Самые твердые сплавы металлов

Многих любителей интересных фактов интересует вопрос, какой металл самый твердый? И навскидку ответить на этот вопрос будет непросто. Конечно, любой учитель химии без труда скажет правильно, даже не задумываясь. Но среди рядовых граждан, которые последний раз занимались химией в школе, не многие смогут правильно и быстро дать ответ. Это связано с тем, что все с детства привыкли делать разнообразные игрушки из проволоки и хорошо запомнили, что медь и алюминий мягкие и хорошо поддаются сгибанию, а вот стали наоборот не так просто придать желаемую форму. С тремя названными металлами человек имеет дело чаще всего, поэтому остальные кандидатуры даже не рассматривает. Но сталь, конечно же, не является самым твердым металлом в мире. Справедливости ради стоит отметить, что это вообще не металл в химическом смысле, а соединение железа с углеродом.

Что такое титан?

Самым твердым металлом является титан. Впервые чистый титан был получен в 1925 году. Это открытие произвело фурор в научных кругах. На новый материал сразу же обратили внимание промышленники и по достоинству оценили преимущества от его использования. По официальной версии, самый твердый металл на Земле получил свое название в честь несокрушимых Титанов, которые согласно древнегреческой мифологии были основателями мира.

По оценкам ученых суммарные мировые запасы титана на сегодняшний день составляют около 730 миллионов тонн. При нынешних темпах добычи ископаемого сырья хватит еще на 150 лет. Титан занимает 10 место по природным запасам среди всех известных металлов. Крупнейшим в мире производителем титана является российская компания «ВСМПО-Ависма», которая удовлетворяет до 35% мировых потребностей. Предприятие занимается полным циклом переработки от добычи руды до изготовления различной продукции. Оно занимает порядка 90% российского рынка по производству титана. Около 70% готовой продукции идет на экспорт.

Титан – легкий металл серебристого цвета с температурой плавления 1670 градусов по Цельсию. Проявляет высокую химическую активность только при нагревании, в нормальных условиях не реагирует с большинством химических элементов и соединений. В природе не встречается в чистом виде. Распространен в виде рутиловых (двуокись титана) и ильменитовых (сложное вещество, состоящее из двуокиси титана и оксида двухвалентного железа) руд. Чистый титан выделяется путем спекания руды с хлором, а затем вытеснения более активным металлом (чаще всего магнием) из полученного тетрахлорида.

Промышленное применение титана

Самый твердый металл имеет довольно широкий спектр применения во многих отраслях. Аморфно расположенные атомы обеспечивают титану высочайший уровень прочности на растяжение и кручение, хорошую сопротивляемость ударному воздействию, высокие магнитные качества. Металл используется для изготовления корпусов воздушного транспорта и ракет. Он хорошо справляется с огромными нагрузками, которые испытывают на себе машины, находясь на огромной высоте. Также титан применяется при производстве корпусов для подводных лодок, так как способен выдерживать высокое давление на больших глубинах.

Читайте также:  Чпу станок на ардуино схема

В медицинской отрасли металл используется при изготовлении протезов и зубных имплантатов, а также хирургических инструментов. В качестве легирующей добавки элемент добавляют в некоторые марки стали, что придает им повышенную прочность и стойкость к коррозии. Титан хорошо подходит для литья, так как позволяет получать идеально гладкие поверхности. Из него также изготавливают ювелирные украшения и декоративные изделия. Активно используются и соединения титана. Из диоксида изготавливают краски, белила, добавляют в состав бумаги и пластика.

Сложноорганические соли титана применяют в качестве затвердительного катализатора в лакокрасочном производстве. Из карбида титана изготавливают различные инструменты и насадки для обработки и сверления других металлов. В точном машиностроении из титанового алюминида производят износостойкие элементы, которые обладают высоким запасом прочности.

Самый твердый сплав металла был получен американскими учеными в 2011 году. В его состав вошли палладий, кремний, фосфор, германий и серебро. Новый материал был назван «металлическое стекло». Он соединил в себе твердость стекла и пластичность металла. Последнее не позволяет трещинам распространяться, как это происходит со стандартным стеклом. Естественно, в широкое производство материал запущен не был, так как его компоненты, особенно палладий, относятся к редким металлам и стоят очень дорого.

В данный момент усилия ученых направлены на поиски альтернативных компонентов, которые бы позволили сохранить полученные свойства, но значительно снизили стоимость производства. Тем не менее, отдельные детали для аэрокосмической отрасли уже производятся из полученного сплава. Если альтернативные элементы удастся внедрить в структуру и материал получит широкое распространение, то вполне возможно, что он станет одним из самых востребованных сплавов будущего.

Твердые сплавы обладают высокой твердостью и износостойкостью, что определяет их применение в качестве материала для изготовления режущего и бурового инструмента, а также изделий с повышенными требованиями к износостойкости. На странице представлено описание данных сплавов: физические и механические свойства, области применения, марки твердых сплавов, виды продукции.

Основные сведения

Классификация

По способу изготовления выделяют два типа твердых сплавов:

  • спеченные;
  • литые.

Спеченные сплавы получают методами порошковой металлургии. Данный способ дает очень высокую точность изготовления получаемой продукции и обеспечивает высокие значения различных свойств. Изделия, произведенные методами порошковой металлургии, требуют минимальной механической обработки, поэтому они обрабатываются шлифованием или физико-химическими методами (лазер, ультразвук, травление в кислотах и др.). Спеченные твердые сплавы иногда называют металлокерамическими, так как технология их производства сходна с технологией производства керамики. Сплавы данного типа наносят на инструмент с помощью пайки или механическим закреплением. Наиболее распространенными представителями указанной группы являются сплавы ВК (например, ВК6, ВК8), ТК и ТТК – твердые сплавы на основе карбида вольфрама.

Литые твердые сплавы получают методом литья. К данной группе относят стеллиты (хром, вольфрам, никель, углерод; основа – кобальт), сормайты (хром, никель, углерод; основа – железо), стеллитоподобные сплавы (основа – никель). Для наплавки их выпускают в виде литых стержней или прутков различного химического состава.

Читайте также:  78L05 схема включения цоколевка

В соответствии с областью применения выделяют следующие группы твердых сплавов:

  • инструментальные сплавы, применяемые при обработке материалов резанием, давлением или штамповкой, при бурении горных пород и так далее;
  • конструкционные сплавы, служащие для изготовления износостойких деталей машин, механизмов и приборов, в том числе и с особыми свойствами – высокой плотностью, большим временным сопротивлением и значительным модулем упругости;
  • жаропрочные и жаростойкие сплавы.
    Также можно выделить две большие группы твердых сплавов:
  • вольфрамосодержащие;
  • безвольфрамовые.
    Основой всех вольфрамсодержащих сплавов является карбид вольфрама. Также в составе обязательно присутствует металл-связка, в качестве которого выступает кобальт, никель или смесь никеля с молибденом. Помимо карбида вольфрама такие сплавы могут содержать карбиды титана и тантала.
  • В безвольфрамовых твердых сплавах карбид вольфрама заменяется либо на какой-либо другой твердый материал, например, нитрид, борид, силицид, либо на карбид иного тугоплавкого металла, например, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, хрома, молибдена.

    Свойства твердых сплавов

    Основным практически полезными свойствами сплавов данной категории являются высокая твердость, износостойкость и прочность. В некоторых случаях важную роль играет жаропрочность и жаростойкость, а также тугоплавкость.

    Свойства сплавов изменяются в зависимости от группы, к которой относится тот или иной твердый сплав. Для сплавов ВК большую роль играет размер зерна карбида вольфрама. С уменьшением размера зерна возрастает твердость, но уменьшается прочность при изгибе и вязкость сплава (при одинаковом процентном соотношении карбида вольфрама и кобальта) и наоборот соответственно. Сплавы группы ТК, легированные карбидом титана, обладают лучшей стойкостью против окисления, более высокой твердостью и жаропрочностью по сравнению с группой ВК. Однако, имеют более низкую вязкость, прочность при изгибе, а также тепло- и электропроводность. Одновременное добавление карбидов тантала и титана (группа ТТК) увеличивает прочность сплавов при изгибе по сравнению с группой ТК.

    Технологические свойства сплава, а именно, его высокая пластичность позволяют без проблем обрабатывать монель давлением как в горячем, так и в холодном состоянии. Также обладает хорошей свариваемостью. А вот механическую обработку необходимо осуществлять с низкой скоростью резания и подачей вследствие быстрого нагартовывания материала.

    Марка Плотность, г/см 3 σИ, МПа, не менее HRA, не менее
    ВК6 14,6-15,0 1500 88,5
    ВК8 14,4-14,8 1600 87,5
    ВК10 14,2-14,6 1650 87,0
    Т30К4 9,5-9,8 950 92,0
    Т15К6 11,1-11,6 1150 90,0
    Т5К12 13,1-13,5 1650 87,0
    ТТ7К12 13,0-13,3 1650 87,0
    ТТ8К6 12,8-13,3 1250 90,5
    ТТ20К9 12,0-13,0 1300 89,0
    ТН20 5,5-6,0 1100 90
    КНТ16 5,6-6,2 1350 89,0

    Марки твердых сплавов

    Среди вольфрамсодержащих твердых сплавов наиболее распространенными марками являются ВК – сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки, ТК – сплавы на основе карбида вольфрама с кобальтом в качестве металла-связки и добавлением карбида титана, ТТК – то же, что и ТК плюс карбид тантала.

    В общем случае марки вольфрамсодержащих твердых сплавов формируются следующим образом: буква В – карбид вольфрама (WC), Т – карбид титана (TiC), ТТ – карбиды титана и тантала (TaC), КНТ – карбонитрид титана, К – кобальт (Co), Н – никель (Ni); цифры после букв – содержание этих веществ в процентах, а для букв ТТ – сумму содержания карбидов титана и тантала; содержание карбида вольфрама не указывается, оно определяется по разности.

    Читайте также:  Изготовление и монтаж перил из металла

    В безвольфрамовых сплавах в качестве связующего металла используют никель в смеси с 20- 25% молибдена.

    Химический состав некоторых марок приведен в таблице.

    Марка Состав, %
    WC TiC TaC Co
    ВК6 94 6
    ВК8 92 8
    ВК10 90 10
    Т30К4 66 30 4
    Т15К6 79 15 6
    Т5К12 83 5 12
    ТТ7К12 81 4 3 12
    ТТ8К6 84 8 2 6
    ТТ20К9 71 8 12 9
    ТН20 80 (Ni+Mo) – 20
    КНТ16 84 – Ti(C,N) (Ni+Mo) – 20

    Достоинства / недостатки

      Достоинства:

    • обладают высокой твердостью и износостойкостью;
    • имеет достаточно высокие прочностные характеристики;
    • имеют хорошие показатели жаропрочности и жаростойкости;
    • являются тугоплавкими материалами.
      Недостатки:

    • карбид вольфрама, являющийся основой большинства твердых сплавов, имеет высокую стоимость;
    • по сравнению с быстрорежущими сталями имеют меньшую вязкость и достаточно чувствительны к ударным нагрузкам.

    Области применения

    Спеченные твердые сплавы широко применяются для обработки материалов резанием, для оснащения горного инструмента, быстроизнашивающихся деталей машин, узлов штампов, инструмента для волочения, калибровки, прессования и так далее. В качестве примера самых распространенных изделий из твердых сплавов можно привести резцы и буровые головки. Инструмент, полностью изготовленный из твердого сплава, очень дорог, поэтому из него изготовляют лишь режущую или изнашиваемую часть. Державки же инструмента изготовляют из обычной конструкционной или инструментальной стали.

    Литые твердые сплавы применяются значительно реже по сравнению со спеченными. Они получили распространение при производстве фильер и некоторых буровых инструментов.

    Продукция из твердых сплавов

    телефоны:
    8 (800) 200-52-75
    (495) 366-00-24
    (495) 504-95-54
    (495) 642-41-95

    Самым твердым сплавом, на сегодняшний момент, принято считать сплав, получаемый из титана с золотом, который в четыре раза прочнее титана.

    Этот сплав (β-Ti3Au) был получен учеными из США в ходе экспериментом по изучению магнитов из золота и титана, в результате исследований было найдено оптимальное соотношение в сплаве этих металлов.

    Здесь стоит заметить, что этот сплав очень тяжело поддается обработке, в том числе и алмазной.

    Сейчас этот сплав начинается использоваться в протезировании, так как оба эти металла (титан и золото) биосовместимы.

    В число супертвердых сплавов конечно входит и сплав, получивший название «металлическое стекло», это за то, что в этом сплаве много сдвиговых полос, которые препятствуют разрушению при изгибе, но имеют хорошую прочность и твердость.