Перейти к содержимому 
Основы материалов режущего инструмента из твердого сплава с цементирующим покрытием Реферат
Цементированный карбид - наиболее широко используемый класс инструментальных материалов для высокоскоростной обработки (ВСО), получаемых методом порошковой металлургии и состоящих из частиц твердого карбида (обычно карбида вольфрама, WC) и связующего из более мягкого металла. В настоящее время существуют сотни различных составов цементированных карбидов на основе WC, в большинстве из которых в качестве связующего используется кобальт (Co), аникель (Ni) и хром (Cr) также обычно используются в качестве связующих элементов, но могут быть добавлены и другие элементы сплава. Почему существует так много марок цементированного карбида? Как производители инструментов выбирают подходящий материал для конкретного процесса обработки? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала разберемся в различных характеристиках, которые делают цементированный карбид идеальным материалом для инструментов.
Твердость и прочность
Цементированные WC-Co карбиды обладают уникальными преимуществами в сочетании твердости и прочности. Карбид вольфрама (WC) сам по себе обладает очень высокой твердостью (превосходящей глинозем или оксид алюминия), и его твердость не снижается значительно при повышении рабочей температуры. Однако он не обладает достаточной вязкостью, которая необходима для режущего инструмента. Чтобы использовать высокую твердость карбида вольфрама и повысить его вязкость, для его скрепления используются металлические связующие, которые делают этот материал гораздо тверже быстрорежущей стали, но при этом он способен выдерживать силу резания в большинстве процессов обработки. Более того, он может выдерживать высокие температуры, возникающие при высокоскоростной обработке.
Сегодня почти все инструменты и лезвия из WC-Co имеют покрытие, поэтому роль основного материала кажется менее важной. Однако на самом деле именно высокий модуль упругости материала WC-Co (показатель жесткости, примерно в три раза превышающий модуль упругости быстрорежущей стали при комнатной температуре) обеспечивает недеформируемую основу для нанесения покрытия. Основа WC-Co также обеспечивает необходимую прочность. Эти свойства являются основополагающими для материалов WC-Co, но также могут быть изменены путем корректировки состава и микроструктуры материала в процессе производства порошка цементированного карбида. Таким образом, производительность инструмента и его пригодность для конкретной обработки в значительной степени зависят от исходного процесса изготовления порошка.
Процесс изготовления порошка
Порошок карбида вольфрама получают путем науглероживания порошка вольфрама (W). Характеристики порошка карбида вольфрама (особенно размер его частиц) зависят в основном от размера частиц исходного вольфрамового порошка, а также от температуры и продолжительности науглероживания. Химический контроль также имеет решающее значение: содержание углерода должно быть постоянным (близким к теоретическому соотношению 6,13% по весу). Чтобы контролировать зернистость порошка в последующих процессах, перед науглероживанием можно добавить небольшое количество ванадия и/или хрома. Различные условия последующих процессов и различные конечные применения требуют определенных комбинаций зернистости карбида вольфрама, содержания углерода, ванадия и хрома. Варьируя эти сочетания, можно получать различные порошки карбида вольфрама. Например, производитель порошка карбида вольфрама ATI Alldyne выпускает 23 стандартных сорта порошка карбида вольфрама, а разнообразие изготавливаемых на заказ порошков карбида вольфрама может более чем в пять раз превышать количество стандартных сортов.
При производстве определенного сорта цементированного карбидного порошка путем смешивания порошка карбида вольфрама со связующим металлом могут использоваться различные комбинации. Наиболее распространенное содержание кобальта составляет от 3% до 25% (по весу), а никель и хром добавляют, когда требуется повысить коррозионную стойкость инструмента. Кроме того, металлическая связка может быть дополнительно модифицирована путем добавления других элементов сплава. Например, добавление рутения в цементированные карбиды WC-Co может значительно повысить их вязкость без снижения твердости. Увеличение содержания связки также может повысить вязкость цементированных карбидов, но за счет снижения их твердости.
Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может увеличить твердость материала, но в процессе спекания размер частиц карбида вольфрама должен сохраняться. Во время спекания частицы карбида вольфрама соединяются и растут благодаря процессу растворения и восстановления. В процессе спекания, чтобы сформировать абсолютно плотный материал, металлическое связующее становится жидким (так называемое жидкофазное спекание). Добавление других карбидов переходных металлов, включая карбид ванадия (VC), карбид хрома (Cr3C2), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC) и карбид ниобия (NbC), может регулировать скорость роста частиц карбида вольфрама. Эти карбиды металлов обычно добавляют во время смешивания и измельчения порошка карбида вольфрама с металлическим связующим, хотя карбид ванадия и карбид хрома также могут образовываться во время науглероживания порошка карбида вольфрама.
Переработанные отходы карбида цементита также могут быть использованы для производства гранулированных порошков карбида вольфрама. Переработка и повторное использование отходов карбида цементита имеют долгую историю в карбидо-цементной промышленности, являясь неотъемлемой частью всей экономической цепочки отрасли. Это позволяет снизить затраты на материалы, сохранить природные ресурсы и избежать необходимости безвредной утилизации отходов. Отходы цементированных карбидов обычно перерабатываются с помощью процесса паратунгстата аммония (APT), процесса восстановления цинка или путем повторного использования после дробления. Эти «регенерированные» порошки карбида вольфрама обычно имеют лучшую и более предсказуемую плотность, поскольку их площадь поверхности меньше, чем у порошков карбида вольфрама, полученных непосредственно в процессе науглероживания вольфрама.
Условия обработки для смешивания и измельчения порошка карбида вольфрама с металлическими связующими также являются критическими параметрами процесса. Два наиболее распространенных метода измельчения - это шаровое и сверхтонкое измельчение. Оба процесса позволяют равномерно перемешать измельченный порошок и уменьшить размер частиц. Чтобы обеспечить достаточную прочность прессованных заготовок для сохранения их формы и позволить операторам или роботизированным манипуляторам поднимать заготовки, в процессе измельчения обычно добавляют органическое связующее. Химический состав этого связующего может влиять на плотность и прочность прессованных заготовок. Для облегчения перемещения лучше всего добавлять высокопрочное связующее, но это может привести к снижению плотности прессования и образованию твердых комков, вызывающих дефекты в конечном продукте.
После измельчения порошок обычно После измельчения порошок обычно высушивают распылением, в результате чего образуются свободно текущие комки, удерживаемые органическим связующим. Регулируя состав органического связующего, можно придать этим комкам можно изменять текучесть и плотность упаковки в зависимости от необходимости. Путем отсеивания более грубых или более мелких частиц, распределение частиц по размерам комков может быть для обеспечения хорошей текучести при загрузке в полость формы.
Изготовление заготовок
Заготовки из цементированного карбида могут быть сформированы с использованием нескольких технологических методов. В зависимости от размера, сложности формы и объема производства заготовок большинство режущих лезвий формируется с помощью жесткого прессования в пресс-форме с верхним и нижним прессованием. Во время каждого прессования для поддержания постоянства веса и размера заготовок количество порошка, поступающего в полость пресс-формы (по массе и объему), должно быть абсолютно одинаковым. Текучесть порошка в основном зависит от распределения комков по размерам и свойств органического связующего. Прикладывая к порошку, загруженному в полость пресс-формы, давление формования 10-80 ksi (тысяч фунтов на квадратный дюйм), можно сформировать прессованную заготовку (или «болванку»).
Даже при очень высоком давлении формования твердые частицы карбида вольфрама не деформируются и не ломаются, а органическое связующее вдавливается в зазоры между частицами карбида вольфрама, тем самым фиксируя их положение. Чем выше давление, тем плотнее сцепление частиц карбида вольфрама и тем выше плотность прессования заготовки. Характеристики прессования порошков цементированного карбида могут меняться в зависимости от содержания металлического связующего, размера и формы частиц карбида вольфрама, степени комкования, а также состава и количества добавленного органического связующего. Для получения количественной информации о характеристиках прессования порошков цементированного карбида обычно производитель порошка должен разработать и построить зависимость между плотностью прессования и давлением формования. Эта информация гарантирует, что поставляемый порошок совместим с процессом прессования производителя инструмента.
Крупногабаритные заготовки из цементированного карбида или заготовки с высоким аспектным отношением (например, хвостовики фрезы и
буры) обычно производятся с использованием градиентных порошков карбида цементита, спрессованных в гибком мешке. Хотя производственный цикл метода сбалансированного прессования длиннее, чем у метода прессования в пресс-форме, стоимость изготовления
инструмента ниже, что делает этот метод более подходящим для мелкосерийного производства.
Этот процесс включает в себя загрузку порошка в мешок, запечатывание мешка, а затем помещение заполненного мешка в камеру, где гидравлическое устройство создает давление 30-60 кси. Спрессованные заготовки перед спеканием обычно необходимо обработать до определенной геометрической формы. Размер мешка увеличивается, чтобы учесть усадку заготовки в процессе прессования и для обеспечения достаточного запаса для шлифования операций. Поскольку после прессования заготовки подлежат механической обработке, требования к однородности загрузки не столь высоки. требования к постоянству загрузки не такие строгие, как при прессовании в пресс-форме прессования, но все же желательно, чтобы каждый раз в мешок загружалось одинаковое количество порошка каждый раз загружалось в мешок. Если плотность упаковки порошка слишком низкая, это может привести к тому, что в мешок будет загружено недостаточное количество порошка, что вызовет заготовка будет иметь недостаточный размер и, следовательно, будет отбракована. Если плотность упаковки порошка слишком высока, в мешок может быть загружено слишком много порошка, что потребует большего количества порошка, который необходимо удалять в процессе обработки после прессования заготовки. Хотя избыток удаленного порошка и отбракованные заготовки могут быть переработаны, это в конечном итоге снижает эффективность производства.
Заготовки из цементированного карбида также могут быть сформированы с помощью экструзионных или литьевых форм. Процесс экструзионного формования больше подходит для массового производства осесимметричных заготовок, в то время как процесс литья под давлением обычно используется для массового производства заготовок сложной формы. В обоих процессах формования порошок цементированного карбида суспендируется в органическом связующем, что придает смеси цементированного карбида однородную консистенцию, похожую на зубную пасту. Затем смесь либо выдавливается через отверстие для придания формы, либо впрыскивается в полость формы для формования. Характеристики цементированного карбидного порошка определяют оптимальное соотношение порошка и связующего в смеси и оказывают значительное влияние на текучесть смеси через экструзионное отверстие или в полость формы.
После формования заготовок методом прессования в пресс-форме, прессования с разновесом, экструзионного или литьевого формования органическое связующее должно быть удалено из заготовок перед финальной стадией спекания. Спекание удаляет поры в заготовке, делая ее полностью (или почти полностью) плотной. Во время спекания металлическое связующее в спрессованной заготовке становится жидким, но заготовка сохраняет свою форму благодаря совместному действию капиллярных сил и контакта частиц.
После спекания геометрическая форма Заготовка остается неизменной, но ее размер уменьшается. Для достижения требуемого размера заготовки после спекания, необходимо учитывать скорость ее усадки при проектировании инструмента. При разработке градиентного порошка цементированного карбида, используемого для изготовления каждого инструмента, необходимо убедиться, что он имеет правильную скорость усадки при соответствующем давлении.
Почти во всех случаях требуется обработка заготовки после спекания. Самая основная обработка режущих инструментов - это шлифовка режущих кромок. Многие инструменты также нуждаются в шлифовке для корректировки их геометрической формы и размера после спекания. Некоторые инструменты требуют шлифования верхней и нижней поверхностей, другие - периферийного шлифования (со шлифованием или без шлифования режущих кромок). Вся стружка цементированного карбида, образующаяся при шлифовании, может быть переработана.
Покрытие заготовок
Во многих случаях на готовую заготовку необходимо нанести покрытие. Покрытия могут обеспечить смазку и повысить твердость, а также обеспечить диффузионный барьер для предотвращения окисления подложки при воздействии высоких температур. Подложка из цементированного карбида имеет решающее значение для эффективности покрытия. Помимо настройки основных свойств порошка подложки, свойства поверхности подложки также могут быть настроены путем выбора химических веществ и изменения метода спекания. Благодаря миграции кобальта внешний слой поверхности лезвия может быть обогащен большим количеством кобальта, чем остальная часть заготовки, что обеспечивает поверхностному слою подложки лучшую прочность и устойчивость к деформации.
Производители инструментов, основываясь на собственных производственных процессах (таких как методы депарафинизации, скорость нагрева, время спекания, температура и напряжение науглероживания), могут предъявлять особые требования к используемым ими порошкам цементированного карбида. Некоторые производители инструментов спекают заготовки в вакуумной печи, другие используют печи для спекания методом горячего изостатического прессования (HIP) (в которых давление на заготовку подается только в конце технологического цикла для устранения остаточных пор). Заготовки, спеченные в вакуумной печи, могут также потребовать дополнительного горячего изостатического прессования для повышения плотности заготовки. Некоторые производители инструментов могут использовать более высокие температуры вакуумного спекания для повышения плотности спекания смесей с меньшим содержанием кобальта, но этот метод может привести к увеличению крупности микроструктуры. Чтобы сохранить мелкий размер зерна, можно выбрать порошок с меньшим размером частиц карбида вольфрама. Условия депарафинизации и напряжение науглероживания также предъявляют различные требования к содержанию углерода в порошках карбида цементита, чтобы соответствовать конкретному производственному оборудованию.
Все эти факторы оказывают решающее влияние на микроструктуру и характеристики материала спеченных инструментов из карбида цементита, поэтому необходимо тесное взаимодействие между производителями инструментов и поставщиками порошков, чтобы обеспечить адаптацию порошков карбида цементита к производственному процессу производителя инструментов. Поэтому неудивительно, что существуют сотни различных марок порошков цементированного карбида. Например, компания ATI Alldyne производит более 600 различных марок порошка, каждая из которых специально разработана для целевых пользователей и конкретных областей применения.
Классификация классов
Сочетание различных типов порошка карбида вольфрама, компонентов смеси и содержания металлического связующего, а также тип и количество ингибиторов роста зерен приводят к широкому разнообразию марок цементированного карбида. Эти параметры определяют микроструктуру цементированного карбида и его свойства. Некоторые специфические сочетания свойств стали предпочтительным выбором для определенных видов обработки, что делает целесообразным классификацию различных марок цементированного карбида.
Две наиболее часто используемые системы классификации для обработки - это система марок C и система марок ISO. Хотя ни одна из этих систем не отражает в полной мере свойств материала, влияющих на выбор марки карбида цементита, они служат отправной точкой для обсуждения. Для каждого метода классификации многие производители имеют свои собственные специальные марки, что приводит к широкому разнообразию различных марок карбида цементита.
Цементированный карбид также может быть классифицирован по составу. Карбид вольфрама (WC) можно разделить на три основных типа: чистый, микрокристаллический и сплав. Чистые марки в основном состоят из карбида вольфрама и кобальтовой связки, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерна. Микрокристаллические марки состоят из карбида вольфрама и кобальтовой связки с добавлением нескольких тысячных долей карбида ванадия (VC) и/или карбида хрома (Cr3C2), с размером зерна менее 1 мкм. Легированные марки состоят из карбида вольфрама и кобальтовой связки, содержащей несколько процентов карбида титана (TiC), карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC), которые также известны как кубические карбиды, поскольку их спеченная микроструктура демонстрирует неравномерную трехфазную структуру.
- Степени чистого цементированного карбида
Эти марки обычно используются для резки металлов и обычно содержат от 3% до 12% кобальта (по весу). Размер зерен карбида вольфрама обычно составляет от 1 до 8 мкм. Как и в других марках, уменьшение размера зерен карбида вольфрама может увеличить их твердость и прочность на поперечный разрыв (TRS), но при этом снижается их вязкость. Твердость чистых марок обычно составляет от HRA89 до 93,5; предел прочности при поперечном разрыве - от 175 до 350 кси. Эти марки могут содержать большое количество вторичного сырья.
Чистые марки в системе марок C можно классифицировать как C1 - C4, а в системе марок ISO они могут быть отнесены к сериям марок K, N, S и H. Марки с промежуточными свойствами могут быть классифицированы как марки общего назначения (например, C2 или K20), пригодные для поворот, фрезерные, строгальные и расточные операции; марки с меньшим размером зерна или меньшим содержанием кобальта и более высокой твердостью можно отнести к чистовым (например, C4 или K01); марки с большим размером зерна или более высоким содержанием кобальта и лучшей вязкостью можно отнести к черновым (например, C1 или K30).
Инструменты, изготовленные из чистых сортов, могут использоваться для резки чугуна серий 200 и 300. нержавеющая стальалюминия и других цветных металлов, высокотемпературных сплавов и закаленной стали. Эти марки также используются для неметаллической резки (например, для бурения горных пород и геологических скважин), при этом размер зерен составляет от 1,5 до 10 мкм (или больше), а содержание кобальта - от 6 до 16 %. Другой областью применения чистых сортов стали для неметаллической резки является изготовление пресс-форм и пуансонов, которые обычно имеют зерна среднего размера и содержание кобальта от 16 % до 30 %.
- Степени микрокристаллического цементированного карбида
Эти марки обычно содержат от 6 до 15 % кобальта. Во время жидкофазного спекания добавление карбида ванадия и/или карбида хрома контролирует рост зерен, в результате чего образуется мелкозернистая структура с размером зерен менее 1 мкм. Эти микрокристаллические марки обладают очень высокой твердостью и пределом прочности при поперечном разрыве более 500 кСи. Сочетание высокой прочности и достаточной вязкости позволяет инструментам, изготовленным из этих марок, использовать большие положительные углы наклона, снижая усилия резания и получая более тонкую стружку за счет резания, а не продавливания металлических материалов.
Благодаря строгому контролю качества различных сырьевых материалов при производстве порошков цементированного карбида и строго контролируя условия процесса спекания, можно получить соответствующие свойства материала, предотвращая при этом образование аномально крупных зерен в микроструктуре материала. Для сохранения мелких и равномерных размеров зерен, регенерированные порошки можно использовать только при условии всестороннего контроля сырья и процессов переработки, а также при тщательном проверки качества.
Микрокристаллические сорта могут быть классифицированы В системе стандартов ISO микрокристаллические марки могут быть классифицированы по серии М, а другие методы классификации Методы классификации в системе марок C и ISO такие же, как и для чистых марок. сорта. Микрокристаллические марки могут использоваться для изготовления инструментов для резки более мягких материалов, так как эти инструменты могут создавать очень гладкие поверхности и сохранять чрезвычайно острые режущие кромки.
Инструменты микрокристаллического класса также можно использовать для обработки суперсплавов на основе никеля, поскольку они выдерживают температуру резания до 1200°C. При обработке высокотемпературных сплавов и других специальных материалов использование инструментов микрокристаллического класса и инструментов чистого класса, содержащих рутений, позволяет одновременно повысить их износостойкость, сопротивление деформации и вязкость. Микрокристаллические марки также подходят для изготовления вращающихся режущих инструментов (например, сверл), создающих напряжение сдвига. Один из видов сверл изготавливается из композитной марки цементированного карбида с различным содержанием кобальта в отдельных частях одного и того же сверла, что позволяет оптимизировать твердость и вязкость сверла в зависимости от технологических требований.
- Градации легированного цементированного карбида
Эти марки в основном используются для резки стальных деталей, обычно содержащих от 5 до 10 % кобальта, с размером зерна от 0,8 до 2 мкм. Добавление от 4 до 25 % карбида титана (TiC) позволяет снизить склонность карбида вольфрама (WC) к диффузии на поверхность стальной стружки. Добавление до 25 % карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC) позволяет повысить прочность, устойчивость к серповидному износу и стойкость инструмента к тепловому удару. Добавление таких кубических карбидов также повышает красную твердость инструмента, что полезно при резке с большой нагрузкой или других видах обработки, когда на режущей кромке возникают высокие температуры, помогая предотвратить тепловую деформацию инструмента. Кроме того, карбид титана обеспечивает места зарождения во время спекания, улучшая равномерное распределение кубических карбидов в заготовке.
Обычно легированные цементированные карбиды имеют твердость в диапазоне от HRA91 до 94 и предел прочности при поперечном разрыве от 150 до 300 кСи. По сравнению с чистыми марками, легированные марки имеют худшие характеристики против абразивного износа и более низкую прочность, но лучшую стойкость к адгезионному износу. Легированные марки можно классифицировать по классам от C5 до C8 в системе марок C и по сериям P и M в системе марок ISO. Марки с промежуточными свойствами можно отнести к маркам общего назначения (например, C6 или P30), которые подходят для токарных, резьбовых, строгальных и фрезерных работ. Марки с самой высокой твердостью можно отнести к чистовым маркам (например, C8 и P01), используемым для токарных и расточных работ. Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и более низкое содержание кобальта для достижения требуемой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала можно получить и при добавлении большего количества кубических карбидов. Самые твердые марки можно отнести к черновым (например, C5 или P50). Эти марки обычно имеют зерна среднего размера и высокое содержание кобальта, при этом в них добавляется меньшее количество кубических карбидов, что позволяет достичь требуемой вязкости за счет препятствования распространению трещин. При прерывистой токарной обработке использование инструментов с поверхностью с более высоким содержанием кобальта может еще больше повысить производительность резания.
Сплавы с более низким содержанием карбида титана используются для резки нержавеющей стали и ковкого чугуна, но также могут применяться для обработки цветных металлов (например, суперсплавов на основе никеля). Эти марки обычно имеют размер зерна менее 1 мкм и содержание кобальта от 8 до 12 %. Более твердые марки (например, M10) могут использоваться для точения ковкого чугуна; более жесткие марки (например, M40) могут применяться для фрезерования и строгания стальных деталей, а также для точения нержавеющей стали или суперсплавов.
Легированные цементированные карбиды также могут использоваться для резки неметаллических материалов, в основном для изготовления износостойких деталей. Эти марки обычно имеют размер зерна от 1,2 до 2 мкм и содержание кобальта от 7 до 10 %. При производстве этих марок обычно добавляется большая доля вторичного сырья, что позволяет добиться более высокой экономической эффективности при изготовлении износостойких деталей. Износостойкие детали требуют хорошей коррозионной стойкости и высокой твердости, что может быть достигнуто путем добавления никеля и карбида хрома при производстве этих марок.
заключение
Для удовлетворения двойных требований - технических и экономических - для производителей инструментов ключевым элементом являются порошки из цементированного карбида. Порошок, разработанный с учетом особенностей технологического оборудования и параметров технологического процесса производителей инструментов, обеспечивает качество готовых деталей, что привело к появлению сотен марок карбида цементита. Перерабатываемость материалов из карбида цементита и возможность прямого сотрудничества с поставщиками порошков позволяют производителям инструментов эффективно контролировать качество продукции и затраты на материалы.
Russian 
English 
German 
Spanish 
French 
Portuguese