Карбидът е най-широко използваният клас инструменти за високоскоростна обработка (HSM), които се произвеждат чрез процеси на прахова металургия и се състоят от твърди карбидни частици (обикновено волфрамов карбид WC) и по-мек метален свързващ състав. В момента има стотици WC-базирани циментирани карбиди с различен състав, повечето от които използват кобалт (Co) като свързващо вещество, никел (Ni) и хром (Cr) също са често използвани свързващи елементи, а могат да се добавят и други. Някои легиращи елементи. Защо има толкова много видове карбиди? Как производителите на инструменти избират правилния инструментален материал за конкретна операция по рязане? За да отговорим на тези въпроси, нека първо разгледаме различните свойства, които правят циментирания карбид идеален инструментален материал.
твърдост и жилавост
WC-Co циментираният карбид има уникални предимства както по отношение на твърдост, така и на жилавост. Волфрамовият карбид (WC) е по своята същност много твърд (по-твърд от корунда или алуминиевия оксид) и твърдостта му рядко намалява с повишаване на работната температура. Въпреки това, той няма достатъчна жилавост, съществено свойство за режещите инструменти. За да се възползват от високата твърдост на волфрамовия карбид и да подобрят неговата жилавост, хората използват метални свързващи елементи, за да свържат волфрамовия карбид заедно, така че този материал да има твърдост, далеч надвишаваща тази на бързорежещата стомана, като същевременно е способен да издържи на повечето операции по рязане. Освен това, той може да издържи на високите температури на рязане, причинени от високоскоростна обработка.
Днес почти всички ножове и вложки от WC-Co са покрити, така че ролята на основния материал изглежда по-маловажна. Но всъщност високият модул на еластичност на материала WC-Co (мярка за твърдост, която е около три пъти по-висока от тази на бързорежещата стомана при стайна температура) осигурява недеформируемия субстрат за покритието. Матрицата на WC-Co осигурява и необходимата жилавост. Тези свойства са основните свойства на материалите WC-Co, но свойствата на материала могат да бъдат персонализирани и чрез регулиране на състава и микроструктурата на материала при производството на прахове от циментиран карбид. Следователно, пригодността на производителността на инструмента за специфична обработка зависи до голяма степен от първоначалния процес на фрезоване.
Процес на фрезоване
Волфрамов карбид на прах се получава чрез карбуризиране на волфрамов (W) прах. Характеристиките на волфрамовия карбид на прах (особено размерът на частиците му) зависят главно от размера на частиците на суровината волфрамов прах, както и от температурата и времето на карбуризиране. Химичният контрол също е от решаващо значение и съдържанието на въглерод трябва да се поддържа постоянно (близо до стехиометричната стойност от 6,13 тегловни%). Малко количество ванадий и/или хром може да се добави преди карбуризиращата обработка, за да се контролира размерът на частиците на праха чрез последващите процеси. Различните условия на последващия процес и различните крайни приложения на обработката изискват специфична комбинация от размер на частиците на волфрамовия карбид, съдържание на въглерод, съдържание на ванадий и съдържание на хром, чрез които могат да се произведат различни волфрамови карбидни прахове. Например, ATI Alldyne, производител на волфрамов карбид на прах, произвежда 23 стандартни класа волфрамов карбид на прах, а разновидностите на волфрамов карбид на прах, персонализирани според изискванията на потребителя, могат да достигнат повече от 5 пъти по-високи от стандартните класове волфрамов карбид на прах.
При смесване и смилане на прах от волфрамов карбид и метална свързваща материя за получаване на прах от ствърден карбид с определен клас, могат да се използват различни комбинации. Най-често използваното съдържание на кобалт е 3% – 25% (тегловно съотношение), а в случай на необходимост от подобряване на корозионната устойчивост на инструмента е необходимо да се добавят никел и хром. Освен това, металната връзка може да се подобри допълнително чрез добавяне на други компоненти на сплавта. Например, добавянето на рутений към WC-Co ствърден карбид може значително да подобри неговата жилавост, без да намалява твърдостта му. Увеличаването на съдържанието на свързващо вещество също може да подобри жилавостта на ствърдения карбид, но ще намали твърдостта му.
Намаляването на размера на частиците волфрамов 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 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 (нарича се синтероване в течна фаза). Скоростта на растеж на частиците волфрамов карбид може да се контролира чрез добавяне на други преходни метални карбиди, 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 да се образуват и когато прахът от волфрамов карбид се карбуризира.
Волфрамов карбид на прах може да се произвежда и чрез използване на рециклирани отпадъчни материали от циментиран карбид. Рециклирането и повторната употреба на скрап от карбид има дълга история в индустрията за циментиран карбид и е важна част от цялата икономическа верига на индустрията, като помага за намаляване на разходите за материали, пестене на природни ресурси и избягване на отпадъчни материали. Вредно изхвърляне. Скрап от циментиран карбид обикновено може да се използва повторно чрез APT (амониев параволфрамат) процес, процес на възстановяване на цинк или чрез раздробяване. Тези „рециклирани“ волфрамови карбидни прахове обикновено имат по-добро, предвидимо уплътняване, защото имат по-малка повърхност от волфрамовите карбидни прахове, получени директно чрез процеса на цементиране на волфрам.
Условията на обработка на смесеното смилане на прах от волфрамов карбид и метална свръзка също са ключови параметри на процеса. Двете най-често използвани техники за смилане са топково смилане и микросмилане. И двата процеса позволяват равномерно смесване на смлените прахове и намаляване на размера на частиците. За да се осигури достатъчна якост на пресования детайл, да се запази формата му и да се даде възможност на оператора или манипулатора да го вземе за работа, обикновено е необходимо да се добави органично свързващо вещество по време на смилането. Химичният състав на това свързващо вещество може да повлияе на плътността и якостта на пресования детайл. За да се улесни обработката, е препоръчително 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 смилане, прахът обикновено се суши чрез пулверизиране, за да се получат свободно течащи агломерати, свързани с органични свързващи вещества. Чрез регулиране на състава на органичното свързващо вещество, течливостта и плътността на заряда на тези агломерати могат да бъдат регулирани по желание. Чрез отстраняване на по-едри или по-фини частици, разпределението на размера на частиците на агломерата може да бъде допълнително регулирано, за да се осигури добър поток при зареждане в кухината на формата.
Производство на детайли
Карбидните детайли могат да бъдат оформени чрез различни технологични методи. 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 постоянство в теглото и размера на детайла по време на всяко пресоване, е необходимо да се гарантира, че количеството прах (маса и обем), постъпващо в кухината, е абсолютно еднакво. Течливостта на праха се контролира главно от разпределението на размера на агломератите и свойствата на органичното свързващо вещество. Формованите детайли (или „заготовки“) се формоват чрез прилагане на формовъчно налягане от 10-80 ksi (килопаунда на квадратен фут) към праха, зареден в кухината на формата.
Дори при изключително високо налягане на формоване, твърдите частици от волфрамов карбид няма да се деформират или счупят, но органичното свързващо вещество се пресова в пролуките между частиците от волфрамов карбид, като по този начин фиксира позицията на частиците. Колкото по-високо е налягането, толкова по-здраво е свързването на частиците от волфрамов карбид и толкова по-голяма е плътността на уплътняване на детайла. Свойствата на формоване на различните видове прах от циментиран карбид могат да варират в зависимост от съдържанието на метално свързващо вещество, размера и формата на частиците от волфрамов карбид, степента на агломерация, както и състава и добавянето на органично свързващо вещество. За да се предостави количествена информация за свойствата на уплътняване на различните видове прах от циментиран карбид, производителят на праха обикновено проектира и конструира връзката между плътността на формоване и налягането на формоване. Тази информация гарантира, че доставеният прах е съвместим с процеса на формоване на производителя на инструмента.
Карбидни детайли с големи размери или с високи съотношения на страните (като например опашки за крайни фрези и свредла) обикновено се произвеждат от равномерно пресовани видове карбид на прах в гъвкава торба. Въпреки че производственият цикъл на метода на балансирано пресоване е по-дълъг от този на метода на формоване, производствените разходи на инструмента са по-ниски, така че този метод е по-подходящ за производство на малки партиди.
Този метод на обработка е чрез поставяне на праха в торбата, запечатване на отвора на торбата, след което торбата, пълна с прах, се поставя в камера и се прилага налягане от 30-60 ksi чрез хидравлично устройство за пресоване. Пресованите детайли често се обработват до специфични геометрии преди синтероване. Размерът на торбата се увеличава, за да се побере свиването на детайла по време на уплътняването и да се осигури достатъчен запас за шлифоване. Тъй като детайлът трябва да се обработи след пресоване, изискванията за консистентност на зареждане не са толкова строги, колкото тези при метода на формоване, но все пак е желателно да се гарантира, че в торбата се зарежда едно и също количество прах 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 необходимост от бракуване. Ако плътността на зареждане на праха е твърде висока и количеството прах, заредено в торбата, е твърде голямо, детайлът трябва да се обработи, за да се отстрани повече прах след пресоването. Въпреки че излишният отстранен прах и бракуваните детайли могат да бъдат рециклирани, това намалява производителността.
Карбидните детайли могат да бъдат оформени и с помощта на екструдиращи матрици или шприцващи матрици. Процесът на екструдиране е по-подходящ за масово производство на детайли с осесиметрична форма, докато процесът на шприцване обикновено се използва за масово производство на детайли със сложна форма. И в двата процеса на формоване, различните видове прах от циментиран карбид 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 оформи. Характеристиките на вида прах от циментиран карбид 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 като детайлът е оформен чрез формоване, изостатично пресоване, екструдиране или шприцване, органичното свързващо вещество трябва да бъде отстранено от детайла преди последния етап на синтероване. Синтероването премахва порьозността на детайла, правейки го напълно (или съществено) плътен. По време на синтероването металната връзка в пресования детайл става течна, но детайлът запазва формата си под комбинираното действие на капилярните сили и свързването на частиците.
След синтероване геометрията на детайла остава същата, но размерите се намаляват. За да се получи необходимият размер на детайла след синтероване, при проектирането на инструмента трябва да се вземе предвид степента на свиване. Видът карбид, използван за направата на всеки инструмент, трябва да бъде проектиран така, че да има правилното свиване при уплътняване под подходящо налягане.
В почти всички случаи е необходима обработка на синтерования детайл след синтероване. Най-основната обработка на режещите инструменти е заточването на режещия ръб. Много инструменти изискват шлифоване на геометрията и размерите си след синтероване. Някои инструменти изискват горно и долно шлифоване; други изискват периферно шлифоване (със или без заточване на режещия ръб). Всички карбидни стружки от шлифоването могат да бъдат рециклирани.
Покритие на детайла
В много случаи готовият детайл трябва да бъде покрит. Покритието осигурява смазване и повишена твърдост, както и дифузионна бариера на основата, предотвратявайки окисляването при излагане на високи температури. Циментираният карбид е от решаващо значение за производителността на покритието. В допълнение към приспособяването на основните свойства на матричния прах, повърхностните свойства на матрицата могат да бъдат приспособени и чрез химичен 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 от 20-30 μm спрямо останалата част от детайла, като по този начин се придава на повърхността на основата по-добра здравина и жилавост, което я прави по-устойчива на деформация.
Въз основа на собствения си производствен процес (като метод на обезпарафиняване, скорост на нагряване, време за синтероване, температура и напрежение на цементиране), производителят на инструменти може да има някои специални изисквания за вида 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 оказва налягане върху детайла близо до края на технологичния цикъл, за да отстрани всички остатъци от порите). Детайлите, синтеровани във вакуумна пещ, може също да се нуждаят от горещо изостатично пресоване чрез допълнителен процес, за да се увеличи плътността на детайла. Някои производители на инструменти могат да използват по-високи температури на вакуумно синтероване, за да увеличат плътността на синтероване на смеси с по-ниско съдържание на кобалт, но този подход може да направи микроструктурата им по-груба. За да се поддържа фин размер на зърната, могат да се изберат прахове с по-малък размер на частиците на волфрамовия карбид. За да съответстват на специфичното производствено оборудване, условията на обезпарафиняване и напрежението на цементиране също имат различни изисквания за съдържанието на въглерод в праха от циментиран карбид.
Класификация на степента
Комбинациите от различни видове прах от волфрамов карбид, съставът на сместа и съдържанието на метално свързващо вещество, вида и количеството инхибитор на растежа на зърната и др. съставляват разнообразие от марки твърд карбид. Тези параметри ще определят микроструктурата на твърд карбид и неговите свойства. Някои специфични комбинации от свойства са се превърнали в приоритет за някои специфични приложения на обработка, което прави класифицирането на различните марки твърд карбид смислено.
Двете най-често използвани системи за класификация на карбидите за машинна обработка са системата за обозначаване C и системата за обозначаване ISO. Въпреки че нито една от системите не отразява напълно свойствата на материала, които влияят върху избора на марки твърд карбид, те предоставят отправна точка за дискусия. За всяка класификация много производители имат свои собствени специални марки, което води до голямо разнообразие от марки твърд карбид.
Карбидните марки могат да се класифицират и по състав. Волфрамовите карбиди (WC) могат да се разделят на три основни вида: прости, микрокристални и легирани. Симплексните марки се състоят предимно от волфрамов карбид и кобалтови свързващи вещества, но могат да съдържат и малки количества инхибитори на растежа на зърната. Микрокристалната марка е съставена от волфрамов карбид и кобалтово свързващо вещество, добавени с няколко хилядни от ванадиев карбид (VC) и (или) хромов карбид (Cr3C2), а размерът на зърната ѝ може да достигне 1 μm или по-малко. Легираните марки 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 още като кубични карбиди поради свойствата им на синтероване. Получената микроструктура показва нееднородна трифазна структура.
1) Прости карбидни класове
Тези марки за рязане на метал обикновено съдържат от 3% до 12% кобалт (тегловни). Размерът на зърната на волфрамовия карбид обикновено е между 1-8 μm. Както при другите марки, намаляването на размера на частиците на волфрамовия карбид увеличава неговата твърдост и якост на напречно разкъсване (TRS), но намалява неговата жилавост. Твърдостта на чистия тип обикновено е между HRA89-93.5; якостта на напречно разкъсване обикновено е между 175-350 ksi. Праховете от тези марки могат да съдържат големи количества рециклирани материали.
Простите видове марки могат да бъдат разделени на C1-C4 в системата C марки и могат да бъдат класифицирани според сериите марки K, N, S и H в системата ISO марки. Симплекс марките с междинни свойства могат да бъдат класифицирани като марки с общо предназначение (като C2 или K20) и могат да се използват за струговане, фрезоване, рендосване и пробиване; марките с по-малък размер на зърната или по-ниско съдържание на кобалт и по-висока твърдост могат да бъдат класифицирани като марки за довършителни работи (като C4 или K01); марките с по-голям размер на зърната или по-високо съдържание на кобалт и по-добра жилавост могат да бъдат класифицирани като марки за груба обработка (като C1 или K30).
Инструментите, изработени от класове Simplex, могат да се използват за обработка на чугун, неръждаема стомана от серия 200 и 300, алуминий и други цветни метали, суперсплави и закалени стомани. Тези класове могат да се използват и в приложения за рязане на неметални материали (напр. като инструменти за скално и геоложко сондиране), като имат диапазон на размера на зърната от 1,5-10 μm (или по-голям) и съдържание на кобалт от 6%-16%. Друго приложение на прости карбидни класове за рязане на неметални материали е в производството на матрици и щанци. Тези класове обикновено имат среден размер на зърната със съдържание на кобалт от 16%-30%.
(2) Микрокристални видове циментиран карбид
Такива марки обикновено съдържат 6%-15% кобалт. По време на течнофазно синтероване, добавянето на ванадиев карбид и/или хромов карбид може да контролира растежа на зърната, за да се получи финозърнеста структура с размер на частиците по-малък от 1 μm. Тази финозърнеста марка има много висока твърдост и напречна якост на разкъсване над 500 ksi. Комбинацията от висока якост и достатъчна жилавост позволява на тези марки да използват по-голям положителен ъгъл на наклон, което намалява силите на рязане и произвежда по-тънки стружки чрез рязане, а не чрез избутване на металния материал.
Чрез стриктно определяне на качеството на различните суровини при производството на видове прах от циментиран карбид 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 малък и равномерен размер на зърната, рециклираният прах трябва да се използва само при пълен контрол на суровината и процеса на възстановяване, както и при обширни тестове за качество.
Микрокристалните марки могат да бъдат класифицирани според серията марки M в системата ISO. Освен това, другите методи за класификация в системата C и системата ISO са същите като при чистите марки. Микрокристалните марки могат да се използват за направата на инструменти, които режат по-меки материали на детайлите, тъй като повърхността на инструмента може да бъде обработена много гладко и може да поддържа изключително остър режещ ръб.
Микрокристалните марки могат да се използват и за обработка на суперсплави на никелова основа, тъй като те могат да издържат на температури на рязане до 1200°C. За обработка на суперсплави и други специални материали, използването на инструменти от микрокристален клас и инструменти от чист клас, съдържащи рутений, може едновременно да подобри тяхната износоустойчивост, устойчивост на деформация и жилавост. Микрокристалните марки са подходящи и за производството на въртящи се инструменти, като например свредла, които генерират напрежение на срязване. Съществува свредло, изработено от композитни марки циментиран карбид. В специфични части на едно и също свредло съдържанието на кобалт в материала варира, така че твърдостта и жилавостта на свредлото се оптимизират според нуждите на обработката.
(3) Класове сплави от циментиран карбид
Тези марки се използват главно за рязане на стоманени части, като съдържанието им на кобалт обикновено е 5%-10%, а размерът на зърната варира от 0,8 до 2 μm. Чрез добавяне на 4%-25% титанов карбид (TiC) може да се намали тенденцията на волфрамовия карбид (WC) да дифундира към повърхността на стоманените стружки. Якостта на инструмента, устойчивостта на износване от кратери и устойчивостта на термичен удар могат да се подобрят чрез добавяне на до 25% танталов карбид (TaC) и ниобиев карбид (NbC). Добавянето на такива кубични карбиди също така увеличава червената твърдост на инструмента, като помага да се избегне термичната му деформация при тежко рязане или други операции, при които режещият ръб ще генерира високи температури. Освен това, титановият карбид може да осигури места за образуване на зародиши по време на синтероване, подобрявайки равномерността на разпределението на кубичния карбид в детайла.
Най-общо казано, диапазонът на твърдост на легираните карбидни класове е HRA91-94, а напречната якост на счупване е 150-300 ksi. В сравнение с чистите класове, легираните класове имат лоша износоустойчивост и по-ниска якост, но имат по-добра устойчивост на адхезивно износване. Класовете сплави могат да бъдат разделени на C5-C8 в системата клас C и могат да бъдат класифицирани според сериите класове P и M в системата класове 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 резба, рендосване и фрезоване. Най-твърдите класове могат да бъдат класифицирани като класове за довършителни работи (като C8 и P01) за довършителни стругови и разпробивни операции. Тези класове обикновено имат по-малки размери на зърната и по-ниско съдържание на кобалт, за да се получи необходимата твърдост и износоустойчивост. Подобни свойства на материала обаче могат да се получат чрез добавяне на повече кубични карбиди. Класовете с най-висока жилавост могат да бъдат класифицирани като класове за груба обработка (напр. C5 или P50). Тези марки обикновено имат среден размер на зърната и високо съдържание на кобалт, с ниски добавки на кубични карбиди за постигане на желаната жилавост чрез инхибиране на растежа на пукнатини. При прекъснато струговане, режещите характеристики могат да бъдат допълнително подобрени чрез използване на гореспоменатите богати на кобалт марки с по-високо съдържание на кобалт върху повърхността на инструмента.
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 например суперсплави на никелова основа. Размерът на зърната на тези марки обикновено е по-малък от 1 μm, а съдържанието на кобалт е 8%-12%. По-твърди марки, като M10, могат да се използват за струговане на ковък чугун; по-твърди марки, като M40, могат да се използват за фрезоване и рендосване на стомана или за струговане на неръждаема стомана или суперсплави.
Циментираните карбиди от легиран тип могат да се използват и за рязане на неметални материали, главно за производство на износоустойчиви части. Размерът на частиците на тези марки обикновено е 1,2-2 μm, а съдържанието на кобалт е 7%-10%. При производството на тези марки обикновено се добавя висок процент рециклирана суровина, което води до висока рентабилност при приложенията за износващи се части. Износващите се части изискват добра устойчивост на корозия и висока твърдост, които могат да се постигнат чрез добавяне на никел и хромов карбид при производството на тези марки.
За да се отговорят на техническите и икономическите изисквания на производителите на инструменти, карбидният прах е ключовият елемент. Праховете, предназначени за машинното оборудване и параметрите на процеса на производителите на инструменти, гарантират производителността на готовия детайл и са довели до стотици видове карбид. Рециклируемият характер на карбидните материали и възможността за директна работа с доставчиците на прахове позволяват на производителите на инструменти ефективно да контролират качеството на своите продукти и разходите за материали.
Време на публикуване: 18 октомври 2022 г.
