Твердосплавы — наиболее широко используемый класс инструментов для высокоскоростной обработки (ВТО), которые производятся методом порошковой металлургии и состоят из частиц твердого карбида (обычно карбида вольфрама WC) и более мягкой металлической связи. В настоящее время существует сотни твердых сплавов на основе WC различного состава, большинство из которых используют кобальт (Co) в качестве связующего, также широко используются никель (Ni) и хром (Cr), а также могут быть добавлены некоторые легирующие элементы. Почему существует так много марок твердосплавов? Как производители инструментов выбирают подходящий инструментальный материал для конкретной операции резания? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала рассмотрим различные свойства, которые делают твердые сплавы идеальным инструментальным материалом.
твердость и прочность
Твердосплав WC-Co обладает уникальными преимуществами как в твердости, так и в ударной вязкости. Карбид вольфрама (WC) по своей природе очень тверд (тверже корунда или оксида алюминия), и его твердость редко снижается с повышением рабочей температуры. Однако ему не хватает достаточной ударной вязкости, важнейшего свойства режущих инструментов. Чтобы использовать преимущества высокой твердости карбида вольфрама и повысить его ударную вязкость, для соединения карбидов вольфрама используются металлические связи, благодаря чему этот материал обладает твердостью, значительно превышающей твердость быстрорежущей стали, и при этом способен выдерживать большинство режущих нагрузок. Кроме того, он может выдерживать высокие температуры резания, возникающие при высокоскоростной обработке.
Сегодня почти все ножи и пластины из WC-Co имеют покрытие, поэтому роль основного материала кажется менее важной. Но на самом деле именно высокий модуль упругости материала WC-Co (показатель жесткости, примерно в три раза превышающий модуль упругости 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 регулировать, изменяя его состав и микроструктуру при производстве порошков твердых сплавов. Поэтому пригодность инструмента для конкретной обработки в значительной степени зависит от процесса первоначального фрезерования.
процесс измельчения
Порошок карбида вольфрама получают путем цементации порошка вольфрама (W). Характеристики порошка карбида вольфрама (особенно размер его частиц) в основном зависят от размера частиц исходного порошка вольфрама, а также от температуры и времени цементации. Химический контроль также имеет решающее значение, и содержание углерода должно оставаться 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 последующей обработки и различные области применения требуют определенного сочетания размера частиц карбида вольфрама, содержания углерода, содержания ванадия и содержания хрома, благодаря чему можно получить различные порошки карбида вольфрама. Например, компания ATI Alldyne, производитель порошка карбида вольфрама, выпускает 23 стандартных марки порошка карбида вольфрама, а ассортимент порошка карбида вольфрама, изготавливаемого по индивидуальному заказу, может более чем в 5 раз превышать количество стандартных марок.
При смешивании и измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки для получения порошка твердого сплава определенного сорта могут использоваться различные комбинации. Наиболее часто используемое содержание кобальта составляет 3–25% (по весу), а в случае необходимости повышения коррозионной стойкости инструмента необходимо добавлять никель и хром. Кроме того, металлическую связку можно дополнительно улучшить добавлением других легирующих компонентов. Например, добавление рутения в твердый сплав WC-Co может значительно повысить его ударную вязкость без снижения твердости. Увеличение содержания связующего также может повысить ударную вязкость твердого сплава, но при этом снизит его твердость.
Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может повысить твердость материала, но размер частиц карбида вольфрама должен оставаться неизменным в процессе спекания. В процессе спекания частицы карбида вольфрама соединяются и растут за счет растворения и переосаждения. В самом процессе спекания, для образования полностью плотного материала, металлическая связь становится жидкой (это называется жидкофазным спеканием). Скорость роста частиц карбида вольфрама можно контролировать путем добавления других карбидов 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 при науглероживании порошка карбида вольфрама также могут образовываться карбид ванадия и карбид хрома.
Порошок карбида вольфрама также может быть получен с использованием переработанных отходов твердых сплавов. Переработка и повторное использование лома карбида имеют долгую историю в твердосплавной промышленности и являются важной частью всей экономической цепочки отрасли, помогая снизить материальные затраты, сэкономить природные ресурсы и избежать образования отходов. Утилизация вредных отходов. Лом твердых сплавов, как правило, может быть повторно использован с помощью процесса APT (паравольфрамата аммония), процесса извлечения цинка или путем дробления. Эти «переработанные» порошки карбида вольфрама обычно имеют лучшую, предсказуемую плотность, поскольку они имеют меньшую площадь поверхности, чем порошки карбида вольфрама, полученные непосредственно в процессе цементации вольфрама.
Условия обработки при смешанном измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки также являются важнейшими параметрами процесса. Двумя наиболее распространенными методами измельчения являются шаровое измельчение и микроизмельчение. Оба процесса обеспечивают равномерное смешивание измельченных порошков и уменьшение размера частиц. Для того чтобы последующая прессованная заготовка обладала достаточной прочностью, сохраняла форму и позволяла оператору или манипулятору легко поднимать заготовку для обработки, обычно необходимо добавлять органическое связующее во время измельчения. Химический состав этого связующего может влиять на плотность и прочность прессованной заготовки. Для облегчения обработки рекомендуется добавлять высокопрочные связующие, но это приводит к снижению плотности уплотнения и может образовывать комки, которые могут вызывать дефекты в конечном продукте.
После измельчения порошок обычно подвергают распылительной сушке для получения сыпучих агломератов, скрепленных органическими связующими. Регулируя состав органического связующего, можно добиться желаемой текучести и плотности заряда этих агломератов. Путем просеивания более крупных или более мелких частиц можно дополнительно отрегулировать распределение частиц по размерам в агломерате, чтобы обеспечить хорошую текучесть при загрузке в полость формы.
Изготовление заготовок
Твердосплавные заготовки могут быть изготовлены различными технологическими методами. В зависимости от размера заготовки, сложности формы и производственной партии, большинство режущих вставок формуются с использованием жестких штампов с верхним и нижним давлением. Для поддержания постоянного веса и размера заготовки при каждом прессовании необходимо обеспечить точное соответствие количества порошка (массы и объема), поступающего в полость штампа. Текучесть порошка в основном контролируется распределением размеров агломератов и свойствами органического связующего. Формованные заготовки (или «формовочные заготовки») изготавливаются путем приложения давления формования 10-80 ksi (килофунтов на квадратный фут) к порошку, загружаемому в полость штампа.
Даже при чрезвычайно высоком давлении формования твердые частицы карбида вольфрама не деформируются и не разрушаются, но органическое связующее вдавливается в зазоры между частицами карбида вольфрама, тем самым фиксируя их положение. Чем выше давление, тем прочнее связь между частицами карбида вольфрама и тем выше плотность прессования заготовки. Формовочные свойства различных марок твердосплавного порошка могут варьироваться в зависимости от содержания металлического связующего, размера и формы частиц карбида вольфрама, степени агломерации, а также состава и добавления органического связующего. Для получения количественной информации о свойствах прессования различных марок твердосплавных порошков производитель порошка обычно разрабатывает и строит зависимость между плотностью прессования и давлением формования. Эта информация гарантирует совместимость поставляемого порошка с процессом формования, используемым производителем оснастки.
Крупногабаритные твердосплавные заготовки или заготовки с высоким соотношением сторон (например, хвостовики концевых фрез и сверл) обычно изготавливаются из равномерно спрессованного твердосплавного порошка в гибком мешке. Хотя производственный цикл метода сбалансированного прессования дольше, чем метод формования, себестоимость изготовления инструмента ниже, поэтому этот метод больше подходит для мелкосерийного производства.
Этот метод заключается в том, чтобы засыпать порошок в мешок, запечатать горловину мешка, затем поместить мешок с порошком в камеру и с помощью гидравлического устройства создать давление 30-60 ksi для прессования. Прессованные заготовки часто обрабатываются до определенной геометрии перед спеканием. Размер мешка увеличивается, чтобы компенсировать усадку заготовки во время прессования и обеспечить достаточный запас для шлифовки. Поскольку заготовку необходимо обрабатывать после прессования, требования к равномерности загрузки не так строги, как при методе формования, но все же желательно обеспечить одинаковую загрузку порошка в мешок каждый раз. Если плотность загрузки порошка слишком мала, это может привести к недостаточному количеству порошка в мешке, в результате чего заготовка окажется слишком маленькой и ее придется выбросить. Если плотность загрузки порошка слишком высока, и порошка загружено в мешок слишком много, заготовку необходимо обработать для удаления большего количества порошка после прессования. Хотя излишки порошка, удаленные с деталей, и отходы производства могут быть переработаны, это снижает производительность.
Твердосплавные заготовки также могут быть изготовлены с использованием экструзионных или инжекционных матриц. Процесс экструзионного формования больше подходит для массового производства заготовок осесимметричной формы, в то время как процесс инжекционного формования обычно используется для массового производства заготовок сложной формы. В обоих процессах формования различные марки твердосплавного порошка суспендируются в органическом связующем, которое придает твердосплавной смеси консистенцию, похожую на зубную пасту. Затем смесь либо экструдируется через отверстие, либо впрыскивается в полость для формования. Характеристики марки твердосплавного порошка определяют оптимальное соотношение порошка и связующего в смеси и оказывают важное влияние на текучесть смеси через экструзионное отверстие или при впрыскивании в полость.
После формования заготовки методом литья, изостатического прессования, экструзии или литья под давлением необходимо удалить органическое связующее из заготовки перед заключительным этапом спекания. Спекание устраняет пористость заготовки, делая ее полностью (или практически) плотной. Во время спекания металлическая связь в прессованной заготовке становится жидкой, но заготовка сохраняет свою форму под действием капиллярных сил и связей между частицами.
После спекания геометрия заготовки остается неизменной, но размеры уменьшаются. Для получения требуемых размеров заготовки после спекания необходимо учитывать степень усадки при проектировании инструмента. Марка твердосплавного порошка, используемого для изготовления каждого инструмента, должна быть рассчитана таким образом, чтобы обеспечить правильную усадку при прессовании под соответствующим давлением.
Практически во всех случаях требуется послеспекательная обработка спеченной заготовки. Самая простая обработка режущих инструментов — это заточка режущей кромки. Многие инструменты требуют шлифовки их геометрии и размеров после спекания. Некоторые инструменты требуют шлифовки верхней и нижней частей; другие — шлифовки периферии (с заточкой режущей кромки или без нее). Вся твердосплавная стружка от шлифовки может быть переработана.
Покрытие заготовки
Во многих случаях готовую заготовку необходимо покрыть. Покрытие обеспечивает смазывающие свойства и повышенную твердость, а также создает диффузионный барьер для подложки, предотвращая окисление при воздействии высоких температур. Твердосплавная подложка имеет решающее значение для эффективности покрытия. Помимо регулирования основных свойств порошковой матрицы, свойства поверхности матрицы также могут быть изменены путем химического выбора и изменения метода спекания. Благодаря миграции кобальта, в самом внешнем слое поверхности лопатки толщиной 20-30 мкм может быть обогащено большее количество кобальта по сравнению с остальной частью заготовки, что придает поверхности подложки лучшую прочность и ударную вязкость, делая ее более устойчивой к деформации.
В зависимости от собственного производственного процесса (например, метода удаления воска, скорости нагрева, времени спекания, температуры и напряжения цементации), производитель инструмента может предъявлять 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 горячего изостатического прессования (ГИП) (которая создает давление на заготовку ближе к концу технологического цикла для удаления любых остатков). Заготовки, спеченные в вакуумной печи, также могут потребовать дополнительного горячего изостатического прессования 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 такой подход может привести к укрупнению их микроструктуры. Для сохранения мелкозернистой структуры можно выбирать порошки с меньшим размером частиц карбида вольфрама. Для соответствия конкретному производственному оборудованию, условия удаления воска и напряжение науглероживающей обработки также предъявляют различные требования к содержанию углерода в порошке твердого сплава.
Классификация по классам
Разнообразие марок твердых сплавов обусловлено сочетанием различных типов порошка карбида вольфрама, состава смеси и содержания металлического связующего, типа и количества ингибитора роста зерен и т. д. Эти параметры определяют микроструктуру твердого сплава и его свойства. Некоторые специфические сочетания свойств стали приоритетными для определенных технологических процессов, что делает целесообразным классификацию различных марок твердых сплавов.
Две наиболее распространенные системы классификации твердосплавных материалов для механической обработки — это система обозначений C и система обозначений ISO. Хотя ни одна из этих систем не отражает в полной мере свойства материала, влияющие на выбор марок твердосплавных материалов, они служат отправной точкой для обсуждения. Для каждой классификации многие производители имеют свои собственные специальные марки, что приводит к широкому разнообразию марок твердосплавных материалов.
Карбиды также можно классифицировать по составу. Карбиды вольфрама (WC) делятся на три основных типа: простые, микрокристаллические и легированные. Простые марки состоят в основном из карбида вольфрама и кобальтового связующего, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерен. Микрокристаллические марки состоят из карбида вольфрама и кобальтового связующего с добавлением нескольких тысячных долей карбида ванадия (VC) и (или) карбида хрома (Cr3C2), а размер их зерен может достигать 1 мкм или менее. Легированные марки состоят из карбида вольфрама и кобальтового связующего, содержащего 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 демонстрирует неоднородную трехфазную структуру.
1) Простые марки карбида
Эти марки карбида вольфрама для металлообработки 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 твердость и прочность на поперечный разрыв (TRS), но снижает ударную вязкость. Твердость чистого карбида обычно находится в диапазоне HRA89-93,5; прочность на поперечный разрыв обычно составляет от 175 до 350 ksi. Порошки этих марок могут содержать большое количество переработанных материалов.
Простые марки стали можно разделить на C1-C4 в системе марок C и классифицировать по сериям марок K, N, S и H в системе марок ISO. Простые марки со средними свойствами можно отнести к маркам общего назначения (например, C2 или K20) и использовать для токарной, фрезерной, строгальной и расточной обработки; марки с меньшим размером зерна или меньшим содержанием кобальта и большей твердостью можно отнести к чистовой обработке (например, C4 или K01); марки с большим размером зерна или большим содержанием кобальта и лучшей ударной вязкостью можно отнести к черновой обработке (например, C1 или K30).
Инструменты, изготовленные из стали Simplex, могут использоваться для обработки чугуна, нержавеющей стали серий 200 и 300, алюминия и других цветных металлов, суперсплавов и закаленных сталей. Эти стали также могут применяться для обработки неметаллических материалов (например, в качестве инструментов для бурения горных пород и геологических работ). Размер зерна таких стали составляет 1,5-10 мкм (или больше), а содержание кобальта — 6-16%. Еще одно применение простых твердосплавных материалов для обработки неметаллических материалов — изготовление штампов и пуансонов. Эти стали обычно имеют средний размер зерна и содержание кобальта 16-30%.
(2) Марки микрокристаллического твердого сплава
Такие марки стали обычно содержат 6–15% кобальта. В процессе жидкофазного спекания добавление карбида ванадия и/или карбида хрома позволяет контролировать рост зерен и получать мелкозернистую структуру с размером частиц менее 1 мкм. Эта мелкозернистая сталь обладает очень высокой твердостью и прочностью на поперечный разрыв более 500 ksi. Сочетание высокой прочности и достаточной ударной вязкости позволяет использовать больший положительный угол заточки для этих марок стали, что снижает силы резания и приводит к образованию более тонкой стружки за счет резания, а не проталкивания металлического материала.
Благодаря строгой проверке качества различных видов сырья при производстве порошка из твердых сплавов и жесткому контролю условий процесса спекания, предотвращающему образование аномально крупных зерен в микроструктуре материала, можно получить материалы с соответствующими свойствами. Для обеспечения мелкозернистой и однородной структуры зерен, использование переработанного порошка должно осуществляться только при условии полного контроля сырья и процесса переработки, а также проведения всесторонних проверок качества.
Микрокристаллические марки можно классифицировать в соответствии с серией марок M в системе классификации ISO. Кроме того, другие методы классификации в системе марок C и системе марок ISO аналогичны методам классификации чистых марок. Микрокристаллические марки могут использоваться для изготовления инструментов, обрабатывающих более мягкие материалы, поскольку поверхность инструмента может быть обработана до очень гладкого состояния и сохранять чрезвычайно острую режущую кромку.
Микрокристаллические марки стали также могут использоваться для обработки никелевых суперсплавов, поскольку они выдерживают температуру резания до 1200 °C. При обработке суперсплавов и других специальных материалов использование инструментов из микрокристаллических марок стали и инструментов из чистых марок стали, содержащих рутений, позволяет одновременно улучшить их износостойкость, сопротивление деформации и ударную вязкость. Микрокристаллические марки стали также подходят для изготовления вращающихся инструментов, таких как сверла, создающие сдвиговое напряжение. Существует сверло, изготовленное из композитных марок твердого сплава. В отдельных частях одного и того же сверла содержание кобальта в материале варьируется, что позволяет оптимизировать твердость и ударную вязкость сверла в соответствии с потребностями обработки.
(3) Твердосплавные марки сплавов
Эти марки стали в основном используются для резки стальных деталей, содержание кобальта в них обычно составляет 5–10%, а размер зерна колеблется от 0,8 до 2 мкм. Добавление 4–25% карбида титана (TiC) снижает склонность карбида вольфрама (WC) к диффузии на поверхность стальной стружки. Прочность инструмента, износостойкость и термостойкость могут быть улучшены добавлением до 25% карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Добавление таких кубических карбидов также повышает красностойкость инструмента, помогая избежать термической деформации инструмента при интенсивной резке или других операциях, где режущая кромка будет генерировать высокие температуры. Кроме того, карбид титана может обеспечивать центры зарождения во время спекания, улучшая равномерность распределения кубических карбидов в заготовке.
В целом, диапазон твердости сплавов твердых сплавов составляет HRA91-94, а предел прочности при поперечном разрушении — 150-300 ksi. По сравнению с чистыми сплавами, сплавы обладают меньшей износостойкостью и прочностью, но лучшей устойчивостью к адгезионному износу. Сплавы можно разделить на C5-C8 в системе марок C и классифицировать по сериям марок P и M в системе марок ISO. Сплавы со средними свойствами можно отнести к маркам общего назначения (например, C6 или P30) и использовать для токарной обработки, нарезания резьбы, строгания и фрезерования. Самые твердые марки можно отнести к чистовой обработке (например, C8 и P01) для чистовой токарной обработки и расточки. Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и меньшее содержание кобальта для достижения требуемой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала можно получить путем добавления большего количества кубических карбидов. Марки с наибольшей ударной вязкостью можно отнести к черновой обработке (например, C5 или P50). Эти марки стали обычно имеют средний размер зерна и высокое содержание кобальта, с небольшим добавлением кубических карбидов для достижения желаемой прочности за счет подавления роста трещин. При прерывистой токарной обработке производительность резания может быть дополнительно улучшена за счет использования вышеупомянутых кобальтсодержащих марок стали с более высоким содержанием кобальта на поверхности инструмента.
Сплавы с более низким содержанием карбида титана используются для обработки нержавеющей стали и ковкого чугуна, но также могут применяться для обработки цветных металлов, таких как никелевые суперсплавы. Размер зерна этих сплавов обычно составляет менее 1 мкм, а содержание кобальта — 8–12%. Более твердые сплавы, такие как M10, могут использоваться для токарной обработки ковкого чугуна; более прочные сплавы, такие как M40, могут использоваться для фрезерования и строгания стали, а также для токарной обработки нержавеющей стали или суперсплавов.
Твердосплавные марки сплавов также могут использоваться для обработки неметаллических материалов, главным образом для изготовления износостойких деталей. Размер частиц этих марок обычно составляет 1,2–2 мкм, а содержание кобальта — 7–10%. При производстве этих марок обычно добавляется высокий процент переработанного сырья, что обеспечивает высокую экономическую эффективность при изготовлении износостойких деталей. Износостойкие детали требуют хорошей коррозионной стойкости и высокой твердости, которые могут быть достигнуты путем добавления карбидов никеля и хрома при производстве этих марок.
Для удовлетворения технических и экономических требований производителей инструментов ключевым элементом является карбидный порошок. Порошки, разработанные с учетом параметров обрабатывающего оборудования и технологических процессов производителей инструментов, обеспечивают качество готовой детали и позволили создать сотни марок карбида. Возможность вторичной переработки карбидных материалов и возможность прямого сотрудничества с поставщиками порошков позволяют производителям инструментов эффективно контролировать качество своей продукции и затраты на материалы.
Дата публикации: 18 октября 2022 г.
