Твердосплав — это сплав, полученный методом порошковой металлургии из твердого соединения тугоплавкого металла и связующего металла. Твердосплав обладает рядом превосходных свойств, таких как высокая твердость, износостойкость, хорошая прочность и ударная вязкость, жаростойкость и коррозионная стойкость. Особенно высокая твердость и износостойкость остаются практически неизменными даже при температуре 500 °C, сохраняя высокую твердость и при 1000 °C. Твердосплав широко используется в качестве инструментального материала, например, для токарных работ, фрез, строгальных станков, сверл, расточных инструментов и т. д., для обработки чугуна, цветных металлов, пластмасс, химических волокон, графита, стекла, камня и обычной стали, а также может использоваться для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочная сталь, нержавеющая сталь, высокомарганцевая сталь, инструментальная сталь и т. д. Скорость резания новых твердосплавных инструментов в настоящее время в сотни раз превышает скорость резания углеродистой стали.
Применение твердосплавных материалов
(1) Материал инструмента
Твердосплавы являются наиболее распространенным инструментальным материалом, используемым для изготовления токарных инструментов, фрез, строгальных станков, сверл и т. д. Среди них карбид вольфрама-кобальта подходит для обработки черных и цветных металлов с образованием короткой стружки, а также для обработки неметаллических материалов, таких как чугун, латунь, бакелит и др.; карбид вольфрама-титана-кобальта подходит для длительной обработки черных металлов, таких как сталь. Среди аналогичных сплавов, сплавы с большим содержанием кобальта подходят для черновой обработки, а сплавы с меньшим содержанием кобальта — для чистовой. Твердосплавы общего назначения имеют гораздо больший срок службы при обработке труднообрабатываемых материалов, таких как нержавеющая сталь, чем другие твердые сплавы.
(2) Материал для пресс-формы
Твердосплавные материалы в основном используются для изготовления штампов для холодной обработки, таких как штампы для холодной вытяжки, штампы для холодной штамповки, штампы для холодной экструзии и штампы для холодной пробивки.
Для штамповки методом холодной высадки из твердосплава требуются хорошие ударная вязкость, трещиностойкость, усталостная прочность, прочность на изгиб и хорошая износостойкость в условиях ударной или сильной ударной нагрузки. Обычно используются сплавы со средним и высоким содержанием кобальта, а также со средним и крупным зерном, например, YG15C.
В целом, взаимосвязь между износостойкостью и ударной вязкостью твердых сплавов противоречива: повышение износостойкости приводит к снижению ударной вязкости, а повышение ударной вязкости неизбежно приводит к снижению износостойкости. Поэтому при выборе марок сплавов необходимо учитывать конкретные требования к применению в зависимости от обрабатываемого объекта и условий обработки.
Если выбранный сорт склонен к преждевременному растрескиванию и повреждению во время эксплуатации, следует выбрать сорт с более высокой ударной вязкостью; если выбранный сорт склонен к преждевременному износу и повреждению во время эксплуатации, следует выбрать сорт с более высокой твердостью и лучшей износостойкостью. Следующие сорта: YG15C, YG18C, YG20C, YL60, YG22C, YG25C. Слева направо твердость уменьшается, износостойкость уменьшается, а ударная вязкость увеличивается; наоборот, верно обратное.
(3) Измерительные инструменты и износостойкие детали
Твердосплав используется для изготовления износостойких поверхностных вставок и деталей измерительных инструментов, прецизионных подшипников шлифовальных станков, направляющих пластин и направляющих стержней бесцентровых шлифовальных станков, верхних частей токарных станков и других износостойких деталей.
В качестве связующих металлов обычно используются металлы группы железа, чаще всего кобальт и никель.
При производстве твердосплавных материалов размер частиц выбранного порошка сырья составляет от 1 до 2 микрон, а чистота очень высока. Сырье дозируется в соответствии с заданным соотношением компонентов, и для полного перемешивания и измельчения в шаровой мельнице с добавлением спирта или других сред. Смесь просеивают. Затем смесь гранулируют, прессуют и нагревают до температуры, близкой к температуре плавления связующего металла (1300-1500 °C), в результате чего затвердевшая фаза и связующий металл образуют эвтектический сплав. После охлаждения затвердевшие фазы распределяются в сетке, образованной связующим металлом, и тесно соединяются друг с другом, образуя цельное твердое вещество. Твердость твердосплавных материалов зависит от содержания затвердевшей фазы и размера зерен, то есть чем выше содержание затвердевшей фазы и чем мельче зерна, тем выше твердость. Ударная вязкость твердосплавных материалов определяется связующим металлом. Чем выше содержание связующего металла, тем выше прочность на изгиб.
В 1923 году немецкий Шлертер добавил от 10% до 20% кобальта в порошок карбида вольфрама в качестве связующего вещества и изобрел новый сплав карбида вольфрама и кобальта. По твердости он уступает только алмазу. Это был первый изготовленный твердый сплав. При резке стали инструментом из этого сплава режущая кромка быстро изнашивается, а иногда даже трескается. В 1929 году американский Шварцков добавил к исходному составу определенное количество карбида вольфрама и карбида титана, что улучшило характеристики инструмента при резке стали. Это еще одно достижение в истории развития твердых сплавов.
Твердосплавные материалы обладают рядом превосходных свойств, таких как высокая твердость, износостойкость, хорошая прочность и ударная вязкость, термостойкость и коррозионная стойкость. Особенно выделяются высокая твердость и износостойкость, которые практически не изменяются даже при температуре 500 °C, сохраняя высокую твердость и при 1000 °C. Твердосплавные материалы широко используются в качестве инструментального материала, например, для токарных инструментов, фрез, строгальных станков, сверл, расточных инструментов и т. д., для обработки чугуна, цветных металлов, пластмасс, химических волокон, графита, стекла, камня и обычной стали, а также для обработки труднообрабатываемых материалов, таких как жаропрочная сталь, нержавеющая сталь, высокомарганцевая сталь, инструментальная сталь и т. д. Скорость резания новых твердосплавных инструментов в настоящее время в сотни раз превышает скорость резания углеродистой стали.
Твердосплав также может использоваться для изготовления буровых инструментов, инструментов для горных работ, сверлильных инструментов, измерительных инструментов, износостойких деталей, металлических абразивов, гильз цилиндров, прецизионных подшипников, сопел, металлических форм (таких как штампы для волочения проволоки, штампы для болтов, штампы для гаек и различные формы для крепежных изделий; благодаря превосходным характеристикам твердосплавные материалы постепенно вытеснили ранее использовавшиеся стальные формы).
Позже появились и твердосплавные инструменты с покрытием. В 1969 году в Швеции успешно разработали инструмент с покрытием из карбида титана. В основе инструмента лежит карбид вольфрама-титана-кобальта или карбид вольфрама-кобальта. Толщина покрытия из карбида титана на поверхности составляет всего несколько микрон, но по сравнению с инструментами из сплавов той же марки срок службы увеличивается в 3 раза, а скорость резания — на 25–50%. В 1970-х годах появилось четвертое поколение инструментов с покрытием для обработки труднообрабатываемых материалов.
Как происходит спекание твердого сплава?
Твердосплав — это металлический материал, получаемый методом порошковой металлургии из карбидов и связующих металлов, включающих один или несколько тугоплавких металлов.
Mосновные страны-производители
В мире более 50 стран производят твердые сплавы, общий объем производства составляет 27 000–28 000 тонн. Основными производителями являются США, Россия, Швеция, Китай, Германия, Япония, Великобритания, Франция и др. Мировой рынок твердых сплавов в основном насыщен, конкуренция на рынке очень жесткая. Китайская промышленность по производству твердых сплавов начала формироваться в конце 1950-х годов. С 1960-х по 1970-е годы китайская промышленность быстро развивалась. В начале 1990-х годов общая производственная мощность Китая по выпуску твердых сплавов достигла 6000 тонн, а общий объем производства – 5000 тонн, что ставит страну на второе место в мире после России и США.
Резак для унитаза
①Твердосплав на основе вольфрама и кобальта
Основными компонентами являются карбид вольфрама (WC) и связующее вещество — кобальт (Co).
Его классификация состоит из обозначения «YG» («твердый и кобальт» на китайском пиньине) и процентного содержания среднего кобальта.
Например, YG8 означает, что среднее содержание WCo составляет 8%, а остальное — карбид вольфрама и кобальта.
Ножи TIC
②Карбид вольфрама-титана-кобальта
Основными компонентами являются карбид вольфрама, карбид титана (TiC) и кобальт.
Его класс определяется по двум иероглифам: «YT» («твердый, титан» — два символа в китайской системе пиньинь) и среднему содержанию карбида титана.
Например, YT15 означает, что среднее содержание WTi составляет 15%, а остальное — карбид вольфрама и карбид вольфрама-титана-кобальта с содержанием кобальта.
Инструмент из вольфрама, титана и тантала
③Твердосплав на основе вольфрама, титана и тантала (ниобия)
Основными компонентами являются карбид вольфрама, карбид титана, карбид тантала (или карбид ниобия) и кобальт. Этот вид твердосплава также называют универсальным твердосплавом.
Его класс состоит из «YW» (китайский фонетический префикс слов «твердый» и «ван») плюс порядковый номер, например, YW1.
Характеристики производительности
Вставки из карбида, приваренные к металлу
Высокая твердость (86–93 HRA, что эквивалентно 69–81 HRC);
Высокая термостойкость (до 900–1000 ℃, твердость 60 HRC);
Высокая износостойкость.
Твердосплавные режущие инструменты работают в 4-7 раз быстрее, чем инструменты из быстрорежущей стали, а срок их службы в 5-80 раз выше. При изготовлении пресс-форм и измерительных инструментов срок службы в 20-150 раз выше, чем у легированной инструментальной стали. Они способны обрабатывать твердые материалы с твердостью около 50 HRC.
Однако твердый сплав хрупкий и не поддается механической обработке, а изготовление цельных инструментов сложной формы затруднительно. Поэтому часто изготавливают лезвия различной формы, которые устанавливаются на корпус инструмента или пресс-формы с помощью сварки, склеивания, механического зажима и т. д.
Нестандартная форма стержня
Спекание
Технология формования методом спекания твердых сплавов заключается в прессовании порошка в заготовку, последующем ее помещении в печь для спекания, нагреве до определенной температуры (температуры спекания), выдержке в течение определенного времени (времени выдержки), а затем охлаждении для получения твердого сплава с требуемыми свойствами.
Процесс спекания твердых сплавов можно разделить на четыре основных этапа:
1: На этапе удаления формовочного агента и предварительного спекания спеченное тело изменяется следующим образом:
Удаление формовочного агента происходит с повышением температуры на начальной стадии спекания, при этом формовочный агент постепенно разлагается или испаряется, а спеченное тело отделяется. Тип, количество и процесс спекания различаются.
Оксиды на поверхности порошка восстанавливаются. При температуре спекания водород может восстанавливать оксиды кобальта и вольфрама. Если формовочный агент удаляется в вакууме и спекается, реакция углерода с кислородом протекает слабо. Контактное напряжение между частицами порошка постепенно устраняется, связь между металлическими частицами порошка начинает восстанавливаться и перекристаллизовываться, начинается поверхностная диффузия, и повышается прочность брикетирования.
2: Стадия твердофазного спекания (800℃ – эвтектическая температура)
При температуре, предшествующей появлению жидкой фазы, помимо продолжения процесса предыдущей стадии, усиливаются твердофазная реакция и диффузия, повышается пластическая текучесть, и спеченное тело значительно сжимается.
3: Стадия жидкофазного спекания (эвтектическая температура – температура спекания)
Когда в спеченном теле появляется жидкая фаза, усадка быстро завершается, за которой следует кристаллографическое превращение, формирующее основную структуру и структуру сплава.
4: Этап охлаждения (температура спекания – комнатная температура)
На этом этапе структура и фазовый состав сплава претерпевают некоторые изменения в зависимости от условий охлаждения. Эта особенность может быть использована для нагрева твердого сплава с целью улучшения его физических и механических свойств.
Дата публикации: 11 апреля 2022 г.
