Технология и свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них

I с. Панов Л. М. 

ТВШОЛОП^^ Ш СВОЙСТВА 
СПЕЧЕУНЫХ ТВЕРДЬОС 
СПЛАВОВ Ш ШДЕП1У1Й 

Рекомендовано 

Учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 

для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 110800 
Порошковая металлургия 
композиционные материалы, 

покрытия 

МОСКВА 
•МИСИС» 

2001 

ФЕДЕРАЛЬНАЯ ПРОГРАММА КНИГОИЗДАНИЯ РОССИИ 

Р е ц е н з е н т ы 
кафедра химии и технологии композиционных и 
порошковых материалов МГАТХ1 им М В Ломоносова, проф , докт техн наук С М Баринов, 
зам директора Института физико-химических 
проблем керамических материалов РАН 

УДК 669 018 25 

Технология и свойства спече нь х твердь х сплавов и изделий из них Учебное пособие для вузов / П а н о в 
В С , 
Ч у в и л и н А М - М вМИСИС«,2001 428с 

Рассмотрены общие и специальные вопросы по структурным 
составам и свойствам спеченных твердых сплавов на карбидной и 
некарбидной основах с различными типами связок, а также наплавочных твердых сплавов Изложены физико-химические основы 
производства этих сплавов, освещены технологические процессы их 
получе>гия, а также методы контроля полуфабрикатов и готовых 
сплавов Приведены теоретические основы и технология нанесения 
износостойких покрытий на твердосплавный режущий инструмент 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для 
студентов высших учебных заведении, обучающихся по специальности 110800 - «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия» Ил 142 Табл 47 Библиогр список 20 назв 

Издание выпушено при финансовой поддержке 
ОАО «Санлвик-МКТС» и ЗАО «Бинур» 

©Панов B.C., Чувилнн A.M. 
ISBN 5-87623-076-6 
вМИСИС», 2001 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
7 

Введение 
. 
8 

ЧАСТЬ I. СТАНДАРТНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ. 
' 
МЕТАЛЛОВЕДЧЕС1СИЕ ОСНОВЫ, 
ТЕХНОЛОГИЯ, СВОЙСТВА ' 
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 
. . . 
25 

Глава!. МЕТАЛЛОВЕДЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
.25 

§1 Общие сведения о тройной системе W-C-Co 
25 

§2 Общие сведения о тройной системе W-C-Ni 
33 

§3 Общие сведения о системе W-C-Fe-Ni 
... 
. 
38 

§ 4 Общие сведения о системе W-Ta-C-Co 
. . . 
42 

§5 Общие сведения о системе W-Ti-C-Co 
.. 
44 

§6 Общие сведения о системе W-Ti-Ta-C-Co 
. . 
. . . 
46 

§ 7 11екоторые свойства твердых растворов 

П1, W)C и (Ti, W, Та)С 
. 
. 
48 

§ 8 Некоторые свойства твердых растворов на основе кобальта . 
. 
50 

§ 9 Общие сведения о системе Ti-Ni-Mo-C 
51 

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЯ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
53 

§ 1 Исходные материалы 
. 
. . . 
53 

§ 2 Физико-химические условия восстановления 

оксидов водородом 
. 
. . . . 
55 

§ 3 Восстановление галогенидов вольфрама и молибдена 

водородом .
.
. 
.. 
.74 

§ 4 Особенности получения порошкообразного молибдена 

восстановлением его оксидов 
. 
. 
. . 
80 

§ 5 Получение порошков карбидов вольфрама, 

титана, титано-вольфрама . 
. . 
. . . 
84 

§6 Методы контроля порошков для твердых сплавов 
100 

§ 7 Приготовление смесей порошков карбидов 

с цементирующим металлом .. 
102 

§ 8 Формование твердосплавных смесей 
109 

§9 Спекание твердых сплавов 
. . . 
.. 
.126 

Глава 3. ТЕОРИЯ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
.148 

§ I Зависимость свойств твердых сплавов от состава 

и структуры 
.
.
. 
. 
148 

§ 2 Теория прочности твердых сплавов WC-Co 
. 
175 

§3 Теория прочности сплавов WC-TiC-Co 
189 

§ 4 Теория прочности сплавов, содержащих карбид тантала 
192 

§ 5 Неоднородность свойств твердых сплавов 
194 

Глава 4. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
. . 
208 

§1 Обработка металлов резанием 
210 

§2 Разрушение (бурение) горных пород 
216 

§ 3 Бесстружковая обработка металлов 
. 
229 

§ 4 Измерительный инструмент 
233 

ЧАСТЬ II. НЕСТАНДАРТНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ. 

ДОСТИЖЕНИЯ И ПУТИ РАЗВИТИЯ 
234 

Глава 5. ПУТИ РАЗВИТИЯ ТВЕРДОСПЛАВНОЙ 

ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
234 

§1 Тенденции в разработках твердых сплавов 
235 

§ 2 Составы, технология, свойства и области применения 

сплавов ОМ, ХОМ, ХТМ 
235 

§ 3 Составы, техноло! ия, свойства и области применения 

режущего инструмента из сплавов 
ВК6-ВК, ВК8Та, ВК12Та, ВК8-ЗК 
239 

§ 4 Составы, технология, свойства и области применения 

изделий из сплавов системы WC-TiC-TaC-Co 
240 

§ 5 Составы, технология, свойства и области применения 

сплавов системы WC-TiC-Co. 
244 

§ 6 Марки твердых сплавов для обработки металлов давлением 
247 

Глава 6. ПУТИ РАЗВИТИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
254 

§ 1 Легирование и изменение состава связующей 

фазы твердых сплавов 
254 

§ 2 Легирование и изменение карбидной основы твердых сплавов 
258 

Глава 7. БЕЗВОЛЬФРАМОВЫЕ ТВЕРДЫЕ 

СПЛАВЫ (БВТС) 
261 

§1 Основные направления экономии вольфрама 
261 

§2 История появления БВТС 
.. 
262 

§ 3 Составы, технология, свойства и области применения Б В Т С 
265 

§ 4 Направления по совершенствованию и созданию новых БВ1С . 
270 
§ 5 Преимущества и недостатки БВТС по сравнению 

со сплавами ВК, ТК, ТТК . .. 
276 

§6 БВТС за рубежом 
278 

Глава 8. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ НА НЕКАРБИДНОЙ 

ОСНОВЕ ДЛЯ РЕЗАНИЯ 
'. 
281 

§1 Сплавы с неметаллическими тугоплавкими соединениями 
. . 
281 

Глава 9. МНОГОГРАННЫЕ НЕПЕРЕТАЧИВАЕМЫЕ 

ПЛАСТИНЫ (МНП) 
. . . " 
. . . . 
283 

§1.РольМНП 
283 

§2 Преимущества и недостатки МНП 
285 

§3 Твердые сплавы с износостойкими покрытиями 
287 

§4 Твердые сплавы, выпускаемые "Сандвик-МКТС" 
315 

§ 5 Бесконтактные методы неразрушающего контроля 

толщины износостойких покрытий на твердых сплавах 
323 

Глава 10. МНОГОСЛОЙНЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ 
. . . 
326 

Глава 11. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ. . ' 
'. 
329 

§ 1 Способы получения особомелкозернистого порошка 

вольфрама и сплавов на его основе 
. 
.. 
330 

§ 2 Способы получения твердого раствора TiC-WC 

с повышенными свойствами 
, 
340 

§3 Применение вакуума в технологии твердых сплавов. 
341 

§ 4 Общие вопросы технологии твердых сплавов 

(последние достижения) 
349 

§ 5. Сушка-распыление для получения твердосплавных фанул 
354 

§ 6 Спекание изделий из твердого сплава в многозонных печах 

с контролируемой газовой средой (на примере ВК6) 
356 

5 

§ 7. Непрерывный процесс получения смеси порошков WC-Co 
357 

§8 Неразрушающие методы контроля твердосплавных изделий .... 
358 
§ 9. Дополнительные меры по повышению 

качества твердых сплавов 
. 
362 

Глава 12. ПУТИ РАСШИРЕНИЯ НОМЕНКЛАТУРЫ 

ИЗДЕЛИЙ ИЗ т в е р д ы х СПЛАВОВ 
369 

Глава 13. СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
. . . 
372 

§ I. Применение термической регенерации для 

переработки отходов твердых сплавов . . 
. 
374 

§ 2. "Цинковый способ" переработки отходов твердых сплавов 
..375 

Глава 14. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МАРКИ 

ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
376 

Глава 15. ОКСИДНЫЕ И КАРБИДИО-ОКСИДНЫЕ 

ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ (ДЛЯ РЕЗАНИЯ) 
. 
. . . 
377 

§ 1 Состав, технология, свойства и области 

применения изделий из керамики 
. 
378 

§ 2 Состав, технология, свойства и области применения 

изделий из оксидно-карбидных твердых сплавов 
. 
383 

§ 3 Механизм уплотнения и разрушения керамики 

на основе AI2O3 и AI2O3-T1C 
.. 
. 
384 

§ 4 Основные направления работ по режущей керамике 
387 

§ 5. Совремешюе состояние режущей керамики (РК) за рубежом 
392 

Глава 16. НАПЛАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
399 

§ 1 История развития наплавочных твердых сплавов 
. 
. 
399 

§ 2. Классификация наплавочных твердых сплавов 
403 

§ 3. Литые карбиды и порошковые смеси 
. . 
. 
406 
§ 4 Основные направления работ по наплавочным 

твердым сплавам 
.
.
. 
417 

Приложения 
. 
. . . 
... 
423 

Библиографический список 
427 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Спеченные твердые сплавы имеют в современной технике очень большое 
значение Кроме наиболее распространенного применения этих материалов в качестве режущих, износостойких, буровых, штамповых сейчас получает все более широкое использование твердых сплавов для службы при 
высоких температурах и агрессивных средах 

В учебнике на основе единого методического подхода изложены теоретические и практические вопросы в области твердых сплавов с учетом 
направления их дальнейшего развития 

При изложении материала учтено большое количество марок твердых 
сплавов, разнообразие процессов порошковой металлургии, лежащих в 
основе получения твердых сплавов Представленный материал написан в 
соответствии с типовыми учебными профаммами по следующим дисциплинам учебного плана специальности "Порошковая металлургия, покрытия" 

- теория процессов порошковой металлургии, 
- технология и оборудование порошковой металлургии, 
-теория процессов нанесения покрытий, 
- технология и свойства спеченных твердых сплавов 
Учебное пособие написано с учетом достижений отечественной и зарубежной твердосплавной промышленности В нем обобщен передовой 
опыт отраслевых институтов и заводов твердых сплавов, нашли отражение 
действующие и перспективные марки твердых сплавов, кратко рассмотрено современное отечественное оборудование и технологическая оснастка 
Пособие состоит из двух частей' "Стандартные твердые сплавы" и 
"Нестандартные твердые сплавы" В первой части изложены вопросы теории получения, свойства и области применения твердых сплавов Во второй части рассмотрены технологические вопросы получения и применения твердых сплавов, которые находятся в стадии разработки различными 
институтами или выпускаются в опытном порядке 

В связи с подробным рассмотрением диаграмм состояния, касающихся твердых сплавов, в монографии В И Третьякова "Основы металловедения и тех ологии спеченных твердых сплавов", (М Металлургия, 1976), в 
учебном пособии приводятся лишь краткие сведения по диафаммам Достижения твердосплавной промышленности и пути ее развития базируются 
на данных отечественных и частично передовых зарубежных стран 

Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры "Химии и 
технологии композиционных и порошковых материалов" 
МГАТХТ 
им М В Ломоносова, 
руководимой профессором, докт 
техн 
наук 
Ю В Ленинским, а также заслуженному деятелю науки РФ, докт техн 

наук С М Баринову за внимательное рассмотрение рукописи, замечания и 
пожелания, которые позволили улучшить изложение материала в учебнике 

За помощь при составлении рукописи авторы искренне благодарят сотрудников кафедры Московского государственного института стали и 
сплавов В Ф Синюшина и О В Малочкина 

ВВЕДЕНИЕ 

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И РАЗВИТИЯ 
ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 

Развитие и совершенствование технологических процессов многих отраслей народного хозяйства неразрывно связаны с применением твердых 
сплавов, что способствует существенному повышению эксплуатационных 
характеристик инструмента и производительности труда 

Твердые сплавы представляют собой композиционные материалы 
особого класса, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и 
прочностью, которые сохраняются при сравнительно высоких температурах (600 
800 "С) Кратко можно определить их как композиция, состоящая из тугоплавкого соединения, как правило, карбида, и сравнительно 
"легкоплавкого" связующего металла 

Современные твердые сплавы (ТС) получают из карбидов тугоплавких 
металлов (> 50 % по объему) и металлов железной группы спеканием в 
присутствии жидкой фазы Основой спеченных твердых сплавов являются 
тугоплавкие и твердые метадлоподобные вещества, подробно описанные в 
ряде монофафий Эти соединения (карбиды, бориды, нитриды, силициды), в большинстве своем имеют особую кристаллическую структуру, характерную для фаз внедрения 

Фазы внедрения, хотя они содержат до 50 60 % неметаллических 
атомов, обладают ярко выраженными металлическими свойствами блестят, проводят электрический ток, их электросопротивление падает с повьниением температуры Карбиды металлов IV-V1 групп Периодической 
системы элементов, относящиеся к фазам внедрения, имеют высокие температуры плавления, весьма тверды, их модули Юнга велики, а коэффициенты термического расширения малы Они характеризуются повышенной 
хрупкостью и низкими значениями прочности и пластичности 

По вопросу физической природы фаз внедрения существует несколько 
точек зрения Одни исследователи, не говоря о характере связи между 
металлом и неметаллом, подчеркивают, что структура и свойства этих фаз 

определяются тем, что в них сохраняются металлические связи между 
атомами металла Так, А X Брегер делает заключение, что химическая 
связь в карбидах имеет чисто атомный характер, в нитридах еще появляются "следы" ионной связи между металлом и неметаллом П МакКенна 
считает, что химическая связь между металлом и неметаллом в фазах внедрения носит преимущественно ионный характер, а между металлическими атомами - гомеополярный (С = Та Та = С) 

Имеются данные, в которых говорится, что в некоторых фазах внедрения металл с неметаллом взаимодействует весьма своеобразно Так, 
водород ведет себя в гидриде палладия как металл, отдавая свои электроны d - полосе электронного комплекса кристалла 

Вопрос о металлическом состоянии водорода в гидриде палладия детально разработан американским физиком ДжУббелоде (1938 г), который считает, что благодаря значительному расширению палладия при образовании гидрида возникают большие давления, способствующие переходу водорода в металлическое состояние 

'ЯСУманский (1940 г) распространил положения ДжУббелоде на 
весь класс "фаз внедрения", хотя таких доказательств, как для гидрида 
палладия он не имел 

Г В Самсонов (1957 г) считает, что представление о преимущественном металлическом характере связей между металлом и неметаллом во 
всех фазах внедрения более правдоподобно, чем представление о чисто 
ковалентном характере этой связи Гипотеза о металлическом состоянии 
углерода и азота, растворенных в металлах переходных групп, позволяет 
объяснить чрезвычайно высокую подвижность этих атомов На основании 
известных в литературе фактов Г В Самсонов делает заключение, что все 
они подтверждают факт отдачи своих валентных электронов водородом, 
азотом, углеродом в фазах внедрения электронной полосе кристалла, переходя при этом в металлическое состояние 

"Громадные" силы сцепления в кристаллах фаз внедрения определяют 
высокие твердость, модуль упругости и температуру плавления 

Максимальное значение критического скалывающего напряжения, определяющего сопротивление кристаллического тела пластической деформации составляет примерно 0,1 модуля сдвига Значение упругих модулей 
определяется силами межатомного взаимодействия, которые чрезвычайно 
велики для всех фаз внедрения Я С Уманский предполагает, что процессы 
скольжения вдоль плоскостей сдвига в фазах внедрения затруднены, 
вследствие нсоднородностей атомарного масштаба То, что между смежными атомными плоскостями, построенными из крупных атомов металла, 
размещены меньшие внедренные атомы неметалла, должно затруднять 
развитие плоскостей сдвига в фазах внедрения и способствовать приближению реального значения сопротивления пластической деформации к 

9 

теоретическому. Фазы внедрения находятся в предельно упрочненном 
состоянии, как и сплавы, испытывающие дисперсионное твердение при 
оптимальном режиме, что и определяет их высок>ю твердость и модуль 
Юнга Эти свойства фаз внедрения, связанные с их специфическим строением, были использованы при разработке износостойкого инструментального материала Однако высокая хрупкость фаз внедрения не позволила 
применить их в виде отдельных соединений Требовалось уменьшить 
хрупкость и повысить прочность, что удалось сделать введением металлов 
гругшы железа (кобальта) 

Добавка к этим соединениям металла группы железа позволяет практически сохранить многие их свойства и существенно снизить хрупкость 
Так, спеченные твердые сплавы WC-Co и WC-TiC-Co имеют твердость 
86 
92 HRA, высокое сопротивление износу при трении о металлы и неметаллы, модуль упругости 500 
700 ГПа, предел прочности на сжатие 
4000 
6000 Шмм^ предел прочности при изгибе 1000 2500 H/мм^ ударную вязкость 6,0 
50 кДж/м' В химическом отношении твердые сплавы 
весьма устойчивы против воздействия кислот и щелочей, некоторые марки практически не окисляются на воздухе до 600 800 °С Эти свойства и 
определяют широкие области применения твердых сплавов Основное 
назначение твердых сплавов изложено в ГОСТ 3882 

Появление твердых сплавов в 1909 г связано с требованиями металлообрабатывающей промышленности для обработки новых марок сталей 
и сплавов В начале появились так называемые стеллиты-сплавы на основе кобальта (> 50 %), хрома (~ 30 %) с добавками вольфрама и углерода, 
получаемые литьем Затем появились литые карбиды вольфрама для наварки на буровой инструмент и как износостойкое покрытие Первые литые карбиды были большей частью пористыми Германский специалист 
Г Ломан пытался улучшить их свойства за счет измельчения в тонкий порошок, прессования и нагрева отформчрованных заготовок (волок) почти 
до температуры плавления С этих изделий, изготовленных Ломаном в 
1914 г методом порошковой металлургии, начинается развитие спеченных твердых сплавов Германские инженеры В Фукс и Р Колец изготовили горячепрессованные твердые сплавы из карбида вольфрама с добавкой 
металла железной фуппы, хрома и титана Примерный состав сплава тищ^т для волок был следующий 55 % W, 3,5 % Ti, 5 % Сг, 33 % Со-Ге и 
3,5 % С 

Дальнейшему развитию твердых сплавов способствовали два прогрессивных направления в технике появление нового метода изготовления 
изделий из тугоплавких металлов - порошковой металлургии и разработка 
способов 1юлуче1тя весьма твердых "металлоподобных" веществ-карбидов Метод порошковой металлургии остается единственно возможным. 

10