Карбид — это наиболее широко используемый класс инструментальных материалов для высокоскоростной обработки (HSM), которые производятся методами порошковой металлургии и состоят из частиц твердого 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 являются широко используемыми связующими элементами, а также могут быть добавлены другие элементы. . некоторые легирующие элементы. Почему существует так много марок твердого сплава? Как производители инструментов выбирают правильный инструментальный материал для конкретной операции резки? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала рассмотрим различные свойства, которые делают цементированный карбид идеальным инструментальным материалом.
твердость и прочность
Цементированный карбид WC-Co обладает уникальными преимуществами как по твердости, так и по ударной вязкости. Карбид вольфрама (WC) по своей природе очень тверд (более, чем корунд или оксид алюминия), и его твердость редко снижается с увеличением рабочей температуры. Однако ему не хватает достаточной прочности, что является важным свойством режущих инструментов. Чтобы воспользоваться преимуществами высокой твердости карбида вольфрама и повысить его ударную вязкость, люди используют металлические связи для соединения карбида вольфрама друг с другом, так что этот материал имеет твердость, намного превышающую твердость быстрорежущей стали, и при этом способен выдерживать большую часть резания. операции. сила резания. Кроме того, он может выдерживать высокие температуры резания, вызванные высокоскоростной обработкой.
Сегодня почти все ножи и вставки WC-Co имеют покрытие, поэтому роль основного материала кажется менее важной. Но на самом деле именно высокий модуль упругости материала WC-Co (показатель жесткости, который примерно в три раза выше, чем у быстрорежущей стали при комнатной температуре) обеспечивает недеформируемую основу для покрытия. Матрица WC-Co также обеспечивает необходимую прочность. Эти свойства являются основными свойствами материалов WC-Co, но свойства материала также можно адаптировать, регулируя состав материала и микроструктуру при производстве порошков цементированного карбида. Таким образом, пригодность характеристик 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 порошка вольфрама сырья, а также температуры и времени науглероживания. 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 можно добавить перед обработкой цементацией, чтобы контролировать размер частиц порошка в последующих процессах. Различные условия последующего процесса и различные варианты конечной обработки требуют определенной комбинации размера частиц карбида вольфрама, содержания углерода, содержания ванадия и содержания хрома, с помощью которых можно производить множество различных порошков карбида вольфрама. Например, компания ATI Alldyne, производитель порошка карбида вольфрама, производит 23 стандартных сорта порошка карбида вольфрама, а количество разновидностей порошка карбида вольфрама, адаптированных в соответствии с требованиями пользователя, может более чем в 5 раз превосходить стандартные сорта порошка карбида вольфрама.
При смешивании и измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки для получения порошка цементированного карбида определенной марки можно использовать различные комбинации. Чаще всего используют содержание кобальта 3–25 % (весовое соотношение), а в случае необходимости повышения коррозионной стойкости инструмента необходимо добавлять никель и хром. Кроме того, металлическую связь можно улучшить путем добавления других компонентов сплава. Например, добавление рутения в цементированный карбид WC-Co может значительно улучшить его ударную вязкость без снижения твердости. Увеличение содержания связующего также может улучшить ударную вязкость твердого сплава, но снизит его твердость.
Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может повысить твердость материала, но размер частиц карбида вольфрама должен оставаться неизменным во время процесса спекания. Во время спекания частицы карбида вольфрама объединяются и растут в процессе растворения и повторного осаждения. В реальном процессе спекания, чтобы сформировать полностью плотный материал, металлическая связь становится жидкой (так называемое жидкофазное спекание). Скорость роста частиц карбида вольфрама можно контролировать, добавляя карбиды других переходных металлов, включая карбид ванадия (VC), карбид хрома (Cr3C2), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC) и карбид ниобия (NbC). Эти карбиды металлов обычно добавляют, когда порошок карбида вольфрама смешивают и измельчают с металлической связкой, хотя карбид ванадия и карбид хрома также могут образовываться при науглероживании порошка карбида вольфрама.
Порошок карбида вольфрама также можно производить с использованием переработанных отходов цементированного карбида. Переработка и повторное использование лома карбидов имеет долгую историю в карбидной промышленности и является важной частью всей экономической цепочки отрасли, помогая снизить материальные затраты, сэкономить природные ресурсы и избежать отходов. Вредная утилизация. Лом цементированного карбида, как правило, можно повторно использовать с помощью процесса APT (паравольфрамата аммония), процесса восстановления цинка или путем дробления. Эти «переработанные» порошки карбида вольфрама обычно имеют лучшее и предсказуемое уплотнение, поскольку они имеют меньшую площадь поверхности, чем порошки карбида вольфрама, полученные непосредственно в процессе цементации вольфрама.
Условия обработки смешанного измельчения порошка карбида вольфрама и металлической связки также являются важными параметрами процесса. Двумя наиболее часто используемыми методами измельчения являются шаровое измельчение и микроизмельчение. Оба процесса обеспечивают равномерное смешивание измельченных порошков и уменьшение размера частиц. Чтобы впоследствии спрессованная заготовка имела достаточную прочность, сохраняла форму заготовки и давала возможность оператору или манипулятору подобрать заготовку для работы, при шлифовании обычно необходимо добавлять органическое связующее. Химический состав этой связи может влиять на плотность и прочность прессуемой заготовки. Для облегчения обработки рекомендуется добавлять высокопрочные связующие, но это приводит к снижению плотности уплотнения и может привести к образованию комков, которые могут стать причиной дефектов конечного продукта.
После измельчения порошок обычно сушат распылением для получения сыпучих агломератов, скрепленных органическими связующими. Регулируя состав органического связующего, сыпучесть и плотность заряда этих агломератов можно регулировать по желанию. Отсеивая более крупные или более мелкие частицы, можно дополнительно настроить гранулометрический состав агломерата, чтобы обеспечить хорошую текучесть при загрузке в полость формы.
Изготовление заготовки
Твердосплавные детали могут быть изготовлены различными технологическими методами. В зависимости от размера заготовки, уровня сложности формы и производственной партии большинство режущих пластин отливается с использованием жестких штампов с верхним и нижним давлением. Чтобы сохранить постоянство веса и размеров заготовки при каждом прессовании, необходимо следить за тем, чтобы количество порошка (массы и объема), поступающего в полость, было совершенно одинаковым. Текучесть порошка в основном контролируется распределением агломератов по размерам и свойствами органического связующего. Формованные заготовки (или «заготовки») формируются путем приложения давления формования 10-80 фунтов на квадратный дюйм (килофунтов на квадратный фут) к порошку, загружаемому в полость формы.
Даже при чрезвычайно высоком давлении формования твердые частицы карбида вольфрама не деформируются и не ломаются, а органическое связующее вдавливается в зазоры между частицами карбида вольфрама, тем самым фиксируя положение частиц. Чем выше давление, тем плотнее сцепка частиц карбида вольфрама и тем больше плотность уплотнения заготовки. Формовочные свойства марок порошка цементированного карбида могут различаться в зависимости от содержания металлической связки, размера и формы частиц карбида вольфрама, степени агломерации, состава и добавления органической связки. Чтобы предоставить количественную информацию о свойствах уплотнения различных марок порошков цементированного карбида, производитель порошка обычно проектирует и строит зависимость между плотностью формования и давлением формования. Эта информация гарантирует, что поставляемый порошок совместим с процессом формования производителя инструмента.
Твердосплавные заготовки большого размера или твердосплавные заготовки с высоким удлинением (например, хвостовики концевых фрез и сверл) обычно изготавливаются из равномерно спрессованных сортов твердосплавного порошка в гибком мешке. Хотя производственный цикл метода сбалансированного прессования длиннее, чем у метода литья, себестоимость изготовления инструмента ниже, поэтому этот метод больше подходит для мелкосерийного производства.
Этот технологический метод заключается в том, чтобы поместить порошок в мешок и запечатать горловину мешка, а затем поместить мешок, полный порошка, в камеру и применить давление 30-60 фунтов на квадратный дюйм через гидравлическое устройство для прессования. Перед спеканием прессованные заготовки часто обрабатываются с заданной геометрией. Размер мешка увеличен, чтобы компенсировать усадку заготовки при уплотнении и обеспечить достаточный запас для шлифовальных операций. Поскольку заготовку необходимо обрабатывать после прессования, требования к консистенции загрузки не такие строгие, как к методу формования, но все же желательно следить за тем, чтобы каждый раз в мешок загружалось одинаковое количество порошка. Если плотность загрузки порошка слишком мала, это может привести к тому, что в мешке окажется недостаточно порошка, в результате чего заготовка окажется слишком маленькой и ее придется утилизировать. Если плотность загрузки порошка слишком высока, а порошка, загруженного в мешок, слишком много, необходимо обработать заготовку, чтобы удалить больше порошка после ее прессования. Хотя удаленный излишек порошка и отбракованные детали можно переработать, это снижает производительность.
Твердосплавные заготовки также можно формовать с помощью экструзионных или литьевых штампов. Процесс экструзионного формования больше подходит для массового производства заготовок осесимметричной формы, тогда как процесс литья под давлением обычно используется для массового производства заготовок сложной формы. В обоих процессах формования различные виды порошка цементированного карбида суспендируются в органическом связующем, которое придает смеси цементированного карбида консистенцию, подобную зубной пасте. Затем соединение либо выдавливается через отверстие, либо вводится в полость для формирования. Характеристики марки порошка твердого сплава определяют оптимальное соотношение порошка и связки в смеси и оказывают важное влияние на сыпучесть смеси через отверстие экструзии или впрыска в полость.
После того, как заготовка сформирована путем формования, изостатического прессования, экструзии или литья под давлением, органическое связующее необходимо удалить из заготовки перед заключительным этапом спекания. Спекание удаляет пористость заготовки, делая ее полностью (или практически) плотной. Во время спекания металлическая связка в прессованной заготовке становится жидкой, но заготовка сохраняет свою форму под совместным действием капиллярных сил и связей частиц.
После спекания геометрия заготовки остается прежней, но размеры уменьшаются. Чтобы получить необходимый размер заготовки после спекания, при проектировании инструмента необходимо учитывать степень усадки. Марка твердосплавного порошка, используемого для изготовления каждого инструмента, должна быть рассчитана так, чтобы иметь правильную усадку при прессовании под соответствующим давлением.
Практически во всех случаях требуется послеспекательная обработка спеченной заготовки. Самая основная обработка режущих инструментов – это заточка режущей кромки. Многие инструменты после спекания требуют шлифовки геометрии и размеров. Некоторые инструменты требуют верхней и нижней шлифовки; другие требуют периферийного шлифования (с заточкой режущей кромки или без нее). Вся твердосплавная стружка, образовавшаяся в результате шлифования, может быть переработана.
Покрытие заготовки
Во многих случаях готовую заготовку необходимо покрыть лаком. Покрытие обеспечивает смазывающую способность и повышенную твердость, а также является диффузионным барьером для подложки, предотвращая окисление при воздействии высоких температур. Подложка из цементированного карбида имеет решающее значение для характеристик покрытия. Помимо настройки основных свойств матричного порошка, поверхностные свойства матрицы также можно регулировать путем химического подбора и изменения метода спекания. За счет миграции кобальта большее количество кобальта может обогатиться во внешнем слое поверхности лезвия толщиной 20-30 мкм по сравнению с остальной частью заготовки, тем самым придавая поверхности подложки лучшую прочность и ударную вязкость, делая ее более прочной. устойчив к деформации.
В зависимости от собственного производственного процесса (например, метода депарафинизации, скорости нагрева, времени спекания, температуры и напряжения цементации) производитель инструмента может предъявлять особые требования к марке используемого порошка цементированного карбида. Некоторые производители инструментов могут спекать заготовку в вакуумной печи, в то время как другие могут использовать печь для спекания горячего изостатического прессования (HIP) (которая создает давление в заготовке 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 спекания смесей с более низким содержанием кобальта, но этот подход может привести к укрупнению их микроструктуры. Чтобы сохранить мелкий размер зерен, можно выбирать порошки с меньшим размером частиц карбида вольфрама. Чтобы соответствовать конкретному производственному оборудованию, условия депарафинизации и напряжение цементации также предъявляют различные требования к содержанию углерода в порошке цементированного карбида.
Классификация классов
Сочетание различных типов порошка карбида вольфрама, состава смеси и содержания металлического связующего, типа и количества ингибитора роста зерна и т. д. образует множество марок цементированного карбида. Эти параметры будут определять микроструктуру твердого сплава и его свойства. Некоторые конкретные комбинации свойств стали приоритетными для некоторых конкретных применений обработки, поэтому имеет смысл классифицировать различные марки цементированного карбида.
Двумя наиболее часто используемыми системами классификации карбидов для механической обработки являются система обозначения C и система обозначения ISO. Хотя ни одна из систем не отражает в полной мере свойства материала, влияющие на выбор марок твердого сплава, они служат отправной точкой для обсуждения. Для каждой классификации многие производители имеют свои собственные марки твердого сплава, в результате чего образуется большое разнообразие марок твердого сплава.
Марки карбидов также можно классифицировать по составу. Марки карбида вольфрама (WC) можно разделить на три основных типа: простой, микрокристаллический и легированный. Марки Simplex состоят в основном из карбида вольфрама и кобальтовых связующих, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерна. Микрокристаллическая марка состоит из карбида вольфрама и кобальтовой связки с добавлением нескольких тысячных карбида ванадия (VC) и (или) карбида хрома (Cr3C2), а размер ее зерен может достигать 1 мкм и менее. Марки сплавов состоят из карбида вольфрама и кобальтовых связующих, содержащих несколько процентов карбида титана (TiC), карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Эти добавки также известны как кубические карбиды из-за их спекающих свойств. Полученная микроструктура представляет собой неоднородную трехфазную структуру.
1) Простые марки твердого сплава
Эти марки для резки металлов обычно содержат от 3% до 12% кобальта (по весу). Диапазон размеров зерен карбида вольфрама обычно составляет 1-8 мкм. Как и в случае с другими марками, уменьшение размера частиц карбида вольфрама увеличивает его твердость и прочность на поперечный разрыв (TRS), но снижает его ударную вязкость. Твердость чистого типа обычно находится в пределах HRA89-93,5; прочность на поперечный разрыв обычно составляет 175-350 фунтов на квадратный дюйм. Порошки этих марок могут содержать большое количество переработанных материалов.
Классы простого типа можно разделить на C1-C4 в системе классов C и классифицировать по сериям классов K, N, S и H в системе классов ISO. Сплавы Simplex с промежуточными свойствами можно отнести к сплавам общего назначения (например, C2 или K20) и использовать для точения, фрезерования, строгания и расточки; марки с меньшим размером зерна или меньшим содержанием кобальта и более высокой твердостью можно отнести к чистовым маркам (например, С4 или К01); сплавы с более крупным размером зерна или более высоким содержанием кобальта и лучшей ударной вязкостью можно отнести к сортам для черновой обработки (например, C1 или K30).
Инструменты из сплавов Simplex можно использовать для обработки чугуна, нержавеющей стали серий 200 и 300, алюминия и других цветных металлов, суперсплавов и закаленных сталей. Эти марки также могут использоваться для резки неметаллических материалов (например, в качестве инструментов для бурения горных пород и геологических скважин), и эти марки имеют диапазон размеров зерен 1,5–10 мкм (или больше) и содержание кобальта 6–16%. Еще одно применение простых марок твердого сплава, не связанное с резанием неметаллов, - это изготовление штампов и пуансонов. Эти сорта обычно имеют средний размер зерен с содержанием кобальта 16–30%.
(2) Микрокристаллические марки цементированного карбида
Такие марки обычно содержат 6–15% кобальта. Во время жидкофазного спекания добавление карбида ванадия и/или карбида хрома может контролировать рост зерен для получения мелкозернистой структуры с размером частиц менее 1 мкм. Этот мелкозернистый сорт имеет очень высокую твердость и прочность на поперечный разрыв выше 500 фунтов на квадратный дюйм. Сочетание высокой прочности и достаточной ударной вязкости позволяет этим сплавам использовать больший положительный передний угол, что снижает силы резания и дает более тонкую стружку за счет резки, а не проталкивания металлического материала.
Путем строгой идентификации качества различного сырья при производстве марок порошка цементированного карбида и строгого контроля условий процесса спекания для предотвращения образования аномально крупных зерен в микроструктуре материала можно получить соответствующие свойства материала. Чтобы сохранить размер зерна небольшим и однородным, переработанный переработанный порошок следует использовать только при условии полного контроля сырья и процесса восстановления, а также тщательного тестирования качества.
Микрокристаллические марки можно классифицировать по серии марок М в системе марок ISO. Кроме того, другие методы классификации в системе оценок C и системе оценок ISO такие же, как и для чистых оценок. Микрокристаллические сплавы можно использовать для изготовления инструментов, которые режут более мягкие материалы, поскольку поверхность инструмента может быть обработана очень гладкой и может сохранять чрезвычайно острую режущую кромку.
Микрокристаллические сплавы также можно использовать для обработки суперсплавов на основе никеля, поскольку они выдерживают температуру резания до 1200°C. При обработке суперсплавов и других специальных материалов использование инструментов микрокристаллического качества и инструментов чистого качества, содержащих рутений, может одновременно улучшить их износостойкость, стойкость к деформации и ударную вязкость. Микрокристаллические марки также подходят для изготовления вращающихся инструментов, например сверл, создающих напряжение сдвига. Существует сверло, изготовленное из композитных марок твердого сплава. В отдельных частях одного и того же сверла содержание кобальта в материале варьируется, поэтому твердость и ударная вязкость сверла оптимизируются в соответствии с потребностями обработки.
(3) Марки твердосплавных сплавов
Эти марки в основном используются для резки стальных деталей, содержание кобальта в них обычно составляет 5-10%, а размер зерна колеблется в пределах 0,8-2 мкм. Добавляя 4-25% карбида титана (TiC), можно уменьшить склонность карбида вольфрама (WC) к диффузии на поверхность стальной стружки. Прочность инструмента, лункостойкость и устойчивость к термическому удару можно улучшить, добавив до 25% карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Добавление таких кубических карбидов также увеличивает твердость инструмента до красного цвета, помогая избежать термической деформации инструмента при тяжелой резке или других операциях, при которых режущая кромка будет нагреваться до высоких температур. Кроме того, карбид титана может создавать центры зародышеобразования во время спекания, улучшая однородность распределения кубического карбида в заготовке.
Вообще говоря, диапазон твердости марок цементированного карбида сплава составляет HRA91-94, а прочность на поперечное разрушение составляет 150-300 фунтов на квадратный дюйм. По сравнению с чистыми марками сплавы имеют плохую износостойкость и меньшую прочность, но обладают лучшей устойчивостью к адгезионному износу. Марки сплавов можно разделить на C5-C8 в системе классов C и классифицировать по сериям P и M в системе классов ISO. Марки сплавов с промежуточными свойствами можно отнести к маркам общего назначения (например, C6 или P30) и использовать для точения, нарезания резьбы, строгания и фрезерования. Самые твердые сплавы можно отнести к чистовым (например, C8 и P01) для чистовых токарных и расточных операций. Эти марки обычно имеют меньший размер зерен и меньшее содержание кобальта для достижения необходимой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала можно получить, добавив больше кубических карбидов. Сплавы с самой высокой вязкостью можно отнести к классам черновой обработки (например, C5 или P50). Эти марки обычно имеют средний размер зерен и высокое содержание кобальта с небольшими добавками кубических карбидов для достижения желаемой прочности за счет подавления роста трещин. При прерывистом точении производительность резания можно дополнительно улучшить за счет использования вышеупомянутых кобальтоносных сплавов с более высоким содержанием кобальта на поверхности инструмента.
Сплавы с более низким содержанием карбида титана используются для обработки нержавеющей стали и ковкого железа, но также могут использоваться для обработки цветных металлов, таких как суперсплавы на основе никеля. Размер зерен этих марок обычно составляет менее 1 мкм, а содержание кобальта составляет 8–12%. Более твердые марки, такие как М10, можно использовать для токарной обработки ковкого железа; более прочные марки, такие как M40, можно использовать для фрезерования и строгания стали, а также для токарной обработки нержавеющей стали или суперсплавов.
Марки твердого сплава легированного типа также могут использоваться для целей резания неметаллических материалов, главным образом для изготовления износостойких деталей. Размер частиц этих марок обычно составляет 1,2-2 мкм, содержание кобальта 7-10%. При производстве этих марок обычно добавляется высокий процент переработанного сырья, что приводит к высокой экономической эффективности при производстве быстроизнашивающихся деталей. Изнашиваемые детали требуют хорошей коррозионной стойкости и высокой твердости, которую можно получить путем добавления карбидов никеля и хрома при производстве этих марок.
Ключевым элементом для удовлетворения технических и экономических требований производителей инструментов является твердосплавный порошок. Порошки, разработанные для механообрабатывающего оборудования производителей инструментов и параметров процесса, обеспечивают производительность готовой детали и привели к созданию сотен марок твердых сплавов. Возможность вторичной переработки твердосплавных материалов и возможность работать напрямую с поставщиками порошков позволяют производителям инструментов эффективно контролировать качество своей продукции и затраты на материалы.
Время публикации: 18 октября 2022 г.
