Твердый сплав карбида вольфрама

Твердые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью, что определяет их применение в качестве материала для изготовления режущего и бурового инструмента, а также изделий с повышенными требованиями к износостойкости. На странице представлено описание данных сплавов: физические и механические свойства, области применения, марки твердых сплавов, виды продукции.

Основные сведения

Классификация

По способу изготовления выделяют два типа твердых сплавов:

• спеченные;
• литые.

Спеченные сплавы получают методами порошковой металлургии. Данный способ дает очень высокую точность изготовления получаемой продукции и обеспечивает высокие значения различных свойств. Изделия, произведенные методами порошковой металлургии, требуют минимальной механической обработки, поэтому они обрабатываются шлифованием или физико-химическими методами (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.). Спеченные твердые сплавы иногда называют металлокерамическими, так как технология их производства сходна с технологией производства керамики. Сплавы данного типа наносят на инструмент с помощью пайки или механическим закреплением. Наиболее распространенными представителями указанной группы являются сплавы ВК (например, ВК6, ВК8), ТК и ТТК — твердые сплавы на основе карбида вольфрама.

Литые твердые сплавы получают методом литья. К данной группе относят стеллиты (хром, вольфрам, никель, углерод; основа — кобальт), сормайты (хром, никель, углерод; основа — железо), стеллитоподобные сплавы (основа — никель). Для наплавки их выпускают в виде литых стержней или прутков различного химического состава.

В соответствии с областью применения выделяют следующие группы твердых сплавов:

инструментальные сплавы, применяемые при обработке материалов резанием, давлением или штамповкой, при бурении горных пород и так далее;

конструкционные сплавы, служащие для изготовления износостойких деталей машин, механизмов и приборов, в том числе и с особыми свойствами — высокой плотностью, большим временным сопротивлением и значительным модулем упругости;

жаропрочные и жаростойкие сплавы.
Также можно выделить две большие группы твердых сплавов:

вольфрамосодержащие;

безвольфрамовые.
Основой всех вольфрамсодержащих сплавов является карбид вольфрама. Также в составе обязательно присутствует металл-связка, в качестве которого выступает кобальт, никель или смесь никеля с молибденом. Помимо карбида вольфрама такие сплавы могут содержать карбиды титана и тантала.

В безвольфрамовых твердых сплавах карбид вольфрама заменяется либо на какой-либо другой твердый материал, например, нитрид, борид, силицид, либо на карбид иного тугоплавкого металла, например, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена.

Свойства твердых сплавов

Основным практически полезными свойствами сплавов данной категории являются высокая твердость, износостойкость и прочность. В некоторых случаях важную роль играет жаропрочность и жаростойкость, а также тугоплавкость.

Свойства сплавов изменяются в зависимости от группы, к которой относится тот или иной твердый сплав. Для сплавов ВК большую роль играет размер зерна карбида вольфрама. С уменьшением размера зерна возрастает твердость, но уменьшается прочность при изгибе и вязкость сплава (при одинаковом процентном соотношении карбида вольфрама и кобальта) и наоборот соответственно. Сплавы группы ТК, легированные карбидом титана, обладают лучшей стойкостью против окисления, более высокой твердостью и жаропрочностью по сравнению с группой ВК. Однако, имеют более низкую вязкость, прочность при изгибе, а также тепло- и электропроводность. Одновременное добавление карбидов тантала и титана (группа ТТК) увеличивает прочность сплавов при изгибе по сравнению с группой ТК.

Технологические свойства сплава, а именно, его высокая пластичность позволяют без проблем обрабатывать монель давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Также обладает хорошей свариваемостью. А вот механическую обработку необходимо осуществлять с низкой скоростью резания и подачей вследствие быстрого нагартовывания материала.

Марка	Плотность, г/см 3	σИ, МПа, не менее	HRA, не менее
ВК6	14,6-15,0	1500	88,5
ВК8	14,4-14,8	1600	87,5
ВК10	14,2-14,6	1650	87,0
Т30К4	9,5-9,8	950	92,0
Т15К6	11,1-11,6	1150	90,0
Т5К12	13,1-13,5	1650	87,0
ТТ7К12	13,0-13,3	1650	87,0
ТТ8К6	12,8-13,3	1250	90,5
ТТ20К9	12,0-13,0	1300	89,0
ТН20	5,5-6,0	1100	90
КНТ16	5,6-6,2	1350	89,0

Марки твердых сплавов

Среди вольфрамсодержащих твердых сплавов наиболее распространенными марками являются ВК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки, ТК — сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки и добавлением карбида титана, ТТК — то же, что и ТК плюс карбид тантала.

В общем случае марки вольфрамсодержащих твердых сплавов формируются следующим образом: буква В — карбид вольфрама (WC), Т — карбид титана (TiC), ТТ — карбиды титана и тантала (TaC), КНТ — карбонитрид титана, К — кобальт (Co), Н — никель (Ni); цифры после букв — содержание этих веществ в процентах, а для букв ТТ — сумму содержания карбидов титана и тантала; содержание карбида вольфрама не указывается, оно определяется по разности.

В безвольфрамовых сплавах в качестве связующего металла используют никель в смеси с 20- 25% молибдена.

Химический состав некоторых марок приведен в таблице.

Марка	Состав, %
	WC	TiC	TaC	Co
ВК6	94	—	—	6
ВК8	92	—	—	8
ВК10	90	—	—	10
Т30К4	66	30	—	4
Т15К6	79	15	—	6
Т5К12	83	5	—	12
ТТ7К12	81	4	3	12
ТТ8К6	84	8	2	6
ТТ20К9	71	8	12	9
ТН20	—	80	—	(Ni+Mo) — 20
КНТ16	—	84 — Ti(C,N)	—	(Ni+Mo) — 20

Достоинства / недостатки

Достоинства:
• обладают высокой твердостью и износостойкостью;
• имеет достаточно высокие прочностные характеристики;
• имеют хорошие показатели жаропрочности и жаростойкости;
• являются тугоплавкими материалами.

Недостатки:
• карбид вольфрама, являющийся основой большинства твердых сплавов, имеет высокую стоимость;
• по сравнению с быстрорежущими сталями имеют меньшую вязкость и достаточно чувствительны к ударным нагрузкам.

Области применения

Спеченные твердые сплавы широко применяются для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и так далее. В качестве примера самых распространенных изделий из твердых сплавов можно привести резцы и буровые головки. Инструмент, полностью изготовленный из твердого сплава, очень дорог, поэтому из него изготовляют лишь режущую или изнашиваемую часть. Державки же инструмента изготовляют из обычной конструкционной или инструментальной стали.

Литые твердые сплавы применяются значительно реже по сравнению со спеченными. Они получили распространение при производстве фильер и некоторых буровых инструментов.

Продукция из твердых сплавов

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Сплав — карбид — вольфрам

Сплав карбида вольфрама с 16 % кобальта настолько тверд, что может частично заменить алмаз при бурении скважин. [1]

В сплавах карбида вольфрама с молибденом может быть 90 и более процентов твердой фазы. Между частицами карбида вольфрама существуют контакты, хорошо различимые в микроскопе. А в дисперсионно-упрочненных сплавах содержание твердой фазы составляет не более 20 процентов. Твердые частицы упрочняющей фазы изолированы, здесь металлической фазой. Композиция карбида вольфрама с — кобальтом как исключение причислена к классу диспер-сионно-упрочнен ных сплавов. Над загадкой счастливого брака карбида вольфрама и кобальта и технологией получения твердых сплавов на их основе продолжают работать научные коллективы многих стран. [2]

Стеллиты представляют собой сплавы карбидов вольфрама и хрома, связанные кобальтом и железом. Присутствие вольфрама и кобальта удорожает эти сплавы и поэтому они применяются значительно реже сормайта. [3]

Чем больше в сплаве карбида вольфрама , тем сплав тверже, но тем более он хрупок. Вязкость сплава, дающая возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобальтом. Сплав ВК2, содержащий всего 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязкостью. [4]

Чем больше в сплаве карбида вольфрама ( сплавы ВК), тем более он хрупок и менее прочен. [5]

Металлокерамические твердые сплавы представляют собой сплавы карбидов вольфрама и карбидов титана с кобальтом и приготовляются путем прессования и спекания. Эти сплавы применяются для скоростной обработки металлов резанием в виде пластинок, напаиваемых на державку езца. Металлокерамические твердые стали разделяются по ГОСТ 3882 — 53 на две группы. [6]

В табл. 51 приведены некоторые свойства покрытий из сплавов карбида вольфрама . [7]

К первой группе относятся вольфрамовые однокар-бидные сплавы типа ВК ( ВК2, ВКЗМ, ВК4, ВК6, ВК6М, ВК8, ВК8В), представляющие сплав карбида вольфрама с кобальтом, содержание которого колеблется в пределах от 2 до 8 % и выше. [8]

Наиболее подробно изученными являются сплавы монокарбида вольфрама с кубическими карбидами, среди которых особое внимание уделяется сложным карбидам TiC-WC, нашедшим широкое практическое использование в составе металлокерамических твердых сплавов. Показано, что сплавы карбида вольфрама с кубическими карбидами обладают оптимальными свойствами в области твердых растворов. При этом четко проявляется общая тенденция понижения растворимости карбида вольфрама в кубических карбидах при переходе от металлов IV к металлам V группы. Так как в карбиде вольфрама прочность связи Me-С низкая ( из-за незначительной стабилизации 5 / з3 — конфигураций атомов углерода) и WC обладает высоким запасом свободной энергии, то указанный характер изменения растворимости WC в кубических карбидах указывает на различную степень их взаимодействия с карбидом вольфрама, определяемую донорными свойствами металлов карбидов-растворителей. [9]

Еще шире, чем в чистом виде, вольфрам применяется в форме сплавов. Одни из самых важных — металлокврамические сплавы карбида вольфрама и кобальта, которые получили исключительно большое значение, так как Обладают чрезвычайно высокой твердостью. [10]

Вольфрам образует карбиды WC и W2C — вещества, по твердости близкие к алмазу; их применяют в производстве твердых материалов. Большое значение, в частности для буровой техники, имеют сплавы карбида вольфрама с кобальтом, обладающие чрезвычайно большой твердостью. Такой сверхтвердый сплав, называемый победитом, содержит около 90 % карбида вольфрама и около 10 % кобальта. [11]

Оба шнековых вала выполнены из нитрированной стали. При желании для переработки абразивных материалов они могут быть полностью или частично покрыты сплавом карбидов вольфрама . Корпус машины охватывает зоны загрузки, смешения и участок дросселирующего элемента. К нему на фланцах присоединен корпус с двумя цилиндрами для разгрузочных шнеков. Корпус этих шнеков изготовлен также из нитрированной стали. Он укреплен на станине машины откидными болтами и при чистке машины может отводиться на роликах. [13]

Металлический — кобальт, серовато-стального цвета, по внешнему виду сходен с железом, но тверже его и никеля. В тонко раздробленном состоянии он легко окисляется во влажном воздухе. При температуре белого каления он сгорает в СозО — i. Из сплавов кобальта назовем стеллит, сталь, содержащую кобальт и хром, отличающуюся весьма большой твердостью и противокоррозийными свойствами; карбалой, сплав карбида вольфрама с кобальтом, также отличается своей очень большой твердостью; магнитную сталь, содержащую 35 % кобальта. Окись кобальта служит для окраски стекла и эмали в синий цвет. [14]

Гранулированный карбид вольфрама при нормальных условиях представляет собой серый порошок с металлическим блеском, нерастворимый в воде.
Плотность порядка 15,8 г/см³;
температура плавления — 2870 °C [2] ;
твёрдость по Роквеллу от 87 до 92 единиц;
модуль упругости 450÷650 ГПа [3] ;
тепловой эффект-8,4+/-0,2 ккал/моль;
стандартная энтропия-8,5+/-1,5 кал/(моль*град);
энтропия образования из элементов- -0,31 кал/(моль*град);
теплоемкость (при температуре 293 К) составляет 8,53 кал/(моль*град);
теплопроводность (при температуре 25 град.) 0,07 кал/(см*с*град);
коэффициент термического расширения 3,84(3,9)*10 6 град -1 ;
характеристическая температура (температура Дебая) 493 К;
удельное электросопротивление (при Т=20 0 С)19,2+/-0,3 мкОм*см;
удельная электропроводность — 52200 Ом -1 *см -1 ;
коэффициент электросопротивления (при Т=20-1500 0 С) +0,495*10 -3 град -1 ;
коэффициент т.э.д.с. составляет -23,3 мкВ/град; работа выхода 3,6 эВ;
постоянная Ричардсона 2,7 А/(см 2 *град 2 );
постоянная Холла -21,8+/-0,3 см 3 /к*10 4 ;
коэффициент электронной теплоемкости 0,79 мДж/(моль*град 2 ).

Структура

Известны две формы WC, гексагональная, α-WC, и кубическая, высокотемпературная форма, β-WC.

Применение

Карбид вольфрама активно применяется в технике для изготовления инструментов, требующих высокой твёрдости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками. Этот материал находит применение в изготовлении различных резцов, абразивных дисков, свёрл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента. Твёрдый сплав, известный как «победит», «рэлит», на 90 % состоит из карбида вольфрама.

Активно применяется в газотермическом напылении и наплавке в виде порошкового материала для создания износостойких покрытий. Один из основных материалов, использующихся для замены гальванического хромирования методом высокоскоростного газопламенного напыления.

Особо следует выделить использование карбида вольфрама для изготовления сердечников бронебойных пуль и снарядов. Сейчас этот материал является доминирующим в данном применении, однако в последнее время в ряде стран он вытесняется обеднённым ураном.

Применяется при производстве сверхпрочных шариков для шариковых ручек размером 1 мм. Полировка этих шариков проводится в специальной машине на протяжении нескольких дней с использованием малого количества алмазной пасты.

Применяется для изготовления браслетов для дорогих швейцарских часов. Также карбид вольфрама приобрёл большую популярность при изготовлении ювелирных изделий — колец, кулонов — в которых его износостойкость позволяет гарантировать «вечный» блеск изделий.

Карбид вольфрама используется в виде подложки для платинового катализатора [4] .

Также используется при изготовлении торцевых уплотнений валов механизмов (например в насосах) в случаях, когда контактирующая среда имеет высокую абразивность и/или вязкость.

Токсичность

Карбид вольфрама химически инертен, поэтому изделия из него не представляют опасности для человека при нормальных условиях. Летальная доза карбида вольфрама для человека не определена.

Исследования, проведённые Дрезденским техническим университетом, Лейпцигским центром им. Гельмгольца по проблемам окружающей среды и Фраунгоферовским институтом керамических технологий и систем показали, что нанопыль карбида вольфрама может проникать в клетки живых организмов. При этом собственно частицы вольфрама нетоксичны, однако при соединении с кобальтом в определённых концентрациях, они могут представлять опасность для здоровья клеток [5] . При долговременном регулярном поступлении пыли карбида вольфрама и кобальта в организм может возникать фиброз [6] .