Твердые сплавы — это класс твердых материалов, широко используемых для режущих инструментов , а также в других промышленных приложениях. Он состоит из мелких частиц карбида , сцементированных в композит связующим металлом. Твердые сплавы обычно используют карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) или карбид тантала (TaC) в качестве заполнителя. Упоминания «карбида» или «карбида вольфрама» в промышленных контекстах обычно относятся к этим цементированным композитам.
В большинстве случаев твердосплавные фрезы оставляют лучшую отделку поверхности на детали и позволяют производить более быструю обработку, чем быстрорежущая сталь или другие инструментальные стали . Твердосплавные инструменты могут выдерживать более высокие температуры на границе раздела фреза-заготовка, чем стандартные быстрорежущие стальные инструменты (что является основной причиной, позволяющей производить более быструю обработку). Твердый сплав обычно лучше подходит для резки прочных материалов, таких как углеродистая сталь или нержавеющая сталь , а также в ситуациях, когда другие режущие инструменты изнашиваются быстрее, например, при крупносерийном производстве. В ситуациях, когда твердосплавные инструменты не требуются, быстрорежущая сталь предпочтительнее из-за ее более низкой стоимости.
Твердые сплавы представляют собой композиты с металлической матрицей , в которых частицы карбида выступают в качестве заполнителя, а металлическое связующее служит матрицей (аналогично бетону, где гравийный заполнитель взвешен в цементной матрице). Структура твердого сплава концептуально похожа на структуру шлифовального круга , но абразивные частицы намного меньше; макроскопически материал твердосплавного резца выглядит однородным.
Процесс объединения частиц карбида со связующим называется спеканием или горячим изостатическим прессованием (ГИП). Во время этого процесса материал нагревается до тех пор, пока связующее не перейдет в жидкую фазу, в то время как зерна карбида (которые имеют гораздо более высокую температуру плавления) остаются твердыми. При этой повышенной температуре и давлении зерна карбида перестраиваются и уплотняются вместе, образуя пористую матрицу. Пластичность металлического связующего служит для компенсации хрупкости карбидной керамики, что приводит к высокой общей прочности и долговечности композита. Контролируя различные параметры, включая размер зерна, содержание кобальта, легирование (например, легированные карбиды) и содержание углерода, производитель карбида может адаптировать производительность карбида к конкретным сферам применения.
Первым разработанным твердым сплавом был карбид вольфрама (введен в 1927 году), который использует частицы карбида вольфрама, удерживаемые вместе связующим веществом из кобальта. С тех пор были разработаны другие твердые сплавы, такие как карбид титана , который лучше подходит для резки стали, и карбид тантала , который прочнее карбида вольфрама. [1]
Коэффициент теплового расширения цементированного карбида вольфрама, как установлено, меняется в зависимости от количества кобальта, используемого в качестве металлического связующего. Для образцов с 5,9% кобальта был измерен коэффициент 4,4 мкм/м·К, тогда как для образцов с 13% кобальта коэффициент составляет около 5,0 мкм/м·К. Оба значения действительны только от 20 °C (68 °F) до 60 °C (140 °F) из-за нелинейности процесса теплового расширения. [2]
Твердый сплав дороже за единицу, чем другие типичные инструментальные материалы, и он более хрупкий, что делает его подверженным скалыванию и поломке. Чтобы компенсировать эти проблемы, сам твердосплавный режущий наконечник часто имеет форму небольшой вставки для более крупного инструмента с наконечником , хвостовик которого изготовлен из другого материала, обычно из углеродистой инструментальной стали . Это дает преимущество использования карбида на режущем интерфейсе без высокой стоимости и хрупкости, связанных с изготовлением всего инструмента из карбида. Большинство современных торцевых фрез используют твердосплавные вставки, а также многие токарные инструменты и концевые фрезы . Однако в последние десятилетия твердосплавные концевые фрезы также стали более широко использоваться везде, где характеристики применения делают плюсы (например, более короткое время цикла) перевешивающими минусы (упомянутые выше). Кроме того, современные токарные инструменты могут использовать твердосплавную вставку на твердосплавном инструменте, таком как расточная оправка, которая более жесткая, чем держатели стальных вставок, и поэтому менее подвержена вибрации, что особенно важно для расточных или резьбонарезных оправок, которым может потребоваться проникнуть в деталь на глубину, во много раз превышающую диаметр инструмента.
Чтобы увеличить срок службы твердосплавных инструментов, на них иногда наносят покрытие. Пять таких покрытий: TiN ( нитрид титана ), TiC ( карбид титана ), Ti(C)N ( карбид-нитрид титана ), TiAlN ( нитрид титана-алюминия ) и AlTiN ( нитрид алюминия-титана ). (Более новые покрытия, известные как DLC ( алмазоподобный углерод ), начинают появляться на поверхности, обеспечивая режущую способность алмаза без нежелательной химической реакции между настоящим алмазом и железом [ необходима ссылка ] .) Большинство покрытий, как правило, повышают твердость и/или смазывающую способность инструмента. Покрытие позволяет режущей кромке инструмента чисто проходить через материал, не имея материала, натирающего (прилипающего) к нему. Покрытие также помогает снизить температуру, связанную с процессом резки, и увеличить срок службы инструмента. Покрытие обычно наносится с помощью термического химического осаждения из паровой фазы (CVD) и, для определенных применений, с помощью метода механического физического осаждения из паровой фазы (PVD). Однако если осаждение проводить при слишком высокой температуре, на границе раздела карбида и кобальтовой фазы образуется эта-фаза третичного карбида Co6W6C , что может привести к нарушению адгезии покрытия.
Инструменты для горнодобывающей промышленности и строительства туннелей чаще всего оснащаются наконечниками из карбида вольфрама, так называемыми «штыревыми коронками». Искусственный алмаз может заменить штыревые коронки из карбида вольфрама только при идеальных условиях, но поскольку бурение горных пород — сложная работа, штыревые коронки из карбида вольфрама остаются наиболее используемым типом во всем мире.
С середины 1960-х годов сталелитейные заводы по всему миру применяют твердый сплав для валков прокатных станов как для горячей, так и для холодной прокатки труб, прутков и полос.
Эта категория содержит бесчисленное количество приложений, но ее можно разделить на три основные области:
Некоторые основные области применения деталей из твердого сплава:
Карбид вольфрама стал популярным материалом в свадебной ювелирной промышленности из-за его чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. Учитывая его хрупкость , он склонен к сколам, трещинам или крошению в ювелирных изделиях. После того, как он сломан, его нельзя отремонтировать.
Первоначальная разработка цементированных и спеченных карбидов произошла в Германии в 1920-х годах. [3] ThyssenKrupp говорит [в историческом настоящем времени]: «Спеченный карбид вольфрама был разработан «Обществом изучения электроосвещения Osram » для замены алмазов в качестве материала для обработки металла. Не имея оборудования для использования этого материала в промышленных масштабах, Osram продает лицензию Krupp в конце 1925 года. В 1926 году Krupp выводит спеченный карбид на рынок под названием WIDIA ( сокращение от WIe DIAmant = как алмаз)». [4] / ˈ v iː d i ə / Machinery's Handbook [3] указывает дату коммерческого внедрения твердосплавных инструментов как 1927 год. Burghardt и Axelrod [5] указывают дату их коммерческого внедрения в Соединенных Штатах как 1928 год. Последующее развитие происходило в разных странах. [3]
Хотя маркетинговая идея была несколько преувеличенной (карбиды не полностью эквивалентны алмазу), твердосплавный инструмент обеспечил столь значительное улучшение скорости резания и подачи , что, как и быстрорежущая сталь два десятилетия назад, это заставило конструкторов станков переосмыслить каждый аспект существующих конструкций, стремясь к еще большей жесткости и еще более совершенным подшипникам шпинделя .
Во время Второй мировой войны в Германии ощущался дефицит вольфрама. Было обнаружено, что вольфрам в карбидах режет металл эффективнее, чем вольфрам в быстрорежущей стали, поэтому, чтобы сэкономить на использовании вольфрама, для резки металла по возможности использовали карбиды.
Название Widia стало обобщенной торговой маркой в разных странах и на разных языках, [4] включая английский (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ), хотя обобщенное значение никогда не было особенно распространено в английском языке («карбид» — это обычный обобщенный термин). С 2009 года название было возрождено в качестве торговой марки компанией Kennametal , [6] и бренд включает в себя многочисленные популярные бренды режущих инструментов.
Первой формой были непокрытые наконечники, припаянные к хвостовикам. Закрепленные индексируемые пластины и широкий спектр современных покрытий являются достижениями, достигнутыми за прошедшие десятилетия. [3] С каждым десятилетием использование карбида становилось менее «специальным» и более повсеместным. [ оригинальное исследование? ]
Что касается мелкозернистого твердого сплава, была сделана попытка проследить научные и технологические этапы, связанные с его производством; эта задача нелегка, однако, из-за ограничений, накладываемых коммерческими, а в некоторых случаях и исследовательскими организациями, не публиковать соответствующую информацию до тех пор, пока не пройдет много времени после даты первоначальной работы. Таким образом, размещение данных в историческом, хронологическом порядке является довольно сложным. Однако удалось установить, что еще в 1929 году, примерно через 6 лет после выдачи первого патента, работники Krupp/Osram выявили положительные аспекты измельчения зерна карбида вольфрама. К 1939 году они также обнаружили полезные эффекты добавления небольшого количества карбида ванадия и тантала. Это эффективно контролировало прерывистый рост зерна . [7]
То, что считалось «тонким» в одно десятилетие, считалось не таким уж и тонким в следующее. Таким образом, размер зерна в диапазоне 0,5–3,0 мкм считался мелким в первые годы, но к 1990-м годам наступила эра нанокристаллических материалов с размером зерна 20–50 нм.
Победит (рус. победи́т ) — спечённый карбидный сплав, состоящий примерно из 90% карбида вольфрама в качестве твёрдой фазы и примерно из 10% кобальта (Co) в качестве связующей фазы, с небольшим количеством дополнительного углерода. Разработанный в Советском Союзе в 1929 году, он описывается как материал, из которого изготавливаются режущие инструменты . Позднее был разработан ряд подобных сплавов на основе вольфрама и кобальта, и название «победит» также было сохранено за ними. [8] [9] [10]
Победит обычно изготавливается методом порошковой металлургии в виде пластин различной формы и размеров. Процесс изготовления следующий: смешивают мелкий порошок карбида вольфрама (или другого тугоплавкого карбида) и мелкий порошок связующего материала, например, кобальта или никеля, а затем прессуют в соответствующие формы. Прессованные пластины спекают при температуре, близкой к температуре плавления связующего металла, в результате чего получается очень плотное и прочное вещество.
Пластины из этого сверхтвердого композита применяются для изготовления металлорежущего и бурового инструмента, обычно их напаивают на наконечники режущих инструментов. Последующая термическая обработка не требуется. Победитовые вставки на наконечниках сверл до сих пор широко распространены в России.
Медиа, связанные с твердыми сплавами на Wikimedia Commons