Твердые сплавы WC—TiC—TaC(NbC)—Со

Комшток предложил заменить твердые сплавы WC — TaC — Со и WC-TiC — Со четырехкомпонентными сплавами WC—TiC—TaC—Со Эти сплавы, содержащие в более широких пределах 35—80% WC, 5—45% TaC, 0,5—30% TiC и 1—30% связующего металла из группы железа и в более узких пределах 50—70% WC, 10— 35% TaC, 3—10% TiC и 5—15% связующего металла, имеют несколько большую вязкость, чем чистые сплавы WC — TiC.— Со, и более высокую стойкость при резании, чем сплавы WC — TaC — Со. Необходимо отметить так­же их меньший износ по передней поверхности инстру­мента при обработке стали. Сплавы WC—TiC—TaC— Со нашли широкое применение в США, где они почти пол­ностью вытеснили сплавы WC—TiC—Со и WC—TaC— Со; в течение последних десяти лет эти сплавы с успехом применяют и в Европе. Правда, сплавы WC-TiC — TaC(NbC)—Со дороже сплавов WC — TiC — Со из-за высокой стоимости сырья. Особенно это относится к сплавам с высоким содержанием TaC. Аналогичное яв­ление наблюдается и при полной или частичной замене TaC пока еще дорогим HfC [16].

Систематические исследования влияния TaC или TaC — NbC на твердые сплавы WC — TiC — Со провел Киффер [3, 17].

Из сопоставления сплавов WC — TiC — Со без доба­вок карбида тантала и с добавками его (причем приня­ли, что по производительности резания 1 % TaC соответст­вует 0,5% TiC) следует, что TaC(NbC) повышает предел прочности при изгибе на 5—15% (табл. 11). Киффер по­лагает, что это объясняется способностью TaC образовы­вать твердые растворы й препятствовать росту зерна карбидных фаз. Данное явление обнаружили в твердых сплавах WC-TaC-Co и WC—Со с присадками 1— 2% TaC—TiC или TaC—VC-твердых растворов. Иссле­дование системы WC — TiC — TaC [18] показало, что до­бавка TaC снижает растворимость WC в TiC, увеличи­вая, таким образом, количество вязкой матрицы WC — Со; однако производительность резания при этом не по-

Тзблица 11

Влияние добавок TaC на свойства сплавов WC—TiC—Со

Ж"

И

Х>

? H

Предел

TiC,

И

?

Предел

TiC, %

Со,

U

Прочности

Дз

Со,

И

Прочности

?

%

«

При изгибе,

%

Z

%

О

При изги­

4

КГ/мм’

I

И

TU rv

Бе, кГ/мм*

?

На;

H

На;

40,5

0

6,5

92—

80—90

13

4

8,5

90

155—165

93

38

5

6,5

92

95—105

7,5

0

9

89

150—160

20,5

0

7,5

91,5

115—125

5

5

9

89

175—190

18

5

7,5

91

130—140

7

0

6,5

91

130—140

15

0

8,5

90

130-145

4

6

6,5

91,5

150—170

* WC — остальное

Смеси карбида WC с твердым раствором TiC — TaC и Со;

Смеси карбида WC с твердыми растворами TiC — WC и TaC-WC и Со;

Смеси карбида WC с твердым раствором TiC — TaC-WC и Со;

Псевдотройной твердый раствор WC — TiC — TaC с Со. Здесь перечислены не все варианты получения

700 ^ IS

1

600 ^

К ё ?

500

I * W J

I

300^

350

Il

5 vC

? ^ 250 S ^

150

TH

50

2000

WOO

К L <? 1200

I

Hi" 800

2 —-

3

S ————-

;

Твердо/и Сппа в: PiO РЗО Р20 PlO TiC* Га С – 9 7 Ц 21 Со¦ 15 10 10 9

POl

Ьз 6

Рис. 25. Зависимость предела прочности при изгибе (/), твердости (2) и предела прочности при сжатии (3) твердых сплавов WC-TiC-TaC(NbC)-Co от состава

¦сплавов WC — TiC—TaC — Со и твердых растворов. Следует отметить, что для получения сплавов с опти­мальными свойствами, соответствующими современной твердосплавной технике, необходимо знание пе только бинарных систем WC—TiC, TiC-TaC и WC-TaC, по н псевдотройной системы WC — TiC — TaC [18], пределов растворимости карбидов и способов получения твердых растворов.

Химический состав и физические свойства промыш­ленных сплавов WC-TiC-TaC (NbC)-Co (американ­ских и европейских марок) приведены в табл. 12 и 13*1 [6—8, 17, 19—27] и графически представлены на рис. 25 [19].

Количество TaC в присадочных твердых растворах TiC+ TaC составляет: в сплавах группы К (по классифи­кации ISO) 50—75%, группы М —30—50%, в вязких сплавах группы P — 30—50%, в сплавах с высокой твер­достью группы P—15—40%. При малых добавках TaC большей частью применяют безниобиевый TaC, при боль­ших— с 5—40% NbC (преимущественно с 10— 25%) NbC). Некоторые европейские сплавы промежуточ­ных марок фирмы твердых сплавов производят, варьируя величину зерна WC, а также содержание кобальта и (TiC + TaC) или руководствуясь химическим составом американских сплавов с более высоким содержанием TaC и Со. В табл. 13 приведены также еще не нормированные ISO сплавы группы G, содержащие наряду с WC 6— 30% Сои 1—2% (TiC + TaC). Эти сплавы применяются преимущественно для изнашивающихся деталей и инст­рументов для бесстружковой обработки.

Для определения зависимости свойств сплавов WC — TiC—TaC—Со от химического состава Балльхаузен*1 построил пространственную диаграмму, по которой, взяв за основу свойства сплавов WC—-Co, TiC—Со и TaC — Со, можно определять свойства сплавов WC — TiC — TaC — Со определенного состава.

Плотность

Плотность сплавов WC — TiC — TaC(NbC)—Со вследствие более высокой плотности TaC выше, чем у сплавов WC—TiC—Со при замене TiC карбидом тан­тала (табл. 12 и 13).

Твердость

Значения твердости но Роквеллу и Виккерсу сплавов промышленных марок приведены в табл. 13, 14 и 15, а также на графике (см. рис. 25). Твердость повышается с увеличением содержания TiC+ TaC (NbC) и уменьшени­ем содержания связки.

Ю ю

О со

Внвэйигпэвй ojoh – ранни1 ojosoimsx!.нэипиффео)!

О

‘чюон

-IjOQQdnOuUd Jl

ОО CD О

So о

Л Hw

Ш

< с у

О

О о ш ю

О о о

О

8 о

_ ° I о Soo СО CD 1 о CD ID ID

OO1O — О 1Л 1

ZKK/J3/ ‘ИИ1ВЖЗ Hdn HlD – oHhodn ifatfadu

О о

I

О

OJ

О> — —

Ооооооо

S 0) , HOw

О

CN

И — Г?

К S

AO

С р.» а

Ю CD CN СО Ti" со

OOOOOOQ

Ю о m о ю ю о

Л

H о. я B-S к

Sm –

H о>

G^*

^ Ю СО ^ Tl1 IO LQ

Ооооооо ю о о ю о ю о

Оооооооооооооо Ю0100Ю100Ю0010000 сот^юсосо^-^соФ-ч^-^ююсо

*}* г- Ю Ю CD CD f-

О—’ CN О О —I и О IN – CN IN IN 010)0)0)010101010)030)0010)

TOC \o "1-3" \h \z I I I I I Il I I I I I I I

0)0 — 0)0)1000) —> О IO — —« —¦

000)0)0000 -0)000)0) – 0)0)0)

Л

Й 4 о ч

H О S

0 о

1 О)

Tj-TOt-^lDINOOCOOlcO-^fCOt-^ П СО NWMN-M-M^nO

О?

И – IO СО о со

Г – ^f CN

Ю

О OO

Ч С

СО СО CN CN CN-

Ю in ю ю

О OO О О)

СО

Hz

О н

00)t^CNOOOCT)OQO

Mo)cNcDoooooooooooor-ooo CN — —I —

•^lOCOt^r-^OOOCNcNCNCOOO . — .CNCO

Таблица 13

О

0

I ^

F.

Iak

Ss

So 5

•Q, S Я

1

01 в о, о й s «ч а

46

7,5

0,04

48

7,5

0,04

6,0

53

6,5

0,07

54

6,0

0,08

55

6,0

0,10

56

5,5

0,14

55

5,5

0,14

52

0,13

58

5,5

0,12

57

5,5

0,15

55

5,5

0.15

54

6,0

0,16

67

4,5

0,20

65

5,0

0,19

63

5,0

0,19

62

5,0

0,19

58

5,3

0,17

57

5,5

0,16

63

5,0

0,19

62

5,0

0,19

58

5,3

0,17

57

5,5

0,16

54

6,0

0,14

50

6,5

0,13

47

7,0

__

45

7,5

Свойства сплавов WC-TiC-TaC (NbC)-Co для обработки резанием (группы применения Р, M и К по ISO), а также для бесстружковой обработки и изнашивающихся деталей (группа G)

Coci WC

Ав*\ *

И

ТО

+

У

H

% Co

Плотность, г/сж3

Твердость HV. кГ/ммг

Предел прочно­сти при изгибе, кГ/ммг

J Предел прочно­сти при сжатнн, кГ/мм’

30

64

6

7,2

1800

75

350

51

43

6

8,5

1750

90

420

62

33

5

10,1

1750

100

410

77

18

5

12,2

1700

110

430

63

28

9

10,7

1600

130

460

76

14

10

11,9

1550

150

480

71

20

9

12,4

1450

175

480

82

8

10

13,1

1500

170

500

75

12

13

12,7

1400

190

490

68

15

17

12,5

1300

210

400

74

10

6

13,1

1750

135

500

72

10

8

13,4

1550

160

500

71

10

9

14,4

1450

180

480

79

6

15

13,6

1300

210

440

92

4

4

15,0

1800

120

590

91

3

6

14,5

1750

140

590

92*4

2

6

14,8

1600

150

570

93

1

6

14,8

1550

170

520

90

1

9

14,4

1450

190

470

87

J

12

14,2

1300

210

450

92*4

2

6

14,8

1600

150

570

93

I

6

14,8

1550

170

520

90

1

9

14,4

1450

190

470

88

1

12

14,2

1300

210

450

85

1

15

13,7

1200

240

410

80

1

20

13,5

1100

260

380

75

1

25

13,1

1000

270

330

70

1

30

12,8

950

280

300

SS о,* с *

‘ По ДИН 4990, апрель 1959 г. « Примерные состав н свойства евро­пейских марок твердых сплавов. « В большинстве случаев TaC содер­жит 5-40% Nb С. н Включая VC. « Пока не стандартизованное обозначение марок сплавов для бесстружковой обработки и изнашивающихся деталей

Амман и Хиннюбер [9] отмечают, что твердость по Виккерсу сплавов WC — TiC — TaC — Со при повышен­ных температурах на 50—100 единиц выше, чем у спла­вов WC’—TiC-Со. Этого можно достигнуть и при бо­лее высоком содержании кобальта [28].

Предел прочности при изгибе

Как указывалось выше, сплавы WC — TiC — TaC(NbC)—Со превосходят по прочности бестантало – вые сплавы на 5—15%, что является их главным преиму­ществом.

Твердый сплав

Рис. 26. Горячая прочность твердых сплавов WC-TiC-TaC (NbC)-Co:

/ — 20° С; 2 — 400° С; 3 — 600° С; 4 — 800° С;

J — 1000° С

Значения предела прочности при изгибе даны в табл. 12 и 13; зависимость прочности от состава приведе­на на графике (рис. 25).

В настоящее время на современных высокопроизво­дительных станках твердые сплавы для обработки стали подвергают нагрузке вплоть до предела термостойкости. Поэтому большое значение имеет знание таких свойств сплавов, как горячая прочность и термостойкость. Хин­нюбер [20, 29] изучил горячую прочность сплавов WC – TiC—TaC—Со. С повышением температуры предел проч­ности при изгибе сплавов с более высоким содержанием TiC—TaC снижается значительно слабее, чем у сплавов с малым содержанием TiC—TaC и с большим содержа­нием кобальта (рис. 26).

Предел прочности при сжатии

Данные о пределе прочности при сжатии сплавов WC-TiC-TaC(NbC)-Co при обычной температуре приведены в табл. 13 и на рис. 25 и 27.

При нагреве способность сплавов к осадке изменяет­ся, согласно Хиннюберу [20, 29, 30], аналогично пределу

I

¦ 1

У

/

/

^ Нагрузка, лГ/япг

Рис. 27. Осаживаемость твер­дых сплавов WC—TiC—- TaC(NbC)—Со и быстрорежу­щей стали:

Haepyj"", кГ/ммг

Рис. 28. Осаживаемость сплава P40(WC—TiC-TaC(NbC)-Co) при повышенных температурах:

/ — 1000° С; 2 — 800° С; 3 — 600° С; 4 — 400° С

1 — быстрорежущая ста. чь; 2 — Р40; Л — PlO

Прочности при изгибе (рис. 28). Следует особо подчерк­нуть превосходство твердых сплавов над быстрорежу­щей сталью.

Теплопроводность и термостойкость

Теплопроводность сплава с 9% TiC + TaC и 15% Со в два раза выше, чем у сплава с 21 % TiC+ TaC и 9% Со; кроме того, предел прочности при изгибе первого спла­ва на 50% выше, чем у второго; этим и объясняется, что термостойкость, определяемая многократным охлажде­нием в воде, в 3,5 раза выше для более вязкого спла­ва [19, 20, 29].

Изменение теплопроводности в зависимости от соста­ва сплава приведено в табл. 13 и на рис. 29.

Тепловое расширение

Данные о тепловом расширении в зависимости от состава сплава приведены в табл. 12 и 13, а также на графике (рис.29).

Рис. 29. Зависимость теплопроводности (1) и теплового линейного рас­ширения (2) твердых сплавов WC—TiC— TaC(NbC)-Co в зави­симости от состава

TBepdwii

Сплав: PWP30P20 PlO

TiC+TaC 9 7 U 21

Со: 151010 9

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость сплава WC—TiC—TaC—Со (73/5/7/15) составляет 0,047 кал/г – град [31].

Электросопротивление

Небольшие присадки TaC значительно повышают электросопротивление сплавов WC—Со, очевидно, за счет малой растворимости TaC в WC и Со. Однако в сплавах WC—TiC—Со это влияние незначительно [17].

Магнитные свойства

По данным Хиннюбера и сотрудников [25], коэрци­тивная сила сплавов с 6% Со, 2% TiC + TaC или 9% Со, 26% TiC + TaC, остальное WC составляет 220—223 и 128—136 э соответственно, причем эти величины зависят от дисперсности кобальтового порошка [26].

Структура

Из металлографических исследований сплавов WC—TiC—TaC—Со (значительное большинство про­мышленных сплавов содержит 2—18% TiC, 2—15% TaC и 5—18% Со) следует, что наряду с фазой связующего металла (7) всегда присутствуют два карбидных скеле­та, проникающих друг в друга — скелет WC (а-фаза в виде cci или а2) и скелет твердого раствора TiC—TaC—WC (р-фаза) [17, 20, 23, 25, 32—34]. Скелет WC характери­зуется блестящими белыми угловатыми кристаллами;

Скелет твердого раствора выявляется травлением при нагреве и состоит из округлых, окрашенных в желтова­то-коричневый цвет зерен. При увеличении содержания в сплаве TiC + TaC скелет WC растворяется, и а-фаза выявляется лишь в виде макро – и микродисперсных включений в основной р—у-массе.

В сплавах, предназначенных для прецизионного свер­ления с 40% TiC + TaC, и в высокожаропрочных спла­вах с 60% (и более) TiC + TaC а-фаза полностью исче­зает и остается структура двухкомпонентного спла- ва (P/y).

Окалиностойкость

Согласно Хиннюберу и сотрудникам [35, 36], присад­ка TaC к твердым сплавам WC—TiC—Со повышает ока­линостойкость. Петрдлик и Дуфек [17] подтверждают это и полагают, что наиболее действенной является до­бавка до 5% TaC.

Режущие свойства

В многочисленных сравнительных исследованиях сплавов WC—TiC—Со, содержащих TaC (NbC) [4, 17, 23, 25, 37—39], единодушно отмечается значительное улучшение режущих свойств, повышение периода стой­кости, а также меньшая склонность к лункообразованию и разрушению (см. гл. IV).

Области применения

Твердые сплавы WC—TiC—TaC—Со нашли широ­кое применение и в Европе и в значительной степени вы­теснили сплавы WC—TiC—Со. По сравнению с послед­ними они отличаются прежде всего меньшей чувстви­тельностью к выкрашиванию. Промышленное внедрение процесса легирования твердыми растворами TaC и TaC—NbC несколько замедлилось из-за дефицита сырья в военное время. Области применения новых марок сплавов, содержащих TaC, аналогичны областям при­менения сплавов WC—TiC—Со.

Некоторые сплавы с соответствующей структурой мо­гут применяться в качестве универсальных для обработ­ки материалов со сливной стружкой и стружкой надло­ма. В определенных случаях эти сплавы при обработке чугуна даже несколько превосходят сплавы WC-Co, предназначенные для резания чугуна. Таким образом, речь идет о сплавах, которые обладают большим сопро­тивлением лункообразованию на передней поверхности резца и истиранию задней поверхности [3, 4, 9, 23, 29, 37, 39—41].

Специальные марки твердых сплавов

За последние годы разработаны новые твердые спла­вы, которые применяются не только для обработки ре­занием, но и в качестве материалов, обладающих хоро­шей износостойкостью и высокой коррозионной стой­костью. Эти сплавы можно разделить на три группы:

А) коррозионностойкие твердые сплавы;

Б) окалиностойкие твердые сплавы;

В) термически обрабатываемые твердые сплавы.

Коррозионностойкие твердые сплавы

Основным карбидом современных коррозионностой – ких твердых сплавов является дешевый легко получае­мый карбид хрома [42] (см. книгу «Твердые материа­лы» [18]).

Cr3O2(Cxeop = 13,33%) можно получить, например, карбидизацией смеси Cr2O3 и сажи в угольных трубча­тых печах сопротивления при 1600° С или карбидизацией тонкого порошка электролитического хрома при 1400— 1500° С.

Получаемые таким способом карбиды содержат 13— 13,4% С общ и 0,1-0,4% Ccbo6.

О пригодности карбида хрома Cr7C3, твердых раство­ров хрома и двойных карбидов хрома пока нельзя сде­лать окончательных выводов.

Твердые сплавы па основе карбида хрома, получен­ные при обычном спекании [43—46], обладают достаточ­ной плотностью; практически же беспористые сплавы получают горячим прессованием [46—50]. Сплавы с ни­келевой связкой отличаются высокой износостойкостью наряду с очень хорошей химической устойчивостью и окалиностойкостью, Их рекомендуется применять для деталей, которые одновременно с износом подвергаются действию коррозии [51—54]. Однако необходимо учиты­вать, что твердые сплавы на основе карбида хрома яв­ляются относительно хрупкими [55—58] при ударных нагрузках.

По данным Хиннюбера [19], свойства твердого спла­ва на основе насыщенного углеродом Cr3C3 с 12% Ni следующие:

Плотность, г/см3…………………………..

6,9

Коэффициент теплового линейного

11, IX 10-в/°С

Расширения……………………………………………

Теплопроводность, кал/{см ¦ сек ¦ град)

0,03

Предел прочности при изгибе, кГ/мм2

75

Предел прочности при сжатии, кГ/мм2

380

Модуль упругости, кГ/мм2 ….

34 000

Твердость HV, кГ/мм2:

При 20° С………………………………………………

1300

При 800° С…………………………………………….

900

Удельное электросопротивление Q,

Мм2/м………………………….. . . ,

0,7

Удельное магнитное насыщение. .

Немагнитный

Физические свойства американских сплавов на осно­ве карбидов хрома приведены в табл. 14. Для сравне­ния в табл. 15 приведены свойства сплавов WC—Со и WC—Ni—Cr, а также коррозионностойкой хромоникеле – вой стали 18/8. В отличие от твердых сплавов WC—Со сплавы карбид хрома — никель являются немагнитными.

Таблица 14

Физические свойства американских карбидохромовых сплавов (сплавы «Фертсайт»)

Состав, %

О ru

А H О О К H

О ч С

Твердость HRA

Предел прочно­сти при изгибе, кГ/мм2

Предел прочности при растяжении, кГ/мм2

Линейное расшире­ние, %

Предел прочности при сжатии, кГ/мм2

J

Ь.

И

И

H

Z

20° С

600° с

20° С

600° с

20» С

И

Е

О

О &

89

11

6,97

89,0

70

25,5

22,4

0,1

340

290

84

16

7,00

86,5

84

26,0

31,4

0,2

300

210

70

15

15

6,50

87,5

70

Сравнение химической устойчивости коррозионностойких твердых сплавов и хромоникелевой стали 18/8 Cr—Ni

Потеря в массе (г/ж2/сутки) в среде

HCl

H2SO1

HNO3

 

Концент­рирован­ная

10%-ная

I

Концент­рирован­ная

10%-ная

Концент­рирован­ная

10%-ная

 

Твердый сплав на основе карбида хрома с нике­левой связкой. . .

70

5

1

0,6

8

20

Твердый сплав на основе карбида вольфрама со связкой никель—хром

2

3

0,3

1,5

0,1

0,1

Твердый сплав WC— Со 96/6….

70

10

3

6

20

170

Хромоникелевая сталь 18/8……..

70

4

3

На рис. 30 показана микроструктура сплава на основе карбида хрома с 15% Ni. Относительно крупные карбидные кристаллы окружены никелевой связкой, со­держащей около 6% карбида хрома в твердом раство­ре [35, 56, 59—61]. Так как под действием кислоты раст­воряется только фаза связующего металла, а кристаллы карбида хрома при этом не затрагиваются, устойчивость твердых сплавов на основе карбида хрома снижается с увеличением содержания никеля [46, 60].

По окалиностойкости твердые сплавы карбид хро­ма — никель значительно превосходят сплавы WC—Со, но уступают сплавам, содержащим TiC [29, 36].

Относительно небольшая вязкость и низкая термо­стойкость исключают применение твердых сплавов на основе карбида хрома в качестве высокотемпературных материалов. Попытки частичной замены Cr3C2 карбида­ми молибдена, вольфрама, титана и тантала, а также никеля—-кобальтом, медью, железом или молибденом не привели к существенному улучшению свойств. Чешски­ми учеными [62, 63] получены интересные данные о фак­торах, влияющих на рост зерна.

Рис. 30. Микроструктура сплава 85% Cr3C2 и 15% Ni (Х300).

Представляющие в этом отношении интерес системы Сг3Сг—Со и Cr3C2—Ni были подвергнуты Н. М. Зару­биным и Р. А. Трубниковым [59] подробным металлогра­фическим исследованиям.

65

Имеется и другая возможность получения коррозион- ностойких твердых сплавов: замена кобальта в сплавах WC—TiC—Со коррозионностойким связующим сплавом. Так, например, применяя в качестве связки сплавы ни­кель — хром 80/20 или 70/30, получают твердые сплавы высокой стойкости и со значительно более высоким пре­делом прочности при изгибе, чем сплавы карбид хро­ма— никель. На практике применяют 6—20% (преиму­щественно 8—10%) связующего сплава. При плотности 14,2 г/см3 такие твердые сплавы имеют твердость 1360 кГ/мм2, предел прочности при изгибе 130 кГ/мм2 и коэффициент линейного расширения 5*10~в°С. Kop-

5—699 розионные свойства сплавов WC — Ni — Cr приведены в табл. 15 в сравнении со сплавами карбид хрома — ни­кель и WC-^Co и нержавеющей сталью.

Фирма «Кеннаметал» разработала сплав на основе WC с платиновой связкой, плотность которого составля­ет 15,1 г/сж3, твердость 91 HRA и предел прочности при изгибе около 88 кГ/мм2. Этот сплав исключительно кор – розионностойкий; он не разрушается при семидневном кипячении в азотной и серной кислотах [64].

Твердые сплавы с платиновой связкой, аналогично сплавам WC—Со, обрабатываются только путем шли­фования алмазными кругами или из карбида кремния; качество полированной поверхности может быть очень высоким.

Твердые сплавы WC—Pt рекомендуется применять в реакторостроении, где происходят сильные нейтрон­ные излучения [65]. В отличие от кобальтовых изотопов период полураспада платиновых изотопов составляет максимум 3—4 дня. По-видимому, для подобных облас­тей применения пригодны твердые сплавы с никелевыми и железными связками.

В тех случаях, когда коррозии или износу подверже­на связка, применяют фасонные изделия из сплава WC—TaC без связующего металла (или с небольшим содержанием): уплотняющие кольца в клапанах, шаро­вые затворы, пресс-матрицы и т. п. Однако более высо­кая стойкость против коррозии и износа достигается в результате снижения вязкости.

Окалиностойкие твердые сплавы

Свойства жаропрочных и окалиностойких твердых сплавов на основе карбида титана приведены в главе V. В данном разделе приведены лишь обобщающие данные для окалиностойких твердых сплавов па основе карби­да титана, имеющих ограниченную область примене­ния [29, 36, 66—83].

TiC является единственным карбидом, который в со­четании со связующими металлами (никель, кобальт, хром) имеет не только высокие стойкость против окис­ления и жаропрочность, но и удовлетворительную тер­мостойкость. Однако, несмотря на перспективность, твер­дые сплавы на основе TiC пока не могут успешно кон­курировать с металлическими жаропрочными сплавами на основе Ni—Со—Cr. Типичные составы окалиностой – ких TiC-твердых сплавов промышленных марок приве­дены в табл. 16, а их физические свойства — в табл. 17 и 18.

5*

67

Таблица 16

Состав жаропрочных TiC-твердых сплавов промышленных марок

Марка сплава

Состав, %

TiC

NbC*’

Ni

Co

Cr

Mo

Al

К152В*2

64

6

30

К162В

64

6

25

5

К175В

34

6

40,5

15,25

4,25

FS8*3

61,6

22,2

7,4

7,4

1.4

FSl 2

33,6

39,0

13,0

13,0

1,4

FS26

55,1

40,0

4,9

WZ 12а*1

75

15

5

5

WZ12 Ъ

60

24

8 ‘

8

WZ12 с

50

30

10

10

WZl2d

35

39

13

13

—-

—¦

*’ B виде твердого раствора TiC-NbC-TaC с~ 90% NbC. *2 Сплавы «Кен – наметал» (США). 43 Сплавы «Фертсайт» (США). *4 Сплавы «Тицит» (Авст­рия).

Таблица (7

Свойства сплавов WZ*

Марка сплава

Плот­ность г/см’3

Твер­дость HV, кГ/мм2

Предел прочности при изгибе, кГ/мм2

Ударная вязкость. смкг

Длительная прочность при 100 ч, к Г/мм2

20 °С

900 °С

20 °С

900 0C

800 0C

1000 0C

WZl 2а

6,0

1070

120—130

39

40

WZ12b

6,25

960

135—150

42

10,8

WZ 12с

6,55

820

160—180

70

64

80

32

8,7

WZl 2d

6,95

600

175—190

67

97

120

26

6,7

* Состав сплавов приведен в табл. 72.

Окалиностойкость различных карбидов (в частно­сти, TiC) подробно исследована Киффером и Кёльблем [81]; отмечается благоприятное действие связок Ni—Cr,

Свойства американских жаропрочных TiC-твердых сплавов

Свойства

Марка

Сплава

К125В

К162В

KI75B

FS5

FS12

FS26

Плотность, г/сл(3 . . .

6,0

6,0

6,7

6,1

6,98

6,25

Твердость HRA:

82,6

При 20° С………………………….

85

89

84

87,5

79

При 815°С…………………………

71

68,5

63

Модуль упругости,

КГ/мм2……………………

38000

40000

31500

39300

32300

37100

Предел прочности при

230

Сжатии, кГ/мм2 . . .

280

315

245

255

Длительная прочность

100 ч, 980° С, кГ/мм?

4,6

9,1

11,2

8,8

8,2

6,6

Ударная вязкость, см • кг

66

116

144

18

70

62

Коэффициент линейного

10,8

Расширения, IO-1V0C .

9,5

9,5

9,5

10,8

11,7

Теплопроводность,

Кал!(см • сек-град) ¦ ¦ •

0,077

0,072

Электропроводность,

92

MKOM – CM……………….

¦—

¦—

Со—Cr и Ni—Со—Cr. Хиннюбер и Кинна [29] провели систематическое исследование механизма окисления твердых сплавов на основе TiC и влияния добавок Cr3C2, TaC и WC. На основании рентгенографических и микро­скопических исследований авторы полагают, что повы­шению окалиностойкости способствует образование Cr2O3 или комплексных окислов Ti—Та—Со со структу­рой рутила.

Ударная вязкость сплавов на основе TiC выше, чем у «керметов», но значительно ниже, чем у металлических сплавов; однако более высокая длительная прочность допускает более высокую рабочую температуру сплавов. Увеличивая содержание связующего металла, например, до 60—70% и применяя соответствующие исходные ма­териалы и методы изготовления [76—78], можно в из­вестных пределах повысить ударную вязкость, причем повышается также и предел прочности при изгибе при комнатной температуре. При этом снижаются длитель­ная прочность и усталостная прочность [75].

Несмотря на то что жаропрочные и окалиностойкие твердые сплавы на основе TiC вследствие хрупкости не­пригодны для изготовления турбинных лопаток, их с успехом применяют в тех случаях, когда требуются ма­териалы высокой жаропрочности, например для изготов­ления державок и подложек в машинах для испытания прочности при высоких температурах, матриц для горя­чего прессования, высокотемпературных клапанов и под­шипников, напорных резервуаров и т. п.

Термообрабатываемые твердые сплавы и карбидсодержащие спеченные стали

При появлении первых твердых сплавов WC—Со (1922—1930 гг.) к ним пытались применить те же ме­тоды термической обработки, что и для сталей. Для сплавов с низким содержанием связки эти попытки ока­зались безрезультатными. Аналогичными были и опы­ты по цементации сплавов с высоким содержанием воль­фрама [4] и попытки замены кобальтовой связки стелли­тами или сталями 2.

Первые положительные результаты получили Да – виль и Шрётер3 при закалке сплавов на основе TiC—WC с высоким содержанием связки железо — хром. Для сплава с 30—50% железа, 2—10% Cr и 68—40% TiC/WC (отношение 1/2—1/0,5) рекомендуется закалка при 1000—1200° С в масле.

Проблема термической обработки твердых сплавов успешно разрешена также Хайссом и Киффером4, ко­торые предложили использовать легированные спечен­ные стали с добавками 20—30% сложных карбидов (преимущественно TiC—WC, TiC-Mo2C, TiC-VC, VC—WC) и температуру закалки 1100—1350° С. Хорошо зарекомендовали себя металлокерамические сплавы с 80% Fe, 0,5% графита и 19,5% TiC-Mo2C, а также с 74% Fe, 1% графита и 25% TiC-VC. Для изготовле­ния бойков успешно применяют высоколегированные металлокерамические стали, состоящие, например, из 28% Mo2C, 2% TiC, 10% Cr, 3% V, 2% Mo, 54,5% Fe. и 0,5% графита.

Заслугой Гётцеля и сотрудников [5] [84—88] является внедрение в практику термообрабатываемых и закали­ваемых титанокарбидных сплавов со стальной связкой.. Исследование пропитанных твердых сплавов на основе TiC [76, 89] с различными связками (см. главу V) пока­зало, что твердость сплавов можно повысить с 38—42′ до 68—71 HRC путем их отжига и закалки в воде или масле. По данным Эллиса [84, 85, 90], область примене­ния одинакова как для стеллитов, так и для указанных: твердосплавных инструментов с содержанием около 50% (по объему) TiC. Оптимальное соотношение твердости и предела прочности при изгибе можно получить путем отпуска закаленных титанокарбидных сплавов.

Типичная термическая обработка твердого сплава с 26% Ti, 7% С, 2% Cr, 2% Mo, остальное Fe (около 33% TiC) заключается в следующем: после отжига в те­чение 1 ч при 950—970° С в нейтральной атмосфере сле­дует закалка в масле (с данной температуры) и отпуск при 190—220° С в течение 15 мин. На результаты обра­ботки оказывает существенное влияние недостаточная воспроизводимость свойств этой группы твердых спла­вов, обусловленная технологией изготовления, например пропиткой или обычным спеканием компонентов в при­сутствии жидкой фазы. Следует стремиться к постоянно­му содержанию углерода как в карбидной, так и в ста- леподобной связующей фазах; кроме того, высокая плот­ность не должна быть связана с нежелательным ростом зерна.

Попытки улучшить состав стальной связки заменой, например, TiC полностью или частично другими карби­дами (VC, TaC или NbC) пока не дали однозначных положительных результатов [91].

Термообработанные титанокарбидные сплавы со стальной связкой являются промежуточным звеном ме­жду твердыми сплавами и спеченными сталями. Эта но­вая группа сплавов является перспективной с точки зре­ния бесстружковой обработки (матрицы, штампы, вы­рубные инструменты и т. п.) [92].