Факторы износа твердых сплавов

13.09.2019

Для уменьшения и регулирования износа металлических материалов, в частности посредством легирующих присадок, следует изучить отдельные факторы, влияющие на процесс износа. Процесс износа спеченных твердых сплавов, состоящих преимущественно из карбидов металлов, вследствие специфичности методов производства и обусловленных этим образований характерной структуры часто протекает иначе, чем у обычных металлических материалов. К факторам, сильно влияющим на стойкость в работе твердых металлических соединений и твердых сплавов, следует отнести в числе других твердость, прочность при изгибе и сжатии, жаропрочность, а в особых случаях также стойкость против коррозии и образования окалины. Развитие режущих материалов от углеродистой стали к быстрорежущей и стеллитам и далее до современных спеченных твердых сплавов, обладающих исключительной износоустойчивостью благодаря высокому содержанию карбидов вольфрама, титана, тантала и ванадия, происходило с учетом результатов изучения этих факторов.

Так как твердость непосредственно обусловливает износ материала, следует подробнее остановиться на этом факторе.

Твердость обычно определяют как свойство материала сопротивляться проникновению в него другого тела или деформированию, резанию, царапанию или истиранию.

He рассматривая здесь в деталях проблему твердости, укажем на обширную литературу по этому вопросу.

Широко применяют испытания твердости твердых сплавов измерением отпечатка алмазного конуса (по Роквеллу) и алмазной пирамиды (по Виккерсу). При применении этих способов следует учесть, что все литые и спеченные металлические материалы, в том числе и твердые сплавы, состоят из массы однородных или разнородных кристаллитов. При определении макротвердости обычным способом охватывают всегда большое количество кристаллитов (в случае тонкодиспереного твердого сплава — тысячи кристаллитов и больше). Испытание макротвердости дает таким образом только среднее значение твердости материала. В сплавах с гетерогенной структурой (подшипниковые сплавы, быстрорежущая сталь с высоким содержанием карбидов, спеченные твердые сплавы) нельзя поэтому по макротвердости сделать однозначный вывод о твердости отдельных структурных элементов. Только при помощи разработанных в последние годы приборов для испытания микротвердости удалось определить твердость отдельных элементов структуры. Для определения твердости структурных составляющих можно использовать также микротвердость царапанием (микротвердость по Бирбауму). В табл. 139 показана связь между макротвердостью, микротвердостью, твердостью царапанием и твердостью по шкале Мооса. Для сравнения приведены также значения твердости различных структурных составляющих стали и твердых сплавов.

На износ твердых сплавов в процессе резания и, на износ волок из твердых сплавов при горячем волочении проволоки существенное влияние оказывает также так называемая горячая твердость. О горячей твердости BK и TK твердых сплавов уже сообщалось ранее. Повышенное содержание кобальта снижает горячую твердость, добавка карбида титана несколько ее повышает. Влияние горячей твердости на износ твердосплавных резцов при резании рассматривается в следующей главе.

Для определения горячей твердости можно, например, нагреть образец в вакуумной печи и получить на нем отпечаток алмазной пирамиды, которая вводится также под вакуумом. Проще определять горячую твердость по Амманну и Хиннюберу динамически: образец нагревают в открытой печи и отпечаток получают непосредственно в печи от удара маятникового приспособления, на котором укреплен алмаз.

Если бы сопротивление износу определялось только твердостью, то такие материалы, как, например, алмаз, корунд, карбид кремния, карбид бора и карбиды тугоплавких металлов (вольфрама, титана), были бы особенно пригодны в качестве токарных резцов и волок, а также для сверления и работы с ударами. Однако их применение ограничено только рабочими операциями, которые не требуют от материала высокой механической прочности. Алмаз при расточке и чистовой обработке, т. е. при низких давлениях резания и малом сечении стружки, во много раз превосходит твердый сплав. При обдирочных же работах, т. е. при высоких давлениях резания, больших сечениях стружки и прерывистой резании, алмаз полностью отказывает. Как материал для тонких волок алмаз лучше других; при больших диаметрах волок он, однако, не выдерживает высоких давлений и легко разрушается. Алмаз пригоден для вращательных буров., но для ударных буров требуется твердый сплав. Карбид бора не пригоден для грубой обработки резанием и для волочения вследствие своей низкой прочности, но пескоструйные сопла из карбида бора превосходят остальные, если они работают при умеренных давлениях; иногда их стойкость в пять раз превосходит стойкость наиболее прочных твердых сплавов.

В большинстве случаев износа необходимо принимать во внимание также прочность при сжатии и изгибе и жаропрочность материала как очень важные факторы. В табл. 140 сопоставлены значения твердости, прочности при изгибе и сжатии различных твердых веществ и твердых BK и TK сплавов. Высокие значения твердости алмаза и карбида бора сочетаются со сравнительно низкими значениями прочности. Прочность при изгибе и сжатии твердых сплавов в некоторых случаях превышает прочность лучших сталей.

По мере увеличения содержания кобальта растет прочность при изгибе с одновременным снижением твердости.

Жаропрочность твердых сплавов очень высока даже при температурах, при которых отказывает быстрорежущая сталь (см. стр. 405). Это можно объяснить, с одной стороны, структурной прочностью жесткого карбидного каркаса, с другой — хорошими свойствами связующей металлической фазы. По этой причине прочность при сжатии твердых сплавов при повышенных температурах превышает соответствующую прочность стали.

Кроме механического износа, твердые сплавы в ряде случаев (кислотные насосы и вентили в химическом производстве, волочение проволоки и др.) подвергаются также воздействию химикатов. Здесь имеет значение знание коррозионных свойств материала. Сопротивляемость твердых сплавов химическому воздействию определяется антикоррозионными (свойствами тугоплавких карбидов и связующего металла. Как правило, применяемые для данной цели тугоплавкие карбиды стойки против воздействия соляной, серной и плавиковой кислот, но чувствительны к воздействию таких окисляющих кислот, как азотная. Так как связующие металлы, применяемые в Твердых сплавах, большей частью растворимы в кислотах, устойчивость твердых сплавов против воздействия кислот преимущественно определяется влиянием этих кислот на связывающую металлическую фазу. Поэтому разрушение из-за воздействия неокисляющих кислот происходит не в результате равномерного износа поверхностей, а вследствие растворения связующего металла, причем в зависимости от состава карбидный каркас либо сохраняется, либо распадается на отдельные карбидные зерна.

Рассмотрим возможность регулирования твердости, прочности при изгибе и жаропрочности как величин, определяющих износостойкость.

Твердость можно изменять, варьируя содержание связующего металла и изменяя степень дисперсности карбидов и связки. Вольфрамокобальтовые твердые сплавы при измельчении зерен карбидной фазы с 2—5 до 0,5—1 u повышают твердость с 89—90 до 92—93 единиц по шкале А Роквелла. Если же в результате спекания при чересчур высокой температуре или преднамеренно продолжительного спекания (длительное спекание по Кифферу) образуются очень крупные карбидные кристаллы с пониженной твердостью, то получаются крупнозернистые мало износостойкие твердые сплавы.

Другой способ повышения твердости спеченных твердых сплавов основан на том, что вместо чистых карбидов металлов применяют их твердые растворы. Как известно, изоморфные карбиды металлов IV и V групп периодической системы элементов (карбиды титана, циркония, ванадия, ниобия, тантала) за одним исключением обладают полной взаимной растворимостью. Карбиды металлов IV и V групп легко растворяют карбиды металлов VI группы (вольфрама и молибдена), которые лишь незначительно или вовсе не растворяют карбиды металлов IV и V групп. Поэтому в структуре твердых сплавов WC-TiC-Co или WC-TiC-TaC-Co возникают наряду с фазой связующего металла (у-фаза) вольфрамокарбидные фазы (а) и твердые растворы карбидов титана и вольфрама или карбидов титана, тантала и вольфрама (в-фаза). При этом твердый раствор в, как правило, несколько тверже а-фазы; наиболее твердым является твердый раствор с определенным соотношением карбида вольфрама и карбида титана. Это явление наблюдалось также у твердых растворов Mo2C-TiC и др.

На прочность при изгибе, как и на твердость, сильно влияет содержание связующего металла. При одинаковом его содержании прочность при изгибе может изменяться в зависимости от степени дисперсности карбидной фазы и фазы связующего металла или режима спекания. Наличие карбида тантала (карбида ниобия) в твердых сплавах WC-TiC-Co (в твердом растворе) заметно повышает прочность при изгибе.

Жаропрочность можно улучшить снижением содержания связующего металла и образованием сложных твердых растворов. В карбид вольфрама большей частью добавляют карбиды титана, тантала, тантала и ниобия, ванадия, хрома или молибдена, а в кобальтовую связку — небольшое количество железа, никеля, хрома или молибдена. В особых случаях карбид вольфрама, составляющий основу большинства износостойких твердых сплавов, заменяют твердыми растворами названных карбидов.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна