Твёрдые сплавы ВК и ТК: металлокерамика для резания

Металлокерамические твёрдые сплавы групп ВК и ТК - основной материал для режущих пластин, штампов и буровых коронок. Их получают не плавлением, а спеканием порошков карбидов с кобальтом, поэтому слово «металлокерамические» относится к технологии, а не к составу. Чтобы безошибочно расшифровать марку вроде ВК8 или Т15К6 и подобрать сплав под конкретную обработку, нужно понимать, какой карбид взят за основу и сколько в сплаве связки. Соберите свой вопрос в форме ниже и получите разбор по вашей марке.

Что такое металлокерамический твёрдый сплав

Твёрдый сплав - это композит из зёрен тугоплавких карбидов, скреплённых пластичным металлом-связкой. В группах ВК и ТК карбиды (карбид вольфрама $WC$, карбид титана $TiC$) играют роль твёрдой керамической фазы, а кобальт $Co$ - роль металлической связки. Отсюда название «металлокерамика»: керамические карбиды плюс металлический кобальт.

Технология производства - порошковая металлургия. Смесь порошков прессуют в заготовку и спекают при температуре около $1400\,{}^\circ C$ в присутствии жидкой фазы: кобальт плавится, смачивает зёрна карбидов и при остывании связывает их в монолит. Плавления самих карбидов не происходит - их температура плавления выше $2800\,{}^\circ C$. Именно поэтому твёрдые сплавы нельзя получить обычным литьём, как стали или антифрикционные баббиты.

Рассчитать для своей задачи

Группа ВК: вольфрамокобальтовые сплавы

Группа ВК - однокарбидные сплавы системы $WC$–$Co$. В них только один карбид (карбид вольфрама) и кобальтовая связка. Маркировка простая: буква В обозначает карбид вольфрама, буква К - кобальт, а цифра после К - массовую долю кобальта в процентах. Остальное приходится на карбид вольфрама.

Например, ВК8 содержит 8 % кобальта и 92 % $WC$, а ВК3 - 3 % кобальта и 97 % $WC$. Чем больше кобальта, тем выше вязкость и прочность сплава, но ниже твёрдость и износостойкость. Малокобальтовые марки (ВК3, ВК6) идут на чистовую обработку, многокобальтовые (ВК8, ВК15) - на черновую с ударными нагрузками и на бурение.

Сплавы ВК незаменимы для обработки материалов, дающих сыпучую стружку: серого и ковкого чугуна, цветных металлов, неметаллов, закалённой стали. По этой причине ВК - традиционный выбор для металлорежущего инструмента под чугун.

Помимо резания, вольфрамокобальтовые сплавы широко идут на бесстружечный инструмент и оснастку: волоки для протяжки проволоки, матрицы и пуансоны вытяжных штампов, наконечники буровых коронок и горнопроходческого инструмента. Здесь как раз ценится высокая прочность многокобальтовых марок, способных выдерживать ударно-абразивный износ. Для таких применений выпускают марки с повышенным содержанием кобальта - ВК20, ВК25, у которых вязкость приближается к инструментальным сталям, но твёрдость остаётся существенно выше.

Группа ТК: титановольфрамокобальтовые сплавы

Группа ТК - двухкарбидные сплавы системы $TiC$–$WC$–$Co$. К карбиду вольфрама здесь добавлен карбид титана. Маркировка раскрывает оба содержания: в Т15К6 цифра после Т - это процент карбида титана (15 %), цифра после К - процент кобальта (6 %), а оставшиеся 79 % приходятся на карбид вольфрама.

Карбид титана повышает теплостойкость и сопротивление окислению при высоких температурах резания, а главное - снижает склонность инструмента к привариванию (адгезии) стальной стружки. Поэтому сплавы ТК предназначены для обработки сталей, которые дают сливную стружку и интенсивно изнашивают режущую кромку диффузией.

Физически это объясняется тем, что карбид титана хуже растворяется в железе, чем карбид вольфрама, поэтому при контакте раскалённой стальной стружки с кромкой диффузионный износ замедляется. Расплатой служит повышенная хрупкость: чем больше карбида титана в сплаве, тем он твёрже, теплостойче, но и чувствительнее к ударам и выкрашиванию. Поэтому марки с большим содержанием $TiC$ (Т30К4) применяют только на чистовых проходах без удара, а при прерывистом резании и черновой обработке берут марки с меньшей долей карбида титана и большим кобальтом (Т5К10, Т5К12).

Рассчитать для своей задачи

Как расшифровать марку

Алгоритм чтения марки сводится к разбору букв и цифр по порядку:

• В - карбид вольфрама $WC$ (присутствует во всех твёрдых сплавах ВК и ТК).
• К + число - массовая доля кобальта-связки в процентах.
• Т + число (только в группе ТК) - массовая доля карбида титана в процентах.

Доля $WC$ всегда вычисляется как остаток. Для ВК-марки это $100\% - \%Co$, для ТК-марки - $100\% - \%TiC - \%Co$. Например, в Т5К10 содержится 5 % $TiC$, 10 % $Co$ и 85 % $WC$. Понимание этой простой арифметики избавляет от заучивания таблиц и позволяет читать любую марку.

Существует и третья группа - ТТК (титанотанталовольфрамовые, например ТТ7К12), где добавлен ещё и карбид тантала $TaC$ для работы по труднообрабатываемым сталям с ударом, но базовые ВК и ТК покрывают основную номенклатуру.

Свойства и от чего они зависят

Ключевые свойства твёрдого сплава - твёрдость, прочность на изгиб и теплостойкость - определяются двумя параметрами структуры: содержанием кобальта и размером зерна карбида.

С ростом доли кобальта прочность и вязкость растут, а твёрдость и износостойкость падают. С уменьшением размера зерна $WC$ (мелкозернистые марки ВК6-М, особомелкозернистые ВК6-ОМ) твёрдость растёт без потери прочности, что важно для чистовой обработки и инструмента малого сечения. Теплостойкость сплавов ВК около $800\,{}^\circ C$, у сплавов ТК выше - до $900$–$1000\,{}^\circ C$ за счёт карбида титана.

Эти зависимости похожи на общий принцип влияния структуры на свойства, который проявляется и при модифицировании структуры сплавов: мелкое равномерное зерно даёт лучшее сочетание твёрдости и прочности.

Рассчитать для своей задачи

Выбор марки под обработку

Правило выбора опирается на тип обрабатываемого материала и характер нагрузки:

• Чугун, цветные металлы, неметаллы, закалённая сталь - группа ВК. Чистовая обработка: ВК3, ВК6; черновая и с ударом: ВК8, ВК15.
• Углеродистые и легированные стали - группа ТК. Чистовое точение: Т30К4, Т15К6; черновое и прерывистое резание: Т5К10, Т5К12.

При обработке нержавеющих и жаропрочных сталей, которые сильно наклёпываются, иногда применяют сплавы ВК, несмотря на стальную стружку, - из-за их высокой прочности на изгиб. Поэтому жёсткое деление «ВК для чугуна, ТК для стали» - это базовая ориентировка, а не абсолютный закон.

Частые ошибки

• Путают букву Т в марке. В группе ТК буква Т означает карбид титана и его процент, но в инструментальных быстрорежущих сталях (Р6М5) и в углеродистых сталях буква Т имеет другой смысл - не переносите расшифровку с одного класса материалов на другой.
• Считают цифру после В долей вольфрама. В марках ВК и ТК цифра стоит после К (кобальт) или после Т (карбид титана); доля карбида вольфрама всегда получается вычитанием, отдельной цифры у неё нет.
• Берут многокобальтовый сплав для чистовой обработки. ВК15 или Т5К12 на финишных проходах быстро теряют размер кромки: их вязкость нужна для удара, а не для точности.
• Применяют ВК по стали в расчёте на универсальность. Карбид вольфрама без титана налипает на стальную стружку и кромка выкрашивается; для стали базовый выбор - группа ТК.

FAQ

Чем металлокерамический сплав отличается от литого? Металлокерамику получают спеканием порошков карбидов с кобальтом без расплавления карбидной фазы, а литые сплавы (стеллиты, сормайты) - обычной плавкой. Поэтому твёрдые сплавы ВК и ТК твёрже и теплостойче литых.

Что прочнее - ВК или ТК? При равном содержании кобальта сплавы ВК прочнее на изгиб, а сплавы ТК твёрже и теплостойче. Карбид титана повышает теплостойкость, но снижает прочность, поэтому ТК хрупче ВК.

Можно ли точить сталь сплавом ВК? Технически можно, но кромка быстро изнашивается из-за адгезии и диффузии: стальная стружка налипает на карбид вольфрама. Для стали правильнее брать группу ТК, а ВК оставить для чугуна и цветных металлов.

Коротко

Металлокерамические твёрдые сплавы ВК и ТК - это спечённые композиты из карбидов и кобальтовой связки. Группа ВК (однокарбидная, $WC$–$Co$) идёт на чугун и цветные металлы, группа ТК (двухкарбидная, с добавкой $TiC$) - на стали. В марке цифра после К - процент кобальта, после Т - процент карбида титана, а доля карбида вольфрама считается остатком. Чем больше кобальта, тем прочнее и вязче сплав; чем меньше - тем твёрже и износостойче.