Твердосплавний сплав – це найпоширеніший клас інструментальних матеріалів для високошвидкісної обробки (HSM), які виготовляються методами порошкової металургії та складаються з твердих карбідних частинок (зазвичай карбіду вольфраму WC) та м'якшого металевого зв'язуючого складу. Наразі існують сотні твердосплавних сплавів на основі WC з різним складом, більшість з яких використовують кобальт (Co) як сполучну речовину, нікель (Ni) та хром (Cr) також є поширеними сполучними елементами, а також можуть бути додані деякі легуючі елементи. Чому існує так багато марок твердих сплавів? Як виробники інструментів вибирають правильний інструментальний матеріал для конкретної операції різання? Щоб відповісти на ці питання, давайте спочатку розглянемо різні властивості, які роблять твердосплавний сплав ідеальним інструментальним матеріалом.
твердість і міцність
Твердосплавний сплав WC-Co має унікальні переваги як у твердості, так і в'язкості. Карбід вольфраму (WC) за своєю суттю дуже твердий (більш твердий, ніж корунд або оксид алюмінію), і його твердість рідко зменшується зі збільшенням робочої температури. Однак йому бракує достатньої в'язкості, що є важливою властивістю для ріжучих інструментів. Щоб скористатися високою твердістю карбіду вольфраму та покращити його в'язкість, люди використовують металеві зв'язки для з'єднання карбіду вольфраму разом, завдяки чому цей матеріал має твердість, яка значно перевищує твердість швидкорізальної сталі, здатний витримувати більшість операцій 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 втричі перевищує жорсткість швидкорізальної сталі за кімнатної температури) забезпечує недеформовану основу для покриття. Матриця WC-Co також забезпечує необхідну в'язкість. Ці властивості є основними властивостями матеріалів WC-Co, але властивості матеріалу також можна коригувати, регулюючи склад матеріалу та мікроструктуру під час виробництва порошків твердого сплаву. Тому придатність інструменту для конкретної обробки значною мірою залежить від початкового процесу фрезерування.
Процес фрезерування
Порошок карбіду вольфраму отримують шляхом цементації порошку вольфраму (W). Характеристики порошку карбіду вольфраму (особливо розмір його частинок) головним чином залежать від розміру частинок сировини – вольфрамового порошку, а також від температури та часу цементації. Хімічний контроль також є критично важливим, і вміст вуглецю повинен підтримуватися постійним (близьким до стехіометричного значення 6,13% за вагою). Невелику кількість ванадію та/або хрому можна додати перед цементацією, щоб контролювати розмір частинок порошку в наступних процесах. Різні умови подальшого процесу та різні способи кінцевої обробки вимагають певного поєднання розміру частинок карбіду вольфраму, вмісту вуглецю, вмісту ванадію та вмісту хрому, за допомогою яких можна виробляти різноманітні порошки карбіду вольфраму. Наприклад, ATI Alldyne, виробник порошків карбіду вольфраму, виробляє 23 стандартні марки порошку карбіду вольфраму, а різновиди порошку карбіду вольфраму, налаштовані відповідно до вимог користувача, можуть досягати більш ніж 5 разів більших, ніж у стандартних марок порошку карбіду вольфраму.
Під час змішування та подрібнення порошку карбіду вольфраму та металевої зв'язки для отримання порошку твердосплавного сплаву певного сорту можна використовувати різні комбінації. Найчастіше використовується вміст кобальту від 3% до 25% (вагове співвідношення), а у разі потреби підвищення корозійної стійкості інструменту необхідно додати нікель та хром. Крім того, металеву зв'язку можна додатково покращити, додавши інші компоненти сплаву. Наприклад, додавання рутенію до твердосплавного сплаву WC-Co може значно покращити його в'язкість, не зменшуючи твердості. Збільшення вмісту зв'язки також може покращити в'язкість твердосплавного сплаву, але 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 завдяки процесу розчинення та повторного осадження. У процесі спікання, для утворення повністю щільного матеріалу, металевий зв'язок стає рідким (це називається рідкофазним спіканням). Швидкість зростання частинок карбіду вольфраму можна контролювати, додаючи інші карбіди перехідних металів, включаючи карбід ванадію (VC), карбід хрому (Cr3C2), карбід титану (TiC), карбід танталу (TaC) та карбід ніобію (NbC). Ці карбіди металів зазвичай додаються, коли порошок карбіду вольфраму змішується та подрібнюється з металевим зв'язком, хоча карбід ванадію та карбід хрому також можуть утворюватися під час цементації порошку карбіду вольфраму.
Порошок карбіду вольфраму також можна виготовляти з використанням перероблених відходів твердосплавних матеріалів. Переробка та повторне використання брухту карбіду має довгу історію в галузі виробництва твердосплавних матеріалів і є важливою частиною всього економічного ланцюга галузі, допомагаючи знизити витрати на матеріали, заощадити природні ресурси та уникнути утворення відходів. Шкідлива утилізація. Брухт твердосплавного металу, як правило, можна повторно використовувати за допомогою процесу APT (паравольфрамат амонію), процесу відновлення цинку або шляхом подрібнення. Ці «перероблені» порошки карбіду вольфраму, як правило, мають краще та передбачуване ущільнення, 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 вирішальними параметрами процесу. Двома найпоширенішими методами подрібнення є кульове подрібнення та мікроподрібнення. Обидва процеси забезпечують рівномірне змішування подрібнених порошків та зменшення розміру частинок. Щоб пізніше пресована заготовка мала достатню міцність, зберігала форму заготовки та дозволяла оператору або маніпулятору піднімати заготовку для роботи, зазвичай необхідно додавати органічну зв'язувальну речовину під час подрібнення. Хімічний склад цієї зв'язуючої речовини може впливати на щільність та міцність пресованої заготовки. Для полегшення обробки доцільно додавати високоміцні зв'язувальні речовини, але це призводить до зниження щільності ущільнення та може утворювати грудочки, які можуть спричинити дефекти кінцевого продукту.
Після подрібнення порошок зазвичай сушать розпиленням для отримання сипучих агломератів, що скріплюються органічними зв'язуючими речовинами. Регулюючи склад органічного зв'язуючого, можна регулювати плинність та щільність заряду цих агломератів за потреби. Відсіюючи грубіші або дрібніші частинки, можна додатково скоригувати розподіл частинок агломерату за розмірами, щоб забезпечити хороший плин під час завантаження у порожнину форми.
Виготовлення заготовок
Твердосплавні заготовки можна формувати різними технологічними методами. Залежно від розміру заготовки, рівня складності форми та виробничої партії, більшість ріжучих вставок формуються за допомогою жорстких штампів з верхнім та нижнім тиском. Щоб підтримувати стабільність ваги та розміру заготовки під час кожного пресування, необхідно забезпечити, щоб кількість порошку (маса та об'єм), що надходить у порожнину, була абсолютно однаковою. Текучість порошку головним чином контролюється розподілом агломератів за розмірами та властивостями органічного сполучного речовини. 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 та не ламаються, але органічна зв'язуюча речовина втискається в проміжки між частинками карбіду вольфраму, тим самим фіксуючи положення частинок. Чим вищий тиск, тим міцніше зчеплення частинок карбіду вольфраму та тим більша щільність ущільнення заготовки. Формувальні властивості різних марок порошку твердого сплаву можуть змінюватися залежно від вмісту металевого зв'язуючого, розміру та форми частинок карбіду вольфраму, ступеня агломерації, а також складу та додавання органічного зв'язуючого речовини. Для отримання кількісної інформації про характеристики ущільнення різних марок порошків твердого сплаву, виробник порошку зазвичай розробляє та встановлює зв'язок між щільністю формування та тиском формування. Ця інформація гарантує, що поставлений порошок сумісний з процесом формування виробника інструменту.
Великі твердосплавні заготовки або твердосплавні заготовки з високим співвідношенням сторін (такі як хвостовики для кінцевих фрез та свердел) зазвичай виготовляються з рівномірно пресованих марок твердосплавного порошку в гнучкому мішку. Хоча виробничий цикл методу збалансованого пресування довший, ніж у методу лиття під тиском, вартість виготовлення інструменту нижча, тому цей метод більше підходить для дрібносерійного виробництва.
Цей метод полягає в тому, щоб помістити порошок у мішок, запечатати горловину мішка, а потім помістити мішок, повний порошку, в камеру та застосувати тиск 30-60 тис. дюйм за допомогою гідравлічного пристрою для пресування. Пресовані заготовки часто обробляються до певної геометрії перед спіканням. Розмір мішка збільшується, щоб врахувати усадку заготовки під час пресування та забезпечити достатній запас для шліфування. Оскільки заготовку необхідно обробляти після пресування, вимоги до послідовності завантаження не такі суворі, як у методі лиття, але все ж бажано забезпечити, щоб щоразу в мішок завантажувалася однакова кількість порошку. Якщо щільність завантаження порошку занадто мала, це може призвести до недостатньої кількості порошку в мішку, що призведе до того, що заготовка буде занадто малою та її доведеться утилізувати. Якщо щільність завантаження порошку занадто висока, а порошку, завантаженого в мішок, забагато, заготовку необхідно обробити, щоб видалити більше порошку після пресування. Хоча надлишок видаленого порошку та утилізовану заготовку можна переробити, це знижує продуктивність.
Твердосплавні заготовки також можна формувати за допомогою екструзійних або литтєвих штампів. Процес екструзійного лиття 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 лиття різні марки порошку твердосплавного сплаву суспендуються в органічному зв'язувальному речовині, що надає твердосплавній суміші консистенції, схожої на зубну пасту. Потім суміш або екструдують через отвір, або впорскують у порожнину для формування. Характеристики марки порошку твердосплавного сплаву визначають оптимальне співвідношення порошку та зв'язуючої речовини в суміші та мають важливий вплив на плинність суміші через екструзійний отвір або впорскування в порожнину.
Після того, як заготовка сформована литтям під тиском, ізостатичним пресуванням, екструзією або литтям під тиском, органічну зв'язувальну речовину необхідно видалити з заготовки перед завершальним етапом спікання. Спікання усуває пористість заготовки, роблячи її повністю (або суттєво) щільною. Під час спікання металевий зв'язок у пресованій заготовці стає рідким, але заготовка зберігає свою форму під дією капілярних сил та зв'язку частинок.
Після спікання геометрія заготовки залишається незмінною, але розміри зменшуються. Щоб отримати необхідний розмір заготовки після спікання, під час проектування інструменту необхідно враховувати коефіцієнт усадки. Марка твердосплавного порошку, що використовується для виготовлення кожного інструменту, повинна бути розрахована таким чином, щоб мати правильну усадку при пресуванні під відповідним тиском.
Майже у всіх випадках потрібна обробка спеченої заготовки після спікання. Найпростішою обробкою ріжучих інструментів є загострення ріжучої кромки. Багато інструментів потребують шліфування їхньої геометрії та розмірів після спікання. Деякі інструменти потребують верхнього та нижнього шліфування; інші потребують периферійного шліфування (із загостренням ріжучої кромки або без нього). Всю твердосплавну стружку від шліфування можна переробити.
Покриття заготовки
У багатьох випадках готову заготовку потрібно покривати. Покриття забезпечує змащувальну здатність та підвищену твердість, а також дифузійний бар'єр для основи, запобігаючи окисленню під впливом високих температур. Підкладка з твердого сплаву має вирішальне значення для характеристик покриття. Окрім налаштування основних властивостей порошкової матриці, поверхневі властивості матриці також можна змінювати шляхом хімічного підбору та зміни методу спікання. Завдяки міграції кобальту, зовнішній шар поверхні лопаті товщиною 20-30 мкм може бути збагачений більшою кількістю кобальту відносно решти заготовки, тим самим надаючи поверхні основи кращу міцність та в'язкість, роблячи її більш стійкою до деформації.
Виходячи з власного виробничого процесу (такого як метод депарафінізації, швидкість нагрівання, час спікання, температура та напруга цементації), виробник інструменту може мати деякі особливі вимоги до марки порошку твердосплавного сплаву, що використовується. Деякі виробники інструментів можуть спікати заготовку у вакуумній печі, тоді як інші можуть використовувати піч для спікання гарячим ізостатичним пресуванням (HIP) (яка створює тиск у заготовці ближче до кінця технологічного циклу для видалення будь-яких залишків (пори). Заготовки, спечені у вакуумній печі, також можуть потребувати додаткового процесу гарячого ізостатичного пресування для збільшення щільності заготовки. Деякі виробники інструментів можуть використовувати вищі температури вакуумного спікання для збільшення щільності спечених сумішей з нижчим вмістом кобальту, але такий підхід може зробити їх мікроструктуру грубою. Для підтримки дрібного розміру зерна можна вибирати 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 твердосплавного сплаву.
Класифікація сортів
Зміни комбінацій різних типів порошків карбіду вольфраму, складу суміші та вмісту металевого зв'язуючого, типу та кількості інгібітора росту зерна тощо, утворюють різноманітні марки твердого сплаву. Ці параметри визначають мікроструктуру твердого сплаву та його властивості. Деякі специфічні комбінації властивостей стали пріоритетними для деяких конкретних застосувань обробки, що робить класифікацію різних марок твердого сплаву доцільною.
Дві найпоширеніші системи класифікації карбідів для обробки – це система позначень C та система позначень ISO. Хоча жодна з систем повністю не відображає властивості матеріалу, які впливають на вибір марок твердого сплаву, вони є відправною точкою для обговорення. Для кожної класифікації багато виробників мають свої власні спеціальні марки, що призводить до широкого розмаїття марок карбіду.
Карбідні марки також можна класифікувати за складом. Карбідні марки вольфраму (WC) можна розділити на три основні типи: прості, мікрокристалічні та леговані. Симплексні марки складаються переважно з карбіду вольфраму та кобальтових зв'язуючих речовин, але також можуть містити невелику кількість інгібіторів росту зерен. Мікрокристалічна марка складається з карбіду вольфраму та кобальтового зв'язуючого, до якого додано кілька тисячних часток карбіду ванадію (VC) та (або) карбіду хрому (Cr3C2), а розмір її зерна може досягати 1 мкм або менше. Леговані марки складаються з карбіду вольфраму та кобальтових зв'язуючих речовин, що містять кілька відсотків карбіду титану (TiC), карбіду танталу (TaC) та 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 від 1 до 8 мкм. Як і у випадку з іншими марками, зменшення розміру частинок карбіду вольфраму збільшує його твердість та поперечну міцність на розрив (TRS), але знижує його в'язкість. Твердість чистого типу зазвичай становить від HRA89 до 93,5; поперечна міцність на розрив зазвичай становить від 175 до 350 ksi. Порошки цих марок можуть містити велику кількість перероблених матеріалів.
Прості марки сталі можна розділити на C1-C4 у системі класів C, а також класифікувати відповідно до серій класів K, N, S та H у системі класів ISO. Прості марки сталі з проміжними властивостями можна класифікувати як марки загального призначення (такі як C2 або K20) і використовувати для токарної, фрезерної, стругальної та розточувальної обробки; марки з меншим розміром зерна або меншим вмістом кобальту та вищою твердістю можна класифікувати як чистові марки (такі як C4 або K01); марки з більшим розміром зерна або вищим вмістом кобальту та кращою в'язкістю можна класифікувати як чорнові марки (такі як C1 або K30).
Інструменти, виготовлені з марок Simplex, можна використовувати для обробки чавуну, нержавіючої сталі серій 200 та 300, алюмінію та інших кольорових металів, суперсплавів та загартованих сталей. Ці марки також можна використовувати в різанні неметалів (наприклад, як інструменти для буріння гірських порід та геології), і ці марки мають діапазон розмірів зерна 1,5-10 мкм (або більше) та вміст кобальту 6%-16%. Ще одне застосування простих твердосплавних марок для різання неметалів - це виробництво штампів та пуансонів. Ці марки зазвичай мають середній розмір зерна з вмістом кобальту 16%-30%.
(2) Мікрокристалічні марки твердого сплаву
Такі марки зазвичай містять 6%-15% кобальту. Під час рідкофазного спікання додавання карбіду ванадію та/або карбіду хрому може контролювати ріст зерна, отримуючи дрібнозернисту структуру з розміром частинок менше 1 мкм. Ця дрібнозерниста марка має дуже високу твердість та поперечну міцність на розрив понад 500 ksi. Поєднання високої міцності та достатньої в'язкості дозволяє цим маркам використовувати більший позитивний передній кут, що зменшує сили різання та утворює тоншу стружку шляхом різання, а не продавлювання металевого матеріалу.
Завдяки суворій ідентифікації якості різних видів сировини у виробництві марок порошку твердого сплаву та суворому контролю умов процесу спікання для запобігання утворенню аномально великих зерен у мікроструктурі матеріалу, можна отримати відповідні властивості матеріалу. Щоб зберегти малий та однорідний розмір зерен, перероблений порошок слід використовувати лише за умови повного контролю сировини та процесу відновлення, а також проведення ретельних випробувань якості.
Мікрокристалічні марки сталі можна класифікувати відповідно до серії марок M у системі марок ISO. Крім того, інші методи класифікації в системі марок C та системі марок ISO такі ж, як і для чистих марок. Мікрокристалічні марки можна використовувати для виготовлення інструментів, які ріжуть м'які матеріали заготовок, оскільки поверхня інструменту може бути дуже гладкою та може підтримувати надзвичайно гостру ріжучу кромку.
Мікрокристалічні марки також можна використовувати для обробки надсплавів на основі нікелю, оскільки вони можуть витримувати температури різання до 1200°C. Для обробки надсплавів та інших спеціальних матеріалів використання інструментів мікрокристалічних марок та інструментів чистих марок, що містять рутеній, може одночасно покращити їхню зносостійкість, стійкість до деформації та в'язкість. Мікрокристалічні марки також підходять для виготовлення обертових інструментів, таких як свердла, що створюють напругу зсуву. Існує свердло, виготовлене з композитних марок твердого сплаву. У певних частинах одного й того ж свердла вміст кобальту в матеріалі змінюється, завдяки чому твердість і в'язкість свердла оптимізуються відповідно до потреб обробки.
(3) Сплави твердосплавних марок
Ці марки в основному використовуються для різання сталевих деталей, вміст кобальту в них зазвичай становить 5%-10%, а розмір зерна коливається від 0,8 до 2 мкм. Додаючи 4%-25% карбіду титану (TiC), можна зменшити тенденцію карбіду вольфраму (WC) до дифузії до поверхні сталевої стружки. Міцність інструменту, стійкість до кратерного зносу та стійкість до теплових ударів можна покращити, додавши до 25% карбіду танталу (TaC) та карбіду ніобію (NbC). Додавання таких кубічних карбідів також підвищує червону твердість інструменту, допомагаючи уникнути термічної деформації інструменту під час важкого різання або інших операцій, де ріжуча кромка генеруватиме високі температури. Крім того, карбід титану може забезпечити центри зародкоутворення під час спікання, покращуючи рівномірність розподілу кубічного карбіду в заготовці.
Загалом, діапазон твердості сплавів твердих сплавів становить HRA91-94, а поперечна міцність на злам становить 150-300 ksi. Порівняно з чистими сплавами, сплави мають низьку зносостійкість і нижчу міцність, але кращу стійкість до адгезійного зношування. Сплави можна розділити на C5-C8 у системі класів C, а також класифікувати відповідно до серій класів P і M у системі класів ISO. Сплави з проміжними властивостями можна класифікувати як загального призначення (такі як C6 або P30) і використовувати для токарної обробки, нарізання різьби, стругання та фрезерування. Найтвердіші сплави можна класифікувати як чистові (такі як C8 та P01) для чистового токарного та розточувального різання. Ці сплави зазвичай мають менший розмір зерна та нижчий вміст кобальту для отримання необхідної твердості та зносостійкості. Однак, подібні властивості матеріалу можна отримати, додаючи більше кубічних карбідів. Сплави з найвищою в'язкістю можна класифікувати як чорнові (наприклад, C5 або P50). Ці марки сталі зазвичай мають середній розмір зерна та високий вміст кобальту, з низьким вмістом кубічних карбідів для досягнення бажаної в'язкості шляхом запобігання росту тріщин. При переривчастому точінні продуктивність різання можна додатково покращити, використовуючи вищезгадані марки сталі, багаті на кобальт, з вищим вмістом кобальту на поверхні інструменту.
Сплави з нижчим 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 марок зазвичай менше 1 мкм, а вміст кобальту становить 8%-12%. Твердіші марки, такі як M10, можна використовувати для точіння ковкого чавуну; в'язкіші марки, такі як M40, можна використовувати для фрезерування та стругання сталі, або для точіння нержавіючої сталі чи суперсплавів.
Сплави твердого сплаву легованого типу також можуть використовуватися для різання неметалів, головним чином для виготовлення зносостійких деталей. Розмір частинок цих марок зазвичай становить 1,2-2 мкм, а вміст кобальту — 7%-10%. Під час виробництва цих марок зазвичай додається високий відсоток переробленої сировини, що призводить до високої економічної ефективності використання зношуваних деталей. Зношувані деталі потребують хорошої корозійної стійкості та високої твердості, яких можна досягти, додаючи нікель та карбід хрому під час виробництва цих марок.
Для задоволення технічних та економічних вимог виробників інструментів ключовим елементом є карбідний порошок. Порошки, розроблені для обробного обладнання та параметрів процесу виробників інструментів, забезпечують продуктивність готової заготовки та призвели до появи сотень марок карбіду. Перероблюваний характер карбідних матеріалів та можливість безпосередньої роботи з постачальниками порошків дозволяють виробникам інструментів ефективно контролювати якість своєї продукції та витрати на матеріали.
Час публікації: 18 жовтня 2022 р.
