Вольфрамокобальтовые твердые сплавы (BK)

Как уже сообщалось, сплавы BK были первыми спеченными твердыми сплавами, которые приобрели большое промышленное значение. Сплавы BK предназначены преимущественно для обработки резанием материалов с прерывистой стружкой и для изготовления износостойких изделий. В табл. 99 представлено изменение физических и механических свойств вольфрамокобальтовых твердых сплавов с различным содержанием кобальта. Для сравнения приведены также свойства чистого карбида вольфрама и чистого кобальта. Большинство данных представляет среднее значение. Для плотности, твердости и прочности при изгибе указаны пределы, обычные для большинства торговых марок.

Твердые сплавы BK при одинаковом составе тем тверже, чем дисперснее карбидная фаза; при ее укрупнении сплавы становятся мягче и более вязкими. Снижение содержания общего углерода повышает твердость сплавов; с ростом же содержания свободного углерода твердые сплавы становятся более вязкими и мягкими. Имеется таким образом много металлургических средств и технологических возможностей для варьирования сортов вольфрамокобальтовых твердых сплавов и придания им желательных специальных свойств. Например, сплав с 5,5 % Co (типа ВК6. — Ред.) изготовляют чаще всего либо в виде крупнозернистого «вязкого» сорта для обработки нормального, мягкого и среднетвердого чугуна, либо мелкозернистого, более твердого сорта для обработки твердого и особо твердого чугуна, а также для проточки канавок и тонкой расточки чугуна. Как правило, высокая твердость сочетается с относительно низкими значениями прочности при изгибе и хрупкостью твердого сплава и, наоборот, низкая твердость — с более высокими значениями прочности при изгибе и вязкости. По сравнению с твердыми сплавами, содержащими карбид титана и карбид тантала (карбид ниобия), сплавы BK при том же содержании кобальта характеризуются более высокой вязкостью и большей прочностью при изгибе, а также лучшей тепло- и электропроводностью. Однако их стойкость против коррозии и окисления значительно хуже, что в свою очередь влечет за собой большую склонность к привариванию стружки при точении.

Ниже приводятся основанные на многочисленных литературных источниках данные об отдельных свойствах твердых сплавов.

Удельный вес. Относительная плотность вольфрамокобальтовых твердых сплавов зависит в первую очередь от содержания кобальта и степени спекания; Ввиду того что в системе карбид вольфрама — кобальт при комнатной температуре не происходит значительного образования твердых растворов, удельный вес этих твердых сплавов можно вычислить по правилу смеси. Соответствующая кривая изображена сплошной линией на рис. 160. Фактически измеренные величины лежат в большинстве случаев на 0,5—3% ниже теоретических значений (см. пунктирную линию). Эти отклонения объясняются более или менее сильной остаточной пористостью, причина которой лежит в недостаточно тонком размоле, недостаточном спекании или, наоборот, пережоге или присутствии примесей (например, окислов или графита). Давление прессования шихты из порошков карбида вольфрама и кобальта существенно влияет на плотность прессованной заготовки (рис. 161), но не оказывает большого влияния на конечную плотность спеченного изделия (см. также ниже, замечания о твердости). Решающее влияние на плотность изделия оказывают температура и продолжительность спекания (рис. 162). При превышении определенной температуры спекания снижается относительная плотность («рост» изделия), что очень неблагоприятно влияет на прочность. Горячим прессованием можно получать почти беспористый материал, плотность которого практически совпадает с теоретическими значениями.

Твердость. Существует тесная связь между содержанием кобальта и твердостью (определяемой по шкале А Роквелла или по Виккерсу) вольфрамокобальтовых твердых сплавов, изготовленных в одинаковых условиях. С ростом содержания кобальта твердость снижается, как показано на рис. 163. Как уже неоднократно отмечалось, твердость твердых сплавов зависит от микропористости, но сильнее всего от размеров зерен карбидной фазы и дисперсности связующего металла и карбидов. При одинаковом составе решающее влияние на твердость оказывают размеры зерен исходного порошка, степень размола, а также температура и продолжительность спекания. Мейер и Эйлендер тщательно исследовали изменения твердости вольфрамокобальтовых твердых сплавов в зависимости от зернистости, давления прессования, температуры и продолжительности спекания. С ростом размеров зерен значительно снижается твердость по Роквеллу. Чем тоньше порошок, тем более низкое давление можно применить при прессовании для получения плотного и возможно более твердого изделия (табл. 100 и 101).

С повышением температуры спекания твердость увеличивается; в определенной точке, зависящей от размера зерен и состава, твердость достигает максимума, после чего снижается вследствие рекристаллизации карбидной фазы, а также из-за явлений «роста» (рис. 164). То же можно наблюдать, когда процесс спекания чрезмерно удлиняется (рис. 162).

Весьма плотные, беспористые и твердые изделия получают при горячем прессовании. Изменения твердости и плотности горячепрессованных вольфрамокобальтовых твердых сплавов в зависимости от содержания кобальта, представлены, по данным Меерсона и Шабалина, в табл. 102.

Большое значение имеет горячая твердость (твердость при высокой температуре) твердых сплавов. На рис. 165 изображена зависимость твердости от температуры, откуда видно, что, например, сплав ВК6 при 750° тверже, чем быстрорежущая сталь в холодном состоянии. Многие другие авторы также приводят данные о горячей твердости вольфрамокобальтовых твердых сплавов.

Выше уже отмечались трудности определения холодной и горячей твердости твердых сплавов. Как правило, очень трудно сравнивать между собой соответствующие значения, приводимые в специальной литературе и фирменных проспектах. Это в особенности относится к значениям твердости по шкале А Роквелла; легче сравнивать значения твердости по Виккерсу, если испытания осуществляются в одинаковых условиях с помощью безупречных пирамид.

Прочность при изгибе. Прочность при изгибе твердых сплавов позволяет сделать известное заключение о вязкости материала. Прочность при изгибе сплавов BK растет с повышением содержания кобальта, однако не прямо пропорционально (см. рис. 163). При 20—25% Co достигается максимум, после чего кривая прочности при изгибе резко падает. Это связано с тем, что, с одной стороны, при содержании выше 25% Co очень трудно достигнуть высокой плотности при обычном спекании и, с другой — при более 15% Co затухает процесс образования упрочняющих карбидных мостиков и кристаллы WC более или менее свободно располагаются в связующей кобальтовой массе. Конечно, прочность при изгибе при определенных условиях изготовления, согласно данным Аммана и Хиннюбера, может еще незначительно расти также при содержании выше 20% Co (см. кривую 3а на рис. 163).

В сплавах, содержащих до 10% Co, не наблюдается остаточной деформации при изгибе вплоть до разрушения. Такая деформация становится заметной только при содержании выше 20% Co. На рис. 134 было схематически показано, как изменяется прочность при изгибе в зависимости от температуры спекания. При пережоге вследствие роста зерен и вспучивания сильно падает прочность при изгибе. Недоуглероженные твердые сплавы обладают также плохой прочностью при изгибе из-за фазы Ti, усиливающей хрупкость.

В табл. 171 приведены данные о прочности при изгибе твердых сплавов при повышенных температурах.

Литературные данные о прочности при изгибе, аналогично данным о твердости, нельзя непосредственно сравнивать. Можно сравнивать только данные, полученные при одинаковых условиях на одной и той же испытательной машине и образцах с одинаковым сечением. Иначе неизбежно, кроме обычных колебаний в 5—10%, дополнительное расхождение результатов, зависящее от условий испытаний. Вследствие этого приводимые различными изготовителями данные расходятся на ± 15—20%.

Прочность при сжатии. При нагружении твердых сплавов на сжатие тотчас же после упругой деформации происходит разрушение без пластической деформации. Прочность при сжатии сплавов BK при увеличении содержания кобальта сначала несколько повышается, а затем сильно падает, согласно рис. 163.

По жаропрочности при сжатии твердые сплавы значительно превосходят сталь (табл. 103). При давлении 1000 кг/см2 и температуре 1000° еще не наблюдается заметной деформации. Данные о жаропрочности при сжатии вольфрамокобальтовых твердых сплавов приводит также Брохин.

Ударная вязкость. Для оценки сопротивления различных вольфрамокобальтовых твердых сплавов ударным нагрузкам можно использовать значение ударной вязкости. Хиннюбер приводит следующие данные о работе удара в зависимости от содержания кобальта (образцы диаметром 12 мм без надреза, с односторонним закреплением): при содержании 6% Co — 100 кг*см; 11 % — 150 кг*см; 15% — 185 кг*см; 20% — 220 кг*см.

Ударная вязкость сплава ВК6 в зависимости от степени спекания характеризуется кривой на рис. 166. Эти значения были получены на образцах сечением 6х6 мм без надреза при расстоянии между опорами 40 мм. По форме кривая аналогична тем, которые характеризуют зависимость между температурой спекания и усадкой или прочностью при изгибе.

При оптимальной температуре спекания (для данного состава) получают высшую ударную вязкость. С дальнейшим повышением температуры ударная вязкость падает вследствие увеличения пористости образцов.

Прочность при растяжении и удлинение. Вследствие хрупкости материала очень трудно определить эти характеристики прочности. У вольфрамокобальтовых твердых сплавов с содержанием до 10% Co не удавалось установить остаточной деформации вплоть до разрушения. После незначительной упругой деформации следует разрыв без пластической деформации. Сопротивление разрыву твердого сплава ВК6, обладающего прочностью при изгибе от 144 до 165 кг/мм2, составляет, по Бальхаузену, от 36 до 62 кг/мм2. Твердые сплавы, у которых доля кобальта по объему велика, могут обладать прочностью при растяжении порядка 85 кг/мм2.

Отношение прочности при растяжении к прочности при сжатии составляет у BK твердых сплавов около 0,3 (у быстрорежущей стали 0,7, у стекла 0,1—0,2), отношение прочности при растяжении к прочности при изгибе — около 0,5.

Твердые сплавы с 25% Co и более, так же как и твердые сплавы на основе карбида титана с никелем и хромом, содержащие 60—80% металлической связки, имеют измеримые значения удлинения.

Жаропрочность, длительная прочность. В последнее время большой интерес вызывает жаропрочность и прочность при длительных испытаниях твердых сплавов, в особенности после того, как были сделаны попытки применить их в качестве жаропрочных материалов, матриц, мундштуков для горячего прессования, турбинных лопаток и т. п.

Конечно, вольфрамокобальтовые твердые сплавы представляют интерес только при средних температурах, так как при более высоких рабочих температурах они сильно окисляются. Хиннюбер сообщает, что длительная прочность твердого сплава ВК6 составляет при 900° около 7 кг/мм2. Ниже приведены данные об изменении прочности при изгибе вольфрамокобальтового твердого сплава с 13% Co в функции температуры:

Прочность при переменном изгибе. Усталостная прочность при переменном изгибе, которая может иметь значение в случае применения твердых сплавов в конструкционных целях, составляет для сплава ВК6 при 2*10в6 циклах ± 46 кг/мм2.

Модуль упругости. Модуль упругости вольфрамокобальтовых твердых сплавов представляет интерес при упругих нагружениях этого материала (например, у шариков Бринеля, твердосплавных валков, твердосплавных пружин и др.). Данные Кестера и Раушера и др. приведены в табл. 99. Модуль упругости, как правило, уменьшается с повышением содержания кобальта (см. рис. 167). На рис. 168 изображена температурная зависимость модуля упругости твердого сплава ВК6.

Ларднер и Мак-Грегор тщательно определяли модуль упругости твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом и на основе карбида титана с кобальтом при нормальной и повышенной температурах. Эти авторы приводят также данные о коэффициенте Пуассона для тех же твердых сплавов. Их результаты в основном совпадают с данными Кестера и Раушера. Модуль упругости твердых сплавов примерно в три раза больше модуля стали. Наибольшее значение модуля имеют мелкозернистые вольфрамокобальтовые твердые сплавы для обработки твердого чугуна. Твердосплавные шарики для испытания твердости по Бринелю сплющиваются значительно меньше, чем стальные шарики, и дают более точные результаты испытания. Для точной прокатки твердых материалов сплошные твердосплавные валки превосходят стальные валки, которые больше прогибаются.

Модуль сдвига. Модуль кручения вольфрамокобальтового твердого сплава с 13% Co составляет 12 100 кг/мм2 (у быстрорежущей стали 5660 кг/мм2).

Теплопроводность. Вольфрамокобальтовые твердые сплавы обладают лучшей теплопроводностью по сравнению с быстрорежущей сталью, чем, в частности, обусловлена их более высокая стойкость при резании материалов, образующих прерывистую стружку. Теплопроводность BK твердых сплавов в два — три раза выше, чем у быстрорежущей стали, и составляет приблизительно 0,06 кал/см*сек*град.

Коэффициент Видемана-Франца для сплава с 13% Co составляет 12,2*10в-6 ватт/ом*град.

Коэффициент термического расширения. Термическое расширение имеет значение, когда твердосплавные пластинки или изделия припаивают к другим материалам. Термическое расширение BK твердых сплавов увеличивается с повышением содержания кобальта, что видно из табл. 99.

Термическое расширение BK твердых сплавов не превышает, однако, половины значения, свойственного быстрорежущей стали. В то время как при содержании ниже 10% Co расширение определяется жестким каркасом карбида вольфрама, при содержании выше 10% Co, когда, следовательно, начинается растворение вольфрамокарбидного каркаса, термическое расширение изменяется по правилу смеси.

Удельная теплоемкость. Удельная теплоемкость вольфрамокобальтового твердого сплава с 6—11% Co составляет около 0,05 кал/г.

Электрическая проводимость. Электрическая проводимость BK твердых сплавов изменяется в зависимости от содержания кобальта согласно данным табл. 99.

Магнитные свойства. Литературные данные о магнитных свойствах твердых сплавов скудны. Между магнитным насыщением и содержанием кобальта (или содержанием двойных карбидов и фазы n) с одной стороны, и между коэрцитивной силой и степенью спекания, а также размерами зерен — с другой, существует зависимость, которую можно использовать для контроля качества.

У BK твердых сплавов были измерены значения магнитного насыщения и коэрцитивной силы, приведенные в табл. 104. Совершенно отчетливо видно, что магнитное насыщение увеличивается с повышением содержания кобальта. При одинаковом составе твердый сплав с крупными зернами WC обладает значительно более низкой коэрцитивной силой, чем мелкозернистый сплав, предназначенный для обработки твердого чугуна.

Структура. Образование структуры BK твердых сплавов и ее влияние на свойства подробно освещалось в предыдущей главе. Следует еще раз указать на многочисленные работы по изучению структуры вольфрамокобальтовых твердых сплавов.

Стойкость против коррозии и образования окалины. Стойкость против коррозии имеет значение, когда твердые сплавы используют в химической промышленности или для волочения проволоки. Сравнительные данные о стойкости твердых сплавов против воздействия морской воды, кислот и щелочей приведены в ряде работ. В табл. 105 и 106 даны потери веса твердых сплавов при длительном воздействие на них различных минеральных кислот и едкого натра при комнатной температуре и при температуре кипения. Твердые сплавы со связующим металлом являются стойкими против серной и плавиковой кислот при обычной температуре. Они нестойки против соляной и азотной кислот; в особенности значительное растворение кобальта происходит при температуре кипения. Стойкость против едкого натра достаточно высока даже при температуре кипения. Значительно лучшей антикоррозионной стойкостью обладают твердые сплавы без металлической связки (по сравнению с BK твердыми сплавами).

Потери веса при воздействии разбавленной серной кислоты на обычно спеченные и горячепрессованные вольфрамокобальтовые твердые сплавы с 3—11 % Co приведены в табл. 107. Как видно, эти твердые сплавы хорошо противостоят действию серной кислоты, что имеет значение при их применении для волочения проволоки с кислотной обработкой.

При использовании твердого сплава в качестве жаропрочного материала на воздухе (турбинные лопатки, сопла, штампы горячего прессования и др.) образование окалины имеет такое же большое значение, как и при применении твердых сплавов для резания (твердосплавные резцы могут нагреваться до температур порядка 700—1100°). Как правило, BK твердые сплавы обладают плохой окалиностойкостью, так как при повышенных температурах на воздухе образуется неплотный и непрочный слой окислов. В противоположность этому хорошей окалиностойкостью обладают твердые сплавы, содержащие карбид титана, и, в особенности, твердые сплавы, у которых кобальт заменен окалиностойкой связкой.

Стойкость при резании. Отметим лишь интересную зависимость между размером зерна и стойкостью, приведенную в табл. 108.

Износостойкость. Можно найти немного сравнимых данных об износостойкости BK твердых сплавов из-за трудностей испытания. Кельбль определял износостойкость обычно спеченных и горячепрессованных вольфрамокобальтовых твердых сплавов с 5% Co по методу Амманна обдувкой струей песка. По его измерениям, потери веса составляют 0,9 и 0,35 г и объем износа 68 и 22 мм3 соответственно. Зависимость износа при пескоструйной обработке от содержания кобальта изображена кривой 4 на рис. 163. Износ твердых сплавов, по Савину, сильно зависит от пористости. Как показывают приведенные ниже данные, структура BK твердых сплавов также оказывает большое влияние на износ при пескоструйной обработке:

По сравнению с обычными сталями износостойкость твердых сплавов весьма высока.

Области применения. Области применения BK твердых сплавов представлены в табл. 109.