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.