1. Общие вопросы износа

Под износом понимают обычно постепенное нежела­тельное изменение поверхности твердых тел, происходя­щее преимущественно вследствие механического давле­ния мелких частиц материала [1, 2].

Научные исследования износа металлов и обычных сплавов ведутся уже примерно более 40 лет, а металло – керамических твердых сплавов — около 20 лет.

Для сопоставления сплавов по износу были разра­ботаны многочисленные методы и испытательные лабо­раторные приборы. Вначале предполагали, что каждый материал должен обладать специфической, присущей только ему износостойкостью. Однако вскоре, выясни­лось, что проблема износа более сложна, чем это было принято считать раньше, и зависит от различных фак­торов [2—7]. Осложняющим моментом при этом являет­ся то обстоятельство, что большинство износостойких материалов обладает не гомогенной, а явно гетероген­ной структурой.

Факторы, определяющие износ

Для уменьшения износа металлического материала и регулирования его с помощью легирующих добавок нужно выявить те отдельные факторы, которые влияют на ход процесса износа. Необходимо, однако, принять во внимание, что процесс износа металлокерамических твердых сплавов на основе карбидов металлов, изготов­ленных путем спекания с обусловленными этим особен­ностями структуры, часто протекает иначе, чем у ос­тальных металлических материалов.

К заметно влияющим на стойкость твердых матери­алов и твердых сплавов факторам относятся: твердость, предел прочности при изгибе, предел прочности при сжатии, жаропрочность и структура, а в ряде случаев также коррозионная устойчивость и окалиностойкость [8]. Развитие режущих материалов от углеродистых сталей (быстрорежущие стали и стеллиты занимают промежуточное положение) до современных металлоке­рамических твердых сплавов, высокая износостойкость которых по сравнению со сталями связана с большим содержанием карбидов вольфрама, титана, тантала, ва­надия и т. д., происходило с учетом знания перечислен­ных факторов.

Поскольку износ материала в значительной мере за­висит от его твердости [9, 10], прежде всего требовалось тщательно изучить именно этот фактор. Дать объясне­ние понятию «твердость» очень трудно. Обычно твер­дость определяют как свойство материала, связанное с сопротивлением проникновению другого тела или де­формации, резанию, царапанию, истиранию.

Другие особенности проблемы твердости освещены в работах [11 —13].

К наиболее широко применяемым способам испыта­ния твердых сплавов на твердость относятся способы вдавливания алмазного конуса (Роквелл) и алмазной пирамиды (Виккерс). При применении этих способов необходимо учитывать, что все литые и спеченные ме – таллоподобные материалы, а следовательно, и метал­локерамические твердые сплавы состоят из массы од­нородных или разнородных кристаллов. При определе­нии макротвердости обычными методами охватывается слишком большое количество кристаллов (в случае мелкодисперсных твердых сплавов свыше тысячи). Та­ким образом, испытание на макротвердость дает толь­ко среднюю величину твердости материала. В связи с этим для сплавов с гетерогенной структурой, например подшипниковых сплавов, быстрорежущих сталей с вы­соким содержанием карбидов и металлокерамических твердых сплавов, по макротвердости нельзя получить ясного представления об отдельных компонентах струк­туры. Лишь с помощью созданных в последнее время приборов для определения макротвердости [14—18] уда­лось определить твердость отдельных компонентов структуры [19—27]; Для определения твердости отдель­ных компонентов можно использовать также и метод Бирнбаума [28]. Данные по зависимости между макро­твердостью, микротвердостью, микротвердостью цара­панием (по Бирнбауму) и классическими величинами твердости минералов по шкале Mooca приведены в табл. 43. Для сопоставления в табл. 43 приведены также данные для различных компонентов структуры стали и твердых сплавов [5, 14, 20, 29, 30, 31—33].

Злачительное влияние на износ режущих твердых сплавов в процессе резания и твердосплавных волок при горячем волочении проволоки оказывает также го­рячая твердость [34]. О горячей твердости сплавов типа WC—Со и типа WC—TiC—Со уже упоминалось выше. С увеличением содержания кобальта горячая твердость понижается, а добавление TiC несколько повышает ее. О большом влиянии, которое оказывает горячая твер-

Таблица 43

Твердость различны* минералов, а также стальных

Твердость

Методами

Микротвердость

V cq

А о

Структурные компо­ненты стали или твердых сплавов

Твердое. ь HB, кГ/мм2

& —.

О. Jct,

ЭЯ I—

X

« g я

Та з u

О

Минерал или твердый ма­териал

По К пу­лу KlOO [14J

По Виккерсу, к Г/ммг

ПО XpyuiOBy, KflMMi [30]

Тальк

1

1

—.

_____

2,4

Гипс

2

2

32

30

36

Известковый шпат

3

3

135

180

110

Плавиковый шпат

4

4

163

200

190

Апатит

5

5

360- 430

600

540

Полевой шпат

6

6

490— 560 6S0

900 1100

790

Кварц

I

7

7

710— 790

1250

1120

Твердость HRC

Склеро­метри­ческая твер­дость

1—21

30

10—57

135

-_____________

126—

135

160

3

138—

145

410

43

870—

1740

510

52

2100—’

600

2500

60

—2500

640

61

2070—

3900

Феррит

Перлит, аустенит

Мартенсит

Зг

СО

To

Продолжение табл. 43

Твердость

Микротвердость

Минерал или твердый материал

Ф

G

S га

Ag о S

По расширен­ной шкале Mooca 129] I

По Кнупу KlOO (14]

По Виккерсу, кГ/мм’

По Хрушову, КГ I ммЧЖ\

Твердость HB, кГ/мм’

Твердость HRC

Склеро­метри­ческая твер­дость

Структурные компо­ненты стали или твердых сплавов

Топаз

8 9

1130 1250

1350 1400

1430

800

71

-2700 2770— 4440

Цементит, стеллит

Гранат

Плавленная ZrO2

10 11

1800

1900

HV 1300— 1500

HRA 87— 90

Металлокерамиче – ские твердые спла­вы, двойные кар­биды, карбиды*1

Корунд

Карбид кремния

Карбид бора

Алмаз

9

10

12

13

14

15

2000 2150

2300

5500— 7000

2800(2500— 3000)

3500

3700 -8000

2560*г(2150— 2900)

3000 10 060

HV 1500— 1700

HRA 90— 92

3900— 8300

Металлокер а миче – ские твердые спла­вы, карбиды и твердые растворы карбидов*3

¦——————– „_ с 1 ^o/ связки- двойной карбид 2Fe3C, ЗСг4С, карбиды TaC,—- растворы* карби-

Z0mTpTmokTpT^^е=е%=кие5тве^еВЯсплквДь, с,-15* связки; карбиды WC, Т. С, ZrC, тверд

Sf TiC-WC TapC-WC, TiC-TaC-WC. Прим. авторов. ————-

Дость на износ твердосплавных резцов при резании, см. ниже (см. также данные по режущей керамике на осно­ве окиси алюминия).

Если бы твердость, например, алмаза, корунда, кар­бида кремния, карбида бора и тугоплавких карбидов металлов типа карбидов вольфрама и титана была един­ственным фактором, определяющим их износостойкость, то эти твердые материалы сами по себе были бы при­годны в качестве материалов для резания, для волок а также для вращательного и ударного бурения. Это, однако, бывает лишь в ограниченных случаях, причем лишь при тех рабочих процессах, когда от материала не требуется большой механической прочности. Алмаз при чистовом точении и шлифовании, т. е. при низких усилиях резания и небольшом сечении стружки, во мно­го раз превосходит твердые сплавы. При черновом же точении, т. е. при’высоких усилиях резания, большом сечении стружки и при прерывистом резании он со­вершенно непригоден. В волоках для чистового во­лочения алмаз превосходит все остальные материалы. Однако при больших диаметрах волок он не выдержи­вает высокого давления на поверхность и легко раска­лывается. Алмаз хорошо подходит для вращательного бурения породы, но для ударного бурения менее при­годен, чем металлокерамические твердые сплавы. Кар­бид бора не пригоден для обдирочной обработки реза­нием и для волочения из-за низкой прочности. В каче­стве материала для сопел пескоструйных аппаратов карбид бора превосходит (в тех случаях, когда сопла работают при умеренном давлении) все остальные ма­териалы, в том числе в пять раз — более прочные твер­дые сплавы.

Таким образом, в большинстве случаев, когда требу­ется износостойкость, необходимо, кроме того, прини­мать во внимание в качестве решающих факторов пре­дел прочности при сжатии, предел прочности при из­гибе, а также жаропрочность материала. В табл. 44 приведены данные по твердости, пределу прочности при изгибе и пределу прочности при сжатии различных твер­дых материалов, а также металлокерамических твердых сплавов типа WC—Со и WC—TiC—Со. Очень твердые алмаз и карбид бора обладают в то же время относи­тельно низкими прочностными характеристиками. Зин-

Твердость, предел прочности при изгибе и предел прочности при сжатии твердых материалов и твердых сплавов

Твердый материал, твердый сплав

Твердость по Виккерсу HV, кГ/мм2

Предел проч­ности при изгибе, кГ/мм2

Предел проч­ности при сжатии, кГ/мм2

Алмаз

— 8000*1

30

200

Карбид бора*2

3700*1

15—30

180

Карбид кремния

3500*1

10

100

Зинтеркорунд *3

2800*1

25—40

300

Литой карбид вольфрама

3000*1

30-40

200

Спеченный монокарбид воль­

2200*1

40—50

300

Фрама

WC с 6% Со (крупнозерни­

1500—1600

160—180

500

Стый)

WC с 6% Со (мелкозерни­

1600—1700

140—160

. ¦ 550

Стый)

WC с 11 % Со

1300—1400

160—200

460

WC с 13% Ca

1250—1350

170—210

450

WC с 20% Со

1050—1150

200—240

340

WC с 25% Со

900—1000

180—230

320

WC с 16% TiC + 6% Со

1600—1700

110—120

430

WC с 14% TiC+8% Со

1550—1650

130—140

420

WC с 5% TiC+9% Со

1450—1550

150—160

460

*’ Микротвердость. *г Литой или горячепрессованный. " Спеченный или горячепрессованный.

Теркорунд и литой карбид вольфрама близко подходят друг к другу по своим механическим свойствам. По пределу прочности при изгибе и при сжатии металлоке – рамические твердые сплавы частично превосходят не­которые лучшие марки сталей. С увеличением содержа­ния кобальта предел прочности при изгибе твердых сплавов возрастает при одновременном уменьшении твердости; это видно также из сопоставления с литым и спеченным чистым карбидом вольфрама.

8*

115

Жаропрочность металлокерамических твердых спла­вов является исключительно высокой, даже при тех температурах, при которых быстрорежущая сталь ока­зывается непригодной с этой точки зрения. Это можно объяснить, с одной стороны, структурной прочностью жесткого карбидного каркаса и, с другой стороны, до­статочной жаропрочностью связующей фазы. По этой же причине металлокерамические твердые сплавы пре­восходят стали при горячей осадке [35—39].

У некоторых видов оборудования (насосы для откач­ки кислот, клапаны в химической промышленности и т. д.) детали из твердых сплавов наряду с механиче­ским износом подвергаются также воздействию химиче­ских реагентов. В связи с этим необходимо знать корро­зионную стойкость материала.

Устойчивость твердых сплавов к химическим воздей­ствиям, согласно Давилю [40], определяется, с одной сто­роны, устойчивостью карбидной составляющей и, с дру­гой стороны, устойчивостью металла — связки. Тугоплав­кие карбиды, как правило, устойчивы к соляной, серной и плавиковой кислотам; в то же время они чувствительны к воздействию таких кислот-окислителей, как азотная кислота. В связи с тем, что металлы, используемые в ка­честве связки карбидных компонентов, в большинстве случаев растворимы в кислотах, кислотосгойкость подоб­ных сплавов определяется преимущественно кислото – стойкостью связующей фазы. Коррозионное воздействие неокисляющих кислот заключается, следовательно, не в равномерном снятии поверхностного слоя, а в выщела­чивании связующего металла. При этом либо остается карбидный каркас, либо происходит распад на отдель­ные карбидные зерна [41].

Регулирование факторов, определяющих износ

После того как исследователи убедились в том, что твердость, предел прочности при изгибе, жаропрочность и микроструктура являются определяющими факторами в отношении износа, возник вопрос — как можно повли­ять на эти факторы.

Твердость можно регулировать, изменяя содержание связки или степень дисперсности карбидной и связующей фаз. По данным Мейера и Эйлендера [42], можно путем уменьшения размера зерен WC-фазы с 2—5 до 0,5—1 мкм повысить твердость сплавов WC—Со с 89—90 до 92—93 HRA. И, наоборот, в результате слишком высокой темпе­ратуры или слишком большой длительности спекания [43] образуются крупные карбидные кристаллы. При этом снижается твердость и износостойкость твердых сплавов.

Другой способ повышения твердости металлокерами- ческих твердых сплавов основан на введении в шихту вместо чистых карбидов твердых растворов карбидов. По данным работ [44 и 45] изоморфные карбиды метал­лов групп IVa и Va периодической системы (TiC, ZrC, VC, NbC и TaC) характеризуются полной взаимной рас­творимостью. Исключение составляет лишь ZrC—VC.

Согласно более поздним данным [46], карбид гафния ведет себя аналогично карбиду циркония. Так, в системе HfC—VC растворимость ограничена. Карбиды металлов групп IVa и Va хорошо растворяют карбиды металлов группы VIa (например, WC и Mo2C). Напротив, карбиды металлов группы VIa либо вовсе не растворяют карбиды групп IVa и Va, либо, если и растворяют их, то в незна­чительном количестве. В структуре, например, твердых сплавов WC—TiC—Со или WC—TiC—TaC (NbC) —Со об­разуется наряду со связующей у-фазой и а-фазой (чистый WC или твердый раствор крайне незначительных коли­честв TiC-TaC-NbC в WC) также и твердый раствор TiC-WC или TiC-TaC (NbC) – WC (р-фаза). Твердый раствор р при этом, как правило, несколько тверже, чем а-фаза. Наибольшая твердость твердых растворов при этом получается, как правило, при соблюдении некоторо­го определенного соотношения WC : TiC ‘. Это явление наблюдается также у твердых растворов Mo2C—TiC и др. [47][19].

Предел прочности при изгибе, подобно твердости, в большой степени зависит от содержания связки. При оди­наковом содержании связки предел прочности при изгибе можно изменять, изменяя степень дисперсности частиц карбидной или связующей фазы, а также режим спека­ния. В твердых сплавах WC—TiC-Co наличие TaC (NbC) в фазе твердого раствора замехно повышает пре­дел прочности при изгибе.

Жаропрочность можно улучшить путем уменьшения содержания связки или путем образования твердого рас­твора в карбидной или связующей фазе. К WC добавля­ют преимущественно TiC, TaC, TaC—NbC, VC, Cr3C2 или Mo2C, а к кобальту небольшие количества Fe, Ni, Cr или Mo. В некоторых случаях WC, являющийся основным компонентом в износостойких твердых сплавах, заменя­ют твердыми растворами указанных карбидов.

Микроструктура твердых сплавов карбид–связка может варьироваться в широком диапазоне, т. е. от ми­нимальной зернистости компонентов (размер зерен кар­бидной – фазы 0,5—1 мкм) до очень крупной (размер зе­рен карбидной фазы 5—50 мкм). С измельчением зерна и увеличением степени дисперсности твердость возраста­ет и, наоборот, пластичность является, по-видимому, мак­симальной у сплавов WC—Со с 8—10% Со и с одно­родной зернистостью 5—6 мкм. Сильная пористость, в особенности наличие макропор в структуре, является причиной более сильного износа. Твердые сплавы типа WC—Со с заниженным содержанием связанного углеро­да (в WC), содержащие т)-фазу, обладают большей твердостью и большей износостойкостью, но в то же вре­мя и большей хрупкостью, чем соответствующие сплавы с избыточным углеродом [48, 49].

Методы испытания твердых сплавов на износостойкость

Износостойкость твердых сплавов определяется раз­личными методами в зависимости от назначения спла­вов. При этом в большинстве случаев определяются только относительные цифровые величины износа.

Высокопроизводительные твердые сплавы, предназна­ченные для обработки различных материалов резанием, испытывают точением. При постоянной глубине резания ii подаче определяют стойкость, т. е. время до затупления токарного резца, в зависимости от скорости резания. По полученным данным строят кривые стойкости (см. гл. IV). Характерные явления износа токарного резца при этом следующие: на задней поверхности полоска износа фаски, на передней — так называемое лункообразование.

Если твердый сплав идет на армирование инструмен­та для бесстружковой обработки, а также для инструмен­та, работающего при ударных нагрузках и при нагрузках, связанных с царапаньем, абразивным действием и т. д., применяют другие методы определения износа [50].

У испытательной машины Нибердинга [51—53] шаро­видные шлифованные образцы двигаются под определен­ной нагрузкой по вращающемуся стальному или чугунно­му диску (можно применять и наждачную бумагу) [54, 55] от середины к краю. В результате этого образец со­вершает по спирали путь определенной длины. На испы­туемом образце возникают полосы износа, по которым легко можно определить степень износа. Износ твердого сплава при описанных условиях испытания почти не под­дается учету и составляет около ‘До износа быстрорежу­щей стали.

Однозначные результаты удается получить на машине Шкода-Савина [56]. Вращающийся твердосплавный диск шлифует крепко зажатые испытуемые образцы из стали или твердого сплава. Результаты испытаний на этой ма­шине твердых сплавов различной пористости приведены в табл. 45. Объем лунки увеличивается по мере увеличе­ния пористости твердого сплава. При этом соответствен­но возрастает так называемый «показатель износа по Савину». При тех же условиях испытания износ быстро­режущей стали оказывается примерно в пять — шесть раз больше.

Таблица 45

Износ твердых сплавов, определенный на машине Шкода-Савина

Твердость HV

Номер образца

KffMMz

Объем лунки, мм1- Юз, после

10000 об

Величина износа V1-3000

10000

Внешний вид поверхности (X 32}

1545

43,4

1508

51 ,J

76,0

1483

13,02

15,54

22,80

Мегод испытания на износ по Савину использовал П. Гродзинский [57] для определения микроизноса твер­дых сплавов. При помощи небольшого алмазно-металли – ческого диска, вращающегося с определенной скоростью,

Делают под нагрузкой надрез в образце из твердого спла­ва. Длина и ширина этого надреза, замеренная под мик­роскопом, характеризуют износостойкость сплава. Блэк [58] разработал прибор для испытания износостойких твердых сплавов. В приборе испытуемый образец, закреп­ленный во вращающемся зажиме, истирается влажным кварцевым песком или карборундовым порошком. При­бор дает хорошо сравнимые, хотя и весьма относительные показатели износа. В табл. 46 приведены данные по изно­состойкости различных твердых материалов. Эталоном для сравнения является обычная углеродистая сталь с показателем износа 1 [8, 59].

Таблица 46

Коэффициенты износа различных материалов, определенные по Блэковском’ методу пескоструйной обработки

Материал (структурный компонент)

Твердоеть HB, к Г/мм1

Коэффициент износа

Армко-железо (феррит)………………………………

90

1,40

Серый чугун…………………………………………..

200

1,00—1,50

Сталь SAE 1020 (стандарт) ….

107

1,00

Отбеленный чугун…………………………………….

400

0,90—1,00

Легированный отбеленный чугун. .

400—600

0,70—1,00

Сталь с 0,85% С (перлитная) . . .

220—350

0,75—0,85

Аустенит (12%-ная марганцовистая

Сталь) ……………………………………………………

200

0,75—0,85

Троостит………………………………………………

500

0,75

Мартенсит………………………………………………

700

0,60

Никелевый отбеленный чугун. . . Металлокерамический твердый сплав

550—750

0,25—0,60

1700 HV

0,17

Предметом многочисленных исследований в послед­нее время явилось испытание на износ и истирание чи­стых карбидов, боридов, и других твердых материалов и, наконец, наплавочных твердых сплавов [49, 60—69]. При этом подвергали испытанию при высоких температурах различные материалы для выяснения возможности их при­менения для деталей подшипников, работающих на из­нос при высоких температурах.

При испытании на износ, в особенности твердосплав­ных размольных шаров, можно также применять метод Нормана и Лёба [70]. При длительных испытаниях в практических условиях размола износ шаров определяют по потере в весе или по уменьшению диаметра. Износ шаров из твердых сплавов типа WC—Со в 50 раз меньше износа обычно применяемых для размола шаров из мо­либденовой стали в тех же условиях[20].

Примененный Милигэном и Риджуэйем [71], а также Амманом [72] метод испытания’на износ путем дробест­руйной обработки (стальной дробью) испытуемых образ­цов, оправдавший себя при испытании шлифовальных кругов [73], обеспечивает хорошо сопоставимые результа­ты и для твердых сплавов. Полученные данные в доста­точной мере подтвердились при сопоставлении в услови­ях эксплуатации твердосплавных сопел для пескоструй­ной обработки с соплами из инструментальной стали. Метод подвергся дальнейшему усовершенствованию; кро­ме того, были созданы соответствующие приспособления для испытания [73—75].

Данные табл. 40 [21] свидетельствуют о неодинаковой величине износа при пескоструйной обработке твердых сплавов неодинакового состава и различных твердых ма­териалов.

Безвольфрамовые металлокерамические твердые сплавы, в особенности сплавы на основе TiC—VC и TiC— – Mo2—С, изготовленные горячим прессованием, равно­ценны вольфрамокобальтовым твердым сплавам. Приме­нение горячего прессования повышает прочность и твер­дость этих сплавов и, следовательно, улучшает их изно­состойкость.

Особо устойчив к пескоструйной обработке карбид бо­ра, что дает возможность применять содержащие карбид бора спеченные изделия. Приходится, однако, учитывать его незначительную прочность при изгибе. При новом способе испытания на износ, например, твердосплавных токарных резцов (см. выше) или твердосплавных волок [76—79] применяют приборы, измеряющие радиоактив­ность снятой стружки или подвергающегося волочению материала, что является хорошим мерилом износа твер­дого сплава [80, 81].

Радиоактивность определяется гейгеровским счетчи­ком или же авторадиографически.