Безвольфрамовые твердые сплавы и перспектива их использования в оптической отрасли приборостроения

УДК 661.665.2:681.7

Б.Э. Шлишевский, Т.В. Ларина

СГГ А, Новосибирск

БЕЗВОЛЬФРАМОВЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ И ПЕРСПЕКТИВА ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОПТИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Безвольфрамовые твердые сплавы появились на рынке впервые в последней трети прошлого века, как альтернатива твердым сплавам на основе карбида вольфрама.

Вольфрамосодержащие твердые сплавы при обработке конструкционных материалов - черных и цветных металлов и их сплавов, за счет высокой износоустойчивости и режущих свойств, повысили производительность в металлообработке более чем в 2,8 раза.

Но вольфрам дефицитный стратегический материал. И начавшие первые работы по исследованию возможности замены дефицитного вольфрама альтернативным материалом, ученые из Японии главной задачей ставили замену вольфрама титаном, а связующую фракцию кобальт - заменить на никель-молибден. После множества вариантов и комбинаций «право на жизнь» получил первоначально задуманный вариант.

В настоящее время в Японии, которая ранее других стран начала эту работу, до 30 % конструкционных материалов срезается безвольфрамовыми твердыми сплавами, она лидер в этой области, на много опередившая остальные страны.

В СССР и России работы по созданию БВТС (их за рубежом называют «Керметами», а также «Металлокерамикой») начались несколько позже. Получены позитивные результаты, которые будут освещены ниже.

Металлокерамические режущие материалы состоят из металлических и керамических компонентов. При этом имеются в виду керамические тугоплавкие соединения - нитриды, карбонитриды и карбиды, внедренные в металлическую связывающую фазу (никель+молибден).

Металлокерамические режущие материалы отличаются от твердых сплавов тем, что они наряду с известными карбидами вольфрама ^С), титана (ТС) и тантала (ТаС) всегда содержат азотосодержащие тугоплавкие соединения, например, нитрид титана (ТЫ).

В настоящее время металлокерамика состоит в основном из сплавов «карбонитрид титана - никель-молибден», которые по различным своим параметрам, таким как содержание никеля, большой доли Т (СЫ), и других тугоплавких соединений (ТаС, ЫЪ, С, WC), цирконий (7г), бор (В), гафний (Н^, ниобий (ЫЪ), кобальт (К), а так же соотношению С/Ы оптимизированы для определенной возможности применения. Металлокерамика имеет исключительную стойкость к изнашиванию. БВТС на порядок меньше подвержены износу при трении и менее склонны к диффузии, чем твердые сплавы. Высокая устойчивость металлокерамики к изнашиванию при трении в значительной степени определяется носителями твердости ТЮ и ТЫ. Компонент ТЫ снижает износ металлокерамики при трении и адгезию (приваривание) стружки к режущей пластине. На устойчивость к изменению

температуры, что весьма важно при фрезеровании, положительно влияет, например, легирование добавками ТаС.

У металлокерамики при температуре 900 °С сопротивление на разрыв при изгибе примерно такое же, как у твердых сплавов, но их твердость при нагреве до этой температуре значительно выше.

Наиболее часто металлокерамика применяется для изготовления инструментов - поворотных многогранных и др. режущих пластин, используемых в металлообработке.

Ее получают, так же как и твердые сплавы и (белый) металлокерамический режущий материал, методом порошковой металлургии. Спекание протекает в вакууме при атмосфере защитного газа при температуре 1 350-1 500 °С. При этом происходит расплавление связывающей фазы и частичное растворение тугоплавкого вещества в расплаве металла. Ассортимент режущих пластин достаточно широк, при необходимости их оформляют со стружколомающими канавками и упрочняющим покрытием А1203.

Трудности технологического процесса заключается в основном не в осуществлении самого процесса получения методом порошковой металлургии, а в подборе легирующих элементов, часть которых перечислена ранее, и в создании исходных компонентов с субмикронной величиной зерна. Применение вакуумных процессов при изготовлении порошков и спекании обеспечивает получение сплавов с плотной структурой и стабильным качеством.

Вольфрамосодержащие твердые сплавы, в отличие от БВТС, при высоких скоростях резания подвержены интенсивному износу по передней и задней поверхностям, могут образоваться лунки, что отрицательно влияет на шероховатость обработанной поверхности, к тому же допускают образование заусенцев. Нитрид титана из-за повышенной химической инертности в значительно меньшей степени подвержен указанным видам износа, благодаря чему улучшается микрорельеф поверхности.

Высокая устойчивость металлокерамики к твердости в значительной степени определяется носителями твердости ТС и ТЫ. Компонент ТЫ снижает износ металлокерамики при трении и адгезию (приваривание) стружки к режущей пластине. На устойчивость к изменению температуры, что весьма важно при фрезерование, положительно влияет, например, легирование добавками ТаС.

Заметим, что у металлокерамики при температуре 900 °С сопротивление на разрыв при изгибе примерно такое же, как у твердых сплавов, но их твердость при нагреве до этой температуре значительно выше.

В настоящее время БВТС состоят в основном из сплавов «карбонитрид титана - никель», которые по различным своим параметрам, таким как содержание никеля, большой доли Т (СЫ), и других тугоплавких соединений (ТаС, ЫЪ, С, WC), цирконий (7г), бор (В), гафний (Н), ниобий (ЫЪ), кобальт (К), а так же соотношению С/Ы оптимизированы для определенной возможности применения.

Металлокерамика в основном используется для изготовления инструмента: поворотных многогранных и др. режущих пластин. Ее получают, так же как и твердые сплавы и (белый) металлокерамический режущий материал, методом порошковой металлургии. Спекание протекает в вакууме при атмосфере защитного газа при температуре 1 350-1 500°С. При этом происходят расплавление связывающей фазы и частичное растворение тугоплавкого вещества в расплаве металла.

Трудности технологического процесса заключается в основном не в осуществлении самого процесса получения методом порошковой металлургии, а в подборе легирующих элементов, часть которых перечислена ранее, и в создании исходных компонентов с субмикронной величиной зерна.

Вольфрамовые твердые сплавы на основе карбидов вольфрама, в отличие от БВТС, при высоких скоростях резания подвержены интенсивному износу по передней и задней поверхностям, что отрицательно влияет на шероховатость обработанной поверхности. Нитрид титана из-за повышенной химической инертности в значительно меньшей степени подвержен указанным видам износа, что обеспечивает повышение качества поверхности. Можно отметить, в целом, что при прочих равных условиях, металлокерамика обеспечивает лучшее, более высокое качество обработанной поверхности.

При использование резцов, оснащенных БВТС, разница между теоретическими и реальными значениями шероховатости поверхности проявляется при подачах меньше 0,15 мм/об. В условиях точения БВТС обеспечивают меньшую шероховатость, чем твердосплавные режущие пластины с износостойким покрытием.

Ниже приводится состав БВТС и характеристики выпускаемых марок этого материала.

Таблица. Безвольфрамовые твердые сплавы

Марка сплава Состав Физико-механическиесвойства Величина основной массы зерна, мкм

Тугоплавкая составляющая Связка HRA НУ,МПа аизг., МПа

ТН20 TiC Ni-Mo 91 12500 1050 1-2

ТН50 TiC Ni-Mo 86,5 12800 1250 -

КТН16 TiCN Ni-Mo 89,5 10700 1200 1,2—1,8

ЛКЦ20 TiCN Ni-Mo-Zr 88 12200 1270 -

ТВ4 TiCN Ni-Mo-W 89 12240 1300 -

Если сравнить механические характеристики вольфрамовых и безвольфрамовых твердых сплавов, то, как видно из табл. 1 и ранее изложенного в статье, видно, что они различаются, не очень значительно, чего нельзя сказать о химических свойствах и составе.

Металлокерамика в широком спектре, по международным стандартам, может заменять вольфрамовые твердые сплавы, без ущерба для качества обработки заготовок и производительности практически по всем группам

применения Р1...Р5...Р10...Р20...Р30. Следовательно, заменить на минералокерамику самые распространенные режущие материалы титанокобальтовой группы Т15К6, Т30К4 и многие другие, (например, ВК8), для обработки чугуна (особенно фрезерованием), цветных металлов и их сплавов.

При легировании БВТС 4-мя процентами вольфрама минералокерамикой можно обрабатывать материалы группы К10...К20 (по стандартам J 50). Этим же сплавом можно выполнять черновую обработку всех материалов, входящих в группу Р и К, и частично - в группу М.

Важной проблемой при обработке вязких материалов является обеспечение удовлетворительного стружкодробления, особенно при подачах 0,07 мм/об и глубинах резания менее 0,13 мм, а также при черновой обработке с подачами от 0,4 до 3 мм/об. Для обеспечения устойчивого дробления стружки, промышленно выпускаемые режущие пластины из БВТС для токарной обработки имеют на передних поверхностях отпрессованные стружколомающие элементы соответствующей формы, как у вольфрамовых твердых сплавов.

Для обработки канавок и резьб необходимы износостойкие инструменты с высокопрочной режущей кромкой. БВТС по своим свойствам вполне соответствуют условиям указанных операций, которые выполняются, как правило, с достаточно высокими скоростями резания и малыми сечениями срезаемого слоя.

При обработке канавок БВТС рекомендуется скорость резания на 20 % ниже, чем при чистовом точении того же материала, а подача - от 0,05 до 0,15 мм/об. При нарезании резьбы резцом из БВТС скорость составляет примерно 60 % скорости чистового точения. При обработке канавок и резьб рекомендуется использовать СОЖ, что позволяет увеличить стойкость инструмента и снизить шероховатость обработанной поверхности.

Основным отличием процесса фрезерования от процесса точения является переменный характер механической и тепловой нагрузок на режущую кромку. В этих условиях инструментальный материал должен обладать достаточной термоусталостной и механической прочностью. Проведены стойкостные испытания концевых фрез, оснащенных твердосплавными пластинами с трехслойным покрытием (ТЮ-ТЮ/Ы-ТЫ) и пластинами из БВТС ЛКЦ-20 в условиях контурного фрезерования литых заготовок из стали твердостью 33.36 НЯС. Производительность обработки фрезами, оснащенными пластинами ЛКЦ-20, выше твердых сплавов в 2,4 раза за счет более высокой скорости резания, допускаемой металлокерамикой, при равных подачах и глубине резания.

Теоретически шероховатость обработанной поверхности зависит только от радиуса при вершине инструмента и подачи. Однако на практике большое влияние на шероховатость поверхности оказывают обрабатываемость материала, скорость резания, свойства применяемой СОЖ и степень химической инертности инструментального материала. Одной из причин, увеличивающей шероховатость обработанной поверхности, является адгезийное наростообразование стружки, которое при обработке

вольфрамосодержащим твердым сплавом при скоростях резания менее 30-40 м/мин, на передней поверхности резца образует адгезийный нарост стружки. Нарост резко ухудшает качество поверхности. При обработке БВТС наростообразование не происходит.

Основными областями применения БВТС в оптическом производстве являются операции чернового, получистового и чистового точения, фрезерование, прорезки канавок, нарезания резьбы, чистовая обработка компактных теплоемких корпусных деталей с развитыми поверхностями, вписываемых в куб со стороной 150 мм, контурная чистовая обработка за один проход рациональных заготовок; изготовление колец, втулок, в том числе ступенчатых корпусов-труб, тубусов и других аналогичных деталей; на высоких скоростях, за один проход окончательно с высоким качеством поверхности, то есть находит широкое применение.

Такое широко возможное (и практически реализуемое) применение инструмента из металлокерамики, связано с его высокими механическими другими физическими и химическими свойствами: высокой твердостью и износостойкостью, антиадгезийностью, теплостойкостью, температурной стабильностью, устойчивостью к изнашиванию и окислению, высокой режущей способностью, вязкостью, на уровне твердых сплавов, малым коэффициентом трения с металлами, низкой плотностью, стойкостью к окислению.

Рассмотрим кратко наиболее эффективные области применения выпускаемых в РФ БВТС по Европейским стандартам ^О.

Марка сплава:

Сплав ТН-20

Область применения инструмента:

Чистовое точение и фрезерование углеродистой и низколегированной стали и, в отдельных случаях, серого чугуна. Высокая скорость резания при небольших подаче и глубине резания. Повышенная износостойкость и малое адгезионное взаимодействие с обрабатываемым металлом.

Сплав КТН-16

Получистовое точение и фрезерование стали. Средние скорости резания и подачи. Изготовление калибров и другого измерительного инструмента.

Сплав ЛКЦ-20

Получистовое и черновое точение и фрезерование стали с умеренными нагрузками. Повышенная прочность по сравнению с КТН-16 позволяет работать с увеличенным сечением среза при средних скоростях резания.

Сплав ТВ4

Черновое точение и фрезерование стали с умеренной скоростью резания и увеличенным сечением среза. Неблагоприятные условия. Повышенная жаропрочность режущей кромки.

БВТС имеют более низкий модуль упругости, теплопроводности и ударную вязкость, то есть более чувствительны к ударным тепловым нагрузкам, чем вольфрамосодержащие сплавы группы (ВК) - вольфрамокобальтовые, и титано-кобальтовые (ТК).

Для оптического приборостроения эти качества не являются препятствием, поскольку при чистовом и получистовом точении срезание стружки производят с небольшими подачами, а конструкции деталей изначально тщательно отрабатываются на технологичность, что минимизирует возможность переменной нагрузки на инструмент, особенно в условиях скоростного или сверхскоростного точения (то есть в пределах 160300 м/мин. для стали 40).

Металлокерамика при заточке инструмента образует весьма острые износостойкие режущие кромки (что связано с её высокой прочностью и высокой пористостью). Это позволяет уже с первого прохода осуществить чистовую обработку заготовок на высоких скоростях резания: порядка 90, 300, 500 м/мин, без традиционного финишного шлифования. Для оптической отрасли получение высоко-качественной поверхности с одного прохода имеет особое значение в связи, с ярко выраженной тенденцией приоритетного использования в производстве рациональных заготовок с минимальными припусками на обработку. Здесь, в первую очередь, имеются в виду заготовки, получаемые следующими методами: литьем под давлением, по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, точной штамповкой на прессах тройного действия; объемной горячей, холодной и жидкой штамповкой в закрытых штампах; порошковой металлургией и другими прогрессивными способами, включая фасонный прокат; высоко точную двухопорную смешанную резку заготовок на станках с ЧПУ дисковыми и ленточными пилами, оснащенными твердосплавным инструментом (зубцами), лазерную разрезку или раскрой материала 4 возрастание использования различных типов пластмасс, обработка их прессованием или литьем под давлением, а так же различные виды штамповок и прессовок из слоистых пластиков. К тому же, в ближайшие годы прогнозируется дефицит рабочей силы в обрабатывающей отрасли машиностроения. В силу изложенного, повышение производительности труда и качества обработки, перечисленные с возможностью более широкого использования инструментов из БВТС представляется обоснованной и актуальной для практической реализации задачей. Можно повторно отметить, что все рабочие поверхности упомянутых типов заготовок могут быть обработаны металлокерамикой с одного прохода окончательно, с шероховатостью Яа 0,63 мкм. Сплавы БВТС обеспечивают меньшую шероховатость поверхности по сравнению с твердым сплавом, что дает возможность заменять финишную операцию шлифование - точением и способствует повышению производительности труда в 2-2,5 раза. Износостойкость БВТС в 1,2—1,5 раза выше износостойкости сплавов группы титан-кобальт. К тому же БВТС имеют в примере 1,3—1,5 раза меньшую стоимость, чем сплав группы ВК.

Можно с большой долей вероятности утверждать, что постоянная работа по совершенствованию БВТС, улучшит и еще более повысит их качество и широкое применение, как в оптическом приборостроении, так и в металлообработке в целом, как это показал опыт Японской промышленности. В Японии впервые специально для создания БВТС были изобретены

уникальные технологии и оборудование (особенно для получения составляющих компонентов (порошков) с домикронной величиной). И насколько известно из технической литературы именно предприятия этой страны доминируют в мире по экспорту БВТС. Возможно, конкурентом номер один станет Россия, ибо нет сведений, чтобы другие страны -признанные производителем инструмента (Швеция, Германия, Австрия, США) активно занимались производством и инновациями в производстве БВТС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Материалы симпозиума, каталоги, проспекты фирм SandvikCoromant, Новосибирск, 1999.

2. Plansse (Австрия), Москва, 2002.

3. Неііеіі каталоги и проспекты, Новосибирск, 2004.

4. «Москва-Sаndvic» каталоги и материалы симпозиума, Новосибирск, 2005.

© Б.Э. Шлишевский, Т.В. Ларина, 2007