Материалы могут быть успешно применены в станкостроении и при изготовлении износостойкого металлорежущего инструмента

В настоящее время в станкостроении активно применяются твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама с повышенным (6-10%) содержанием кобальта. Такие материалы часто называются твёрдыми сплавами – они являются основным материалов для изготовления фрез и режущих платин, которыми проводится точение или фрезерование для изготовления изделий необходимой геометрии и размера.

Мировым лидером по разработке твёрдых сплавов является компания Sandvick Coromant (Швеция), чья продукция в настоящее время доминирует и на отечественном рынке станкостроения. Инструмент этой фирмы с нанесенными нанокомпозиционными покрытиями используют многие отечественные машиностроительные компании для фрезерной и токарной обработки металлических изделий.

«"Введение" в изначально хрупкий карбид вольфрама высокопластичной фазы кобальта позволяет повысить его трещиностойкость (вязкость разрушения), но приводит к снижению прочности, коррозионной стойкости и максимальной температуры, при которой могут применяться данные материалы. Поэтому одной из задач при разработке твёрдых сплавов является снижение концентрации кобальта», – отмечает заведующий лабораторией диагностики материалов Научно-исследовательского физико-технического института Университета Лобачевского профессор Алексей Нохрин.

В НИФТИ ННГУ совместно с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (г. Москва) разработаны новые сверхтвердые ультрамелкозернистые керамики на основе чистого карбида вольфрама и сверхнизкокобальтовых (0.3-1%Co) твердых сплавов, которые могут быть использованы в станкостроении, при изготовлении износостойкого металлорежущего инструмента.

Керамики с одновременно повышенной твердостью и трещиностойкостью изготовлены в НИФТИ ННГУ методом высокоскоростного электроимпульсного («искрового») плазменного спекания. Нанопорошки карбида вольфрама для керамик получены в ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН (г. Москва) по уникальной технологии плазмохимического синтеза.

«Важным элементом технологического процесса стал новый способ введения кобальта в нанопорошки. Для получения твёрдых сплавов с высокой трещиностойкостью необходимо, чтобы при спекании каждая частичка карбида вольфрама была окружена вязкой фазой кобальта. Иначе на границе при нагружении легко образуются трещины, которые разрушают инструмент и приводят к отслаиванию покрытий», – продолжает Алексей Нохрин, один из авторов данного исследования.

Традиционно кобальт вводят в карбид вольфрама путем перемешивания в специальных мельницах, а затем спекают при высоких температурах, превышающих температуру плавления кобальта.

Но этот способ неприменим для нанопорошков, которые образуют агломераты, и малых концентраций кобальта, поскольку равномерно распределить его в объеме образца практически невозможно. Кроме этого, жидкофазное спекание при повышенных температурах привело бы к аномальному росту наночастиц карбида вольфрама и образованию в структуре нежелательных хрупких фаз, снижающих трещиностойкость керамики.

Поэтому на поверхность синтезированных нанопорошков карбида вольфрама химико-металлургическим методом осаждался ультратонкий (нанотолщинный) слой кобальта, а затем полученные порошки со структурой «ядро WC – оболочка Co» спекались под давлением при очень высоких скоростях нагрева (100-300 оС/мин) и при пониженных температурах.

Сочетание уникальных возможностей новых технологий позволило получить образцы режущих пластин из твердых сплавов с очень малым содержанием кобальта (не более 1%) и с очень малым размером зерна. Разработанные специалистами НИФТИ ННГУ и ИМЕТ РАН материалы продемонстрировали уникальные характеристики твердости и трещиностойкости, которые недостижимы при использовании традиционных технологий порошковой металлургии.

Полученные результаты опубликованы в журнале «Ceramics International» (импакт-фактор IF = 3.83) и «Journal of Alloys and Compounds» (IF = 4.650).