Karbid je nejrozšířenější třídou nástrojových materiálů pro vysokorychlostní obrábění (HSM), které se vyrábějí procesy práškové metalurgie a skládají se z částic tvrdého karbidu (obvykle karbidu wolframu WC) a měkčího kovového pojiva. V současné době existují stovky slinutých karbidů na bázi WC s různým složením, z nichž většina používá jako pojivo kobalt (Co), nikl (Ni) a chrom (Cr) jsou také běžně používané pojivové prvky a lze přidat i další. Proč existuje tolik druhů karbidů? Jak si výrobci nástrojů vybírají správný nástrojový materiál pro konkrétní řeznou operaci? Abychom na tyto otázky odpověděli, podívejme se nejprve na různé vlastnosti, které činí ze slinutého karbidu ideální nástrojový materiál.
tvrdost a houževnatost
Slinutý karbid WC-Co má jedinečné výhody jak v tvrdosti, tak v houževnatosti. Karbid wolframu (WC) je ze své podstaty velmi tvrdý (více než korund nebo oxid hlinitý) a jeho tvrdost se s rostoucí provozní teplotou zřídka snižuje. Chybí mu však dostatečná houževnatost, což je pro řezné nástroje zásadní vlastnost. Aby se využila vysoká tvrdost karbidu wolframu a zlepšila se jeho houževnatost, používají se kovová pojiva ke spojování karbidů wolframu, takže tento materiál má tvrdost daleko přesahující tvrdost rychlořezné oceli a zároveň je schopen odolat většině řezných operací. Kromě toho odolá vysokým řezným teplotám způsobeným vysokorychlostním obráběním.
Dnes jsou téměř všechny nože a břitové destičky z karbidu WC-Co povlakovány, takže se role základního materiálu jeví jako méně důležitá. Ve skutečnosti je to však vysoký modul pružnosti materiálu WC-Co (míra tuhosti, která je při pokojové teplotě přibližně třikrát vyšší než u rychlořezné oceli), který poskytuje nedeformovatelný substrát pro povlak. Matrice WC-Co také poskytuje požadovanou houževnatost. Tyto vlastnosti jsou základními vlastnostmi materiálů WC-Co, ale vlastnosti materiálu lze také upravit úpravou složení a mikrostruktury materiálu při výrobě prášků slinutých karbidů. Vhodnost výkonu nástroje pro konkrétní obrábění proto do značné míry závisí na počátečním frézovacím procesu.
Proces frézování
Prášek karbidu wolframu se získává cementací wolframového (W) prášku. Vlastnosti prášku karbidu wolframu (zejména jeho velikost částic) závisí hlavně na velikosti částic suroviny wolframového prášku a na teplotě a době cementace. Důležitá je také chemická kontrola a obsah uhlíku musí být udržován konstantní (blízko stechiometrické hodnotě 6,13 % hmotnostních). Před cementací lze přidat malé množství vanadu a/nebo chromu, aby se v následných procesech kontrolovala velikost částic prášku. Různé následné procesní podmínky a různá konečná použití vyžadují specifickou kombinaci velikosti částic karbidu wolframu, obsahu uhlíku, obsahu vanadu a obsahu chromu, díky čemuž lze vyrábět řadu různých prášků karbidu wolframu. Například ATI Alldyne, výrobce prášku karbidu wolframu, vyrábí 23 standardních jakostí prášku karbidu wolframu a druhy prášku karbidu wolframu přizpůsobené požadavkům uživatelů mohou dosáhnout více než 5krát většího množství než standardní jakosti prášku karbidu wolframu.
Při míchání a mletí práškového karbidu wolframu a kovového pojiva za účelem výroby určitého druhu práškového slinutého karbidu lze použít různé kombinace. Nejčastěji používaný obsah kobaltu je 3 % – 25 % (hmotnostní poměr) a v případě potřeby zvýšení odolnosti nástroje proti korozi je nutné přidat nikl a chrom. Kovové pojivo lze dále zlepšit přidáním dalších složek slitiny. Například přidání ruthenia do slinutého karbidu WC-Co může výrazně zlepšit jeho houževnatost, aniž by se snížila jeho tvrdost. Zvýšení obsahu pojiva může také zlepšit houževnatost slinutého karbidu, ale sníží jeho tvrdost.
Zmenšení velikosti částic karbidu wolframu může zvýšit tvrdost materiálu, ale velikost částic karbidu wolframu musí během procesu slinování zůstat stejná. Během slinování se částice karbidu wolframu spojují a rostou procesem rozpouštění a opětovného srážení. V samotném procesu slinování se kovová vazba zkapalní, aby se vytvořil plně hustý materiál (tzv. slinování v kapalné fázi). Rychlost růstu částic karbidu wolframu lze řídit přidáním dalších karbidů přechodných kovů, včetně karbidu vanadu (VC), karbidu chromu (Cr3C2), karbidu titanu (TiC), karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Tyto kovové karbidy se obvykle přidávají, když se prášek karbidu wolframu smíchá a mele s kovovým pojivem, ačkoli karbid vanadu a karbid chromu mohou vzniknout i při cementaci prášku karbidu wolframu.
Prášek karbidu wolframu lze také vyrábět s použitím recyklovaného odpadního materiálu ze slinutého karbidu. Recyklace a opětovné použití šrotu karbidu má v průmyslu slinutého karbidu dlouhou historii a je důležitou součástí celého ekonomického řetězce tohoto odvětví, což pomáhá snižovat náklady na materiál, šetřit přírodní zdroje a předcházet vzniku odpadních materiálů. Škodlivá likvidace. Šrot slinutého karbidu lze obecně znovu použít procesem APT (parowlframan amonný), procesem regenerace zinku nebo drcením. Tyto „recyklované“ prášky karbidu wolframu mají obecně lepší a předvídatelné zhutnění, protože mají menší povrch než prášky karbidu wolframu vyrobené přímo procesem cementace wolframu.
Podmínky zpracování smíšeného mletí prášku karbidu wolframu a kovového pojiva jsou také klíčovými procesními parametry. Dvěma nejčastěji používanými technikami mletí jsou kulové mletí a mikromletí. Oba procesy umožňují rovnoměrné promíchání mletých prášků a zmenšení velikosti částic. Aby později lisovaný obrobek měl dostatečnou pevnost, zachoval si tvar obrobku a umožnil obsluze nebo manipulátoru uchopit obrobek pro práci, je obvykle nutné během mletí přidat organické pojivo. Chemické složení tohoto pojiva může ovlivnit hustotu a pevnost lisovaného obrobku. Pro usnadnění manipulace je vhodné přidat vysokopevnostní pojiva, ale to má za následek nižší hustotu zhutnění a může vést ke vzniku hrudek, které mohou způsobit vady v konečném produktu.
Po mletí se prášek obvykle suší rozprašováním, čímž vznikají volně tekoucí aglomeráty držené pohromadě organickými pojivy. Úpravou složení organického pojiva lze dle potřeby upravit tekutost a hustotu náboje těchto aglomerátů. Vyloučením hrubších nebo jemnějších částic lze dále upravit distribuci velikosti částic aglomerátu, aby se zajistil dobrý tok při vkládání do dutiny formy.
Výroba obrobků
Karbidové obrobky lze tvarovat různými procesními metodami. V závislosti na velikosti obrobku, úrovni tvarové složitosti a výrobní šarži se většina řezných vložek formuje pomocí pevných forem s horním a dolním tlakem. Aby se během každého lisování zachovala konzistence hmotnosti a velikosti obrobku, je nutné zajistit, aby množství prášku (hmotnost a objem) proudícího do dutiny bylo přesně stejné. Tekutost prášku je řízena především distribucí velikosti aglomerátů a vlastnostmi organického pojiva. Lisované obrobky (nebo „polotovary“) se tvarují působením lisovacího tlaku 10–80 ksi (kiloliber na čtvereční stopu) na prášek vložený do dutiny formy.
Ani za extrémně vysokého lisovacího tlaku se částice tvrdého karbidu wolframu nedeformují ani nelámou, ale organické pojivo je vtlačeno do mezer mezi částicemi karbidu wolframu, čímž se fixuje jejich poloha. Čím vyšší tlak, tím pevnější je spojení částic karbidu wolframu a tím větší je hustota zhutnění obrobku. Vlastnosti zhutnění různých druhů prášku slinutého karbidu se mohou lišit v závislosti na obsahu kovového pojiva, velikosti a tvaru částic karbidu wolframu, stupni aglomerace a složení a přidání organického pojiva. Aby bylo možné získat kvantitativní informace o vlastnostech zhutnění různých druhů prášků slinutého karbidu, je vztah mezi hustotou zhutnění a lisovacím tlakem obvykle navržen a konstruován výrobcem prášku. Tato informace zajišťuje, že dodávaný prášek je kompatibilní s lisovacím procesem výrobce nástrojů.
Velkorozměrné karbidové obrobky nebo karbidové obrobky s vysokým poměrem stran (jako jsou stopky pro frézy a vrtáky) se obvykle vyrábějí z rovnoměrně lisovaných druhů karbidového prášku v pružném sáčku. Výrobní cyklus metody vyváženého lisování je sice delší než u metody lisování, ale výrobní náklady na nástroj jsou nižší, takže je tato metoda vhodnější pro malosériovou výrobu.
Tato procesní metoda spočívá v naplnění prášku do sáčku, jeho utěsnění a následném vložení sáčku plného prášku do komory. Pomocí hydraulického zařízení se na slisování aplikuje tlak 30-60 ksi. Lisované obrobky se před slinováním často obrábějí na specifické geometrie. Velikost sáčku se zvětší, aby se vyrovnalo smrštění obrobku během zhutňování a aby se zajistila dostatečná rezerva pro broušení. Vzhledem k tomu, že obrobek je nutné po lisování zpracovat, nejsou požadavky na konzistenci vsázky tak přísné jako u metody lisování, ale stále je žádoucí zajistit, aby se do sáčku pokaždé vložilo stejné množství prášku. Pokud je hustota vsázky prášku příliš malá, může to vést k nedostatečnému množství prášku v sáčku, což má za následek, že obrobek bude příliš malý a bude muset být sešrotován. Pokud je hustota vsázky prášku příliš vysoká a množství prášku vsázeného do sáčku je příliš velké, je třeba obrobek po lisování zpracovat, aby se odstranilo více prášku. Přestože lze přebytečný odstraněný prášek a sešrotované obrobky recyklovat, snižuje se tím produktivita.
Karbidové obrobky lze také tvarovat pomocí vytlačovacích nebo vstřikovacích forem. Proces vytlačování je vhodnější pro hromadnou výrobu obrobků osově symetrického tvaru, zatímco proces vstřikování se obvykle používá pro hromadnou výrobu obrobků složitých tvarů. V obou procesech tváření jsou druhy prášku slinutého karbidu suspendovány v organickém pojivu, které dodává směsi slinutého karbidu konzistenci podobnou zubní pastě. Směs se poté buď vytlačuje otvorem, nebo se vstřikuje do dutiny. Vlastnosti druhu prášku slinutého karbidu určují optimální poměr prášku a pojiva ve směsi a mají důležitý vliv na tekutost směsi vytlačovacím otvorem nebo vstřikováním do dutiny.
Po vytvoření obrobku lisováním, izostatickým lisováním, extruzí nebo vstřikováním je nutné před závěrečnou fází slinování z obrobku odstranit organické pojivo. Slinování odstraňuje pórovitost obrobku, čímž ho činí plně (nebo podstatně) hustým. Během slinování se kovová vazba v lisovaném obrobku stává tekutou, ale obrobek si zachovává svůj tvar díky kombinovanému působení kapilárních sil a vazby částic.
Po slinování zůstává geometrie obrobku stejná, ale rozměry se zmenšují. Aby se po slinování dosáhlo požadované velikosti obrobku, je třeba při návrhu nástroje zohlednit míru smrštění. Druh karbidového prášku použitého k výrobě každého nástroje musí být navržen tak, aby při zhutnění za odpovídajícího tlaku dosáhl správného smrštění.
Téměř ve všech případech je nutné provést úpravu slinutého obrobku po slinování. Nejzákladnější úpravou řezných nástrojů je nabroušení břitu. Mnoho nástrojů vyžaduje po slinování broušení geometrie a rozměrů. Některé nástroje vyžadují broušení shora a zespodu; jiné vyžadují obvodové broušení (s ostřením břitu nebo bez něj). Veškeré karbidové třísky z broušení lze recyklovat.
Povrchová úprava obrobku
V mnoha případech je nutné hotový obrobek povlakovat. Povlak zajišťuje mazivost a zvýšenou tvrdost, stejně jako difuzní bariéru substrátu, která zabraňuje oxidaci při vystavení vysokým teplotám. Substrát ze slinutého karbidu je pro výkon povlaku zásadní. Kromě úpravy hlavních vlastností matricového prášku lze povrchové vlastnosti matrice upravit také chemickým výběrem a změnou metody spékání. Migrací kobaltu lze vnější vrstvu povrchu čepele o tloušťce 20–30 μm obohatit o více kobaltu ve srovnání se zbytkem obrobku, čímž se povrchu substrátu dodá lepší pevnost a houževnatost, a tím se zvýší jeho odolnost vůči deformaci.
Na základě vlastního výrobního procesu (jako je metoda odparafinování, rychlost ohřevu, doba spékání, teplota a cementační napětí) může mít výrobce nástrojů určité speciální požadavky na jakost použitého prášku slinutého karbidu. Někteří výrobci nástrojů mohou spékat obrobek ve vakuové peci, zatímco jiní mohou použít slinovací pec s horkým izostatickým lisováním (HIP) (která natlakuje obrobek ke konci procesního cyklu, aby se odstranily veškeré zbytky (póry). Obrobky slinuté ve vakuové peci mohou také vyžadovat horké izostatické lisování dalším procesem, aby se zvýšila hustota obrobku. Někteří výrobci nástrojů mohou používat vyšší teploty vakuového spékání ke zvýšení hustoty slinutých směsí s nižším obsahem kobaltu, ale tento přístup může zhrubnout jejich mikrostrukturu. Aby se zachovala jemná zrnitost, lze zvolit prášky s menší velikostí částic karbidu wolframu. Aby se podmínky odparafinování a cementační napětí přizpůsobily specifickému výrobnímu zařízení, mají také odlišné požadavky na obsah uhlíku v prášku slinutého karbidu.
Klasifikace stupňů
Kombinace různých typů práškového karbidu wolframu, složení směsi a obsahu kovového pojiva, typu a množství inhibitoru růstu zrn atd. představují řadu jakostí slinutého karbidu. Tyto parametry určují mikrostrukturu slinutého karbidu a jeho vlastnosti. Některé specifické kombinace vlastností se staly prioritou pro některé specifické aplikace zpracování, a proto je smysluplné klasifikovat různé jakosti slinutého karbidu.
Dva nejčastěji používané systémy klasifikace karbidů pro obráběcí aplikace jsou systém označování C a systém označování ISO. Ačkoli ani jeden ze systémů plně neodráží vlastnosti materiálu, které ovlivňují výběr jakostí slinutých karbidů, poskytují výchozí bod pro diskusi. Pro každou klasifikaci má mnoho výrobců své vlastní speciální jakosti, což vede k široké škále jakostí karbidů.
Karbidové druhy lze také klasifikovat podle složení. Karbid wolframu (WC) lze rozdělit na tři základní typy: jednoduché, mikrokrystalické a legované. Simplexní druhy se skládají převážně z pojiv z karbidu wolframu a kobaltu, ale mohou také obsahovat malé množství inhibitorů růstu zrn. Mikrokrystalický druh se skládá z karbidu wolframu a kobaltu, ke kterým je přidaných několik tisícin karbidu vanadu (VC) a (nebo) karbidu chromu (Cr3C2), a jeho velikost zrna může dosáhnout 1 μm nebo méně. Slitinové druhy se skládají z pojiv z karbidu wolframu a kobaltu obsahujících několik procent karbidu titanu (TiC), karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Tyto přísady jsou také známé jako kubické karbidy kvůli svým slinovacím vlastnostem. Výsledná mikrostruktura vykazuje nehomogenní třífázovou strukturu.
1) Jednoduché karbidové třídy
Tyto jakosti pro obrábění kovů obvykle obsahují 3 % až 12 % kobaltu (hmotnostních). Rozsah velikostí zrn karbidu wolframu se obvykle pohybuje mezi 1–8 μm. Stejně jako u jiných jakostí se zmenšením velikosti částic karbidu wolframu zvyšuje jeho tvrdost a pevnost v tahu v příčném zlomu (TRS), ale snižuje se jeho houževnatost. Tvrdost čistého typu se obvykle pohybuje mezi HRA89–93,5; pevnost v tahu v příčném zlomu se obvykle pohybuje mezi 175–350 ksi. Prášky těchto jakostí mohou obsahovat velké množství recyklovaných materiálů.
Jednoduché typy ocelí lze v systému jakostí C rozdělit na C1-C4 a v systému jakostí ISO je lze klasifikovat podle řad jakostí K, N, S a H. Simplexní oceli se středními vlastnostmi lze klasifikovat jako univerzální oceli (jako je C2 nebo K20) a lze je použít pro soustružení, frézování, hoblování a vyvrtávání; oceli s menší velikostí zrna nebo nižším obsahem kobaltu a vyšší tvrdostí lze klasifikovat jako dokončovací oceli (jako je C4 nebo K01); oceli s větší velikostí zrna nebo vyšším obsahem kobaltu a lepší houževnatostí lze klasifikovat jako hrubovací oceli (jako je C1 nebo K30).
Nástroje vyrobené v jakostech Simplex lze použít k obrábění litiny, nerezové oceli řady 200 a 300, hliníku a dalších neželezných kovů, superslitin a kalených ocelí. Tyto jakosti lze také použít v aplikacích s obráběním nekovů (např. jako nástroje pro vrtání hornin a geologických vrtů) a tyto jakosti mají rozsah zrnitosti 1,5–10 μm (nebo větší) a obsah kobaltu 6 %–16 %. Dalším využitím jednoduchých karbidových jakostí pro obrábění nekovů je výroba zápustek a razníků. Tyto jakosti mají obvykle střední velikost zrna s obsahem kobaltu 16 %–30 %.
(2) Mikrokrystalické slinuté karbidy
Tyto jakosti obvykle obsahují 6 %–15 % kobaltu. Během slinování v kapalné fázi může přidání karbidu vanadu a/nebo karbidu chromu řídit růst zrna a dosáhnout jemnozrnné struktury s velikostí částic menší než 1 μm. Tato jemnozrnná jakost má velmi vysokou tvrdost a příčnou pevnost v tahu nad 500 ksi. Kombinace vysoké pevnosti a dostatečné houževnatosti umožňuje těmto jakostem používat větší kladný úhel čela, což snižuje řezné síly a vytváří tenčí třísky řezáním, nikoli tlačením kovového materiálu.
Díky přísné identifikaci kvality různých surovin při výrobě jakostí prášku ze slinutého karbidu a přísné kontrole podmínek procesu spékání, aby se zabránilo tvorbě abnormálně velkých zrn v mikrostruktuře materiálu, je možné dosáhnout vhodných materiálových vlastností. Aby se udržela malá a rovnoměrná velikost zrn, měl by se recyklovaný prášek používat pouze tehdy, je-li surovina a proces regenerace plně kontrolovány a je-li provedeno rozsáhlé testování kvality.
Mikrokrystalické jakosti lze v systému jakostí ISO klasifikovat podle řady jakostí M. Kromě toho jsou další klasifikační metody v systému jakostí C a systému jakostí ISO stejné jako u čistých jakostí. Mikrokrystalické jakosti lze použít k výrobě nástrojů, které řežou měkčí materiály obrobků, protože povrch nástroje lze obrábět velmi hladce a nástroj si udrží extrémně ostrou řeznou hranu.
Mikrokrystalické jakosti lze také použít k obrábění superslitin na bázi niklu, protože odolávají řezným teplotám až 1200 °C. Pro obrábění superslitin a dalších speciálních materiálů může použití nástrojů s mikrokrystalickou jakostí a nástrojů s čistou jakostí obsahujících ruthenium současně zlepšit jejich odolnost proti opotřebení, odolnost proti deformaci a houževnatost. Mikrokrystalické jakosti jsou vhodné také pro výrobu rotačních nástrojů, jako jsou vrtáky, které generují smykové napětí. Existuje vrták vyrobený z kompozitních jakostí slinutého karbidu. V určitých částech téhož vrtáku se obsah kobaltu v materiálu mění, takže tvrdost a houževnatost vrtáku se optimalizují podle potřeb zpracování.
(3) Slitinové druhy slinutého karbidu
Tyto jakosti se používají hlavně k řezání ocelových dílů a jejich obsah kobaltu je obvykle 5–10 % a velikost zrna se pohybuje od 0,8 do 2 μm. Přidáním 4–25 % karbidu titanu (TiC) lze snížit tendenci karbidu wolframu (WC) difundovat k povrchu ocelových třísek. Pevnost nástroje, odolnost proti opotřebení ve tvaru kráteru a odolnost proti tepelným šokům lze zlepšit přidáním až 25 % karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Přidání těchto kubických karbidů také zvyšuje tvrdost nástroje za červena, což pomáhá zabránit tepelné deformaci nástroje při těžkém obrábění nebo jiných operacích, kde řezná hrana generuje vysoké teploty. Kromě toho může karbid titanu během slinování poskytovat nukleační místa, čímž se zlepšuje rovnoměrnost rozložení kubického karbidu v obrobku.
Obecně řečeno, rozsah tvrdosti slinutých karbidů slitiny je HRA91-94 a příčná lomová pevnost je 150-300 ksi. Ve srovnání s čistými jakostmi mají slitiny nízkou odolnost proti opotřebení a nižší pevnost, ale mají lepší odolnost proti adheznímu opotřebení. Slitiny lze v systému jakostí C rozdělit na C5-C8 a v systému jakostí ISO je lze klasifikovat podle řad jakostí P a M. Slitiny se středními vlastnostmi lze klasifikovat jako univerzální jakosti (jako je C6 nebo P30) a lze je použít pro soustružení, řezání závitů, hoblování a frézování. Nejtvrdší jakosti lze klasifikovat jako dokončovací jakosti (jako je C8 a P01) pro dokončovací soustružení a vyvrtávání. Tyto jakosti mají obvykle menší velikost zrna a nižší obsah kobaltu pro dosažení požadované tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Podobných materiálových vlastností lze však dosáhnout přidáním většího množství kubických karbidů. Jakosti s nejvyšší houževnatostí lze klasifikovat jako hrubovací jakosti (např. C5 nebo P50). Tyto jakosti mají obvykle střední velikost zrna a vysoký obsah kobaltu s nízkým obsahem kubických karbidů pro dosažení požadované houževnatosti inhibicí růstu trhlin. U přerušovaného soustružení lze řezný výkon dále zlepšit použitím výše zmíněných jakostí bohatých na kobalt s vyšším obsahem kobaltu na povrchu nástroje.
Slitiny s nižším obsahem karbidu titanu se používají pro obrábění nerezové oceli a temperované litiny, ale lze je použít i pro obrábění neželezných kovů, jako jsou superslitiny na bázi niklu. Velikost zrna těchto jakostí je obvykle menší než 1 μm a obsah kobaltu je 8 %–12 %. Tvrdší jakosti, jako je M10, lze použít pro soustružení temperované litiny; houževnatější jakosti, jako je M40, lze použít pro frézování a hoblování oceli nebo pro soustružení nerezové oceli či superslitin.
Slinuté karbidy slitiny lze také použít pro nekovové řezné účely, zejména pro výrobu otěruvzdorných dílů. Velikost částic těchto jakostí je obvykle 1,2–2 μm a obsah kobaltu je 7 %–10 %. Při výrobě těchto jakostí se obvykle přidává vysoké procento recyklované suroviny, což vede k vysoké nákladové efektivitě při výrobě otěruvzdorných dílů. Otěruvzdorné díly vyžadují dobrou odolnost proti korozi a vysokou tvrdost, čehož lze dosáhnout přidáním niklu a karbidu chromu při výrobě těchto jakostí.
Aby bylo možné splnit technické a ekonomické požadavky výrobců nástrojů, je klíčovým prvkem karbidový prášek. Prášky určené pro obráběcí zařízení a procesní parametry výrobců nástrojů zajišťují výkon hotového obrobku a vedly ke stovkám druhů karbidů. Recyklovatelná povaha karbidových materiálů a možnost přímé spolupráce s dodavateli prášků umožňuje výrobcům nástrojů efektivně kontrolovat kvalitu svých výrobků a náklady na materiál.
Čas zveřejnění: 18. října 2022
