Karbid je nejrozšířenější třída nástrojových materiálů pro vysokorychlostní obrábění (HSM), které se vyrábějí procesy práškové metalurgie a sestávají z tvrdých karbidových (obvykle karbid wolframu WC) částic a měkčí kompozice kovového pojiva. V současné době existují stovky slinutých karbidů na bázi WC s různým složením, z nichž většina používá jako pojivo kobalt (Co), běžně používanými pojivovými prvky jsou také nikl (Ni) a chrom (Cr) a lze přidat i další . některé legující prvky. Proč existuje tolik karbidových tříd? Jak výrobci nástrojů vybírají správný nástrojový materiál pro konkrétní řeznou operaci? Abychom na tyto otázky odpověděli, podívejme se nejprve na různé vlastnosti, které dělají ze slinutého karbidu ideální nástrojový materiál.
tvrdost a houževnatost
WC-Co slinutý karbid 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 zřídka klesá s rostoucí provozní teplotou. Postrádá však dostatečnou houževnatost, základní vlastnost pro řezné nástroje. Aby se využila výhoda vysoké tvrdosti karbidu wolframu a zlepšila se jeho houževnatost, lidé používají ke spojení karbidu wolframu kovové spoje, takže tento materiál má tvrdost daleko přesahující tvrdost rychlořezné oceli a zároveň je schopen odolat většině řezů. operace. řezná síla. Navíc odolá vysokým řezným teplotám způsobeným vysokorychlostním obráběním.
Dnes jsou téměř všechny WC-Co nože a břitové destičky potaženy, takže role základního materiálu se zdá méně důležitá. Ale ve skutečnosti je to vysoký modul pružnosti materiálu WC-Co (míra tuhosti, která je asi třikrát vyšší než u rychlořezné oceli při pokojové teplotě), 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 materiálového složení a mikrostruktury při výrobě prášků slinutých karbidů. Proto vhodnost výkonu nástroje pro konkrétní obrábění závisí do značné míry na počátečním procesu frézování.
Proces frézování
Prášek karbidu wolframu se získává nauhličením prášku wolframu (W). Vlastnosti prášku karbidu wolframu (zejména jeho velikost částic) závisí hlavně na velikosti částic surového wolframového prášku a teplotě a době nauhličování. Chemická kontrola je rovněž kritická a obsah uhlíku musí být udržován konstantní (blízko stechiometrické hodnoty 6,13 % hmotnostních). Malé množství vanadu a/nebo chrómu může být přidáno před nauhličovacím zpracováním, aby se řídila velikost částic prášku prostřednictvím následujících procesů. Různé podmínky následného procesu a různá konečná použití zpracování vyžadují specifickou kombinaci velikosti částic karbidu wolframu, obsahu uhlíku, obsahu vanadu a obsahu chrómu, pomocí kterých lze vyrábět různé prášky karbidu wolframu. Například ATI Alldyne, výrobce prášku z karbidu wolframu, vyrábí 23 standardních druhů prášku z karbidu wolframu a různé druhy prášku z karbidu wolframu přizpůsobené podle požadavků uživatelů mohou dosáhnout více než 5násobku standardních druhů prášku karbidu wolframu.
Při míchání a mletí prášku karbidu wolframu a kovového pojiva za účelem výroby prášku slinutého karbidu určitého stupně lze použít různé kombinace. Nejčastěji používaný obsah kobaltu je 3 % – 25 % (hmotnostní poměr) a v případě potřeby zvýšení korozní odolnosti nástroje je nutné přidat nikl a chrom. Kromě toho lze kovovou vazbu dále zlepšit přidáním dalších slitinových složek. Například přidání ruthenia do slinutého karbidu WC-Co může výrazně zlepšit jeho houževnatost, aniž by došlo ke snížení jeho tvrdosti. Zvýšení obsahu pojiva může také zlepšit houževnatost slinutého karbidu, ale sníží jeho tvrdost.
Snížení 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. Ve skutečném procesu slinování, aby se vytvořil plně hustý materiál, se kovová vazba stává tekutou (tzv. slinování v kapalné fázi). Rychlost růstu částic karbidu wolframu lze řídit přidáním jiných karbidů přechodných kovů, včetně karbidu vanadu (VC), karbidu chrómu (Cr3C2), karbidu titanu (TiC), karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Tyto karbidy kovů se obvykle přidávají, když se prášek karbidu wolframu mísí a mele s kovovým pojivem, ačkoli při nauhličování prášku karbidu wolframu mohou vznikat také karbid vanadu a karbid chrómu.
Prášek karbidu wolframu lze také vyrábět s použitím recyklovaných odpadních materiálů ze slinutého karbidu. Recyklace a opětovné použití karbidového odpadu má dlouhou historii v průmyslu slinutého karbidu a je důležitou součástí celého ekonomického řetězce tohoto odvětví, pomáhá snižovat náklady na materiál, šetřit přírodní zdroje a předcházet odpadním materiálům. Škodlivá likvidace. Odpad slinutého karbidu lze obecně znovu použít procesem APT (parawolframan amonný), procesem získávání zinku nebo drcením. Tyto „recyklované“ prášky karbidu wolframu mají obecně lepší, předvídatelné zhuštění, protože mají menší povrch než prášky karbidu wolframu vyrobené přímo procesem nauhličování wolframu.
Rozhodujícími parametry procesu jsou rovněž podmínky zpracování směsného mletí prášku karbidu wolframu a kovového pojiva. Dvě nejčastěji používané techniky 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 tvar obrobku a umožnil operátorovi nebo manipulátorovi vyzvednout obrobek k provozu, je obvykle nutné při broušení přidat organické pojivo. Chemické složení této vazby může ovlivnit hustotu a pevnost lisovaného obrobku. Pro usnadnění manipulace se doporučuje přidat vysoce pevná pojiva, ale to má za následek nižší hustotu zhutnění a mohou vytvářet hrudky, které mohou způsobit vady konečného produktu.
Po mletí se prášek obvykle suší rozprašováním, aby se vytvořily volně tekoucí aglomeráty držené pohromadě organickými pojivy. Úpravou složení organického pojiva lze podle potřeby upravit tekutost a hustotu náboje těchto aglomerátů. Proséváním hrubších nebo jemnějších částic může být distribuce velikosti částic aglomerátu dále upravena tak, aby byl zajištěn dobrý průtok při plnění do dutiny formy.
Výroba obrobků
Tvrdokovové obrobky mohou být formovány různými procesními metodami. V závislosti na velikosti obrobku, úrovni tvarové složitosti a výrobní šarži je většina břitových destiček lisována pomocí pevných matric s horním a spodním tlakem. Aby byla zachována konzistence hmotnosti a velikosti obrobku při každém lisování, je nutné zajistit, aby množství prášku (hmotnost a objem) proudící do dutiny bylo přesně stejné. Tekutost prášku je řízena hlavně distribucí velikosti aglomerátů a vlastnostmi organického pojiva. Lisované obrobky (nebo „polotovary“) se vytvářejí aplikací lisovacího tlaku 10-80 ksi (kilo liber na čtvereční stopu) na prášek vložený do dutiny formy.
I při extrémně vysokém lisovacím tlaku se tvrdé částice karbidu wolframu nedeformují ani nezlomí, ale organické pojivo je vtlačeno do mezer mezi částicemi karbidu wolframu, čímž se poloha částic zafixuje. Čím vyšší je tlak, tím těsnější je spojení částic karbidu wolframu a tím větší je hustota zhutnění obrobku. Tvarovací vlastnosti druhů prášku slinutého karbidu se mohou lišit v závislosti na obsahu kovového pojiva, velikosti a tvaru částic karbidu wolframu, stupni aglomerace a složení a přídavku organického pojiva. Aby bylo možné poskytnout kvantitativní informace o zhutňovacích vlastnostech druhů prášků slinutého karbidu, vztah mezi hustotou lisování a lisovacím tlakem obvykle navrhuje a konstruuje výrobce prášku. Tyto informace zajišťují, že dodaný prášek je kompatibilní s lisovacím procesem výrobce nástroje.
Velkorozměrové karbidové obrobky nebo karbidové obrobky s vysokými poměry stran (jako jsou stopky pro stopkové frézy a vrtáky) jsou typicky vyráběny z rovnoměrně lisovaných druhů karbidového prášku ve flexibilním vaku. Přestože je výrobní cyklus metody vyváženého lisování delší než u metody lisování, výrobní náklady na nástroj jsou nižší, proto je tato metoda vhodnější pro malosériovou výrobu.
Tato procesní metoda spočívá v vložení prášku do sáčku a utěsnění ústí sáčku a poté vložení sáčku plného prášku do komory a vytlačení tlaku 30-60 ksi přes hydraulické zařízení. Lisované obrobky jsou často před spékáním opracovány na specifické geometrie. Velikost pytle je zvětšena, aby vyhovovala smršťování obrobku během zhutňování a poskytovala dostatečnou rezervu pro operace broušení. Vzhledem k tomu, že obrobek musí být po lisování zpracován, nejsou požadavky na konzistenci vsázky tak přísné jako u metody formování, ale přesto je žádoucí zajistit, aby bylo do sáčku pokaždé naloženo stejné množství prášku. Pokud je hustota nabití prášku příliš malá, může to vést k nedostatku prášku v sáčku, což má za následek, že obrobek je příliš malý a musí být sešrotován. Pokud je hustota prášku příliš vysoká a prášku vloženého do sáčku je příliš mnoho, je třeba obrobek zpracovat, aby se po jeho lisování odstranilo více prášku. Přestože přebytečný prášek odstraněný a sešrotované obrobky lze recyklovat, snižuje se tím produktivita.
Tvrdokovové obrobky lze také tvarovat pomocí vytlačovacích nebo vstřikovacích nástrojů. Proces vytlačování je vhodnější pro hromadnou výrobu osově symetrických tvarových obrobků, zatímco proces vstřikování se obvykle používá pro hromadnou výrobu tvarově složitých obrobků. Při obou formovacích procesech se druhy prášku slinutého karbidu suspendují v organickém pojivu, které směsi slinutého karbidu dodává konzistenci podobnou zubní pastě. Sloučenina se pak buď vytlačuje otvorem nebo se vstřikuje do dutiny, aby se vytvořila. Charakteristiky jakosti prášku slinutého karbidu určují optimální poměr prášku k pojivu ve směsi a mají významný vliv na tekutost směsi vytlačovacím otvorem nebo vstřikováním do dutiny.
Poté, co je obrobek vytvořen lisováním, izostatickým lisováním, vytlačováním nebo vstřikováním, musí být organické pojivo odstraněno z obrobku před konečnou fází slinování. Slinování odstraňuje poréznost z obrobku a činí jej plně (nebo podstatně) hustým. Během slinování se kovové pojivo v lisovaném obrobku stává tekutým, ale obrobek si zachovává svůj tvar při kombinovaném působení kapilárních sil a spojení částic.
Po slinování zůstává geometrie obrobku stejná, ale rozměry jsou zmenšeny. Aby bylo dosaženo požadované velikosti obrobku po slinování, je třeba při návrhu nástroje zvážit míru smrštění. Třída karbidového prášku použitá k výrobě každého nástroje musí být navržena tak, aby při zhutňování pod vhodným tlakem měla správné smrštění.
Téměř ve všech případech je vyžadována úprava slinutého obrobku po spékání. Nejzákladnější úpravou řezných nástrojů je ostření řezné hrany. Mnoho nástrojů vyžaduje po slinování broušení své geometrie a rozměrů. Některé nástroje vyžadují horní a spodní broušení; jiné vyžadují obvodové broušení (s nebo bez ostření řezné hrany). Všechny karbidové třísky z broušení lze recyklovat.
Povrchová úprava obrobku
V mnoha případech je potřeba hotový obrobek potáhnout. Povlak poskytuje kluznost a zvýšenou tvrdost, stejně jako difúzní bariéru k substrátu, která zabraňuje oxidaci při vystavení vysokým teplotám. Substrát ze slinutého karbidu je rozhodující pro výkon povlaku. Kromě přizpůsobení hlavních vlastností matricového prášku lze povrchové vlastnosti matrice upravit také chemickou selekcí a změnou metody slinování. Prostřednictvím migrace kobaltu může být více kobaltu obohaceno ve vnější vrstvě povrchu čepele v tloušťce 20-30 μm vzhledem ke zbytku obrobku, čímž se povrchu substrátu dodává lepší pevnost a houževnatost, takže je odolný proti deformaci.
Na základě vlastního výrobního procesu (jako je metoda odparafínování, rychlost ohřevu, doba slinování, teplota a nauhličovací napětí) může mít výrobce nástroje určité speciální požadavky na jakost použitého prášku slinutého karbidu. Někteří výrobci nástrojů mohou slinovat obrobek ve vakuové peci, zatímco jiní mohou používat sintrovací pec s izostatickým lisováním (HIP) (která natlakuje obrobek na konci procesního cyklu, aby se odstranily případné zbytky) póry). Obrobky spékané ve vakuové peci mohou také vyžadovat izostaticky lisované za tepla prostřednictvím dalšího procesu, aby se zvýšila hustota obrobku. Někteří výrobci nástrojů mohou používat vyšší teploty vakuového slinování ke zvýšení slinuté hustoty směsí s nižším obsahem kobaltu, ale tento přístup může zdrsnit jejich mikrostrukturu. Aby se zachovala jemná zrnitost, lze zvolit prášky s menší velikostí částic karbidu wolframu. Pro přizpůsobení specifickému výrobnímu zařízení mají podmínky odparafinování a nauhličovací napětí také různé požadavky na obsah uhlíku v prášku slinutého karbidu.
Klasifikace tříd
Kombinační změny různých typů práškového karbidu wolframu, složení směsi a obsah kovového pojiva, typ a množství inhibitoru růstu zrn atd. tvoří různé druhy slinutých karbidů. Tyto parametry budou určovat mikrostrukturu slinutého karbidu a jeho vlastnosti. Některé specifické kombinace vlastností se staly prioritou pro některé specifické zpracovatelské aplikace, takže je smysluplné klasifikovat různé třídy slinutého karbidu.
Dva nejběžněji používané karbidové klasifikační systémy pro obráběcí aplikace jsou systém označení C a systém označení ISO. Ačkoli ani jeden systém plně neodráží vlastnosti materiálu, které ovlivňují výběr jakostí slinutého karbidu, poskytují výchozí bod pro diskusi. Pro každou klasifikaci má mnoho výrobců své vlastní speciální třídy, což vede k široké škále tříd karbidů.
Karbidové třídy lze také klasifikovat podle složení. Karbid wolframu (WC) lze rozdělit do tří základních typů: jednoduché, mikrokrystalické a legované. Typy Simplex se skládají především z karbidu wolframu a kobaltových pojiv, ale mohou také obsahovat malá množství inhibitorů růstu zrn. Mikrokrystalická třída se skládá z karbidu wolframu a kobaltového pojiva doplněného několika tisícinami karbidu vanadu (VC) a (nebo) karbidu chrómu (Cr3C2) a jeho velikost zrna může dosáhnout 1 μm nebo méně. Třídy slitin se skládají z karbidu wolframu a kobaltových pojiv obsahujících několik procent karbidu titanu (TiC), karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Tyto přísady jsou také známé jako kubické karbidy kvůli jejich slinovacím vlastnostem. Výsledná mikrostruktura vykazuje nehomogenní třífázovou strukturu.
1) Jednoduché karbidové třídy
Tyto druhy pro obrábění kovů obvykle obsahují 3 % až 12 % kobaltu (hmotnostně). Rozsah velikosti zrn karbidu wolframu se obvykle pohybuje mezi 1-8 μm. Stejně jako u jiných jakostí, zmenšení velikosti částic karbidu wolframu zvyšuje jeho tvrdost a příčnou mez pevnosti (TRS), ale snižuje jeho houževnatost. Tvrdost čistého typu se obvykle pohybuje mezi HRA89-93,5; příčná pevnost v průlomu je obvykle mezi 175-350 kSI. Prášky těchto jakostí mohou obsahovat velká množství recyklovaných materiálů.
Typy jednoduchých typů 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. Typy Simplex se středními vlastnostmi lze klasifikovat jako třídy pro všeobecné použití (jako C2 nebo K20) a lze je použít pro soustružení, frézování, hoblování a vyvrtávání; jakosti s menší velikostí zrna nebo nižším obsahem kobaltu a vyšší tvrdostí mohou být klasifikovány jako dokončovací třídy (jako C4 nebo K01); třídy s větší zrnitostí nebo vyšším obsahem kobaltu a lepší houževnatostí lze klasifikovat jako třídy pro hrubování (jako C1 nebo K30).
Nástroje vyrobené v jakostech Simplex lze použít pro obrábění litiny, nerezové oceli řady 200 a 300, hliníku a dalších neželezných kovů, superslitin a kalených ocelí. Tyto druhy lze také použít v aplikacích pro řezání nekovů (např. jako nástroje pro vrtání hornin a geologické vrtání) a tyto druhy mají rozsah velikosti zrna 1,5-10μm (nebo větší) a obsah kobaltu 6%-16%. Další nekovové obráběcí použití jednoduchých karbidových tříd je při výrobě zápustek a razníků. Tyto druhy mají typicky střední velikost zrna s obsahem kobaltu 16 % až 30 %.
(2) Mikrokrystalické druhy slinutého karbidu
Takové druhy obvykle obsahují 6 % až 15 % kobaltu. Během slinování v kapalné fázi může přídavek karbidu vanadu a/nebo karbidu chrómu řídit růst zrn pro získání jemnozrnné struktury s velikostí částic menší než 1 μm. Tato jemnozrnná třída má velmi vysokou tvrdost a příčnou mez pevnosti nad 500 ksi. Kombinace vysoké pevnosti a dostatečné houževnatosti umožňuje těmto třídám používat větší kladný úhel čela, což snižuje řezné síly a vytváří tenčí třísky řezáním, spíše než tlačením kovového materiálu.
Prostřednictvím přísné identifikace kvality různých surovin při výrobě jakostí prášku slinutého karbidu a přísné kontroly podmínek procesu slinování, aby se zabránilo tvorbě abnormálně velkých zrn v mikrostruktuře materiálu, je možné získat vhodné vlastnosti materiálu. Aby byla velikost zrna malá a stejnoměrná, měl by být recyklovaný recyklovaný prášek používán pouze v případě, že je zajištěna plná kontrola suroviny a procesu regenerace a rozsáhlé testování kvality.
Mikrokrystalické druhy lze klasifikovat podle řady M v systému jakostí ISO. Kromě toho jsou další klasifikační metody v systému jakosti C a v systému jakosti ISO stejné jako u čistých jakostí. Mikrokrystalické třídy lze použít k výrobě nástrojů, které řežou měkčí materiály obrobků, protože povrch nástroje lze obrábět velmi hladce a může si zachovat extrémně ostrou řeznou hranu.
Mikrokrystalické třídy lze také použít k obrábění superslitin na bázi niklu, protože odolávají řezným teplotám až 1200 °C. Pro zpracování superslitin a dalších speciálních materiálů může použití nástrojů mikrokrystalické jakosti a nástrojů čisté jakosti obsahující ruthenium současně zlepšit jejich odolnost proti opotřebení, odolnost proti deformaci a houževnatost. Mikrokrystalické třídy jsou také vhodné pro výrobu rotačních nástrojů, jako jsou vrtáky, které vytvářejí smykové napětí. Existuje vrták vyrobený z kompozitních jakostí slinutého karbidu. V určitých částech stejného vrtáku se obsah kobaltu v materiálu mění, takže tvrdost a houževnatost vrtáku jsou optimalizovány podle potřeb zpracování.
(3) Typy slitin slinutých karbidů
Tyto třídy se používají hlavně pro řezání ocelových dílů a jejich obsah kobaltu je obvykle 5%-10% a velikost zrna se pohybuje od 0,8-2μm. Přidáním 4%-25% karbidu titanu (TiC) lze snížit tendenci karbidu wolframu (WC) difundovat na povrch ocelových třísek. Pevnost nástroje, odolnost proti kráterovému opotřebení a odolnost proti tepelným šokům lze zlepšit přidáním až 25 % karbidu tantalu (TaC) a karbidu niobu (NbC). Přídavek takových kubických karbidů také zvyšuje tvrdost nástroje do červena, což pomáhá vyhnout se tepelné deformaci nástroje při těžkém obrábění nebo jiných operacích, kde bude břit generovat vysoké teploty. Kromě toho může karbid titanu poskytovat nukleační místa během slinování, čímž se zlepšuje rovnoměrnost distribuce kubických karbidů v obrobku.
Obecně řečeno, rozsah tvrdosti slitinových typů slinutých karbidů je HRA91-94 a pevnost v příčném lomu je 150-300 ksi. Ve srovnání s čistými druhy mají druhy slitin špatnou odolnost proti opotřebení a nižší pevnost, ale mají lepší odolnost proti opotřebení adhezivem. Třídy slitin lze rozdělit na C5-C8 v systému jakosti C a lze je klasifikovat podle řady tříd P a M v systému jakostí ISO. Třídy slitin se středními vlastnostmi lze klasifikovat jako třídy pro všeobecné použití (jako C6 nebo P30) a lze je použít pro soustružení, závitování, hoblování a frézování. Nejtvrdší třídy lze klasifikovat jako dokončovací třídy (jako C8 a P01) pro dokončovací soustružení a vyvrtávání. Tyto druhy mají obvykle menší zrnitost a nižší obsah kobaltu pro dosažení požadované tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Podobné materiálové vlastnosti však lze získat přidáním více krychlových karbidů. Třídy s nejvyšší houževnatostí lze klasifikovat jako třídy pro hrubování (např. C5 nebo P50). Tyto druhy mají typicky střední velikost zrna a vysoký obsah kobaltu s nízkým přídavkem kubických karbidů pro dosažení požadované houževnatosti inhibicí růstu trhlin. Při přerušovaných soustružnických operacích lze řezný výkon dále zlepšit použitím výše uvedených jakostí bohatých na kobalt s vyšším obsahem kobaltu na povrchu nástroje.
Třídy slitin 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%. Pro soustružení kujné litiny lze použít tvrdší třídy, jako je M10; houževnatější třídy, jako je M40, lze použít pro frézování a hoblování oceli nebo pro soustružení nerezové oceli nebo superslitin.
Třídy slinutého karbidu slitinového typu lze také použít pro účely řezání nekovů, zejména pro výrobu dílů odolných proti opotřebení. Velikost částic těchto druhů je obvykle 1,2-2 μm a obsah kobaltu je 7%-10%. Při výrobě těchto jakostí se obvykle přidává vysoké procento recyklované suroviny, což má za následek vysokou nákladovou efektivitu v aplikacích opotřebitelných dílů. Opotřebitelné díly vyžadují dobrou odolnost proti korozi a vysokou tvrdost, kterou lze při výrobě těchto jakostí získat přidáním niklu a karbidu chrómu.
Pro splnění technických a ekonomických požadavků výrobců nástrojů je klíčovým prvkem karbidový prášek. Prášky určené pro obráběcí zařízení výrobců nástrojů a procesní parametry zajišťují výkonnost hotového obrobku a výsledkem jsou stovky jakostí tvrdokovu. Recyklovatelná povaha karbidových materiálů a možnost přímé spolupráce s dodavateli prášku umožňuje výrobcům nástrojů efektivně kontrolovat kvalitu svých výrobků a materiálové náklady.
Čas odeslání: 18. října 2022
