Карбид является наиболее широко используемым классом инструментальных материалов для высокоскоростной обработки (HSM), которые производятся с помощью процессов порошковой металлургии и состоят из частиц твердого карбида (обычно карбида вольфрама WC) и более мягкого состава металлической связки.В настоящее время существуют сотни цементированных карбидов 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 .некоторые легирующие элементы.Почему существует так много марок карбида?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 материалом для инструментов.
твердость и прочность
Твердый сплав WC-Co обладает уникальными преимуществами как в твердости, так и в ударной вязкости.Карбид вольфрама (WC) по своей природе очень твердый (больше, чем корунд или оксид алюминия), и его твердость редко снижается при повышении рабочей температуры.Однако ему не хватает 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 в то же время способен выдерживать большинство резки. 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 больше, 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 изменить, регулируя состав материала и микроструктуру при производстве порошков цементированного карбида.Таким образом, пригодность инструмента для конкретной обработки в значительной степени зависит от начального процесса фрезерования.
Процесс фрезерования
Порошок карбида вольфрама получают науглероживанием порошка вольфрама (W).Характеристики порошка карбида вольфрама (особенно его размер частиц) в основном зависят от размера частиц исходного порошка вольфрама, а также от 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 может быть добавлено перед обработкой науглероживанием, чтобы контролировать размер частиц порошка в последующих процессах.Различные условия последующего процесса и различные виды конечной обработки требуют определенной комбинации размера частиц карбида вольфрама, содержания углерода, содержания ванадия и содержания хрома, благодаря чему можно производить множество различных порошков карбида вольфрама.Например, ATI Alldyne, производитель порошка карбида вольфрама, производит 23 стандартных сорта порошка карбида вольфрама, а разновидности порошка карбида вольфрама, адаптированные в соответствии с требованиями пользователя, могут более чем в 5 раз превышать стандартные сорта порошка карбида вольфрама.
При смешивании и измельчении порошка карбида вольфрама и металлической связки для получения определенного сорта порошка цементированного карбида могут использоваться различные комбинации.Наиболее часто используется содержание кобальта 3–25 % (весовая доля), а в случае необходимости повышения коррозионной стойкости инструмента необходимо добавлять никель и хром.Кроме того, металлическая связь может быть дополнительно улучшена за счет добавления других компонентов сплава.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 уменьшит его твердость.
Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может повысить твердость материала, но размер частиц карбида вольфрама должен оставаться неизменным в процессе спекания.Во время спекания частицы карбида вольфрама объединяются и растут в процессе растворения и повторного осаждения.В самом процессе спекания, чтобы сформировать полностью плотный материал, металлическая связка становится жидкой (так называемое спекание в жидкой фазе).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 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 может быть получен с использованием переработанных отходов цементированного карбида.Переработка и повторное использование лома карбида имеет долгую историю в отрасли производства цементированного карбида и является важной частью всей экономической цепочки отрасли, помогая снизить материальные затраты, сохранить природные ресурсы и избежать отходов.Вредная утилизация.Лом цементированного карбида, как правило, можно повторно использовать в процессе APT (паравольфрамата аммония), в процессе извлечения цинка или путем дробления.Эти «переработанные» порошки карбида вольфрама обычно имеют лучшее предсказуемое уплотнение, поскольку они имеют меньшую площадь поверхности, чем порошки карбида вольфрама, полученные непосредственно в процессе науглероживания 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 послепрессованная заготовка имела достаточную прочность, сохраняла форму заготовки и позволяла оператору или манипулятору взять заготовку для работы, обычно при шлифовании необходимо добавлять органическое связующее.Химический состав этой связки может влиять на плотность и прочность прессуемой заготовки.Для облегчения обработки рекомендуется добавлять вяжущие вещества высокой прочности, но это приводит к снижению плотности уплотнения и может привести к образованию комков, которые могут привести к дефектам конечного продукта.
После измельчения порошок обычно сушат распылением для получения сыпучих агломератов, удерживаемых вместе органическими связующими.Регулируя состав органического связующего, текучесть и плотность заряда этих агломератов могут быть адаптированы по желанию.Отсеивая более крупные или более мелкие частицы, можно дополнительно настроить распределение частиц агломерата по размерам для обеспечения хорошей текучести при загрузке в полость формы.
Изготовление заготовки
Заготовки из карбида могут быть изготовлены различными способами.В зависимости от размера заготовки, уровня сложности формы и производственной партии большинство режущих пластин изготавливаются с использованием жестких штампов с верхним и нижним давлением.Для сохранения постоянства веса и размера заготовки при каждом прессовании необходимо следить за тем, чтобы количество порошка (массовое и объемное), поступающего в полость, было точно одинаковым.Текучесть порошка в основном регулируется распределением размеров агломератов и свойствами органического связующего.Формованные заготовки (или «заготовки») формируются путем приложения давления формования 10-80 фунтов на кв. дюйм (килофунтов на квадратный фут) к порошку, загруженному 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 сцепление частиц карбида вольфрама и выше 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 добавки органической связки.Чтобы предоставить количественную информацию о свойствах уплотнения марок порошков цементированного карбида, соотношение между плотностью формования и давлением формования обычно разрабатывается и строится производителем порошка.Эта информация гарантирует, что поставляемый порошок совместим с процессом формования производителя инструмента.
Крупногабаритные твердосплавные заготовки или твердосплавные заготовки с высоким соотношением сторон (например, хвостовики для концевых фрез и сверл) обычно изготавливаются из однородно спрессованных марок карбидного порошка в гибком мешке.Хотя производственный цикл метода сбалансированного прессования больше, чем у метода формования, стоимость изготовления инструмента ниже, поэтому этот метод больше подходит для мелкосерийного производства.
Этот метод обработки заключается в том, чтобы поместить порошок в мешок и закрыть горловину мешка, а затем поместить мешок, полный порошка, в камеру и применить давление 30-60 фунтов на квадратный дюйм через гидравлическое устройство для прессования.Прессованные заготовки часто обрабатываются до определенной геометрии перед спеканием.Размер мешка увеличен, чтобы компенсировать усадку заготовки при уплотнении и обеспечить достаточный запас для операций шлифования.Поскольку заготовку необходимо обрабатывать после прессования, требования к консистенции загрузки не такие строгие, как к формовочному способу, но все же желательно следить за тем, чтобы каждый раз в мешок загружалось одно и то же количество порошка.Если плотность заряда порошка слишком мала, это может привести к недостаточному количеству порошка в мешке, в результате чего заготовка будет 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 излишки удаленного порошка и бракованные детали могут быть переработаны, это снижает производительность.
Заготовки из твердого сплава также могут быть изготовлены с использованием штампов для экструзии или литья под давлением.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 сорта порошка цементированного карбида суспендированы в органическом связующем, что придает смеси цементированного карбида консистенцию, подобную зубной пасте.Затем соединение либо выдавливается через отверстие, либо впрыскивается в полость для формирования.Характеристики марки твердосплавного порошка определяют оптимальное соотношение порошка и связующего в смеси, а также оказывают существенное влияние на текучесть смеси через экструзионное отверстие или впрыскивание в полость.
После того, как заготовка сформирована формованием, изостатическим прессованием, экструзией или литьем под давлением, органическое связующее необходимо удалить из заготовки перед заключительной стадией спекания.Спекание удаляет пористость из заготовки, делая ее полностью (или существенно) плотной.Во время спекания металлическая связка в штампованной заготовке становится жидкой, но заготовка сохраняет свою форму под совместным действием капиллярных сил и сцепления частиц.
После спекания геометрия заготовки остается 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 иметь правильную усадку при уплотнении под соответствующим давлением.
Почти во всех случаях требуется обработка спеченной заготовки после спекания.Самая основная обработка режущих инструментов заключается в заточке режущей кромки.Многие инструменты требуют шлифовки их геометрии и размеров после спекания.Некоторые инструменты требуют заточки сверху и снизу;другие требуют периферийного шлифования (с заточкой режущей кромки или без нее).Вся карбидная стружка после шлифования может быть переработана.
Покрытие заготовки
Во многих случаях готовая заготовка нуждается в покрытии.Покрытие обеспечивает смазывающую способность и повышенную твердость, а также диффузионный барьер для подложки, предотвращая окисление при воздействии высоких температур.Подложка из цементированного карбида имеет решающее значение для характеристик покрытия.В дополнение к адаптации основных свойств порошка матрицы, свойства поверхности матрицы также могут быть адаптированы путем химического отбора и изменения метода спекания.За счет миграции кобальта большее количество кобальта может быть обогащено в самом внешнем слое поверхности лезвия толщиной 20-30 мкм по отношению к остальной части заготовки, тем самым придавая поверхности подложки лучшую прочность и ударную вязкость, делая ее более устойчивы к деформации.
В зависимости от собственного производственного процесса (например, метода депарафинизации, скорости нагрева, времени спекания, температуры и напряжения науглероживания) у производителя инструмента могут быть 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 с горячим изостатическим прессованием (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 такой подход может привести к укрупнению их микроструктуры.Чтобы сохранить мелкий размер зерна, можно выбрать порошки с меньшим размером частиц карбида вольфрама.Чтобы соответствовать конкретному производственному оборудованию, условия депарафинизации и напряжение науглероживания также имеют разные требования к содержанию углерода в порошке цементированного карбида.
Классификация классов
Комбинированные изменения различных типов порошка карбида вольфрама, состава смеси и содержания металлического связующего, типа и количества ингибитора роста зерна и т. д. составляют разнообразие марок цементированного карбида.Эти параметры будут определять микроструктуру твердого сплава и его свойства.Некоторые определенные комбинации свойств стали приоритетными для некоторых конкретных применений обработки, что делает целесообразной классификацию различных марок цементированного карбида.
Двумя наиболее часто используемыми системами классификации карбидов для 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 цементированного карбида, они обеспечивают отправную точку для обсуждения.Для каждой классификации у многих производителей есть свои специальные марки, что приводит к большому разнообразию марок карбида.
Твердые сплавы также можно классифицировать по составу.Марки карбида вольфрама (WC) можно разделить на три основных типа: простые, микрокристаллические и легированные.Марки Simplex состоят в основном из связующих карбида вольфрама и кобальта, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерен.Микрокристаллическая марка состоит из карбида вольфрама и связующего кобальта с добавлением нескольких тысячных долей карбида ванадия (VC) и (или) карбида хрома (Cr3C2), а размер ее зерен может достигать 1 мкм и менее.Марки сплавов состоят из связующих карбида вольфрама и кобальта, содержащих 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 твердого сплава
Эти сплавы для резки металлов обычно содержат от 3% до 12% кобальта (по весу).Диапазон размеров зерен карбида вольфрама обычно составляет от 1 до 8 мкм.Как и в случае с другими марками, уменьшение размера частиц карбида вольфрама увеличивает его твердость и поперечную прочность на разрыв (TRS), но снижает ударную вязкость.Твердость чистого типа обычно находится в пределах HRA89-93,5;поперечная прочность на разрыв обычно составляет 175-350 тысяч фунтов на квадратный дюйм.Порошки этих марок могут содержать большое количество переработанных материалов.
Сорта простого типа могут быть разделены на C1-C4 в системе классов C и могут быть классифицированы в соответствии с сериями классов K, N, S и H в системе классов ISO.Сплавы Simplex с промежуточными свойствами могут быть классифицированы как сплавы общего назначения (такие как C2 или K20) и могут использоваться для точения, фрезерования, строгания и растачивания;марки с меньшим размером зерна или более низким содержанием кобальта и более высокой твердостью могут быть классифицированы как чистовые марки (например, C4 или K01);марки с большим размером зерна или более высоким содержанием кобальта и лучшей ударной вязкостью могут быть классифицированы как черновые марки (например, C1 или K30).
Инструменты, изготовленные из сплавов Simplex, можно использовать для обработки чугуна, нержавеющей стали серий 200 и 300, алюминия и других цветных металлов, жаропрочных сплавов и закаленных сталей.Эти марки могут также использоваться для резки неметаллов (например, в качестве инструмента для горных пород и геологического бурения), и эти марки имеют размер зерна в диапазоне 1,5–10 мкм (или больше) и содержание кобальта 6–16%.Еще одно применение простых карбидов в неметаллической резке — изготовление штампов и пуансонов.Эти марки обычно имеют средний размер зерна с содержанием кобальта от 16% до 30%.
(2) Микрокристаллические твердые сплавы
Такие марки обычно содержат 6-15% кобальта.Во время спекания в жидкой фазе добавление карбида ванадия и/или карбида хрома может контролировать рост зерна для получения мелкозернистой структуры с размером частиц менее 1 мкм.Этот мелкозернистый сорт имеет очень высокую твердость и прочность на разрыв в поперечном направлении выше 500ksi.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 резания, а не проталкивания металлического материала.
За счет 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 полном контроле сырья и процесса восстановления, а также при тщательном тестировании качества.
Микрокристаллические марки можно классифицировать в соответствии с серией марок M в системе марок ISO.Кроме того, другие методы классификации в системе оценок C и системе оценок ISO такие же, как и у чистых сортов.Микрокристаллические марки можно использовать для изготовления инструментов, которые режут более мягкие материалы, потому что поверхность инструмента может быть обработана очень гладкой и может сохранять чрезвычайно острую режущую кромку.
Микрокристаллические сплавы также могут использоваться для обработки жаропрочных сплавов на основе никеля, поскольку они могут выдерживать температуры резания до 1200°C.Для обработки суперсплавов и других специальных материалов использование инструментов микрокристаллического класса и инструментов чистого класса, содержащих рутений, может одновременно улучшить их износостойкость, сопротивление деформации и ударную вязкость.Микрокристаллические марки также подходят для изготовления вращающихся инструментов, таких как сверла, которые создают напряжение сдвига.Существует сверло из композиционных 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 цементированного карбида типа сплава
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, стойкость к лункообразованию и устойчивость к тепловому удару можно улучшить, добавив до 25 % карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC).Добавление таких кубических карбидов также увеличивает красноту твердости инструмента, помогая избежать термической деформации инструмента при тяжелой резке или других операциях, где режущая кромка будет генерировать высокие температуры.Кроме того, карбид титана может создавать центры зародышеобразования во время спекания, улучшая равномерность распределения кубического карбида в заготовке.
Вообще говоря, диапазон твердости марок цементированного карбида типа сплава составляет HRA91-94, а поперечная прочность на излом составляет 150-300ksi.По сравнению с чистыми марками легированные марки имеют низкую износостойкость и меньшую прочность, но обладают лучшей стойкостью к адгезионному износу.Марки сплавов могут быть разделены на C5-C8 в системе классов C и могут быть классифицированы в соответствии с сериями классов P и M в системе классов ISO.Сплавы с промежуточными свойствами могут быть классифицированы как марки общего назначения (например, C6 или P30) и могут использоваться для токарной обработки, нарезания резьбы, строгания и фрезерования.Самые твердые сплавы можно классифицировать как чистовые (такие как C8 и P01) для чистовой токарной и расточной операций.Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и более низкое содержание кобальта для получения требуемой твердости и износостойкости.Однако аналогичные свойства материала можно получить, добавив больше кубических карбидов.Сплавы с самой высокой ударной вязкостью могут быть классифицированы как черновые (например, C5 или P50).Эти марки обычно имеют средний размер зерна и высокое содержание кобальта с небольшими добавками кубических карбидов для достижения желаемой ударной вязкости за счет сдерживания роста трещин.При прерывистой токарной обработке производительность резания может быть дополнительно улучшена за счет использования вышеупомянутых сплавов с высоким содержанием кобальта 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 использоваться для обработки цветных металлов, таких как суперсплавы на основе никеля.Размер зерна этих марок обычно менее 1 мкм, а содержание кобальта составляет 8-12%.Более твердые сплавы, такие как М10, можно использовать для токарной обработки ковкого чугуна;более прочные сплавы, такие как M40, можно использовать для фрезерования и строгания стали, а также для токарной обработки нержавеющей стали или жаропрочных сплавов.
Твердые сплавы сплавного типа также могут применяться для неметаллических целей резания, 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 добавляется высокий процент переработанного сырья, что приводит к высокой рентабельности применения быстроизнашивающихся деталей.Изнашиваемые детали требуют хорошей коррозионной стойкости и высокой твердости, которую можно получить путем добавления никеля и карбида хрома при производстве этих марок.
Карбидный порошок является ключевым элементом для удовлетворения технических и экономических требований производителей инструментов.Порошки, разработанные для обрабатывающего оборудования и технологических параметров производителей инструмента, обеспечивают производительность готовой заготовки, что привело к созданию сотен марок твердого сплава.Возможность вторичной переработки карбидных материалов и возможность работать напрямую с поставщиками порошков позволяют производителям инструмента эффективно контролировать качество своей продукции и затраты на материалы.
Время публикации: 18 октября 2022 г.
