Композиционные материалы специального назначения

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

В. А. Шарапова

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 

СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

У че б но е  по с о б ие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета

для студентов вуза, обучающихся

по направлениям подготовки

22.03.01, 22.04.01 — Материаловедение  

и технологии материалов,

22.03.02, 22.04.02 — Металлургия

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2020

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

УДК 669.2/.8(075.8)
ББК 34.39я73
         Ш25

Рецензенты:
канд. техн. наук, заведующий лабораторией конструкционного 
материаловедения ИМАШ УрО РАН Р. А. Саврай;

канд. физ.-мат. наук, доц., ст. науч. сотр. ИФМ УрО РАН 

А. В. Столбовский

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. М. А. Филиппов

Ш25

Шарапова, В. А.
Композиционные материалы специального назначения : 
учебное пособие / В. А. Шарапова; Мин-во науки 
и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2020. — 147, [1] с.

ISBN 978-5-7996-3138-3

Учебное пособие содержит описание способов получения композиционных 
материалов, их свойств, а также свойств составляющих композиции. 
Предназначено для студентов всех форм обучения по направлениям 
подготовки «Металлургия» и «Материаловедение и технологии материалов» 
при изучении курса «Технологические основы получения порошковых 
и композиционных материалов», «Материаловедение. ТКМ», «Металловедение», 
пособие может быть полезным также при выполнении 
студенческих научно-исследовательских работ.

Библиогр.: 18 назв. Табл. 10. Рис. 4.

УДК 669.2/.8(075.8)
ББК 34.39я73

ISBN 978-5-7996-3138-3
© Уральский федеральный

университет, 2020

Оглавление

Введение .....................................................................................7

1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие,  
общая характеристика ................................................................9

1.1. История возникновения и развития .............................9

1.1.1. Твердые сплавы в нашей стране и за рубежом ......12
1.1.2. Последние достижения твердосплавной  
промышленности ............................................................13

1.2. Исходные материалы ...................................................14
1.3. Классификация и общая характеристика ...................16
Контрольные вопросы .......................................................19

2. Технология порошковой металлургии ...................................20

2.1. Классификация и маркировка  
твердых сплавов ..................................................................21
2.2. Исходные материалы ...................................................23
2.3. Технология изготовления твердосплавных  
материалов ..........................................................................24

2.3.1. Получение порошка вольфрама ............................25
2.3.2. Получение порошка карбида вольфрама ..............26
2.3.3. Получение двойного карбида TiС–WС .................27
2.3.4. Получение порошка кобальта ................................28

Оглавление

2.4. Приготовление смесей .................................................28
2.5. Прессование .................................................................31
2.6. Спекание ......................................................................36
Контрольные вопросы .......................................................40

3. Технология твердых сплавов ................................................41

3.1. Формование твердосплавных смесей ..........................42

3.1.1. Основные положения формования смесей  
в стальной пресс-форме ..................................................42
3.1.2. Поведение заготовок после снятия давления .......43
3.1.3. Пластифицирующие добавки к смесям ................45
3.1.4. Условия прессования .............................................47
3.1.5. Различные методы формования  
твердосплавных смесей ...................................................48

3.2. Спекание твердых сплавов ..........................................58

3.2.1. Процессы, протекающие при твердофазном  
спекании твердых сплавов (ТФС)...................................58
3.2.2. Процессы, протекающие при жидкофазном  
спекании твердых сплавов ..............................................61
3.2.3. Сплавы WС–Сo ......................................................66
3.2.4. Механизм роста зерен WС .....................................69
3.2.5. Особенности процесса спекания сплавов  
WС–TiС–Сo и WС–TiС–TaС (NbС)–Сo ......................74
3.2.6. Режим спекания .....................................................76
3.2.7. Влияние газовой атмосферы и состава засыпки  
при спекании на свойства сплавов .................................78

3.3. Неоднородность свойств твердых сплавов .................81

3.3.1. Особенности роста фазы WС при спекании .........84
3.3.2. Влияние карбидов на рост WС-фазы ....................85
3.3.3. Процессы, влияющие на качество сплавов ...........87
3.3.4. Рост зерен WС и контактной поверхности  
между ними ......................................................................89

3.4. Меры борьбы с неоднородностью свойств  
твердых сплавов ..................................................................91

Оглавление

3.4.1. Двухстадийное стационарное спекание  
в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ....................................................................91
3.4.2. Прямое одностадийное стационарное  
спекание в восстановительно-науглероживающей  
газовой среде ....................................................................91
3.4.3. Стационарное спекание в вакуумных печах .........92
3.4.4. Поточное спекание в многозонных печах  
в восстановительно- науглероживающей газовой  
среде .................................................................................93

Контрольные вопросы .......................................................95

4. Нестандартные твердые сплавы ...........................................96

4.1. Состав, технология, свойства  
и области применения сплавов ОМ, ХОМ, ХТМ ...........102
4.2. Особомелкозернистые сплавы ВК10-ОМ  
и ВК15-ОМ .......................................................................104
4.3. Твердые сплавы с ультрамелкозернистой  
структурой ........................................................................105
4.4. Способы повышения качества твердых  
сплавов ..............................................................................108
Контрольные вопросы .....................................................112

5. Твердые сплавы для обработки металлов давлением ..........113

5.1. Марки твердых сплавов для обработки металлов  
давлением .........................................................................115
5.2. Составы, технология, свойства и области  
применения сплавов группы К, КС и С ..........................120
5.3. Технология получения сплавов К, КС, С .................121
5.4. Бесстружковая обработка металлов ..........................123

5.4.1. Волочение .............................................................124
5.4.2. Штамповка ...........................................................124
5.4.3. Объемная штамповка ...........................................125

Контрольные вопросы .....................................................129

Оглавление

6. Варианты развития нестандартных твердых сплавов .........130

6.1. Легирование и изменение состава  
связующей фазы твердых сплавов ...................................131

6.1.1. Исследование структуры и свойств сплавов  
системы WС-Fe-Ni ........................................................133
6.1.2. Влияние легирующих добавок на свойства  
никеля и кобальта ..........................................................134

6.2. Легирование и изменение карбидной основы  
твердых сплавов ................................................................136
Контрольные вопросы .....................................................141

Заключение ............................................................................142

Список библиографических ссылок .......................................144

Введение

К

омпозиционный материал (композит, КМ) — искусственно 
созданный неоднородный сплошной ма-
териал, состоящий из двух или более компонентов 

с четкой границей раздела между ними. В большинстве ком-
позитов (за исключением слоистых) компоненты можно раз-
делить на матрицу и включенные в нее армирующие элемен-
ты. В композитах конструкционного назначения армирующие 
элементы обычно обеспечивают необходимые механические 
характеристики материала (прочность, жесткость и т. д.), а ма-
трица (или связующее) обеспечивает совместную работу арми-
рующих элементов и защиту их от механических повреждений 
и агрессивной химической среды.

Механическое поведение композиции определяется соот-

ношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также 
прочностью связи между ними. В результате совмещения ар-
мирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств 
композиции, не только отражающий исходные характеристики 
его компонентов, но и включающий свойства, которыми изо-
лированные компоненты не обладают. Для создания компо-
зиции используются самые разные армирующие наполнители 
и матрицы. Это гетинакс и текстолит (слоистые пластики из бу-
маги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- 

Введение

и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или 
графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть 
материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных спла-
вов залито алюминиевой массой.

Композиционные материалы специального назначения — 

это достаточно широкий класс материалов. В данном учебном 
пособии основное внимание уделяется вопросам производства 
и технологии твердых сплавов, проблемам, с которыми сталки-
ваются производственники при изготовлении изделий из твер-
дых сплавов.

1.1. История возникновения и развития

1. Твердые сплавы. Возникновение, 

развитие, общая характеристика

Т

вердые сплавы — твердые и износостойкие металличе-
ские материалы, способные сохранять свои свойства 
при 900–1150 °C. В основном изготовляются из высо-

котвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, танта-
ла, хрома, связанных кобальтовой металлической связкой, при 
различном содержании кобальта или никеля.

Твердые сплавы распространены в различных областях про-

мышленности, они служат для изготовления деталей станков, 
машин, кораблей, самолетов, крепежных элементов, строи-
тельных пластин и других изделий, а также их часто использу-
ют при производстве инструмента.

1.1. История возникновения и развития

Первые упоминания о твердых сплавах относятся к 1914 г. 

и связаны с требованиями промышленности по обработке по-
явившихся новых марок сталей. Немецкий специалист Г. Ло-
ман измельчал карбиды в тонкий порошок, прессовал изделия 

1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика

и нагревал их почти до температуры плавления. В Германии 
инженеры В. Фукс и Р. Колец изготовляли образцы из карби-
да вольфрама с добавками железа, хрома, титана методом горя-
чего прессования («тицит»). Патенты Г. Ломана и X. Шретера 
послужили основой для разработки различных марок сплавов, 
одним из первых был сплав «Видиа» фирмы Krupр, состоявший 
из 94 % WС и 6 % Сo. В 1925 г. фирма Osram получила спечен-
ный твердый сплав на основе карбида вольфрама с кобальтом 
по патенту X. Шретера, а в 1926 г. началось промышленное про-
изводство сплавов «Видиа». Инструмент из этого сплава произ-
вел переворот, позволив увеличить скорость резания в металло-
обрабатывающей промышленности в 10–20 раз (в зависимости 
от обрабатываемого материала). С этого момента началось бур-
ное развитие производства твердых сплавов, появились спла-
вы с частичной заменой карбида вольфрама карбидами тита-
на, ниобия, тантала, молибдена [1, c. 6].

В нашей стране возникновение и становление производства 

твердых сплавов связано с именем Г. А. Меерсона, под руко-
водством которого в 1929 г. на Электроламповом заводе были 
получены первые образцы советского твердого сплава «Побе-
дит». Сплав содержал 90 % карбида вольфрама и 10 % кобаль-
та. Он предназначался для изготовления пластин режущего ин-
струмента, волок для протяжки проволоки, вставок и буровых 
коронок для бурения горных пород. В начале 1930-х гг. Мо-
сковский комбинат твердых сплавов (МКТС) по несколько от-
личной технологии под руководством В. Я. Рискина начал вы-
пуск сплава РЭ8 (92 % WС + 8 % Со), послужившего основой 
выпуска целой гаммы отечественных твердых сплавов на осно-
ве систем WС–Сo и WС–TiС–Сo.

В 1939 г. под руководством известного советского ученого 

В. И. Третьякова была разработана и внедрена на МКТС тех-
нология сплава «Рэникс» (WС–Ni), из которого в годы Вели-
кой Отечественной войны изготавливались головки для броне-
бойных снарядов [1, c. 8].

1.1. История возникновения и развития

В послевоенный период во Всесоюзном научно-исследова-

тельском институте тугоплавких сплавов (ВНИИТС), создан-
ном в 1948 г. под руководством В. С. Третьякова, Г. С. Креймера, 
В. А. Ивенсена, были разработаны и внедрены технологии про-
изводства сплавов WС–Сo, WС–TiС–Сo, WС–TiС–TaС–Со, 
TiС (TiN)–Ni–Mo и других составов для резания, перфоратор-
ного бурения горных пород, шарошечного бурения скважин, 
бесстружковой обработки, штамповки, высадки и специаль-
ного назначения.

Советский Союз обладал развитой технологией производ-

ства твердых сплавов: качество марок соответствовало мировым 
стандартам, объем производства занимал второе место в мире 
(после США).

В СССР действовало пять крупных специализированных за-

водов твердых сплавов:

1) Московский комбинат твердых сплавов (МКТС);
2) Кировградский завод твердых сплавов (40 км от Екате-

ринбурга);

3) Завод «Победит» (г. Владикавказ);
4) Комбинат тугоплавких и жаропрочных материалов 

(УзКТЖМ, г. Чирчик, Узбекистан);

5) Днепровский завод твердых сплавов (ДЗТС, г. Светло-

водск, Украина).

На сегодняшний день ввиду экономии остродефицитных 

металлов твердые сплавы заменили инструментальные и бы-
строрежущие стали, нет почти ни одной ведущей отрасли, ко-
торая в той или иной мере не применяла бы спеченные твер-
дые сплавы [2, c. 217].

На сегодня в мире (кроме Китая) насчитывают более 

200 фирм, производящих твердые сплавы или имеющих дочер-
ние предприятия по производству твердосплавной продукции.

Отечественному производству твердых сплавов в юбилей-

ном 2020 г. исполнится 90 лет. За этот период достигнуты зна-
чительные успехи в улучшении существующих и разработке но-

1. Твердые сплавы. Возникновение, развитие, общая характеристика

вых технологий и составов твердых сплавов, освоении методов 
изготовления изделий сложной формы. Наследием исследова-
тельских работ в СССР стал ассортимент сплавов марок Т60 К6, 
В253, ТТ7 К12, ТТ10 К8 А и ТТ10 К8 Б, ТТ8 К6, ТТ20 К9, серия 
сплавов WС–Сo с индексами М, ОМ, ХОМ, В, К, КС, С и др. 
Были разработаны Г. С. Креймером крупнозернистые сплавы 
ВК для обработки горных пород и бурения, а В. А. Ивенсеном — 
особокрупнозернистые сплавы ВК для высадочного и штампо-
вого инструмента (К, С, КС), а также технология пластифици-
рованных заготовок для получения изделий сложной формы.

Большой вклад в развитие отечественного производства 

твердых сплавов внес В. И. Третьяков, под руководством ко-
торого возникли усовершенствованные технологии получения 
полуфабрикатов, вакуумное спекание, безвольфрамовые тан-
талсодержащие сплавы, инструмент с покрытием.

К сожалению, после распада СССР в 1990-х производство 

твердых сплавов пришло в упадок. Сохранению производства 
в России способствовал известный всему миру специалист в об-
ласти твердых сплавов, кандидат технических наук, доцент 
Л. И. Клячко. С его именем связано заметное развитие всего 
отечественного производства твердых сплавов и связи отрас-
левой науки с производством. Сам бывший производственник, 
руководитель крупнейшего производственного объединения 
страны, он прекрасно понимал трудности институтов и заво-
дов, преодолению которых уделял большое внимание [1, с. 8].

1.1.1. Твердые сплавы в нашей стране и за рубежом

Сравнение отечественных сплавов с зарубежными аналогами 

показало более низкую стабильность свойств у наших сплавов, 
что в первую очередь связано с неравномерным распределением 
связующей фазы и большим разбросом по зернистости. Так, 
в среднезернистых сплавах, где в основном должны быть зерна 
фазы WС до 2 мкм, часто встречаются зерна 5–8 мкм и больше.

1.1. История возникновения и развития

С учетом этих факторов следует рассматривать основные направления 
развития твердосплавной промышленности, а именно:

- получение сплавов с заданной зернистостью и структурой;

- 
легирование или изменение состава карбидной составляющей 
твердых сплавов;

- усложнение и изменение состава цементирующей фазы 

сплавов типа ВК, ТК и ТТК;

- разработка безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС);
- конструирование неперетачиваемых пластин (МНП) 

и пластин с износостойким покрытием;

- совершенствование технологии, технологических операций 
и оборудования.

Развитие твердосплавной промышленности идет по двум основным 
направлениям: совершенствование состава и технологии 
существующих твердых сплавов и разработка новых составов 
и технологий.

1.1.2. Последние достижения  

твердосплавной промышленности

В настоящее время в российской твердосплавной промышленности 
проводятся глубокие исследования, связанные с возможностью 
повышения эксплуатационных свойств твердых 
сплавов и расширением сферы их применения. В первую очередь 
эти исследования касаются химического и гранулометрического 
состава смесей RTP (Ready-To-Press). В качестве одного 
из удачных примеров за последнее время можно привести 
сплавы группы ТСН (ТУ 1966–001-00196121-2006), разработанные 
специально для рабочих узлов трения в агрессивных 
кислотных средах. Данная группа является логическим продолжением 
сплавов ВН на никелевой связке, разработанных 
Всероссийским научно-исследовательским институтом твердых 
сплавов. Опытным путем было отмечено, что с уменьшением