Карбід — це найпоширеніший клас інструментальних матеріалів для високошвидкісної обробки (HSM), які виготовляються за допомогою процесів порошкової металургії та складаються з частинок твердого карбіду (зазвичай карбіду вольфраму WC) і більш м’якої металевої зв’язки. В даний час існують сотні цементованих карбідів на основі WC з різними композиціями, більшість з яких використовують кобальт (Co) як сполучну речовину, нікель (Ni) і хром (Cr) також є часто використовуваними сполучними елементами, а також можна додати інші. . деякі легуючі елементи. Чому так багато марок твердих сплавів? Як виробники інструментів вибирають правильний інструментальний матеріал для конкретної операції різання? Щоб відповісти на ці запитання, давайте спочатку розглянемо різні властивості, які роблять твердий сплав ідеальним інструментальним матеріалом.
твердість і міцність
Цементований карбід WC-Co має унікальні переваги як у твердості, так і в’язкості. Карбід вольфраму (WC) за своєю природою дуже твердий (більший, ніж корунд або глинозем), і його твердість рідко зменшується з підвищенням робочої температури. Однак йому не вистачає достатньої міцності, важливої властивості для ріжучих інструментів. Щоб скористатися перевагами високої твердості карбіду вольфраму та підвищити його в’язкість, люди використовують металеві зв’язки для з’єднання карбіду вольфраму разом, так що цей матеріал має твердість, що набагато перевищує твердість швидкорізальної сталі, і водночас він здатний витримувати більшість різань. операції. сила різання. Крім того, він може витримувати високі температури різання, спричинені високошвидкісною обробкою.
Сьогодні майже всі ножі та вставки WC-Co мають покриття, тому роль основного матеріалу здається менш важливою. Але насправді саме високий модуль пружності матеріалу WC-Co (показник жорсткості, який приблизно в три рази перевищує жорсткість швидкорізальної сталі при кімнатній температурі) забезпечує недеформівну основу для покриття. Матриця WC-Co також забезпечує необхідну міцність. Ці властивості є основними властивостями матеріалів WC-Co, але властивості матеріалу також можна адаптувати, регулюючи склад матеріалу та мікроструктуру під час виробництва порошків цементованого карбіду. Таким чином, придатність продуктивності інструменту для конкретної обробки значною мірою залежить від початкового процесу фрезерування.
Процес фрезерування
Порошок карбіду вольфраму отримують цементацією порошку вольфраму (W). Характеристики порошку карбіду вольфраму (особливо його розмір частинок) в основному залежать від розміру частинок сировини, порошку вольфраму, а також температури та часу науглерожування. Хімічний контроль також має вирішальне значення, а вміст вуглецю має підтримуватися постійним (близьким до стехіометричного значення 6,13% за масою). Невелика кількість ванадію та/або хрому може бути додана перед обробкою цементацією, щоб контролювати розмір частинок порошку в подальших процесах. Різні умови подальшого процесу та різні кінцеві способи обробки вимагають певної комбінації розміру частинок карбіду вольфраму, вмісту вуглецю, вмісту ванадію та вмісту хрому, за допомогою якого можна виробляти різноманітні різні порошки карбіду вольфраму. Наприклад, ATI Alldyne, виробник порошку карбіду вольфраму, виробляє 23 стандартні сорти порошку карбіду вольфраму, а різновиди порошку карбіду вольфраму, налаштовані відповідно до вимог користувача, можуть досягати більш ніж у 5 разів більше стандартних сортів порошку карбіду вольфраму.
Під час змішування та подрібнення порошку карбіду вольфраму та металевої зв’язки для отримання певного сорту порошку цементованого карбіду можна використовувати різні комбінації. Найчастіше використовується вміст кобальту 3% – 25% (вагове співвідношення), а в разі необхідності підвищення корозійної стійкості інструменту необхідно додавати нікель і хром. Крім того, металевий зв’язок можна додатково покращити шляхом додавання інших компонентів сплаву. Наприклад, додавання рутенію до цементованого карбіду WC-Co може значно підвищити його ударну в'язкість без зниження його твердості. Збільшення вмісту зв'язуючого також може підвищити в'язкість цементованого карбіду, але це зменшить його твердість.
Зменшення розміру частинок карбіду вольфраму може збільшити твердість матеріалу, але розмір частинок карбіду вольфраму повинен залишатися незмінним під час процесу спікання. Під час спікання частинки карбіду вольфраму об'єднуються та ростуть через процес розчинення та повторного осадження. Під час фактичного процесу спікання, щоб утворити повністю щільний матеріал, металевий зв’язок стає рідким (називається спіканням у рідкій фазі). Швидкість росту частинок карбіду вольфраму можна контролювати, додаючи інші карбіди перехідних металів, включаючи карбід ванадію (VC), карбід хрому (Cr3C2), карбід титану (TiC), карбід танталу (TaC) і карбід ніобію (NbC). Ці карбіди металів зазвичай додають, коли порошок карбіду вольфраму змішують і подрібнюють із металевим зв’язком, хоча карбід ванадію та карбід хрому також можуть утворюватися, коли порошок карбіду вольфраму цементується.
Порошок карбіду вольфраму також можна виготовити з використанням перероблених відходів цементованого карбіду. Переробка та повторне використання твердосплавного брухту має давню історію у промисловості цементованого твердого сплаву та є важливою частиною всього економічного ланцюга галузі, допомагаючи зменшити витрати на матеріали, зберегти природні ресурси та уникнути відходів. Шкідлива утилізація. Металобрухт цементованого карбіду, як правило, можна повторно використовувати за допомогою процесу APT (паравольфрамат амонію), процесу відновлення цинку або дроблення. Ці «перероблені» порошки карбіду вольфраму, як правило, мають кращу, передбачувану щільність, оскільки вони мають меншу площу поверхні, ніж порошки карбіду вольфраму, виготовлені безпосередньо в процесі цементації вольфраму.
Умови обробки змішаного подрібнення порошку карбіду вольфраму та металевої зв’язки також є важливими параметрами процесу. Дві найбільш часто використовувані методи помелу - це кульове подрібнення та мікроподрібнення. Обидва процеси забезпечують рівномірне змішування подрібнених порошків і зменшення розміру частинок. Для того, щоб пізніше спресована заготовка мала достатню міцність, підтримувала форму заготовки та дозволяла оператору або маніпулятору підняти заготовку для роботи, зазвичай необхідно додати органічну зв’язуючу речовину під час шліфування. Хімічний склад цього зв'язку може впливати на щільність і міцність пресованої заготовки. Щоб полегшити транспортування, доцільно додавати високоміцні в’яжучі, але це призводить до меншої щільності ущільнення та може утворювати грудки, які можуть спричинити дефекти кінцевого продукту.
Після подрібнення порошок зазвичай сушать розпиленням для отримання сипких агломератів, які утримуються разом органічними зв’язуючими. Регулюючи склад органічного сполучного, сипучість і щільність заряду цих агломератів можна пристосувати за бажанням. Відсіюючи більш грубі або дрібні частинки, розподіл розмірів частинок агломерату можна додатково адаптувати для забезпечення хорошого потоку при завантаженні в порожнину форми.
Виготовлення заготовок
Твердосплавні заготовки можна формувати різноманітними методами. Залежно від розміру заготовки, рівня складності форми та партії виробництва більшість ріжучих пластин формуються за допомогою жорстких штампів з верхнім і нижнім тиском. Щоб підтримувати постійність ваги та розміру заготовки під час кожного пресування, необхідно переконатися, що кількість порошку (маса та об’єм), що надходить у порожнину, є точно однаковою. Плинність порошку в основному контролюється розподілом розмірів агломератів і властивостями органічного сполучного. Формовані заготовки (або «заготовки») формуються шляхом застосування тиску формування 10-80 ksi (кілофунтів на квадратний фут) до порошку, завантаженого в порожнину форми.
Навіть під надзвичайно високим тиском формування тверді частинки карбіду вольфраму не деформуються або не ламаються, але органічна сполучна вдавлюється в проміжки між частинками карбіду вольфраму, таким чином фіксуючи положення частинок. Чим вищий тиск, тим щільніше з’єднання частинок карбіду вольфраму і тим більша щільність ущільнення заготовки. Формувальні властивості сортів порошку цементованого карбіду можуть відрізнятися залежно від вмісту металевої зв’язуючої речовини, розміру та форми частинок карбіду вольфраму, ступеня агломерації, а також складу та додавання органічної зв’язуючої речовини. Для того, щоб надати кількісну інформацію про властивості ущільнення марок порошків цементованого карбіду, співвідношення між щільністю формування та тиском формування зазвичай проектується та створюється виробником порошку. Ця інформація гарантує, що порошок, що постачається, сумісний із процесом формування виробника інструменту.
Твердосплавні заготовки великих розмірів або твердосплавні заготовки з високим співвідношенням сторін (такі як хвостовики для торцевих фрез і свердел) зазвичай виготовляються з рівномірно спресованих сортів твердосплавного порошку в гнучкому мішку. Хоча виробничий цикл методу збалансованого пресування довший, ніж методу формування, вартість виготовлення інструменту нижча, тому цей метод більше підходить для дрібносерійного виробництва.
Цей метод процесу полягає в тому, щоб помістити порошок у мішок і запечатати горловину мішка, а потім помістити мішок, наповнений порошком, у камеру та застосувати тиск 30-60ksi через гідравлічний пристрій для пресування. Пресовані заготовки часто обробляються до певної геометрії перед спіканням. Розмір мішка збільшено, щоб врахувати усадку заготовки під час ущільнення та забезпечити достатній запас для операцій шліфування. Оскільки після пресування заготівлю потрібно обробляти, вимоги до консистенції засипки не такі суворі, як при формуванні, але все ж бажано стежити, щоб кожен раз в мішок завантажувалася однакова кількість порошку. Якщо щільність зарядки порошку занадто мала, це може призвести до недостатньої кількості порошку в мішку, що призведе до того, що заготовка буде занадто маленькою та її доведеться утилізувати. Якщо щільність завантаження порошку занадто висока, а порошку, завантаженого в мішок, занадто багато, заготовку потрібно обробити, щоб видалити більше порошку після її пресування. Хоча видалений надлишок порошку та заготовки можна переробити, це знижує продуктивність.
Твердосплавні заготовки також можна формувати за допомогою екструзійних або інжекційних штампів. Процес екструзії більше підходить для масового виробництва заготовок осесиметричної форми, тоді як процес лиття під тиском зазвичай використовується для масового виробництва заготовок складної форми. В обох процесах формування сорти порошку цементованого карбіду суспендуються в органічному зв’язуючому, що надає суміші цементованого карбіду консистенцію зубної пасти. Потім суміш або екструдується через отвір, або вводиться в порожнину для формування. Характеристики сорту порошку цементованого карбіду визначають оптимальне співвідношення порошку до сполучного в суміші та мають важливий вплив на текучість суміші через екструзійний отвір або впорскування в порожнину.
Після формування заготовки шляхом формування, ізостатичного пресування, екструзії або лиття під тиском органічну сполучну речовину необхідно видалити з заготовки перед остаточним етапом спікання. Спікання усуває пористість заготовки, роблячи її повністю (або значною мірою) щільною. Під час спікання металевий зв’язок у сформованій заготовці стає рідкою, але заготівля зберігає свою форму під дією капілярних сил і з’єднання частинок.
Після спікання геометрія заготовки залишається незмінною, але розміри зменшуються. Щоб отримати необхідний розмір заготовки після спікання, при проектуванні інструменту необхідно враховувати швидкість усадки. Сорт твердосплавного порошку, який використовується для виготовлення кожного інструменту, повинен мати правильну усадку при пресуванні під відповідним тиском.
Майже у всіх випадках необхідна обробка спеченої заготовки після спікання. Найелементарнішою обробкою ріжучих інструментів є заточування ріжучої кромки. Багато інструментів потребують шліфування їх геометрії та розмірів після спікання. Деякі інструменти вимагають верхнього і нижнього шліфування; інші вимагають периферійного шліфування (з або без заточування ріжучої кромки). Уся твердосплавна стружка від шліфування може бути перероблена.
Покриття заготовки
У багатьох випадках на готову заготовку необхідно нанести покриття. Покриття забезпечує змащувальну здатність і підвищену твердість, а також дифузійний бар'єр для основи, запобігаючи окисленню при впливі високих температур. Підкладка з цементованого карбіду має вирішальне значення для якості покриття. Окрім налаштування основних властивостей порошку матриці, властивості поверхні матриці також можна налаштувати шляхом хімічного вибору та зміни методу спікання. Завдяки міграції кобальту, більше кобальту може бути збагачено в самому зовнішньому шарі поверхні леза в межах товщини 20-30 мкм відносно решти заготовки, тим самим надаючи поверхні підкладки кращу міцність і в'язкість, роблячи її більш міцною. стійкий до деформації.
Виходячи з власного виробничого процесу (наприклад, метод депарафінізації, швидкість нагрівання, час спікання, температура та напруга цементації), виробник інструменту може мати деякі спеціальні вимоги до сорту використовуваного порошку цементованого карбіду. Деякі виробники інструментів можуть спікати заготовку у вакуумній печі, тоді як інші можуть використовувати піч для спікання з гарячим ізостатичним пресуванням (HIP) (яка створює тиск на заготовку наприкінці технологічного циклу для видалення будь-яких залишків). Заготовки, спечені у вакуумній печі, також може потребувати гарячого ізостатичного пресування за допомогою додаткового процесу для збільшення щільності заготовки. Деякі виробники інструментів можуть використовувати більш високі температури спікання у вакуумі, щоб збільшити спечену щільність сумішей із меншим вмістом кобальту, але такий підхід може огрубити їх мікроструктуру. Щоб зберегти дрібний розмір зерна, можна вибрати порошки з меншим розміром частинок карбіду вольфраму. Щоб відповідати конкретному виробничому обладнанню, умови депарафінізації та напруга цементації також мають різні вимоги до вмісту вуглецю в порошку цементованого карбіду.
Класифікація сортів
Комбіновані зміни різних типів порошку карбіду вольфраму, складу суміші та вмісту металевої зв’язуючої речовини, типу та кількості інгібітора росту зерен тощо становлять різноманітність сортів цементованого карбіду. Ці параметри будуть визначати мікроструктуру цементованого карбіду та його властивості. Деякі конкретні комбінації властивостей стали пріоритетними для деяких конкретних застосувань обробки, що робить доцільним класифікувати різні марки цементованого карбіду.
Дві системи класифікації твердих сплавів, які найчастіше використовуються для обробки, - це система позначення C і система позначення ISO. Хоча жодна система не відображає повністю властивості матеріалу, які впливають на вибір марок твердого сплаву, вони є відправною точкою для обговорення. Для кожної класифікації багато виробників мають власні спеціальні марки, що призводить до широкого розмаїття марок твердих сплавів.
Тверді сплави також можна класифікувати за складом. Карбід вольфраму (WC) можна розділити на три основні типи: простий, мікрокристалічний і легований. Симплексні сорти складаються переважно з карбіду вольфраму та кобальту, але також можуть містити невеликі кількості інгібіторів росту зерна. Мікрокристалічний сорт складається з карбіду вольфраму та кобальтового сполучного, доданого кількох тисячних часток карбіду ванадію (VC) і (або) карбіду хрому (Cr3C2), а його розмір зерен може досягати 1 мкм або менше. Сплави складаються з карбіду вольфраму та кобальту, що містить кілька відсотків карбіду титану (TiC), карбіду танталу (TaC) і карбіду ніобію (NbC). Ці добавки також відомі як кубічні карбіди через їх властивості спікання. Отримана мікроструктура демонструє неоднорідну трифазну структуру.
1) Прості марки твердих сплавів
Ці марки для різання металу зазвичай містять від 3% до 12% кобальту (за вагою). Діапазон розмірів зерен карбіду вольфраму зазвичай становить 1-8 мкм. Як і в інших сортах, зменшення розміру частинок карбіду вольфраму підвищує його твердість і міцність на поперечний розрив (TRS), але знижує його в’язкість. Твердість чистого типу зазвичай між HRA89-93,5; міцність на поперечний розрив зазвичай становить 175-350ksi. Порошки цих сортів можуть містити велику кількість перероблених матеріалів.
Оцінки простого типу можна розділити на C1-C4 у системі оцінок C і класифікувати відповідно до серії оцінок K, N, S та H у системі оцінок ISO. Симплексні марки з проміжними властивостями можуть бути класифіковані як марки загального призначення (такі як C2 або K20) і можуть використовуватися для точіння, фрезерування, стругання та розточування; марки з меншим розміром зерна або меншим вмістом кобальту та вищою твердістю можуть бути класифіковані як фінішні (наприклад, C4 або K01); марки з більшим розміром зерна або вищим вмістом кобальту та кращою в'язкістю можуть бути класифіковані як марки для чорнової обробки (такі як C1 або K30).
Інструменти марки Simplex можна використовувати для обробки чавуну, нержавіючої сталі серії 200 і 300, алюмінію та інших кольорових металів, суперсплавів і загартованої сталі. Ці марки також можна використовувати для різання неметалів (наприклад, як інструменти для буріння гірських порід і геологічного буріння), і ці марки мають діапазон розміру зерен 1,5-10 мкм (або більше) і вміст кобальту 6%-16%. Ще одне використання простих марок твердих сплавів у неметалевому різанні – це виготовлення матриць і пуансонів. Ці сорти зазвичай мають середній розмір зерна з вмістом кобальту 16%-30%.
(2) Мікрокристалічний твердий сплав
Такі марки зазвичай містять 6-15% кобальту. Під час рідкофазного спікання додавання карбіду ванадію та/або карбіду хрому може контролювати ріст зерна для отримання дрібнозернистої структури з розміром частинок менше 1 мкм. Цей дрібнозернистий сорт має дуже високу твердість і міцність на поперечний розрив понад 500 фунтів на квадратний дюйм. Поєднання високої міцності та достатньої в’язкості дозволяє цим маркам використовувати більший додатний передній кут, що зменшує сили різання та утворює тоншу стружку шляхом різання, а не штовхання металевого матеріалу.
Завдяки суворій ідентифікації якості різноманітної сировини у виробництві сортів порошку цементованого карбіду та суворому контролю умов процесу спікання, щоб запобігти утворенню аномально великих зерен у мікроструктурі матеріалу, можна отримати відповідні властивості матеріалу. Для того, щоб розмір зерна був малим і рівномірним, перероблений перероблений порошок слід використовувати лише за умови повного контролю сировини та процесу відновлення, а також ретельного тестування якості.
Мікрокристалічні сорти можуть бути класифіковані відповідно до серії сортів М у системі класів ISO. Крім того, інші методи класифікації в системі оцінок C і системі оцінок ISO такі самі, як і чисті оцінки. Мікрокристалічні сорти можна використовувати для виготовлення інструментів, які ріжуть м’які матеріали заготовок, оскільки поверхню інструменту можна обробити дуже гладкою та зберігати надзвичайно гостру ріжучу кромку.
Мікрокристалічні марки також можна використовувати для обробки суперсплавів на основі нікелю, оскільки вони можуть витримувати температуру різання до 1200°C. Для обробки суперсплавів та інших спеціальних матеріалів використання мікрокристалічних інструментів і чистих інструментів, що містять рутеній, може одночасно підвищити їх зносостійкість, стійкість до деформації та міцність. Мікрокристалічні марки також придатні для виготовлення обертових інструментів, таких як свердла, які створюють напругу зсуву. Існує свердло з композиційних марок твердого сплаву. В окремих частинах одного і того ж свердла вміст кобальту в матеріалі змінюється, тому твердість і міцність свердла оптимізуються відповідно до потреб обробки.
(3) Марки твердого сплаву типу сплаву
Ці марки в основному використовуються для різання сталевих деталей, і їх вміст кобальту зазвичай становить 5%-10%, а розмір зерна коливається від 0,8-2 мкм. Додавши 4%-25% карбіду титану (TiC), можна зменшити схильність карбіду вольфраму (WC) дифундувати на поверхню сталевої стружки. Міцність інструменту, стійкість до кратерного зношування та стійкість до термічного удару можна покращити, додавши до 25% карбіду танталу (TaC) і карбіду ніобію (NbC). Додавання таких кубічних карбідів також збільшує червону твердість інструменту, допомагаючи уникнути термічної деформації інструменту під час важкого різання або інших операцій, де ріжуча кромка створює високі температури. Крім того, карбід титану може створювати центри зародження під час спікання, покращуючи рівномірність розподілу кубічного карбіду в заготовці.
Загалом, діапазон твердості марок цементованого карбіду типу сплаву становить HRA91-94, а міцність на поперечний розрив становить 150-300ksi. У порівнянні з чистими марками сплави мають низьку зносостійкість і меншу міцність, але мають кращу стійкість до адгезійного зношування. Марки сплавів можна розділити на C5-C8 у системі класів C і класифікувати відповідно до серії марок P і M у системі класів ISO. Сплави з проміжними властивостями можуть бути класифіковані як марки загального призначення (такі як C6 або P30) і можуть використовуватися для точіння, нарізання різьби, стругання та фрезерування. Найтвердіші сплави можна класифікувати як фінішні сплави (такі як C8 і P01) для чистового точіння та розточування. Ці марки зазвичай мають менший розмір зерен і нижчий вміст кобальту для отримання необхідної твердості та зносостійкості. Однак подібні властивості матеріалу можна отримати, додавши більше кубічних карбідів. Сплави з найвищою в'язкістю можна класифікувати як види для чорнової обробки (наприклад, C5 або P50). Ці марки, як правило, мають середній розмір зерна та високий вміст кобальту з низьким додаванням кубічних карбідів для досягнення бажаної ударної в’язкості шляхом пригнічення розвитку тріщин. У перерваних операціях точіння продуктивність різання можна додатково покращити, використовуючи вищезазначені марки з високим вмістом кобальту на поверхні інструменту.
Сплави з меншим вмістом карбіду титану використовуються для обробки нержавіючої сталі та ковкого чавуну, але також можуть використовуватися для обробки кольорових металів, таких як суперсплави на основі нікелю. Розмір зерна цих сортів зазвичай менше 1 мкм, а вміст кобальту становить 8%-12%. Більш тверді марки, такі як М10, можна використовувати для точіння ковкого чавуну; міцніші марки, такі як M40, можна використовувати для фрезерування та стругання сталі або для точіння нержавіючої сталі чи суперсплавів.
Тверді сплави легованого типу також можна використовувати для різання неметалів, головним чином для виготовлення зносостійких деталей. Розмір частинок цих марок зазвичай становить 1,2-2 мкм, а вміст кобальту становить 7-10%. При виробництві цих марок зазвичай додається високий відсоток переробленої сировини, що забезпечує високу економічну ефективність у застосуванні деталей, що зношуються. Деталі, що зношуються, вимагають хорошої стійкості до корозії та високої твердості, яку можна отримати шляхом додавання карбіду нікелю та хрому при виробництві цих марок.
Щоб задовольнити техніко-економічні вимоги виробників інструменту, твердосплавний порошок є ключовим елементом. Порошки, розроблені для обробного обладнання виробників інструменту, і параметри процесу забезпечують ефективність готової заготовки та створили сотні марок твердих сплавів. Твердосплавні матеріали, які підлягають повторній переробці, і можливість працювати безпосередньо з постачальниками порошків дозволяють виробникам інструментів ефективно контролювати якість продукції та витрати на матеріали.
Час публікації: 18 жовтня 2022 р
