Karbid är de mest använda klassen med höghastighetsbehandling (HSM) verktygsmaterial, som produceras genom pulvermetallurgiprocesser och består av hård karbid (vanligtvis volframkarbid WC) partiklar och en mjukare metallbindning. För närvarande finns det hundratals WC-baserade cementerade karbider med olika kompositioner, varav de flesta använder kobolt (CO) som ett bindemedel, nickel (Ni) och krom (CR) används också ofta bindemedel, och andra kan också läggas till. Vissa legeringselement. Varför finns det så många karbidkvaliteter? Hur väljer verktygstillverkare rätt verktygsmaterial för en specifik skäroperation? För att svara på dessa frågor, låt oss först titta på de olika egenskaperna som gör cementerade karbid till ett idealiskt verktygsmaterial.
hårdhet och seghet
WC-Co-cementerad karbid har unika fördelar inom både hårdhet och seghet. Volframkarbid (WC) är i sig mycket hårt (mer än korund eller aluminiumoxid), och dess hårdhet minskar sällan när driftstemperaturen ökar. Men det saknar tillräcklig seghet, en viktig egenskap för att klippa verktyg. För att dra nytta av den höga hårdheten hos volframkarbid och förbättra dess seghet använder människor metallbindningar för att binda volframkarbid tillsammans, så att detta material har en hårdhet som är långt överskridande av höghastighetsstål, medan de kan motstå de flesta skäroperationer. skärkraft. Dessutom kan den tåla de höga skärningstemperaturerna orsakade av höghastighetsbehandling.
Idag är nästan alla WC-CO-knivar och insatser belagda, så basmaterialets roll verkar mindre viktig. Men i själva verket är det den höga elastiska modulen för WC-CO-materialet (ett mått på styvhet, som är ungefär tre gånger den för höghastighetsstål vid rumstemperatur) som ger det icke-deformerbara underlaget för beläggningen. WC-CO-matrisen tillhandahåller också den nödvändiga segheten. Dessa egenskaper är de grundläggande egenskaperna hos WC-CO-material, men materialegenskaperna kan också skräddarsys genom att justera materialkompositionen och mikrostrukturen när man producerar cementerade karbidpulver. Därför beror lämpligheten av verktygsprestanda för en specifik bearbetning i stor utsträckning på den initiala fräsningsprocessen.
Malningsprocess
Volframkarbidpulver erhålls genom förgasning av volfram (W) pulver. Egenskaperna hos volframkarbidpulver (särskilt dess partikelstorlek) beror främst på partikelstorleken på råmaterial volframpulver och temperaturen och förgasningstiden. Kemisk kontroll är också kritisk, och kolhalten måste hållas konstant (nära det stökiometriska värdet på 6,13 viktprocent). En liten mängd vanadium och/eller krom kan tillsättas innan den förgasande behandlingen för att kontrollera pulverpartikelstorleken genom efterföljande processer. Olika nedströmsprocessförhållanden och olika slutbehandlingsanvändningar kräver en specifik kombination av volframkarbidpartikelstorlek, kolinnehåll, vanadiuminnehåll och krominnehåll, genom vilket en mängd olika volframkarbidpulver kan produceras. Till exempel producerar ATI Alldyne, en volframkarbidpulvertillverkare, 23 standardkvaliteter av volframkarbidpulver, och varianterna av volframkarbidpulver anpassad enligt användarkraven kan nå mer än 5 gånger den för standardgrader av volframkarbidpulver.
Vid blandning och slipning av volframkarbidpulver och metallbindning för att producera en viss grad av cementerat karbidpulver kan olika kombinationer användas. Det mest använda koboltinnehållet är 3% - 25% (viktförhållande), och när det gäller att behöva förbättra korrosionsmotståndet för verktyget är det nödvändigt att lägga till nickel och krom. Dessutom kan metallbindningen förbättras ytterligare genom att tillsätta andra legeringskomponenter. Till exempel kan tillägg av rutenium till WC-Co-cementerad karbid förbättra dess seghet avsevärt utan att minska hårdheten. Att öka innehållet i bindemedlet kan också förbättra cementerad karbids seghet, men det kommer att minska hårdheten.
Att minska storleken på volframkarbidpartiklarna kan öka materialets hårdhet, men partikelstorleken på volframkarbiden måste förbli densamma under sintringsprocessen. Under sintring kombinerar och växer volframkarbidpartiklarna genom en process med upplösning och reprecipitation. I den faktiska sintringsprocessen, för att bilda ett helt tätt material, blir metallbindningen flytande (kallas vätskefas sintring). Tillväxttakten för volframkarbidpartiklar kan kontrolleras genom att tillsätta andra övergångsmetallkarbider, inklusive vanadiumkarbid (VC), kromkarbid (CR3C2), titankarbid (TIC), tantalkarbid (TAC) och niob karbid (NBC). Dessa metallkarbider tillsätts vanligtvis när volframkarbidpulvret är blandat och malas med en metallbindning, även om vanadiumkarbid och kromkarbid också kan bildas när volframkarbidpulvret förgasas.
Volframkarbidpulver kan också produceras med användning av återvunna avfallscementerade karbidmaterial. Återvinning och återanvändning av skrotkarbid har en lång historia i den cementerade karbidindustrin och är en viktig del av hela den ekonomiska kedjan i branschen, vilket hjälper till att minska materiella kostnader, spara naturresurser och undvika avfallsmaterial. Skadlig bortskaffande. Skrapcementerad karbid kan i allmänhet återanvändas genom APT (ammonium paratungstate) process, zinkåtervinningsprocess eller genom krossning. Dessa "återvunna" volframkarbidpulver har i allmänhet bättre, förutsägbar tätning eftersom de har en mindre ytarea än volframkarbidpulver som är direkt genomförda genom volframförgasningsprocessen.
Bearbetningsförhållandena för blandad slipning av volframkarbidpulver och metallbindning är också avgörande processparametrar. De två vanligaste malningsteknikerna är bollfräsning och mikromillering. Båda processerna möjliggör enhetlig blandning av malade pulver och reducerad partikelstorlek. För att få det senare pressade arbetsstycket att ha tillräcklig styrka, upprätthålla formen på arbetsstycket och göra det möjligt för operatören eller manipulatorn att plocka upp arbetsstycket för drift, är det vanligtvis nödvändigt att lägga till ett organiskt bindemedel under slipning. Den kemiska sammansättningen av denna bindning kan påverka densiteten och styrkan hos det pressade arbetsstycket. För att underlätta hantering är det tillrådligt att lägga till bindemedel med hög hållfasthet, men detta resulterar i en lägre komprimeringstäthet och kan producera klumpar som kan orsaka defekter i slutprodukten.
Efter fräsning spray-torkas vanligtvis för att producera fritt flytande agglomerat som hålls samman av organiska bindemedel. Genom att justera sammansättningen av det organiska bindemedlet kan flödesbarhet och laddningstäthet för dessa agglomerat skräddarsys efter önskemål. Genom att screena ut grovare eller finare partiklar kan partikelstorleksfördelningen för agglomeratet anpassas ytterligare för att säkerställa ett gott flöde när det laddas i formkaviteten.
Arbetsstycke
Karbidarbetsstycken kan bildas med olika processmetoder. Beroende på storleken på arbetsstycket, formen av formkomplexitet och produktionssatsen, formas de flesta skärinsatser med hjälp av styva matriser med topp- och bottentryck. För att bibehålla konsistensen i arbetsstyckets vikt och storlek under varje pressning är det nödvändigt att säkerställa att mängden pulver (massa och volym) som strömmar in i kaviteten är exakt densamma. Pulverens flytande styrs huvudsakligen av storleksfördelningen av agglomeraten och egenskaperna hos det organiska bindemedlet. Gjutna arbetsstycken (eller "tomma") bildas genom att applicera ett gjutningstryck på 10-80 ksi (kilo pund per kvadratfot) på pulvret laddade i mögelhålan.
Även under extremt högt gjutningstryck kommer de hårda volframkarbidpartiklarna inte att deformeras eller bryts, men det organiska bindemedlet pressas in i luckorna mellan volframkarbidpartiklarna och därigenom fixerar partiklarnas position. Ju högre trycket, desto stramare bindning av volframkarbidpartiklarna och desto större komprimeringstäthet för arbetsstycket. Gjutningsegenskaperna för kvaliteten hos cementerat karbidpulver kan variera, beroende på innehållet i metallbindemedel, storleken och formen på volframkarbidpartiklarna, graden av agglomeration och sammansättning och tillsats av organiskt bindemedel. För att tillhandahålla kvantitativ information om komprimeringsegenskaperna för betyg av cementerade karbidpulver, är förhållandet mellan formningstäthet och gjutningstryck vanligtvis utformat och konstruerat av pulvertillverkaren. Denna information säkerställer att det levererade pulvret är kompatibelt med verktygstillverkarens gjutningsprocess.
Stora karbidarbetsstycken eller karbidarbetsstycken med höga bildförhållanden (såsom shanks för ändkvarnar och borrar) tillverkas vanligtvis av enhetligt pressade grader av karbidpulver i en flexibel påse. Även om produktionscykeln för den balanserade pressmetoden är längre än för gjutmetoden, är tillverkningskostnaden för verktyget lägre, så denna metod är mer lämplig för liten satsproduktion.
Denna processmetod är att lägga pulvret i påsen och försegla påsen munnen och sedan sätta påsen full av pulver i en kammare och applicera ett tryck på 30-60ksi genom en hydraulisk anordning för att trycka. Pressade arbetsstycken bearbetas ofta till specifika geometrier före sintring. Storleken på säcken förstoras för att rymma krympning av arbetsstycket under komprimering och för att ge tillräcklig marginal för slipningsoperationer. Eftersom arbetsstycket måste bearbetas efter tryckning är kraven för laddningskonsistensen inte lika strikta som formningsmetoden, men det är fortfarande önskvärt att säkerställa att samma mängd pulver laddas i påsen varje gång. Om laddningstätheten för pulvret är för liten kan det leda till otillräckligt pulver i påsen, vilket resulterar i att arbetsstycket är för litet och måste skrotas. Om pulverets belastningstäthet är för hög och pulvret laddas i påsen är för mycket, måste arbetsstycket bearbetas för att ta bort mer pulver efter att det har pressats. Även om överskottspulvret avlägsnas och skrotade arbetsstycken kan återvinnas, minskar det produktiviteten.
Karbidarbetsstycken kan också bildas med hjälp av extruderingsdikt eller injektionsdikt. Extruderingsprocessen är mer lämplig för massproduktion av arbetsstycken med axymmetriska form, medan injektionsmålningsprocessen vanligtvis används för massproduktion av komplexa formarbetsstycken. I båda gjutningsprocesserna upphängs grader av cementerat karbidpulver i ett organiskt bindemedel som ger en tandkrämliknande konsistens till den cementerade karbidblandningen. Föreningen extruderas sedan genom ett hål eller injiceras i ett hålrum som ska bildas. Egenskaperna för graden av cementerat karbidpulver bestämmer det optimala förhållandet mellan pulver och bindemedel i blandningen och har ett viktigt inflytande på blandningen av blandningen genom extruderingshålet eller injektionen i kaviteten.
Efter att arbetsstycket bildas av gjutning, isostatisk pressning, extrudering eller formsprutning, måste det organiska bindemedlet tas bort från arbetsstycket före det slutliga sintringssteget. Sintring tar bort porositet från arbetsstycket, vilket gör det helt (eller väsentligt) tätt. Under sintring blir metallbindningen i det pressformade arbetsstycket flytande, men arbetsstycket behåller sin form under den kombinerade verkan av kapillärkrafter och partikelbindning.
Efter sintring förblir arbetsstycketsgeometri densamma, men dimensionerna minskas. För att få den nödvändiga arbetsstyckets storlek efter sintring måste krympningshastigheten beaktas vid utformningen av verktyget. Kvaliteten på karbidpulver som används för att göra varje verktyg måste vara utformat för att ha rätt krympning när den är komprimerad under lämpligt tryck.
I nästan alla fall krävs efterintervall efter det sintrade arbetsstycket. Den mest grundläggande behandlingen av skärverktyg är att skärpa framkanten. Många verktyg kräver slipning av sin geometri och dimensioner efter sintring. Vissa verktyg kräver topp- och bottenslipning; Andra kräver perifer slipning (med eller utan skärpning av banbrytande). Alla karbidchips från slipning kan återvinnas.
Arbetsstycke
I många fall måste det färdiga arbetsstycket beläggas. Beläggningen ger smörjning och ökad hårdhet, liksom en diffusionsbarriär för underlaget, vilket förhindrar oxidation när den utsätts för höga temperaturer. Det cementerade karbidunderlaget är avgörande för beläggningens prestanda. Förutom att skräddarsy huvudegenskaperna för matrispulvret kan matrisens ytegenskaper också skräddarsys genom kemiskt urval och ändra sintringsmetoden. Genom migrationen av kobolt kan mer kobolt berikas i det yttersta skiktet av bladytan inom tjockleken på 20-30 μm relativt resten av arbetsstycket, vilket ger ytan på substratet bättre styrka och seghet, vilket gör det mer resistent mot deformation.
Baserat på sin egen tillverkningsprocess (såsom dewaxningsmetod, uppvärmningshastighet, sintringstid, temperatur och förgasningsspänning) kan verktygstillverkaren ha några speciella krav för graden av cementerat karbidpulver som används. Vissa verktygstillverkare kan sintra arbetsstycket i en vakuumugn, medan andra kan använda en varm isostatisk pressning (höft) sintringsugn (som trycker på arbetsstycket nära slutet av processcykeln för att ta bort eventuella rester). Arbetsstycken sintrade i en vakuumugn kan också behöva vara varm isostatiskt pressad genom en ytterligare process för att öka arbetsstyckets densitet. Vissa verktygstillverkare kan använda högre vakuumsintringstemperaturer för att öka den sintrade tätheten av blandningar med lägre koboltinnehåll, men detta tillvägagångssätt kan grovt deras mikrostruktur. För att upprätthålla en finkornstorlek kan pulver med mindre partikelstorlek på volframkarbid väljas. För att matcha den specifika produktionsutrustningen har dewaxingförhållandena och förgasningsspänningen också olika krav för kolinnehållet i det cementerade karbidpulvret.
Klassificering
Kombinationsförändringar av olika typer av volframkarbidpulver, blandningskomposition och metallbindemedel, typ och mängd korntillväxtinhibitor etc. utgör en mängd cementerade karbidkvaliteter. Dessa parametrar kommer att bestämma mikrostrukturen för den cementerade karbiden och dess egenskaper. Vissa specifika kombinationer av egenskaper har blivit prioriterade för vissa specifika behandlingsapplikationer, vilket gör det meningsfullt att klassificera olika cementerade karbidkvaliteter.
De två mest använda karbidklassificeringssystemen för bearbetningsapplikationer är C -beteckningssystemet och ISO -beteckningssystemet. Även om inget system helt återspeglar de materialegenskaper som påverkar valet av cementerade karbidkvaliteter, ger de en utgångspunkt för diskussion. För varje klassificering har många tillverkare sina egna specialgrader, vilket resulterar i en mängd olika karbidkvaliteter。
Karbidkvaliteter kan också klassificeras genom komposition. Volframkarbid (WC) kan delas upp i tre grundtyper: enkla, mikrokristallina och legerade. Simplexgrader består främst av volframkarbid- och koboltbindemedel, men kan också innehålla små mängder korntillväxthämmare. Det mikrokristallina klass består av volframkarbid- och koboltbindemedel tillsatt med flera tusendelar vanadiumkarbid (VC) och (eller) kromkarbid (CR3C2), och dess kornstorlek kan nå 1 μm eller mindre. Legeringsgrader består av volframkarbid- och koboltbindemedel som innehåller några procent titankarbid (TIC), tantalkarbid (TAC) och niob karbid (NBC). Dessa tillägg är också kända som kubiska karbider på grund av deras sintringsegenskaper. Den resulterande mikrostrukturen uppvisar en inhomogen trefasstruktur.
1) Enkla karbidkvaliteter
Dessa kvaliteter för metallskärning innehåller vanligtvis 3% till 12% kobolt (efter vikt). Storleksintervallet för volframkarbidkorn är vanligtvis mellan 1-8 μm. Liksom med andra betyg ökar minskningen av volframkarbidens partikelstorlek dess hårdhet och tvärgående brottstyrka (TRS), men minskar dess seghet. Hårdheten hos den rena typen är vanligtvis mellan HRA89-93.5; Den tvärgående brottstyrkan är vanligtvis mellan 175-350ksi. Pulver i dessa betyg kan innehålla stora mängder återvunnet material.
De enkla typkvaliteterna kan delas upp i C1-C4 i C-klasssystemet och kan klassificeras enligt K-, N-, S- och H-klassserien i ISO-kvalitetssystemet. Simplex-betyg med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som allmänhetsgrader (såsom C2 eller K20) och kan användas för att vända, malning, planering och tråkig; Betyg med mindre kornstorlek eller lägre koboltinnehåll och högre hårdhet kan klassificeras som efterbehandlingsgrader (såsom C4 eller K01); Betyg med större kornstorlek eller högre koboltinnehåll och bättre seghet kan klassificeras som grovkvaliteter (såsom C1 eller K30).
Verktyg gjorda i Simplex-kvaliteter kan användas för bearbetning av gjutjärn, 200 och 300-serie rostfritt stål, aluminium och andra icke-järnmetaller, superlegeringar och härdade stål. Dessa betyg kan också användas i icke-metallskärningsapplikationer (t.ex. rock och geologiska borrverktyg), och dessa betyg har ett spannmålstorlek på 1,5-10 μm (eller större) och ett koboltinnehåll på 6%-16%. En annan användning av icke-metaller av enkla karbidkvaliteter är i tillverkning av matriser och stansar. Dessa betyg har vanligtvis en medelstora kornstorlek med ett koboltinnehåll på 16%-30%.
(2) Mikrokristallina cementerade karbidkvaliteter
Sådana betyg innehåller vanligtvis 6% -15% kobolt. Under sintring av flytande fas kan tillsatsen av vanadiumkarbid och/eller kromkarbid kontrollera korntillväxten för att erhålla en finkornstruktur med en partikelstorlek på mindre än 1 μm. Denna finkorniga betyg har mycket hög hårdhet och tvärgående brottstyrkor över 500ksi. Kombinationen av hög styrka och tillräcklig seghet gör att dessa betyg kan använda en större positiv rake -vinkel, vilket minskar skärkrafterna och producerar tunnare chips genom att klippa snarare än att trycka metallmaterialet.
Genom strikt kvalitetsidentifiering av olika råvaror i produktionen av grader av cementerat karbidpulver och strikt kontroll av sintringsprocessförhållanden för att förhindra bildning av onormalt stora korn i materialmikrostrukturen är det möjligt att erhålla lämpliga materialegenskaper. För att hålla kornstorleken liten och enhetlig bör återvunnet återvunnet pulver endast användas om det finns full kontroll över råmaterial- och återhämtningsprocessen och omfattande kvalitetstest.
De mikrokristallina kvaliteterna kan klassificeras enligt M -klassserien i ISO -klasssystemet. Dessutom är andra klassificeringsmetoder i C -kvalitetssystemet och ISO -kvalitetssystemet desamma som de rena betyg. Mikrokristallina kvaliteter kan användas för att tillverka verktyg som skär mjukare arbetsstycksmaterial, eftersom verktygets yta kan bearbetas mycket slät och kan upprätthålla en extremt skarp banbrytande.
Mikrokristallina kvaliteter kan också användas för att bearbeta nickelbaserade superlegeringar, eftersom de tål skärningstemperaturer på upp till 1200 ° C. För bearbetning av superlegeringar och andra specialmaterial kan användningen av mikrokristallina verktyg och rena kvalitetsverktyg som innehåller rutenium samtidigt förbättra deras slitmotstånd, deformationsmotstånd och seghet. Mikrokristallina kvaliteter är också lämpliga för tillverkning av roterande verktyg som borrar som genererar skjuvspänning. Det finns en borrning av sammansatta kvaliteter av cementerad karbid. I specifika delar av samma borr varierar koboltinnehållet i materialet, så att borrens hårdhet och seghet optimeras enligt bearbetningsbehov.
(3) Legeringstyp cementerade karbidkvaliteter
Dessa betyg används huvudsakligen för att skära ståldelar, och deras koboltinnehåll är vanligtvis 5%-10%, och kornstorleken varierar från 0,8-2μm. Genom att lägga till 4% -25% titankarbid (TIC) kan tendensen till volframkarbid (WC) att diffundera till ytan på stålchips reduceras. Verktygsstyrka, kraterslitningsmotstånd och termisk chockmotstånd kan förbättras genom att lägga till upp till 25% tantalkarbid (TAC) och niob karbid (NBC). Tillsatsen av sådana kubiska karbider ökar också verktygets röda hårdhet, vilket hjälper till att undvika termisk deformation av verktyget vid kraftig skärning eller andra operationer där banbrytande kommer att generera höga temperaturer. Dessutom kan titankarbid tillhandahålla kärnbildningsställen under sintring, vilket förbättrar enhetligheten i kubisk karbidfördelning i arbetsstycket.
Generellt sett är hårdhetsintervallet för cementerade karbidkvaliteter HRA91-94, och den tvärgående sprickstyrkan är 150-300ksi. Jämfört med rena kvaliteter har legeringskvaliteter dålig slitmotstånd och lägre styrka, men har bättre motstånd mot limslitage. Legeringsgrader kan delas upp i C5-C8 i C-kvalitetssystemet och kan klassificeras enligt P- och M-klassserien i ISO-klasssystemet. Legeringsgrader med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som allmänna grader (såsom C6 eller P30) och kan användas för att vrida, knacka, planera och malning. De svåraste betyg kan klassificeras som efterbehandlingsgrader (såsom C8 och P01) för att avsluta vändning och tråkiga operationer. Dessa betyg har vanligtvis mindre spannmålstorlekar och lägre koboltinnehåll för att erhålla den nödvändiga hårdheten och slitstyrkan. Men liknande materialegenskaper kan erhållas genom att tillsätta fler kubiska karbider. Betyg med den högsta segheten kan klassificeras som grovkvaliteter (t.ex. C5 eller P50). Dessa betyg har vanligtvis en medelkornstorlek och högt koboltinnehåll, med låga tillägg av kubiska karbider för att uppnå den önskade segheten genom att hämma spricktillväxt. Vid avbruten svängningsoperationer kan skärprestandan förbättras ytterligare genom att använda ovannämnda koboltrika betyg med högre koboltinnehåll på verktygsytan.
Legeringsgrader med lägre titankarbidinnehåll används för bearbetning av rostfritt stål och formbart järn, men kan också användas för bearbetning av icke-järnmetaller såsom nickelbaserade superlegeringar. Kornstorleken för dessa kvaliteter är vanligtvis mindre än 1 μm, och koboltinnehållet är 8%-12%. Hårdare betyg, såsom M10, kan användas för att vrida formbart järn; Tuffare kvaliteter, såsom M40, kan användas för fräsning och planeringsstål, eller för att vrida rostfritt stål eller superlegeringar.
Legeringstyp cementerade karbidkvaliteter kan också användas för skärande ändamål, främst för tillverkning av slitbeständiga delar. Partikelstorleken för dessa kvaliteter är vanligtvis 1,2-2 μm, och koboltinnehållet är 7%-10%. Vid producering av dessa betyg läggs vanligtvis en hög andel av återvunnet råmaterial, vilket resulterar i en hög kostnadseffektivitet i slitdelar. Slitdelar kräver god korrosionsbeständighet och hög hårdhet, som kan erhållas genom att tillsätta nickel- och kromkarbid när man producerar dessa betyg.
För att uppfylla de tekniska och ekonomiska kraven hos verktygstillverkare är karbidpulver det viktigaste elementet. Pulver designade för verktygstillverkares bearbetningsutrustning och processparametrar säkerställer prestanda för det färdiga arbetsstycket och har resulterat i hundratals karbidkvaliteter. Den återvinningsbara karaktären hos karbidmaterial och förmågan att arbeta direkt med pulverleverantörer gör det möjligt för verktygstillverkare att effektivt kontrollera sina produktkvalitet och materialkostnader.
Posttid: oktober-18-2022
