Композиционные материалы специального назначения

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Шарапова

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

У че б но е  по с о б ие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета

для студентов вуза, обучающихся

по направлениям подготовки

22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение  

и технологии материалов,

22.03.02, 22.04.02 — Металлургия

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2020

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

УДК 669.2/.8(075.8)
ББК 34.39я73
         Ш25

Рецензенты:
канд. техн. наук, заведующий лабораторией конструкцион
ного материаловедения ИМАШ УрО РАН Р. А. Саврай;

канд. физ.-мат. наук, доц., ст. науч. сотр. ИФМ УрО РАН 

А. В. Столбовский

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. М. А. Филиппов

Ш25

Шарапова, В. А.
Композиционные материалы специального назначения : учебное пособие / В. А. Шарапова; Мин-во науки 
и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2020. — 147, [1] с.

ISBN 978-5-7996-3138-3

Учебное пособие содержит описание способов получения композици
онных материалов, их свойств, а также свойств составляющих композиции. Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям 
подготовки «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов» при изучении курса «Технологические основы получения порошковых и композиционных материалов», «Материаловедение. ТКМ», «Металловедение», пособие может быть полезным также при выполнении 
студенческих научно-исследовательских работ.

Библиогр.: 18 назв. Табл. 10. Рис. 4.

УДК 669.2/.8(075.8)
ББК 34.39я73

ISBN 978-5-7996-3138-3
© Уральский федеральный

университет, 2020

Оглавление

Введение .....................................................................................7

1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие,  
общая характеристика ................................................................9

1.1. История возникновения и развития .............................9

1.1.1. Твердые сплавы в нашей стране и за рубежом ......12
1.1.2. Последние достижения твердосплавной  
промышленности ............................................................13

1.2. Исходные материалы ...................................................14
1.3. Классификация и общая характеристика ...................16
Контрольные вопросы .......................................................19

2. Технология порошковой металлургии ...................................20

2.1. Классификация и маркировка  
твердых сплавов ..................................................................21
2.2. Исходные материалы ...................................................23
2.3. Технология изготовления твердосплавных  
материалов ..........................................................................24

2.3.1. Получение порошка вольфрама ............................25
2.3.2. Получение порошка карбида вольфрама ..............26
2.3.3. Получение двойного карбида TiС–WС .................27
2.3.4. Получение порошка кобальта ................................28

Оглавление

2.4. Приготовление смесей .................................................28
2.5. Прессование .................................................................31
2.6. Спекание ......................................................................36
Контрольные вопросы .......................................................40

3. Технология твердых сплавов ................................................41

3.1. Формование твердосплавных смесей ..........................42

3.1.1. Основные положения формования смесей  
в стальной пресс-форме ..................................................42
3.1.2. Поведение заготовок после снятия давления .......43
3.1.3. Пластифицирующие добавки к смесям ................45
3.1.4. Условия прессования .............................................47
3.1.5. Различные методы формования  
твердосплавных смесей ...................................................48

3.2. Спекание твердых сплавов ..........................................58

3.2.1. Процессы, протекающие при твердофазном  
спекании твердых сплавов (ТФС)...................................58
3.2.2. Процессы, протекающие при жидкофазном  
спекании твердых сплавов ..............................................61
3.2.3. Сплавы WС–Сo ......................................................66
3.2.4. Механизм роста зерен WС .....................................69
3.2.5. Особенности процесса спекания сплавов  
WС–TiС–Сo и WС–TiС–TaС (NbС)–Сo ......................74
3.2.6. Режим спекания .....................................................76
3.2.7. Влияние газовой атмосферы и состава засыпки  
при спекании на свойства сплавов .................................78

3.3. Неоднородность свойств твердых сплавов .................81

3.3.1. Особенности роста фазы WС при спекании .........84
3.3.2. Влияние карбидов на рост WС-фазы ....................85
3.3.3. Процессы, влияющие на качество сплавов ...........87
3.3.4. Рост зерен WС и контактной поверхности  
между ними ......................................................................89

3.4. Меры борьбы с неоднородностью свойств  
твердых сплавов ..................................................................91

Оглавление

3.4.1. Двухстадийное стационарное спекание  
в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ....................................................................91
3.4.2. Прямое одностадийное стационарное  
спекание в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ....................................................................91
3.4.3. Стационарное спекание в вакуумных печах .........92
3.4.4. Поточное спекание в многозонных печах  
в восстановительно- науглероживающей газовой  
среде .................................................................................93

Контрольные вопросы .......................................................95

4. Нестандартные твердые сплавы ...........................................96

4.1. Состав, технология, свойства  
и области применения сплавов ОМ, ХОМ, ХТМ ...........102
4.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ  
и ВК15-ОМ .......................................................................104
4.3. Твердые сплавы с ультрамелкозернистой  
структурой ........................................................................105
4.4. Способы повышения качества твердых  
сплавов ..............................................................................108
Контрольные вопросы .....................................................112

5. Твердые сплавы для обработки металлов давлением ..........113

5.1. Марки твердых сплавов для обработки металлов  
давлением .........................................................................115
5.2. Составы, технология, свойства и области  
применения сплавов группы К, КС и С ..........................120
5.3. Технология получения сплавов К, КС, С .................121
5.4. Бесстружковая обработка металлов ..........................123

5.4.1. Волочение .............................................................124
5.4.2. Штамповка ...........................................................124
5.4.3. Объемная штамповка ...........................................125

Контрольные вопросы .....................................................129

Оглавление

6. Варианты развития нестандартных твердых сплавов .........130

6.1. Легирование и изменение состава  
связующей фазы твердых сплавов ...................................131

6.1.1. Исследование структуры и свойств сплавов  
системы WС-Fe-Ni ........................................................133
6.1.2. Влияние легирующих добавок на свойства  
никеля и кобальта ..........................................................134

6.2. Легирование и изменение карбидной основы  
твердых сплавов ................................................................136
Контрольные вопросы .....................................................141

Заключение ............................................................................142

Список библиографических ссылок .......................................144

Введение

К

омпозиционный материал (композит, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов 

с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие 
элементы обычно обеспечивают необходимые механические 
характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений 
и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соот
ношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также 
прочностью связи между ними. В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств 
композиции, не только отражающий исходные характеристики 
его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители 
и матрицы. Это гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- 

Введение

и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или 
графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть 
материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой.

Композиционные материалы специального назначения — 

это достаточно широкий класс материалов. В данном учебном 
пособии основное внимание уделяется вопросам производства 
и технологии твердых сплавов, проблемам, с которыми сталкиваются производственники при изготовлении изделий из твердых сплавов.

1.1. История возникновения и развития

1. Твердые сплавы. Возникновение, 

развитие, общая характеристика

Т

вердые сплавы — твердые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять свои свойства 
при 900–1150 °C. В основном изготовляются из высо
котвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанных кобальтовой металлической связкой, при 
различном содержании кобальта или никеля.

Твердые сплавы распространены в различных областях про
мышленности, они служат для изготовления деталей станков, 
машин, кораблей, самолетов, крепежных элементов, строительных пластин и других изделий, а также их часто используют при производстве инструмента.

1.1. История возникновения и развития

Первые упоминания о твердых сплавах относятся к 1914 г. 

и связаны с требованиями промышленности по обработке появившихся новых марок сталей. Немецкий специалист Г. Ломан измельчал карбиды в тонкий порошок, прессовал изделия