Сплав ВК25

Твёрдый сплав ВК25 — общая характеристика

Сплав ВК25 относится к группе вольфрамокобальтовых (однокарбидных) спечённых твёрдых сплавов, выпускаемых по ГОСТ 3882-74. В маркировке буквы «ВК» указывают на систему «карбид вольфрама — кобальт», а число 25 — на массовую долю кобальтовой связки. Оставшиеся 75 % приходятся на карбид вольфрама (WC).

Среди всех стандартных марок группы ВК сплав ВК25 содержит наибольшее количество кобальта. Это определяет его главную особенность: максимальную для данной группы прочность при изгибе и ударную вязкость в сочетании с пониженной — относительно малокобальтовых марок — твёрдостью и износостойкостью. Такой баланс свойств делает ВК25 специализированным материалом для работы в условиях интенсивных ударных нагрузок.

Химический состав сплава ВК25

Согласно ГОСТ 3882-74, сплав ВК25 — двухкомпонентный материал:

Компонент	Массовая доля, %	Функция в сплаве
Карбид вольфрама (WC)	75	Твёрдая (карбидная) фаза — обеспечивает твёрдость и износостойкость
Кобальт (Co)	25	Металлическая связка — обеспечивает прочность на изгиб и ударную вязкость

Карбид вольфрама — тугоплавкое соединение вольфрама с углеродом (температура плавления WC около 2870 °C). В структуре сплава зёрна карбида вольфрама образуют жёсткий каркас. Кобальт при спекании расплавляется, смачивает карбидные зёрна и после охлаждения связывает их в единую металлокерамическую структуру.

При содержании 25 % Co кобальтовая прослойка между зёрнами WC существенно толще, чем в малокобальтовых марках (ВК3, ВК6, ВК8). Это придаёт материалу способность поглощать энергию удара за счёт пластической деформации связки.

Физико-механические свойства ВК25

Нормативные значения основных характеристик сплава ВК25 приведены в таблице ниже. Данные соответствуют требованиям ГОСТ 3882-74.

Параметр	Значение
Предел прочности при поперечном изгибе, МПа, не менее	2000
Плотность, г/см³	12,9–13,2
Твёрдость HRC, не менее	82,0

Влияние содержания кобальта на свойства

Чтобы понять место ВК25 в ряду вольфрамокобальтовых сплавов, полезно сравнить его с другими марками высококобальтовой подгруппы:

Марка	WC, %	Co, %	σизг, МПа, не менее	ρ, г/см³	HRC, не менее
ВК15	85	15	1800	13,9–14,1	86,0
ВК20	80	20	1950	13,4–13,7	89,0
ВК20-КС	80	20	2050	13,4–13,7	82,0
ВК25	75	25	2000	12,9–13,2	82,0

Из таблицы видна закономерность: с ростом доли кобальта увеличивается прочность на изгиб, но снижаются плотность и твёрдость. ВК25 занимает крайнюю позицию в этом ряду — наибольшая вязкость при наименьшей твёрдости среди стандартных марок.

Общие свойства вольфрамокобальтовых сплавов, характерные для ВК25

Помимо нормативных значений, для ВК25 — как и для других сплавов системы WC–Co — характерны следующие закономерности:

В интервале температур 20–200 °C прочность на изгиб несколько возрастает, а при нагреве до 900–1000 °C интенсивно падает, снижаясь в 2–2,5 раза. Теплопроводность вольфрамокобальтовых сплавов высока, что способствует быстрому отводу тепла от рабочих поверхностей инструмента. Плотность сплавов этой системы закономерно уменьшается с увеличением содержания кобальта, поскольку плотность чистого кобальта (8,9 г/см³) значительно ниже плотности карбида вольфрама (15,63 г/см³).

Область применения твёрдого сплава ВК25

Согласно ГОСТ 3882-74 (Приложение 1), сплав ВК25 предназначен для оснащения бурового породоразрушающего инструмента, работающего в условиях ударных нагрузок высокой интенсивности.

Буровой инструмент для ударного и ударно-вращательного бурения

Основное назначение ВК25 — армирование инструмента, эксплуатируемого при интенсивных динамических (ударных) нагрузках. К таким условиям относятся:

• Ударно-поворотное и ударно-вращательное бурение шпуров и скважин в породах высшей степени твёрдости при ударной нагрузке высокой интенсивности.
• Армирование коронок для бурения с применением гидро- и пневмоударных машин в особо крепких породах.
• Оснащение шарошечных долот, предназначенных для проходки твёрдых абразивных пород.

В системе классификации по крепости пород (шкала проф. М. М. Протодьяконова) сплав ВК25 применяется для бурения пород с коэффициентом крепости f до 20, то есть в самых тяжёлых условиях, где менее вязкие марки разрушаются от ударных нагрузок.

Почему ВК25 не используется для резания металлов

В отличие от марок ВК3, ВК6, ВК8, сплав ВК25 не применяется в металлорежущем инструменте. Причина — недостаточная твёрдость (HRC ≥ 82,0 против HRC ≥ 87,5 у ВК8) и низкая износостойкость, обусловленная большим объёмом относительно мягкой кобальтовой фазы. При резании такой инструмент быстро теряет геометрию режущей кромки.

Место ВК25 среди высококобальтовых марок

Высококобальтовые вольфрамокобальтовые сплавы — ВК15, ВК20, ВК20-КС, ВК20-К и ВК25 — образуют подгруппу, специально разработанную для бурового и горного инструмента. Их общая черта — повышенная прочность на изгиб и ударная вязкость при умеренной твёрдости.

Выбор между ВК20 и ВК25

Вопрос выбора между этими марками решается по интенсивности ударных нагрузок в конкретных условиях бурения:

Условия эксплуатации	Рекомендуемая марка
Ударная нагрузка средней интенсивности, породы высшей твёрдости (f до 20)	ВК20
Ударная нагрузка высокой интенсивности, породы высшей твёрдости (f до 20)	ВК20 или ВК25

Если в процессе бурения наблюдается систематическое скалывание и разрушение твердосплавных вставок, это может указывать на необходимость перехода к сплаву с более высоким содержанием кобальта — от ВК20 к ВК25.

Особенности структуры и поведения ВК25

Структура спечённого сплава

Структура ВК25, как и других сплавов группы ВК, состоит из двух фаз: зёрен карбида вольфрама (α-фаза) и кобальтовой связки (β-фаза). При 25 % Co кобальтовые прослойки между карбидными зёрнами значительно толще, чем в малокобальтовых марках. Это обеспечивает высокую способность к пластической деформации при ударных нагрузках, но одновременно снижает износостойкость, поскольку мягкая связка выкрашивается при абразивном воздействии быстрее.

Влияние зернистости карбида вольфрама

Размер зёрен карбида вольфрама существенно влияет на свойства сплава. В высококобальтовых марках для буровой техники, как правило, используется средне- и крупнозернистый карбид вольфрама (размер зёрен порядка 3–5 мкм и выше). Крупнозернистая структура дополнительно повышает ударную вязкость, что критично для работы при экстремальных динамических нагрузках.

Нормативная база

Основные стандарты, регламентирующие свойства, методы контроля и формы поставки сплавов группы ВК, включая ВК25:

Стандарт	Назначение
ГОСТ 3882-74	Сплавы твёрдые спечённые. Марки. Определяет химический состав, физико-механические свойства и область применения
ГОСТ 20017-74	Метод определения твёрдости по Роквеллу (шкала A)
ГОСТ 20019-74	Метод определения предела прочности при поперечном изгибе
ГОСТ 20018-74	Метод определения плотности
ГОСТ 880-75	Формы твёрдого сплава для армирования бурового инструмента

Формы поставки сплава ВК25

Сплав ВК25 поставляется в виде спечённых изделий различной формы, предназначенных для оснащения бурового инструмента. Основные формы, применяемые для высококобальтовых марок:

• Твердосплавные вставки (зубки) цилиндрической и сферической формы для запрессовки в корпус инструмента.
• Пластины и резцы для напайки на корпус буровых коронок.
• Изделия специальных форм по ГОСТ 880-75 для армирования шарошечных долот, лопастных долот и буровых коронок.
• Заготовки (штабики) для последующей механической обработки.
• Порошковая смесь (готовая к прессованию) для самостоятельного изготовления изделий потребителем.

Пайка и соединение ВК25 с корпусом инструмента

Соединение твердосплавных элементов из ВК25 с корпусом инструмента (как правило, из конструкционной стали) выполняется методами пайки или запрессовки. При пайке необходимо учитывать, что коэффициент термического расширения стали в 2–4 раза превышает аналогичный показатель твёрдого сплава. Из-за этого при охлаждении паяного соединения в сплаве возникают остаточные термические напряжения, которые в ряде случаев могут превысить предел прочности материала и привести к образованию трещин.

Высокое содержание кобальта в ВК25 частично компенсирует эту проблему: толстая кобальтовая связка способна частично релаксировать напряжения за счёт пластической деформации. Тем не менее при пайке крупногабаритных вставок необходимо строго соблюдать режимы нагрева и охлаждения.

Хранение и обращение с твердосплавными изделиями

Спечённые изделия из ВК25, как и любые твёрдые сплавы, несмотря на высокую прочность на сжатие, чувствительны к точечным ударам и падениям. При транспортировке и хранении необходимо исключить удары вставок друг о друга и о твёрдые поверхности. Хранить изделия следует в сухом помещении, поскольку кобальтовая фаза подвержена коррозии во влажной среде, что ведёт к снижению прочностных характеристик.