Технология и свойства спеченных твердых сплавов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2230 

Кафедра порошковой металлургии и функциональных покрытий
 
В.С. Панов 
В.Н. Шуменко 
 

Технология и свойства
спеченных твердых сплавов 

  

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия 

Москва 2013 

УДК 621.762 
 
П16 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.П. Тарасов 

Панов, В.С. 
П16  
Технология и свойства спеченных твердых сплавов : курс 
лекций / В.С. Панов, В.Н. Шуменко. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2013. – 144 с. 
ISBN 978-5-87623-700-2 

В курсе лекций рассмотрены физико-химические особенности формования и спекания твердых сплавов, технологии их получения, структура, свойства, области применения. 
Предназначен для обучения бакалавров по направлению 150400 «Металлургия», профиль «Функциональные материалы и покрытия». 
  

УДК 621.762 

ISBN 978-5-87623-700-2 
 В.С. Панов, 
В.Н. Шуменко, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 
Введение....................................................................................................6 
В1. История возникновения и развития твердых сплавов................6 
В2. Классификация и общая характеристика твердых сплавов .....11 
1. Металловедческие основы твердых сплавов ...................................17 
1.1. Диаграммы состояния .................................................................17 
1.2. Общие сведения о тройной системе W–C–Co ..........................17 
1.2.1. Важные области диаграммы состояния 
системы W–C–Co..................................................................................21 
1.2.2. Спекание сплавов W–C–Co с учетом 
вертикального разреза по линии Со–WC...........................................23 
1.3. Общие сведения о тройной системе W–C–Ni...........................25 
1.4.  Общие сведения о системе W–Ti–C–Co...................................28 
1.5. Общие сведения о системе Ti–W–Та–Со ..................................31 
2. Технология твердых сплавов.............................................................35 
2.1. Исходные материалы...................................................................36 
2.2. Физико-химические условия восстановления 
оксидов водородом.............................................................................37 
2.2.1. Характеристика вольфрама .......................................................37 
2.2.2. Термодинамика восстановления WO3 водородом..................37 
2.3. Равновесные условия реакций восстановления 
оксидов вольфрама водородом..........................................................39 
2.4. Кинетика и механизм восстановления WO3 водородом ..........41 
2.5. Механизм восстановления оксидов 
газообразными восстановителями ....................................................42 
2.6. Факторы, определяющие размеры частиц порошка 
вольфрама при восстановлении ........................................................44 
2.6.1. Кристаллохимические превращения........................................44 
2.6.2. Перенос через газовую фазу......................................................46 
2.6.3. Влияние примесей и присадок на протекание 
процесса восстановления WO3 и размер частиц 
вольфрамового порошка ......................................................................48 
2.6.4. Способ подачи водорода в печь и «активация» WO3.............49 
2.7. Физико-химические условия восстановления WO3 
углеродом ............................................................................................50 
2.8. Плазменное восстановление.......................................................54 
2.9. Условия получения порошкообразного молибдена .................55 

2.9.1. Исходные материалы ................................................................. 55 
2.9.2. Физико-химические условия восстановления 
MoO3 водородом ................................................................................... 55 
3. Получение карбидов...........................................................................59 
3.1. Получение порошков карбидов: вольфрама, титана, 
титано-вольфрамового твердого раствора .......................................59 
3.1.1. Физико-химические условия процессов карбидизации ........ 59 
3.1.2. Физико-химические условия получения карбида титана...... 62 
3.1.3. Термодинамика получения карбида титана............................ 64 
3.1.4. Получение карбида титана из металлического титана.......... 65 
3.2. Физико-химические условия получения сложного 
титано-вольфрамового карбида (TiC–WC) ......................................66 
3.2.1. Разновидность получения (Ti, W)C.......................................... 69 
3.2.2. Зернистость (Ti, W)C.................................................................. 69 
3.2.3. Процессы образования и распада твердых растворов 
(Ti, W)C .................................................................................................. 70 
3.2.4. Кинетика процесса образования твердого раствора 
(Ti, W)C из порошков TiC и WC......................................................... 70 
3.2.5. Формирование структуры зерен твердого раствора 
(Ti, W)C. «Кольцевая» структура ....................................................... 71 
4. Методы контроля порошков для твердых сплавов ......................75 
5. Приготовление смесей порошков карбидов с цементирующим 
металлом..................................................................................................79 
5.1. Способы приготовления твердосплавных смесей....................79 
5.2. Размол смеси карбидов с кобальтом в шаровых мельницах 
и его влияние на свойства сплавов ...................................................80 
5.3. Технологические режимы приготовления смесей....................81 
5.4. Размол в аттриторе ......................................................................83 
6. Формование твердосплавных смесей ...............................................85 
6.1. Основные положения формования смесей в стальной 
пресс-форме ........................................................................................85
6.2. Пластифицирующие добавки к смесям.....................................87 
7. Различные методы формования твердосплавных смесей...............91 
7.1. Последовательно-цикличное прессование................................91 
7.2. Горячее прессование ...................................................................91 
7.3. Импульсное прессование............................................................92 
7.4. Изостатическое прессование ......................................................93 
7.5. Вибрационное формование ........................................................93 
7.6. Прокатка порошков.....................................................................94 
7.7. Мундштучное выдавливание......................................................95 

7.8. Литье под давлением...................................................................97 
7.9. Шликерное прессование .............................................................98 
7.10. Метод пластифицированных заготовок ..................................98 
8. Спекание твердых сплавов ..............................................................100 
8.1. К теории процесса спекания в присутствии жидкой фазы....100 
8.2. Процессы, протекающие при твердофазном спекании 
ТФС (твердых сплавов)....................................................................102 
8.3. Процессы, протекающие при жидкофазном спекании 
(ЖФС) твердых сплавов...................................................................103 
8.3.1. Сплавы WC–Co .........................................................................105 
8.3.2. Особенности процесса спекания сплавов WC–TiC–Co 
и WC–TiC–TaC(NbC)–Co...................................................................111 
8.4. Режим спекания .........................................................................112 
8.5. Влияние газовой атмосферы и состава засыпки 
при спекании на свойства сплавов..................................................114 
8.6. Характерные дефекты структуры твердых сплавов...............117

9. Исследование и контроль структуры и свойств 
спеченных твердых сплавов ............................................................119 
9.1. Неоднородность свойств твердых сплавов .............................119 
9.2. Свойства спеченных твердых сплавов ....................................121 
9.3. Поведение частиц при спекании твердых сплавов 
в режиме «in situ» .............................................................................125 
10. Пути развития производства твердых сплавов............................134 
Библиографический список.................................................................143 
 

ВВЕДЕНИЕ  

Спеченные твердые сплавы приобрели в современной технике 
очень большое значение. Кроме наиболее распространенного применения этих материалов в качестве режущих, износостойких, буровых, штамповых, сейчас широко используют твердые сплавы для 
службы при высоких температурах и в агрессивных средах. 
В курсе лекций на основе единого методического подхода изложены теоретические и практические вопросы в области твердых 
сплавов с учетом направления их дальнейшего развития. 
При изложении материала учтены особенности, характеризующиеся большим количеством марок твердых сплавов, разнообразием 
процессов порошковой металлургии, лежащих в основе получения 
твердых сплавов. Представленный материал написан в соответствии 
с типовой учебной программой и соответствует курсу «Технология и 
свойства спеченных твердых сплавов и изделий из них». 
Курс лекций написан с учетом достижений отечественного и зарубежного производства твердых сплавов. В нем обобщен передовой 
опыт отраслевых институтов и заводов твердых сплавов, нашли отражения действующие и перспективные марки твердых сплавов, 
кратко рассмотрено современное и отечественное оборудование и 
технологическая оснастка. 

В1. История возникновения 
и развития твердых сплавов 

Многие отрасли используют изделия из твердых сплавов (ТС). 
Это – материалы для металлообработки резанием, горнообрабатывающая промышленность, бесстружковая обработка, авиационная, 
космическая отрасли и др. 
Твердые сплавы представляют собой композиционный материал 
особого класса со специфическим строением, обладающий высокой 
твердостью, износостойкостью и достаточной прочностью, которые 
сохраняются до 600…800 °С. Кратко их можно определить как композиция, состоящая из тугоплавкого соединения, обычно карбида, и 
сравнительно «легкоплавкого» связующего металла группы железа. 
Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии из порошков тугоплавких соединений (более 50 % объемн.) и металлов группы железа. Тугоплавкие и твердые соединения (карбиды, нитриды, бориды, силициды), являющиеся основой твердых сплавов, в большинстве 

своем имеют особую кристаллическую структуру, характерную для фаз 
внедрения, которые хотя и содержат до 50...60 % неметаллических атомов, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Карбиды металлов IV–VI групп периодической системы элементов, относящиеся к фазам внедрения, имеют высокие температуры плавления, 
весьма тверды, их модули Юнга велики, проводят электрический ток, 
но, к сожалению, характеризуются повышенной хрупкостью и низкими 
значениями пластичности и прочности. 
Эти свойства фаз внедрения, связанные с их специфическим 
строением и громадными силами сцепления в кристаллах, были использованы при разработке износостойкого материала. Однако высокая хрупкость не позволила применить их в виде отдельных соединений карбидов. Требовалось уменьшить хрупкость и повысить 
прочность, что удалось сделать с помощью добавки кобальта. Это 
позволило практически сохранить многие свойства карбида. Так, 
твердые сплавы WC–Co и WC–TiC–Co имеют твердость 86...92 HRA, 
модуль упругости 500...700 ГПа, предел прочности на сжатие 
4000...6000 Н/мм2, предел прочности на изгиб 1000...2500 Н/мм2, 
ударную вязкость 6,0...50,0 кДж/м2. 
В химическом отношении твердые сплавы весьма устойчивы против воздействия кислот и щелочей, имеют достаточную окалиностойкость. Эти свойства и определяют широкие области применения 
твердых сплавов.  
Первые сведения по твердым сплавам относятся к 1914 г. и связаны с требованиями металлообрабатывающей промышленности для 
обработки появившихся новых марок сталей. Германский специалист 
Ш. Ломан измельчал карбиды в тонкий порошок, прессовал изделия 
и нагревал их почти до температуры плавления. 
 Германские инженеры В. Фукс и Р. Колец изготовляли образцы 
из карбида вольфрама с добавками железа, хрома, титана методом 
горячего прессования («тицит»). Патенты Г. Ломана и Х. Шретера 
послужили основой для разработки различных марок сплава Видиа 
(как алмаз) типа Y и H (германский стандарт). В 1925 г. германская 
фирма Osram по патенту Х. Шретера получила спеченный твердый 
сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом, а в 1926 г. фирма 
Krupp начала промышленное производство сплавов под названием 
«Видиа» (94 % WC и 6 % Co). Инструмент из этого сплава произвел 
переворот в металлообрабатывающей промышленности, позволив 
увеличить скорость резания в 10–20 раз (в зависимости от обрабатываемого материала). С этого момента началось бурное развитие про

изводства ТС. Появились сплавы с частичной заменой карбида 
вольфрама карбидами титана, ниобия, тантала, молибдена, а вместо 
кобальта другая связка – Ni, Ni–Cr, Co–Mo, Fe–Ni и др. 
В нашей стране возникновение и становление производства твердых 
сплавов связано с именем Г.А. Меерсона, под руководством которого в 
1929 г. были получены на Электроламповом заводе первые образцы 
советского твердого сплава, а затем налажен и опытный выпуск изделий 
из него под названием «Победит»: содержал 90 % карбида вольфрама и 
10 % кобальта и предназначался для изготовления пластин для оснащения режущего инструмента, волок для протяжки проволоки, вставок и 
буровых коронок для бурения горных пород. В начале 1930-х годов на 
заводе редких элементов (с 1936 г. Московский комбинат твердых сплавов (МКТС)) под руководством В.Я. Рискина по несколько отличной 
технологии от сплава «Победит» был начат выпуск сплава РЭ8 (92 % 
WC + 8 % Co), послуживший основой выпуска целой гаммы отечественных твердых сплавов WC–Co и WC–TiC–Co. 
В 1939 г. под руководством известного советского ученого 
В.И. Третьякова была разработана и внедрена на «МКТС» технология сплава «Рэникс» (WC–Ni), из которого в годы Великой Отечественной войны изготавливались головки для бронебойных снарядов. 
В послевоенный период в результате исследовательских работ 
Всесоюзного научно-исследовательского института тугоплавких 
сплавов (ВНИИТС), созданного в 1948 г., под руководством 
В.С. Третьякова, Г.С. Креймера, В.А. Ивенсена были разработаны и 
внедрены технологии сплавов WC–Co, WC–TiC–Co, WC–TiC–TaC–
Co, TiC(TiN)–Ni–Mo и других различных составов для резания, перфораторного бурения горных пород, шарошечного бурения скважин, 
бесстружковой обработки, штамповки, высадки, спецназначения. 
Советский Союз обладал развитой технологией производства 
твердых сплавов, занимал второе место в мире по выпуску (после 
США), качество марок соответствовало мировым стандартам.  
В СССР действовало пять крупных специализированных заводов 
твердых сплавов: 
1) Московский комбинат твердых сплавов (МКТС); 
2) Кировоградский завод твердых сплавов (под Екатеринбургом); 
3) Завод «Победит» (г. Владикавказ); 
4) Комбинат тугоплавких и жаропрочных материалов (УзКТЖМ, 
г. Чирчик, Узбекистан); 
5) Днепровский завод твердых сплавов (ДЗТС, г. Светловодск, 
Украина).  

Придя на смену инструментальным и быстрорежущим сталям, 
твердые сплавы оказывают огромное влияние на развитие всех отраслей промышленности. Нет почти ни одной ведущей отрасли, которая в той или иной мере не применяла спеченные твердые сплавы. 
В настоящее время в мире (без Китая) насчитывают более 
230 фирм производящих твердые сплавы. Многие имеют дочерние 
предприятия или владеют заводами по производству твердосплавной 
продукции, находящихся в других странах. Сведения о наиболее известных фирмах приведены в табл. В1.1. 

Таблица В1.1 

Наиболее известные фирмы, выпускающие твердые сплавы 

Название, торговая марка, страна 
Год начала
производства

Объем производства (за 1986– 
1990 гг.), т/год 

Adamas Carbide Corp. Adamas. США 
1943
 
150 

Oy Airam Ab Kometa. Kometa. Финляндия 
1947 
120 

American National Carbide Соrp. ANC. США 
1970
 
 Н.д. 

Atrax Division, Atrax Newcarb Corp. Atrax. США 
1954 
225 

Boart HWF CmbH. HWF. Германия 
1927
 
120 

Boart Intern, Industrial Division. Boart. ЮАР
 
1948 
300 

Bohlerit GmbH. Bohlerit. Австрия 
1932 
160 

Carbaloy Sistems Product Operation, Genetal 
Electric Com. Carbaloy. США 
1928 
 Н.д. 

Fansteel VR/Wesson. Fansteel. США
 
1931
 
285 

General Carbide Corp. General Carbide. США 
1969 
150 

Iscar Limited. Израиль 
1957
 
 Н.д. 

Kennametal Inc. Kennametal. США
 
1938 
1250 

Krupp Widia GmbH. Widia. Германия 
1926
 
500 

Mitsubishi Metal Corp. Diatitanit. Япония 
– 
696 

Plansee Tizit GmbH. Tizit. Австрия 
1931
 
400 

AR Sandvik Coromant. Sandvik Coromant. Швеция 
1942 
 Н.д. 

AB Sandvik Hard Materials. Sandvik. Швеция 
1942 
 Н.д. 

Sumitomo Electric Industriel Ltd. Igetalloy. Япония 
1928 
400 

Teledyne Firth Sterlings. Teledyne. США 
1928
 
Н.д. 

Zhuzhou Cemented Carbide Industry Com. 
Diamond. КНР 
1958 
1600 

Ugicarb Morgon. Франция 
1952 
 Н.д. 

Примечание. Н.д. – нет данных. 

Отечественному производству твердых сплавов в 2010 г. исполнилось 80 лет. За этот период достигнуты значительные успехи в 
улучшении технологии и разработке новых технологий и составов 
твердых сплавов, освоении методов изготовления изделий сложной 
формы и т.д. В результате исследовательских работ в СССР ассорти

мент сплавов был пополнен новыми марками Т60К6, В253, ТТ7К12, 
ТТ10К8А и ТТ10К8Б, ТТ8К6, ТТ20К9, серией сплавов WC–Co с индексами М, ОМ, ХОМ, В, К, КС, С и др. Г.С. Креймером разработаны крупнозернистые сплавы ВК для обработки горных пород и бурения, а В.А. Ивенсеном особо крупнозернистые сплавы ВК для высадочного и штампового инструмента («К», «С», «КС»), технология 
пластифицированных заготовок для получения изделий сложной 
формы. Большой вклад в развитие отечественного производства 
твердых сплавов промышленности внес В.И. Третьяков, под руководством которого возникли усовершенствованные технологии получения полуфабрикатов, вакуумное спекание, безвольфрамовые танталсодержащие сплавы, различный инструмент с покрытием и др. 
К сожалению, после распада СССР производство твердых сплавов 
пришло в упадок. Сохранению производства твердых сплавов в России 
способствовал известный всему миру специалист в области твердых 
сплавов кандидат технических наук, доцент Л.И. Клячко. С его именем 
связано заметное развитие всего отечественного производства твердых 
сплавов и связи отраслевой науки с производством. Сам бывший производственник, руководитель крупнейшего производственного объединения страны, он прекрасно понимал трудности институтов и заводов, 
преодолению которых уделял и уделяет большое внимание. 
На сегодня в России действуют следующие предприятия, выпускающие твердосплавные изделия разного назначения: 
1. АООТ «КЗТС», г. Кировоград (40 км от Екатеринбурга). 
2. ОАО «Победит», г. Владикавказ. 
3. ООО «ВЕЛИАР», г. Санкт-Петербург. 
4. ООО АЛГ Сандвик, Москва. 
5. Волгобурмаш, г. Самара. 
6. ФГУП ВНИИТС, г. Москва. 
7. ООО «Бинур», г. Редкино, Московская область. 
8. Завод технической керамики – реорганизован на базе ВНИИТС, 
поселок Апрелевка, Московская область.  
9. ООО «Дальневосточная технология», г. Комсомольск-на-Амуре. 
10. ЗАО «Серпуховской инструментальный завод», г. Серпухов, 
Московская область. 
11. ОАО «Гидрометаллург», г. Нальчик. 
12. ООО «Оргпринтвердосплав». 
13. Еще десяток малых предприятий в Москве и Московской области типа ООО «ИНМЕТ», г. Ногинск; ООО «МИСоН», г. Москва; 
ТОО «Тумелон», г. Москва и др.