В1. Истории возникновения и развития твердых сплавов

Многие отрасли используют изделия из твердых сплавов (ТС). Это - материалы для металлообработки резанием, горнообрабатывающая промышленность, бессгружковая обработка, авиационная, космическая отрасли и др.

Твердые сплавы представляют собой композиционный материал особого класса со специфическим строением, обладающий высокой твердостью, износостойкостью и достаточной прочностью, которые сохраняются до 600...800 °С. Кратко их можно определить как композиция, состоящая из тугоплавкого соединения, обычно карбида, и сравнительно «легкоплавкого» связующего металла группы железа.

Твердые сплавы получают методом порошковой металлургии из порошков тугоплавких соединений (более 50 % объемн.) и металлов группы железа. Тугоплавкие и твердые соединения (карбиды, нитриды, бо- риды, силициды), являющиеся основой твердых сплавов, в большинстве своем имеют особую кристаллическую структуру, характерную для фаз внедрения, которые хотя и содержат до 50...60 % неметаллических атомов, обладают ярко выраженными металлическими свойствами. Карбиды металлов IV-VI групп периодической системы элементов, относящиеся к фазам внедрения, имеют высокие температуры плавления, весьма тверды, их модули Юнга велики, проводят электрический ток, но, к сожалению, характеризуются повышенной хрупкостью и низкими значениями пластичности и прочности.

Эти свойства фаз внедрения, связанные с их специфическим строением и громадными силами сцепления в кристаллах, были использованы при разработке износостойкого материала. Однако высокая хрупкость не позволила применить их в виде отдельных соединений карбидов. Требовалось уменьшить хрупкость и повысить прочность, что удалось сделать с помощью добавки кобальта. Эго позволило практически сохранить многие свойства карбида. Так, твердые сплавы WC-Co и WC-TiC-Co имеют твердость 86...92 HRA, модуль упругости 500...700 ГПа, предел прочности на сжатие

4000...6000 Н/мм², предел прочности на изгиб 1000...2500 Н/мм², ударную вязкость 6,0...50,0 кДж/м².

В химическом отношении твердые сплавы весьма устойчивы против воздействия кислот и щелочей, имеют достаточную окалино- стойкость. Эти свойства и определяют широкие области применения твердых сплавов.

Первые сведения по твердым сплавам относятся к 1914 г. и связаны с требованиями металлообрабатывающей промышленности для обработки появившихся новых марок сталей. Германский специалист Ш. Ломан измельчал карбиды в тонкий порошок, прессовал изделия и нагревал их почти до температуры плавления.

Германские инженеры В. Фукс и Р. Колец изготовляли образцы из карбида вольфрама с добавками железа, хрома, титана методом горячего прессования («тицит»). Патенты Г. Ломана и X. Шретера послужили основой для разработки различных марок сплава Видна (как алмаз) типа Y и Н (германский стандарт). В 1925 г. германская фирма Osram по патенту X. Шретера получила спеченный твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом, а в 1926 г. фирма Кшрр начала промышленное производство сплавов под названием «Видна» (94 % WC и 6 % Со). Инструмент из этого сплава произвел переворот в металлообрабатывающей промышленности, позволив увеличить скорость резания в 10-20 раз (в зависимости от обрабатываемого материала). С этого момента началось бурное развитие производства ТС. Появились сплавы с частичной заменой карбида вольфрама карбидами титана, ниобия, тантала, молибдена, а вместо кобальта другая связка - Ni, Ni-Cr, Co-Mo, Fe-Ni и др.

В нашей стране возникновение и становление производства твердых сплавов связано с именем Г.А. Меерсона, под руководством которого в 1929 г. были получены на Электроламповом заводе первые образцы советского твердого сплава, а затем налажен и опытный выпуск изделий из него под названием «Победит»: содержал 90 % карбида вольфрама и 10 % кобальта и предназначался для изготовления пластин для оснащения режущего инструмента, волок для протяжки проволоки, вставок и буровых коронок для бурения горных пород. В начале 1930-х годов на заводе редких элементов (с 1936 г. Московский комбинат твердых сплавов (МКТС)) под руководством В.Я. Рискина по несколько отличной технологии от сплава «Победит» был начат выпуск сплава РЭ8 (92 % WC + 8 % Со), послуживший основой выпуска целой гаммы отечественных твердых сплавов WC-Co и WC-TiC-Co.

В 1939 г. под руководством известного советского ученого В.И. Третьякова была разработана и внедрена на «МКТС» технология сплава «Рэникс» (WC-Ni), из которого в годы Великой Отечественной войны изготавливались головки для бронебойных снарядов.

В послевоенный период в результате исследовательских работ Всесоюзного научно-исследовательского института тугоплавких сплавов (ВНИИТС), созданного в 1948 г., под руководством В.С. Третьякова, Г.С. Креймера, В.А. Ивенсена были разработаны и внедрены технологии сплавов WC-Co, WC-TiC-Co, WC-TiC-TaC- Со, TiC(TiN)-Ni-Mo и других различных составов для резания, перфораторного бурения горных пород, шарошечного бурения скважин, бесстружковой обработки, штамповки, высадки, спецназначения.

Советский Союз обладал развитой технологией производства твердых сплавов, занимал второе место в мире по выпуску (после США), качество марок соответствовало мировым стандартам.

В СССР действовало пять крупных специализированных заводов твердых сплавов:

• 1) Московский комбинат твердых сплавов (МКТС);
• 2) Кировоградский завод твердых сплавов (под Екатеринбургом);
• 3) Завод «Победит» (г. Владикавказ);
• 4) Комбинат тугоплавких и жаропрочных материалов (УзКТЖМ, г. Чирчик, Узбекистан);
• 5) Днепровский завод твердых сплавов (ДЗТС, г. Светловодск, Украина).

Придя на смену инструментальным и быстрорежущим сталям, твердые сплавы оказывают огромное влияние на развитие всех отраслей промышленности. Нет почти ни одной ведущей отрасли, которая в той или иной мере не применяла спеченные твердые сплавы.

В настоящее время в мире (без Китая) насчитывают более 230 фирм производящих твердые сплавы. Многие имеют дочерние предприятия или владеют заводами по производству твердосплавной продукции, находящихся в других странах. Сведения о наиболее известных фирмах приведены в табл. В1.1.

Таблица В 1.1

Наиболее известные фирмы, выпускающие твердые сплавы

Примечание. Н.д. - нет данных.

Отечественному производству твердых сплавов в 2010 г. исполнилось 80 лет. За этот период достигнуты значительные успехи в улучшении технологии и разработке новых технологий и составов твердых сплавов, освоении методов изготовления изделий сложной формы и т.д. В результате исследовательских работ в СССР ассортименг сплавов был пополнен новыми марками Т60К6, В253, ТТ7К12, ТТ10К8А и ТТ10К8Б, ТТ8К6, ТТ20К9, серией сплавов WC-Co с индексами М, ОМ, ХОМ, В, К, КС, С и др. Г.С. Креймером разработаны крупнозернистые сплавы ВК для обработки горных пород и бурения, а В.А. Ивенсеном особо крупнозернистые сплавы ВК для высадочного и штампового инструмента («К», «С», «КС»), технология пластифицированных заготовок для получения изделий сложной формы. Большой вклад в развитие отечественного производства твердых сплавов промышленности внес В.И. Третьяков, под руководством которого возникли усовершенствованные технологии получения полуфабрикатов, вакуумное спекание, безвольфрамовые танталсодержащие сплавы, различный инструмент с покрытием и др.

К сожалению, после распада СССР производство твердых сплавов пришло в упадок. Сохранению производства твердых сплавов в России способствовал известный всему миру специалист в области твердых сплавов кандидат технических наук, доцент Л.И. Клячко. С его именем связано заметное развитие всего отечественного производства твердых сплавов и связи отраслевой науки с производством. Сам бывший производственник, руководитель крупнейшего производственного объединения страны, он прекрасно понимал трудности институтов и заводов, преодолению которых уделял и уделяет большое внимание.

На сегодня в России действуют следующие предприятия, выпускающие твердосплавные изделия разного назначения:

• 1. АООТ «КЗТС», г. Кировоград (40 км от Екатеринбурга).
• 2. ОАО «Победит», г. Владикавказ.
• 3. ООО «ВЕЛИАР», г. Санкт-Петербург.
• 4. 000 АЛГ Сандвик, Москва.
• 5. Волгобурмаш, г. Самара.
• 6. ФГУП ВНИИТС, г. Москва.
• 7. ООО «Бинур», г. Редкино, Московская область.
• 8. Завод технической керамики - реорганизован на базе ВНИИТС, поселок Апрелевка, Московская область.
• 9. ООО «Дальневосточная технология», г. Комсомольск-на-Амуре.
• 10. ЗАО «Серпуховской инструментальный завод», г. Серпухов, Московская область.
• 11. ОАО «Гидрометаллург», г. Нальчик.
• 12. ООО «Оргпринтвердосплав».
• 13. Еще десяток малых предприятий в Москве и Московской области типа ООО «ИНМЕТ», г. Ногинск; ООО «МИСоН», г. Москва; ТОО «Тумелон», г. Москва и др.