Твердые сплавы являются продуктом порошковой металлургии. Они получаются в результате металлургического процесса при наличии карбидов вольфрама, карбидов или карбонитридов титана или сложных карбидов вольфрама, титана и тантала, а также цементирующего элемента-кобальта, никеля и молибдена, расплавленного до жидкого состояния.

С появлением твердых сплавов и использованием их для инструментов произошел резкий скачок в металлообработке. Скорости резания увеличились в 4-10 раз по сравнению с обработкой инструментами, изготовленными из быстрорежущей стали. В настоящее время в нашей стране выпускаются однокарбидные, двухкарбидные и трехкарбидные твердые сплавы - вольфрамовые, титановольфра-

мовые и танталотитановольфрамовые. Вольфрамовые сплавы имеют основные марки: ВКЗ, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВКбМ, ВК8, ВК8В, ВК15. Их твердость HRA 91-86, предел прочности при изгибе Ои = = 1100-4- 1800 МПа. Буква М означает, что сплав мелкозернистый, величина зерна равна 1 мкм и менее. Буква В означает, что сплав высокопрочный, крупнозернистый, в котором размер зереи 3-5 мкм. Без литеры зерна карбидов равны 1-2 мкм. Основными марками титановольфрамовой группы являются Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12. Они имеют твердость HRA 92-87 и предел прочности при изгибе сги = 950-ь 1550 МПа. Трехкарбидные танталотитановольфрамовые твердые сплавы выпускаются марок ТТ7К12, ТТ10К8Б, ТТ20К9, у которых твердость HRA = 87-89 и предел прочности при изгибе - 1650-1300 МПа.

Химический состав твердых сплавов легко расшифровывается по обозначению марок. Так, в сплаве ВКЗ содержится 97 % WC и 3 % Со, в сплаве ВК8 - 92 % WC и 8 % Со. В сплаве Т15К6 - 79 % WC, 15 % TiC и 6 % Со. Трехкарбидный сплав ТТ7К12 содержит 81 % WC, 7 % TiC и ТаС и 12 % Со, причем здесь 4 % TiC и 3 % ТаС. Сплав ТТ10К8Б имеет 82 % WC, 3 % TiC, 7 % ТаС и 8% Со. Последняя марка трехкарбидного сплава ТТ20К9 содержит карбидов титана 8 % и карбидов тантала 12 %, 71 %WC и 9 % Со.

Карбиды вольфрама, титана или тантала являются как бы режущими составляющими. В отлнчие от быстрорежущих сталей кобальт в твердом сплаве выполняет функцию связки, цементирующей соответствующие карбиды. Чем меньше кобальта в сплаве, тем он более твердый, но менее прочный и более хрупкий. С увеличением содержания кобальта сплав становится менее твердым, но более вязким. Как уже было сказано, твердые сплавы характеризуются высокими режущими свойствами. Их теплостойкость 800-950 °С, износостойкость выше в 50 раз закаленной быстрорежущей стали и в 100 раз закаленной углеродистой инструментальной стали. Вольфрамовые сплавы менее износоустойчивы, чем титановольфра-мовые, поэтому их целесообразно применять для обработки хрупких материалов. Это. объясняется тем, что при обработке хрупких материалов образуется стружка надлома, элементы которой не связаны между собой.

Сплавы с меньшим содержанием кобальта (например, ВКЗ, ВК4), как наиболее твердые и хрупкие, следует применять для чистовой и получиетовой обработки при плавной нагрузке. Сплавы с большим содержанием кобальта (ВК8, ВК15), как более прочные (вязкие), применяются при черновой обработке.

Сплавы ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8 и ВК8В при одинаковом содержании кобальта имеют большую прочность, чем сплавы второй группы ТК. Поэтому их также рекомендуется применять при обработке закаленных, жаропрочных, коррозионно-стойких и друхих труднообрабатываемых сталей и сплавов.

Титановольфрамовые твердые сплавы более износостойки и имеют повышенную теплостойкость, чем вольфрамовые сплавы.

Повышенные режущие свойства им придает титан, поэтому эти спЛавы эффективнее применять для обработки вязких металлов, которые при резании образуют элементную или сливную стружку, В этом случае изнашивание инструмента происходит более интенсивно, так как этот процесс протекает одновременно как по задней, так и по передней поверхности.

Кроме того, титановые сплавы менее склонны к адгезионному взаимодействию, т. е, к слипанию и свариванию с обрабатываемым металлом. У них на 100-150 °С выше температура слипания со сталью и чугуном, а прочность такого схватывания ниже, чем у вольфрамовых твердых сплавов. Все это уменьшает изнашивание и увеличивает стойкость инструмента.

Марки твердых сплавов этой группы рекомендуется применять по тому, же принципу, что и для вольфрамовой группы.

Сплавы третьей группы - танталотитановольфрамовые - предпочтительнее применять для обработки труднообрабатываемых сталей и сплавов (коррозионно-стойких и жаропрочных), а также других легированных сталей. В этой группе сплавов чем больше кобальта, тем сплав более вязкий, но менее твердый. Тантал придает сплаву большую вязкость и прочность, но он более дорогой, чем титан и вольфрам.

Без вольфрамовые твердые сплавы. Как уже говорилось, вольфрам является дефицитным металлом, поэтому изыскиваются возможности создания твердых сплавов, в которых вольфрам отсутствует. Основой безвольфрамовых твердых сплавов являются TiC, (TiNb)C и TiNC, т. е. карбиды титана, карбиды титана и ниобия или карбонитриды титана, а связкой - никель или никель и молибден. Эта сплавы имеют высокую теплостойкость, низкую теплопроводность, меньший коэффициент трения и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом. Они недостаточно прочны, но имеют высокую твердость. Для различных сплавов прочность = 1000-1200 МПа, а твердость fflj[ 89-90. Эти сплавы применяют для чистовой и получистовой обработки при плавной нагрузке. Стойкость инструментов, изготовленных из этих сплавов, в 1,2-1,5 раза выше, чем из твердого сплава Т15К6.

На никельмолибденовой связке выпускают следующие основные марки безвольфрамовых сплавов: ТМ-3, ТН-20, КНТ-16: сплав КНТ-16 - 84 % карбонитридов титана TiCN, MoNi-16%.

Эффективным путем повышения режущих свойств твердых сплавов являегся создание марок с более мелкозернистой структурой, а также изыскание составов износостойких покрытий и разработка способов их нанесения.

Твердые сплавы с особомелким (субмикронным) зерном имеют повышенную прочность и стойкость, особенно в условиях адгезионного износа инструмента. Мелкозернистая структура сплавов достигается специальной технологией их изготовления при введении в сплав до 2 % тантала или небольшого количества хрома. Выпу-

екают такие сплавы на основе карбида вольфрама: ВК6-Х0М, ВКЮ-ХОМ, ВК15-Х0М. Они рекомендуются для обработки коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов и других труднообрабатываемых материалов. Исследования ЦНИИТмаша показали, что эти сплавы позволяют значительно повысить стойкость инструментов (до 3-4 раз).

Нанесение тонкого износостойкого покрытия (толщиной 5-10 мкм) на твердые сплавы является весьма перспективным способом упрочнения поверхностного слоя и повышения режущих свойств инструментов. Этот способ в настоящее время главным образом реализуется на многогранных сменных пластинах. Эффективность способа зависит от состава, толщины слоя и технологии нанесения покрытия, В промышленности получили применение два способа покрытия: осаждение из газовой фазы и термодиффузионный. Для покрытия пластин в основном применяются карбиды и нитриды титана (TIC и TIN) или их сочетание - карбонитриды. Они наносятся на поверхность одним, двумя и несколькими слоями различными способами. Повышение износостойкости покрытых пластин происходит вследствие низкой теплопроводности и высокой теплостойкости покрытия, которое в то же время уменьшает коэффициент трения.

Однослойное покрытие TiC получается хрупким. Однослойное покрытие TiN этого недостатка не имеет, но соединение его с пластиной получается непрочным, поэтому пластины с однослойным покрытием рекомендуется применять при получистовой и чистовой обработке сталей и чугунов при плавной нагрузке. В этих условиях стойкость пластин с покрытием повышается от 3 до 8 раз. Двух-и трехслойное покрытие повышает вязкость, обеспечивает более высокую прочность соединения, а также повышает стойкость пластины в 4-5 раз по сравнению с однослойным покрытием. Пластины могут работать в условиях прерывистого резания. Лучшие результаты по износостойкости дают твердосплавные пластины, покрытые керамикой и кубическим нитридом бора, чем пластины, покрытые TiC, TIN и карбонитридом. Технология и составы покрытия совершенствуются. Учитывая высокую эффективность этого метода, пластинки из твердого сплава должны выпускаться только с упрочняющими покрытиями. Твердые сплавы целесообразно подвергать термообработке с нагревом под закалку до 1100 °С. Стойкость термо-обработанных сплавов увеличивается в 1,3-1,4 раза.

МИНЕРАЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

В основе минералокерамики находится окись алюминия A.Oз (около 95 %), которая получила название оксидной режущей керамики. По сравнению с другими инструментальными материалами она дешевле. Физико-механические свойства оксидной минералокерамики существенно отличаются от физико-механических свойств твердых сплавов. Оксидная минералокерамика имеет на 2-5 единиц более высокую твердость, ее теплостойкость 1200 °С, она харак-

теризуется повышенной износостойкостью по сравнению с твердами сплавами. Но этот материал малонрочен и весьма хрупок.

Всесоюзный научно-исследователккяй институт абразивов и шлифования (ВНИИАШ) создал оксидную керамику марки ВШ, которая имеет прочность о, = 500-Ш) МПа. Эту марку керамики рекомендуется применять при получиетовой и чистовой непрерывной токарной обработке сталей и чугунов я при прерывистой обработке цветных металлов и сплавов, а также неметаллических материалов в условиях жесткой системы СПИД. Мянералок)амика допускает скорость резания в 1,5-2 раза выше, чем твердае сплавы. Особенно эффективно ее применение для инструментов, от которых требуется высокая размерная стойкость.

Всесоюзный научно-исследовательский институт тугоплавких металлов и твердых сплавов (ВНИИТС) разражал минералокера-мику оксидно-карбидиого типа марок В-3, ВОК-60 и ВОК-бЗ с пределом прочности а = 700 МПа. В основе ее находятся окись алюминия и добавки карбидов тугоплавких металлов - вольфрама, титана. Режущие свойства минералокерамики оксидно-карбидиого типа выше, чем керамики марки ВШ. Стойкость указанных марок минералокерамики в 3-5 раз выше, чем стойкость сплава Т30К4. Минералокерамика марок В-3, ВОК-60 и ВОК-63 применяется для получиетовой и чистовой скоростной обработки сталей, в том числе закаленных и высокопрочных чугунов в прерывистых условиях резания. Как указывалось ранее, минералокерамика также используется в качестве материала для упрочняющего покрытия пластин из твердых сплавов.

АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Абразивным материалом называют вещества природного или синтетического происхождения, содержащие минералы высокой твердости и прочности, зерна и порошки которых способны обрабатывать поверхности других твердых тел путем царапания, скобления или истирания. Их применяют для изготовления шлифовальных и заточных кругов, головок, брусков, хонов, а также для доводочных и полировочных паст и порошков.

Абразивные материалы разделяются на естественные и искусственные. К первым относятся кварц SiOz, наждак и корунд. Все они содержат природные примеси, имеют сравнительно низкие режущие свойства и поэтому мало применяются в абразивной промышленности. Кроме того, запасы корунда в природе ограничены. Его применяют только для доводочных операций и обработки оптического стекла. Для абразивных инструментов в основном приме-някл- искусственные абразивные материалы: электрокорунд, карбид кремния, карбид бора, силикокарбид бора.

Электрокорунд получают методом электрической плавки в дуговых печах при температуре 2000-2050 °С из материалов, богатых окисью алюминия (боксита, глинозема). Электрокорунд весьма твердый, плотный и термостойкий материал. В зависимости от про-

центного содержания AI2O3 электрокорунд бывает нормальный, белый, легированный и монокорунд.

Электрокорунд нормальный содержит до 95 % klfia, выпускают его марок 12А, 13А, 14А, 15А, 16А. В основном этот материал выпускается марки 15А (в марке 95 % АЦОз). Он имеет цвет от серо-коричневого до темно-коричневого и от розового до темно-красного. Применяется для менее ответственных кругов при шлифовании сталей, ковких чугунов и твердой бронзы.

Электрокорунд белый содержит более 97 % AI2O3; выпускают его четырех марок 22А, 23А, 24А, 25А. Марка 22А содержит 97 % AI2O3, а марки 24А и 25А - 99 % и более. Имеет белый, серовато-белый или светло-розовый цвет; является более твёрдым, чем нормальный электрокорунд; применяется для более ответственных кругов (резьбошлифовальных, заточных), выполняющих более точные работы, а также для изготовления брусков к хонинговальным и суперфинишным головкам.

Легированный электрокорунд (хромистый, титанистый, циркониевый). Электрокорунд хромистый (технический рубин) получают так же, как и предыдущие электрокорунды, из глинозема с добавкой от 0,4 до 2 % СгаОз, содержит до 97 % AI2O3. Зерна хромистого электрокорунда по сравнению с белым обладают более высокой стабильностью физико-механических свойств и содержат больший процент монокристаллов. Он более твердый, чем белый электрокорунд, по цвету сходен с рубином, имеет темно-розовую или темно-вишневую окраску, выпускается марок 32А, ЗЗА, 34А.

Электрокорунд титанистый (технический сапфир) получают также путем плавки глинозема с присадками 2-3 % окиси титана. Его зерна имеют повышенную режущую способность, он тверже хромистого электрокорунда и выпускается под маркой 37А.

Электрокорунд циркониевый получают из глинозема, двуокиси циркония (10-40 %) и окислов титана, более твердый и износостойкий, чем титанистый электрокорунд; выпускается под маркой 38А.

Монокорунд - одна из разновидностей электрокорунда, зерна которого состоят из отдельных кристаллов или их осколков; содержит до 97 % AI2O3. Твердость его выше твердости белого электрокорунда. Он обозначается. 4А и имеет марки 43А, 44А, 45А. Его особенность - наличие большого числа граней, а значит, и режущих кромок зерна. С увеличением размера зерна структура его ухудшается и снижается прочность. Применяется для скоростных и заточных кругов, а также для микропорошков, обеспечивающих шероховатость ббработанной поверхности Rz 0,10-0,05 мкм.

Карбид кремния SiC получают в электропечах при температуре 1800-1850 °С из материалов, богатых кремнеземом и материалов с высоким содержанием углерода (нефтяного кокса, антрацита и т. д.). Карбид кремния обладает большей твердостью и хрупкостью, чем электрокорунд, имеет более острые режущие кромки. Он разделяется на черный и зеленый карбид кремния.

Карбид кремния черный обозначается 5С, содержит 95-98 % SiC и имеет черный или темно-синий цвет, выпускается марок 52С,