Карбидът е най-широко използваният клас инструменти за високоскоростна обработка (HSM), които се произвеждат чрез процеси на прахова металургия и се състоят от частици от твърд карбид (обикновено волфрамов карбид WC) и по-мека метална връзка. Понастоящем има стотици циментирани карбиди на базата на WC с различни състави, повечето от които използват кобалт (Co) като свързващо вещество, никел (Ni) и хром (Cr) също са често използвани свързващи елементи и могат да се добавят и други . някои легиращи елементи. Защо има толкова много марки карбиди? Как производителите на инструменти избират правилния инструментален материал за конкретна операция на рязане? За да отговорим на тези въпроси, нека първо разгледаме различните свойства, които правят циментирания карбид идеален инструментален материал.
твърдост и издръжливост
WC-Co циментиран карбид има уникални предимства както в твърдостта, така и в издръжливостта. Волфрамовият карбид (WC) по своята същност е много твърд (повече от корунд или алуминиев оксид) и неговата твърдост рядко намалява с повишаване на работната температура. Липсва му обаче достатъчна якост, съществено свойство за режещите инструменти. За да се възползват от високата твърдост на волфрамовия карбид и да подобрят неговата якост, хората използват метални връзки, за да свържат заедно волфрамовия карбид, така че този материал да има твърдост, далеч надвишаваща тази на бързорежещата стомана, като същевременно е в състояние да издържи на повечето рязане операции. сила на рязане. В допълнение, той може да издържи на високите температури на рязане, причинени от високоскоростна обработка.
Днес почти всички WC-Co ножове и вложки са с покритие, така че ролята на основния материал изглежда по-малко важна. Но всъщност високият модул на еластичност на материала WC-Co (мярка за твърдост, която е около три пъти по-голяма от тази на бързорежещата стомана при стайна температура) осигурява недеформируемия субстрат за покритието. WC-Co матрицата също осигурява необходимата здравина. Тези свойства са основните свойства на материалите WC-Co, но свойствата на материала могат също да бъдат персонализирани чрез регулиране на състава и микроструктурата на материала при производството на прахове от циментиран карбид. Следователно, пригодността на работата на инструмента за конкретна обработка зависи до голяма степен от първоначалния процес на фрезоване.
Процес на смилане
Волфрамов карбид на прах се получава чрез карбуризиране на волфрамов (W) прах. Характеристиките на праха от волфрамов карбид (особено неговия размер на частиците) зависят главно от размера на частиците на суровината волфрамов прах и температурата и времето на карбуризация. Химическият контрол също е критичен и въглеродното съдържание трябва да се поддържа постоянно (близо до стехиометричната стойност от 6,13% от теглото). Малко количество ванадий и/или хром може да се добави преди обработката с карбуризиране, за да се контролира размерът на частиците на праха чрез последващи процеси. Различните условия на процеса надолу по веригата и различните приложения за крайна обработка изискват специфична комбинация от размер на частиците на волфрамов карбид, съдържание на въглерод, съдържание на ванадий и съдържание на хром, чрез които могат да бъдат произведени различни различни прахове от волфрамов карбид. Например, ATI Alldyne, производител на волфрамов карбид на прах, произвежда 23 стандартни степени на волфрамов карбид на прах, а разновидностите на волфрамов карбид на прах, персонализирани според изискванията на потребителя, могат да достигнат повече от 5 пъти повече от стандартните степени на волфрамов карбид на прах.
При смесване и смилане на прах от волфрамов карбид и метална връзка за получаване на определен клас циментиран карбид на прах могат да се използват различни комбинации. Най-често използваното съдържание на кобалт е 3% – 25% (тегловно съотношение), а при необходимост от повишаване на корозионната устойчивост на инструмента е необходимо добавяне на никел и хром. В допълнение, металната връзка може да бъде допълнително подобрена чрез добавяне на други компоненти на сплавта. Например, добавянето на рутений към WC-Co циментиран карбид може значително да подобри неговата якост, без да намалява неговата твърдост. Увеличаването на съдържанието на свързващо вещество може също да подобри якостта на циментирания карбид, но ще намали неговата твърдост.
Намаляването на размера на частиците на волфрамовия карбид може да увеличи твърдостта на материала, но размерът на частиците на волфрамовия карбид трябва да остане същият по време на процеса на синтероване. По време на синтероването частиците от волфрамов карбид се комбинират и растат чрез процес на разтваряне и повторно утаяване. В действителния процес на синтероване, за да се образува напълно плътен материал, металната връзка става течна (наречено синтероване в течна фаза). Скоростта на растеж на частиците от волфрамов карбид може да се контролира чрез добавяне на други карбиди на преходен метал, включително ванадиев карбид (VC), хромов карбид (Cr3C2), титанов карбид (TiC), танталов карбид (TaC) и ниобиев карбид (NbC). Тези метални карбиди обикновено се добавят, когато прахът от волфрамов карбид се смесва и смила с метална връзка, въпреки че ванадиев карбид и хромов карбид могат също да се образуват, когато прахът от волфрамов карбид се карбуризира.
Волфрамов карбид на прах може също да бъде произведен чрез използване на рециклирани отпадъчни циментирани карбидни материали. Рециклирането и повторното използване на скрап от карбид има дълга история в производството на циментиран карбид и е важна част от цялата икономическа верига на индустрията, като помага за намаляване на разходите за материали, спестяване на природни ресурси и избягване на отпадъчни материали. Вредно изхвърляне. Скрапът от циментиран карбид обикновено може да се използва повторно чрез APT (амониев паравольфрамат) процес, процес на възстановяване на цинк или чрез раздробяване. Тези „рециклирани“ прахове от волфрамов карбид обикновено имат по-добро, предсказуемо уплътняване, тъй като имат по-малка повърхност от праховете от волфрамов карбид, направени директно чрез процеса на карбюризиране на волфрам.
Условията на обработка на смесеното смилане на прах от волфрамов карбид и метална връзка също са решаващи параметри на процеса. Двете най-често използвани техники за смилане са смилане с топка и микросмилане. И двата процеса позволяват равномерно смесване на смлените прахове и намален размер на частиците. За да може по-късно пресованият детайл да има достатъчна здравина, да поддържа формата на детайла и да позволи на оператора или манипулатора да вземе детайла за работа, обикновено е необходимо да се добави органично свързващо вещество по време на смилането. Химическият състав на тази връзка може да повлияе на плътността и здравината на пресования детайл. За да се улесни манипулирането, препоръчително е да се добавят свързващи вещества с висока якост, но това води до по-ниска плътност на уплътняване и може да доведе до образуване на бучки, които могат да причинят дефекти в крайния продукт.
След смилането прахът обикновено се изсушава чрез пулверизиране, за да се получат свободно течащи агломерати, държани заедно от органични свързващи вещества. Чрез регулиране на състава на органичното свързващо вещество, течливостта и плътността на заряда на тези агломерати могат да бъдат пригодени по желание. Чрез отсяване на по-едри или по-фини частици, разпределението на размера на частиците на агломерата може да бъде допълнително адаптирано, за да се осигури добър поток при зареждане в кухината на формата.
Производство на детайли
Твърдосплавните детайли могат да бъдат формовани чрез различни методи на обработка. В зависимост от размера на детайла, нивото на сложност на формата и производствената партида, повечето режещи вложки се формоват с помощта на твърди матрици с горно и долно налягане. За да се поддържа постоянството на теглото и размера на детайла по време на всяко пресоване, е необходимо да се гарантира, че количеството прах (маса и обем), изтичащо в кухината, е точно същото. Течливостта на праха се контролира главно от разпределението на размера на агломератите и свойствата на органичното свързващо вещество. Формованите детайли (или „заготовки“) се оформят чрез прилагане на налягане на формоване от 10-80 ksi (кило паунда на квадратен фут) към праха, зареден в кухината на формата.
Дори при изключително високо налягане на формоване твърдите частици волфрамов карбид няма да се деформират или счупят, но органичното свързващо вещество се притиска в пролуките между частиците волфрамов карбид, като по този начин фиксира позицията на частиците. Колкото по-високо е налягането, толкова по-плътно е свързването на частиците от волфрамов карбид и толкова по-голяма е плътността на уплътняване на детайла. Свойствата за формоване на сортовете циментиран карбид на прах могат да варират в зависимост от съдържанието на метално свързващо вещество, размера и формата на частиците волфрамов карбид, степента на агломерация и състава и добавянето на органично свързващо вещество. За да се осигури количествена информация за свойствата на уплътняване на сортовете циментиран карбид на прах, връзката между плътността на формоване и налягането на формоване обикновено се проектира и конструира от производителя на праха. Тази информация гарантира, че доставеният прах е съвместим с процеса на формоване на производителя на инструмента.
Твърдосплавни детайли с големи размери или карбидни детайли с високи аспектни съотношения (като стебла за челни фрези и свредла) обикновено се произвеждат от равномерно пресовани видове карбиден прах в гъвкава торба. Въпреки че производственият цикъл на метода на балансирано пресоване е по-дълъг от този на метода на формоване, производствената цена на инструмента е по-ниска, така че този метод е по-подходящ за производство на малки партиди.
Този метод на процес е да поставите праха в торбата и да запечатате отвора на торбата, след което да поставите торбата, пълна с прах, в камера и да приложите налягане от 30-60ksi чрез хидравлично устройство за пресоване. Пресованите детайли често се обработват до специфични геометрии преди синтероване. Размерът на чувала е увеличен, за да поеме свиването на детайла по време на уплътняването и да осигури достатъчен резерв за операции на смилане. Тъй като детайлът трябва да бъде обработен след пресоване, изискванията за консистенция на зареждането не са толкова строги, колкото тези при метода на формоване, но все пак е желателно да се гарантира, че едно и също количество прах се зарежда в торбата всеки път. Ако плътността на зареждане на праха е твърде малка, това може да доведе до недостатъчно количество прах в торбата, което води до твърде малък детайл и трябва да бъде бракуван. Ако плътността на зареждане на праха е твърде висока и прахът, зареден в торбата, е твърде много, детайлът трябва да се обработи, за да се отстрани повече прах след пресоването му. Въпреки че излишният отстранен прах и бракуваните детайли могат да бъдат рециклирани, това намалява производителността.
Твърдосплавните детайли могат също да бъдат оформени с помощта на матрици за екструдиране или матрици за шприцване. Процесът на формоване чрез екструдиране е по-подходящ за масово производство на детайли с осесиметрична форма, докато процесът на формоване под налягане обикновено се използва за масово производство на детайли със сложна форма. И в двата процеса на формоване видовете циментиран карбид на прах се суспендират в органично свързващо вещество, което придава консистенция, подобна на паста за зъби, на сместа от циментиран карбид. След това съединението се екструдира през отвор или се инжектира в кухина, за да се образува. Характеристиките на степента на циментиран карбид на прах определят оптималното съотношение на прах към свързващо вещество в сместа и имат важно влияние върху течливостта на сместа през отвора за екструдиране или инжектиране в кухината.
След формоване на детайла чрез формоване, изостатично пресоване, екструдиране или леене под налягане, органичното свързващо вещество трябва да бъде отстранено от детайла преди крайния етап на синтероване. Агломерирането премахва порьозността от детайла, което го прави напълно (или по същество) плътен. По време на синтероването металната връзка в пресованата заготовка става течна, но заготовката запазва формата си под комбинираното действие на капилярни сили и свързване на частиците.
След синтероване геометрията на детайла остава същата, но размерите се намаляват. За да се получи необходимия размер на детайла след синтероване, при проектирането на инструмента трябва да се вземе предвид степента на свиване. Класът карбид на прах, използван за направата на всеки инструмент, трябва да бъде проектиран така, че да има правилно свиване, когато се уплътнява под подходящо налягане.
В почти всички случаи е необходима обработка след синтероване на синтерования детайл. Най-основната обработка на режещите инструменти е заточването на режещия ръб. Много инструменти изискват шлайфане на тяхната геометрия и размери след синтероване. Някои инструменти изискват горно и долно шлайфане; други изискват периферно шлайфане (със или без заточване на режещия ръб). Всички карбидни стърготини от смилане могат да бъдат рециклирани.
Покритие на детайла
В много случаи готовият детайл трябва да бъде покрит. Покритието осигурява смазваща способност и повишена твърдост, както и дифузионна бариера на основата, предотвратяваща окисляването при излагане на високи температури. Подложката от циментиран карбид е от решаващо значение за ефективността на покритието. В допълнение към приспособяването на основните свойства на матричния прах, повърхностните свойства на матрицата могат също да бъдат приспособени чрез химически подбор и промяна на метода на синтероване. Чрез миграцията на кобалт, повече кобалт може да бъде обогатен в най-външния слой на повърхността на острието с дебелина 20-30 μm спрямо останалата част от детайла, като по този начин придава на повърхността на субстрата по-добра здравина и издръжливост, правейки я по- устойчиви на деформация.
Въз основа на техния собствен производствен процес (като метод на депарафинизиране, скорост на нагряване, време на синтероване, температура и напрежение на карбуризация), производителят на инструмента може да има някои специални изисквания за класа на използвания прах от циментиран карбид. Някои производители на инструменти могат да синтероват детайла във вакуумна пещ, докато други могат да използват пещ за синтероване с горещо изостатично пресоване (HIP) (която поставя детайла под налягане близо до края на цикъла на обработка, за да отстрани всички остатъци) порите). Заготовките, синтеровани във вакуумна пещ, може също да се наложи да бъдат горещо изостатично пресовани чрез допълнителен процес за увеличаване на плътността на детайла. Някои производители на инструменти могат да използват по-високи температури на синтероване във вакуум, за да увеличат синтерованата плътност на смеси с по-ниско съдържание на кобалт, но този подход може да вгруби тяхната микроструктура. За да се поддържа фин размер на зърното, могат да бъдат избрани прахове с по-малък размер на частиците от волфрамов карбид. За да съответстват на конкретното производствено оборудване, условията за депарафинизиране и напрежението на карбуризиране също имат различни изисквания за съдържанието на въглерод в циментирания карбид на прах.
Класификация по степени
Комбинираните промени на различни видове прах от волфрамов карбид, състав на сместа и съдържание на метално свързващо вещество, вид и количество инхибитор на растежа на зърната и т.н., представляват разнообразие от сортове циментиран карбид. Тези параметри ще определят микроструктурата на циментирания карбид и неговите свойства. Някои специфични комбинации от свойства са се превърнали в приоритет за някои специфични приложения за обработка, което прави класифицирането на различни видове циментиран карбид смислено.
Двете най-често използвани системи за класификация на карбиди за машинни приложения са системата за обозначение C и системата за обозначение ISO. Въпреки че нито една от двете системи не отразява напълно свойствата на материала, които влияят върху избора на класове циментиран карбид, те предоставят отправна точка за дискусия. За всяка класификация много производители имат свои собствени специални класове, което води до голямо разнообразие от класове карбиди.
Класовете карбид също могат да бъдат класифицирани по състав. Класовете волфрамов карбид (WC) могат да бъдат разделени на три основни типа: прости, микрокристални и легирани. Класовете симплекс се състоят предимно от волфрамов карбид и кобалтови свързващи вещества, но могат да съдържат и малки количества инхибитори на растежа на зърната. Микрокристалният клас се състои от волфрамов карбид и кобалтово свързващо вещество, добавени с няколко хилядни от ванадиев карбид (VC) и (или) хромов карбид (Cr3C2), а размерът на зърната му може да достигне 1 μm или по-малко. Класовете сплави са съставени от волфрамов карбид и кобалтови свързващи вещества, съдържащи няколко процента титанов карбид (TiC), танталов карбид (TaC) и ниобиев карбид (NbC). Тези добавки са известни също като кубични карбиди поради техните свойства на синтероване. Получената микроструктура показва нехомогенна трифазна структура.
1) Прости класове карбиди
Тези степени за рязане на метал обикновено съдържат 3% до 12% кобалт (тегловно). Размерът на зърната от волфрамов карбид обикновено е между 1-8 μm. Както при другите степени, намаляването на размера на частиците на волфрамовия карбид увеличава неговата твърдост и якост на напречно разрушаване (TRS), но намалява неговата якост. Твърдостта на чистия тип обикновено е между HRA89-93.5; якостта на напречно скъсване обикновено е между 175-350ksi. Праховете от тези степени могат да съдържат големи количества рециклирани материали.
Класовете от прост тип могат да бъдат разделени на C1-C4 в системата за класове C и могат да бъдат класифицирани според серията класове K, N, S и H в системата за класове ISO. Симплексните сортове с междинни свойства могат да бъдат класифицирани като класове с общо предназначение (като C2 или K20) и могат да се използват за струговане, фрезоване, рендосване и пробиване; степени с по-малък размер на зърното или по-ниско съдържание на кобалт и по-висока твърдост могат да бъдат класифицирани като довършителни степени (като C4 или K01); класове с по-голям размер на зърното или по-високо съдържание на кобалт и по-добра якост могат да бъдат класифицирани като класове за груба обработка (като C1 или K30).
Инструменти, произведени в сортове Simplex, могат да се използват за обработка на чугун, неръждаема стомана от серии 200 и 300, алуминий и други цветни метали, суперсплави и закалени стомани. Тези степени могат да се използват и в приложения за рязане на неметали (напр. като инструменти за скално и геоложко сондиране) и тези степени имат размер на зърното от 1,5-10 μm (или по-голям) и съдържание на кобалт от 6%-16%. Друга употреба при рязане на неметали на прости класове карбиди е в производството на матрици и поансони. Тези степени обикновено имат среден размер на зърното със съдържание на кобалт от 16%-30%.
(2) Микрокристален циментиран карбид
Такива класове обикновено съдържат 6%-15% кобалт. По време на синтероване в течна фаза добавянето на ванадиев карбид и/или хромов карбид може да контролира растежа на зърната, за да се получи фина зърнеста структура с размер на частиците по-малък от 1 μm. Този финозърнест клас има много висока твърдост и якост на напречно скъсване над 500ksi. Комбинацията от висока якост и достатъчна якост позволява на тези марки да използват по-голям положителен наклонен ъгъл, което намалява силите на рязане и произвежда по-тънки стружки чрез рязане, вместо избутване на металния материал.
Чрез стриктно идентифициране на качеството на различни суровини при производството на сортове циментиран карбид на прах и строг контрол на условията на процеса на синтероване, за да се предотврати образуването на необичайно големи зърна в микроструктурата на материала, е възможно да се получат подходящи свойства на материала. За да се запази размерът на зърната малък и еднакъв, рециклираният рециклиран прах трябва да се използва само ако има пълен контрол на суровината и процеса на възстановяване и обширно тестване на качеството.
Микрокристалните класове могат да бъдат класифицирани според серията M клас в системата за клас ISO. В допълнение, другите методи за класифициране в системата за клас C и системата за клас ISO са същите като чистите степени. Микрокристалните сортове могат да се използват за направата на инструменти, които режат по-меки материали на детайла, тъй като повърхността на инструмента може да се обработва много гладко и може да поддържа изключително остър режещ ръб.
Микрокристалните марки могат също да се използват за обработка на суперсплави на базата на никел, тъй като те могат да издържат на температури на рязане до 1200°C. За обработката на суперсплави и други специални материали, използването на инструменти с микрокристален клас и инструменти с чист клас, съдържащи рутений, може едновременно да подобри тяхната устойчивост на износване, устойчивост на деформация и издръжливост. Микрокристалните видове също са подходящи за производството на въртящи се инструменти като свредла, които генерират напрежение на срязване. Има свредло, изработено от композитни марки циментиран карбид. В определени части на едно и също свредло съдържанието на кобалт в материала варира, така че твърдостта и издръжливостта на свредлото се оптимизират според нуждите на обработката.
(3) Класове циментиран карбид от тип сплав
Тези степени се използват главно за рязане на стоманени части и тяхното съдържание на кобалт обикновено е 5%-10%, а размерът на зърното варира от 0,8-2μm. Чрез добавяне на 4%-25% титанов карбид (TiC), тенденцията на волфрамов карбид (WC) да дифундира към повърхността на стоманените стружки може да бъде намалена. Якостта на инструмента, устойчивостта на кратерно износване и устойчивостта на термичен удар могат да бъдат подобрени чрез добавяне на до 25% танталов карбид (TaC) и ниобиев карбид (NbC). Добавянето на такива кубични карбиди също увеличава червената твърдост на инструмента, като помага да се избегне термична деформация на инструмента при тежко рязане или други операции, при които режещият ръб генерира високи температури. В допълнение, титановият карбид може да осигури места за нуклеация по време на синтероване, подобрявайки равномерността на разпределението на кубичния карбид в детайла.
Най-общо казано, диапазонът на твърдост на класовете циментиран карбид от сплав е HRA91-94, а якостта на напречно счупване е 150-300ksi. В сравнение с чистите класове, класовете сплави имат слаба устойчивост на износване и по-ниска якост, но имат по-добра устойчивост на адхезивно износване. Класовете на сплавите могат да бъдат разделени на C5-C8 в системата за клас C и могат да бъдат класифицирани според сериите клас P и M в системата за клас ISO. Класовете сплави с междинни свойства могат да бъдат класифицирани като класове с общо предназначение (като C6 или P30) и могат да се използват за струговане, нарязване на резби, рендосване и фрезоване. Най-твърдите степени могат да бъдат класифицирани като довършителни степени (като C8 и P01) за довършителни операции по струговане и пробиване. Тези степени обикновено имат по-малък размер на зърното и по-ниско съдържание на кобалт, за да се получи необходимата твърдост и устойчивост на износване. Подобни свойства на материала обаче могат да бъдат получени чрез добавяне на повече кубични карбиди. Класовете с най-висока якост могат да бъдат класифицирани като класове за груба обработка (напр. C5 или P50). Тези степени обикновено имат среден размер на зърното и високо съдържание на кобалт, с малко добавки на кубични карбиди за постигане на желаната якост чрез инхибиране на растежа на пукнатини. При операции с прекъснато струговане производителността на рязане може да бъде допълнително подобрена чрез използване на гореспоменатите богати на кобалт сортове с по-високо съдържание на кобалт върху повърхността на инструмента.
Класове сплави с по-ниско съдържание на титанов карбид се използват за обработка на неръждаема стомана и ковък чугун, но могат да се използват и за обработка на цветни метали като суперсплави на базата на никел. Размерът на зърното на тези класове обикновено е по-малък от 1 μm, а съдържанието на кобалт е 8%-12%. По-твърди степени, като M10, могат да се използват за струговане на ковък чугун; по-здравите класове, като M40, могат да се използват за фрезоване и рендосване на стомана или за струговане на неръждаема стомана или суперсплави.
Класовете циментиран карбид от легиран тип могат също да се използват за рязане на неметали, главно за производството на устойчиви на износване части. Размерът на частиците на тези степени обикновено е 1,2-2 μm, а съдържанието на кобалт е 7%-10%. При производството на тези класове обикновено се добавя висок процент рециклирана суровина, което води до висока рентабилност при приложенията на износващи се части. Износващите се части изискват добра устойчивост на корозия и висока твърдост, които могат да бъдат получени чрез добавяне на никелов и хромов карбид при производството на тези степени.
За да отговори на техническите и икономическите изисквания на производителите на инструменти, карбидният прах е ключовият елемент. Праховете, предназначени за машинно оборудване и параметри на процеса на производителите на инструменти, гарантират производителността на завършения детайл и са довели до стотици степени на карбиди. Рециклируемият характер на карбидните материали и способността да се работи директно с доставчиците на прахове позволява на производителите на инструменти ефективно да контролират качеството на своите продукти и разходите за материали.
Време на публикуване: 18 октомври 2022 г
