Группа CERATIZIT

Сентябрь 7, 2021

Твердый сплав: от случайного продукта к универсальному средству для защиты от износа

Это похоже на историю про алхимиков. В 1892 году французский химик Анри Муассан предпринял попытку производства искусственных алмазов в изобретенной им электрической печи. Однако вместо этого он получил необычные, удивительно твердые кристаллы. К сожалению — или скорее к счастью — результатом его эксперимента стали не искусственные алмазы, а особые соединения металлов с углеродом. Так Муассан открыл так называемые карбиды металлов, случайно заложив основу для одной из самых износостойких групп материалов будущих лет.

Cemented carbide

Совсем немного уступая по твердости алмазам, эти карбиды оказались тверже большинства известных на тот момент материалов. На поверхности лежала идея использовать, например, карбид вольфрама для производства инструментов и других сверхпрочных компонентов, намного превосходящих по стойкости даже сталь. Тем не менее, сначала это изобретение не стало большим прорывом, поскольку изделия из карбида вольфрама были слишком хрупкими — вероятно, из-за содержавшихся в карбидных отливках усадочных раковин и графитных включений. В последующем Анри Муассан стал лауреатом Нобелевской премии по химии, но не за открытие карбида, а за исследование и изоляцию фтора, а также за внедрение названной его именем электрической печи. 

Сначала хрупкое образование, затем вязкое тело

 

Казалось бы, на этом история карбидов должна была подойти к своему быстрому завершению. Однако в 1914 году Хуго Ломанну и Отто Фойгтлендеру удалось изготовить износостойкие детали путем измельчения расплавленного карбида вольфрама в тончайший порошок с его последующим прессованием и спеканием. Но и здесь осталась главная проблема — хрупкость! Тогда для повышения вязкости сплав попробовали легировать черными металлами, хромом и титаном. 

 

Первые ощутимые успехи в этом направлении появились в 1923 году. Именно тогда Карл Шрётер из исследовательского общества Osram совершил прорыв в разработке спеченных твердых сплавов: смешал порошок монокарбида вольфрама (химическая формула WC) с 5–10 % порошка кобальта и нагрел спрессованные из этой смеси заготовки до температуры, близкой к точке плавления кобальта. Что это дало? При растворении карбида вольфрама в кобальте образуется эвтектический расплав. Этот расплав смачивает кристаллы карбида вольфрама в форме высокопрочного припоя и притягивает их друг другу в очень узком пространстве. В результате такого процесса усадки образуется очень плотное тело. При этом — с недостижимыми ранее показателями прочности! Это позволило твердому сплаву утвердиться на рынке в качестве серьезного материала — 30 марта 1923 года на него был выдан первый патент.

Твердый сплав: что это?

За прошедшее с тех пор неполное столетие это фундаментальное изобретение претерпело множество усовершенствований. Отчасти поэтому понятие «твердый сплав» стало достаточно размытым. Твердыми сплавами теперь называют целую группу материалов, отличающихся высокой твердостью и металлическими свойствами от других твердых материалов — керамики, корунда или алмаза. В целом, твердый сплав — это двухфазный продукт порошковой металлургии, состоящий из фазы твердого материала и фазы связующего металла.

Microscopic image

Микрофотография

В случае спеченного твердого сплава твердые и хрупкие карбиды вольфрама соединяются с мягкими, но вязкими металлами — кобальтом, никелем или железом, образуя особый композиционный материал. Для этого в процессе спекания карбидный порошок с размером частиц 0,1–20 мкм смешивают с вязкими связующими металлами, после чего соединяют или спрессовывают их друг с другом при температурах от 1300° до 1500°C и, в некоторых случаях, высоком давлении до 100 бар. Сокращение исходного объема материала при этом может достигать 50 процентов.

 

В отличие от чистой плавки все или по крайней мере основные исходные компоненты смеси не расплавляются, а как бы «спекаются». Металл-связка при этом заполняет собой пространство между твердыми карбидными частицами, образуя своего рода «твердый припой» между ними. Такая структура больше всего напоминает бетон, в котором отдельные твердые частицы заполнителя, например, щебня, прочно скреплены цементом. 

Какие марки твердого сплава бывают и для чего они нужны?

 

Твердые сплавы давно стали незаменимым универсальным материалом. Их преимущества становятся решающим аргументом везде, где инструменты  и компоненты подвергаются экстремальным нагрузкам. Высокая твердость, износостойкость и вязкость в сочетании с другими, в значительной степени изменяемыми свойствами делают твердый сплав идеальным материалом для множества областей применения. На сегодняшний день существует более сотни различных марок твердого сплава с разным составом для конкретных областей применения — например, для обработки стали, горячей прокатки, литья под давлением и многого другого. 

 

  • cemented carbide

    От руды до готового изделия

     

    Основные преимущества твердого сплава:

     

    • медленный износ благодаря повышенной твердости;
    • устойчивость к высоким температурам;
    • пригодность к условиям, предполагающим высокий износ инструментов и компонентов; 
    • более высокое качество инструментов и обрабатываемых деталей;
    • повышенный срок службы инструментов;
    • повышенная надежность технологических процессов.

Безграничные возможности: от максимальной износостойкости до вязкости

Твердые сплавы не ограничены определенной областью применения, они слишком универсальны для этого. В условиях, где другие материалы пасуют, твердые сплавы проявляют себя во всей красе — благодаря своей износостойкости, долговечности, твердости и надежности. В области обработки резанием решающим аргументом в их пользу является широкий диапазон доступных комбинаций твердости, износостойкости и вязкости: например, алмаз является самым твердым материалом, но его низкая вязкость разрушения во многих случаях не позволяет использовать его экономически эффективно, а то и использовать вообще. Твердый же сплав благодаря своему составу, который можно подстраивать в сторону большей вязкости или износостойкости, отличается огромной гибкостью применения. 

 

На диаграмме ниже показано расхождение между параметрами износостойкости и вязкости, обусловленное физическими законами. Если бы существовал идеальный режущий материал — возможный только в теории, — то на диаграмме он бы располагался «вверху справа», что означало бы максимальную степень износостойкости и вязкости.

  • Твердый сплав в сравнении с другими материалами:

     

    • Алмаз/PKD: самый твердый материал из существующих, но с относительно низкой вязкостью разрушения.
    • Твердый сплав: очень универсальный за счет состава, в зависимости от назначения может иметь характеристики повышенной вязкости или повышенной износостойкости. Благодаря универсальности имеет наиболее широкий спектр применения.
    • Сталь: высокая вязкость, но ограниченная твердость
    • Керамика: очень низкая плотность, легче твердого сплава, теплопроводна, высокая твердость, низкая вязкость
    • CBN: высокая твердость, низкая вязкость
    • Металлокерамика: сочетает в себе твердость твердого сплава и керамики, но менее вязкая
    cemented carbide
  • cemented carbide

    Твердые сплавы и их вязкость разрушения

     

    Когда материал подвергается внешним нагрузкам, статическим или динамическим, в нем неизбежно возникают механические напряжения. В конкретных случаях применения, особенно при ударных нагрузках, необходимо учитывать как прочность, так и деформационную способность материала. От обеих этих характеристик напрямую зависит такой параметр, как «вязкость», или «стойкость материала к разрушению или распространению трещин». Чем выше содержание связующего металла в составе и чем крупнее зернистость, тем выше вязкость. 

     

    Значительные различия твердых сплавов в вязкостной характеристике объясняются их микроструктурой: твердые сплавы с низким содержанием связки и мелким зерном склонны к сверхкритическому распространению трещин, способному привести к спонтанному разрушению изделия.

В сплавах же с высоким содержанием связки и крупным зерном распространение трещин отклоняется в сторону или полностью останавливается в связке. Это так называемое докритическое распространение трещин предотвращает или существенно замедляет спонтанное разрушение изделий.

 

Для таких случаев существуют марки твердого сплава, рассчитанные на максимальную вязкость разрушения и применяемые, например, для кузнечных молотов. Они используются для высокоинтенсивной обработки заготовок и должны выдерживать постоянную ударную нагрузку, не выходя из строя, то есть не раскалываясь. С точки зрения состава твердого сплава это означает содержание кобальта до 30 % при размере зерна 10 мкм.

Fracture toughness diagram

Диаграмма вязкости разрушения: Сравнение марок твердого сплава различной зернистости

Однородность структуры повышает прочность на изгиб

  • Для определения механической прочности того или иного твердого сплава часто используется испытание на прочность при изгибе. Разрывы в основном возникают из-за дефектов в структуре и на поверхности детали. Из этого вытекают обязательные требования: однородная структура твердого сплава и отсутствие поверхностных дефектов. 

     

    Там, где требуется максимально возможная поперечная прочность, используются марки твердых сплавов со средним содержанием кобальта и мелким/средним размером зерна — например, в микросверлах для печатных плат. Зачастую они тоньше человеческого волоса и при работе подвергаются высоким изгибающим нагрузкам. Для таких сверл и нагрузок используются марки сплава с содержанием кобальта 8,5 % и размером зерна <0,5 мкм. 

    cemented carbide
Transverse rupture strength diagram

Диаграмма прочности на изгиб: Сравнение марок твердого сплава различной зернистости

Вымывание кобальта уменьшает коррозионную стойкость

  • cemented carbide

    Коррозия — кошмар любого производства. При контакте металлического материала с окружающей средой в нем неизбежно возникают измеримые изменения. Чаще всего со временем это приводит к нарушению функционирования металлического компонента, вплоть до его полного выхода из строя и фатальных последствий для всего процесса.

     

    Все это относится и к твердым сплавам. Так, коррозия в кислотных водных растворах (pH < 7) вызывает поверхностное вымывание связующей фазы — на поверхности в худшем случае остается только карбидный скелет. В результате такого вымывания кобальта (Co-Leaching) ослабляется связь между смежными карбидными зернами и неуклонно возрастает скорость разрушения. Также снижается уровень pH и увеличивается склонность к коррозии.

При изначально низком содержании связующего металла сплав имеет более выраженный карбидный скелет — следовательно, такие марки имеют несколько более высокую комбинированную износо- и коррозиестойкость, чем соответствующие сплавы с более высоким содержанием связующего металла. К сожалению, этого недостаточно, чтобы «расслабиться» — на практике имеющейся разницы недостаточно для сколь-либо значимого продления срока службы изделия. Из-за своей ограниченной коррозионной стойкости чистые вольфрамокобальтовые твердые сплавы зачастую непригодны для применения в областях с тяжелыми коррозионными условиями. В этой ситуации остается только избегать связок из чистого кобальта и использовать вместо них такие материалы, как Co/Cr, Co/Ni или Ni/Cr. 

 

В сильнощелочных средах (при pH 11 и выше) под действием механизмов коррозии происходит равномерное изнашивание карбидной фазы, то есть потеря карбида вольфрама. Это несколько увеличивает стандартную скорость разрушения, что выражается в ускоренном износе изделия.

Comparison of standard grades and corrosion-resistant grades

Сравнение стандартных и коррозионно-стойких марок (изображения с микроскопа)

Оптимизированные под специальные задачи твердые сплавы обеспечивают высокую производительность

 

На сегодняшний день практически любая производственная задача требует индивидуального подхода. Твердые сплавы здесь также не исключение. В зависимости от области применения некоторые их свойства оказываются важнее, чем другие. Поэтому первым шагом всегда является выбор правильной марки твердого сплава — ведь при таком широком выборе всегда найдется марка с оптимальными характеристиками для конкретной задачи.

 

Прежде всего, требуется высокое качество твердого сплава: пористость, особенности и дефекты микроструктуры оказывают сильное негативное влияние на механические свойства материала. Для достижения оптимального результата лучше положиться на опыт и специальные ноу-хау производителей твердых сплавов премиум-класса. В этом случае будут гарантированно обеспечены необходимые характеристики, например, за счет добавления в состав специальных присадок, улучшающих температурную или коррозионную стойкость.

  • Условия оптимального результата:

    • Правильный выбор марки сплава
    • Высокое качество
    • Точное согласование свойств
    cemented carbide

Карбид вольфрама: основа большинства твердых сплавов

Твердая фаза из карбида вольфрама придает сплавам высокую твердость, термостойкость и износостойкость, а связующий металл обеспечивает хорошую вязкость. Благодаря очень высокому модулю упругости они практически не деформируются при нагрузке. Такое сочетание свойств уже делает вольфрамокарбидные сплавы интересным материалом для многих областей применения. Однако главное их преимущество в другом: отдельные свойства можно целенаправленно изменять в широком диапазоне, что значительно расширяет спектр возможного применения сплава — в зависимости от преобладания ударных, изгибающих или изнашивающих нагрузок.

 

Самыми распространенными твердыми сплавами являются сплавы на основе карбида вольфрама (WC) и кобальта (Co). Они широко используются не только в области резания металлов (группа применения ISO K), но и в производстве продукции для дерево-, камнеобработки и защиты от износа. Наряду с простыми твердыми сплавами WC-Co существуют сплавы смешанного типа, дополнительно содержащие карбиды титана, тантала или ниобия. Их используют как для резания стали (группа применения ISO P), так и в производстве пил по металлу.

Разнообразие марок для широкого спектра применения

 

Многочисленные марки твердого сплава, предназначенные для разных областей применения, различаются по трем основным параметрам: среднему размеру зерна карбида вольфрама (α-фаза), содержанию связующего металла (β-фаза) и содержанию других легирующих соединений (γ-фаза). С помощью этих трех параметров, особенно размера зерна и содержания связующего металла, можно в значительной степени влиять на отдельные характеристики материала.

Размер зерна карбида вольфрама: от очень крупного до нано-мелкого

Своим триумфом карбид вольфрама не в последнюю очередь обязан балансу твердости, износостойкости и вязкости. Отдельные свойства твердого сплава зависят от его состава. Решающим фактором является зернистость используемой твердой фазы. Основное правило — чем мельче зерно, тем выше твердость и износостойкость сплава.

 

  • НАНО-МЕЛКОЕ ЗЕРНО < 0,2 мкм
  • УЛЬТРАМЕЛКОЕ ЗЕРНО 0,2–0,5 мкм
  • СУБМИКРОННОЕ ЗЕРНО 0,5–0,8 мкм
  • МЕЛКОЕ ЗЕРНО 0,8–1,3 мкм
  • НОРМАЛЬНОЕ ЗЕРНО 1,3–2,5 мкм
  • КРУПНОЕ ЗЕРНО 2,5–6,0 мкм
  • ОЧЕНЬ КРУПНОЕ ЗЕРНО > 6,0 мкм

 

К примеру, субмикронное зерно. Марки с такой зернистостью обычно используются для абразивных материалов, склонных к накапливанию материала и, следовательно, к повышенному износу. Они отличаются максимальной стабильностью кромок и демонстрируют низкую склонность к прилипанию. Марки с нормальным зерном составляют идеальный компромисс между вязкостью и износостойкостью, не являясь при этом решением второго выбора: они довольно широко используются, в частности в обработке цветных металлов и сталей.

Comparison of grain sizes

Сравнение зернистости (изображения с микроскопа)

Отличная связь: содержание связующего определяет вязкость

В качестве связующего в большинстве твердых сплавов используется кобальт. Он занимает от 4 % до 30 % от общей массы — в марках для обработки резанием до 12 % — и значительно улучшает прочность сплава на изгиб по сравнению с чистым карбидом вольфрама. За всю историю изучения твердых сплавов в качестве связующей фазы были опробованы самые разные металлы, но безоговорочным победителем все же остался кобальт. Он образует самые прочные связи с карбидом вольфрама и плотнее всего обволакивает его, так как оба вещества имеют гексагональную структуру при затвердевании. 

 

Зерна карбида вольфрама имеют диаметр от 10 мкм до 0,5 мкм, мелкие зерна способствуют повышению твердости и прочности сплава. Форма зерен — призматическая. Между ними находится матрица из кобальта. В идеальных условиях в сплаве должны присутствовать только карбид вольфрама и кобальт. Однако при недостатке углерода образуется η-фаза — карбид с формулой Co3W3C, понижающий прочность сплава. Переизбыток углерода приводит к присутствию элементарного углерода (графита), что также снижает прочность. Часть углерода и вольфрама растворяется в кобальте.

Легирующие соединения: вишенка на торте с точки зрения эффективности

Специальные задачи — в том числе стоящие перед твердыми сплавами — требуют применения специальных решений. Так, особые добавки в сплавы могут придавать небольшие, но очень важные оптимизирующие эффекты, способные существенно повысить эффективность решения конкретных задач. В некоторых случаях в качестве таких легирующих добавок используются карбид ванадия (VC, до 0,8 %), карбид хрома (Cr3C2) или карбид тантала-ниобия (оба до 2 %), обеспечивающие мелкозернистую структуру материала.

Где используются твердые сплавы? Да практически везде!

Твердый сплав — уникальный универсальный материал, во многих отраслях являющийся лучшим по износостойкости среди конкурентных решений: в технологиях формования, пилении, сверлении и развертывании, фрезеровании, гидроабразивной резке, профилировании и строгании, формовке и литье, измельчении и ультразвуковом резании — во всех этих областях уже не обойтись без специальных твердых сплавов.

  • Пластины для ударных буров

У износостойкости есть имя: твердые сплавы

Спектр износостойких изделий из твердых сплавов очень широк и включает в себя множество разных компонентов для различных отраслей промышленности. В дерево- и камнеобработке, к примеру, используются твердосплавные зубья для циркулярных пил и режущие пластины для сверл по железобетону. В автомобильной промышленности из твердых сплавов изготавливаются износостойкие компоненты для топливных систем Common Rail. В нефтегазовой отрасли твердосплавные компоненты минимизируют отказы и простои оборудования в системах трубопроводов и разведочных скважинах. 

 

Будь то штамповка, гибка, тиснение, формовка, порошковое прессование или прецизионное резание — активные компоненты из твердых сплавов везде обеспечивают максимальные количества рабочих операций и объемы партий, являясь залогом успеха в массовом производстве. На это работают оптимизированная стабильность рабочих кромок режущих и штамповочных инструментов, их надежность и технологическая безопасность, повышенная прочность на изгиб и растяжение, а также пониженная склонность твердых сплавов к коррозии и меньшая скорость коррозии. 

 

Из твердых сплавов сегодня изготавливаются устойчивые к царапинам корпуса часов, детали для формования металлов и производства инструментов, сопла для гидроабразивной резки, мишени для алмазоподобных углеродных покрытий (DLC), инструменты высокого давления для производства искусственных алмазов, заготовки для червячных фрез, режущих валиков и многое другое. Специальные марки сплавов, одобренные Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов США (FDA), применяются в медицинской технике и пищевой промышленности. 

Ключевая роль в обрабатывающей промышленности

 

Твердые сплавы имеют неоценимое значение в области обработки резанием, поскольку значительно превосходят быстрорежущую сталь (HSS) по износостойкости, рассчитаны на более высокие рабочие температуры и хорошо поддаются оптимизации в соответствии с требованиями различных процессов. В то же время они дешевле, чем, например, инструменты из поликристаллического алмаза (PCD).

Super hero for the cutting tool sector

То, что требуется всегда: новаторство и стремление к инновациям

Даже несмотря на то, что с момента первых исследований прошло так много времени, разработка и производство твердых сплавов — это все еще огромное поле деятельности, в которой найдены и изучены далеко не все возможности. Лучшие инновационные компании ежедневно работают над созданием оптимальных твердых сплавов для отдельных областей применения.

Хотите быть в курсе всего, что происходит в мире разработки твердых сплавов? Тогда читайте наш блог, который регулярно пополняется самой свежей информацией. А также следите за нами в социальных сетях! (FacebookLinkedIn) Там мы также публикуем краткие заметки по теме, в удобной и запоминающейся форме.