Твердые сплавы являются основным инструментальным материалом, обеспечивающим высокопроизводительную обработку материалов. Хотя пер­вые инструменты из твердых сплавов появились в промышленности лишь в 30-е годы, сейчас общее количество твердосплавного инструмента, применяе­мого в механообрабатывающем производстве составляет до 28-30%, причем этим инструментом снимается до 65% стружки, так как скорость резания, при­меняемая при обработке этим инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстро­режущего инструмента [20].

Порошковые (спеченные) твердые сплавы — это композиции, состоящие из твердых, тугоплавких соединений (карбиды, карбонитриды титана, вольфрама, тантала и др.) в сочетании с цементирующей (связующей) составляющей (ко­бальт, никель, молибден и др.). Твердые сплавы, применяемые для оснащения режущего инструмента, по составу и областям применения можно разделить на четыре группы: вольфрамокобальтовые (WC-Co), титановольфрамовые

(WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co), безвольфра — мовые (на основе TiC, TiCN с различными связками).

Твердые сплавы как инструментальные материалы обладают рядом цен­ных свойств, основным из которых является высокая твердость (HRA 82-92), сохраняемая при нагреве до 700-1100 °С, большое значение модуля упругости (Е=500-700 ГПа) и предела прочности при сжатии (а. ь = 6000 МПа).

Относительно невысокая прочность при изгибе (сти=1000-2500 МПа) и удар­ная вязкость не являются лимитирующими, так как твердые сплавы способны сохранять достаточно высокую твердость и сопротивляться деформированию при температурах, возникающих в процессе резания. Указанные физико­механические свойства обеспечивают твердосплавному инструменту высокий предел пластической прочности, повышенную сопротивляемость адгезионно­усталостному, химико-окислительному, диффузионному и абразивному изна­шиванию. Указанное позволяет существенно повысить скорости резания при обработке сталей, чугунов, цветных сплавов и труднообрабатываемых ма­териалов по сравнению со скоростями резания для быстрорежущего инст­румента.

Инструменты из твердого сплава Т5К10, используемые для обработки ста­лей на ферритной основе твердостью НВ = 2000 МПа на станках повышенной жесткости, допускают применение толщин срезаемого слоя 1-2 мм при скоро­сти резания vs 30 м/мин. При этом температуры поверхностей инструмента достигают около 900 -1000 °С, а комплексный критерий n=va, предложенный Т. Н. Лоладзе [57] и коррелирующий с производительностью обработки, соста­вит около (0,5 -1,0)Ю’3 м2/с. Быстрорежущие резцы, допускающие температуры на поверхностях инструмента до 600 °С, при обработке той же стали допускают в 3-5 раз меньшую производительность.

Вольфрамокобальтовые твердые сплавы. Вольфрамокобальтовые сплавы (ВК) состоят из карбида вольфрама и кобальта. Марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта, размерами зерен карбида вольфрама (WC) и технологией изготовления. Для оснащения режущего инст­румента применяют сплавы с содержанием кобальта от 3 до 10% весовых (табл. 11.6).

Таблица 11.6

При увеличении в сплавах содержания кобальта в рассматриваемом диапа­зоне предел прочности при поперечном изгибе и эксплуатационная проч­ность при резании возрастают, в то время как твердость и износостойкость при резании уменьшаются.

Так, сплав марки ВКЗ с минимальным содержанием кобальта, как наиболее износостойкий, но наименее прочный, рекомендуется только для чистовой обработки с максимально допустимой скоростью резания, а сплав ВК8 — только для черновой обработки с пониженной скоростью резания и увеличенным се­чением среза в условиях ударных нагрузок.

Вольфрамокобальтовые сплавы рекомендуются преимущественно для об­работки материалов, дающих дискретные типы стружек (элементная, стружка надлома): чугуны, цветные металлы, стеклопластики, фарфор и труднообраба­тываемые материалы (нержавеющие, высокопрочные стали, жаропрочные сплавы на основе никеля и титана и т. д.).

При одинаковом содержании кобальта физико-механические и режущие свойства в значительной мере определяются зернистостью карбидной фазы, главным образом, средним размером зерен карбида вольфрама. Разработан­ные технологические приемы позволяют получить твердые сплавы, в которых средний размер зерен карбидной составляющей может изменяться от долей микрона до 10-15 мкм.

С увеличением размера зерен карбидовольфрамовой фазы твердость, мо­дуль упругости, сопротивление абразивному износу и стойкость при резании чугуна уменьшаются, а предел прочности при изгибе растет. Эта закономер­ность широко используется для создания сплавов различного назначения с требуемыми свойствами.

Первыми такими сплавами, выпущенными промышленностью страны для резания, были мелкозернистые сплавы марок ВКЗ-М и ВК6-М, показавшие хорошие результаты при чистовой обработке твердых чугунов, закаленных ста­лей, а также нержавеющих сталей и некоторых других марок труднообрабатываемых материалов.

Затем была разработана гамма сплавов с весьма мелкозернистой структу­рой (основная масса зерен карбида вольфрама размером менее микрона) и с содержанием кобальта 6 и 10%.

Сплавы содержат также небольшие добавки карбида тантала (около 2%) и ванадия (0,1%), которые, главным образом, препятствуют росту зерен карби­да вольфрама при спекании.

Сплавы ВК6-ОМ, ВКЮ-ХОМ дают хорошие результаты при тонком точении и расточке некоторых марок жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, чугунов высокой твердости, в том числе и ковких, закаленных сталей и алюми­ниевых сплавов. Особенно эффективен сплав ВК6-ОМ при обработке вольф­рама и молибдена, а также при развертывании и шабрении стальных и чугун­ных деталей.

Сплав ВКЮ-ХОМ, благодаря более мелким размерам зерен карбидной со­ставляющей, а также благодаря повышенному содержанию связки обеспечива­ет хорошую формоустойчивость режущих кромок даже при относительно высо­ких режимах резания. Поэтому этот сплав имеет более широкую область при­менения и может использоваться как для черновой, так и для чистовой обра­ботки жаропрочных сплавов на никелевой основе.

Дальнейшим развитием и совершенствованием сплавов этого направле­ния являются сплавы, в которых карбид тантала заменен карбидом хрома. Ус­тановлено, что карбид хрома тормозит рост зерна карбида вольфрама при спекании, а также увеличивает твердость и прочность сплавов при повышен­ных температурах.

Благодаря особо мелкозернистой, плотной структуре сплавов можно произ­водить заточку и доводку инструментов с наименьшими радиусами округления режущих кромок, что, в свою очередь, обеспечивает получение более высо­кой чистоты обработанной поверхности и размерной точности.

Еще одно направление совершенствования сплавов для резания конструк­ционных сталей, чугунов и труднообрабатываемых материалов связано с со­вершенствованием связки. Впервые работами ГПИ (Т. Н. Лоладзе, Г. Н. Ткема — ладзе) было показано, что недостаточная сопротивляемость высокотемпера­турной ползучести (низкая температура плавления), связующей фазы в твер­дых сплавах, обуславливает их недостаточную пластическую прочность и, в конечном итоге, снижает производительность обработки резанием. На базе сформированной концепции трудами ученых ГПИ были созданы экономнолеги­рованные твердые сплавы типа НТ и Т с высокой пластической прочностью.

Другим примером такого совершенствования является разработка сплава ВРК15 (ТУ 48-19-462-89) с жаропрочной кобальтрениевой связующей фазой для черновой и получистовой обработки.

Сплав отличается высокой прочностью при повышенных температурах, низ­кой адгезией с обрабатываемым материалом и относительно высокой износо­стойкостью. Применение инструментов, оснащенных сплавом ВРК15, по­зволяет повысить производительность обработки резанием за счет увеличе­ния скорости резания или сечения среза или существенно повысить характе­ристики износостойкости инструмента (площадь обработанной поверхности, стойкость инструмента), в том числе и при чистовой обработке никелевых сплавов.

Наряду с содержанием кобальта и зернистостью фазы WC, большое влияние на режущие свойства сплавов WC-Co оказывает содержание угле­рода в сплаве. Это связано с тем, что содержание углерода в пределах двух­фазной области WC-Co не влияет на фазовый состав сплава, но оказывает заметное влияние на состав связующей (кобальтовой) фазы. Последнее обу­словлено изменением растворимости вольфрама в кобальте. Изменение со­става кобальтовой фазы оказывает сильное влияние и на изменение свойств сплава в целом. Кроме того, наличие в сплаве избытка углерода в виде графи­та приводит к снижению износостойкости сплава, а недостаток углерода вызы­вает образование т|-фазы (W3Co3C), которая повышает износостойкость, но снижает прочность сплава. Таким образом, при одинаковом содержании ко­бальта малоуглеродистые сплавы более износостойки, но менее прочны, чем высокоуглеродистые. С ростом в сплаве содержания кобальта увеличивается и влияние углерода на свойства сплава.

Титановольфрамовые твердые сплавы. Титановольфрамовые сплавы (ТК) выпускают главным образом для оснащения инструментов при обработке резанием сталей, дающих сливную стружку. По сравнению со сплавами ВК они обладают большей стойкостью против окисления, твердостью и жаропроч­ностью, в то же время имеют меньшую теплопроводность и электропровод­ность, а также модуль упругости.

Повышенная способность титановольфрамовых сплавов сопротивляться адгезионно-усталостному изнашиванию объясняется тем, что температура их схватывания со сталью существенно выше, чем у сплавов WC-Co. Появление титановольфрамовых сплавов позволило применять более высокие скорости резания при обработке стали и существенно повысить стойкость инструмента.

Сплавы группы ТК стандартных марок имеют различный состав в зависимо­сти от условий их применения. Содержание карбида титана колеблется в пре­делах 5-30%, кобальта от 4 до 10% (табл. 11.7).

Так же, как и у сплавов ВК, предел прочности при изгибе и сжатии, а также ударная вязкость у сплавов ТК увеличиваются с ростом содержания кобальта.

С увеличением содержания углерода в пределах трехфазной области прочность при изгибе растет, а твердость и износостойкость снижаются.

Наличие структурно свободного углерода приводит одновременно к сниже­нию прочности, твердости и износостойкости при резании. Присутствие в спла­ве г)-фазы снижает предел прочности при изгибе, но повышает твердость и износостойкость при резании.

У сплавов с одинаковым содержанием кобальта и одинаковым размером карбидных фаз предел прочности при изгибе и сжатии, ударная вязкость, пла­стическая деформация и модуль упругости уменьшаются при увеличении со­держания карбида титана.

В соответствии с приведенными закономерностями меняются и режущие свойства сплавов: увеличение содержания кобальта приводит к снижению из­носостойкости сплавов при резании, а с ростом содержания карбида титана (при постоянном объемном содержании кобальта) повышается износостой­кость, но одновременно снижается эксплуатационная прочность. Поэтому такие марки сплавов, как ТЗОК4 и Т15К6, обладающие максимальным запасом пла­стической прочности, применяют в условиях чистовой и получистовой обра­ботки стали с высокой скоростью резания, малыми и умеренными нагрузка­ми на инструмент. Сплавы Т5К10, Т5К12 с наибольшим содержанием кобальта и запасом хрупкой прочности предназначены для работы в тяжелых условиях ударных нагрузок с пониженной скоростью резания.

Титанотанталовольфрамовые твердые сплавы. Промышленные тита­нотанталовольфрамовые твердые сплавы (сплавы ТТК) состоят из трех ос­новных фаз: твердого раствора (Ті, W, Та)С, карбида вольфрама и твердого раствора на основе кобальта.

Введение в сплавы карбида тантала улучшает их физико-механические и эксплуатационные свойства, что выражается в увеличении прочности при из­гибе и твердости при комнатной и повышенной температурах, увеличении ра­боты деформации при повышенных температурах.

Карбид тантала в сплавах снижает ползучесть, существенно повышает предел усталости трехфазных сплавов при циклическом нагружении, а также повышает термостойкость и стойкость против окисления на воздухе.

Стандарт (ГОСТ 3882-74) содержит пять марок сплавов этой группы — ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ7К12, ТТ20К9 и Т8К7, в которых содержание карбида тан­тала колеблется от 2 до 12% (табл. 11.8).

Исследование режущих свойств сплавов ТТК показало, что увеличение в сплаве содержания карбида тантала повышает его износостойкость при резании, особенно за счет меньшей склонности к лункообразованию и разру­шению под действием термоциклических и усталостных нагрузок.

С учетом отмеченных свойств, сплавы ТТК рекомендуют для тяжелой обработки, резания труднообрабатываемых материалов при значительном термомеханическом нагружении инструмента, а также операций прерывистого резания, особенно фрезерования, отличающихся переменным сечением среза и циклическими термомеханическими нагрузками на режущую часть инструмента.

Наибольшей хрупкой прочностью среди сплавов группы ТТК обладает сплав ТТ7К12, который рекомендуют для обработки стали в особо неблагопри­ятных условиях (прерывистое точение, строгание, черновое фрезерование).

Применение инструмента из сплава ТТ7К12 взамен быстрорежущего инстру­мента позволяет повысить скорость резания в 1,5-2 раза [99].

Для операций фрезерования рекомендуются сплавы марки ТТ20К9 (для обработки стали) и ТТ8К7 (для обработки чугуна). Для чистового и получисто — вого точения, растачивания и фрезерования серого и ковкого чугуна, цветных металлов, непрерывного точения высокопрочных, нержавеющих сталей, в том числе и термообработанных, а также титановых сплавов предназначен сплав марки ТТ8К6.

Черновое, получерновое точение и фрезерование высоколегированных, не­ржавеющих и жаропрочных сталей и некоторых сплавов успешно осуществля­ются инструментом из сплава марки ТТ10К8-Б.

К группе танталосодержащих сплавов следует отнести и так называемые сплавы МС, выпуск которых освоен по лицензии, закупленной у фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция) (табл. 11.9).

Сплавы марок МС101, МС111, МС121, МС131 и МС146 предназначены для обработки стали и стального литья в различных условиях, сплавы МС211, МС221 и МС241 — для резания труднообрабатываемых материалов, а сплавы марок МС301, МС306, МС312, МС313 и МС321 — для обработки чугуна и цвет­ных металлов. Сплавы марки МС137 и МС318 предназначены для фрезерова­ния стали и чугуна соответственно.

Исследования режущих свойств сплавов МС [17, 65] показали их высокую надежность по сравнению со стандартными сплавами, что связано с повы­шенной стабильностью физико-механических свойств сплавов МС. Поэтому более высокая стоимость (на 40-60%) сплавов МС по сравнению со стан­дартными сплавами вполне оправдана высокой стабильностью режущих свойств и эксплуатационной надежностью инструмента, оснащенного пласти­нами МС.

Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС). В связи с высокой дефи­цитностью основных компонентных составляющих твердого сплава, и прежде всего W и Со, в странах СНГ развернуты широкие изыскания по разработке экономнолегированных беэвольфрамовых твердых сплавов.

Перспективным направлением разработки беэвольфрамовых твердых сплавов (БВТС) оказалось создание сплавов на основе карбонитрида и кар­бида титана с никель-молибденовой связкой.

Сплавы отличаются высокой твердостью, окалиностойкостью, имеют низ­кий коэффициент трения по стали и пониженную склонность к адгезионному взаимодействию с обрабатываемым материалом, что уменьшает износ инст­румента по передней поверхности при обработке стали и позволяет получить при обработке сталей низкую шероховатость обработанной поверхности и высокую размерную точность. В то же время безвольфрамовые сплавы имеют более низкий модуль упругости, а следовательно, и сопротивление упругим и пластическим деформациям, чем вольфрамосодержащие, меньшую тепло­проводность и ударную вязкость, поэтому они хуже сопротивляются ударным и тепловым нагрузкам, также отличаются пониженной жаропрочностью, т. е. ин­тенсивно разупрочняются при более низких температурах, чем сплавы типа ТК.

Указанные свойства определили и области рационального применения сплавов при обработке материалов резанием: главным образом чистовая и получистовая обработка при точении и фрезеровании углеродистых и легиро­ванных сталей с высокой скоростью резания и относительно небольшим сече­нием среза взамен титановольфрамовых сплавов.

Эффективно применение беэвольфрамовых сплавов в виде сменных мно­гогранных пластин, так как при напайке и заточке из-за низкой теплопровод­ности возможно появление внутренних напряжений и, как следствие, трещин на пластинах, а также снижение их эксплуатационной стойкости.

Промышленность страны выпускает две стандартные марки безвольф — рамовых сплавов в соответствии с ГОСТ 26530-85 (табл. 11.10). С учетом относительно низких значений теплостойкости и пластической прочности БВТС проведены исследовательские работы по совершенствованию их свойств за счет упрочнения связки или карбонитридной фазы. Результатом таких разработок стало появление новых марок БВТС с улучшенными свойст­вами по хрупкой и пластической прочности.

Примером совершенствования БВТС могут служить сплавы ЛЦК20, карбо — нитридная фаза которых легирована цирконием, сплавы ТВ4, ЦТУ и НТНЗО, связки которых имеют заметно более высокую прочность и теплостойкость за счет легирования соответственно карбидом вольфрама, вольфрамом и карби­дами титана и ниобия. Новая группа сплавов этого типа имеет повышенную эксплуатационную надежность и расширенную область применения. В частно­сти, сплавы ТВ4, НТНЗО рекомендуют для черновой обработки стали при фрезеровании и точении (области применения Р20-Р30).

Состав и некоторые свойства БВТС повышенной прочности показаны в табл. 11.11.

Эффективность применения БВТС зависит от правильности подготовки инструмента, выбора режимов резания и условий обработки, включая обраба­тываемый материал. Например, стандартный БВТС марок ТН-20, КНТ-16 не рекомендуется при обработке труднообрабатываемых материалов, твердых чугунов и закаленных сталей.

Опыт внедрения существующих безвольфрамовых сплавов и прогнози­руемое расширение их применения в связи с появлением новых более со­вершенных марок показывает, что при выпуске требуемой номенклатуры изде­лий и обеспечении стабильного уровня качественных показателей, около 25- 30% объема выпуска вольфрамосодержащих сплавов для обработки стали может быть заменено на безвольфрамовые.

Области применения твердых сплавов. При анализе областей примене­ния марок твердых сплавов, обладающих различными свойствами, обычно используют рекомендации международной организации стандартов ИСО (ISO), которые предусматривают использование сплавов с учетом уровня основных свойств каждой марки (ГОСТ 3882-74) в зависимости от условий обработки (t, S, V, характер операции, обрабатываемый материал, тип формируемой стружки и т. п.). В соответствии с этими рекомендациями твердые сплавы клас­сифицируют на три основные группы резания Р, М, К, которые, в свою оче­редь, делятся на подгруппы применения в зависимости от условий обработки (табл. 11.12).

Чем больше индекс подгруппы применения, тем ниже износостойкость твердого сплава и допустимая скорость резания, но выше прочность (ударная вязкость), и допустимая подача, и глубина резания (см. табл. 11.12). Таким образом, малые индексы соответствуют чистовым операциям, когда от твердых сплавов требуется высокая износостойкость и малая прочность, а большие индексы соответствуют черновым операциям, т. е. когда твердый сплав должен обладать высокой прочностью. В связи с этим каждая марка имеет свою предпочтительную область применения, в которой она обеспечивает максимальные работоспособность сплава и производительность процесса обработки.

Границы подгруппы применения определяются ориентировочно и неодно­значно. Поэтому ряд марок твердых сплавов могут хорошо работать в двух­трех подгруппах применения (например, Т15К6, Р10, Р15, Р20) или даже в раз­личных группах применения (например, ВК8, КЗО, К40, МЗО).

Основные тенденции совершенствования твердых сплавов. В на­стоящее время номенклатура твердых сплавов существенно изменилась, за­метно повысилось качество сплавов. Это связано с использованием произво­дителями более совершенного производственного и контрольного оборудова­ния, а также более качественных технологий. В частности, сказанное относит­ся к Московскому комбинату твердых сплавов (МКТС), который производит твердые сплавы по технологии и с использованием оборудования и сырья шведской фирмы «Sandvik Coromant», заводу «Победит» (г. Владикавказ), вы­пускающего твердые сплавы серии ВП, а также к опытному производству ВНИ — ИТС. С учетом перехода РФ на рыночную экономику и интеграции ее промыш­ленности с промышленностью развитых стран Запада, целесообразно рас­смотреть основные тенденции совершенствования современных марок твер­дых сплавов.

Совершенствование вольфрамокобальтовых твердых сплавов (WC-Co) связано с разработкой сплавов особомелкозернистой (радиус скруглення до 1 мкм) и ультрамелкозернистой структуры (радиус скругления до 0,1-0,5 мкм); созданием сплавов со связками повышенной прочности и теплостойкости; при­менением принципиально новых технологий производства сплавов на основе использования субмелкозернистого исходного зерна, совмещения процессов синтеза и горячего прессования; введения дополнительной операции доуплот — нения структуры сплавов на специальных установках газостатического прессования (процесс ГИП).

Использование твердых сплавов ультра — и особомелкозернистой структу­ры при производстве режущего инструмента позволяет при заточке и доводке инструмента получить радиус скруглення режущих кромок в пределах 5-10 мкм, что вполне соизмеримо с радиусом скруглення для инструмента из углероди­стой и быстрорежущей сталей. Кроме того, такие сплавы имеют более высо­кую однородность зерен по объему, что делает ультра — и особомелкозерни­стые сплавы наиболее пригодными для изготовления мелкоразмерного цель­нотвердосплавного инструмента (сверла, концевые фрезы, резьбонарезной инструмент и т. д.).

В настоящее время западные производители режущего инструмента реко­мендуют использовать инструмент из ультра — и особомелкозернистых сплавов для обработки высокопрочных чугунов, закаленных сталей, сплавов на основе никеля, титана и молибдена, высококремниевых алюминиевых сплавов, стек­ло-, угле — и боропластиков.

В частности, пластины из сплава ТНМ, имеющего средний размер зерна около 0,6 мкм, фирма «Кгирр Widia» (ФРГ) рекомендует для обработки высоко­твердых сталей (HRC 55), а также для обработки высококремниевого алюми­ниевого сплава [13].

Фирма «Sandvik Coromant» (Швеция) рекомендует пластины из сплава H10F (М20-М30) для фрезерования жаропрочных сплавов, а фирма «Kennametal» (США) рекомендует мелкозернистый сплав К313 для резания труднообраба­тываемых материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности. Следует отметить, что сплав К313 обладает уникальной прочностью при изгибе сти = 3200 МПа, что достигается использованием технологии дополнительного горячего изостатического прессования (ГИП). Сплав К313, кроме того, обладает высокой сопротивляемостью термопластическому деформированию при повы­шенных температурах [137].

Надежность твердосплавного инструмента, особенно применяемого в авто­матизированном производстве, зависит не только от средних значений прочно­сти, но и стабильности его прочностных свойств. Поэтому еще одно направле­ние совершенствования современных твердых сплавов связано со стабилиза­цией однородности его свойств. Примером такой тенденции может служить особомелкозернистый сплав А-1, разработанный фирмой «Sumitomo» (Япо­ния). Этот сплав имеет не только строго фиксированный размер зерна 0,5-0,8 мкм, но и высокую однородность распределения связки по объему материала. Пластины из сплава А-1 рекомендуются фирмой для чернового точения и фре­зерования, так как такой инструмент обладает высокой сопротивляемостью хрупкому разрушению режущих кромок и высокой прочностью удержания кар­бидного зерна в сплаве. Последнее предопределяет высокую износостойкость сплава в условиях прерывистого резания и приложения переменных нагрузок большой величины [99].

В частности, при чистовой высоколегированной стали 16МпСг5Е с твердо­стью HRC3=62 применение торцовых фрез, оснащенных сплавом А-1, поз­волило увеличить скорость фрезерования до 120 м/мин [126].

Для производства цельнотвердосплавных сверл и концевых фрез диа­метром 0,1-0,8 мм для обработки отверстий в печатных фольгированных пла­тах фирма «Sumitomo» разработала несколько марок мелко — и особомелкозер­нистых сплавов, обладающих высокими показателями по прочности при изгибе и кручении однородности размера зерна. В частности, твердый сплав AF-1 с размером зерен 0,5-0,15 мкм и содержанием кобальта 12% по объему, имею­щий твердость HRA 93 и прочность при изгибе аи = 5,0 ГПа, был использован для производства сверл диаметром 0,1 мм. Необходимо отметить, что при производстве сверл такого диаметра малейшие дефекты сплава и, в частно­сти, неравномерность величины зерна WC по объему, приводят к неизбежной поломке сверла при эксплуатации. По данным [126] при обработке отверстий в фольгированных пластинах (d = 0,1-0,3 мм) сверла из сплава А-1 имели стойкость существенно превышающую стойкость сверл из быстрорежущей стали.

Аналогичные цельнотвердосплавные сверла фирмы «Hertel AG» (ФРГ) (ти­па SE—Drill) позволили повысить до трех раз величину подачи, по сравнению с применяемыми для быстрорежущих сверл, при одновременном увеличении скорости резания до 80-120 м/мин [118].

Заметное влияние на свойства особо — и мелкозернистых твердых спла­вов оказывает содержание кобальта. В частности, рост содержания кобальта в сплаве позволяет увеличить предел прочности при изгибе и ударную вяз­кость, теплопроводность, снизить коэффициент термического расширения, твердость, модуль упругости и удельное электрическое сопротивление. Сниже­ние содержания кобальта (например до 3,69% по объему) заметно снижает оптимальное значение температуры спекания (с 1400 до 1275°С), что, в свою очередь, позволяет снизить тенденцию роста зерна при спекании и увеличить износостойкость сплава.

В [139] показано, что оптимальное сочетание свойств мелкозернистых сплавов обеспечивается при содержании кобальта в пределах 6% по объему. Такие сплавы используют для производства цельнотвердосплавных инстру­ментов: сверл, зенкеров, разверток, концевых фрез, метчиков и т. д.

Большое количество зарубежных исследовательских работ посвящено со­вершенствованию свойств твердых сплавов за счет упрочнения связки, кото­рая является слабым технологическим звеном сплава. В частности, как было показано выше, на свойства связки большое влияние оказывает содержание углерода, причем это влияние усиливается по мере роста содержания в сплаве кобальта.

Легирование связующей фазы рением повышает ее прочность, сопротив­ляемость высокотемпературной ползучести и, кроме того, предотвращает фор­мирование хрупкой ri-фазы. Следует отметить, что появление жидкой фазы твердого раствора Co-Re происходит при температуре выше на 100-300 °С, а твердость сплава с (Со-Ре)-связкой на 200-300 HV выше, чем у твер­дого раствора Co-W-C. Это является главной причиной повышения стойкости инструмента, оснащенного сплавом с (Со-Ре)-связкой: в 3-5 раз по сравнению со стойкостью инструмента, оснащенного обычным твердым сплавом.

Заметное улучшение свойств сплава отмечено при его легировании рутени­ем. В частности, введение’0,4% (на весу) рутения в сплав 94% WC — 6% Со увеличивает предел его прочности при изгибе на 16% при том же значении твердости. Это связано с тем, что рутений является ингибитором роста зерен и увеличивает смачиваемость зерен WC, что, в свою очередь, приводит к росту прочности адгезионной связи между WC и Со. Сплавы с (Со-е)-связкой хоро­шо сопротивляются механическим ударам и термической усталости.

Широкое применение сплавов с (Co-Re)- и (Co-RiO-связками сдерживает­ся дефицитностью Re и Ru. Поэтому в последнее время ряд фирм разработали сплавы с новыми типами экономнолегированных связок, в которых кобальт частично или полностью заменен никелем, молибденом и железом. В частно­сти, все большее применение находят сплавы со связками Fe-Co, Fe-Ni, Со — Ni, Fe-Co-Ni, Fe-Mo и др.

Фирма «Кгирр-Widia» (ФРГ) разработала несколько новых марок титано- танталовольфрамовых твердых сплавов для фрезерования. Высокая эффек­тивность сплава TTM-S обеспечивается сочетанием высокой твердости (HV1500) и прочности при изгибе (ст„ =2,1 ГПа), поэтому пластины из этого сплава рекомендуют для чернового и чистового фрезерования сталей, стального литья, легированного чугуна, высоколегированных жаропрочных сталей (Р10-Р30, М20-М30) на скоростях резания до 140 м/мин, подачах до 0,34 мм/зуб, глубинах резания 4-10 мм [125, 137].

Японская фирма «Mitsubishi» разработала широкую гамму титано­танталовольфрамовых сплавов различного назначения. В частности, сплав UTi20T рекомендуется для оснащения инструмента, который может быть ис­пользован при точении и фрезеровании сталей, чугунов, труднообрабатывае­мых материалов (Р25, К20, М20). Инструмент, оснащенный пластинами из сплава STi10T, рекомендуется для чистового и копировального точения, наре­зания резьбы и канавок, а пластины из сплава НТІ05Т — для тонкого точения и растачивания стальных заготовок.

Более прочные пластины STM0T рекомендуют для точения заготовок из труднообрабатываемых материалов.

Отмечается тенденция замены карбида тантала более эффективными кар­бидами гафния, ниобия, хрома, ванадия. В частности, сплавы, легированные карбидами гафния, имеют заметное преимущество по износостойкости при точении, но уступают при фрезеровании сплавам, легированным ТаС. Это свя­зано с ростом склонности к большому изменению линейных размеров и сниже­нием теплопроводности для сплавов, легированных НГС и МЬС по сравнению с соответствующими характеристиками сплавов, легированных ТаС. Например, стойкость резцов, оснащенных пластинами S20C (Р20), содержащими 63% WC, 17% ТІС и 9% NbC, близка к стойкости резцов, оснащенных пластинами S20S, содержащими 14% ТаС и NbC, и на 20% выше стойкости инструмента, оснащенного пластинами S20, не содержащими карбиды гафния, ниобия и тан­тала [130].

В табл. 11.13 приведены основные марки твердых сплавов, производимых в РФ по улучшенным технологиям, а также по технологиям ряда западных фирм («Hertel», «Sandvik Coromant» и др.), их аналоги и области применения.

Наиболее радикально совершенствуются БВТС. Необходимо отметить, что если в странах СНГ выпуск БВТС составляет не более 1% от общего объема твердых сплавов, то в Западной Европе и США используют 2-5% БВТС, а в Японии до 30-35% [135, 141].

В мировой практике в настоящее время производят БВТС главным обра­зом на основе Tic, TiC-TiN с различными вариантами связок (табл. 11.14).

Для повышения пластичности и сопротивляемости разрушению при термо­циклических нагрузках БВТС дополнительно легируют карбидами Mo, V, Та, Nb, Zr, Hf, Al, Сг, а также W. Рассматривается также возможность производства БВТС на основе боридов переходных металлов IV — VI групп Периодической системы и, в частности, TiB и TiBg.

Эффективность БВТС при резании в значительной степени определяется составом и свойствами связки. При производстве БВТС в качестве связки чаще всего используют никель с добавками молибдена или кобальта (см. табл. 11.14), а для ее упрочнения в состав связки вводят Fe, Сг, Al, W, Ті, Si и др. [34].

Например, при легировании БВТС алюминием происходит образование субмикроскопической фазы Ni(Ti, AI), выполняющей роль своеобразного фазо­вого упрочнителя. В результате происходит упрочнение связки, растет твер­дость сплава без снижения его прочности. В мировой практике используют БВТС с содержанием связки в пределах 5-25% (по весу).

Фирма «Sumitomo» (Япония) разработала серию БВТС, которые полностью вытеснили вольфрамосодержащие твердые сплавы для операций чистового и получистового точения сталей (Р01-Р20). В частности, сплав Т12А (HV = 1580, сти =1,65 ГПа) применяется для получистового точения и фрезерования конст­рукционных сталей на ферритной основе с v = 100-300 м/мин и v = 150-200 м/мин соответственно, а также для точения и фрезерования нержавеющих сталей на скоростях резания v = 60-250 м/мин; v = 60-120 м/мин. Наиболее удачным в этой серии является сплав Т25А (HV = 1520; сти = 1,85 ГПа) предна­значенный для получистового точения конструкционных сталей (v = 50-200 м/мин) и фрезерования (v = 120-180 м/мин, Sz = 0,25 мм/зуб).

Еще одно направление совершенствования БВТС связано с введением в их состав небольшого количества WC и ТаС с целью повышения теплопроводно­сти, снижения коэффициента термического расширения, что заметно повышает сопротивляемость БВТС разрушению в условиях термоциклирования и значи­тельно повышает износостойкость сплава для тяжелых операций и, в частно­сти, для чернового фрезерования.

Например, фирма «Toshiba Tungalloy» (Япония) разработала гамму БВТС (302, 308, 350, NS500) на основе TiC-TiN, легированных WC и ТаС. Эти спла­вы рекомендованы фирмой для оснащения инструмента, предназначенного для получистового точения сталей и чугунов, а также закаленных сталей и чу- гунов повышенной прочности, нержавеющих аустенитных сталей (Р10-Р20, К05-К20, М05-М10). Благодаря высокой сопротивляемости разрушению при термоциклических нагрузках торцовые фрезы, оснащенные пластинами NS540, могут быть использованы для фрезерования стали НВ160 с v = 170 м/мин; Sz = 0,2 мм/зуб; f = 2-3 мм, при этом допускается применение СОТС.

Фирма «Adamas Carbide» (США) рекомендует пластины из БВТС марок ADAMAX300 и ADAMAX600 для чистового, получистового и чернового точения сталей (HRC3 42-45) и чугунов на скоростях резания до 220 м/мин, минутной подаче до 813 мм/мин и глубиной резания до 15 мм.

Фирма «Teledyne First Stering» (США) рекомендует разработанные БВТС на основе TiCN и (Ti, Mo)CN с никельмолибденовой связкой (марка SD-3) для точения, растачивания, подрезки, нарезания резьбы в сталях и чугунах, жаропрочных сталях. Последнее свидетельствует о широкой области приме­нения сплава SD-3. В частности, инструмент из сплава SD-3 достаточно эф­фективен при резании с v = 300-400 м/мин заготовок из стали твердостью до 50 HRC3.

Следует отметить, что БВТС с их более высокой, чем у вольфрамосодер­жащих твердых сплавов, теплостойкостью, меньшей склонностью к адгезии с обработанным материалом вполне отвечает современной тенденции обработ­ки заготовок за одну установку, когда припуск на обработку минимален, а реза­ние ведется на высоких скоростях резания при необходимости обеспечения низкой шероховатости обработанной поверхности и высокой размерной точности. Таким образом, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, ста­новится особенно эффективным при обработке заготовок с большой площадью обрабатываемой поверхности, к которым предъявляются высокие требования по точности размеров и геометрической формы, шероховатости.

В частности, при тонком фрезеровании направляющих длиной до 600 мм и шириной до 40 мм из стали 58СМо4 фрезой, оснащенной пластинами из БВТС марки Т60 с v = 125 м/мин, Sr= 0,15 мм/зуб; t = 0,3 мм (критерием отказа служил параметр шероховатости Ra = 0,4 мкм), число обработанных деталей за период стойкости фрезы составило 12 штук при шероховатости по всей обработанной поверхности Ra = 0,35 мкм.

При использовании торцовых фрез, оснащенных вольфрамосодержащим твердым сплавом, шероховатость обработанной поверхности при аналогичных условиях обработки составила Ra = 2,1 мкм.

В ряде случаев инструмент, оснащенный пластинами из БВТС, превосходит инструмент из твердых сплавов с износостойкими покрытиями и керамики. В частности, инструмент, оснащенный пластинами из БВТС марки SN80 фирмы «Feldmuhle» (ФРГ) [131] превосходит керамический инструмент при резании на скоростях 350-500 м/мин в условиях повышенных требований к прочности ре­жущих кромок и качеству обработанной поверхности.