Лекция 9. Твердые сплавы

Твердые сплавы делят на металлокерамические, литые., зернообразные и электродные.

Металлокерамические твердые сплавы. Эти сплавы состоят в основ­ном из карбида вольфрама (WC). Твердость карбида вольфрама очень высокая, но в то же время он очень хрупкий. Для применения карбида вольфрама в качестве материала для режущих инструментов порошок карбида вольфрама прессуют и спекают при высокой температуре (1400 °С) с порошком кобальта, при этом кобальт является пластичной связкой для карбида вольфрама. Таблица 9.1 - Состав (масс. %) и твердость твердых сплавов (ГОСТ 3882—74)

Сплав	WC	TiC	TaC	Co	Твердость HRA
Вольфрамокобальтовые
ВК3		—	—		89,5
ВК4		—	—		89,5
ВК6		—	—		88,5
ВК8		—	—		87,5
ВК10		—	—		87,0
Титановольфрамокобальтовые
Т30К4			—		92,0
Т15К6			—		90,0
Т5К10			—		88,5
Титанотанталовольфрамокобальтовые
ТТ7К12					87,0
ТТ8К6					90,5
ТТ20К9					89,0

В дальнейшем вольфрамокобальтовые твердые сплавы были усовершенствованы введением в них карбида титана (TiC) и карбида тан­тала (ТаС). Вольфрамотитанокобальтовые твердые сплавы получают прессованием и спеканием порошков карбида вольфрама, карбида титана и кобальта. Высокие твердость (до HRA 92), износостойкость и красностойкость (до 900 °С) этих сплавов позволили значительно увеличить скорости резания. Металлокерамические твердые сплавы делят на три группы: вольфрамовые твердые сплавы для обработки чугуна, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов; титановольфрамовые твердые сплавы и титанотанталовольфрамовые сплавы для обработки стали. Карбидной фазой в сплавах первой группы является WC. С уве­личением связующей основы кобальта. Карбидной фазой в сплавах первой группы является WC.

Сплавы второй группы отличаются большей красностойкостью, чем сплавы первой группы. В сплавах третьей группы содержатся карбиды (Ti, Та, W) С и WC. Сплавы этой группы обладают большей прочностью, чем сплавы второй группы, и лучше сопротивляются ви­брации и выкрашиванию. Поэтому их используют при наиболее тяжелых условиях резания (черновое точение стальных поковок, отливок по корке, при налипании песка и пр.).

Литые твердые сплавы и наплавочные материалы. В тех случаях, когда требуются наиболее высокая твердость и износостойкость (на­пример, для оснащения рабочих поверхностей буровых долот в нефтя­ном бурении, для вставок в волоки для волочения проволоки) исполь­зуют литые сплавы, целиком состоящие из твердых тугоплавких кар­бидов, в частности карбидов вольфрама. Производство литых сплавов карбидов вольфрама основано на получении сплавов, близких по составу к эвтектическому: W₂C + WC. Сплав эвтектического состава имеет более низкую температуру плавле­ния (2525 °С) и обладает весьма мелкозернистой структурой, что при­водит к повышению эксплуатационных свойств. Твердость литых карбидов вольфрама достигает HRA 92—93. Однако вследствие высо­кой хрупкости литые сплавы карбидов вольфрама используют для изготовления не целиком всего инструмента, а в виде вставок, ввари­ваемых при помощи ацетиленокислородного пламени или электрической дуги на рабочую поверхность бурового долота или инструмента для разведочного бурения. Наплавочные материалы широко используют для повышения износостойкости и восстановления размеров изношенных деталей и инструмента. С этой целью в качестве наплавочных материалов применяют литые сплавы на основе железа типа сормайт. Примерный состав одного из них (сормайт № 1) следующий: 3 % С, 30 % Сг, 5 % Ni, 3 % Si, остальное — железо. Подобные сплавы используют для на­плавки на рабочие поверхности штампов, крупных волочильных матриц и др. Наиболее распространенными сплавами на основе кобальта являются сплавы типа стеллитов, такие, например, как В2К (2 % С, 30 % Сг, 15 % W) и ВЗК (1,1 % С, 30 % Сг, 5 % W).

Литые наплавочные сплавы изготовляют в виде прутков неболь­шого диаметра (6—7 мм). Для наплавки сплав расплавляют ацетиленокислородным пламенем или электрической дугой и наносят на рабочую поверхность детали.

Зернообразные твердые сплавы. Для наплавки применяют также зерновые наплавочные смеси раздробленного ферромарганца, феррохрома, чугуна и угля. Широкое распространение в нефтяной и газовой промышленности нашли зернообразные твердые сплавы сталинит и вокар. Сталинит представляет собой зернообразную массу (с величиной зерна до 1 мм) следующего состава: 8—10 % С, 16—20 % Сг, 13—17 % Мn, 3 % Si, остальное — железо. Температура плавления сталинита 1300-1325 ^оС. Структура сплава — аустенит с большим количеством карбидов, твердость более HRC 65.

Твердый сплав вокар представляет собой зернообразную массу с величиной отдельных зерен 1 – 3 мм. Эта масса, состоящая из зерен вольфрама и углерода, при помощи электрической дуги наплавляется на поверхность детали в один, два или три слоя. Химический состав вокара следующий: 9-10 % С; 85-87 % W; до 3 % Si, до 2 % Fe. Вокар применяется для армирования лопастных буровых долот, шнеков пневмонасосов, крыльчаток насосов, брони решеток шаровых мельниц, щек дробилок и т.д. Износостойкие покрытия наплавляют также электродами, изго­товленными из железа или стали и обмазанными разнообразными зер­новыми или порошковыми наплавочными смесями (электродуговая направка). Электродные твердые сплавы представляют собой прутки из малоуглеродистой стали (сварочная электродная проволока) длиной 400 мм и диаметром 3, 4 или 5 мм.

На длине 370 мм прутки имеют сплошной слой специальной обмазки толщиной 1,2 – 1,5 мм. Вес обмазки колеблется в пределах 15 – 25 % по отношению к весу электрода.

Виды обмазок. Карбидная (марка Т-590) - феррохром 90 %; карбид бора 5%; графит 5 %, ферротитан 40 %. Сталинитовая (марка НС-2) – крахмал или декстрин 2,0 %; мрамор 9,5 %; марганцевая руда 4,75 %; сталинит 90 %. Ферросплавная (марка У-340/105) – полевой шпат 19,2; феррохром 7,0 %.

Применение твердых сплавов в нефтяной и газовой промышленности. Твердые сплавы широко применяются для армирования быстроизнашивающихся рабочих поверхностей буровых долот. При армировании лопастных долот применяется сплав вокар. Армирование выполняется при помощи электрической дуги, возникающей между угольным или графитовым электродом и вокаром, насыпанным на армируемую поверхность долота. Армирование может производиться последовательно в один, два или три слоя. Ограничиваются наплавкой в два слоя толщиной 4 – 6 мм. Армирование лопастных долот можно выполнять напайкой на перья или на ребро долота пластиной твердых сплавов ВК8. Припоем служат стержни из серого чугуна диаметром 6-12 мм и длиной 400 – 700 мм. Зубья долот армируют зернистым твердым сплавом – рэлитом (литыми карбидами вольфрама).

Армирование происходит по принципу твердой пайки металла. Крупка твердого сплава в смеси с флюсом (борной кислотой) на ссыпается на оснащаемую поверхность. Затем поверхностный слой металла шарошки нагревается источником тепла (газосварочным пламенем, токами высокой частоты) до температуры плавления. Зерна твердого сплава, имеющие большой удельный вес, под действием силы тяжести погружаются в расплавленный металл шарошки. При остывании зерна твердого сплава оказываются впаянными в основной металл шарошки. Для оснащения шорошек долот, предназначенных для бурения твердых и крепких пород, применяются сферические вставки из металлокерамических твердых сплавов.

Интересен способ армирования шорошек, называемый объемным. Он заключается в том, что при получении шарошек методом литья в литейную форму до заливки помещают брикеты твердого сплава любой заданной формы. После остывания металла твердый сплав оказывается включенным в общий объем шорошки в местах, подвергающихся наибольшему износу.

Рекомендуемая литература:

Осн. 1 [249-261]

Контрольные вопросы:

1. Что называется твердыми сплавами?

2. Какой основной компонент входит в состав металлокерамических твердых сплавов?

3. Как классифицируются твердые сплавы?

4. Что из себя представляют наплавочные твердые сплавы?

5. Какие сплавы относятся к зернообразным твердым сплавам?