Инструмент ведущих иностранных фирм, отличаясь высоким качеством, широкой областью применения, несмотря на высокую стоимость, на нашем рынке практически вытеснил отечественный инструмент. Создались новые условия существования на своем рынке: нужно, чтобы твоя продукция была качеством не ниже продукции лучших мировых фирм, а цены на нее должны быть ниже мировых цен и доступны потребителю.
В области производства твердосплавного инструмента решить проблему импортозамещения инструмента одному частнику не под силу, т. к. она связана со значительными вложениями в науку. Это государственная проблема. Ведь при покупке импортного инструмента, стоимость которого порой в десятки раз выше отечественного, завышается стоимость госзаказов в машиностроении и уничтожается твердосплавная промышленность.
СТОЙКОСТЬ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ КАЧЕСТВА
Разброс стойкости — это разница во времени износа инструмента из одной партии (например, 10 штук) при чистовой, получистовой или черновой обработке. Практически это показатель качества инструмента: чем больше разброс стойкости, тем хуже его качество и непредсказуема его работа. Разброс стойкости твердосплавного инструмента ведущих иностранных фирм находится в пределах 2–3 минут, у отечественных — почти в 10 раз больше, поэтому отечественный твердосплавный инструмент не рекомендуется использовать в автоматизированном производстве машиностроения.
В машиностроении на станках с ЧПУ без участия оператора предъявляются повышенные требования к однородности режущих свойств твердосплавных пластин, их высокой износостойкости и прочности. Кроме режимов резания в управляющую программу ЧПУ закладывается время замены режущего инструмента. Практикой мировых производителей учитываются и случайные выходы из строя инструмента, поэтому в техпроцессе обработки резанием используется 70–80% ресурса режущего инструмента. Прогноз износа режущего инструмента — актуальнейшая задача при обработке на автоматизированном оборудовании. Непредсказуемый износ или поломка инструмента приводит к браку продукции. Стоимость этого брака особенно высока при обработке высоколегированных труднообрабатываемых материалов, при изготовлении трудоемких крупногабаритных изделий.
В этой статье автор представляет свой взгляд на причины разброса стойкости отечественного твердосплавного инструмента в последовательности от изготовления порошка до спекания. Их много: пористость, графитовые включения, карбидная неоднородность (в микрошлифах — зерна сосредоточены в кучках), наличие крупных несоразмерных зерен карбидов в общей структуре, неравномерное распределение связки и др. Возможно, поэтому шведская фирма Sandvik Coromant через год после приобретения акций МКТС отказалась от использования российских твердосплавных порошков завода.
А все-таки почему немецкий, австрийский, шведский, американский и японский твердосплавный инструмент имеет стабильно высокое качество изделий независимо от фирм-производителей? В истории твердого сплава начиная с Германии производство твердосплавных порошков строго отделено от производства готового инструмента. Получается два хозяина, и каждый заинтересован в прибыли за счет уникального качества своей продукции, повышенного спроса у потребителей, разработки и использования новых технологий, которые находятся под постоянным контролем научных центров этих производителей, изучающих запросы потребителей. В этих центрах работают высококвалифицированные ученые совместно с опытными технологами, мимо них не проходят ноу-хау отрасли. Фирмы — производители твердосплавных смесей решают технологические проблемы дисперсности зерен карбидов (крупнозернистые, нормально зернистые, субмикронные, ультратонкие, нанофазные), однородности металлической связки, эффективности соотношений карбидов различных металлов в составе смесей, влияния легирующих добавок в связках на температуру и скорость резания. Готовые смеси под фирменной маркой продаются по контрактам малым и крупным производителям различного инструмента, специализирующимся на своем конкретном виде (твердосплавные режущие вставки, цельные твердосплавные фрезы, сверла, развертки, резьбовые пластины и т. п.), поэтому качество твердых сплавов у них примерно одинаковое. Научные центры производителей готового инструмента решают свои задачи: конструкция инструмента, включая стружколомание при точении различных материалов, гранулирование смесей, новые технологии прессования и спекания с целью повышения скоростей резания при обработке изделий потребителя и т. д. У этих фирм действуют только стандарты ISO на форму и размеры пластин, своей фирменной продукции они присваивают фирменные марки, которые защищены патентами.
Карбид вольфрама — основной режущий элемент в составе твердого сплава. Получают его методом синтеза при высоких температурах, смешивая первоначально в строгой пропорции порошки вольфрама и ламповой сажи, засыпая затем в графитовые контейнеры с утрамбовкой и помещая в печь. Мелкозернистые порошки вольфрама выдерживают при температуре 1450–1600°С, крупнозернистые — свыше 2000°С в печи от одного до двух часов. Синтез WC происходит за счет углерода, содержащегося в парах ацетилена, который образуется в печи при температуре приблизительно 1300°С. Полученные слегка спекшиеся блоки WC измельчают в шаровых мельницах и просеивают через сита.
Отечественные твердые сплавы с индексом «М» (мелкозернистые — 1,5 мкм) и «ОМ» (особомелкозернистые — 1,0 мкм) промышленность практически перестала выпускать. За рубежом они относятся к нормально зернистым, а распространенные там субмикронные, ультратонкие и нанофазные твердые сплавы у нас вообще не производились. Основной объем твердосплавного инструмента фирм Kennametal — Hertel — Widia (США), Sandvik Coromant (Швеция), Sumitomo, Mitsubishi (Япония) изготавливается из субмикронных твердых сплавов. Из ультратонких и нанофазных твердых сплавов фирмы Kennametal — Hertel (США) и Sumitomo (Япония) изготавливают цельнотвердосплавный концевой инструмент для обработки труднообрабатываемых материалов в оборонной промышленности, в том числе сверла диаметром от 0,1 мм для печатных плат. Субмикронные и ультратонкие сплавы получаются при традиционном жидкофазном спекании с последующим размолом и просеиванием, а нанофазные — в специальных установках синтеза материалов.
А теперь попробуем рассмотреть пласт проблем, ведущих к отсталости производства твердосплавного инструмента.
ПОРОШКИ
Причины разброса стойкости инструмента начнем искать с порошков.
Во‑первых, известно, что предел прочности при изгибе и ударная вязкость твердосплавных изделий не столько зависит от твердости, сколько от величины карбидных зерен вольфрама и от пропорции содержания в сплаве металлической связки кобальта. В микроструктуре субмикронных и мельче сплавов наблюдается высокая однородность карбидных зерен. Неоднородность (скопление крупных карбидных зерен в микроструктуре) ведущими зарубежными фирмами вообще не допускается и является браком продукции. Чем мельче зерна и чем равномернее они распределены в структуре сплава, тем лучше режущие свойства и выше износостойкость. Связка (на Западе — в пределах 7%) распределяется по объему в виде тонких прожилок толщиной не более 1 мкм. С уменьшением количества связки уменьшается интенсивность адгезии (микросварка частиц обрабатываемого и инструментального материалов в зоне резания), происходит равномерный износ твердосплавного инструмента. С ростом содержания кобальта усиливается отрицательное влияние углерода, т. е. ухудшаются свойства сплава. Особо мелкие структуры рекомендованы для чистовых и получистовых операций резания на высоких скоростях, крупнозернистые с повышенным содержанием связки — для черновых операций с ударными динамическими нагрузками. Таким образом, освоение отечественной инструментальной промышленностью субмикронных, ультратонких и нанофазных структур, гарантирующих качество твердых сплавов — одно из главных условий выхода на российский рынок.
В таблице 1 показаны результаты исследований механических свойств твердых сплавов. На основании полученных данных видно, что с увеличением содержания кобальта твердость у всех классов твердых сплавов падает, а прочность на изгиб — возрастает. Нетрудно заметить, что предел прочности на изгиб тем выше, чем мельче карбидное зерно.
Второй выявленной причиной не сравнимого с западным разброса стойкости отечественного твердого сплава является относительно высокая пористость и содержание графитовых включений. Углерод присутствует в атмосфере печи, в засыпке, на зернах после карбидизации, при разложении пластификатора в печи после грануляции, то есть на всем технологическом пути производства твердосплавных порошков. При спекании с избыточным содержанием углерода в сплаве образуется свободный углерод в виде графита. В микроструктуре он наблюдается в форме черных чешуек, либо равномерно распределенных по рассматриваемой площади, либо сгруппированных на отдельных участках. Официально графитовые включения и пористость снижают механическую прочность изделия, но не только. Отечественные госты бессильны в борьбе с этим недостатком, поэтому допускают эти суммарные дефекты до 0,1% площади сечения, на практике, как правило, они больше. Необходимо искать пути к их исключению, например, замена водородных трехзонных печей при спекании на вакуумное компрессионное оборудование способствовала бы уменьшению этого дефекта и чуть-чуть повысила качество твердого сплава, но до ведущих зарубежных фирм еще далеко. Имеются случаи обезуглероживания — образование двойного карбида вольфрама и кобальта (тета-фаза), при котором содержание углерода снижается до 2 раз. Этот брак влияет на прочность и твердость сплава.
Третья причина большого разброса стойкости отечественного инструмента — это прекращение научных работ, проводившихся во ВНИИТС в советское время, по легированию твердых сплавов. Развитие твердосплавного инструмента идет в сторону повышения экономичности механической обработки, создаются сплавы для высоких скоростей резания, которые должны сохранять режущие свойства при высоких температурах в зоне резания. Качество наших твердосплавных пластин не позволяет использовать в машиностроении оптимальные режимы резания в области высоких скоростей.
Большинство импортных субмикронных марок сплавов кроме карбидных зерен вольфрама содержат легирующие карбиды хрома или ванадия, которые в процессе спекания изделий из твердых сплавов препятствуют росту зерна основного карбида. Отмечается тенденция замены карбида тантала TaC в трех карбидных твердых сплавах более эффективным карбидом гафния HfC, показавшем повышение износостойкости инструмента при точении до 40%.
В таблице 2 показано процентное содержание легирующих карбидов в иностранных марках твердых сплавов, стабилизирующих размер карбидного зерна. Из истории известно, что в 1983 году ВНИИТС разработал и впервые внедрил в промышленность сплавы ВК10ХОМ
и ВК15ХОМ с легирующими карбидами хрома. В специальном бюллетене ВНИИТС информировалось, что зерна хрома в определенных условиях измельчают зерна карбида вольфрама до величины 1 мкм. В таблице 2 видно, что русское изобретение используют многие фирмы за рубежом, но только не у нас. Сегодня за рубежом ведутся исследования с добавками в состав твердых сплавов карбида ниобия NbC и карбида ванадия VC.
Сенсацию в конце 80‑х годов вызвали производственные испытания твердого сплава ВРК15, производственники реально увидели повышение стойкости на нержавейке, возможности повышения производительности и своей зарплаты. Это были результаты легирования кобальтовой связки рением, которые на практике показали повышение у пластин прочности на изгиб, теплостойкости и износостойкости сплава, предотвращение формирования хрупкой фазы. У связки Co — Re появление жидкой фазы на 100–300°С выше, а твердость на 200–300 HV больше. Параллельно проводились исследования инструмента, в связку которого был введен рутений Ru: введение 0,4% рутения по массе в твердый сплав ВК6 показало увеличение прочности при изгибе на 16% при сохранении твердости. Получился хороший инструмент для черновой обработки заготовок из труднообрабатываемых сталей и сплавов. Широкое применение легирующих связку редкоземельных элементов рения и рутения сдерживается их дефицитом и, соответственно, стоимостью. Однако в исключительных случаях и экономически это будет оправдано, они могут быть использованы при изготовлении инструмента для механической обработки сплавов с содержанием никеля более 30% или титановых сплавов (материалы V, VI, VII групп обрабатываемости по классификации труднообрабатываемых материалов [1]). Ведущие фирмы ищут замену рутению и рению в связках, допускающих работоспособность твердого сплава в зоне резания до 1200°С, испытываются добавки в связку никеля, молибдена и железа.
Известно, что увеличение скорости резания пропорционально связано с увеличением температуры в месте контакта обрабатываемый материал — инструмент (трибосистема). В диапазоне температур 600–800°С в месте контакта происходит адгезионный износ инструмента, при дальнейшем увеличении температуры диффузионный износ, ниже этих температур — образуются наросты на передней кромке резца. Физически это процесс преобразования внешней механической энергии во внутреннюю в виде колебательных и волновых движений частиц трибосистемы. Каждой паре трибосистемы соответствуют свои оптимальные режимы резания [2]. Новые составы и технологии направлены на преодоление этого явления, нацелены на рост производительности и на снижение стоимости операций механической обработки.
Заключительным этапом узких мест в производстве порошков является их гранулирование перед прессованием изделия. Полученные порошки особомелкозернистых карбидов в строгой пропорции со связкой перемешивают в шаровой мельнице в пределах 2–3 суток для нормальной зернистости и 4–5 суток — при более тонких карбидах до получения однородной смеси в пределах микрообъемов. Режимы размола (скорость, тип установки, время) подбираются на производстве опытным путем для каждой марки твердого сплава. Этот очень ответственный процесс доверяют только высококвалифицированным специалистам с большим опытом, т. к. в нем отсутствуют регламентирующие методы контроля и нормы свойств, гарантирующих качество продукции. Размол бывает сухой и мокрый. Наиболее эффективным считается мокрый размол, т. к. жидкость обволакивает частицы, защищая их от окисления, и способствует распространению трещин излома в микрозернах карбидов под динамическими ударами твердосплавных шаров в мельнице. В качестве жидкости применяют химически нейтральные спирты (метиловый или этиловый), бензин, ацетон. (С точки зрения техники безопасности рекомендован этиловый спирт.) После размола смесь просушивается, но она еще не пригодна к прессованию — такие прессовки осыпаются, плохо транспортируются. Поэтому за этим предусматривается операция введения в смесь пластификатора с последующим гранулированием. В качестве пластификатора у нас по традиции используют раствор синтетического каучука (4–8%) в бензине (15% по объему). Полученную смесь механически перемешивают в специальных смесителях порциями до 50 кг в течение 15–20 минут, просушивают при температуре 70–90°С (постоянно перемешивая) до получения порошкообразного состояния (не допускается пересушка), затем перетирают через сито с заданными отверстиями.
Основным недостатком каучука в качестве пластификатора является образование при спекании зольного остатка и повышенное содержание свободного углерода в сплаве — одной из главных причин разброса стойкости при эксплуатации режущего инструмента. В зарубежной литературе мелькает информация об использовании в качестве пластификатора раствора парафина в четыреххлористом углероде. Парафин смешивают с твердосплавным порошком в состоянии расплава по специальной технологии с использованием специального оборудования. В нашей литературе предлагалось усовершенствовать эту операцию путем распыления через форсунку на твердосплавную смесь разогретых до жидкого состояния парафинов парафинового раствора. Предполагая, что во время полета парафиновые частицы охлаждаются, растворитель испаряется, в результате порошок формируется в гранулы. Надо создавать устройство, испытывать, если получится — внедрять! Были и другие предложения использования парафина в качестве пластификатора, например, добавление чистого парафина непосредственно в мельницу во время размола или приготовления смеси. Основными проблемами приготовления порошка к прессованию остаются отсутствие отработанных норм состава порошков и пластификатора, времени операций для каждой марки сплава, большая доля ручного высококвалифицированного труда.
ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ
Теперь перейдем ко второй части — непосредственному изготовлению твердосплавных изделий. В массовом производстве формование изделий производится на пресс-автоматах, которые сочетают в себе систему загрузки гранулированного порошка, прессование и извлечение готовых прессовок из пресс-формы. Однако наряду с видимыми со стороны преимуществами одноосного прессования имеются глубокие существенные недостатки. В научном издании Г. П. Злобина [3] доказано, что в направлении прессования получается различная плотность прессовки. В результате потерь давления на преодоление внешнего трения и трения между частицами получаем неравномерность плотности по вертикали прессования. Наиболее плотный слой твердосплавного порошка находится около поверхности в области пуансона, так как в горизонтальной плоскости боковое давление на стенки матрицы всегда меньше, чем в месте контакта пуансона с прессовкой. Это является одной из главных причин появления пор в изделии после спекания.
И опять ценность этой научной работы не дошла до наших организаторов отечественной промышленности. Первыми поняла и внедрила у себя эту работу фирма Kennametal (США) которая после операции прессования формы твердосплавных пластин ввела дополнительную операцию горячего изостатического прессования (ГИП). Особенностью этой дополнительной операции является то, что недостатки одноосного прессования устраняются за счет равномерного распределения давления снаружи по всем поверхностям прессовки в условиях вакуума внутри эластичной герметичной упаковки. Эту технологию быстро подхватили ведущие фирмы Германии и Японии, где благодаря ГИП при температурах до 1400°С достигается на практике плотность прессовок в 1,5 раза выше с практическим исключением пор и расслоек. Используют здесь и гидростатическое прессование. Швеция и США организовали выпуск специального оборудования ГИП. Метод ГИП, разумеется, подлежит совершенствованию в направлении роста производительности и создания экономичных эластичных оболочек. Однако требования рынка к качеству инструмента постоянно растут, не стоит на месте и технология производства.
ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ
Что мы имеем в России? В табл. 3 представлена информация об основных отечественных заводах, производящих твердосплавные изделия из отечественного сырья. В столбце «Ориентировочная мощность» этой таблицы приведены цифры возможного выпуска твердо-
сплавной продукции в тоннах за год (мощность позволяет) при условии удовлетворения требованиям отечественного рынка по качеству. Если верить статье ген. директора КЗТС, в прошлом году импортозависимость твердосплавной продукции в отечестве составляет 90%, т.е на практике реализуется только 10% наших возможностей. Это сказал человек, которому экономика твердых сплавов передалась с генами.
В последние годы опубликованы интереснейшие диссертации российских ученых в рассматриваемом нами направлении. Например, под руководством академика РАН В. Н. Анциферова с помощью новой технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза получены твердые химические соединения таких материалов, как карбид вольфрама [4]. Или диссертация, защищенная в 2012 году в Екатеринбурге В. А. Квашиным «Электрический синтез наноразмерных порошков карбида вольфрама и твердосплавных композиций на его основе», предлагает совместное электровыделение вольфрама и углерода из вольфраматно-карбонатного расплава. Возможно, есть и другие работы.
В советское время были созданы десятки гостов по контролю качества твердых сплавов и изделий из них. Это методики по определению предела прочности, твердости, пористости, наличия свободного углерода и т. д. Но они трудоемки и рассчитаны на выборочный контроль качества. Прошло время, госты устаревают. Для рынка нужно высокое гарантированное качество каждой единицы продукции, а не выборочное. Полностью исключить брак при производстве твердосплавных изделий возможно только при автоматизации контроля качества, исключив при этом человеческий фактор. Сегодня отечественная наука уже имеет лабораторные результаты неразрушающего контроля качества твердого сплава с использованием магнитной, ультразвуковой, рентгеновской и др. дефектоскопий. Примером могут служить работы Томского и Волгоградского политехнических университетов, но они остаются на бумаге, а нужны реальные работающие автоматы, машины. В советское время этим занимались ведущие институты при машиностроительных министерствах промышленностей, которые на своих опытных производствах могли изготовить, испытать, довести до ума эти машины; сейчас этого нет.
В своем городе я подал предложение по организации производства качественного инструмента, прошло три месяца — нет ответа, звоню — оказывается в Министерстве нет технически грамотных специалистов. А недавно пришло письмо из Волгограда, в котором ученые в результате обсуждения одной из моих статей выразили единогласную поддержку предложения о создании Российского центра твердосплавных изделий с опытным заводом — базой для производства и испытаний опытных образцов и технологий, только подчеркнули, что это возможно при государственном финансировании и поддержке.
Для всех очевидно, что существенного прогресса в промышленности не добиться без развития прикладной науки, что нужны решительные меры: планирование, объединение сил отечественных специалистов, государственная поддержка со специальным финансированием. А в области производства твердосплавного инструмента вопрос развития и выполнения программы импортозамещения стоит особенно остро.
Литература
1. Плесков В. Г. Иностранные твердые сплавы. // РИТМ. 2015. № 2. С. 46–48.
2. Макаров А. А. Оптимизация процессов резания. — М.: Машиностроение, 1976. С. 7.
3. Злобин Г. П. Формование изделий из порошков твердых сплавов. — М.: Машиностроение, 1980.
4. Амосов А. П., Боровинская И. П., Мержанов А. Г. Порошковая технология самораспространяющегося синтеза материалов. — М.: Машиностроение, 2007. — 567 с.
