Твердые сплавы для оснащения режущего инструмента получают методами порошковой металлургии в виде пластин или тел разной формы. Основными компонентами таких сплавов являются карбиды вольфрама (WC), титана (TiС), тантала (TaС) и ниобия (NbС); нитриды и карбонитриды титана (ТiN, TiCN), мельчайшие твердые частицы которых соединены с помощью сравнительно мягких и менее тугоплавких связок, в состав которых входят кобальт или никель в смеси с молибденом. Как вредная примесь – может находиться свободный углерод.

Твердые сплавы являются основным современным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопродуктивную обработку материалов резанием. Сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяемого в механообрабатывающем производстве, составляет до 30%, причем этими инструментами снимается до 65% стружки, так как скорость резания, применяемая при обработке твердосплавными инструментами, в 2–5 раз выше, чем у быстрорежущих инструментов.

Твердые сплавы по составу можно разделить на четыре группы: вольфрамо-кобальтовые (WC–Co), титано-вольфрамо-кобальтовые (WC–TiC–Co), титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые (WC–TiC–TaC–Co), безвольфрамовые или титановые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

Твердые сплавы как инструментальные материалы обладают рядом ценных свойств, основными из которых является высокая твердость (HRА 82–92), сохраняемая до критической температуры теплостойкости 700–1100°С, большое значение модуля упругости

(500–700 ГПа) и предела прочности при сжатии (до 6000 МПа). Относительно невысокая прочность на изгиб (1000–2500 МПа) и ударная вязкость не являются лимитирующими, т.к. твердые сплавы способны достаточно эффективно воспринимать нагрузки, возникающие при резании.

Вольфрамо-кобальтовые сплавы (группа ВК) в структуре являют собой свободные зерна карбида вольфрама (WC), которые находятся в связке – твердом растворе вольфрама и углерода в кобальте (Со). Сплавы этой группы различаются содержанием в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама и технологией изготовления. Для оснащения режущего инструмента применяют сплавы с содержанием кобальта 3–10%.

Традиционно применяется система обозначений марок всех типов сплавов по процентному составу основных компонентов (табл. 2.3).

В условном обозначении однокарбидных сплавов цифра показывает процентное содержание кобальтовой связки. Например, обозначение ВК6 показывает, что твердый сплав имеет 6% кобальта, а остальные 94% – карбиды вольфрама. При увеличении в сплавах содержания кобальта предел прочности, ударная вязкость и пластичность возрастают, в то время как твердость и модуль упругости уменьшаются. С ростом содержания кобальта повышаются теплопроводность сплавов и их коэффициент термического расширения.

Из всех существующих твердых сплавов сплавы группы ВК при одинаковом содержании кобальта обладают более высокими ударной вязкостью и пределом прочности на изгиб, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако стойкость этих сплавов к окислению и коррозии значительно ниже, кроме того, они обладают большей склонностью к схватыванию со стружкой при обработке резанием.

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства сплавов в значительной мере определяются средним размером зерен карбида вольфрама (WC). Разработанные технологические приемы позволяют получать твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрометра до 10–15 мкм.

Сплавы с размерами карбидов от 3 до 5 мкм относятся к крупнозернистым и обозначаются буквой В (например, ВК8-В), а с размерами карбидов от 0,5 до 1,5 мкм – буквой М (мелкозернистые – ВК6-М). Когда же 70% зерен имеют размеры менее 1,0 мкм – ОМ (особо мелкозернистые – ВК6-ОМ). Сплавы с меньшим размером карбидной фазы более износостойкие и теплостойкие, а также позволяют затачивать более острое режущее лезвие (с ρ = 1,0–2,0 мкм).

Физико-механические свойства сплавов определяют их режущую способность в различных условиях эксплуатации. Так, сплав ВК3 с минимальным содержанием кобальта как наиболее износостойкий, но наименее прочный рекомендуется для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, но с малыми подачей и глубиной резания; а сплавы ВК8, ВК10-М и ВК10-ОМ – для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным сечением срезаемого слоя в условиях ударных нагрузок.

Титано-вольфрамо-кобальтовые сплавы (ТК) состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбида вольфрама WC в карбиде титана TiC, свободного карбида вольфрама (WC) и связки – кобальта. Предназначены они главным образом для инструментов, обрабатывающих резанием материалы, которые дают сливную стружку (преимущественно – сталей). По сравнению со сплавами группы ВК они имеют большую стойкость против окисления, твердость и жаропрочность, но в то же время меньшую теплопроводность и электропроводность, а также модуль упругости.

Способность сплавов группы ТК больше сопротивляться изнашиванию под воздействием скользящей стружки объясняется также и тем, что температура адгезионного схватывания со сталью у сплавов этого типа выше, чем у сплавов группы ВК, что позволяет применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повышать стойкость инструмента.

Так же как у сплавов на основе WC–Co, у сплавов типа ТК предел прочности на изгиб и сжатие и ударная вязкость увеличиваются с ростом содержания кобальта (табл. 2.4).

Теплопроводность сплавов группы ТК существенно ниже, а коэффициент линейного термического расширения выше, чем у сплавов группы ВК. Соответственно меняются и режущие свойства сплавов: при увеличении содержания кобальта снижается износостойкость при резании, а при увеличении содержания карбида титана снижается прочность. Поэтому такие сплавы, как Т30К4 и Т15К6, применяют для чистовой и получистовой обработки стали с высокой скоростью резания и малыми нагрузками на инструмент. В то же время сплавы Т5К10 и Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Путем совершенствования существующих технологий получены высокопрочные сплавы, применяемые для обработки сталей| со значительными ударными нагрузками (например, Т4К8-КС для замены стандартного сплава Т5К10).

Промышленные титано-тантало-вольфрамо-кобальтовые твердые сплавы (ТТК) группы WC–TiC–TaC–Co состоят из трех основных фаз: твердого раствора карбидов тантала TаC, ниобия NbC и вольфрама WC в карбиде титана TiC, свободного карбида вольфрама (WC) и связки на основе кобальта.

Введение в сплавы добавок карбида тантала улучшает их физико-механические| и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности на изгиб и твердости при комнатной и повышенной температурах. Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его стойкость, особенно благодаря меньшей склонности к лункообразованию| и разрушению под действием термоциклических и усталостных нагрузок (табл. 2.5). Поэтому танталосодержащие| сплавы рекомендуются главным образом для тяжелых условий резания, когда на режущую кромку инструмента действуют значительные силовые и температурные нагрузки, а также для прерывистого резания, особенно фрезерования.

Наиболее прочным сплавом, которым оснащается инструмент для обработки стали в особенно неблагоприятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование), является сплав ТТ7К12. Применение его вместо быстрорежущей стали позволяет повысить скорость резания в 1,5–2,0 раза.

Для операций фрезерования применяются сплавы ТТ20К9 (обработка стали) и ТТ8К6 (обработка чугуна). Последний также используется для чистовой и получистовой обработки труднообрабатываемых материалов.

В связи с дефицитностью вольфрама и кобальта промышленность многих стран начала производство безвольфрамовых (титановых) твердых сплавов (БВТС) на основе карбидов (TiС) и карбонитридов титана (TiCN) с никель-молибденовой связкой (табл. 2.6). Обозначение марок этих сплавов – условное и никакой информации о химическом составе не несет.

БВТС отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низкий коэффициент трения по стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, что уменьшает изнашивание инструмента и позволяет получить меньшую шероховатость обработанной поверхности. В то же время титановые сплавы имеют меньшие модуль упругости, теплопроводность и ударную вязкость, потому они хуже сопротивляются ударной и тепловой нагрузке, а также отличаются пониженной теплостойкостью по сравнению со сплавом Т15К6.

Эффективно применение БВТС в виде сменных многогранных пластин, т.к. при напайке и заточке из-за низкой теплопроводности и большого коэффициента линейного расширения возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин, снижающих их эксплуатационную стойкость.

В последнее время появились еще более прочные марки БВТС: ТНМ25, ТНМ30, КНТ20, КНТ30. Их предел прочности на изгиб R_bm соответственно равняется 1280 МПа, 1370 МПа, 1550 МПа и 1700МПа.

Твердые сплавы на основе WC–Co рекомендуют для обработки серых, модифицированных и отбеленных чугунов, цветных металлов и их сплавов, стеклопластиков и других подобных материалов, дающих короткую сыпучую стружку (стружку надлома). Имея высокую прочность, сплавы WC–Co лучше сопротивляются переменной (ударной) нагрузке.

Сплавы типа ВК рекомендуются также для обработки труднообрабатываемых высокопрочных и жаропрочных материалов, особенно сплавов на основе никеля и титана, которые обладают высокой прочностью и значительным сопротивлением ползучести при высоких температурах, а также низкой теплопроводностью. При обработке резанием таких материалов на поверхности контакта инструмент–заготовка возникают очень высокие температуры и напряжения, происходят схватывание и последующий отрыв частиц твердого сплава. Лучшую стойкость в этих условиях показывают особомелкозернистые высококобальтовые сплавы.

Твердые сплавы на основе WC–TiC–Co рекомендуют в случае обработки стали при высоких скоростях резания, когда образуется сливная стружка. В этом случае изнашивание инструмента имеет природу диффузионного растворения составляющих инструментального материала в обрабатываемом. Твердый раствор карбида вольфрама в карбиде титана растворяется в стали при более высокой температуре и намного медленнее, чем свободный карбид вольфрама.

При диффузионном механизме изнашивания его скорость, определяемая скоростью растворения карбидных зерен в стали, в большей степени зависит от химических свойств сплава, чем от его твердости, связанной с зернистостью. В таких условиях значительно большей стойкостью обладают безвольфрамовые сплавы, основой которых является карбид или карбонитрид титана. Они взаимодействуют со сталью менее интенсивно, чем сложный карбид WC–TiC.

Твердые сплавы на основе WC–TiC–TaC–Co рекомендуют при прерывистом резании, например, фрезеровании, когда поверхности лезвия инструмента работают в условиях знакопеременных термоциклических напряжений. Поэтому для оснащения фрезерного, строгального инструмента применяют трехкарбидные твердые сплавы, наименее чувствительные к термической усталости и динамическим циклическим нагрузкам.

Современные марки твердых сплавов, выпускаемые ведущими отечественными и международными фирмами, имеют коммерческие названия и обязательно классифицируются по области их применения. Для этого обычно используют рекомендации международной организации стандартов ISO, которые предусматривают их использование для групп обрабатываемых материалов с учетом типа образуемой стружки, типа обработки (чистовая, получистовая, легкая черновая и черновая); условий обработки (хорошие, нормальные и тяжелые); а также видов обработки (точение, растачивание, фрезерование и др.). Твердые сплавы по ISO 513: 2004 подразделяются на шесть основных групп:

· в группу Р (обозначаются синими цветом) входят сплавы для обработки конструкционных углеродистых, легированных и инструментальных сталей| и стального литья, при обработке которых получается сплошная (сливная) стружка;

· в группу М (желтый цвет) входят сплавы для обработки ферритных, мартенситных, аустенитных нержавеющих, марганцовистых высоколегированных сталей, легированных чугунов, при обработке которых получают как стружку надлома (элементную), так и сплошную (сливную);

· в группу К (красный цвет) входят сплавы для обработки ковких и серых чугунов, при обработке которых получают стружку надлома и элементную;

· в группу N (зеленый цвет) входят материалы для обработки цветных металлов и сплавов, неметаллов и пластмасс;

· в группу S (оранжевый цвет) входят материалы для обработки жаропрочных сплавов на основе железа, никеля, кобальта и титана;

· в группу H (серый цвет) входят материалы для обработки твердых (закаленных) материалов и сплавов.

Каждая группа применения делится на подгруппы, причем с увеличением индекса подгруппы от 01 до 50 условия обработки становятся более жесткими, начиная от чистового резания и заканчивая черновым с ударами. Чем выше индекс подгруппы применения, тем ниже будет износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания; но выше прочность (ударная вязкость), допустимая подача и глубина резания.

Скорость резания, непрерывность обработки, жесткость системы СПИЗ, способ получения заготовки (состояние обрабатываемой поверхности) позволяют определить условия обработки и сформулировать требования к основным свойствам твердого сплава. Условия обработки могут быть хорошими, нормальными и тяжелыми.

Хорошие. Высокие скорости. Непрерывное резание. Предварительно обработанные заготовки. Высокая жесткость технологической системы СПИЗ. Требования к твердому сплаву – высокая износостойкость.

Нормальные. Умеренные скорости резания. Контурное точение. Поковки и отливки. Достаточно жесткая система СПИЗ. Требования к твердому сплаву – хорошая прочность в сочетании с достаточно высокой износостойкостью.

Тяжелые. Невысокие скорости. Прерывистое резание. Толстая корка на литье или поковках. Нежесткая система СПИЗ. Требования к твердому сплаву – высокая прочность.

Кроме подгрупп применения определяется тип обработки (чистовое, получистовое, получерновое и черновое), что позволяет ориентироваться в величинах глубины резания и подачи (табл. 2.7).