Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Твердыми сплавами называются сплавы с преобладающим содержанием металлоподобных карбидов тугоплавких металлов IV, V и VI групп периодической системы Д.И. Менделеева:
TiC, ZrC, VC, NbC, TaC, Cr4C, Cr7C3, Cr3C2, Mo2C, W2C, WC.
Карбиды давно используются в производстве всевозможных инструментальных материалов для повышения их твердости и красностойкости. Так, например, твердость и износоустойчивость углеродистой стали объясняется наличием дисперсных включений твердого карбида железа, выделяющихся при распаде мартенсита закалки (метастабильный твердый раствор углерода в α-железе).
Быстрорежущая вольфрамовая сталь содержит железоволь фрамовые и хромовольфрамовые карбиды (еще более твердые, чем карбид железа), выделяющиеся в виде дисперсных включений при распаде аустенита в процессе отпуска.
Однако непосредственная роль карбидных включений в сталях в процессе взаимодействия режущей кромки инструмента с обрабатываемым материалом не является решающей, так как содержание их относительно невелико. Например, в быстрорежущей стали оно не превышает 20—25% (объем.).
Преобладающей по объему режущей составляющей закаленной углеродистой стали является мартенсит, а в быстрорежущих сталях — твердый раствор легирующих элементов и углерода в железе, упрочненный дисперсными выделениями сложных карбидов.
Разработка составов и технологии производства сплавов с преобладанием твердых тугоплавких карбидов привела к созданию новых инструментальных материалов с наиболее высокими режущими свойствами, обусловленными непосредственно карбидными составляющими.
Впервые появились литые твердые сплавы «стеллиты» (Co-Cr-W-C) и литые карбиды вольфрама, состоящие целиком из расплавленных карбидов W2C и WC.
Стеллиты впервые были получены в 1913 г. американским инженером Гайнесом, не заметившим вначале, что именно примесь углерода придает этим сплавам высокую твердость и красностойкость.
В некоторых марках стеллитов до 50% (объемы.) приходится на хромовольфрамовые и хромовые карбиды, зерна которых сцементированы вязкой составляющей твердого раствора хрома и вольфрама в кобальте.
Дальнейшее повышение твердости и красностойкости инструментальных материалов было достигнуто путем получения сплавов, состоящих целиком или в большей своей части из карбидов В 1914 г. Ломан изготовил литой сплав, состоящий из эвтектической смеси карбидов вольфрама W2C+WC. Сплав был приготовлен путем расплавления порошка вольфрама в угольнотрубчатой электрической печи при температуре 3000°. Отливка осуществлялась центробежным способом, который затем был заменен отливкой в опрокидывающихся печах.
Вскоре сплавом W2C-WC частично стали заменять алмаз в буровых инструментах и кроме того начали изготовлять из него вставки в волоки для протяжки проволоки. В последнее время литые карбиды вольфрама стали широко применять для оснащения инструмента при бурении нефтеносных пород.
Однако литые сплавы, целиком состоящие из тугоплавких карбидов, обладают высокой хрупкостью, что не позволяет использовать их для металлорежущих инструментов. Только при помощи металлокерамического метода удалось создать материалы с преобладающим содержанием тугоплавких карбидов с небольшой добавкой вязких «цементирующих» металлов, например кобальта, обладающие высокой твердостью (немногим уступающей твердости самих карбидов) и значительно более высокой прочностью по сравнению с литыми карбидами Поэтому металлокерамические твердые сплавы оказалось возможным применять для значительно более широкого ассортимента различных типов инструментов и не только для резания металлов, но и для различных видов обработки металлов давлением, для бурения горных пород и др.
Первые металлокерамические твердые сплавы на основе карбида вольфрама WC с добавкой небольшого количества (до 10%) кобальта были изготовлены в Германии в 1923 г. Шретером.
В России производство как металлокерамических твердых сплавов, так и литых сплавов из карбидов вольфрама началось в 1929 г.
За последние 25 лет проводились широкие исследования по изучению условий получения и свойств различных твердых соединений, главным образом карбидов редких тугоплавких металлов и твердых сплавов на их основе. Большие исследования были проведены советскими учеными, и на основе этих работ в настоящее время организована развитая советская промышленность твердых сплавов с широким ассортиментом сплавов, предназначенных для разных отраслей промышленности. В состав этих сплавов входят различные карбиды и цементирующие металлы.
Помимо использования твердых сплавов в качестве инструментальных материалов некоторые из них в последнее время находят важное применение в качестве жаростойких и жаропрочных материалов, что имеет значение, например, для изготовления деталей реактивных двигателей.