Karbid je nejrozšířenější třídou vysokorychlostních obráběcích (HSM) nástrojových materiálů, které jsou produkovány procesy metalurgie prášku a skládají se z částic tvrdého karbidu (obvykle wolframového karbidu WC) a měkčího složení kovových vazeb. V současné době existují stovky cementovaných karbidů na bázi WC s různými kompozicemi, z nichž většina používá kobalt (CO) jako pojivo, nikl (Ni) a chrom (CR) se také běžně používají pojivo a také lze přidat i další. Některé legované prvky. Proč je tolik tříd karbidů? Jak si výrobci nástrojů vybírají správný materiál nástroje pro konkrétní řeznou operaci? Chcete -li odpovědět na tyto otázky, nejprve se podívejme na různé vlastnosti, díky nimž je cementový karbid ideálním nástrojovým materiálem.
tvrdost a houževnatost
Karbid s WC-Co má jedinečné výhody v tvrdosti i houževnatosti. Karbid wolframu (WC) je ze své podstaty velmi tvrdý (více než korundum nebo alumina) a jeho tvrdost se zřídka snižuje se zvyšováním provozní teploty. Postrádá však dostatečnou houževnatost, nezbytnou vlastnost pro řezání nástrojů. Aby mohli lidé využít vysokou tvrdost wolframového karbidu a zlepšili jeho houževnatost, lidé používají kovové vazby k vazbě na karbid wolframu dohromady, takže tento materiál má tvrdost daleko přesahující tvrdostí vysokorychlostní oceli a zároveň je schopen odolat většině řezných operací. řezací síla. Kromě toho vydrží vysoké teploty řezání způsobené vysokorychlostní obrábění.
Dnes jsou téměř všechny nože a vložky WC-CO potaženy, takže role základního materiálu se zdá být méně důležitá. Ve skutečnosti je to však vysoký elastický modul materiálu WC-Co (míra tuhosti, která je asi trojnásobkem vysokorychlostního oceli při pokojové teplotě), který poskytuje neformovatelný substrát pro povlak. Matice WC-CO také poskytuje požadovanou houževnatost. Tyto vlastnosti jsou základní vlastnosti materiálů WC-Co, ale vlastnosti materiálu lze také přizpůsobit úpravou složení materiálu a mikrostruktury při výrobě cementovaných prášků karbidu. Vhodnost výkonu nástroje ke specifickému obrábění proto do značné míry závisí na počátečním procesu frézování.
Proces frézování
Prášek karbidu wolframu se získává karburizací prášku wolframu (W). Charakteristiky prášku na karbid wolframu (zejména velikost částic) závisí hlavně na velikosti částic suroviny wolframového prášku a na teplotě a době karburizace. Chemická kontrola je také kritická a obsah uhlíku musí být udržován konstantní (blízko stechiometrické hodnoty 6,13% hmotnosti). Před karburizačním ošetřením může být přidáno malé množství vanadu a/nebo chromu, aby se kontrola velikosti prášku prostřednictvím následných procesů řídila. Různé postupující procesní podmínky a různé použití koncového zpracování vyžadují specifickou kombinaci velikosti částic karbidu wolframu, obsahu uhlíku, obsahu vanadu a obsahu chromu, prostřednictvím které lze vyrobit řadu různých prášků karbidu wolframu. Například ATI Alldyne, výrobce prášku na karbidu wolframu, produkuje 23 standardních stupňů prášku na karbid a odrůdy prášku na karbid wolframu přizpůsobené podle požadavků uživatelů mohou dosáhnout více než 5krát vyšší než u standardních stupňů prášku na karbid.
Při míchání a mletí prášku na karbid wolframu a kovové vazby za vzniku určitého stupně cementovaného karbidového prášku lze použít různé kombinace. Nejčastěji používaným obsahem kobaltu je 3% - 25% (poměr hmotnosti) a v případě potřeby zlepšit odolnost proti korozi v nástroji je nutné přidat nikl a chrom. Kromě toho může být kovová vazba dále vylepšena přidáním dalších složek slitiny. Například přidání ruthenia do karbidu WC-Co-Cometed může výrazně zlepšit jeho houževnatost, aniž by se snížilo jeho tvrdost. Zvýšení obsahu pojiva může také zlepšit houževnatost cementovaného 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 kombinují a rostou procesem rozpuštění a reprecitace. Ve skutečném procesu slinování se za vzniku plně hustého materiálu stane kovová vazba kapalinou (nazývaná kapalná fáze slinování). Rychlost růstu částic karbidu wolframu lze řídit přidáním dalších karbidů přechodného kovu, včetně karbidu vanadu (VC), chromového karbidu (CR3C2), titanového karbidu (TIC), karbidu Tantalum (TAC) a niobium karbidu (NBC). Tyto kovové karbidy se obvykle přidávají, když je prášek karbidu wolframu smíchán a frézován s kovovou vazbou, ačkoli karbid vanadu a karbid chromu může být také vytvořen, když je karbidový prášek na wolframu karburován.
Prášek na karbid wolframu lze také vyrobit pomocí recyklovaných materiálů karbidu z recyklovaného odpadu. Recyklace a opětovné použití karbidu šrotu má dlouhou historii v cementovaném karbidovém průmyslu a je důležitou součástí celého ekonomického řetězce odvětví, pomáhá snižovat náklady na materiál, šetřit přírodní zdroje a vyhýbat se odpadních materiálů. Škodlivé likvidace. Karbid s cementem může být obecně znovu použit apt (amonium paratungstate) procesem, procesem zotavení zinku nebo drcením. Tyto „recyklované“ prášky na karbidu wolframu mají obecně lepší, předvídatelné zhušťování, protože mají menší povrchovou plochu než prášky na wolframové karbidy vyrobené přímo prostřednictvím procesu karburizace wolframu.
Klíčové parametry procesu jsou také podmínky zpracování smíšeného broušení prášku na karbidu wolframu a kovové vazby. Dvě nejčastěji používané techniky frézování jsou frézování kuliček a mikroming. Oba procesy umožňují rovnoměrné míchání frézovaných prášků a zmenšené velikosti částic. Aby byl pozdější lisovaný obrobku, má dostatečnou sílu, udržujte tvar obrobku a umožňuje operátorovi nebo manipulátoru vyzvednout obrobku pro provoz, je obvykle nutné přidat během broušení organické pojivo. Chemické složení této vazby může ovlivnit hustotu a sílu lisovaného obrobku. Pro usnadnění manipulace je vhodné přidat pojiva s vysokou pevností, ale to má za následek nižší hustotu zhutnění a může produkovat hrudky, které mohou způsobit vady v konečném produktu.
Po frézování je prášek obvykle sušen na spreje, aby produkoval volně tekoucí aglomeráty držené pohromadě organickými pojivami. Nastavením složení organického pojiva může být podle potřeby přizpůsobena proudění a hustota náboje těchto aglomerátů. Screeningem hrubších nebo jemnějších částic může být distribuce velikosti částic aglomerátu dále přizpůsobena tak, aby byla zajištěna dobrý tok při nabití do dutiny formy.
Výroba obrobku
Obrobky karbidu mohou být vytvořeny různými procesními metodami. V závislosti na velikosti obrobku, úrovně složitosti tvaru a produkční šarži se většina řezacích vložek formová pomocí horní a dno-tlakové pevné rozměry. Aby se udržela konzistence hmotnosti a velikosti obrobku během každého lisování, je nutné zajistit, aby množství prášku (hmotnosti a objemu) proudící do dutiny bylo úplně stejné. Tekulost prášku je řízena hlavně distribucí velikosti aglomerátů a vlastnostmi organického pojiva. Tvarované obrobky (nebo „mezery“) se vytvářejí pomocí tlakového tlaku 10-80 ksi (kilo liber na čtvereční stopu) na prášek naložený do dutiny formy.
Dokonce i při extrémně vysokém tlaku formování se částice karbidu tvrdého wolframu nerozšiřují ani se nerozbijí, ale organický pojivo se tlačí do mezer mezi částicemi karbidu wolframu, čímž se stanoví polohu částic. Čím vyšší je tlak, tím přísnější je vazba částic karbidu wolframu a čím větší je hustota zhutnění obrobku. Lisovací vlastnosti stupňů cementovaného karbidového prášku se mohou lišit v závislosti na obsahu kovového pojiva, velikosti a tvaru částic karbidu wolframu, stupně aglomerace a složení a přidání organického pořadače. Za účelem poskytnutí kvantitativních informací o zhutněných vlastnostech stupňů cementovaných karbidových prášků je vztahem mezi hustotou lišty a formovacím tlakem obvykle navržen a konstruován výrobcem prášku. Tato informace zajišťuje, že dodaný prášek je kompatibilní s procesem formování výrobce nástroje.
Obrobky s karbidem ve velkém velikosti nebo obrobky karbidu s vysokými poměry stran (jako jsou stopky pro koncové mlýny a vrtáky) se obvykle vyrábějí z rovnoměrně lisovaných stupňů karbidového prášku ve flexibilním sáčku. Ačkoli výrobní cyklus metody vyváženého lisování je delší než u metody formování, výrobní náklady nástroje jsou nižší, takže tato metoda je vhodnější pro malou dávkovou výrobu.
Tato metoda procesu je vložit prášek do sáčku, utěsnit ústa v sáčku a poté vložit sáček plnou prášku do komory a protlačit tlak 30-60KSI pro stisknutí. Lisované obrobky jsou často obrobeny na konkrétní geometrie před slinutím. Velikost pytle je zvětšena, aby se během zhutnění přizpůsobila smrštění obrobku a zajistila dostatečnou okraj pro broušení. Vzhledem k tomu, že obrobek musí být po stisknutí zpracován, požadavky na konzistenci nabíjení nejsou tak přísné jako požadavky metody formování, ale stále je žádoucí zajistit, aby se do vaku pokaždé naložilo stejné množství prášku. Pokud je hustota nabíjecího prášku příliš malá, může to vést k nedostatečnému prášku v sáčku, což má za následek příliš malý obrobku a musí být vyřazen. Pokud je hustota zatížení prášku příliš vysoká a prášek naložený do sáčku je příliš mnoho, musí být obrobku po stisknutí odstraněno více prášku. Ačkoli přebytečný prášek odstraněný a sešrotovaný obrobky lze recyklovat, což snižuje produktivitu.
Karbidové obrobky mohou být také vytvořeny pomocí extruzních zemí nebo injekčních zemí. Proces vytlačování vytlačování je vhodnější pro hromadnou výrobu obrobků sémometrických tvarů, zatímco proces vstřikování se obvykle používá pro hromadnou výrobu komplexních obrobků tvaru. V obou lisovacích procesech jsou známky cementovaného karbidového prášku suspendovány v organickém pojivo, které propůjčuje konzistenci podobné zubní pastě cementovanému karbidu. Sloučenina je pak buď extrudována otvorem nebo vstříkne se do dutiny. Charakteristiky stupně cementovaného karbidového prášku určují optimální poměr prášku k pořadače ve směsi a mají důležitý vliv na proudění směsi prostřednictvím vytlačující díry nebo injekcí do dutiny.
Poté, co je obrobek vytvořen formováním, izostatickým lisováním, vytlačováním nebo vstřikováním, musí být organické pojivo před obrobkem před konečnou fází slinování odstraněno. Slinování odstraňuje pórovitost z obrobku, takže je plně (nebo podstatně) hustá. Během slinování se kovová vazba v obrobku formovaném tiskem stává kapalinou, ale obrobku si zachovává svůj tvar pod kombinovaným působením kapilárních sil a vazeb částic.
Po slinování zůstává geometrie obrobku stejná, ale rozměry jsou sníženy. Aby bylo možné získat požadovanou velikost obrobku po slinování, je třeba při navrhování nástroje zvážit rychlost smrštění. Stupeň prášku karbidu používaného k výrobě každého nástroje musí být navržen tak, aby měl správné smrštění, když je zhutněn pod vhodným tlakem.
Téměř ve všech případech je nutné po otřesné léčbě sinizovaného obrobku. Nejzákladnějším ošetřením řezacích nástrojů je zaostření špičky. Mnoho nástrojů vyžaduje broušení jejich geometrie a rozměrů po slinování. Některé nástroje vyžadují horní a spodní broušení; Jiní vyžadují periferní broušení (s nebo bez oostřování řezné hrany). Všechny karbidové čipy z broušení lze recyklovat.
Povlak obrobku
V mnoha případech je třeba potahovat hotový obrobku. Potahování poskytuje mazivost a zvýšenou tvrdost, jakož i difúzní bariéru substrátu, což zabraňuje oxidaci, když je vystavena vysokým teplotám. Cementovaný substrát karbidu je rozhodující pro výkon povlaku. Kromě přizpůsobení hlavních vlastností maticového prášku mohou být povrchové vlastnosti matrice také přizpůsobeny chemickým výběrem a změnou metody slinování. Prostřednictvím migrace kobaltu může být více kobaltu obohacen v nejvzdálenější vrstvě povrchu čepele v tloušťce 20-30 μm vzhledem ke zbytku obrobku, čímž dává povrchu substrátu lepší pevnost a houževnatost, takže je odolnější k deformaci.
Na základě svého vlastního výrobního procesu (jako je metoda odpuštění, rychlost vytápění, doba slinování, teploty a karburizační napětí) může mít výrobce nástrojů určité zvláštní požadavky na stupeň použitého prášku na karbid. Někteří tvůrci nástrojů mohou obrobí posílit ve vakuové peci, zatímco jiní mohou používat horkou izostatickou lisování (kyčle) slinovací pec (která tlačí obrobku na konci procesního cyklu, aby odstranila zbytky)). Obrobky, které jsou ve vakuové peci slibované ve vakuové peci, může být také nutné izostaticky protlačit dalším procesem ke zvýšení hustoty obrobku. Někteří výrobci nástrojů mohou používat vyšší teploty vakuového slinování ke zvýšení slinované hustoty směsí s nižším obsahem kobaltu, ale tento přístup může hrubé mikrostruktury hrubě. Aby bylo možné udržovat velikost jemné zrna, lze vybrat prášky s menší velikostí karbidu wolframu. Aby se odpovídalo specifickému výrobnímu zařízení, mají podmínky dewaxování a karburizační napětí také různé požadavky na obsah uhlíku v cementovaném karbidovém prášku.
Klasifikace třídy
Kombinované změny různých typů wolframového karbidového prášku, složení směsi a obsahu kovového pojiva, typu a množství inhibitoru růstu zrna atd., Představují řadu cementovaných tříd karbidu. Tyto parametry určí mikrostrukturu cementovaného karbidu a jeho vlastností. Některé specifické kombinace vlastností se staly prioritou některých specifických aplikací pro zpracování, takže je smysluplné klasifikovat různé cementované známky karbidu.
Dva nejčastěji ojeté klasifikační systémy karbidu pro aplikace obrábění jsou systém označení C a systém označení ISO. Ačkoli žádný systém plně odráží vlastnosti materiálu, které ovlivňují výběr cementovaných tříd karbidu, poskytují výchozí bod pro diskusi. Pro každou klasifikaci má mnoho výrobců své vlastní speciální známky, což má za následek širokou škálu známek karbidu。
Stupně karbidu lze také klasifikovat složením. Stupní karbidu (WC) wolframu lze rozdělit na tři základní typy: jednoduché, mikrokrystalické a legované. Simplexové stupně se skládají především z wolframových karbidů a kobaltových pojiv, ale mohou také obsahovat malá množství inhibitorů růstu zrna. Mikrokrystalický stupeň je složen z karbidu wolframu a kobaltového pojiva přidaného s několika tisícitou karbidu vanadu (VC) a (nebo) karbidu chromu (CR3C2) a jeho velikost zrna může dosáhnout 1 μm nebo méně. Slahové třídy jsou složeny z karbidu wolframu a kobaltových pojiv obsahujících několik procent titanového karbidu (TIC), karbidu Tantalum (TAC) a karbidu Niobium (NBC). Tyto přírůstky jsou také známé jako krychlové karbidy kvůli jejich slinovacím vlastnostem. Výsledná mikrostruktura vykazuje nehomogenní třífázovou strukturu.
1) Jednoduché známky karbidu
Tyto známky pro řezání kovů obvykle obsahují 3% až 12% kobaltu (podle hmotnosti). Rozsah velikosti zrna wolframu karbidu je obvykle mezi 1-8 μm. Stejně jako u jiných stupňů zvyšování velikosti částic wolframového karbidu zvyšuje jeho tvrdost a sílu příčného ruptury (TRS), ale snižuje jeho houževnatost. Tvrdost čistého typu je obvykle mezi HRA89-93.5; Síla příčného ruptury je obvykle mezi 175-350KSI. Prášky těchto známek mohou obsahovat velká množství recyklovaných materiálů.
Stupně jednoduchého typu lze rozdělit na C1-C4 v systému C a lze jej klasifikovat podle řady třídy K, N, S a H v systému ISO. Simplexové stupně s mezilehlými vlastnostmi lze klasifikovat jako všeobecné stupně (jako je C2 nebo K20) a lze je použít pro otáčení, frézování, hobnutí a nudu; stupně s menší velikostí zrna nebo nižším obsahem kobaltu a vyšší tvrdostí lze klasifikovat jako dokončovací známky (jako je C4 nebo K01); Stupně s větší velikostí zrn nebo vyššího obsahu kobaltu a lepší houževnatostí lze klasifikovat jako drsné známky (jako je C1 nebo K30).
Nástroje vyrobené v simplexních stupních lze použít pro obrábění litiny, nerezové oceli 200 a 300, hliníku a další neželezné kovy, superaliony a tvrdé oceli. Tyto třídy mohou být také použity v nekovových řezacích aplikacích (např. Jako nástroje pro skalní a geologické vrtání) a tyto známky mají rozsah velikosti zrna 1,5-10μm (nebo větší) a obsah kobaltu 6%-16%. Dalším nekovovým řezným využitím jednoduchých gradů karbidu je výroba úderů a údery. Tyto známky mají obvykle velikost středního zrna s obsahem kobaltu 16%-30%.
(2) Mikrokrystalické cementované známky karbidu
Takové známky obvykle obsahují 6% -15% kobalt. Během slinování kapalné fáze může přidání karbidu vanadu a/nebo chromového karbidu regulovat růst zrna, aby se získala struktura jemného zrna s velikostí částic menší než 1 μm. Tato jemnozrnná třída má velmi vysokou tvrdost a příčné pevnosti ruptury nad 500 tssi. Kombinace vysoké pevnosti a dostatečné houževnatosti umožňuje těmto známkám používat větší kladný úhel hrábě, který snižuje řezací síly a produkuje tenčí čipy spíše řezáním než tlačením kovového materiálu.
Prostřednictvím přísné identifikace kvality různých surovin při výrobě stupňů cementovaného karbidového prášku a přísné kontroly procesních podmínek slinování, aby se zabránilo tvorbě abnormálně velkých zrn v materiální mikrostruktuře, je možné získat vhodné vlastnosti materiálu. Aby se udržela velikost zrna malá a rovnoměrná, měl by se recyklovaný recyklovaný prášek používat pouze tehdy, pokud existuje plná kontrola procesu suroviny a zotavení a rozsáhlé testování kvality.
Mikrokrystalické známky lze klasifikovat podle řady M v systému ISO. Kromě toho jsou další metody klasifikace v systému C a stupně ISO stejné jako čisté známky. Mikrokrystalické stupně lze použít k výrobě nástrojů, které řezují měkčí materiály obrobku, protože povrch nástroje může být obroben velmi hladký a může udržovat extrémně ostrou špičku.
Mikrokrystalické stupně lze také použít k stroji superheliony na bázi niklu, protože vydrží řezné teploty až do 1200 ° C. Pro zpracování superalimů a jiných speciálních materiálů může použití mikrokrystalických nástrojů a nástrojů čistého stupně obsahující ruthenium současně zlepšit jejich odolnost proti opotřebení, odolnost proti deformaci a houževnatost. Mikrokrystalické známky jsou také vhodné pro výrobu rotujících nástrojů, jako jsou cvičení, které vytvářejí smykové napětí. Existuje vrták z složených stupňů cementovaného karbidu. Ve specifických částech stejného cvičení se obsah kobaltu v materiálu liší, takže tvrdost a houževnatost vrtání jsou optimalizovány podle potřeb zpracování.
(3) Hlavní hodnoty karbidu typu slitiny
Tyto známky se používají hlavně pro řezání ocelových dílů a jejich obsah kobaltu je obvykle 5%-10%a velikost zrna se pohybuje od 0,8 do 22 μm. Přidáním 4% -25% titanového karbidu (TIC) lze snížit tendenci karbidu wolframu (WC) k rozptylování na povrch ocelových čipů. Síla nástroje, odolnost proti opotřebení kráteru a odolnost proti tepelnému nárazu lze zlepšit přidáním až 25% karbidu Tantalum (TAC) a karbidu Niobium (NBC). Přidání takových krychlových karbidů také zvyšuje červenou tvrdost nástroje a pomáhá vyhnout se tepelné deformaci nástroje při těžkém řezání nebo jiných operacích, kde špička bude generovat vysoké teploty. Karbid titanu může navíc poskytovat nukleační místa během slinování a zlepšit uniformitu distribuce krychlového karbidu v obrobku.
Obecně lze říci, že rozsah tvrdosti cementovaných karbidů typu slitiny je HRA91-94 a pevnost v příčném zlomenině je 150-300ksi. Ve srovnání s čistými známkami mají třídy slitiny špatnou odolnost proti opotřebení a nižší pevnost, ale mají lepší odolnost vůči opotřebení lepidla. Stupní slitiny lze rozdělit na C5-C8 v systému C a lze je klasifikovat podle řady P a M v systému ISO. Snížení slitiny s mezilehlými vlastnostmi lze klasifikovat jako stupně obecného účelu (jako je C6 nebo P30) a lze je použít pro otáčení, klepání, hobnutí a frézování. Nejtěžší stupně lze klasifikovat jako dokončovací známky (například C8 a P01) pro dokončení operací otáčení a nud. Tyto známky mají obvykle menší velikosti zrn a nižší obsah kobaltu, aby se získala požadovanou tvrdost a opotřebení. Podobné vlastnosti materiálu však lze získat přidáním více krychlových karbidů. Stupně s nejvyšší houževnatostí lze klasifikovat jako stupně drsnosti (např. C5 nebo P50). Tyto známky mají obvykle střední velikost zrna a vysoký obsah kobaltu, s nízkým přidáním krychlových karbidů k dosažení požadované houževnatosti inhibicí růstu trhlin. Při přerušených operacích obratu lze řeznou výkonnost dále zlepšit pomocí výše uvedených stupňů bohatých na kobalt s vyšším obsahem kobaltu na povrchu nástroje.
Snížení slitiny s nižším obsahem karbidu titanu se používají pro obrábění nerezové oceli a kuličkovatelného železa, ale lze je také použít pro obrábění neželezných kovů, jako jsou superaliony na bázi niklu. Velikost zrna těchto stupňů je obvykle menší než 1 μm a obsah kobaltu je 8%-12%. Pro otočení kulitelného železa lze použít tvrdší známky, jako je M10; Přísnější známky, jako je M40, lze použít pro frézování a hoblovací oceli nebo pro otáčení nerezové oceli nebo superheriloys.
Stupence karbidu z slitiny lze použít také pro účely řezání nekovových, zejména pro výrobu částí odolných vůči opotřebení. Velikost částic těchto stupňů je obvykle 1,2-2 μm a obsah kobaltu je 7%-10%. Při produkci těchto stupňů se obvykle přidává vysoké procento recyklované suroviny, což má za následek vysokou nákladovou efektivitu v aplikacích opotřebení dílů. Noste díly vyžadují dobrou odolnost proti korozi a vysokou tvrdost, kterou lze získat přidáním niklu a karbidu chromia při produkci těchto stupňů.
Aby bylo možné splnit technické a ekonomické požadavky výrobců nástrojů, je klíčovým prvkem karbidového prášku. Prášky určené pro obráběcí zařízení a procesní parametry výrobců nástrojů zajišťují výkon hotového obrobku a vyústily ve stovky tříd karbidu. Recyklovatelná povaha karbidových materiálů a schopnost pracovat přímo s dodavateli prášku umožňují tvůrcům nástrojů efektivně řídit kvalitu jejich produktu a náklady na materiál.
Čas příspěvku: říjen-18-2022
