Твердые сплавы
Твердыми сплавами называются материалы, состоящие либо полностью, либо в значительной мере из карбидов тугоплавких металлов, таких как W, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, и отличающихся высокой твердостью и стойкостью на износ.
Твердые сплавы бывают нескольких типов.
1. Литые сплавы: а) стеллиты и стеллитоподобные; б) литые карбиды вольфрама.
2. Металлокерамические сплавы — вольфрамокобальтовые и титановольфрамовые.
3. Зерновые смеси.
Среди литых твердых сплавов впервые стали известны сплавы «стеллиты». Основу стеллитов составляет кобальт, хром, никель, вольфрам, углерод; основу сталлитоподобных — железо, хром, никель, углерод.
Стеллиты и стеллитоподобные сплавы применяются для наплавки на быстроизнашивающиеся детали и для защиты деталей от кислотных сред и морской воды (винты, лопасти, насосы, арматура высокого давления, детали, работающие на трение).
Наплавку сплавов производят ацетилено-кислородным пламенем, иногда электрической дугой, т. е. пропусканием электрического тока через стержень сплава.
Литые карбиды вольфрама представляют собой тип твердых сплавов, состоящих целиком из твердых тугоплавких карбидов. Большой твердостью и жаростойкостью обладают литые сплавы из смеси карбидов W2C и WC. Содержание углерода в таком сплаве составляет 4,5%, температура его плавления 2525° С.
Литые карбиды вольфрама применяются почти исключительно в нефтяной промышленности для вставок износоустойчивых многогранников в бурильные инструменты.
Для изготовления сплава навеску спрессованного вольфрамового порошка помещают в графитовый патрон и плавят в трубчатой электропечи при температуре >3000° С. С момента появления зеркала металла в течение 30—40 сек. происходит поглощение расплавом нужного количества углерода.
Металлокерамические твердые сплавы состоят из смеси порошков карбидов тугоплавких металлов с добавкой вязких цементирующих металлов, таких как кобальт.
Металлокерамические твердые сплавы на основе карбида вольфрама содержат от 85 до 98% WC в сочетании с различным количеством цементирующего металла — кобальта. В зависимости от изменения содержания WC и кобальта изменяются и свойства сплава: с повышением содержания карбида вольфрама увеличивается твердость и износоустойчивость, но уменьшается прочность сплава, в то время как с повышением содержания кобальта снижаются твердость и износоустойчивость, но повышается прочность сплава.
Изготавливают различные марки вольфрамокобальтовых сплавов с различным содержанием кобальта: ВКЗ (с 3% Co); ВК6 (с 6% Co); ВК8 и др.
Твердые сплавы WC — Co нашли широкое применение в самых разнообразных процессах обработки материалов, ранее не поддававшихся обработке — стекла, фарфора, эбонита и других.
Благодаря твердости и жаропрочности, т. е. способности сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах, с помощью инструментов, изготовленных из твердых сплавов, удается значительно повысить скорость резания.
Твердые сплавы типа BK нашли широкое применение в горном деле и угольной промышленности для изготовления зубцов врубовых машин и головок буров перфораторов.
Скорость бурения буром, оснащенным твердым сплавом, повышается примерно в 2 раза, а стойкость — в 50 раз.
Из твердых сплавов BK изготовляют волоки для протяжки проволоки из стали и цветных металлов.
Помимо использования твердых сплавов в качестве инструментального материала, они применяются в качестве конструкционных жаропрочных материалов для изготовления деталей реактивных двигателей.
Практика показала, что при обработке стальных изделий сплавы типа BK менее пригодны, чем при обработке изделий из чугуна и цветных металлов, благодаря тому, что стальная стружка быстрее изнашивает резец из твердого сплава BK, частицы которого прилипают к этой стружке. При замене части карбида вольфрама карбидом титана снижается износ.
Титановольфрамовые сплавы типа TK (TiC—WC—Co) с различным содержанием карбида титана и кобальта — Т5К10 (TiC — 5%; Co — 10%) Т14 К8 (TiC — 14%; Co — 8%) широко применяются для обдирочных работ по сталям.
Аналогичное влияние оказывает добавка других карбидов тугоплавких металлов TaC, NbC, VC, TiC и другое.
Для получения сплава металлокерамическим способом порошок карбида вольфрама, полученный прокаливанием смеси порошка металлического вольфрама с сажей, смешивают с порошком металлического кобальта, смесь прессуют под давлением от 500 до 2000 кг/см2 и спекают сначала при температуре 1000°, а затем при температуре 1380—1450°.
К твердым сплавам причисляют также и зерновые продукты, применяющиеся для наплавки твердых слоев на рабочие поверхности инструментов и деталей машин.
К таким зерновым смесям относятся — сплав BOKAP (W + 9—10% С), сталинит — смесь дробленых ферровольфрама, ферромарганца, чугуна и угля.
Смеси наплавляют при помощи электрической дуги.