Карбид — наиболее широко используемый класс инструментальных материалов для высокоскоростной обработки (HSM), которые производятся методами порошковой металлургии и состоят из твердых частиц карбида (обычно карбида вольфрама WC) и более мягкой металлической связки. В настоящее время существуют сотни твердых сплавов на основе WC с различным составом, в большинстве из которых в качестве связующего используется кобальт (Co), никель (Ni) и хром (Cr) также широко используются в качестве связующих элементов, а также могут быть добавлены другие. некоторые легирующие элементы. Почему существует так много марок твердых сплавов? Как производители инструментов выбирают правильный инструментальный материал для конкретной операции резания? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала рассмотрим различные свойства, которые делают твердый сплав идеальным инструментальным материалом.
твердость и прочность
Твёрдый сплав WC-Co обладает уникальными преимуществами как в твёрдости, так и в прочности. Карбид вольфрама (WC) по своей природе очень твёрд (выше, чем корунд или оксид алюминия), и его твёрдость редко снижается с повышением рабочей температуры. Однако ему не хватает прочности, которая так важна для режущих инструментов. Чтобы использовать преимущества высокой твёрдости карбида вольфрама и повысить его прочность, используют металлические связки, благодаря чему этот материал имеет твёрдость, значительно превышающую твёрдость быстрорежущей стали, при этом выдерживая большинство операций резания. Кроме того, он может выдерживать высокие температуры резания, возникающие при высокоскоростной обработке.
Сегодня практически все ножи и вставки из WC-Co имеют покрытие, поэтому роль основного материала кажется менее важной. Однако, на самом деле, именно высокий модуль упругости материала WC-Co (показатель жёсткости, примерно в три раза превышающий жёсткость быстрорежущей стали при комнатной температуре) обеспечивает недеформируемую основу для покрытия. Матрица WC-Co также обеспечивает необходимую прочность. Эти свойства являются основными для материалов WC-Co, но свойства материала также можно изменять, корректируя состав и микроструктуру при производстве твёрдых сплавов. Таким образом, пригодность инструмента для конкретной обработки во многом зависит от начального процесса фрезерования.
Процесс фрезерования
Порошок карбида вольфрама получают путем цементации порошка вольфрама (W). Характеристики порошка карбида вольфрама (особенно размер его частиц) в основном зависят от размера частиц исходного вольфрамового порошка, а также температуры и времени цементации. Химический контроль также имеет решающее значение, и содержание углерода должно поддерживаться постоянным (близким к стехиометрическому значению 6,13% по весу). Небольшое количество ванадия и/или хрома может быть добавлено перед цементацией для контроля размера частиц порошка в последующих процессах. Различные условия последующего процесса и различные конечные применения требуют определенного сочетания размера частиц карбида вольфрама, содержания углерода, содержания ванадия и содержания хрома, благодаря чему может быть получено множество различных порошков карбида вольфрама. Например, компания ATI Alldyne, производитель порошка карбида вольфрама, выпускает 23 стандартных марки порошка карбида вольфрама, а сорта порошка карбида вольфрама, изготовленные в соответствии с требованиями пользователя, могут в 5 раз превосходить стандартные марки порошка карбида вольфрама.
При смешивании и измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки для получения определённой марки порошка твёрдого сплава могут использоваться различные комбинации. Наиболее часто используемое содержание кобальта составляет 3–25% (по весу), а для повышения коррозионной стойкости инструмента необходимо добавлять никель и хром. Кроме того, металлическую связку можно дополнительно улучшить, добавляя другие легирующие компоненты. Например, добавление рутения к твёрдому сплаву WC-Co может значительно повысить его прочность без снижения твёрдости. Увеличение содержания связки также может повысить прочность твёрдого сплава, но при этом снизится его твёрдость.
Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может повысить твёрдость материала, но размер частиц карбида вольфрама должен оставаться неизменным в процессе спекания. В процессе спекания частицы карбида вольфрама объединяются и растут посредством процесса растворения и повторного осаждения. В процессе спекания, для образования полностью плотного материала, металлическая связка становится жидкой (так называемое жидкофазное спекание). Скорость роста частиц карбида вольфрама можно контролировать, добавляя другие карбиды переходных металлов, включая карбид ванадия (VC), карбид хрома (Cr3C2), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC) и карбид ниобия (NbC). Эти карбиды металлов обычно добавляются при смешивании и измельчении порошка карбида вольфрама с металлической связкой, хотя карбид ванадия и карбид хрома также могут быть образованы при науглероживании порошка карбида вольфрама.
Порошок карбида вольфрама также может быть получен из переработанных отходов твердых сплавов. Переработка и повторное использование лома карбида вольфрама имеют долгую историю в промышленности твердых сплавов и являются важной частью всей экономической цепочки отрасли, помогая снизить материальные затраты, сохранить природные ресурсы и избежать отходов. Вредная утилизация. Лом твердого сплава, как правило, может быть повторно использован с помощью процесса APT (паравольфрамат аммония), процесса восстановления цинка или дробления. Эти «переработанные» порошки карбида вольфрама, как правило, имеют лучшее, предсказуемое уплотнение, поскольку они имеют меньшую площадь поверхности, чем порошки карбида вольфрама, полученные непосредственно с помощью процесса цементации вольфрама.
Условия обработки при смешанном измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки также являются важнейшими параметрами процесса. Два наиболее распространённых метода измельчения – шаровая мельница и микроизмельчение. Оба процесса обеспечивают равномерное смешивание измельченных порошков и уменьшение размера частиц. Для обеспечения достаточной прочности прессованной заготовки, сохранения её формы и удобства захвата оператором или манипулятором при работе, обычно требуется добавление органического связующего во время измельчения. Химический состав этого связующего может влиять на плотность и прочность прессованной заготовки. Для облегчения обработки рекомендуется добавлять высокопрочные связующие, однако это приводит к снижению плотности прессования и образованию комков, которые могут стать причиной дефектов в конечном продукте.
После измельчения порошок обычно подвергается распылительной сушке для получения сыпучих агломератов, скреплённых органическими связующими. Регулируя состав органического связующего, можно регулировать текучесть и плотность заряда этих агломератов. Отсеивая более крупные или более мелкие частицы, можно дополнительно регулировать распределение частиц агломерата по размерам, обеспечивая хорошую текучесть при загрузке в полость формы.
Изготовление заготовок
Твердосплавные заготовки могут быть сформированы различными технологическими методами. В зависимости от размера заготовки, уровня сложности формы и партии производства, большинство режущих пластин формуются с использованием жёстких штампов верхнего и нижнего давления. Для поддержания постоянства веса и размера заготовки при каждом прессовании необходимо обеспечить одинаковое количество порошка (масса и объём), подаваемого в полость пресс-формы. Текучесть порошка в основном определяется распределением размеров агломератов и свойствами органического связующего. Формованные заготовки (или «заготовки») формуются путём приложения давления формования 10-80 килофунтов на квадратный фут (килофунтов на квадратный фут) к порошку, загруженному в полость пресс-формы.
Даже при чрезвычайно высоком давлении формования твердые частицы карбида вольфрама не деформируются и не разрушаются, а органическая связка вдавливается в зазоры между частицами карбида вольфрама, тем самым фиксируя положение частиц. Чем выше давление, тем прочнее связь частиц карбида вольфрама и тем больше плотность прессования заготовки. Формуемые свойства марок порошка твердого сплава могут различаться в зависимости от содержания металлической связки, размера и формы частиц карбида вольфрама, степени агломерации, а также состава и добавления органической связки. Для того чтобы предоставить количественную информацию о свойствах прессования марок порошка твердого сплава, соотношение между плотностью формования и давлением формования обычно проектируется и устанавливается производителем порошка. Эта информация гарантирует, что поставляемый порошок совместим с процессом формования производителя инструмента.
Крупногабаритные твердосплавные заготовки или заготовки с высоким отношением длины к ширине (например, хвостовики концевых фрез и сверл) обычно изготавливаются из равномерно спрессованного твердосплавного порошка в гибком пакете. Хотя производственный цикл метода сбалансированного прессования длиннее, чем у метода литья, стоимость изготовления инструмента ниже, поэтому этот метод больше подходит для мелкосерийного производства.
Этот метод обработки заключается в помещении порошка в мешок, запечатывании горловины мешка, после чего мешок, полный порошка, помещают в камеру и прессуют под давлением 30-60 тысяч фунтов на кв. дюйм с помощью гидравлического устройства. Прессованные заготовки часто подвергаются механической обработке для придания им определенной геометрии перед спеканием. Размер мешка увеличивается, чтобы компенсировать усадку заготовки во время прессования и обеспечить достаточный запас для шлифования. Поскольку заготовку необходимо обрабатывать после прессования, требования к постоянству загрузки не такие строгие, как при методе формования, но все же желательно обеспечить каждый раз загрузку одинакового количества порошка в мешок. Если плотность загрузки порошка слишком мала, это может привести к недостаточному количеству порошка в мешке, что приведет к слишком маленькому размеру заготовки и необходимости ее браковки. Если плотность загрузки порошка слишком высокая, а количество загруженного в мешок порошка слишком велико, заготовку необходимо обработать, чтобы удалить больше порошка после прессования. Хотя излишки порошка и отбракованные заготовки можно переработать, это снижает производительность.
Твердосплавные заготовки также могут быть сформированы с помощью экструзионных или литьевых пресс-форм. Процесс экструзионного формования больше подходит для массового производства заготовок осесимметричной формы, в то время как процесс литья под давлением обычно используется для массового производства заготовок сложной формы. В обоих процессах формования марки порошка твердого сплава суспендируются в органическом связующем, которое придает смеси твердого сплава консистенцию, подобную зубной пасте. Затем смесь либо выдавливается через отверстие, либо впрыскивается в полость для формования. Характеристики марки порошка твердого сплава определяют оптимальное соотношение порошка и связующего в смеси и оказывают важное влияние на текучесть смеси через отверстие пресс-формы или при впрыскивании в полость.
После формования заготовки методом литья под давлением, изостатического прессования, экструзии или литья под давлением органическое связующее вещество необходимо удалить из заготовки перед заключительным этапом спекания. Спекание устраняет пористость заготовки, делая её полностью (или практически) плотной. В процессе спекания металлическая связка в прессованной заготовке становится жидкой, но заготовка сохраняет свою форму благодаря совместному действию капиллярных сил и сцепления частиц.
После спекания геометрия заготовки остаётся прежней, но размеры уменьшаются. Чтобы получить требуемый размер заготовки после спекания, при проектировании инструмента необходимо учитывать скорость усадки. Марка карбидного порошка, используемого для изготовления каждого инструмента, должна быть выбрана таким образом, чтобы обеспечить необходимую усадку при прессовании под соответствующим давлением.
Практически во всех случаях требуется обработка спеченной заготовки после спекания. Наиболее простой способ обработки режущих инструментов — заточка режущей кромки. Многие инструменты требуют шлифования геометрии и размеров после спекания. Некоторым инструментам требуется шлифование верхней и нижней поверхностей, другим — периферийное шлифование (с заточкой режущей кромки или без неё). Вся карбидная стружка, образующаяся при шлифовании, может быть переработана.
Покрытие детали
Во многих случаях на готовую заготовку необходимо наносить покрытие. Покрытие обеспечивает смазывающую способность и повышенную твёрдость, а также служит диффузионным барьером для основы, предотвращая окисление при высоких температурах. Основа из твердого сплава критически важна для эксплуатационных характеристик покрытия. Помимо регулирования основных свойств матричного порошка, поверхностные свойства матрицы также могут быть изменены путём подбора химического состава и изменения метода спекания. Благодаря миграции кобальта, наружный слой поверхности лопатки толщиной 20–30 мкм может быть обогащен кобальтом в большей степени по сравнению с остальной частью заготовки, что обеспечивает повышенную прочность и вязкость основы, делая её более устойчивой к деформации.
Основываясь на собственном производственном процессе (например, методе депарафинизации, скорости нагрева, времени спекания, температуре и напряжении цементации), производитель инструмента может предъявлять некоторые особые требования к марке используемого порошка твердого сплава. Некоторые производители инструментов могут спекать заготовку в вакуумной печи, в то время как другие могут использовать печь для спекания с горячим изостатическим прессованием (ГИП) (которая оказывает давление на заготовку ближе к концу технологического цикла для удаления любых остатков) пор). Заготовки, спеченные в вакуумной печи, также могут нуждаться в горячем изостатическом прессовании с помощью дополнительного процесса для увеличения плотности заготовки. Некоторые производители инструментов могут использовать более высокие температуры вакуумного спекания для увеличения плотности спеченных смесей с более низким содержанием кобальта, но этот подход может огрубить их микроструктуру. Чтобы сохранить мелкий размер зерна, можно выбирать порошки с более мелким размером частиц карбида вольфрама. Для соответствия конкретному производственному оборудованию, условиям депарафинизации и напряжению цементации также предъявляются различные требования к содержанию углерода в порошке твердого сплава.
Классификация классов
Разнообразие марок твердого сплава определяется сочетанием различных типов порошка карбида вольфрама, составом смеси и содержанием металлической связки, типом и количеством ингибитора роста зерна и т. д. Эти параметры определяют микроструктуру твердого сплава и его свойства. Некоторые специфические сочетания свойств стали приоритетными для определенных областей обработки, что обусловливает целесообразность классификации различных марок твердого сплава.
Две наиболее распространённые системы классификации твёрдых сплавов для механической обработки — это система обозначений C и система обозначений ISO. Хотя ни одна из них не отражает в полной мере свойства материала, влияющие на выбор марок твёрдых сплавов, они служат отправной точкой для обсуждения. Для каждой классификации многие производители используют собственные специальные марки, что приводит к широкому разнообразию марок твёрдых сплавов.
Марки карбида также можно классифицировать по составу. Марки карбида вольфрама (WC) можно разделить на три основных типа: простые, микрокристаллические и легированные. Симплексные марки состоят в основном из карбида вольфрама и кобальтовой связки, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерна. Микрокристаллическая марка состоит из карбида вольфрама и кобальтовой связки с добавлением нескольких тысячных долей карбида ванадия (VC) и (или) карбида хрома (Cr3C2), и размер ее зерна может достигать 1 мкм или менее. Сплавные марки состоят из карбида вольфрама и кобальтовой связки, содержащей несколько процентов карбида титана (TiC), карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Эти добавки также известны как кубические карбиды из-за их свойств спекания. Полученная микроструктура имеет неоднородную трехфазную структуру.
1) Простые марки карбида
Эти марки для резки металла обычно содержат от 3% до 12% кобальта (по весу). Размер зерен карбида вольфрама обычно составляет от 1 до 8 мкм. Как и в случае с другими марками, уменьшение размера частиц карбида вольфрама повышает его твёрдость и прочность на поперечный разрыв (TRS), но снижает его ударную вязкость. Твёрдость чистого типа обычно составляет от HRA89 до 93,5; прочность на поперечный разрыв — от 175 до 350 тысяч фунтов на кв. дюйм (175–350 тысяч фунтов на кв. дюйм). Порошки этих марок могут содержать большое количество переработанных материалов.
Простые марки стали можно разделить на марки C1–C4 в системе классов C, а в системе классов ISO – на марки K, N, S и H. Простые марки стали с промежуточными свойствами можно отнести к маркам общего назначения (например, C2 или K20) и использовать для токарной обработки, фрезерования, строгания и растачивания; марки с меньшим размером зерна или пониженным содержанием кобальта и повышенной твёрдостью можно отнести к маркам для чистовой обработки (например, C4 или K01); марки с большим размером зерна или повышенным содержанием кобальта и повышенной прочностью можно отнести к маркам для черновой обработки (например, C1 или K30).
Инструменты из сплавов Simplex могут использоваться для обработки чугуна, нержавеющей стали серий 200 и 300, алюминия и других цветных металлов, суперсплавов и закаленных сталей. Эти сплавы также могут использоваться для резки неметаллических материалов (например, в качестве инструмента для бурения горных пород и геологических скважин). Размер зерна этих сплавов составляет 1,5–10 мкм (или более) и содержание кобальта составляет 6–16%. Ещё одно применение простых твёрдых сплавов для резки неметаллических материалов — изготовление штампов и пуансонов. Эти сплавы обычно имеют средний размер зерна и содержание кобальта 16–30%.
(2) Микрокристаллические твердые сплавы
Такие марки обычно содержат 6–15% кобальта. Добавление карбида ванадия и/или карбида хрома в процессе жидкофазного спекания позволяет контролировать рост зерна, получая мелкозернистую структуру с размером частиц менее 1 мкм. Эта мелкозернистая марка обладает очень высокой твёрдостью и прочностью на поперечный разрыв, превышающей 500 кфунтов на кв. дюйм. Сочетание высокой прочности и достаточной вязкости позволяет использовать эти марки с большим положительным передним углом, что снижает усилия резания и позволяет получать более тонкую стружку, режущую, а не продавливающую металл.
Строгий контроль качества различных видов сырья при производстве твердых сплавов и строгий контроль условий спекания для предотвращения образования аномально крупных зерен в микроструктуре материала позволяют получить материал с соответствующими свойствами. Для поддержания малого и равномерного размера зерна вторичный порошок следует использовать только при условии полного контроля сырья и процесса его переработки, а также проведения всесторонних испытаний качества.
Микрокристаллические марки можно классифицировать по серии M в системе ISO. Кроме того, другие методы классификации в системах C и ISO аналогичны методам для чистых марок. Микрокристаллические марки могут использоваться для изготовления инструментов для резки более мягких материалов, поскольку их поверхность может быть обработана очень гладко и режущая кромка остается чрезвычайно острой.
Микрокристаллические сплавы также могут использоваться для обработки суперсплавов на основе никеля, поскольку они выдерживают температуру резания до 1200 °C. Для обработки суперсплавов и других специальных материалов использование инструментов из микрокристаллических сплавов и инструментов из чистых сплавов, содержащих рутений, позволяет одновременно повысить их износостойкость, деформационную стойкость и вязкость. Микрокристаллические сплавы также подходят для изготовления вращающегося инструмента, например, сверл, создающих напряжение сдвига. Существуют сверла из композитных марок твердого сплава. В разных частях одного и того же сверла содержание кобальта в материале варьируется, что позволяет оптимизировать твердость и вязкость сверла в соответствии с требованиями обработки.
(3) Марки твердого сплава легированного типа
Эти марки в основном используются для резки стальных деталей, и содержание кобальта в них обычно составляет 5–10%, а размер зерна — 0,8–2 мкм. Добавление 4–25% карбида титана (TiC) позволяет снизить тенденцию карбида вольфрама (WC) к диффузии на поверхность стальной стружки. Прочность инструмента, стойкость к лункообразованию и стойкость к тепловому удару могут быть улучшены добавлением до 25% карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Добавление таких кубических карбидов также увеличивает красностойкость инструмента, помогая избежать термической деформации инструмента при тяжелой резке или других операциях, где режущая кромка будет генерировать высокие температуры. Кроме того, карбид титана может обеспечивать центры зародышеобразования во время спекания, улучшая равномерность распределения кубического карбида в заготовке.
Вообще говоря, диапазон твердости марок твердого сплава легированного типа составляет HRA91-94, а прочность на поперечный излом составляет 150-300ksi. По сравнению с чистыми марками, марки сплавов имеют плохую износостойкость и более низкую прочность, но имеют лучшую стойкость к адгезионному износу. Марки сплавов можно разделить на C5-C8 в системе марок C и классифицировать в соответствии с серией марок P и M в системе марок ISO. Марки сплавов с промежуточными свойствами можно классифицировать как марки общего назначения (например, C6 или P30) и можно использовать для токарной обработки, нарезания резьбы, строгания и фрезерования. Самые твердые марки можно классифицировать как чистовые марки (например, C8 и P01) для чистовой токарной обработки и расточки. Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и более низкое содержание кобальта для получения необходимой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала можно получить путем добавления большего количества кубических карбидов. Сплавы с наивысшей прочностью можно отнести к черновым (например, C5 или P50). Эти сплавы обычно имеют средний размер зерна и высокое содержание кобальта, а также небольшое количество кубических карбидов для достижения желаемой прочности за счёт подавления роста трещин. При прерывистом точении производительность резания можно дополнительно повысить, используя вышеупомянутые сплавы с высоким содержанием кобальта на поверхности инструмента.
Сплавы с пониженным содержанием карбида титана используются для обработки нержавеющей стали и ковкого чугуна, но могут также применяться для обработки цветных металлов, таких как никелевые суперсплавы. Размер зерна этих сплавов обычно менее 1 мкм, а содержание кобальта составляет 8–12%. Более твёрдые сплавы, например, M10, могут использоваться для токарной обработки ковкого чугуна; более прочные сплавы, например, M40, – для фрезерования и строгания стали, а также для токарной обработки нержавеющей стали и суперсплавов.
Твердые сплавы легированного типа также могут использоваться для обработки неметаллических материалов резанием, в основном для изготовления износостойких деталей. Размер частиц этих марок обычно составляет 1,2–2 мкм, а содержание кобальта – 7–10%. При производстве этих марок обычно используется большое количество вторичного сырья, что обеспечивает высокую экономическую эффективность при производстве износостойких деталей. Для износостойких деталей требуются высокая коррозионная стойкость и высокая твёрдость, что достигается добавлением карбидов никеля и хрома при производстве этих марок.
Твердосплавный порошок является ключевым элементом для удовлетворения технических и экономических требований производителей инструментов. Порошки, разработанные с учётом оборудования и технологических параметров производителей инструментов, обеспечивают эксплуатационные характеристики готовой детали, что привело к появлению сотен марок твёрдых сплавов. Возможность вторичной переработки твёрдых сплавов и возможность прямого сотрудничества с поставщиками порошков позволяют производителям инструментов эффективно контролировать качество продукции и затраты на материалы.
Время публикации: 18 октября 2022 г.
