основе других карбидов и их твердых растворов, необходимо остановиться на тех требованиях, которые предъявляются к твердым сплавам для обработки резанием. При обработке резанием, особенно при обдирочной обработке сталей средней твердости, необходима твердость не менее 89 HRA и предел прочности при изгибе 100— 110 кГ/мм2. При наличии равномерного и низкого давления резания, например при чистовой обработке стали в идеальных опытных условиях, допускаются твердость 91—93 HRA и предел прочности при изгибе 65— 75 кГ/мм2. Однако для обработки материалов, дающих стружку надлома (серый и отбеленный чугун, твердые неметаллические материалы), и для буровых работ требуются более высокие прочностные показатели. То же справедливо и для тяжелой обдирочной обработки материалов, дающих как стружку надлома, так и сливную. Титанокарбидные сплавы очень твердые, но и весьма хрупкие. Применяя очень чистый, бедный кислородом и азотом TiC или TiC-твердые растворы с 1—3% карбида молибдена или карбида хрома, можно повысить предел прочности при изгибе сплавов № 1—4 примерно на 10—20 кГ/мм2 и твердость — на 0,5—1,5 HRA.

Согласно Венеру и Колерману, специальные сплавы из 94% TiC и 6% связки Fe—Ni—Cr при плотности 6,0 г!смъ и твердости 93 HRA имеют предел прочности при изгибе 75 кГ/мм2. Подобные сплавы дают очень хорошие результаты при чистовой обработке стали на высоких скоростях резания и имеют хорошую окалиностойкость.

Гётцель и Скольник добились хороших результатов при точении сталей TiC-твердыми сплавами со связкой из быстрорежущей стали, полученными методом пропитки.

Твердые сплавы на основе ТаС (опытные сплавы фирм «Фанстил» и «Карболой»1) обладают в некоторых случаях очень высоким пределом прочности при изгибе, однако они недостаточно твердые, что мешало их первоначальному распространению. Горячим прессованием ТаС-твердых сплавов с никелевой связкой удается получить, по данным Л. П. Малькова и А. В.Хохловой  твердость до 91 HRA; данные о прочности и производительности резания авторы не приводят. Согласно последним данным, более высокие показатели твердости связаны с применением более твердого TaCi-л: нестсхиометрнческого состава.

Испытания микротвердости проводили как на кристаллах VC, так и на, промежуточных прослойках связующего металла. На микрофотографии видны также отпечатки измерений, которые показали среднюю величину микротвердостп 3000 кГ\мм2 для VC и 1100 кГ/мм2 для связующей фазы. Последняя величина свидетельствует о том, что речь идет не о чистом никеле, а об образовании сплава из никеля, ванадия и углерода или о явлениях выпадения, вследствие которых увеличивается твердость. На  35 показана микроструктура твердого сплава с 87% ТаС и 13% Со. Как видно на рисунке, кристаллы ТаС имеют кубическую форму.

Твердые сплавы из карбида ванадия и связующего металла , в частности сплавы с железной связкой, иногда с небольшими добавками карбида тантала или карбида хрома, можно получать почти беспористыми также спеканием без применения давления. Эти сплавы обладают хорошей стойкостью против истирания и применяются для изготовления изнашивающихся деталей, например нитеводителей. Сплавы из карбида титана и связующего металла, полученные горячим прессованием, с успехом применяют для пескоструйных сопел.

Для резания пригодны, очевидно, только карбиды титана, циркония и гафния; карбиды ванадия и ниобия применяются лишь в тех случаях, когда не требуется высокая износостойкость. Предложенный Гётцелем и Скольником твердый сплав из TiC со связкой из быстрорежущей стали, получаемый пропиткой, позволяет получить высокую производительность при резании легированных сталей.

Карбид хрома является дешевым и изготавливающимся в больших количествах материалом. Однако твердые сплавы из карбида хрома и связующего металла относительно хрупкие и не пригодны для резания; они применяются лишь для изнашивающихся деталей и в качестве коррозионностойких сплавов. Карбиды хрома и молибдена представляют определенный интерес в качестве компонентов карбидных твердых растворов в сплавах для обработки материалов резанием.

По сравнению с простыми сплавами карбид — связующий металл значительно большее техническое значение имеют двух- и многокомпонентные твердые сплавы и сплавы на основе твердых растворов. Технологически правильное получение твердых растворов способствует повышению твердости в соответствующих бинарных или тройных системах и, что очень важно, самоочищению карбидов от свободного углерода, окислов или нитридов. Благодаря самоочищению получают однородные, хорошо спекающиеся карбидные компоненты, что является необходимой предпосылкой для получения беспористых твердых сплавов высокой прочности.

Взаимная растворимость карбидов металлов групп IVa и Va периодической системы подробно описана в книге «Твердые материалы». Все пары карбидов, за исключением ZrC—VC  и HfC—VC, обладают полной взаимной растворимостью.

Что касается растворимости карбидов металлов групп IVa и Va с карбидами металлов группы Via, то Новотным и Киффером установлено, что карбиды с кубическими решетками растворяют, например, значительное количество карбида молибдена, тогда как обратная растворимость почти отсутствует. Систематические рентгенографические исследования растворимости карбида хрома в кубических карбидах проведены лишь в последнее время Хиннюбером и Рюдигером. По-видимому, растворимость Сг3С2 в кубических карбидах меньшая, чем Мо2С.

Все сказанное об образовании твердых растворов в двухкомпонентных системах в основном справедливо и для трехкомпонентных систем, что было доказано на твердых растворах ТаС—NbC с карбидом молибдена. Комбинируя наиболее интересные карбиды металлов групп IVa, Va и Via, получают карбидные пары, которые можно подразделить на шесть групп. В табл. 32 приведены эти группы карбидов и одновременно приведена их оценка, которая, по мнению Киффера и Кёльбля, характеризует техническое значение твердых сплавов из этих карбидных пар с точки зрения современного уровня твердосплавной техники. Возможность практического применения сплавов уменьшается с увеличением характеристического числа.

Среди бинарных сплавов особое техническое значение приобрели титанокарбидные пары, в частности сплавы TiC—Мо2С, TiC—'VC, TiC—NbC и TiC—Сг3С2. Системы, содержащие ZrC и HfC, пока еще изучены недостаточно.