Твёрдые сплавы

Твёрдые спечённые сплавы — класс металлокерамических материалов на основе карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, титана, тантала), соединённых металлической связкой. Их отличают твёрдость HRA 82–92, теплостойкость до 800–1000 °C и износостойкость, многократно превышающая аналогичный показатель быстрорежущих сталей. Материалы этой группы производятся методом порошковой металлургии — прессование смеси карбидных порошков и связки с последующим спеканием — и находят применение в режущем и горном инструменте, штамповой оснастке и быстроизнашивающихся деталях.

Основной стандарт, регламентирующий марки, состав и свойства, — ГОСТ 3882-74 «Сплавы твёрдые спечённые. Марки» (действующий, с изменениями № 1–6). Безвольфрамовые твёрдые сплавы нормированы отдельным ГОСТ 26530-85.

Классификация твёрдых сплавов по ГОСТ 3882-74

ГОСТ 3882-74 разделяет спечённые твёрдые сплавы на три группы по составу карбидной фазы. Каждая группа обозначается характерным буквенным кодом:

Группа	Обозначение	Карбидная фаза	Связка
Вольфрамовая (однокарбидная)	ВК	WC — карбид вольфрама	Co (кобальт)
Титановольфрамовая (двухкарбидная)	ТК	WC + TiC — карбиды вольфрама и титана	Co (кобальт)
Титанотанталовольфрамовая (трёхкарбидная)	ТТК	WC + TiC + TaC — карбиды вольфрама, титана и тантала	Co (кобальт)

Отдельную группу составляют безвольфрамовые твёрдые сплавы (БВТС) на основе карбида и карбонитрида титана со связкой из никеля и молибдена, стандартизированные ГОСТ 26530-85.

Расшифровка маркировки твёрдых сплавов

Система обозначений интуитивна и позволяет сразу определить состав сплава:

Группа ВК — буква «В» указывает на вольфрам (карбид вольфрама), «К» и следующее за ней число — массовую долю кобальта в процентах. Например, ВК8 содержит 8 % Co, остальное — WC. Буквенные суффиксы после цифры обозначают структурные модификации: «М» — мелкозернистый, «ОМ» — особо мелкозернистый, «В» — крупнозернистый, «КС» — особая крупнозернистая структура, «ХОМ» — особо мелкозернистый с добавкой карбида тантала и хрома.

Группа ТК — число после «Т» — процент карбида титана, число после «К» — процент кобальта, остальное — карбид вольфрама. Например, Т15К6: ~15 % TiC, 6 % Co, 79 % WC.

Группа ТТК — первое число после «ТТ» — суммарный процент карбидов титана и тантала, число после «К» — процент кобальта. Буквы в суффиксе («Б» в ТТ10К8-Б) указывают на модификацию состава.

Вольфрамокобальтовые твёрдые сплавы группы ВК

Сплавы группы ВК — наиболее распространённая и разнообразная группа. Карбидная фаза представлена исключительно карбидом вольфрама (WC), связующее — кобальтом (Co). Свойства определяются двумя факторами: долей кобальта (от 3 до 25 %) и размером зёрен карбидной фазы.

Увеличение содержания кобальта повышает прочность на изгиб и ударную вязкость, но снижает твёрдость и износостойкость. Уменьшение размера зёрен WC повышает твёрдость и износостойкость, но может снизить прочность на изгиб.

Состав и физико-механические свойства сплавов ВК

Данные приведены по ГОСТ 3882-74 (с изменениями № 1–6).

Марка	WC, %	Co, %	σизг, МПа, не менее	Плотность, г/см³	HRA, не менее
ВК3	97	3	1176	15,0–15,3	89,5
ВК3-М	97	3	1176	15,0–15,3	91,0
ВК4-В	96	4	1470	14,9–15,2	88,0
ВК6	94	6	1519	14,6–15,0	88,5
ВК6-М	94	6	1421	14,8–15,1	90,0
ВК6-ОМ*	92	6	1274	14,7–15,0	90,5
ВК6-В	94	6	1666	14,6–15,0	87,5
ВК8	92	8	1666	14,5–14,8	88,0
ВК8-В	92	8	1813	14,4–14,8	86,5
ВК8-ВК	92	8	1764	14,5–14,8	87,5
ВК10	90	10	1764	14,2–14,6	87,0
ВК10-КС	90	10	1862	14,2–14,6	85,0
ВК10-ХОМ*	88	10	1470	14,3–14,7	89,0
ВК11-В	89	11	1960	14,1–14,4	86,0
ВК11-ВК	89	11	1862	14,1–14,4	87,0
ВК15	85	15	1862	13,9–14,4	86,0
ВК20	80	20	2058	13,4–13,7	84,0
ВК20-КС	80	20	2107	13,4–13,7	82,0

* Марки ВК6-ОМ и ВК10-ХОМ дополнительно содержат 2 % карбида тантала (TaC), что отражено в пониженной доле WC.

Влияние зернистости на свойства сплавов ВК

Из таблицы видна характерная закономерность: марки с одинаковым содержанием кобальта, но разной зернистостью, существенно различаются по свойствам. Сравним три марки с 6 % Co:

Марка	Зернистость	σизг, МПа	HRA	Особенность
ВК6-М	Мелкая	1421	90,0	Повышенная твёрдость, меньшая прочность
ВК6	Средняя	1519	88,5	Универсальный баланс свойств
ВК6-В	Крупная	1666	87,5	Повышенная прочность, меньшая твёрдость

Мелкозернистые марки предназначены для чистовой обработки, где критична износостойкость. Крупнозернистые — для работы с ударными нагрузками, где важна вязкость разрушения.

Область применения сплавов группы ВК

Сплавы ВК универсальны и используются в трёх основных направлениях: обработка резанием, оснащение горного инструмента и бесстружковая обработка металлов. Ниже приведены рекомендации из Приложения 1 к ГОСТ 3882-74.

Сплавы ВК для обработки материалов резанием

ВК3, ВК3-М — чистовое точение с малым сечением среза, окончательное нарезание резьбы, развёртывание отверстий и аналогичные виды обработки серого чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов (резина, фибра, пластмасса, стекло). Резка листового стекла.

ВК6-ОМ, ВК6-М — чистовая и получистовая обработка твёрдых, легированных и отбелённых чугунов, цементированных и закалённых сталей, абразивных неметаллических материалов. Обработка сплавов на основе титана, вольфрама, молибдена.

ВК6 — чистовое и получистовое точение, растачивание, фрезерование, сверление серого и ковкого чугуна. Непрерывное точение стального литья, нержавеющих сталей. Обработка цветных металлов и титановых сплавов при малых и средних сечениях среза.

ВК8 — черновое точение при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, строгание, черновое фрезерование, сверление серого чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Обработка нержавеющих, высокопрочных и жаропрочных труднообрабатываемых сталей и сплавов, в том числе титановых.

ВК10-ХОМ — сверление, зенкерование, развёртывание, фрезерование и зубофрезерование стали, чугуна, труднообрабатываемых материалов и неметаллов цельнотвердосплавным мелкоразмерным инструментом.

Сплавы ВК для оснащения горного инструмента

Высококобальтовые марки группы ВК — основной материал для бурового и горнодобывающего оборудования. Выбор марки определяется крепостью породы (по шкале проф. М. М. Протодьяконова) и характером нагрузки.

Марка	Способ бурения	Крепость породы (f)
ВК4-В	Бурение электро- и пневмосвёрлами углей, антрацитов, неокварцованных сланцев, калийных и каменных солей. Армирование шарошечных долот	до 8
ВК6	Вращательное бурение геологоразведочных, эксплуатационных и взрывных шпуров и скважин в монолитных и абразивных породах	до 8
ВК6-В	Ударно-поворотное бурение шпуров. Зарубка крепких каменных углей с незначительным включением твёрдых пород	до 8
ВК8	Вращательное бурение в трещиноватых абразивных породах. Распиловка мрамора и известняка	до 8
ВК8-В	Ударно-поворотное, ударно-вращательное и вращательно-ударное бурение в крепких породах. Обработка гранитов	до 14
ВК8-ВК	Шарошечное бурение в крепких и очень крепких абразивных породах	до 18
ВК11-В	Ударно-поворотное, ударно-вращательное бурение в очень крепких и абразивных породах	до 18
ВК11-ВК	Шарошечное бурение в вязких, средней твёрдости и твёрдых абразивных породах	до 10
ВК15	Ударно-поворотное, ударно-вращательное бурение в породах высшей степени крепости. Обработка гранита пневмомолотками	до 20

Сплавы ВК для бесстружковой обработки и износостойких деталей

Отдельная область применения — штамповая оснастка, волоки, быстроизнашивающиеся детали машин и измерительный инструмент.

Марка	Назначение
ВК3, ВК3-М, ВК6, ВК6-М	Сухое волочение проволоки из стали и цветных металлов при небольшой степени обжатия. Быстроизнашивающиеся детали машин, приборов и измерительного инструмента без ударных нагрузок
ВК8	Волочение, калибровка и прессование прутков и труб из стали и цветных металлов. Износостойкие детали при небольших ударных нагрузках
ВК10	Волочение и калибровка при средней степени обжатия. Износостойкие детали при ударных нагрузках средней интенсивности
ВК15	Волочение и прессование при повышенной степени обжатия. Штамповка, высадка, обрезка углеродистых и качественных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности
ВК20	Штамповка, высадка, обрезка углеродистых и качественных сталей при ударных нагрузках средней и высокой интенсивности
ВК10-КС	Штамповка, высадка, вытяжка легированных и специальных сталей при ударных нагрузках малой интенсивности
ВК20-КС	Штамповка, высадка, обрезка легированных и специальных сталей и сплавов при ударных нагрузках средней интенсивности

Титановольфрамовые твёрдые сплавы группы ТК

Сплавы группы ТК предназначены главным образом для обработки резанием сталей и стальных отливок. Введение карбида титана (TiC) в состав существенно повышает твёрдость и теплостойкость материала, но снижает прочность на изгиб и ударную вязкость по сравнению с группой ВК.

Карбид титана образует с карбидом вольфрама твёрдый раствор (Ti,W)C, который обладает повышенной стойкостью к диффузионному износу при контакте со сталью. Именно поэтому при обработке стали сплавы ТК значительно превосходят вольфрамовые марки по стойкости инструмента.

Состав и свойства сплавов группы ТК

Марка	WC, %	TiC, %	Co, %	σизг, МПа, не менее	Плотность, г/см³	HRA, не менее
Т30К4	66	30	4	980	9,5–9,8	92,0
Т15К6	79	15	6	1176	11,1–11,6	90,0
Т14К8	78	14	8	1274	11,2–11,6	89,5
Т5К10	85	6	9	1421	12,5–13,1	88,5
Т8К7	85	8	7	1519	12,8–13,1	90,5

Обратите внимание: у марки Т5К10 фактическое содержание компонентов (6 % TiC, 9 % Co) незначительно отличается от значений, предполагаемых маркировкой (5 % и 10 %). Цифры в обозначении являются условными — точный состав определяется таблицей ГОСТ 3882-74.

Применение сплавов группы ТК при обработке стали

Характерная зависимость: чем больше карбида титана в сплаве и меньше кобальта — тем выше твёрдость и износостойкость, но ниже прочность. Это определяет назначение каждой марки:

Т30К4 — самый твёрдый сплав группы ТК (HRA ≥ 92,0). Чистовое точение с малым сечением среза, нарезание резьбы, развёртывание отверстий незакалённых и закалённых углеродистых сталей. Допускает высокие скорости резания, но не переносит ударов и вибраций.

Т15К6 — наиболее распространённый сплав группы ТК. Получерновое точение при непрерывном резании, чистовое точение при прерывистом резании, нарезание резьбы, получистовое и чистовое фрезерование, рассверливание и растачивание предварительно обработанных отверстий, чистовое зенкерование, развёртывание углеродистых и легированных сталей.

Т14К8 — черновое точение при неравномерном сечении среза и непрерывном резании, получистовое и чистовое точение при прерывистом резании, черновое фрезерование, рассверливание литых и кованых отверстий, черновое зенкерование углеродистых и легированных сталей.

Т5К10 — черновое точение при неравномерном сечении среза и прерывистом резании, фасонное точение, отрезка токарными резцами, чистовое строгание, черновое фрезерование прерывистых поверхностей углеродистых и легированных сталей — преимущественно поковок, штамповок и отливок по корке и окалине.

Т8К7 — фрезерование труднообрабатываемых чугунов.

Титанотанталовольфрамовые сплавы группы ТТК

Добавление карбида тантала (TaC) к системе WC–TiC–Co формирует трёхкарбидные сплавы с уникальным сочетанием свойств. Тантал образует непрерывный твёрдый раствор (Ti,Ta,W)C, который повышает прочность на изгиб и сопротивление тепловым трещинам по сравнению с двухкарбидными сплавами ТК.

Сплавы группы ТТК особенно эффективны при тяжёлых условиях резания: черновая обработка поковок и отливок с раковинами, прерывистое резание, работа с ударами и вибрациями — то есть там, где двухкарбидные марки ТК выкрашиваются.

Состав и свойства сплавов группы ТТК

Марка	WC, %	TiC, %	TaC, %	Co, %	σизг, МПа, не менее	Плотность, г/см³	HRA, не менее
ТТ7К12	81	4	3	12	1666	13,0–13,3	87,0
ТТ8К6	84	8	2	6	1323	12,8–13,3	90,5
ТТ10К8-Б	82	3	7	8	1617	13,5–13,8	89,0
ТТ20К9	71	8	12	9	1470	12,0–12,5	91,0

Применение сплавов группы ТТК

ТТ8К6 — получистовая обработка жаропрочных сталей и сплавов, нержавеющих сталей аустенитного класса, специальных твёрдых чугунов, закалённого чугуна, твёрдой бронзы, сплавов лёгких металлов, абразивных неметаллических материалов, пластмасс, бумаги, стекла.

ТТ7К12 — тяжёлое черновое точение стальных поковок, штамповок и отливок по корке с раковинами при наличии песка, шлака и неметаллических включений, при неравномерном сечении среза и ударах. Все виды строгания углеродистых и легированных сталей. Тяжёлое черновое фрезерование. Сверление отверстий в стали.

ТТ10К8-Б — черновая и получистовая обработка труднообрабатываемых материалов: нержавеющих сталей аустенитного класса, маломагнитных сталей, жаропрочных сталей и сплавов, в том числе титановых.

ТТ20К9 — фрезерование стали, в том числе фрезерование глубоких пазов и другие виды обработки с повышенными требованиями к сопротивлению сплава тепловым и механическим циклическим нагрузкам.

Безвольфрамовые твёрдые сплавы (БВТС)

Безвольфрамовые твёрдые сплавы (БВТС) разработаны как альтернатива дефицитным вольфрамосодержащим маркам. Их карбидная фаза — карбид титана (TiC) или карбонитрид титана (TiCN), связка — никель с молибденом (вместо кобальта). Стандартизированы ГОСТ 26530-85 «Сплавы твёрдые спечённые безвольфрамовые. Марки».

Наиболее распространённые марки: ТН20 (на основе TiC, 79 % карбида титана, связка Ni–Mo) и КНТ16 (на основе TiCN). Согласно ГОСТ 26530-85, в сплаве ТН20 допускается содержание ниобия 0,05–0,1 % и вольфрама в карбидной составляющей до 4,5 %.

Особенности и ограничения безвольфрамовых сплавов

По сравнению с вольфрамосодержащими сплавами БВТС обладают меньшей плотностью (5,5–6,5 г/см³ у БВТС против 9,5–15,3 г/см³ у вольфрамосодержащих), повышенной коррозионной стойкостью и пониженной склонностью к схватыванию с обрабатываемым материалом (что уменьшает наростообразование). Однако их прочность на изгиб и теплопроводность существенно ниже, а чувствительность к ударным нагрузкам — выше.

БВТС применяют преимущественно для чистовой и получистовой обработки углеродистых и низколегированных сталей, серых чугунов, цветных металлов на основе меди, а также для изготовления износостойких деталей — сопел, вытяжных матриц, клапанов буровых насосов, калибров и измерительного инструмента.

Международная классификация твёрдых сплавов по ISO 513

Помимо национальной системы маркировки, ГОСТ 3882-74 (Приложение 2) устанавливает соответствие российских марок международной классификации ISO 513. По этой системе сплавы делятся на три основные группы резания в зависимости от обрабатываемого материала и типа стружки:

Группа ISO	Цвет маркировки	Обрабатываемый материал	Соответствие ГОСТ
P	Синий	Сталь, стальное литьё (сливная стружка)	Группа ТК, ТТК
M	Жёлтый	Нержавеющие стали, жаропрочные сплавы (сливная стружка и стружка надлома)	Группа ТТК, отдельные марки ВК
K	Красный	Чугун, цветные металлы, неметаллические материалы (стружка надлома)	Группа ВК

Числовой индекс после буквы группы (P01, P10, P20…K40) характеризует соотношение износостойкости и прочности: чем выше индекс, тем ниже износостойкость и допускаемая скорость резания, но выше прочность сплава и допускаемая глубина резания.

Как выбрать марку твёрдого сплава

Выбор марки определяется тремя ключевыми факторами: обрабатываемый материал, характер нагрузки и вид обработки.

Выбор группы сплава

Обработка чугуна, цветных металлов, неметаллических материалов — группа ВК. Эти материалы дают стружку надлома и не вызывают интенсивного диффузионного износа, поэтому высокое содержание TiC не требуется. Сплавы ВК обеспечивают максимальную прочность при достаточной твёрдости.

Обработка углеродистых и легированных сталей — группа ТК. Сталь при резании даёт сливную стружку и вызывает активный диффузионный износ вольфрамовой карбидной фазы. Карбид титана существенно снижает этот вид износа.

Тяжёлая обработка стали с ударами, работа с труднообрабатываемыми сталями и сплавами — группа ТТК. Присутствие карбида тантала повышает устойчивость к выкрашиванию и термическим трещинам.

Горный и буровой инструмент — высококобальтовые марки группы ВК (ВК8-В, ВК11-В, ВК15, ВК20 и др.).

Выбор конкретной марки внутри группы

Внутри каждой группы действует общее правило: при увеличении доли связующего (кобальта) растёт прочность на изгиб и ударная вязкость, но снижается твёрдость и износостойкость. Для чистовой обработки выбирают малокобальтовые марки с высокой твёрдостью. Для черновой обработки и работы с ударами — высококобальтовые марки с повышенной прочностью.

Формы поставки спечённых твёрдых сплавов

Твёрдые сплавы поставляются в виде готовых к применению изделий и полуфабрикатов:

• Пластины режущие напаиваемые — по ГОСТ 25395-90 (для резцов, фрез, свёрл).
• Пластины сменные многогранные (СМП) — по ГОСТ 19042-80, для механического крепления на корпусе инструмента.
• Заготовки (штабики) — прямоугольного и круглого сечения для изготовления нестандартного инструмента.
• Твердосплавные вставки и зубки — для запрессовки в корпус бурового инструмента, по ГОСТ 880-75.
• Пластины для армирования буровых коронок и шарошечных долот.
• Волоки, фильеры, матрицы — для волочения проволоки и прутков.
• Порошковые смеси — готовые к прессованию для изготовления изделий потребителем.

Нормативные документы на твёрдые сплавы

Стандарт	Назначение
ГОСТ 3882-74	Марки, химический состав, физико-механические свойства и область применения спечённых твёрдых сплавов
ГОСТ 26530-85	Марки, состав и свойства безвольфрамовых спечённых твёрдых сплавов
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 25395-90	Пластины твердосплавные напаиваемые
ГОСТ 19042-80	Пластины сменные многогранные твердосплавные
ГОСТ 880-75	Формы твёрдого сплава для армирования бурового инструмента
ГОСТ 20559-75	Правила приёмки спечённых твёрдых сплавов

Хранение и обращение с изделиями из твёрдых сплавов

Несмотря на высокую твёрдость и прочность на сжатие, спечённые твёрдые сплавы хрупки и чувствительны к точечным ударам. При падении на твёрдую поверхность пластины и вставки могут раскалываться. Хранить изделия следует в заводской упаковке, исключающей взаимные удары. Кобальтовая связка подвержена коррозии во влажной среде — длительное хранение в неотапливаемых складах без защитной упаковки ведёт к снижению прочностных характеристик.

При пайке твердосплавных пластин на стальной корпус инструмента необходимо учитывать различие коэффициентов термического расширения: у стали он в 2–4 раза выше, чем у твёрдого сплава. Это приводит к возникновению остаточных термических напряжений, которые в ряде случаев могут превысить предел прочности сплава и вызвать образование трещин. Строгое соблюдение режимов нагрева и охлаждения при пайке — обязательное условие качественного соединения. Для напайки применяют специальные высокотемпературные припои на основе медно-цинковых сплавов.