Текст книги "Современные системные технологии в отраслях экономики. Учебное пособие"

Рис. 4.10. Твердый раствор внедрения

При образовании твердых растворов ввиду различия атомных размеров А и В параметр решетки растворителя изменяется (решетка искажается). Это приводит к изменению свойств, что весьма важно. В общем, независимо от вида металла, происходит упрочнение, при этом оно пропорционально относительному изменению параметров решетки, причем уменьшение параметров решетки ведет к большему упрочнению, чем аналогичное увеличение. При образовании твердых растворов внедрения период решетки всегда увеличивается. Таким образом, изменение вида твердого сплава вызывает изменение его физико-механических свойств, в частности пластичности и прочности. Это дает возможность управлять свойствами конструкционных материалов и получать необходимые качественные показатели реальных сплавов (см. раздел 5).

2. Твердые растворы на основе химического соединения. По мере накопления в кристаллической решетке основного металла А (например, железа Fe) другого химического элемента В (например, углерода С) в сплаве увеличивается число молекул в виде химического соединения А_mВ_n, (в нашем примере, 3Fe+С → Fe₃C – карбида железа). В этом случае сохраняется решетка химического соединения А_mВ_n, ноизбыточное количество атомов В (или А) растворяется, замещая в решетке какое-то количество атомов А (или В). Возможно также растворение и третьего элемента С, который замещает атомы Аили В. При этом химическое соединение обозначается следующим образом. Например, если в карбиде железа Fe₃C растворены атомы третьего элемента М, то химическая формула записываетcя (FeM)₃C. Твердые растворы на базе химического соединения могут образовываться и так, что в отдельных узлах его кристаллической решетки могут отсутствовать или атомы А или атомы В. Такие растворы называются растворами вычитания.

Наличие в сплаве химических соединений типа карбидов (Fe₃C), нитридов (соединений с азотом – TiN), окисных соединений (SiO₂), цианидов (соединений с углеродом и азотом – TiСN), определяют качество конструкционных материалов, в частности, твердость и износостойкость металлов. Например, соединение Fe₃C обладает высокой твердостью и поэтому называется цементитом.

3. Сплав как механическая смесь. Компоненты сплава не растворимы и не образуют химических соединений. При этом образуется механическая смесь кристаллов компонентов А и В, отчетливо выявляемые на микроструктуре. Свойства сплавов, определенных как механическая смесь, зависят от ряда дополнительных показателей, таких как зерновая структура сплава (т. е. размеры и форма зерен), состав и кристаллическое состояние каждой фазы сплава. Поэтому сплавы в виде механической смеси часто обладают противоречивыми механическими свойствами. Например, наличие в таких сплавах карбидных, нитридных, окисных керамических кристаллов определяет весьма высокие показатели твердости сплава, но в то же время, слабая межзерновая связь, наличие дислокаций в структуре приводит к низкой механической прочности материала и ударопрочности, хрупкости.

Рассмотренная теория сплавов дает возможность анализа физико-механических свойств сплавов в зависимости от их состава и структуры, а также определения состава сплава, отвечающего заданным показателям механических и технико-эксплуатационных свойств.

4.5. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Наиболее сложной является диаграмма состояния сплава железо – углерод, упрощенный вид которой представлен на рис. 4.11. Оба элемента (железо и углерод) обладают способностью к аллотропии. Поэтому они могут образовывать химические соединения и твердые растворы, в которых даже незначительное изменение содержания углерода ведет к изменению структуры и свойств сплава.

Рис. 4.11. Диаграмма состояния железо – углерод

Линия ACD называется линией ликвидуса, выше которой сплав находится в жидком состоянии; линия AECF – линией солидуса, ниже которой сплав находится в твердом состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса сплавы имеют жидкотвердое (двухфазное) состояние.

При охлаждении жидкого сплава ниже линии AC в нем образуются кристаллы аустенита – твердого раствора углерода в железе (его аллотропической формы y-железа). Твердый раствор углерода в y-железе называется ферритом; область чистого феррита незначительна (на диаграмме не показана).

Охлаждение сплава (с высоким содержанием углерода) ниже линии CD связано с образованием цементита т. е. устойчивого химического соединения железа с углеродом (Fe₃C – карбида железа).

При дальнейшем понижении температуры аустенит претерпевает вторичную кристаллизацию, сопровождающуюся изменением формы кристаллической решетки и растворимости углерода. В низкоуглеродистых сплавах из аустенита выделяется феррит (ниже линии GS), в сплавах с более высоким содержанием углерода – цементит вторичный (ниже линии SE).

У низкоуглеродистых сплавов (до 0,8 % С) непрерывно возрастающее количество феррита, вызванное понижением температуры, ведет к выделению углерода и насыщению им оставшегося аустенита. При 727ºС насыщенный аустенит превращается в перлит – эвтектоидную смесь цементита и феррита.

Сплав, содержащий 0,8 % С, называют эвтектоидной сталью; менее 0,8 % – доэвтектоидной, а более 0,8 % – заэвтектоидной. Структура эвтектоидной стали – перлит.

Чугуны по содержанию углерода делятся на доэвтектические (2,14–4,3 %С), эвтектические (4,3 %С), заэвтектические (4,3–6,67 %С). Доэвтектический чугун начинает кристаллизоваться при температурах ниже линии АС. С понижением температуры содержание аустенита увеличивается, а жидкая фаза обогащается углеродом. При 1147 ºС происходит эвтектическое превращение чугуна с образованием ледебурита – механической смеси аустенита и цементита. Наличие ледебурита в структуре характерно для всех видов чугуна.

Часть диаграммы состояния сплава железо – углерод, относящаяся к сталям, имеет огромное значение при выборе режимов термической обработки для получения новой структуры и свойств сталей (см. разд. 5.2).

4.6. Основные свойства металлов и сплавов

У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и при фазовых превращениях.

К химическим – окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность.

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием, хладноломкость.

К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость.

Дадим некоторые определения.

ПРОЧНОСТЬ (ó_в) – способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. С этой целью из испытуемого материала изготовляют круглые (иногда плоские) образцы определенного диаметра и длины. В процессе испытания на образец дается нагрузка, которая плавно возрастает и материал образца растягивается. Отношение наибольшей нагрузки, которую выдерживает образец до разрушения, к начальной площади поперечного сечения образца – есть предел прочности.

ТВЕРДОСТЬ – способность одного тела противостоять проникновению в него другого тела, более твердого. Твердость измеряют по трем шкалам: Бриннеля HB (вдавливанием в образец стального, закаленного шарика); Роквелла HRC, HRA (алмазным конусом при различных нагрузках) и HRB (стальным закаленным шариком); Виккерса HV (алмазной пирамидой). Существуют и другие методы измерения твердости.

ПЛАСТИЧНОСТЬ (δ) – свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил. Пластичность оценивается по относительному удлинению образца при растяжении от начальной длины до конечной длины Другие вторичные показатели качества металлов.

ВЯЗКОСТЬ – способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

УПРУГОСТЬ – свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил.

ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ – глубина проникновения закаленной зоны т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности.

ЖИДКОТЕКУЧЕСТЬ – это способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее.

КОВКОСТЬ – способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением.

ХЛАДНОЛОМКОСТЬ – склонность металла растрескиваться и ломаться при холодной механической обработке.

КРАСНОСТОЙКОСТЬ – способность стали сохранять при нагреве до температур красного каления высокую твёрдость и износостойкость, полученные в результате термической обработки. Повышенная красностойкость – характерное свойство инструментальной стали.

ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬ РЕЗАНИЕМ – способность металлов поддаваться обработке режущими инструментами. Обрабатываемость металлов резанием различна и зависит от их свойств: твердости, прочности, вязкости и т. п.

4.6.1. Сплав железо (Fe) – углерод (С)

Черные металлы (сплавы железо Fe – углерод C) являются основным используемым в технологии машиностроения конструкционным материалом.

График сплава железо – углерод (Fe – C) определяет две области существования, когда образуются два характерных сплава (рис. 4.12):

1. СТАЛЬ – сплав железо – углерод (Fe – C) с содержанием углерода от 0,01 % до 2,14 %;

2. ЧУГУН – сплав железо – углерод (Fe – C) с содержанием углерода от 2,14 % до 6,67 %.

На графике в области сталей можно выделить три характерных участка, в пределах каждого из которых наблюдается значительное изменение свойств сплава.

На первом участке при низком содержании углерода в сплаве наблюдается резкое снижение пластичности металла. В соответствии с рассмотренной выше теорией сплавов, при малом содержании углерода образуется кристаллическая структура сплава в виде твердого раствора внедрения. Снижение пластичности металла и рост прочности происходит до критической концентрации 1,2 % углерода, когда сплав перекристаллизуется с образованием зерен в виде механической смеси. Низкоуглеродистые стали первого участка графика Fe – C обладают достаточной пластичностью и применяются для изготовления деталей машин методом объемной штамповки.

На втором участке графика вследствие насыщения металла углеродом и образования кристаллической структуры в виде твердого раствора замещения происходит возрастание прочности стали. Среднеуглеродистые стали являются основным конструкционным материалом для производства износостойких деталей машин.

На третьем участке графика увеличение содержания углерода в сплаве приводит к накоплению в структуре металла химического соединения – карбида железа – Fe₃C, поэтому растет твердость сплава. С дальнейшим повышением содержания углерода прочность снижается, растет хрупкость сплава т. к. нарушаются связи между зернами металла (образуется механическая смесь).

В области чугуна вследствие постепенного накопления карбидов железа в сплаве повышается его твердость. Максимальное содержание углерода составляет 6,67 %, что означает переход всего сплава в карбиды т. к. y_c = М_С/М_Fe3C = 12/180 = 6,67 % С.

Карбиды железа в структуре чугуна – это механическая смесь кристаллов. Это обстоятельство объясняет чрезвычайно высокую твердость и, в то же время, хрупкость чугунов. Чугун, в котором весь углерод находится в виде карбида железа или цементита называется белым. Чугун обладает хорошей жидкотекучестью, что определяет его высокие литейные свойства. Он является самым распространенным материалом для изготовления отливок.

Рис. 4.12. Свойства сплавов железо – углерод (Fe – C); õ – пластичность,%; ò_в – предел прочности, Н/мм²; НВ – твердость, мм

4.7. Конструкционные стали

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие (кп), наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей (S<0,05 %, P<0,04 %). Стали отливаются в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений. Из таких сталей изготавливают горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки листы, трубы и поковки. Используются в строительстве менее ответственных сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, шестерни).

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий ведения плавки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре: S< 0,04 %; Р < 0,035 – 0,04 %, а также меньшее количество неметаллических включений.

Качественные углеродистые стали маркируют словом «сталь» и цифрами 08,10,15…20… 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (С<0,25 %) 05 кп, 08, 07 кп, 10 кп обладают достаточной прочностью (ò_в= 330–340 МПа) и высокой пластичностью (б=33–31 %). Их используют для малонагруженных деталей. Например, для изготовления деталей кузова автомобиля, черепицы крыш, обшивки холодильника. Тонколистовую сталь используют для холодной штамповки.

Стали 15, 15 кп, 20,25 (ò_в=380–460 МПа) применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии.

Низкоуглеродистые стали используют также для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3–0,5 %С) применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения, имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (ò_в=500–610 МПа, б= 21–16 %). После улучшения стали 40, 45, 50 имеют следующие свойства:ò_в = 600–700 МПа, KCU= 0,4–0,5 МДж/ м². Стали марки Ст.20, 25, 30, 40 являются основным видом качественных конструкционных сталей, предназначенных для изготовления деталей машин, способных работать в условиях высокой механической нагрузки. Они определяют надежность износостойкость, ресурс изделия.

Высокоуглеродистые качественные стали (0,6–0,85 %С) 60, 70, 80, 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью, упругими свойствами; применяют после закалки, отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения, для изготовления пружин и рессор, шпинделей, прокатных валков.

4.7.1. Легированные стали

Особую категорию высококачественных сталей в современном машиностроительном производстве занимают легированные стали – модифицированные сплавы, получаемые введением легатуры (легирующих элементов). Вводимые в сталь малые доли легирующих элементов (1,5–2 %) целенаправленно изменяют ее механические, физические и химические свойства (прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, бронебойность и т. п.).

Разработанные в ведущих странах мира (Япония, Германия, США и др.) новейшие марки легированных сталей определили значительный рост эффективности технологии машиностроения. Многокомпонентные легированные стали позволяют снизить массу деталей, обеспечивая при этом высокую надежность и ресурс эксплуатации изделия.

Для легирования стали, чтобы улучшить ее свойства, применяют хром, никель (Н), марганец (Г), кремний (С), вольфрам (В), молибден (М), ванадий (Ф), кобальт (К), титан (Т), алюминий (Ю), медь (Д) и другие элементы. Большинство марок легированной стали приобретают высокие физико-механические свойства только после термической обработки. По содержанию в стали легирующих элементов она делится на низколегированную (суммарное содержание их менее 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (более 10 %).

По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы:

а) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения, – карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан); карбиды могут быть простыми (например, Сr₄С, МоС) и сложными легированными (например, (Fe, Cr)₇C₃; (Fe₂W)₄C и др.). Они обычно тверже карбида железа и менее хрупки;

б) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твердый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

Первые цифры в маркировке стали показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей – в десятых долях процента). Цифры, следующие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента. При содержании легирующего элемента менее1 % цифра отсутствует. При содержании S<0,03 % и Р<0,03 %, а также, когда соблюдены все условия металлургического производства, в конце марки ставят букву А. Буква А в середине марки указывает на наличие азота, специально введенного в сталь. Если в стали содержание углерода ~1 %, цифра впереди марки отсутствует.

Многокомпонентное легирование выгоднее и в настоящее время является наиболее распространенным.

Легированные стали необходимо применять исключительно в термообработанном виде.

Хромистые стали. Например, сталь 40Х. Хром – сравнительно дешевый элемент; образует карбиды и частично растворяется в феррите, повышает прочность при несколько меньшей пластичности. Прокаливаемость хромистых сталей невелика и составляет 15–20 мм при закалке в воде (для 95 % мартенсита). Введение бора (0,002–0,005 %) увеличивает прокаливаемость.

Введение ванадия в количестве 0,1–0,2 % (сталь 40ХФА) повышает вязкость стали вследствие измельчения зерна без увеличения прокаливаемости.

Хромистые стали склонны к устранимой отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей – в масле, для крупных – в воде. Стали 15Х, 20Х относятся к группе цементируемых, стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х – к группе улучшаемых.

Сталь 35ХР (40ХР) после улучшения имеет следующие механические свойства: õ_в = 1000 МПа, õ_0,2 = 800 МПа; KCU = 0,9 МДж/м.

Стали с особыми свойствами. Многие машины, приборы и другое оборудование имеют детали, к которым предъявляются особые требования по физическим и химическим свойствам: сопротивление коррозии и действию химических агрессивных сред (нержавеющая сталь), жаропрочность (сохранение прочности при высоких температурах), жаростойкость (стойкость против окисления при высоких температурах), износоустойчивость, особые магнитные, тепловые и другие свойства.

В качестве нержавеющей применяют хромовую марок 12X13, 30X13 и другие и хромоникелевую сталь. Хромовая сталь является нержавеющей и отличается стойкостью против коррозии не только на воздухе, но и в агрессивных средах (например, в азотной кислоте и др.). Кроме того, она сохраняет прочность при повышенных температурах, поэтому применяется для изготовления лопаток турбин, цилиндров высокого давления, труб пароперегревателей в т. п.

Хромоникелевая сталь аустенитного класса является нержавеющей (неподверженной коррозии в атмосферных условиях) и кислотостойкой (устойчивой против разъедающего действия кислот). Она применяется для изготовления аппаратуры в нефтяной, химической, пищевой промышленности и для других целей. Примером кислотостойкой хромоникелевой стали является сталь марок 04Х18Н10,12X18Н9, 08Х18Н10Т.

Хромоникелевые нержавеющие стали дороги, поэтому при возможности их стараются заменить сталями, в которых часть никеля заменена марганцем (например, сталь 10Х14Г14Н3Т).

Для получения чисто аустенитной структуры, определяющей высокую коррозионную стойкость, нержавеющую сталь нагревают для растворения карбидов (чаще до 1100 °C–1150 °C) и закаливают в воде или на воздухе.

4.8. Инструментальные материалы в современной технологии машиностроения

Инструмент в современной технологии машиностроения представляет собой важнейший фактор эффективности рабочего процесса и определяет такие показатели высоких технологий, как:

• интенсивность технологического процесса обработки резанием (скорость резания), что отражается на производительности труда;

• минимизация времени операции;

• обеспечение качества работ;

• обеспечение прецизионности (точности) обработки.

Разработанные во второй половине XX столетия инновационные процессы получения инструментальных материалов обеспечили грандиозный успех в технологии обработки металлов резанием. Скорость обработки конструкционных материалов за период с 1940 по 2000 годы выросла в 50–100 раз, достигнув скорости резания 2000–3000 м/мин, за счет использования сверхтвердых, керамических, а также синтетических материалов и алмазов.

Критерием качества инструмента является такой показатель как стойкость.

СТОЙКОСТЬ ИНСТРУМЕНТА (Т) – это время, в течение которого инструмент может работать в непрерывном режиме резания без ощутимого износа. Функционально стойкость зависит от твердости (НВ) и теплостойкости (t_ст, ºС) металла:

Т = f (НВ, t_ст), (4.3)

Основные свойства, которыми должен обладать материал для режущих инструментов – это ТВЕРДОСТЬ, выражающаяся в ИЗНОСОСТОЙКОСТИ и ТЕПЛОСТОЙКОСТЬ. В процессе резания на контактные поверхности инструмента воздействуют высокие контактные давления, вызывающие их изнашивание. При этом практически вся работа резания превращается в тепло, что сопровождается разогревом контактных поверхностей до нескольких сотен градусов. Чем больше скорость резания, сечение срезаемого слоя, прочность и вязкость обрабатываемого материала, тем выше температура резания.

Для того, чтобы исключить пластическое течение рабочих кромок, инструментальный материал должен обладать высокой твердостью (в 2–3 раза большей, чем у обрабатываемого материала) и теплостойкостью.

Под ТЕПЛОСТОЙКОСТЬЮ понимают способность материала сохранять высокую твердость и режущую способность при повышенных температурах. Критерием теплостойкости является максимальная температура нагрева, при которой сохраняется мартенситная структура (температура точки плавления) и свойственные ей высокие твердость и износостойкость.

Основные марки инструментальных материалов.

1. Углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью до 200ºС (максимально – 400ºС).

2. Быстрорежущие (высоколегированные) стали с теплостойкостью до 600–640ºС.

3. Твердые сплавы (металлокерамика) с теплостойкостью до 800–1000ºС (максимально 1240ºС).

4. Минералокерамика с теплостойкостью до 1200ºС.

5. Сверхтвердые материалы (натуральные и синтетические сверхтвердые материалы – алмазы) с теплостойкостью более 1200ºС.

Рассмотрим подробнее основные марки инструментальных материалов.

4.8.1. Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–74)

Эти стали маркируют буквой У и цифрой, означающей содержание углерода в десятых долях процента. Это стали У8, У8А, У10, У10А, У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А. Например, У10 содержит 1 % С т. е. это высокоуглеродистая сталь, содержащая в своем составе значительное количество карбида железа Fe3C, что определяет высокую твердость и износостойкость инструментального материала. Вместе с тем такие инструменты характеризуются низкой теплостойкостью – 200–250ºС, максимально – 450ºС.

Стали применяют для изготовления режущего инструмента небольшого сечения. Для этой цели применяют заэвтектоидные стали после закалки и низкого отпуска.

Фрезы, зенкеры, сверла, шаберы изготавливают из сталей У10–У13. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки, топоры – из сталей У7 и У8, обладающих большей динамической прочностью.

Углеродистые инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (Н В1700–1800 МПа) и хорошо обрабатываются резанием. После закалки и низкого отпуска они приобретают высокую твердость (HRC62–63) и износостойкость.

Углеродистые инструментальные стали в основном используются для работы в циклическом режиме (ножовочные полотна, строгальные инструменты), а также в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190–200 °C.

4.8.2. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), до 600–640 °C (максимально 880 °C). Чем выше скорость резания, тем выше температура резания. Ввиду высокой красностойкости эти стали могут работать с высокими скоростями резания, отчего и получили свое название.

Красностойкость быстрорежущих сталей создается легированием карбидообразующими элементами (вольфрам, ванадий и др.) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды. Вольфрам (самый теплостойкий металл с температурой плавления 4000 °C) и молибден в присутствии хрома связывают углерод в труднокоагулируемый при отпуске карбид и задерживают распад мартенсита. Выделение дисперсных карбидов при отпуске при температуре 500–600 °C вызывает дисперсионное твердение мартенсита (вторичная твердость отпуска). Увеличению теплостойкости способствует также кобальт. Он не образует карбидов, но повышает энергию межатомных связей и тем самым затрудняет коагуляцию карбидов, увеличивая их дисперсность.

Быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапид – скорость), далее ставится цифра которая указывает % содержания вольфрама в сплаве.

Стали Р18, Р9, Р9Ф5, Р6МЗ, Р6М5 – стали нормальной производительности, сохраняют твердость не ниже HRC 58 при нагреве до температуры 620 °C.

Стали Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2 – стали повышенной производительности, превосходят стали первой группы по теплостойкости (630–640 °C), твердости (HRQ64) и износостойкости, не уступают им по прочности и пластичности.

4.8.3. Твердые сплавы

ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ называют износостойкие и весьма твердые металлические материалы, содержащие в структуре большое количество карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, железа. Этим карбидам свойственна высокая твердость в равновесном состоянии. Сами по себе карбиды не могут образовать прочных компактных изделий ввиду их хрупкости, поэтому для их связки используют кобальт, никель, железо.

Твердые сплавы изготовляют методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком кобальта, выполняющего роль связки, прессуют в прессформах, придавая изделию готовую форму и размеры, полученные брикеты спекают при температуре 1400–1550 °C. Порошки карбидов образуют твердый режущий скелет. Твердые сплавы изготавливают в виде пластин, которыми оснащают режущий инструмент. Такие инструменты сочетают высокие твердость HRA 85–92 (HRC 74–76), износостойкость и теплостойкость (800–1000 °C, максимально 1240 °C). Их применяют для резания с высокими скоростями.

Твердые сплавы разделяются на три группы. Первую группу составляют сплавы системы «карбид вольфрама – кобальт» WC–Co (BK). Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание кобальта в процентах. В отличие от других групп они отличаются наибольшей прочностью, но более низкой твердостью. Теплостойки до температуры 800 °C.

Вторую группу образуют сплавы системы «карбид титана – карбид вольфрама – кобальт» TiC – WC–Co (ВТК). Они маркируются буквами ТК и цифрами, показывающими содержание карбида титана и кобальта в процентах. Наиболее типичный представитель сплавов этой группы сплав Т15К6 (15 % TiC, 6 % Со, остальное WC). Сплав обладает большей твердостью, но менее пластичен. Твердость сплава HRA 92–87.

В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза (при спекании) – твердый раствор (TiW)С который придает ему наиболее высокие режущие свойства и теплостойкость (900–1000 °C).

Третью группу образуют сплавы системы «карбид титана – карбид тантала – карбид вольфрама – кобальт» TiC – TaC – WC–Co. Обозначают буквами ТТ и цифрой, обозначающей суммарное содержание карбидов (TiC+TaC), а после буквы К – количество кобальта в процентах (ТТ 10К8).

Структура карбидной основы представляет собой твердый раствор (Ti, Та, W)C и избыток WC. Отличаются большой прочностью и лучшей сопротивляемостью ударам.

Химический состав и свойства некоторых марок металло-керамических твердых сплавов приведены в таблице 4.1. Из таблицы видно, что с увеличением содержания кобальта прочность сплавов возрастает, а твердость и износостойкость уменьшаются, соответственно и определяется область использования различных марок сплавов. Сплавы марок ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК4В, ВК6, ВК6М, ВК60М, ВК6В, ВК8, ВК10, ВК10М, все сплавы титано-вольфрамовой и титано-тантало-вольфрамовой групп используются для обработки резанием металлов, пластмасс, камня; сплав ВК15 – для режущих инструментов по дереву

Для армирования горного инструмента используют сплавы марок ВК6, ВК6В, ВК4В, ВК8, ВК8ВК, ВК11ВК, ВК11В, BK15. Из сплавов марок ВК6, ВК8, ВК15 изготовляют также фильеры и матрицы для волочения и прессования (выдавливания); сплавы ВК6 и ВК8 используют и при изготовлении деталей измерительных инструментов и приборов, работающих на износ.

Для изготовления штампов используют сплавы марок ВК15, ВК20, ВК25, ВК10КС, ВК20К, ВК20КС.

Укажем в дополнение, что буква М обозначает мелкозернистую структуру и поэтому более высокую износоустойчивость в сравнении с теми же марками нормальной зернистости; буквы В или КС в конце маркировки определяют более высокую эксплуатационную прочность и сопротивление ударным вибрациям и выкрашиванию за счет крупнозернистой структуры; износоустойчивость таких сплавов ниже в сравнении с теми же марками нормальной зернистости; буква О указывает на содержание 2 % карбида тантала, что несколько увеличивает твердость и износостойкость сплава.

Таблица 4.1

Химический состав и свойства некоторых марок металлокерамических твердых сплавов

Ниже приведена более конкретно область применения для некоторых марок твердых сплавов.

ВК3 – чистое и тонкое точение с малыми сечениями среза и другая аналогичная обработка серого чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов; резка листового стекла.

ВК3М – чистовая обработка твердых, легированных и отбеленных чугунов, нецементированной и закаленной стали, неметаллических материалов, вызывающих абразивный износ инструмента.

BK6 – черновое и получистовое точение серого чугуна, цветных металлов и сплавов; сухое волочение проволоки из стали, цветных металлов; подверженные нагрузкам на износ детали приборов, машин и измерительных инструментов, работающие без удара.

ВK10M – сверление, зенкерование, развертывание, фрезерование стали, чугуна и труднообрабатываемых сплавов на основе титана, вольфрама и молибдена; изготовление мелких цельнотвердосплавных инструментов (сверл, фрез).

ВК20 – штамповка, высадка, обрезка углеродистых сталей при ударных нагрузках средней и высокой интенсивности.

ВК10КС – штамповка, вытяжка легированной стали при ударных нагрузках малой интенсивности.

Т30К4 – чистовое точение с малыми сечениями среза, развертывание и нарезание резьбы незакаленной и закаленной стали.

Т5К10 – черновое точение при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгание, фрезерование прерывистых поверхностей поковок и отливок из углеродистой и легированной стали по корке и окалине.