Твердые сплавы I
Хотя быстрорежущие стали явились большим шагом в развитии инструментальных материалов, они не могли удовлетворить все потребности промышленности. Вопервых, непрерывный прогресс машиностроения требовал все большего и большего роста производительности труда; для этого нужно было повышать режимы резания, однако их повышение ограничивалось недостаточной теплостойкостью быстрорежущих сталей. Вовторых, твердость инструментов из быстрорежущей стали недостаточна для обработки таких материалов, как отбеленный чугун, стальное литье с твердой коркой и песочинами, закаленные или высоколегированные стали, некоторые минералы.
Поэтому нужно было создать новые инструментальные материалы, которые превосходили бы быстрорежущую сталь. Такими инструментальными материалами явились твердые сплавы.
Современные твердые сплавы состоят из карбидов некоторых тугоплавких металлов (вольфрама, титана), мельчайшие частицы которых соединены между собою посредством сравнительно мягкого и менее тугоплавкого металла—кобальта. Наряду с большой твердостью, карбиды вольфрама и карбиды титана отличаются очень высокой температурой плавления—для карбидов вольфрама она составляет 2 800°, а для карбидов титана около 3 200°; температура плавления кобальта — около 1 500°.
Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущих инструментов, называются металлокерамическими, так как они получаются из порошков путем прессования и последующего спекания. Таким образом, производство металлокерамических твердых сплавов относится к области порошковой металлургии.
Основные моменты технологии изготовления твердых сплавов сводятся к следующему.
Карбиды вольфрама получают путем смешивания порошка чистого вольфрама с сажей; эту смесь прокаливают в электропечах при температуре 1 300—1 500°. Карбиды титана получают из смеси двуокиси титана с сажей, прокаливаемой при температуре 1 700—2 000°.
Карбиды вольфрама и карбиды титана размалывают в шаровых мельницах до получения зерен размером не более 3—5 мк. Затем зерна карбидов смешивают с металлическим кобальтом; этот процесс производится либо механическим (в шаровых мельницах, одновременно с измельчением зерен), либо химическим путем. Полученную смесь промывают, просушивают, дополнительно размалывают в шаровых мельницах и просеивают сквозь тонкое сито.
Придание изделиям из твердых сплавов требуемой формы производится путем прессования; перед прессованием в смесь добавляют склеивающий состав (трехпроцентный раствор каучука в бензине). Прессование ведут в специальных прессформах на гидравлических прессах с давлением 1—3 т/см2. Спрессованные таким образом бруски нужной формы просушивают при температуре 100—120° в течение нескольких часов, а после этого разрезают тонкими шлифовальными кругами на пластинки.
Последней операцией является спекание, заключающееся в нагреве примерно до 1 400°. Нагрев производится в атмосфере водорода.
В результате спекания при температуре, близкой к температуре плавления кобальта, последний обволакивает зерна карбидов и прочно соединяет их.
Пластинки твердых сплавов могут иметь разнообразные формы и размеры. Специальный стандарт на формы и размеры пластинок содержит более 40 различных форм, предназначенных для режущих инструментов; каждая из них охватывает большое количество размеров. В зависимости от конструкции и размера режущего инструмента, выбираются наиболее подходящие пластинки. Они используются только для режущей части инструмента и присоединяются к державке или корпусу из конструкционной стали посредством припайки или механическим путем.
Твердые сплавы, благодаря высоким твердости, износостойкости и теплостойкости (режущие свойства сохраняются при температурах до 900—1 000°), позволяют работать со скоростями резания в 3—4 раза большими, чем быстрорежущие стали (см. табл. 3); нередко повышение скорости резания, достигаемое при использовании твердосплавных инструментов, гораздо больше: при обработке углеродистой конструкционной стали скорость резания в отдельных случаях может доходить до 2 000—3 000 м/мин, а при обработке алюминиевых сплавов — до 5 000 м/мин. Инструментом, оснащенным пластинками твердого сплава, могут успешно обрабатываться детали из закаленной стали и других очень твердых материалов.
Принятая система условных обозначений марок твердых сплавов дает представление не только о группе сплава, но и о его составе.