Тверді сплави

Тверді сплави – це композиційні матеріали, які складаються з твердих карбідних частинок (зазвичай WC – карбід вольфраму) та металевої зв’язуючої фази (найчастіше кобальт). Фактично, тверді керамічні включення – WC зв’язані (цементовані) металевою складовою – Co (розплавленим на момент спікання матеріалу) немов наповнювач бетону – щебінь зв’язаний мінеральною речовиною – цементом (рідким на момент заливки). Тверді сплави отримують методом порошкової металургії – змішуванням, пресуванням і спіканням порошків. Це матеріали, які поєднують найкращі властивості кераміки (твердість WC) і металів (пластичність Co).

Праворуч – структура твердого сплаву (англ. Cemented carbide), ліворуч – бетон

Класифікація твердих сплавів

Класифікація твердих сплавів зазвичай проводиться за різними критеріями, залежно від складу, структури, призначення та способу виготовлення.

• За хімічним складом:
  – Вольфрам-кобальтові (WC-Co) – найпоширеніші, використовуються для механічної обробки сталей і чавунів. Вміст кобальту від 2 мас. % до 30 мас. %;
  – Вольфрам-титанові (WC-TiC-Co) – використовуються для обробки легованих сталей, має вищу термостійкість порівняно з вольфрам-кобальтовими твердими сплавами;
  – Вольфрам-титано-танталові (WC-TiC-TaC-Co) – використовуються за складних умов обробки та високої робочої температури;
  – На нікелевій, залізній або змішаних зв’язуючій (WC-Ni, WC-Fe, WC-NiCo…) – в залежності від обраного металу зв’язуючої складової твердий сплав має нижчу токсичність виробництва, вищу електропровідність, корозійну стійкість…;
  – Безвольфрамові (TiC-Ni/Mo) – замість кобальту використовують нікель або молібден, часто використовуються за умов високої температури;
  – Високоентропійні (WC-(Al, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, Si, V…)) – поєднують тугоплавкі керамічні сполуки та високоентропійну (більше 5 елементів) зв’язуючу, використовуються за надскладних умов обробки, поєднують надвисоку твердість, міцність та тріщиностійкість.
• За способом виготовлення:
  – Спечені тверді сплави – отримані шляхом гарячого пресування або спікання;
  – Гіперевтектичні або литі – отримані з розплаву (рідше використовуються);
• За призначенням:
  – Ріжучі тверді сплави – для металообробки;
  – Зносостійкі – для деталей, що працюють в абразивному середовищі;
  – Жаростійкі – для високотемпературного використання.
• За вмістом кобальту:
  – Мало-кобальтові (4-6%) – твердіші, але менш пластичні;
  – Середньо-кобальтові (6-10%) – поєднують високу твердість та міцність;
  – Високо-кобальтові (10-15%) – вища в’язкість, міцність, але нижча твердість.

Властивості твердих сплавів

Механічні властивості:

• Твердість – 1400–2500 HV (за Віккерсом), значно перевищує сталь;
• Міцність на згин – 800–3000 МПа (чим більше кобальту, тим вища);
• Тріщиностійкість – більшість твердих сплавів крихкі, особливо при ударних навантаженнях;
• Зносостійкість – високий опір стиранню, використовується в умовах сильного тертя.

Фізичні властивості:

• Щільність – 9-15 г/см³ (залежно від складу);
• Теплопровідність – нижча, ніж у сталі, але вища, ніж у кераміки.
• Коефіцієнт теплового розширення – залежить від складу, але нижчий за сталь.

Технологічні властивості:

• Погана оброблюваність – практично не ріжеться інструментами, шліфується та полірується лише надтвердим (зазвичай алмазним) інструментом;
• Складна пайка та зварювання;
• Можливість наносити покриття – часто покривають TiN, TiC, Al₂O₃ для збільшення зносостійкості.

Експлуатаційні властивості:

• Стійкість до високих температур – зберігають твердість до 1000 °C;
• Корозійна стійкість – добре протистоять кислотам і лугам;
• Висока термостійкість – не окислюються при помірному нагріванні.

Застосування твердих сплавів

Тверді сплави – незамінні матеріали у важких умовах експлуатації. Вони знайшли застосування в металообробці, машинобудуванні, медицині, авіації, гірничодобувній промисловості та електроніці.

Металообробка

• Ріжучий інструмент – свердла, фрези, токарні різці, ножі для металообробки;
• Штампи та матриці – використовується для пресування та штампування металів;
• Пластини для протяжок – покращують довговічність інструменту.

Гірничодобувна промисловість

• Бурові коронки та долота – використовуються в нафтовидобувній та гірничій галузях;
• Ріжучі елементи гірничих комбайнів — дозволяють ефективно руйнувати тверді породи;
• Інструменти для земляних робіт — ковші, ножі для бульдозерів.

Виробництво деталей із підвищеною зносостійкістю

• Підшипники та втулки – використовуються в умовах високого тертя та навантажень;
• Напрямні рейки та супорти верстатів – забезпечують довговічність механізмів;
• Фільєри для витяжки дроту – використовуються у виробництві кабелів і металевих сіток.

Авіація та космічна галузь

• Жаростійкі компоненти двигунів – використання в турбінах літаків;
• Теплозахисні покриття – підвищення довговічності деталей при високих температурах.

Медична сфера

• Інструменти для хірургії та стоматології – бор-машини, ножі, свердла, скальпелі;
• Зубні коронки та протези – застосовуються в стоматології завдяки високій міцності.

Електротехніка та електроніка

• Контакти для електричних мереж – сплави WC-Co застосовуються у високовольтних вимикачах;
• Компоненти мікроелектроніки – використовуються у виготовленні прецизійних деталей.

Оборонна промисловість

• Вироби ураження;
• Вироби захисту.