Изделия из твердого сплава

Содержание

Описание твердых сплавов: виды, состав, применение

По мере развития технологических процессов обработки стальных заготовок (особенно изготовленных из высокопрочных марок) эксплуатационные показатели инструментальных сталей перестали удовлетворять требованиям производства. Со временем альтернатива была найдена в использовании инструмента из метало- или минералокерамических композиций, которые получили единое название – твердые сплавы.

  • Классификация твердых сплавов
  • Классификация и производство материала
  • Примеры маркировки
  • Применение и продукция из твердых сплавов

Несмотря на некоторые ограничения, например, повышенную чувствительность к ударным нагрузкам, такие материалы находят всё возрастающее применение в качестве деталей металлорежущей и штамповой оснастки.

Применение твердых сплавов для изготовления режущего инструмента

Твердые металлокерамические сплавы широко используются для производства специальных инструментов, предназначенных для механической обработки деталей из металлов и композитов методом резания. Главная функция такого инструмента заключается в отделении слоя материала (припуска) от обрабатываемой детали или заготовки с образованием стружки или опилок. Высокой твердостью, прочностью и износостойкостью сплавов определяется эффективность и точность инструмента, его функциональность, производительность, стойкость (время непрерывной работы), а также надежность производственного процесса в целом.

Характеристики, разновидности и сфера применения износостойкой стали

Титановольфрамосодержащий сплавВольфрамосодержащий сплавтвердый сплав

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.

применение твердых сплавовЖаропрочный металл

Твердые сплавы

Металлы, отличающиеся повышенной твёрдостью и износостойкостью – это твердые сплавы. Изготавливаются, как правило, из карбидов металлов (титана, хрома, вольфрама и прочих), что делает их особенно стойкими к высоким температурам и механическим воздействиям. Такие сплавы невероятно прочные, а потому, пригодные для различных производств.

резцы из твердых сплавов

Конструкция твердосплавных пластин и их применение

Сменная пластина из твердого сплава — инструмент, который напаивается на резец для проведения механической обработки заготовок. Такие пластины имеют разную геометрию, размеры и производятся из различных материалов. Изделия используются для работы на токарных, фрезерных и сверлильных станках с ЧПУ.

Пластины твердосплавные сменные необходимы:

  1. для обработки поверхностей заготовок;
  2. нарезки внутренних и наружных резьб;
  3. расточки внутренних поверхностей;
  4. развертки;
  5. раскроя стекла и цветных металлов;
  6. выборки канавок, выемок и пазов.

rezec-so-smennymi-plastinami.jpg

Резец со сменными пластинами

Использование сменных твердосплавных пластин для резцов повышает производительность оборудования, увеличивает скорость проведения операций, гарантирует предсказуемость и высокую точность результата. Резцы со сменными пластинами допускается использовать на высокой скорости, обрабатывать ими твердые материалы и не тратить время на замену режущей части и подточку кромок.

Подробнее о производстве твердосплавных пластин вы можете узнать в этой статье.

Производство

Исходным сырьем для производства вольфрамо-кобальтовой твердосплавной смеси служат порошок монокарбида вольфрама (WC) и кобальтовый порошок (Co). Данные компоненты смешивают между собой, в результате чего получается твердый сплав в порошкообразной форме. Для продукции марок ТК, ТТК дополнительно используются порошки монокарбидов титана (TiC) и тантала (TaC).

Размеры частиц, насыпная плотность, состояние поставки, механические свойства полуфабрикатов регламентируются стандартом ТУ 48-19-60-78.

Характеристика

Помимо прочности и износостойкости к полезным свойствам данных материалов можно отнести тугоплавкость. При нагреве до 900 – 1150°C твердый сплав сохраняет все свои качества.

Существует специальная маркировка, которая указывает свойства и характеристики сплава. В основе принципа маркирования – буквы, указывающие на наличие того или иного металла и цифры, показывающие его количество в %. Необходимо точно понимать их значение, так как от данных показателей зависит пригодность материала для проведения необходимых работ.

Металлорежущие инструменты

Металлорежущий инструмент классифицируется по конструктивным признакам и производственно-технологическим особенностям. По конструкции условно различают режущий инструмент двух типов: монолитный и со сменными режущими элементами. Монолитный инструмент целиком изготавливается из твердого сплава, быстрорежущей стали (HSS – high-speed steel), или в комбинированном варианте: с твердосплавными вставками в тело из инструментальной стали. Конструкция инструмента со сменными элементами характеризуется наличием двух механически соединяемых частей: тела и концевой режущей пластины из твердосплавного материала.

По производственно-технологическим особенностям металлорежущий инструмент различается количеством рабочих режущих поверхностей (кромок, граней), для изготовления которых, наряду с другими материалами, широко применяются твердые сплавы разных марок. Самым распространенным и наиболее известным металлорежущим инструментом с одной режущей кромкой на твердосплавной напайке или пластине является классический токарный резец. К инструментам с двумя и более режущими гранями относят все типы фрез, сверел и т.п.

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.

Популярные марки твердых сплавов и инструментальные материалы

  • металлокерамика – твердосплавные вольфрамо-кобальтовые сплавы (марки ВК6, ВК8, ВК10 и др.), вольфрамо-титановые сплавы (марки Т5К10, T15K6, Т14К8 и др.), титано-тантало-вольфрамовые сплавы (марки ТТ7К12, ТТ20К9 и др.);
  • минералокерамика (изготавливается на базе корунда – кристаллического минерала из оксида алюминия AL2O3 (распространенные марки: Р18, Р6М5, Р18К5Ф2))
  • быстрорежущая сталь ГОСТ 19265–73 (отличается большим содержанием вольфрама (до 18%) и присутствием в составе целого ряда дополнительных компонентов, таких как хром (до 4,5%), молибден, кобальт, ванадий, углерод и т.д.);
  • углеродистая инструментальная сталь ГОСТ 1435–74 (содержит 0,65 – 1,3% углерода, марки стали обозначаются буквой «У», например У7, У8, У9 и т.п.);
  • легированная инструментальная сталь ГОСТ 5950–73 (содержит столько же углерода, как и углеродистая сталь, но в ее состав дополнительно вводятся легирующие добавки хрома, ванадия, вольфрама (распространенные марки: 9ХС, ХВГ, ХВ5))
  • кубический нитрид бора (или боразон – от названий базовых компонентов химического состава: бор (44%) и азот (56%));
  • алмаз поликристаллический (сверхтвердый композит из частиц природных или синтетических алмазов со связкой из тугоплавких металлов).

Как припаять твердосплавную пластину к резцу в домашних условиях

Припаиваем твердосплавную деталь к державке из стали Р18

Фотография № 6: Припаиваем твердосплавную деталь к державке из стали Р18

Изготовление режущего инструмента с припайкой твердосплавных пластин возможно в бытовых условиях. Для этих целей используют аргоново-дуговую сварку. Ниже описан способ припайки элемента на болванку из стали Р18. Для работы понадобится аргоново-дуговой аппарат, действующий в режиме постоянного тока, бура и латунный присадочный элемент (проволока).

Насыпаем на державку буру

Фотография № 7: Насыпаем на державку буру

Перед припайкой поверхности обезжиривают, на место будущего соединения насыпают флюс и выставляют твердосплавную пластину. На скрепление деталей требуется 15–20 секунд.

Готовая деталь до очистки

Фотография № 8: Готовая деталь до очистки

Затем деталь очищают металлической щеткой и оставляют закаляться на открытом воздухе.

Применение

Смеси ВК, ТК, ТТК служат исходным сырьем для производства твердых сплавов, поставляемых в виде штабиков и пластин. Например, порошок ВК8 идет на изготовление одноименного твердого сплава.

Для получения описанных выше полуфабрикатов используются методы порошковой металлургии. Базовая технологическая цепочка выглядит следующим образом: формовка -> прессование -> спекание.

Твердые сплавы группы ВК активно используются при изготовлении бурового и режущего инструмента. Из марок ВК8, ВК6 производят резцы, сверла, фрезы и другие инструменты, предназначенные для механической обработки заготовок. Пластины твердосплавные ВК8, ВК6 также нашли применение в промышленности.

Материалы, относящиеся к группам ТК, ТТК, в основном, идут на изготовление режущего инструмента, применяемого для различных этапов механической обработки изделий (черновое, получистовое, чистовое точение, фрезерование, зенкерование и т.д.).

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Примеры маркировки

Свойства твёрдых сплавов определяются исключительно их составом, который устанавливается маркировкой материала. Для сплавов, которые производятся соответственно техническим требованиям ГОСТ 3882-74, принята следующая маркировка продукции:

  • Вольфрамо-кобальтовые: буквы ВК в начале условгного обозначения, после которых указывается процент кобальта;
  • Титано-вольфрамовые: буква Т, процент карбида титана, далее буква К и процент кобальта;
  • Титано-тантало-вольфрамовые: буквы ТТ, далее – число, указывающее на суммарный процент карбидов титана и тантала, буква К и процент содержания кобальта;
  • Маркировка безвольфрамовых сплавов (ГОСТ 26530-85):
  • Содержащих только карбид титана: буквы ТН (Н отмечает наличие никеля и ниобия), после чего указывается процентное содержание карбида;
  • Содержащих карбонитриды титана: буквы КНТ и число, которое определяет суммарное количество прочих компонентов.

Условные цифровые обозначения продуктов ТМ определяются маркой материала, которая приводится в соответствующих ТУ.

В качестве дополнительной информации после основного обозначения сплава при необходимости указываются буквы КС, М или ОМ (крупно- и мелкозернистые или особо мелкозернистые). Их наличие свидетельствует о повышенных, против обычного, показателях пластичности и ударной вязкости.

Свойства

Основные свойства твёрдых сплавов: твердость; жаростойкость; прочность; износостойкость;

Однако, стоит понимать, что данные характеристики зависят от соотношения элементов, из которых изготовлен сплав. Так, например, материалы, в названии которых используется сочетание букв «BK» напрямую зависимы от размера от карбида вольфрама. При уменьшении зерна карбида, сплав становится более твёрдым. При этом, велика вероятность уменьшения его прочности. При увеличении зерна происходит обратный процесс – прочность увеличивается, но сплав получается менее твёрдый. Поэтому при закупке данного материала важно понимать значение маркировок, так они напрямую говорят о его свойствах.

Титаносодержащие сплавы более твердые и жаростойкие. Температура их плавления выходит за пределы 1200°C. Кроме того, они меньше подвержены окислению. Из недостатков можно отметить худшую теплопроводность, по сравнению с материалами группы «BK», а также слабую прочность при изгибаниях.Однако эта проблема решается добавлением в состав карбида тантала – сплавы, маркированные как «TTK» гораздо более прочны при работе.

Активному использованию в различных производствах способствует также и тот факт, что твердые металлы, как ни странно, весьма пластичны. Поэтому работать с ними можно как при высоких, так и при низких температурах. Однако, резать, гнуть и проводить прочую механическую работу следует с большой осторожностью в связи с большой ломкостью и слабой прочностью при изгибах. При обработке материала необходимо знать его плотность, так как от этого зависит его прочность. Так, например плотность вольфрамовых сплавов варьируется от 14 до 15 г/см³; титаносодержащих – от 9 до 13,5 г/см³; материала с примесью тантала – от 12 до 13,6г/см³.

От всех перечисленных свойств зависит, где и каким образом могут применяться твердые сплавы.

Примеры маркировки твердых сплавов

По принципу маркировки твердые сплавы делят согласно химическому составу:

  1. ВК – в составе карбид вольфрама и кобальт. Цифра означает содержание кобальта в процентах. Например это сплав ВК8, ВК10, ВК6
  2. ТК. Титаносодержащие сплавы, содержащие карбид титана, карбид вольфрама, кобальт. Обозначение буквами ТК. Цифра после буквы Т означает содержание карбида титана в процентах, а после буквы К – процент содержания кобальта. Это сплавы Т5К10, Т14К8, Т15К6, ТЗ0К4
  3. ТТК. Титано-тантало-вольфрамовые. Сплав включает в себя сразу три металла: титан, вольфрам и тантал и кобальт. Маркируется буквами ТТК. Цифра после ТТ, например «7» указывает на содержание карбидов титана и тантала, цифра после “К” , например «12» – процент кобальта. Марки ТТ7К12, ТТ20К9;
  4. ТН. Безвольфрамовые. ТНМ20, ТНМ25, ТНМ30.

Достоинства / недостатки

    Достоинства:
  • обладают высокой твердостью и износостойкостью;
  • имеет достаточно высокие прочностные характеристики;
  • имеют хорошие показатели жаропрочности и жаростойкости;
  • являются тугоплавкими материалами.
    Недостатки:
  • карбид вольфрама, являющийся основой большинства твердых сплавов, имеет высокую стоимость;
  • по сравнению с быстрорежущими сталями имеют меньшую вязкость и достаточно чувствительны к ударным нагрузкам.

Требования к твердосплавным пластинам

Требования ко всем типам сменных пластин перечислены в государственных стандартах.

  1. ГОСТ 19086-80 описывает характеристики опорных и режущих пластин, а также стружколомов.
  2. ГОСТ 19042-80 перечисляет требования к форме и системе обозначений сменных пластин из твердосплавных материалов.
  3. ГОСТ 25395-90 регулирует производство твердосплавных пластин, которые фиксируют на державке резца методом напайки.

Краткое сравнение твердых сплавов с другими инструментальными материалами

В сравнении с другими инструментальными материалами твердые сплавы выигрывают по целому ряду характеристик. Если теплостойкость сплавов марок ВК6 и ВК8 находится в диапазоне 800-1000 °С, обеспечивая инструменту высокую скорость резания, то например, у быстрорежущей стали с умеренной теплостойкостью этот параметр не превышает 630 °С, с повышенной – 650 °С, а с высокой теплостойкостью – 730 °С.

По теплопроводности твердые сплавы (84 Вт/м·°С) уступают только алмазам (142 Вт/м·°С), и значительно превосходят по этому параметру углеродистую сталь (38 Вт/м·°С) и быстрорежущую сталь (25 Вт/м·°С), а как известно, чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждается режущая кромка инструмента, тем он эффективнее работает и дольше служит.

По твердости сплавы марок ВК6 и ВК8 сопоставимы с минералокерамикой (у обоих материалов около 2000 кгс/мм), но превосходят максимальные значения этого параметра у быстрорежущих сталей (1400 кгс/мм), углеродистых сталей (800 кгс/мм), уступая только сверхтвердым материалам и алмазам, но зато не оставляют им шансов по пределу прочности на изгиб.

Области применения

Использование материала давно вышло широко за изготовление инструмента, хотя это и остается основным направлением работы с твердосплавными заготовками. Объясним почему – при резании или ином процессе металлообработки выделяется много тепла, которое пагубно воздействует на режущую кромку. В данном случае это влияние фактически незаметно из-за жаропрочности.

свойства твердых сплавов

Также нужно учитывать повышенную прочность – инструментальный набор долгое время сохранит свою целостность, останется без сколов и пр. Поэтому ниже перечислим более конкретно те области, в которых происходит производство.

Металлорежущий инструмент

Здесь все просто – изготавливают сверла, фрезы, резцы, развертки, метчики различных диаметров, с разным количеством заходов, углом режущей кромки и пр.

твердосплавные материалы

Использование относительно конкретной заготовки обычно определяется маркировкой – одни предназначены для металлообработки одного материала, другие – второго.

Отдельные детали измерителей

Это различные циркули, штангенциркули, с помощью которых можно произвести очень точные измерения. Чем прочнее сталь, из которой они изготавливаются, тем более точных можно добиться результатов, потому что в ходе использования будет минимальный естественный износ.

Клейма, штампы

Во время горячей или холодной штамповки применяются пуансоны и матрицы, которые под воздействием давления должны изогнуть заготовку. Конечно, важно, чтобы они были более прочными, чем заготовка. В этом смысле твердые сплавы – отличный вариант.

Комплектующие для вырубки в металле

Художественная резка, а также объемная штамповка часто использует специальные острые режущие кромки, которые при нажатии врезаются в листовую сталь и вырезают часть.

Элементы станков для волочения и проката

Это могут быть валы, профили и направляющие. А также прижимные балки.

Оснащение для горнодобывающей техники

Горные породы зачастую такие же твердые, как и металлы.

твердые сплавы их свойства и применение

Сравним алмаз – прочнее его сложно найти материал естественного происхождения. Поэтому при бурении, сверлении и других процедурах применяют данные инструменты.

Части подшипников

Применение вещества увеличивает износостойкость узлов.

Напыление на стальные корпуса

Даже тонкий слой способствует улучшению механических характеристик.

Оборудование для рудообогатительных заводов

Это первичная переработка полезных ископаемых. Во время процесса также требуются ножи с повышенными прочностными свойствами.

В статье мы рассказали про свойства твердых сплавов и особенности их изготовления, применения. Посмотрим видео для того, чтобы более подробно разобраться в теме:

Чтобы уточнить интересующую вас информацию и приобрести ленточнопильные станки российского производства по металлу, свяжитесь с менеджерами по телефонам 8 (908) 135-59-82;;. Они ответят на все ваши вопросы.

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.

Выбор режущей пластины при обработке различных металлов

Выбирать твердосплавную пластину для токарного резца требуется с учетом следующих факторов.

  1. Материал заготовки, которую необходимо обработать.
  2. Вид обработки — черновой съем, чистовой и финишный проход, получистовая обработка.
  3. Размеры, радиус и класс точности пластины. К примеру, для черновой обработки нужно брать пластину с большим радиусом и небольшим классом точности.
  4. Форма и марка пластины, подходящие под имеющийся резец.
  5. Ширина канавки и пластины (для отрезной и канавочной пластин).
  6. Профиль, тип резьбы, правое или левое исполнение, шаг резьбы (для пластин, предназначенных для нарезания резьбы).

rezec-s-meh-krepleniem.jpg

Резец с механическим креплением

Для резцов некоторых производителей подходят только оригинальные твердосплавные пластины. В частности это касается отрезных и фрезерных изделий, а также пластин для сверл. Оснастка для точения чаще всего универсальная и совместима с державками разных брендов.

Какие свойства придают твердые сплавы режущему инструменту

Совсем недавно наибольшее применение при производстве режущего инструмента имели инструментальные стали, но сегодня на лидирующие позиции постепенно выходит твердосплавный сплав кобальта (Co) и карбида вольфрама (WC) марок ВК6 и ВК8. Эти марки имеют в своем составе оптимальное количество кобальта: 6% и 8% соответственно. Это делает режущий инструмент не слишком хрупким, как например, из сплава марок ВК3 и ВК4, и достаточно твердым. Благодаря этой особенности, режущий инструмент из сплава марок ВК6 и ВК8 можно использовать как для черновой, так и для чистовой обработки металлов.

Крупнозернистые сплавы вольфрамовой группы (в отличие от мелко- и сверх-мелкозернистых сплавов) отличаются хорошей износостойкостью, позволяющей обрабатывать одним инструментом большее число деталей на одну режущую кромку, а также повышенной производительностью. Долгий срок службы твердосплавного режущего инструмента позволяет сократить его расход, что вкупе с невысокой ценой конечных изделий делает инструмент экономически выгодным. Вышесказанным объясняется широкая область применения твердосплавного режущего инструмента в современной металлообработке.

Благодаря своим уникальным свойствам твердые сплавы являются практически незаменимыми при производстве режущего инструмента. Инструменты, изготовленные из материалов-аналогов, не дают настолько хороших показателей, как инструменты, изготовленные из твердых сплавов. Одним из основных недостатков таких сплавов является их высокая стоимость, но этот факт не влияет на популярность применения данных материалов в указанной области.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий