Технология, свойства и области применения спеченных твердых сплавов

 
В. С. Панов, Ж. В. Еремеева 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ, СВОЙСТВА  
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ  
СПЕЧЕННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва     Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 669.018.25 
ББК 34.25 
П16  
 
 
Рецензенты:  
доктор технических наук, профессор С. Д. Шляпин;  
кандидат технических наук, доцент Н. И. Волгина 
 
 
 
 
 
 
 
 
Панов, В. С. 
П16  
Технология, свойства и области применения спеченных твердых 
сплавов : учебное пособие / В. С. Панов, Ж. В. Еремеева. í Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. í 148 с. : ил., табл. 
 
ISBN 978-5-9729-0633-8 
 
Рассмотрены общие и специальные вопросы по технологии, составу  
и свойствам спеченных твердых сплавов с различными типами связок.  
Изложены физико-химические основы технологии этих сплавов и области 
их применения. Приведены теоретические основы специфической структуры твердых сплавов. Рассмотрены технологии получения многогранных 
неперетачиваемых пластин и нанесения износостойких покрытий на твердые сплавы.  
Для студентов машиностроительных и металлургических специальностей. Может быть полезно преподавателям, технологам, инженерам, работающим в различных отраслях машиностроения и металлургии. 
 
УДК 669.018.25 
 
ББК 34.25 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0633-8 
© Панов В. С., Еремеева Ж. В., 2021 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение  
............................................................................................................. 8 
ГЛАВА 1. История возникновения твердых сплавов 
.................................... 10 
ГЛАВА 2. Технология твердых сплавов 
......................................................... 12 
2.1. Исходные материалы .............................................................................. 13 
2.2. Физико-химические условия восстановления  
оксидов водородом 
................................................................................ 14 
2.2.1. Характеристика порошка вольфрама ........................................ 14 
2.2.2. Термодинамика восстановления оксида вольфрама. ............... 14 
2.2.3. Равновесные условия реакций восстановления  оксидов 
вольфрама водородом 
................................................................. 16 
2.2.4. Механизм восстановления оксидов   
газообразными восстановителями. ........................................... 18 
2.2.5. Факторы, определяющие размеры частиц  
порошка вольфрама при восстановлении................................. 19 
2.2.6. Кристаллохимические превращения ......................................... 20 
2.2.7. Перенос через газовую фазу ....................................................... 21 
2.2.8. «Прямоточная» подача водорода в печь  
и активация WO3 ......................................................................... 23 
ГЛАВА 3. Особенности получения порошка молибдена  
восстановлением его оксидов ........................................................ 25 
3.1. Физико-химические условия восстановления молибденового 
ангидрида водородом 
............................................................................ 25 
ГЛАВА 4. Получение порошков карбидов:   
вольфрама, титана, титано-вольфрама ......................................... 28 
4.1. Физико-химические условия процессов карбидизации 
...................... 28 
4.2. Физико-химические условия  получения карбида титана .................. 32 
4.3. Некоторые вопросы термодинамики  
при получении карбида титана ............................................................ 34 
4.4. Получение карбида титана из металлического титана ....................... 35 
4.5. Получение карбида титана  методом самораспространяющегося  
высокотемпературного синтеза (СВС) 
................................................ 36 
3 

4.6. Физико-химические условия получения сложного  
титано-вольфрамового карбида (TiC-WC) ......................................... 37 
4.7. Кинетика процесса образования  
твердого раствора (Ti, W)C из порошков TiC и WC ......................... 39 
4.8. Формирование структуры зерен твердого  
раствора TiC-WC. «Кольцевая структура» ......................................... 40 
ГЛАВА 5. Приготовление смесей порошков карбидов   
с цементирующим металлом ......................................................... 43 
5.1. Способы приготовления твердосплавных смесей ............................... 43 
5.2. Процессы, наблюдаемые при приготовлении смесей ......................... 44 
5.3. Приготовление смесей в аттриторе и РАНДЕ ..................................... 45 
ГЛАВА 6. Формование твердосплавных смесей ........................................... 48 
6.1. Основные положения формования смесей   
в стальной пресс-форме ........................................................................ 48 
6.2. Поведение заготовок после снятия давления 
....................................... 49 
6.3. Пластифицирующие добавки к смесям ................................................ 49 
6.4. Различные методы формования твердосплавных смесей 
................... 51 
6.4.1. Последовательно-цикличное прессование 
................................ 51 
6.4.2. Горячее прессование ................................................................... 51 
6.4.3. Импульсное прессование ............................................................ 52 
6.4.4. Изостатическое прессование ...................................................... 53 
6.4.5. Вибрационное формование 
......................................................... 53 
6.4.6. Прокатка порошков ..................................................................... 54 
6.4.7. Мундштучное выдавливание 
...................................................... 54 
6.4.8. Литье под давлением ................................................................... 56 
6.4.9. Инжекционное формование 
........................................................ 56 
6.4.10. Шликерное литьё ....................................................................... 57 
6.4.11. Сварка спеканием ...................................................................... 58 
6.4.12. Метод пластифицированных заготовок .................................. 58 
6.4.13. Мокрое прессование .................................................................. 58 
ГЛАВА 7. Спекание твердых сплавов 
............................................................. 60 
7.1. К теории процесса спекания  
в присутствии жидкой фазы ................................................................. 61 
7.2. Процессы, протекающие при твердофазном спекании твердых 
сплавов (ТФС) 
........................................................................................ 62 
4 

7.3. Процессы, протекающие при жидкофазном спекании твердых 
сплавов (ЖФС) 
....................................................................................... 63 
7.4. Характерные дефекты структуры твердых сплавов 
............................ 65 
ГЛАВА 8. Теория прочности твердых сплавов 
.............................................. 67 
8.1. Зависимость свойств твердых сплавов  
от состава структуры 
............................................................................. 67 
8.1.1. Сплавы карбид вольфрама – кобальт ........................................ 67 
8.1.2. Предел прочности сплавов при сжатии (Õсж) ............................ 68 
8.1.3. Твердость сплавов WO-Co 
.......................................................... 70 
8.1.4. Путь разрушающей трещины в сплавах WC-Co ...................... 70 
8.1.5. Двухфазные сплавы WC-TiC-Co и их свойства.  
Предел прочности при изгибе ................................................... 71 
8.1.6. Твердость сплавов WC-TiC-Со .................................................. 72 
8.1.7. Трехфазные сплавы WC-TiC-Со и их свойства 
........................ 74 
8.1.8. Предел прочности при изгибе  
и твердости сплавов WC-TiC-Со 
............................................... 75 
8.1.9. Сплавы WC-TaC-Co 
..................................................................... 76 
8.1.10. Твердость сплавов WC-Ta-Co .................................................. 77 
8.1.11. Сплавы WC-TiC-ТаС-Со ........................................................... 78 
8.1.12. Трехфазные сплавы ................................................................... 78 
8.1.13. Двухфазные сплавы WC-TiC-TaC-Co 
...................................... 80 
8.1.14. Безвольфрамовые (БBTC)  
твердые сплавы TiC-Ni-Mo и Ti(C,N)-Mo-Ni 
........................... 81 
8.2. Теория прочности твердых сплавов 
...................................................... 82 
8.2.1. Проблема карбидного скелета  
и прочность сплавов WC-Co 
...................................................... 83 
8.2.2. Природа перегиба и механизм  
деформации сплавов WC-Co ..................................................... 84 
8.2.3. Современная концепция прочности   
твердых сплавов WC-Со ............................................................ 84 
8.2.4. Теория прочности сплавов WC-TiC(TaC)-Co ........................... 86 
8.3. Неоднородность свойств твердых сплавов .......................................... 88 
8.3.1. Причины науглероживания   
и обезуглероживания твердых сплавов .................................... 88 
5 

8.4. Меры борьбы с неоднородностью  
свойств твердых сплавов ...................................................................... 91 
8.4.1. Двухстадийное стационарное спекание   
в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ............................................................................... 91 
8.4.2. Прямое одностадийное стационарное спекание   
в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ............................................................................... 91 
8.4.3. Стационарное спекание в вакуумных печах 
............................. 91 
8.4.4. Поточное спекание в многозонных печах   
в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ............................................................................... 92 
8.4.5. Двухстадийный способ спекания 
............................................... 92 
8.4.6. Окончательное спекание изделий .............................................. 93 
8.4.7. Спекание при совмещении нормализующего  
и окончательного спекания в одной печи ................................ 94 
8.4.8. Спекание в газовой среде переменного состава 
....................... 94 
ГЛАВА 9. Области применения твердых сплавов 
......................................... 95 
9.1. Обработка металлов резанием ............................................................... 96 
9.1.1. Условия работы резца ................................................................. 96 
9.1.2. Виды износа резца ....................................................................... 97 
9.1.3. Обработка стали и чугуна резанием .......................................... 98 
9.1.4. Обработка резанием цветных металлов, титана,  
нержавеющих сплавов, древесины и др. .................................. 99 
9.2. Разрушение (бурение) горных пород .................................................. 100 
9.2.1. Твердосплавный инструмент  
для резцов дорожных машин 
................................................... 108 
9.3. Бесстружковая обработка металлов .................................................... 109 
9.3.1. Волочение ................................................................................... 110 
9.3.2. Штамповка 
.................................................................................. 111 
9.3.3. Объемная штамповка ................................................................ 112 
9.4. Измерительный инструмент ........................................................ 114 
ГЛАВА 10. Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) 
.............................. 116 
10.1. Основные направления экономии вольфрама 
.................................. 116 
10.2. Возникновение и развитие БВТС ...................................................... 116 
6 

10.3. Составы, технология, свойства  
и области применения БВТС 
............................................................ 118 
10.3.1. БВТС ТН20 и КНТ-16 ............................................................. 118 
10.3.2. Направления по совершенствованию  
и созданию новых БВТС .......................................................... 119 
10.3.3. Преимущества и недостатки БВТС   
по сравнению со сплавами ВК, ТК ТТК 
................................. 121 
10.3.4. БВТС за рубежом 
..................................................................... 121 
ГЛАВА 11. Многогранные неперетачиваемые  
пластины (МНП) ........................................................................... 123 
11.1. Роль МНП ............................................................................................ 123 
11.2. Преимущества и недостатки МНП 
.................................................... 124 
11.3. Твердые сплавы с износостойкими покрытиями 
............................. 125 
11.4. Твердые сплавы, выпускаемые «Сандвик-МКТС» ......................... 127 
ГЛАВА 12. Оксидные и карбидно-оксидные твердые сплавы   
(для резания) 
.................................................................................. 133 
12.1. Состав, технология, свойства и области применения изделий  
из оксидно-карбидных твердых сплавов ........................................ 134 
12.2. Режущий материал из нитрида кремния 
........................................... 134 
ГЛАВА 13. Основные достижения и пути развития твердосплавной 
промышленности .......................................................................... 138 
13.1. Новое в процессах порошковой металлургии 
.................................. 142 
Библиографический список 
............................................................................ 143 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ............................................................................................ 144 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ............................................................................................ 145 
 
 
 
 
 
7 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Спеченные твердые сплавы имеют в современной технике очень 
большое значение. Они применяются, как режущий инструмент, буровой и штамповый инструмент для бесстружковой обработки, для 
службы при достаточно высокой температуре, агрессивных средах, 
атомной и космической технике, при работе, при применении высоких давлений измерительного инструмента, вакууме, электротехнике 
и др. 
В учебном пособии на основе единого методического подхода 
изложены теоретические и практические вопросы в области твердых 
сплавов, с учетом направления их дальнейшего развития. 
При изложении материала дан анализ большого количества марок твердых сплавов, разнообразие процессов порошковой металлургии, лежащих в основе их производства, характеристика свойств, 
структуры и областей применения. 
Представленный материал написан в соответствии с типовыми 
учебными программами следующих направлений подготовки бакалавриата: 
15.03.01 «Машиностроение»: 
x технологическое обеспечение производства современных машин; 
x машины и технологии обработки материалов давлением; 
x оборудование и технологии сварочного производства. 
22.03.01 «Материаловедение и технология материалов». 
22.03.02 «Металлургия». 
Магистратуры: 
15.04.01 «Машиностроение». 
22.04.02 «Металлургия». 
8 

Учебное пособие написано с учетом достижений отечественной и 
зарубежной твердосплавной промышленности. Обобщен передовой 
опыт отраслевых институтов и заводов твердых сплавов. 
Использованы труды российских ученых: Г. А. Меерсона,  
Г. С. Креймера, В. И. Третьякова, В. А. Ивенсена, И. Н. Чапоровой, 
В. И. Туманова, М. М. Бабича, Г. В.Самсонова, В. П. Бондаренко, 
М. С. Ковальченко, Т. Н. Лоладзе, Л. И. Клячко, Г. П. Швейкина,  
В. А. Фальковского, В. С. Панова и др., а также зарубежных коллег: 
G. Gille, W.Schubert, A.Bock, B. Zeiler, H. Exner, H. Grewe,  
J. Kolaska, D. Carrol, C. Connor, T. Fukatsu, M. Kobuyashi, K. Kishino, 
E. Wardner, B. Roebuck, M. Chistenssen, A. Henjered, H.O. Andren,  
H. Ortner, B. Lux, E. Lassner, B. Kieffer, S. Soderberg, G. Spriggs  
и др.; результаты исследований основных институтов Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт твердых 
сплавов и тугоплавких металлов (ВНИИТС), Киевского института 
сверхтвердых материалов им. В. М. Бакуля, Киевского института 
проблем материаловедения им. И. Н. Францевича, Национального 
исследовательского технологического университета «МИСиС», Института химии Уральского отделения РАН, Российского химикотехнологического университета им. Д. И. Менделеева, Московского 
технологического университета, института физико-химических 
проблем керамических материалов РАН, института металлургии и 
материаловедения им. А. А. Байкова РАН и др. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 

 
 
ГЛАВА 1  
 
История возникновения твердых  
сплавов  
 
Возникновение и развитие твердых сплавов неразрывно связаны 
с их областями применения в народном хозяйстве. Трудно назвать отрасль промышленности, где бы в той или мере не применяются изделия из твердых сплавов. Твердые сплавы представляют собой композиционные материалы особого класса, обладающие высокой твердостью, износостойкостью и достаточной прочностью. Кратко можно 
определить их как композиция, состоящая из тугоплавкого соединения, обычно карбида и связующего металла (Co, Ni, Mo), который 
снижает хрупкость сплава и повышает прочность. 
Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии 
спеканием в присутствии жидкой фазы. 
Первые сведения о спеченных твердых сплавах относятся к  
1925 году, когда германская фирма Osram по патентам Х. Шретера 
получила сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом. В 1926 году фирма Krupp приступила к промышленному выпуску сплава, получившего название Bugua (как алмаз) состава 94  WC и 6  Co. 
Инструмент произвел переворот в металлообрабатывающей промышленности, позволив увеличить скорость резания в 10–20 раз. С этого 
момента началось развитие твердосплавной промышленности [1, 10]. 
Возникновение и становление в нашей стране производства спеченных твердых сплавов связано с именем Г. А. Меерсона. Под его 
руководством и при участии Л. П. Малькевича на Электроламповом 
заводе («Лампочка») были получены образцы советского твердого 
сплава, а затем налажен выпуск изделий из него. Сплав под названием 
«Победит» содержал 90  WC и 10  кобальта. Предназначался для 
10