Порошок вольфрам-кобальт

Порошок вольфрам-кобальт — это механическая смесь порошков монокарбида вольфрама (WC) и металлического кобальта (Co), предназначенная для изготовления твёрдых спечённых сплавов группы ВК. Карбид вольфрама обеспечивает высокую твёрдость и износостойкость конечного изделия, а кобальт выполняет роль металла-связки, скрепляющего зёрна карбида при спекании. Изменяя соотношение этих двух компонентов, получают смеси различных марок — от ВК3 до ВК20, каждая из которых обладает определённым сочетанием прочности, твёрдости и эксплуатационных характеристик.

Что представляет собой вольфрамокобальтовая смесь

Вольфрамокобальтовая смесь (порошок вольфрам-кобальт, смесь ВК) — полуфабрикат порошковой металлургии. Исходными компонентами служат порошок карбида вольфрама WC и кобальтовый порошок Co. Эти компоненты смешивают в заданных пропорциях, после чего полученную смесь используют для формования и спекания твёрдосплавных изделий.

Принцип маркировки прост: буква «В» означает вольфрам (точнее — карбид вольфрама), «К» — кобальт, а цифра после «К» указывает номинальное массовое содержание кобальта в процентах. Так, ВК8 содержит около 8 % кобальта и 92 % карбида вольфрама, а ВК20 — около 20 % кобальта и 80 % карбида вольфрама.

При спекании кобальт расплавляется (температура плавления кобальта — 1495 °C) и смачивает зёрна карбида вольфрама, заполняя пространство между ними. При охлаждении кобальтовая связка кристаллизуется, образуя прочную металлокерамическую структуру. Температура плавления самого карбида вольфрама составляет около 2870 °C, что обеспечивает высокую теплостойкость готового сплава.

Марки порошка вольфрам-кобальт и их номинальный состав

Согласно ГОСТ 3882-74, вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы (группа ВК) выпускаются под рядом стандартных марок. Цифра в обозначении марки прямо указывает номинальный процент кобальта; оставшаяся доля приходится на карбид вольфрама WC.

Основные марки вольфрамовой группы: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20. Помимо них существуют модификации с буквенными индексами, обозначающими особенности зернистости или назначения: «М» — мелкозернистая структура, «ОМ» — особо мелкозернистая, «В» — крупнозернистая, «КС» — специального назначения. Например, ВК6М — смесь с 6 % кобальта мелкозернистой структуры, ВК8В — с 8 % кобальта крупнозернистой структуры.

Физико-механические свойства спечённых сплавов группы ВК

Свойства готового (спечённого) твёрдого сплава напрямую зависят от состава исходного порошка. В таблице ниже приведены нормируемые физико-механические характеристики по ГОСТ 3882-74.

Источник: ГОСТ 3882-74 «Сплавы твёрдые спечённые. Марки».

Из таблицы видна закономерность: с увеличением содержания кобальта от 3 до 20 % предел прочности при изгибе возрастает (от 1176 до 2058 МПа), а твёрдость и плотность снижаются. Это определяет выбор конкретной марки для каждого технологического процесса.

Влияние содержания кобальта на свойства твёрдых сплавов ВК

Содержание кобальта в порошке вольфрам-кобальт — ключевой фактор, определяющий баланс свойств готового изделия. Зависимость подчиняется общим закономерностям:

Малое содержание кобальта (3–6 %). Сплавы ВК3, ВК6 обладают высокой твёрдостью (HRA 88,5–89,5), высокой износостойкостью, но относительно низкой прочностью на изгиб и ударной вязкостью. Эти марки предназначены для чистовых и получистовых операций при невысоких ударных нагрузках.

Среднее содержание кобальта (8–10 %). Сплавы ВК8, ВК10 имеют повышенную прочность при сохранении достаточно высокой твёрдости (HRA 87,0–88,0). Подходят для черновой обработки с неравномерным сечением среза, прерывистым резанием, ударными нагрузками.

Высокое содержание кобальта (15–20 %). Сплавы ВК15, ВК20 отличаются высокой ударной вязкостью и прочностью на изгиб (до 2058 МПа для ВК20), но имеют пониженную твёрдость и износостойкость. Применяются в условиях значительных ударных нагрузок — штамповка, горное бурение крепких пород.

Классификация твёрдых сплавов с кобальтовой связкой

По методу изготовления

Твёрдые сплавы разделяют на две основные группы по способу получения:

Спечённые (металлокерамические). Их получают методами порошковой металлургии — прессование заготовок из порошковой смеси с последующим спеканием при температурах, достаточных для расплавления кобальтовой связки. Готовые изделия обрабатывают преимущественно шлифованием алмазными кругами, так как твёрдость сплавов делает обычную механическую обработку резанием затруднительной. Также используют электроэрозионную обработку, ультразвук, лазерную резку.

Литые (наплавочные). Получают методом наплавки или литья. Применяются реже, чем спечённые, и имеют иной состав.

Порошок вольфрам-кобальт является сырьём именно для спечённых (металлокерамических) твёрдых сплавов.

По составу карбидной фазы

Спечённые твёрдые сплавы с кобальтовой связкой подразделяются на группы в зависимости от карбидов в составе:

Вольфрамовая группа (ВК). Состав: карбид вольфрама WC + кобальт Co. Это и есть вольфрамокобальтовые смеси — предмет данной статьи. Марки: ВК3, ВК6, ВК8, ВК10, ВК15, ВК20 и их модификации.

Титановольфрамовая группа (ТК). Состав: карбид титана TiC + карбид вольфрама WC + кобальт Co. Марки: Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10. Наличие карбида титана снижает адгезию при обработке сталей, дающих сливную стружку.

Титанотанталовольфрамовая группа (ТТК). Состав: карбиды вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC + кобальт Co. Марки: ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8Б, ТТ20К9. Добавление тантала повышает прочность при высоких температурах.

Область применения порошка вольфрам-кобальт

Из порошка вольфрам-кобальт изготавливают изделия, работающие в условиях высоких механических и тепловых нагрузок. Конкретное назначение зависит от марки сплава (содержания кобальта и зернистости). Ниже приведены основные области применения по данным ГОСТ 3882-74, Приложение 1.

Обработка материалов резанием

Вольфрамокобальтовые сплавы группы ВК преимущественно применяются для обработки серого и ковкого чугуна, цветных металлов и их сплавов, а также неметаллических материалов (пластмассы, стекло, стеклопластики, резина, фибра).

ВК3 — чистовое точение с малым сечением среза, окончательное нарезание резьбы, развёртывание отверстий, резка листового стекла.

ВК6 — черновое и получерновое точение, получистовое фрезерование, рассверливание и растачивание отверстий, зенкерование.

ВК8 — черновое точение при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгание, черновое фрезерование, сверление. Также для обработки нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, включая титановые. Подробнее о сплаве ВК8 — в отдельной статье.

ВК15 — режущий инструмент для обработки древесины.

Горный и буровой инструмент

Твердосплавные смеси ВК широко используются для армирования бурового породоразрушающего инструмента:

ВК6 — вращательное бурение геологоразведочных, эксплуатационных и взрывных скважин в монолитных и абразивных породах с коэффициентом крепости по шкале Протодьяконова до f = 8.

ВК8 — вращательное бурение в трещиноватых абразивных породах (f до 8), распиловка мрамора и известняка.

ВК15 — ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение скважин в крепких горных породах с коэффициентом крепости до f = 20, обработка гранита пневматическими молотками.

Бесстружковая обработка и износостойкие детали

Смеси группы ВК также применяются для изготовления деталей и инструмента, работающих на износ без снятия стружки:

ВК3, ВК6 — волочение проволоки из стали и цветных металлов при небольшой степени обжатия; детали машин, приборов и измерительного инструмента, работающие без ударных нагрузок.

ВК8 — волочение, калибровка и прессование прутков и труб; детали, работающие при небольших ударных нагрузках.

ВК10 — волочение и калибровка при средней степени обжатия; детали, работающие при ударных нагрузках средней интенсивности.

ВК20 — штамповка, высадка, обрезка углеродистых и качественных сталей при ударных нагрузках средней и высокой интенсивности.

Размер зерна карбида вольфрама и его влияние на свойства

Помимо содержания кобальта, на свойства спечённого сплава существенно влияет размер зёрен карбида вольфрама в исходной смеси. По крупности зерна различают:

Мелкозернистые (М) и особо мелкозернистые (ОМ) — повышенная твёрдость и износостойкость при одинаковом содержании кобальта. Например, ВК6М превосходит стандартный ВК6 по твёрдости. Такие смеси применяют для мелкоразмерного монолитного инструмента: миниатюрных свёрл, концевых фрез, метчиков.

Крупнозернистые (В) — пониженная твёрдость, но повышенная ударная вязкость. Марки с индексом «В» (например, ВК8В) предназначены для горного инструмента и условий значительных динамических нагрузок.

Формы поставки и условия хранения

Порошок вольфрам-кобальт поставляется в виде сыпучей порошковой смеси, расфасованной в герметичную тару. Типичная упаковка — металлические барабаны или контейнеры с полиэтиленовыми вкладышами. Герметичная тара защищает порошок от влаги и загрязнений, способных ухудшить свойства готового сплава.

При хранении необходимо исключить попадание влаги, пыли и посторонних включений. Порошковые смеси чувствительны к окислению компонентов на воздухе, поэтому вскрытую тару следует использовать в приемлемые сроки либо обеспечить повторную герметизацию.

Поставки порошка вольфрам-кобальт осуществляются различными партиями — от единичных барабанов до крупных промышленных объёмов. Конкретные условия поставки, марки и фасовка — по согласованию.