|
|
Высокие твердость и
износостойкость металлокерамических твердых сплавов уже вскоре после их
внедрения в производство открыли для них многочисленные области применения,
при этом не только в качестве режущих материалов. Помимо уже упомянутой
обширной области применения для волочения проволоки и прутков, армирования
буров ударного и вращательного бурения в горном деле, а также изготовления
сердечников снарядов, существуют многочисленные возможности их применения в
машиностроении и приборостроении в производстве листового металла и
проволоки, в химической и текстильной промышленности, в камнедробилках, в
керамической промышленности, в порошковой металлургии и во многих других
областях.
Волоки для круглого и профильного материала, матрицы и
стержни для протягивания труб, волочильные плашки и фильеры, губки, захваты,
правильные валки, волочильные клещи, валки про- волочно-прокатных станов,
щеки молотов, штампы для холодной высадки, отрезные ножи и патроны
Режущие инструменты, штамповочные инструменты, штампы для
глубокой вытяжки, чеканные штампы, ножницы для резки металла,
кромкозагибочные валки, фальцовочные валки, гибочные планки, прецизионные
валки для холодной прокатки, охлаждающие планки для закалки бритвенных
лезвий.
Центры токарных станков, зажимные кулачки, кулачки
сверлильных патронов, направляющие втулки, прижимные ролики на револьверных
станках, прецизионные подшипники на револьверных и шлифовальных станках,
криволинейные направляющие, сверлильные кондукторы, направляющие с резьбой,
опорные части, упорные болты, упоры, упорные планки, защелки, ножи
бесцентровых шлифовальных станков, диски и ролики для накатывания,
направляющие для ленточных пил, приспособления для высадки зубьев в полотнах,
опорные призмы для весов, тисочные губки, подшипники тяжелых двигателей,
сопла пескоструйных аппаратов, лопасти пескометов, сопла и вентили клапанов
для распылителей, впускные сопла и распылители для турбин, форсунки для
дизелей, изложницы для литья под давлением, контакты для телеграфных
аппаратов.
Шарики Бринеля, пирамиды Виккерса, толщиномеры, калибры,
контактные оправки, измерительные колесики для планиметров
Направляющие для пряжи из натуральных и искусственных
волокон, направляющие части прядильных машин для нейлона и искусственного
шелка
Клапаны для высоких давлений, корпуса, кольца и седла
клапанов для корродирующих жидкостей и мокрого шлама, выгружатели и скребки
для центрифуг, сопла для высоких давлений, сопла для инсектицидов, сопла для
обработки пищевых продуктов
Буровые коронки, инструменты для' ударного бурения, буры
типа «рыбий хвост», размольные шары, долота для бурения по камню, молоты для
щебня, ролики для резки камня
Матрицы для прессования керамических масс, прессформы для
кирпичей, матрицы для ленточных прессов, стекло-прядильные волоки, захваты
стекла
Прессформы и пуансоны для металлических порошков,
калибровые втулки и стержни, мельницы с твердосплавной футеровкой
Подковки, пластинки под каблуки, сапожные гвозди,
проволоки для лесок, подшипники для навивочных барабанов удилищ, направляющие
кольца буксировочных тросов самолетов, гравировальные иглы, наконечники для
авторучек, граммофонные иглы
Из существующих марок твердых сплавов для изготовления
изнашиваемых деталей машин или для их армирования в первую очередь применяют
сплавы типа WC—Со с различным содержанием кобальта, иногда с незначительными
присадками ТаС, TiC, NbC, VC и т.д. Для изнашиваемых деталей, работающих без
ударной нагрузки, подходят твердые сплавы с 6—9% кобальта и даже менее вязкие
безвольфрамовые твердые сплавы. Для бесстружковой обработки при незначительных
ударных нагрузках применяют сплавы с 9— 12% Со, а при средней ударной
нагрузке — с 15— 20% Со. Введение кобальта в количестве 25% и более позволяет
выдержать очень высокую ударную нагрузку. С увеличением содержания кобальта в
любом случае твердость, а в известной мере и износостойкость снижаются.
Необходимо, следовательно, во всех случаях когда действует высокая ударная
нагрузка, выбирать такие марки твердых сплавов, которые при оптимальной
твердости и износостойкости обладают достаточной вязкостью, чтобы выдерживать
ударные нагрузки без повреждения или поломки. Ниже дается более детальный
обзор областей использования твердых сплавов.
Наряду с использованием твердых сплавов для волок и
волочильных очков их применяют и в других областях, связанных с производством
и обработкой проволоки. При ковке спеченных прутков из вольфрама, молибдена и
других металлов в ротационных ковочных машинах с применением твердосплавных
ковочных плашек важную роль играет исключительно высокая твердость сплавов в
горячем состоянии, так как температура ковки лежит в интервале 1000—1600° С.
При этой температуре обычные высоколегированные стали очень сильно
изнашиваются. У крупногабаритных плашек из твердого сплава изготовляют только
нагружаемые детали. Соответствующую, предварительно изготовленную
твердосплавную вставку напаивают твердым припоем. Небольшие плашки являются
цельнотвердосплавными. Ударный характер нагрузки требует применения вязких
сплавов с 15, 20 или 25% кобальта. Те качества твердых сплавов, которые
требуются для обработки при высокой температуре, имеют еще большее значение
при холодной прокатке проволоки, игл и профилей. Твердосплавные плашки
превосходят в 30— 60 раз по стойкости плашки из лучшей инструментальной
стали. При использовании твердосплавного ковочного инструмента значительно
снижаются расходы на переточку.
Роль твердосплавных инструментов все более возрастает в
производстве заклепок, винтов и гвоздей. В то время как стальные штампы
холодной высадки головок заклепок, например, при диаметре 5 мм раздаются уже после высадки 30—50 тыс. заклепок, в штампах, армированных твердыми сплавами, при
том же диаметре не обнаруживается сколько-нибудь заметной раздачи даже после
высадки 3 млн. заклепок. В связи с высокой ударной нагрузкой здесь используют
сплавы с 15, 20 или 25% кобальта. Помимо высадочных штампов, твердыми
сплавами армируют также отрезные ножи и отрезные патроны. Эти инструменты
отрезают в 30 раз больше заготовок, чем стальные инструменты.
Армированные твердыми сплавами инструменты для холодной
гибки позволяют экономично изготовлять колена труб из аустенитных сталей; эти
инструменты оправдали себя также при изготовлении цепей.
Интересной областью применения твердых сплавов являются
инструменты листопрокатных и проволочных цехов. В последние годы в ФРГ и в
особенности в США широко стали применять прецизионные валки для прокатки
алюминия, благородных металлов и биметаллических лент. Высокий модуль упругости
(т. е. незначительная стрела прогиба) и незначительный износ валков позволяют
строго выдерживать допуск у холоднокатаных листов и обеспечивают особо длительный
срок службы инструмента. Наряду с высокой износостойкостью и возможностью
соблюдения точных размеров существенным является также то, что хорошее
качество отополированной поверхности твердосплавных валков передается
прокатываемому материалу. Прокатываемый материал прилипает к твердосплавным
валкам меньше, чем к стальным. Стойкость твердосплавных валков (в большинстве
случаев применяют совершенно беспористый сплав с 11% Со) превышает стойкость
(срок службы) стальных валков примерно в 50—100 раз.
Малогабаритные валки изготовляют в настоящее время
цельнотвердосплавными. При изготовлении же валков больших размеров стальной
сердечник покрывают (армируют) твердосплавной оболочкой. В США такие валки
имеют диаметр около 250 мм и длину около 1000 мм при общей массе не свыше 500 кг.
Армирование жаропрочными твердыми сплавами на основе
карбида титана проводок мелкосортных станов, на которых прокатывают стали с
высокой скоростью при температуре 760—980° С, позволяет увеличить срок службы
инструмента примерно в 45 раз . Твердые сплавы как износостойкие материалы
могут найти широкое применение в качестве инструментов (штампов) для глубокой
вытяжки, прессования и тиснения гильз, чашек, тюбиков, фасонных изделий и т.
д. Во время войны в особенно широком масштабе применяли армированные твердыми
сплавами вытяжные штампы для изготовления боеприпасов. Эти штампы могут быть
использованы в настоящее время в народном хозяйстве для массового
изготовления деталей. Длительное сохранение размеров твердосплавных вставок
позволяет изготовлять без переточки, например, патроны и гильзы снарядов в
несравненно больших количествах, чем при работе со стальными инструментами.
Высокое качество поверхности твердосплавной вставки и ее незначительная
склонность к свариванию с вытягиваемым материалом дают возможность также
производить глубокую вытяжку трудно вытягиваемых материалов без промежуточ-'
ных отжигов. В отношении размеров подобных инструментов в настоящее время
вряд ли существует верхний предел; твердосплавные вставки можно изготовлять
диаметром до 350 мм.
Аналогами штампов для глубокой вытяжки и прессования
являются штампы для чеканки, а также калибровочные матрицы и пуансоны для
наружной и внутренней калибровки деталей, изготовляемых со строгими
допусками. Преимуществом твердых сплавов здесь также является очень хорошее
качество поверхности и длительное сохранение размеров твердосплавной вставки,
а следовательно, и изготовляемой детали.
Твердосплавные инструменты все чаще применяют для резки и
штамповки листового металла. Применение вырубных обрезных штампов с
твердосплавными вставками особенно рентабельно при массовом выпуске изделий
(например, бритвенные лезвия, детали часового механизма) или при штамповке
листовых металлов, сильно изнашивающих инструмент, например трансформаторного
железа. Изготовление вырубных отрезных штампов с твердосплавными вставками
требует значительного опыта в инструментальном деле. Вставки часто
изготовляют из отдельных сегментов, каждый из которых подвергают
окончательной обработке (доводке) алмазно-металлическими кругами на
профильных шлифовальных станках, после чего производят посадку сегментов в
стальной корпус. Доводка готового инструмента очень затруднительна. Вырубные
пуансоны также армируют твердыми сплавами. Крепление твердого сплава к
пуансону производят напайкой или с помощью специальных винтовых зажимов.
Небольшие пуансоны изготовляют цельнотвердосплавными.
Для того чтобы избежать поломки режущей кромки, в
большинстве случаев применяют твердый сплав WC— Со с 20% Со. Несмотря на то
что твердосплавный вырубной штамп в три-пять раз дороже стального, его
применение обеспечивает значительную экономию, так как его стойкость (срок
службы) в зависимости от штампуемого материала в 20—60 раз превышает
стойкость стального штампа. Нередко между двумя переточками штампуют свыше 1
млн. изделий
Для износостойкости направляющих штампов, а также
желобков, по которым непрерывно подается лента, их также армируют твердыми
сплавами
В машиностроении и приборостроении твердые сплавы
используют очень широко. Детали, которые раньше изготовляли из стали, в
нагружаемых местах обязательно армируют твердыми сплавами чаще всего типа
WC—Со. Армирование производят с помощью пайки мягким или твердым припоем.
Облицованные поверхности шлифуют кругами из карбида кремния или же
алмазно-металлическими дисками и доводят на притирочных станках.
Все современные высокопроизводительные токарные станки
оборудуют токарными центрами, армированными твердыми сплавами. Твердым
сплавом армируют также зажимные кулачки и люнеты. У бесцентровых шлифовальных
станков очень быстро изнашиваются стальные направляющие полосы, что заметно
снижает точность шлифования. Применяя армированные твердыми сплавами планки,
полосы и линейки, достигают в наиболее благоприятных случаях 300-кратного
увеличения стойкости (срок службы) по сравнению со стальными направляющими
при одинаковой точности шлифования. В станкостроении, в особенности у всякого
рода токарных автоматов, многочисленные детали, ранее изготовлявшиеся из
стали (упоры, упорные болты, направляющие втулки, криволинейные направляющие,
сверлильные кондукторы, защелки механизма подачи, щупы, прижимные ролики и
т.д.), в настоящее время армируют твердыми сплавами. Твердосплавные
подшипники для прецизионных шлифовальных станков, сильно нагружаемых
двигателей и т. д. очень мало изнашиваются и хорошо работают даже при
повышенной температуре без смазки или же со щелочной смазкой. В связи с этим
следует упомянуть о работах по теоретическому и практическому изучению
процессов трения у твердосплавных подшипников. Для подобных видов применения
изучали также комбинации карбидов, боридов, силицидов и графита.
В часовой промышленности, являющейся одним из основных
потребителей фасонных твердосплавных штам- повых инструментов, твердосплавные
роликовые шайбы обеспечивают особенно высокое качество поверхности ряда
деталей. Для внутренней калибровки и полировки давлением применяют твердосплавные
шарики.
Особое значение имеют твердые сплавы в производстве
измерительных приборов. Высококачественные микрометры, предельные калибровые
пробки, толщиномеры, резьбовые калибры, эталонные пластинки для измерения
твердости и другие инструменты массового контроля с успехом армируют твердыми
сплавами. Это обеспечивает не только значительную экономию средств благодаря
удлинению срока службы измерительного инструмента, но и более точный и
надежный технический контроль.
Твердосплавные шарики и пирамиды приборов для испытания на
твердость в отличие от стальных шариков почти не деформируются даже при
испытании материалов твердостью 400—800 НВ. Измерение твердости, с их помощью
оказывается значительно более точным, и в указанном интервале получаются значительно
большие величины твердости, чем при применении стальных шариков
Другой важной областью применения твердых сплавов являются
сопла всех видов . Как известно, износ сопел, в особенности при пескоструйной
обработке, очень велик. Сопла пескоструйных аппаратов с твердосплавными
вкладышами характеризуются значительно более долгим сроком службы, чем
применяющиеся до настоящего времени сопла из отбеленного чугуна. В то время
как сопла из отбеленного чугуна оказываются сильно изношенными уже после 3—4
ч работы, твердосплавные сопла оказываются почти неизменившимися в размерах
после 1000 ч эксплуатации, а в более благоприятных случаях даже после 1600 ч.
Благодаря высокой стойкости твердосплавных сопел и, следовательно,
сохранению размеров отверстия устраняется избыточный расход сжатого воздуха и
электроэнергии, а также падение давления. Отпадает, кроме того, необходимость
в частой смене сопел. Более высокая стоимость твердосплавных сопел по
сравнению с соплами из отбеленного чугуна компенсируется их значительно более
долгим сроком службы. Кроме того, достигается большая экономия сжатого
воздуха при эксплуатации.
Как правило, из твердого сплава изготовляют только
внутреннюю часть пескоструйного сопла. Для защиты от толчков твердосплавный
вкладыш впаивают или вклеивают в стальную оболочку.
Наряду с пескоструйными соплами твердыми сплавами армируют
и другие виды сопел, у которых возникают аналогичные явления износа: сопла
воздуходувок; разбрызгивающие сопла; распылительные сопла; сопла для впуска и
выхлопа газов в дизелях; сопла на машинах для обмазки сварочных электродов сопла
для автоматов, в которых прессуются органические массы, наполненные окислами;
разбрызгивающие сопла для керамических масс; стеклопрядильные сопла и
мундштуки прессов для производства прутков из легких и цветных металлов. С
помощью твердосплавных мундштуков удалось, например, изготовить прутки
диаметром 10 мм из железного, никелевого и кобальтового порошков. Прессование
производилось под давлением 18 т/см2 и при температуре около 900° С. При
таком режиме прессования матрица из закаленной инструментальной стали
начинает «течь».
В связи с этим следует упомянуть об известных
экспериментах Бриджмена, связанных с применением высокого давления. Для этих
экспериментов использовали твердосплавные вкладыши, выдерживавшие давление до
154 т/см2. Подобные вкладыши применяют в настоящее время при синтезе алмазов.
Твердые сплавы благодаря высокой коррозионной стойкости нашли
применение в химической промышленности в качестве конструкционных материалов
для аппаратов большой емкости. Сюда относятся детали клапанов, уплотнительные
конусы и кольца, сопла для гидрогенизации в условиях высоких давлений.
Твердые сплавы, кроме того, достаточно устойчивы к воздействию быстрорежущих
горячих растворов едких щелочей, попадающих в аппаратуру вместе с отходами.
Все возрастающий интерес для химической промышленности представляет,
по-видимому, армирование твердыми сплавами выгружателей центрифуг, а также
облицовка ими различных сопел.
Твердые сплавы на основе карбида хрома с никелевой связкой
характеризуются не только высокой износостойкостью, но и значительными
коррозионной стойкостью н окалиностойкостью. По этой причине их используют
для таких деталей, которые, работая на износ, одновременно подвергаются
коррозионному воздействию (гнезда и шары клапанов для нефтяных насосов и
насосов в химической промышленности, нитеводы, изнашиваемые детали всйс видов
в химической, фармацевтической и пищевой промышленности и т.д.). Жаропрочные
и окалиностойкие твердые сплавы на основе карбида хрома рекомендуется
применять для горячего мундштучного прессования Для напайки этих сплавов на
стальную державку необходимо применять серебряный припой и в особенности
флюсы и раскислители
В отдельных случаях целесообразно выяснить впрос о
применении довольно прочных сплавов на основе WC с платиновой или
никельхромовой связками.
В текстильной промышленности находят все более широкое
применение направляющие кольца для нитей из натурального или искусственного
шелка, изготовляемые из твердых сплавов методом мундштучного прессования Они
характеризуются более длительным сроком службы (в 100 раз), чем применявшиеся
до сих пор ушки. Твердосплавные направляющие кольца различных размеров
применяются в настоящее время не только в текстильной промышленности, но и при
изготовлении проволочной сетки и тончайшей стальной стружки (стальной
шерсти), при перемотке проволоки, намотке катушек , при изготовлении удилищ и
направляющих буксировочных тросов самолетов
В горном деле, кроме случаев применения твердых сплавов
для буров вращательного и ударного бурения, используют тяжелые твердосплавные
шары диаметром 80—120 мм для грубого размола минералов и руды. Однако для
этой цели требуется значительное количество твердого сплава. Замена обычных
твердых сплавов типа WC—Со твердыми сплавами МоС—TiC откроет широкие
возможности для применения безвольфрамовых сплавов, которые в настоящее время
применяют в тех случаях, когда деталь подвергается только износу в результате
трения.
Армированные твердосплавными пластинками ударные элементы
в коксодробилках и других измельчитель- ных машинах, например в пищевой и
текстильной промышленности, изнашиваются во много раз меньше, чем аналогичные
ударные элементы из стали
В керамической промышленности, так же как и в порошковой
металлургии, требуются прессформы для массового прессования изделий из
абразивных материалов. Армированные твердыми сплавами прессформы для
изготовления кирпичей обладают значительно большим сроком службы, чем
стальные матрицы. В то время как в стальной матрице можно спрессовать только
8— 10 тыс. кирпичей, в твердосплавной удается спрессовать свыше 40 тыс.
кирпичей, в результате чего достигается значительная экономия материала
Срок службы твердосплавного прессового инструмента,
применяемого для изготовления шлифовальных дисков на основе карбида кремния
или корунда, в десять раз превышает срок службы стального инструмента;
спресованные диски при этом обладают гораздо более точными размерами и легче
выталкиваются из прес-форм применяемые в керамической промышленности для изготовления
фасонных изделий, подвергающихся износу, различные шаблоны (грунтовочные,
плющильные, резальные и т. д.) также целесообразно армировать твердыми
сплавами. В то время как стальной плющильный шаблон для изготовления
фарфоровых тарелок срабатывается уже после 8—12-ч применения, шаблон,
армированный твердым сплавом, можно использовать в течение 6—12 месяцев.
В порошковой металлургии, так же как и в керамической
промышленности, можно широко использовать твердые сплавы в качестве
износостойких материалов. При мокром размоле твердосплавных смесей особенно
хорошо служат армированные твердым сплавом мельницы с твердосплавными шарами
.
Прессование металлических порошков в фасонные изделия
ведет к сильному износу прессформ. В этой области хорошие результаты получены
при использовании матриц и пуансонов, армированных твердыми сплавами При
прессовании, например, спеченных железных подшипников под давлением 2—3 т/см2
стойкость таких прессформ превышает в 100—200 раз стойкость прессформ из
инструментальной стали и в 50— 100 раз — стойкость хромированных прессформ.
При давлении прессования 6—12 т/см2 преимущество металлокерамического
твердого сплава с его высокой стойкостью к привариванию еще более заметно.
Холодное или горячее приваривание металлического порошка к стенкам матрицы,
ведущее к преждевременному износу стальной матрицы, у твердых сплавов очень
невелико.
На 64 показана футерованная твердым сплавом матрица для
прессования металлических порошков. Твердосплавная футеровка (темная) состоит
из десяти сегментов, каждый из которых в отдельности шлифуют
алмазно-металлическим диском и затем производят его посадку в стальную обойму
с помощью промежуточного кольца (светлое). Так, крупные матрицы, которые
можно подвергать последующему шлифованию, могут быть изготовлены
цельнотвердосплавными путем горячего прессования
Если суммировать все преимущества и возможные недостатки
твердого сплава, как износостойкого материала, применяемого в машиностроении
и в приборостроении, то выявляется преобладание преимуществ твердосплавных
инструментов по сравнению с до сих пор применявшимися стальными.
Твердосплавные инструменты в большинстве случаев в 3—5 раз дороже стальных и
являются относительно более хрупкими. При неправильном обращении с
твердосплавным инструментом или неудачном выборе марки металлокерамиче- ского
твердого сплава может произойти повреждение или даже разрушение
дорогостоящего инструмента. Однако первоначальные высокие затраты быстро
перекрываются высокой производительностью твердосплавного инструмента, в
особенности при обслуживании высококвалифициров а н - ным рабочим персоналом.
Себестоимость изготовления изделий снижается в результате сокращения времени
на побочные операции и почти полного устранения брака. Наряду со снижением
себестоимости большое значение имеет улучшение использования станков,
качества изделий и т. д. Таким образом, применение твердых сплавов в качестве
износостойких материалов оправдывается не только с чисто производственной, но
и с народнохозяйственной точки зрения. Необходимо отметить, что переход от
применявшихся до сих пор стальных инструментов к твердосплавным требует
тесного сотрудничества между потребителями и производителями. В ряде случаев
необходимо менять конструкцию изготовляемой детали в соответствии со
свойством твердого сплава.
Ранее упоминалось о применении литого карбида вольфрама
для наплавки бурового инструмента. В послёдние годы были разработаны методы
нанесения износостойких покрытий и металлоподобиых твердых материалов, в
особенности из карбидов н борпдов , на работающие на износ малогабаритные
детали всевозможных приборов путем напыления. Уже Шоои доказал возможность
напыления порошка карбида вольфрама. Методом так называемого «газопламенного
напыления», разработанным фирмой Air Products Company, с помощью пистолета
напыляют тонкий слой карбида вольфрама с 8% кобальта. Масса смеси WC—Со при
этом не плавится, а напыляется на поверхность изделия при температуре выше
точки плавлепия кобальта; при этом ценный карбид вольфрама не разлагается. В
результате получается довольно плотное малопористое покрытие со структурой
металлокерами- ческого твердого сплава. Покрытия, содержащие вследствие
некоторой незначительной декарбидизации ri-фа- зу, обладают такой же высокой
износостойкостью, как и компактные твердые сплавы, и лучшей износостойкостью,
чем обычные покрытия из наплавочных твердых сплавов или же покрытия,
полученные хромированием. В качестве примеров применения этого, к сожалению,
дорогого метода можно назвать винтовые калибры, калибры-пробки, сердечники
для металлокерамических инструментов поршней и гнезд клапанов, ударные
приспособления в дробильных машинах, ножницы, матрицы, ролики станков для
правки проволоки, уплотнители компрессоров и т. д.
Более экономичным является процесс так называемого
«плазменного напыления», заключающийся в том, что в атмосфере защитного газа
и при высокой температуре дуговой плазмы наносят тонкие покрытия твердых
материалов, пластмасс и других металлоподобиых или окисиых материалов
Методом электроэрозии можно не только обрабатывать твердые
сплавы, но и при соответствующей схеме включения наносить покрытие из твердых
сплавов, например, на сталь. В Советском Союзе разработан метод
электроэрозионного нанесения покрытий из твердых сплавов типа WC—Со* и
WC—TiC—Со*, позволяющий увеличить в 2—4 раза срок службы инструментов из
обычной инструментальной и быстрорежущей стали. Этот метод оправдывает себя,
однако, лишь в особых случаях.
Существует также группа наплавочных твердых сплавов на
основе боридов, в частности боридов хрома. В качестве примера можно назвать
известные давно наплавочные твердые сплавы борид хрома — никель — кремний
типа «Колмоной»
|