Состав и характеристики физико-механических свойств

титанотанталовольфрамовых марок твердых сплавов для резания (ГОСТ 3882-74)

К группе танталосодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (табл. 1.9).

Сплавы марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 - для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 - для обработки чугуна и цвет­ных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерова­ния стали и чугуна соответственно.

Исследования режущих свойств сплавов МС показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повы­шенной стабильностью физико-механических свойств сплавов МС. Поэтому более высокая стоимость (на 40…60%) сплавов МС по сравнению со стан­дартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пласти­нами МС.

Таблица 1.9

Основные свойства сплавов группы «МС» (ТУ 48-19308-80)

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС). В связи с высокой дефи­цитностью основных компонентных составляющих твердого сплава, и прежде всего W и Со, в странах СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономнолегированных безвольфрамовых твердых сплавов.

Перспективным направлением разработки безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) оказалось создание сплавов на основе карбонитрида и кар­бида титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низ­кий коэффициент трения по стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, что уменьшает износ инст­румента по передней поверхности при обработке стали и позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. В то же время безвольфрамовые сплавы имеют более низкий модуль упругости, а следовательно, и сопротивление упругим и пластическим деформациям, чем вольфрамосодержащие, меньшую тепло­проводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, также отличаются пониженной жаропрочностью, т.е. ин­тенсивно разупрочняются при более низких температурах, чем сплавы типа ТК.

Указанные свойства определили и области рационального применения сплавов при обработке материалов резанием: главным образом чистовая и получистовая обработка при точении и фрезеровании углеродистых и легиро­ванных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сече­нием среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Эффективно применение безвольфрамовых сплавов в виде сменных мно­гогранных пластин, так как при напайке и заточке из-за низкой теплопровод­ности возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин на пластинах, а также снижение их эксплуатационной стойкости.

Таблица 1.10 Состав и основные свойства промышленных марок БВТС

Промышленность страны выпускает две стандартные марки безвольф­рамовых сплавов в соответствии с ГОСТ 26530-85 (табл. 1.10). С учетом относительно низких значений теплостойкости и пластической прочности БВТС проведены исследовательские работы по совершенствованию их свойств за счет упрочнения связки или карбонитридной фазы. Результатом таких разработок стало появление новых марок БВТС с улучшенными свойст­вами по хрупкой и пластической прочности.

Примером совершенствования БВТС могут служить сплавы ЛЦК20, карбо-нитридная фаза которых легирована цирконием, сплавы ТВ4, ЦТУ и НТНЗО, связки которых имеют заметно более высокую прочность и теплостойкость за счет легирования соответственно карбидом вольфрама, вольфрамом и карби­дами титана и ниобия. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения. В частно­сти, сплавы ТВ4, НТНЗО рекомендуют для черновой обработки стали при фрезеровании и точении (области применения Р20…РЗО).

Состав и некоторые свойства БВТС повышенной прочности показаны в табл. 1.11.

Таблица 1.11 Состав и свойства БВТС повышенной прочности

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки, включая обраба­тываемый материал. Например, стандартный БВТС марок ТН-20, КНТ-16 не рекомендуется при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

Опыт внедрения существующих безвольфрамовых сплавов и прогнози­руемое расширение их применения в связи с появлением новых более со­вершенных марок показывает, что при выпуске требуемой номенклатуры изде­лий и обеспечении стабильного уровня качественных показателей, около 25-30% объема выпуска вольфрамосодержащих сплавов для обработки стали может быть заменено на безвольфрамовые.

Области применения твердых сплавов. При анализе областей примене­ния марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условий обработки (t, S, v, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т.п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы клас­сифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою оче­редь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 1.12).

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), и допустимая подача, и глубина резания (см. табл. 1.12). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т.е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.

Окончание табл. 1.12

Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неодно­значно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух-трех подгруппах применения (например, Т15К6, Р10, Р15, Р20) или даже в раз­личных группах применения (например, ВК8, КЗО, «40, МЗО).

Основные тенденции совершенствования твердых сплавов. В на­стоящее время номенклатура твердых сплавов существенно изменилась, за­метно повысилось качество сплавов. Это связано с использованием произво­дителями более совершенного производственного и контрольного оборудова­ния, а также более качественных технологий. В частности, сказанное относит­ся к Московскому комбинату твердых сплавов (МКТС), который производит твердые сплавы по технологии и с использованием оборудования и сырья шведской фирмы «Sandvik Coromant», заводу «Победит» (г. Владикавказ), вы­пускающего твердые сплавы серии ВП, а также к опытному производству ВНИ-ИТС. С учетом перехода РФ на рыночную экономику и интеграции ее промыш­ленности с промышленностью развитых стран Запада, целесообразно рас­смотреть основные тенденции совершенствования современных марок твер­дых сплавов.

Совершенствование вольфрамокобальтовых твердых сплавов (WC-Co) связано с разработкой сплавов особомелкозернистой (радиус скругления до 1 мкм) и ультрамелкозернистой структуры (радиус скругления до 0,1…0,5 мкм); созданием сплавов со связками повышенной прочности и теплостойкости; при­менением принципиально новых технологий производства сплавов на основе использования субмелкозернистого исходного зерна, совмещения процессов синтеза и горячего прессования; введения дополнительной операции доуплот-нения структуры сплавов на специальных установках газостатического прессования (процесс ГИП).

Использование твердых сплавов ультра- и особомелкозернистой структу­ры при производстве режущего инструмента позволяет при заточке и доводке инструмента получить радиус скругления режущих кромок в пределах 5-10 мкм, что вполне соизмеримо с радиусом скругления для инструмента из углероди­стой и быстрорежущей сталей. Кроме того, такие сплавы имеют более высо­кую однородность зерен по объему, что делает ультра- и особомелкозернистые сплавы наиболее пригодными для изготовления мелкоразмерного цельнотвердосплавного инструмента (сверла, концевые фрезы, резьбонарезной инструмент и т.д.).

В настоящее время западные производители режущего инструмента реко­мендуют использовать инструмент из ультра- и особомелкозернистых сплавов для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей, сплавов на основе никеля, титана и молибдена, высококремниевых алюминиевых сплавов, стек­ло-, угле- и боропластиков.

В частности, пластины из сплава ТНМ, имеющего средний размер зерна около 0,6 мкм, фирма «Krupp Widia» (ФРГ) рекомендует для обработки высоко­твердых сталей (HRC 55), а также для обработки высококремниевого алюми­ниевого сплава.

Фирма «Sandvik Coromant» (Швеция) рекомендует пластины из сплава H10F (М20-МЗО) для фрезерования жаропрочных сплавов, а фирма «Kennametal» (США) рекомендует мелкозернистый сплав К313 для резания труднообраба­тываемых материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности. Следует отметить, что сплав К313 обладает уникальной прочностью при изгибе s _и = 3200 МПа, что достигается использованием технологии дополнительного горячего изостатического прессования (ГИП). Сплав К313, кроме того, обладает высокой сопротивляемостью термопластическому деформированию при повы­шенных температурах.

Надежность твердосплавного инструмента, особенно применяемого в авто­матизированном производстве, зависит не только от средних значений прочно­сти, но и стабильности его прочностных свойств. Поэтому еще одно направле­ние совершенствования современных твердых сплавов связано со стабилиза­цией однородности его свойств. Примером такой тенденции может служить особомелкозернистый сплав А-1, разработанный фирмой «Sumitomo» (Япо­ния). Этот сплав имеет не только строго фиксированный размер зерна 0,5-0,8 мкм, но и высокую однородность распределения связки по объему материала. Пластины из сплава А-1 рекомендуются фирмой для чернового точения и фре­зерования, так как такой инструмент обладает высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению режущих кромок и высокой прочностью удержания кар­бидного зерна в сплаве. Последнее предопределяет высокую износостойкость сплава в условиях прерывистого резания и приложения переменных нагрузок большой величины.

В частности, при чистовой высоколегированной стали 16МпСг5Е с твердо­стью HRC₃=62 применение торцовых фрез, оснащенных сплавом А-1, поз­волило увеличить скорость фрезерования до 120 м/мин.

Для производства цельнотвердосплавных сверл и концевых фрез диа­метром 0,1-0,8 мм для обработки отверстий в печатных фольгированных пла­тах фирма «Sumitomo» разработала несколько марок мелко- и особомелкозернистых сплавов, обладающих высокими показателями по прочности при изгибе и кручении однородности размера зерна. В частности, твердый сплав AF-1 с размером зерен 0,5-0,15 мкм и содержанием кобальта 12% по объему, имею­щий твердость HRA 93 и прочность при изгибе s _и = 5,0 ГПа, был использован для производства сверл диаметром 0,1 мм. Необходимо отметить, что при производстве сверл такого диаметра малейшие дефекты сплава и, в частно­сти, неравномерность величины зерна WC по объему, приводят к неизбежной поломке сверла при эксплуатации. По данным при обработке отверстий в фольгированных пластинах (d = 0,1…0,3 мм) сверла из сплава А-1 имели стойкость существенно превышающую стойкость сверл из быстрорежущей стали.

Аналогичные цельнотвердосплавные сверла фирмы «Hertel AG» (ФРГ) (ти­па SE-Drill) позволили повысить до трех раз величину подачи, по сравнению с применяемыми для быстрорежущих сверл, при одновременном увеличении скорости резания до 80…120 м/мин.

Заметное влияние на свойства особо- и мелкозернистых твердых спла­вов оказывает содержание кобальта. В частности, рост содержания кобальта в сплаве позволяет увеличить предел прочности при изгибе и ударную вяз­кость, теплопроводность, снизить коэффициент термического расширения, твердость, модуль упругости и удельное электрическое сопротивление. Сниже­ние содержания кобальта (например до 3,69% по объему) заметно снижает оптимальное значение температуры спекания (с 1400 до 1275°С), что, в свою очередь, позволяет снизить тенденцию роста зерна при спекании и увеличить износостойкость сплава.

В показано, что оптимальное сочетание свойств мелкозернистых сплавов обеспечивается при содержании кобальта в пределах 6% по объему. Такие сплавы используют для производства цельнотвердосплавных инстру­ментов: сверл, зенкеров, разверток, концевых фрез, метчиков и т.д.

Большое количество зарубежных исследовательских работ посвящено со­вершенствованию свойств твердых сплавов за счет упрочнения связки, кото­рая является слабым технологическим звеном сплава. В частности, как было показано выше, на свойства связки большое влияние оказывает содержание углерода, причем это влияние усиливается по мере роста содержания в сплаве кобальта.

Легирование связующей фазы рением повышает ее прочность, сопротив­ляемость высокотемпературной ползучести и, кроме того, предотвращает фор­мирование хрупкой h-фазы. Следует отметить, что появление жидкой фазы твердого раствора Co-Re происходит при температуре выше на 100-300 °С, а твердость сплава с (Со-Rе)-связкой на 200-300 HV выше, чем у твер­дого раствора Co-W-C. Это является главной причиной повышения стойкости инструмента, оснащенного сплавом с (Со-Rе)-связкой: в 3…5 раз по сравнению со стойкостью инструмента, оснащенного обычным твердым сплавом.

Заметное улучшение свойств сплава отмечено при его легировании рутени­ем. В частности, введение 0,4% (на весу) рутения в сплав 94% WC - 6% Со увеличивает предел его прочности при изгибе на 16% при том же значении твердости. Это связано с тем, что рутений является ингибитором роста зерен и увеличивает смачиваемость зерен WC, что, в свою очередь, приводит к росту прочности адгезионной связи между WC и Со. Сплавы с (Со-е)-связкой хоро­шо сопротивляются механическим ударам и термической усталости.

Широкое применение сплавов с (Co-Re)- и (Со-Ru)-связками сдерживает­ся дефицитностью Re и Ru. Поэтому в последнее время ряд фирм разработали сплавы с новыми типами экономнолегированных связок, в которых кобальт частично или полностью заменен никелем, молибденом и железом. В частно­сти, все большее применение находят сплавы со связками Fe-Co, Fe-Ni, Co-Ni, Fe-Co-Ni, Fe-Mo и др.

Фирма «Krupp-Widia» (ФРГ) разработала несколько новых марок титанотанталовольфрамовых твердых сплавов для фрезерования. Высокая эффек­тивность сплава TTM-S обеспечивается сочетанием высокой твердости (HV1500) и прочности при изгибе (s_и =2,1 ГПа), поэтому пластины из этого сплава рекомендуют для чернового и чистового фрезерования сталей, стального литья, легированного чугуна, высоколегированных жаропрочных сталей (Р10-РЗО, М20-МЗО) на скоростях резания до 140 м/мин, подачах до 0,34 мм/зуб, глубинах резания 4-10 мм.

Японская фирма «Mitsubishi» разработала широкую гамму титанотанталовольфрамовых сплавов различного назначения. В частности, сплав UTi20T рекомендуется для оснащения инструмента, который может быть ис­пользован при точении и фрезеровании сталей, чугунов, труднообрабатывае­мых материалов (Р25, К20, М20). Инструмент, оснащенный пластинами из сплава STilOT, рекомендуется для чистового и копировального точения, наре­зания резьбы и канавок, а пластины из сплава НТЮ5Т - для тонкого точения и растачивания стальных заготовок.

Более прочные пластины STilOT рекомендуют для точения заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Отмечается тенденция замены карбида тантала более эффективными кар­бидами гафния, ниобия, хрома, ванадия. В частности, сплавы, легированные карбидами гафния, имеют заметное преимущество по износостойкости при точении, но уступают при фрезеровании сплавам, легированным ТаС. Это свя­зано с ростом склонности к большому изменению линейных размеров и сниже­нием теплопроводности для сплавов, легированных HfC и МЬС по сравнению с соответствующими характеристиками сплавов, легированных ТаС. Например, стойкость резцов, оснащенных пластинами S20C (Р20), содержащими 63% WC, 17% "ПС и 9% NbC, близка к стойкости резцов, оснащенных пластинами S20S, содержащими 14% ТаС и NbC, и на 20% выше стойкости инструмента, оснащенного пластинами S20, не содержащими карбиды гафния, ниобия и тан­тала [130].

В табл. 1.13 приведены основные марки твердых сплавов, производимых в РФ по улучшенным технологиям, а также по технологиям ряда западных фирм («Hertel», «Sandvik Coromant» и др.), их аналоги и области применения.

Таблица 1.13 Марки сплавов, производимых и применяемых в РФ

Окончание табл. 11.13

Наиболее радикально совершенствуются БВТС. Необходимо отметить, что если в странах СНГ выпуск БВТС составляет не более 1% от общего объема твердых сплавов, то в Западной Европе и США используют 2-5% БВТС, а в Японии до 30-35%.

В мировой практике в настоящее время производят БВТС главным обра­зом на основе Tic, TiC-TiN с различными вариантами связок (табл. 1.14).

Таблица 1.14 Составы БВТС, применяемые в мировой практике [35]

Для повышения пластичности и сопротивляемости разрушению при термо­циклических нагрузках БВТС дополнительно легируют карбидами Мо, V, Та, Nb, Zr, Hf, Al, Cr, а также W. Рассматривается также возможность производства БВТС на основе боридов переходных металлов IV - VI групп Периодической системы и, в частности, TiB и TiBg.

Эффективность БВТС при резании в значительной степени определяется составом и свойствами связки. При производстве БВТС в качестве связки чаще всего используют никель с добавками молибдена или кобальта (см. табл. 1.14), а для ее упрочнения в состав связки вводят Fe, Cr, Al, W, Ti, Si и др.

Например, при легировании БВТС алюминием происходит образование субмикроскопической фазы Ni(Ti.AI), выполняющей роль своеобразного фазо­вого упрочнителя. В результате происходит упрочнение связки, растет твер­дость сплава без снижения его прочности. В мировой практике используют БВТС с содержанием связки в пределах 5…25% (по весу).

Фирма «Sumitomo» (Япония) разработала серию БВТС, которые полностью вытеснили вольфрамосодержащие твердые сплавы для операций чистового и получистового точения сталей (Р01-Р20). В частности, сплав Т12А (HV = 1580, s_и = 1,65 ГПа) применяется для получистового точения и фрезерования конструкционных сталей на ферритной основе с v = 100-300 м/мин и v = 150-200 м/мин соответственно, а также для точения и фрезерования нержавеющих сталей на скоростях резания v = 60…250 м/мин; v = 60-120 м/мин. Наиболее удачным в этой серии является сплав Т25А (HV = 1520; s_и = 1,85 ГПа) предна­значенный для получистового точения конструкционных сталей (v = 50-200 м/мин) и фрезерования (v = 120…180 м/мин, S_z = 0,25 мм/зуб).

Еще одно направление совершенствования БВТС связано с введением в их состав небольшого количества WC и ТаС с целью повышения теплопроводно­сти, снижения коэффициента термического расширения, что заметно повышает сопротивляемость БВТС разрушению в условиях термоциклирования и значи­тельно повышает износостойкость сплава для тяжелых операций и, в частно­сти, для чернового фрезерования.

Например, фирма «Toshiba Tungalloy» (Япония) разработала гамму БВТС (302, 308, 350, NS500) на основе TiC-TiN, легированных WC и ТаС. Эти спла­вы рекомендованы фирмой для оснащения инструмента, предназначенного для получистового точения сталей и чугунов, а также закаленных сталей и чу-гунов повышенной прочности, нержавеющих аустенитных сталей (Р10-Р20, К05-К20, М05-М10). Благодаря высокой сопротивляемости разрушению при термоциклических нагрузках торцовые фрезы, оснащенные пластинами NS540, могут быть использованы для фрезерования стали НВ160 с v = 170 м/мин; S_z = 0,2 мм/зуб; t = 2-3 мм, при этом допускается применение СОТС.

Фирма «Adamas Carbide» (США) рекомендует пластины из БВТС марок ADAMAX300 и ADAMAX600 для чистового, получистового и чернового точения сталей (HRC₃ 42…45) и чугунов на скоростях резания до 220 м/мин, минутной подаче до 813 мм/мин и глубиной резания до 15 мм.

Фирма «Teledyne First Stering» (США) рекомендует разработанные БВТС на основе TiCN и (Ti.Mo)CN с никельмолибденовой связкой (марка SD-3) для точения, растачивания, подрезки, нарезания резьбы в сталях и чугунах, жаропрочных сталях. Последнее свидетельствует о широкой области приме­нения сплава SD-3. В частности, инструмент из сплава SD-3 достаточно эф­фективен при резании с v = 300-400 м/мин заготовок из стали твердостью до 50 HRC₃.

Следует отметить, что БВТС с их более высокой, чем у вольфрамосодер-жащих твердых сплавов, теплостойкостью, меньшей склонностью к адгезии с обработанным материалом вполне отвечает современной тенденции обработ­ки заготовок за одну установку, когда припуск на обработку минимален, а реза­ние ведется на высоких скоростях резания при необходимости обеспечения низкой шероховатости обработанной поверхности и высокой размерной точности. Таким образом, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, ста­новится особенно эффективным при обработке заготовок с большой площадью обрабатываемой поверхности, к которым предъявляются высокие требования поточности размеров и геометрической формы, шероховатости.

В частности, при тонком фрезеровании направляющих длиной до 600 мм и шириной до 40 мм из стали 58СМо₄ фрезой, оснащенной пластинами из БВТС марки Т60 с v = 125 м/мин, S_r= 0,15 мм/зуб; t = 0,3 мм (критерием отказа служил параметр шероховатости Ra = 0,4 мкм), число обработанных деталей за период стойкости фрезы составило 12 штук при шероховатости по всей обработанной поверхности Ra = 0,35 мкм.

При использовании торцовых фрез, оснащенных вольфрамосодержащим твердым сплавом, шероховатость обработанной поверхности при аналогичных условиях обработки составила Ra = 2,1 мкм.

В ряде случаев инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, превосходит инструмент из твердых сплавов с износостойкими покрытиями и керамики. В частности, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС марки SN80 фирмы «Feldmuhle» (ФРГ) [131] превосходит керамический инструмент при резании на скоростях 350-500 м/мин в условиях повышенных требований к прочности ре­жущих кромок и качеству обработанной поверхности.

Дата добавления: 2014-01-20