ТВЕРДЫЙ СПЛАВ: ЧТО ЭТО ТАКОЕ?

Твердый сплав относится к разряду композитных материалов. Точнее говоря, это сплав, состоящий из тугоплавкого металла (карбида) и металла-связки. 
ДЛЯ НЕГО ХАРАКТЕРНА ОЧЕНЬ БОЛЬШАЯ ТВЕРДОСТЬ И ЧРЕЗВЫЧАЙНО ВЫСОКАЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ.

 

ТВЕРДЫЙ СПЛАВ: ЧТО ВНУТРИ?

В основе твердых сплавов лежит, как правило, сочетание  КАРБИДА ВОЛЬФРАМА И КОБАЛЬТА (WC+CO). В качестве тугоплавких металлов, наряду с вольфрамом, используются также титан (TiC), тантал (TaC), хром (CrC) или другие карбиды. Наиболее часто применяемые связки – кобальт (Co), никель (Ni), железо (Fe) и никель-хром (NiCr).

 

КТО ИЗОБРЕЛ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ?

В  1914 году Ломан и Фойгтлэндер зарегистрировали патент на изобретенный ими литой твердый сплав, однако хрупкость материала  не позволила сразу же внедрить изобретение на рынок. Удалось это лишь девять лет спустя, когда Карл Шрётер и Генрих Баумхауэр получили металлокерамический твердый сплав.
В 1923 году их патент был приобретен предприятием «Осрам». Использовать в промышленности сплав начали с  1926  года. Предприятие «Krupp Hartmetall» успешно выпустило материал на рынок под названием «Widia», т.е. алмаз. В СССР твердый сплав был выпущен под названием «Победит» одноименным предприятием в 1929 году.

 

КАРБИД ВОЛЬФРАМА – ВОЛЬФРАМА… ЧТО?

Из-за очень высокой твердости КАРБИД ВОЛЬФРАМА часто сравнивают с алмазом. Вольфрам получают из важнейших руд вольфрамита и шеелита. Они добываются, в основном, в Китае, России, Канаде, Австрии и Португалии. Карбид вольфрама получают путем добавления углерода в вольфрамовый порошок. Такой процесс называют КАРБОНИЗАЦИЕЙ.Это процесс металлообработки, при котором на поверхность металла добавляется уголь с низким содержанием углерода, что и придает, в конечном счете, твердость металлу.

 

ВЕСЬ ВОПРОС В СВЯЗКЕ? ПРАВИЛЬНО!?

В КАЧЕСТВЕ СВЯЗУЮЩЕЙ ФАЗЫ ИСПОЛЬЗУЮТ ГЛАВНЫМ ОБРАЗОМ КОБАЛЬТ, так как он положительно влияет на процесс спекания. Если требуется достичь более высокой коррозионной стойкости, правильным решением будет применение связки из никеля. Наиболее часто используемыми, традиционными связками в современном производстве твердых сплавов являются кобальт (Co), никель (Ni), железо (Fe) и никель-хром (NiCr).

 

ТВЕРДЫЙ СПЛАВ: ОДИН МАТЕРИАЛ – МАССА ПРЕИМУЩЕСТВ!

Спектр применения твердых  сплавов чрезвычайно широк, что дает ему массу преимуществ. Большинство клиентов DURIT в качестве важнейших называют пять следующих свойств. 

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ.

Во многих промышленных технологиях  различные материалы взаимодействуют между собой как абразивы, что всегда приводит к обоюдному преждевременному износу. Гибкое применение твердых сплавов  предоставляет оптимальные возможности для  значительного сокращения  преждевременного износа.

ТВЕРДОСТЬ

Степень твердости твердого сплава рассчитывается методом вдавливания по Виккерсу. В данном исследовании для получения измеряемого отпечатка от алмаза определенной формы прикладывается усилие в 30 кг или 294 Н. Твердость детали из твердого сплава повышается с уменьшением размера зерна.

ПРОЧНОСТЬ НА СЖАТИЕ

По сравнению с другими материалами, твердый сплав отличается сверхпрочностью на сжатие. Она повышается со  снижением содержания связующего и уменьшением размера зерна. Для марок твердых сплавов с мелкими фракциями карбида вольфрама и низким содержанием связующего  характерна прочность на сжатие около 7000 Н/мм².

 

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА В ДВУХ СЛОВАХ ИЛИ КАК ЭТО ДЕЛАЕТСЯ.

Порошок из карбида вольфрама и выбранного связующего  СМЕШИВАЕТСЯ В ЖЕЛАЕМОЙ ПРОПОРЦИИ И РАЗМЕЛЬЧАЕТСЯ. В заключение  ПРОИСХОДИТ СУШКА. Далее получившийся гранулят  ЗАПРЕССОВЫВАЕТСЯ в форму. В распоряжении имеются различные способы прямой (одинарной) и непрямой (двойной) формовки. Затем прессованная заготовка, или сырец ПОДВЕРГАЕТСЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ В заключение происходит СПЕКАНИЕ при температурах 1.300 – 1.500 °C.

 

ПОРОШОК, ПРЕСС-ЗАГОТОВКА, СЫРЕЦ. ЧТО ЖЕ ЭТО ТАКОЕ?

Порошковая пресс-заготовка  мелоподобной консистенции на профессиональном языке называется СЫРЕЦ. Во время процесса спекания пористость и объем ощутимо сокращаются. 

 

Спекание – это очень горячий процесс.

Спекание – это способ изготовления или изменения материалов, представляющий собой термический процесс, протекающий без доступа кислорода. Технологии спекания имеют большое значение при изготовлении керамики и в металлургии. В процессе получения твердых сплавов карбиды вольфрама прочно соединяются в связующую матрицу. Для этого связка в сырце нагревается до образования жидкой фазы. Связка заполняет имеющиеся полости и обволакивает карбиды. При спекании в процессе изостатического горячего прессования, после достижения жидкой фазы, под высоким давлением нагнетается аргон. БЛАГОДАРЯ ЭТОМУ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ ДОПОЛНИТЕЛЬНО УПЛОТНЯЕТСЯ С ОБРАЗОВАНИЕМ ОДНОРОДНОЙ  БЕСПОРИСТОЙ СТРУКТУРЫ.

 

ЗАГОТОВКА: ПРЕДНАЗНАЧЕНА ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ОБРАБОТКИ.

Понятие «заготовка» подразумевает изделие, подлежащее дальнейшей обработке. При получении твердых сплавов заготовкой является деталь, получившаяся после спекания. Это полезно знать: СЫРЫЕ ЗАГОТОВКИ ОТ DURIT ИМЕЮТ ОЧЕНЬ НЕЗНАЧИТЕЛЬНЫЙ ПРИПУСК НА ШЛИФОВКУ – ДЛЯ ОПТИМАЛЬНОЙ ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ.  

 

КАКОВА ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГОТОВОЙ ДЕТАЛИ ИЗ ТВЕРДОГО СПЛАВА?

Твердый сплав твердому сплаву рознь. Длительность процесса изготовления зависит от размера детали, заданной геометрии, а также требуемых свойств. Не существует каких-либо единых сведений по длительности технологического процесса: ВРЕМЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАССЧИТЫВАЕТСЯ ИНДИВИДУАЛЬНО ДЛЯ КАЖДОЙ КОНКРЕТНОЙ ДЕТАЛИ. 

 

ДЛЯ ЧЕГО ПРЕДНАЗНАЧЕНЫ РАЗЛИЧНЫЕ МАРКИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ?

Состав и микроструктура  определяют различные  свойства твердого сплава. Различают три следующих основных типа. 

» GD

Твердые сплавы для штамповки, износостойкие и устойчивые к коррозии па. 

» BD

Твердые сплавы для штамповки и горно-шахтного строительного оборудования

» KD

Твердые сплавы для металлорежущего оборудования

 

СВЯЗКА, СОДЕРЖАНИЕ СВЯЗКИ В СПЛАВЕ, РАЗМЕР ЗЕРЕН. ПОЧУВСТВУЙТЕ РАЗНИЦУ!

Детали из твердых сплавов  ИЗГОТАВЛИВАЮТСЯ В ОСНОВНОМ ПО СПЕЦЗАКАЗАМ И С КОНКРЕТНЫМИ ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ. Отсюда следует: разные задачи – разные свойства. Основные различия состоят в связке, ее содержании в сплаве, а также размере зерен. 

 

РАЗМЕРЫ ЗЕРЕН: ОТ МЕЛЬЧАЙШИХ НАНО-ЗЕРЕН ДО ОЧЕНЬ КРУПНЫХ.

Неповторимые свойства твердых сплавов обусловлены, с одной стороны, широким спектром твердости и износостойкостью, а с другой – вязкостью. Конкретные свойства определяются составом.  Специфические свойства достигаются или усиливаются изменением структуры сплава.  Итак: 

ЧЕМ МЕЛЬЧЕ ЗЕРНО В СПЛАВЕ, ТЕМ ВЫШЕ ТВЕРДОСТЬ И ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ. 

» МЕЛКОЕ НАНО-ЗЕРНО  < 0,2 мкм

» УЛЬТРАТОНКОЕ НАНО-ЗЕРНО 0,2 – 0,5 мкм

» ОСОБО МЕЛКОЕ ЗЕРНО 0,5 – 0,8 мкм

» МЕЛКОЕ ЗЕРНО 0,8 – 1,3 мкм

» СРЕДНЕЕ ЗЕРНО 1,3 – 2,5 мкм

» КРУПНОЕ  ЗЕРНО 2,5 – 6,0 мкм

» ОСОБО КРУПНОЕ  ЗЕРНО > 6,0 мкм

 

ЧТО С ЧЕМ? С КАКИМИ СОЧЕТАЕТСЯ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ?

Твердый сплав можно обрабатывать РАЗЛИЧНЫМИ СПОСОБАМИ. Так, например, этот материал можно паять, запрессовывать, склеивать, навинчивать, сдавливать и даже прессовать. Таким образом, твердый сплав сочетается со многими другими материалами: и с соответствующими пластиками, и с любыми металлами. 

 

КАКОЙ КРЕПЕЖ МОЖНО ИСПОЛЬЗОВАТЬ?

Целесообразность вида крепежа во многом зависит от области применения детали. В конце концов, при работе с твердым сплавом в нашем распоряжении имеются  МНОГОЧИСЛЕННЫЕ ВАРИАНТЫ: пайка, склеивание,  запрессовка, литье или механический крепеж. 

 

ПАЙКА ТВЕРДОГО СПЛАВА

Твердый сплав можно наплавлять на соответствующие стальные элементы. При этом нужно учитывать, подходит ли для пайки конструкция деталей из твердого сплава. Следует принять во внимание и то, что ТЕПЛОВОЕ РАСШИРЕНИЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА НА 50% БОЛЬШЕ теплового расширения конструкционной стали. 

 

СКЛЕИВАНИЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА

Перед склеиванием твердого сплава поверхность сцепления необходимо  соответствующим образом обработать и механическим путем придать ей шероховатость. Клеи должны выдерживать НАГРЕВ ДО 200°C. Der Werkstoff lässt sich sehr gut kleben. Allerdings muss die Klebefläche mechanisch vorbearbeitet , bzw. aufgeraut, werden. Kleben ist in vielen Fällen eine gute Alternative zu Löten. Die verwendeten Kleber besitzen noch bis 200°C eine gute Warmfestigkeit. Bei höheren Temperaturen ist das Löten die einzige Alternative.

 

ЗАПРЕССОВКА ТВЕРДОГО СПЛАВА

Горячая запрессовка является  ИДЕАЛЬНЫМ СПОСОБОМ КРЕПЕЖА ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ В ОПРАВКЕ ИНСТРУМЕНТА  при штамповке.  Стальную оправку нагревают до 450°C, а затем вводят в нее сердечник из твердого сплава.

 

ЛИТЬЕ ТВЕРДОГО СПЛАВА

Литые стальные детали можно соединять непосредственно с элементами из кобальтовых твердых сплавов специальным способом отливки. При этом между твердым сплавом и стальной отливкой образуется зона смешения С ПРЕВОСХОДНЫМ СЦЕПЛЕНИЕМ. 

 

МЕХАНИЧЕСКИЙ КРЕПЕЖ ТВЕРДОГО СПЛАВА

Детали из твердого сплава можно БЕЗ ВСЯКИХ ПРОБЛЕМ НАВИНЧИВАТЬ. Конструктивно на материале носителя должна быть предусмотрена резьба. Следует принять во внимание, что изготовление резьбы на цельных твердосплавных деталях довольно затратно. 

 

С КАКОЙ ТОЧНОСТЬЮ МОЖНО ОБРАБАТЫВАТЬ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ?

ТОЧНОСТЬ обработки твердого  сплава зависит от геометрии заготовки. Рентабельная обработка оконтуренных деталей зачастую возможна только на сырце. Из-за усадки сырой заготовки при спекании можно достичь точности в десятичном диапазоне. У вращающихся тел или тел правильной геометрической формы возможна существенно более высокая  точность – до 3 мкм.

 

ТВЕРДЫЙ, ЕЩЁ ТВЕРЖЕ, САМЫЙ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ. ЭТО РЕАЛЬНОСТЬ!

Твердость твердых сплавов в Европе устанавливается по Виккерсу. В США ее предпочитают измерять по Роквеллу (HRA). В реальности твердые сплавы  ОБЛАДАЮТ ШИРОКИМ СПЕКТРОМ ТВЕРДОСТИ:  от «мягких» марок сплавов с твердостью 750HV30 до сверхпрочных с твердостью до 2000HV30.

 

ПОДВЕРГАЕТСЯ ЛИ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ КОРРОЗИИ?

Да, но не так, как стали. У твердых сплавов с кобальтовой связкой возможно поверхностное окисление кобальта, что не разрушает саму структуру, в отличие от стали. 

 

ОБЛАДАЕТ ЛИ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ?

На вопрос, является ли твердый сплав проводником, можно с уверенностью ответить утвердительно. А благодаря наличию в твердом сплаве карбида вольфрама твердый сплав является даже ОЧЕНЬ ХОРОШИМ ПРОВОДНИКОМ. Сопротивление в среднем составляет 20 мкОм/см. 

 

ОБЛАДАЕТ ЛИ ТВЕРДЫЙ СПЛАВ МАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ?

Использование в качестве связки кобальта и никеля обуславливает наличие в твердом сплаве МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ. С помощью специальной технологии спекания НАМАГНИЧИВАЕМОСТЬ СОДЕРЖАЩИХ НИКЕЛЕВУЮ СВЯЗКУ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ МОЖНО СУЩЕСТВЕННО УМЕНЬШИТЬ.

 

ВОЗМОЖНО ЛИ НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЯ НА ТВЕРДЫЙ СПЛАВ?

Нанесение покрытия на твердый сплав возможно с помощью методов химического  или термовакуумного осаждения из паровой фазы. Термовакуумное осаждение из паровой фазы применяется при низких температурах нанесения покрытия – до 450 °C, химическое осаждение из паровой фазы предпочтительно при температурах 900-1.100 °C. Твердый сплав часто используется в качестве основы для покрытий, так как он обладает высокой прочностью на сжатие, что, в свою очередь, предотвращает эффект яичной скорлупы на покрываемой детали.