Hårdmetall är den mest använda klassen av verktygsmaterial för höghastighetsbearbetning (HSM), som tillverkas genom pulvermetallurgiska processer och består av hårdmetallpartiklar (vanligtvis volframkarbid WC) och en mjukare metallbindningskomposition. För närvarande finns det hundratals WC-baserade hårdmetaller med olika sammansättning, varav de flesta använder kobolt (Co) som bindemedel, nickel (Ni) och krom (Cr) är också vanliga bindemedel, och andra kan också tillsättas . några legeringselement. Varför finns det så många hårdmetallkvaliteter? Hur väljer verktygstillverkare rätt verktygsmaterial för en specifik skäroperation? För att besvara dessa frågor, låt oss först titta på de olika egenskaperna som gör hårdmetall till ett idealiskt verktygsmaterial.
hårdhet och seghet
WC-Co hårdmetall har unika fördelar i både hårdhet och seghet. Volframkarbid (WC) är till sin natur mycket hård (mer än korund eller aluminiumoxid), och dess hårdhet minskar sällan när driftstemperaturen ökar. Den saknar dock tillräcklig seghet, en väsentlig egenskap för skärande verktyg. För att dra fördel av den höga hårdheten hos volframkarbid och förbättra dess seghet, använder människor metallbindningar för att binda samman volframkarbid, så att detta material har en hårdhet som vida överstiger den för höghastighetstål, samtidigt som det tål de flesta skärningar operationer. skärkraft. Dessutom kan den motstå de höga skärtemperaturerna som orsakas av höghastighetsbearbetning.
Idag är nästan alla WC-Co-knivar och -insatser belagda, så basmaterialets roll verkar mindre viktig. Men i själva verket är det den höga elasticitetsmodulen hos WC-Co-materialet (ett mått på styvhet, som är ungefär tre gånger högre än höghastighetsstål vid rumstemperatur) som ger det icke-deformerbara underlaget för beläggningen. WC-Co-matrisen ger också den erforderliga segheten. Dessa egenskaper är de grundläggande egenskaperna hos WC-Co-material, men materialegenskaperna kan också skräddarsys genom att justera materialsammansättningen och mikrostrukturen vid framställning av hårdmetallpulver. Därför beror verktygsprestandas lämplighet för en specifik bearbetning i stor utsträckning på den initiala fräsningen.
Fräsprocess
Volframkarbidpulver erhålls genom uppkolning av volfram (W) pulver. Egenskaperna hos volframkarbidpulver (särskilt dess partikelstorlek) beror huvudsakligen på partikelstorleken hos råmaterialet volframpulver och temperaturen och tiden för uppkolningen. Kemisk kontroll är också kritisk och kolhalten måste hållas konstant (nära det stökiometriska värdet på 6,13 viktprocent). En liten mängd vanadin och/eller krom kan tillsättas före uppkolningsbehandlingen för att kontrollera pulverpartikelstorleken genom efterföljande processer. Olika nedströmsprocessförhållanden och olika slutbearbetningsanvändningar kräver en specifik kombination av volframkarbidpartikelstorlek, kolhalt, vanadinhalt och kromhalt, genom vilken en mängd olika volframkarbidpulver kan framställas. Till exempel, ATI Alldyne, en tillverkare av volframkarbidpulver, producerar 23 standardkvaliteter av volframkarbidpulver, och sorterna av volframkarbidpulver anpassade efter användarkrav kan nå mer än 5 gånger högre än standardkvaliteter av volframkarbidpulver.
Vid blandning och malning av volframkarbidpulver och metallbindning för att producera en viss kvalitet av hårdmetallpulver kan olika kombinationer användas. Den vanligaste kobolthalten är 3 % – 25 % (viktförhållande), och i fallet med att behöva förbättra verktygets korrosionsbeständighet är det nödvändigt att tillsätta nickel och krom. Dessutom kan metallbindningen förbättras ytterligare genom att lägga till andra legeringskomponenter. Till exempel kan tillsats av rutenium till WC-Co-hårdmetall förbättra dess seghet avsevärt utan att minska dess hårdhet. Att öka innehållet av bindemedel kan också förbättra hårdheten hos hårdmetall, men det kommer att minska dess hårdhet.
Att minska storleken på volframkarbidpartiklarna kan öka materialets hårdhet, men volframkarbidens partikelstorlek måste förbli densamma under sintringsprocessen. Under sintring kombineras volframkarbidpartiklarna och växer genom en process av upplösning och återutfällning. I själva sintringsprocessen, för att bilda ett helt tätt material, blir metallbindningen flytande (kallad vätskefassintring). Tillväxthastigheten för volframkarbidpartiklar kan kontrolleras genom att tillsätta andra övergångsmetallkarbider, inklusive vanadinkarbid (VC), kromkarbid (Cr3C2), titankarbid (TiC), tantalkarbid (TaC) och niobkarbid (NbC). Dessa metallkarbider tillsätts vanligtvis när volframkarbidpulvret blandas och mals med en metallbindning, även om vanadinkarbid och kromkarbid också kan bildas när volframkarbidpulvret karbureras.
Volframkarbidpulver kan också framställas genom att använda återvunnet avfall av hårdmetallmaterial. Återvinning och återanvändning av skrotkarbid har en lång historia inom hårdmetallindustrin och är en viktig del av hela branschens ekonomiska kedja, vilket bidrar till att minska materialkostnaderna, spara naturresurser och undvika avfallsmaterial. Skadligt omhändertagande. Skrot av hårdmetall kan i allmänhet återanvändas genom APT-process (ammoniumparawolframat), zinkåtervinningsprocess eller genom krossning. Dessa "återvunna" volframkarbidpulver har i allmänhet bättre, förutsägbar förtätning eftersom de har en mindre yta än volframkarbidpulver som tillverkas direkt genom volframkarbideringsprocessen.
Bearbetningsförhållandena för den blandade malningen av volframkarbidpulver och metallbindning är också avgörande processparametrar. De två vanligaste frästeknikerna är kulfräsning och mikrofräsning. Båda processerna möjliggör enhetlig blandning av malda pulver och reducerad partikelstorlek. För att få det senare pressade arbetsstycket att ha tillräcklig styrka, bibehålla formen på arbetsstycket och göra det möjligt för operatören eller manipulatorn att ta upp arbetsstycket för drift, är det vanligtvis nödvändigt att tillsätta ett organiskt bindemedel under slipningen. Den kemiska sammansättningen av denna bindning kan påverka densiteten och styrkan hos det pressade arbetsstycket. För att underlätta hanteringen är det lämpligt att tillsätta höghållfasta bindemedel, men detta resulterar i en lägre packningsdensitet och kan ge klumpar som kan orsaka defekter i slutprodukten.
Efter målning spraytorkas pulvret vanligtvis för att producera friflytande agglomerat som hålls samman av organiska bindemedel. Genom att justera sammansättningen av det organiska bindemedlet kan flytbarheten och laddningstätheten hos dessa agglomerat skräddarsys efter önskemål. Genom att sila bort grövre eller finare partiklar kan partikelstorleksfördelningen av agglomeratet skräddarsys ytterligare för att säkerställa bra flöde när det laddas in i formhåligheten.
Tillverkning av arbetsstycke
Karbidarbetsstycken kan formas med en mängd olika processmetoder. Beroende på storleken på arbetsstycket, graden av formkomplexitet och produktionssatsen, formas de flesta skär med styva topp- och bottentryckpressar. För att bibehålla konsistensen av arbetsstyckets vikt och storlek under varje pressning är det nödvändigt att säkerställa att mängden pulver (massa och volym) som strömmar in i hålrummet är exakt densamma. Pulvrets flytbarhet styrs huvudsakligen av storleksfördelningen av agglomeraten och egenskaperna hos det organiska bindemedlet. Gjutna arbetsstycken (eller "ämnen") formas genom att applicera ett gjuttryck på 10-80 ksi (kilo pund per kvadratfot) på pulvret som laddas i formhåligheten.
Även under extremt högt formtryck kommer de hårda volframkarbidpartiklarna inte att deformeras eller gå sönder, utan det organiska bindemedlet pressas in i mellanrummen mellan volframkarbidpartiklarna och fixerar därigenom partiklarnas position. Ju högre tryck, desto tätare bindning av volframkarbidpartiklarna och desto större packningsdensitet för arbetsstycket. Formningsegenskaperna för kvaliteter av hårdmetallpulver kan variera beroende på innehållet av metalliskt bindemedel, storleken och formen på volframkarbidpartiklarna, graden av agglomeration och sammansättningen och tillsatsen av organiskt bindemedel. För att tillhandahålla kvantitativ information om komprimeringsegenskaperna hos kvaliteter av hårdmetallpulver, är förhållandet mellan formdensitet och formtryck vanligtvis designat och konstruerat av pulvertillverkaren. Denna information säkerställer att pulvret som levereras är kompatibelt med verktygstillverkarens formningsprocess.
Stora hårdmetallarbetsstycken eller hårdmetallarbetsstycken med höga sidoförhållanden (såsom skaft för pinnfräsar och borrar) tillverkas vanligtvis av likformigt pressade kvaliteter av karbidpulver i en flexibel påse. Även om produktionscykeln för den balanserade pressmetoden är längre än den för formningsmetoden, är tillverkningskostnaden för verktyget lägre, så denna metod är mer lämplig för produktion av små satser.
Denna processmetod är att lägga pulvret i påsen och försegla påsens mynning och sedan lägga påsen full med pulver i en kammare och applicera ett tryck på 30-60 ksi genom en hydraulisk anordning för att pressa. Pressade arbetsstycken bearbetas ofta till specifika geometrier före sintring. Säckens storlek är förstorad för att rymma arbetsstyckets krympning under packning och för att ge tillräcklig marginal för slipoperationer. Eftersom arbetsstycket behöver bearbetas efter pressning är kraven på laddningens konsistens inte lika stränga som för formningsmetoden, men det är ändå önskvärt att se till att samma mängd pulver laddas i påsen varje gång. Om pulvrets laddningstäthet är för liten kan det leda till att det inte finns tillräckligt med pulver i påsen, vilket resulterar i att arbetsstycket blir för litet och måste skrotas. Om pulvrets laddningstäthet är för hög och pulvret som laddas i påsen är för mycket, måste arbetsstycket bearbetas för att ta bort mer pulver efter att det har pressats. Även om det överflödiga pulvret som tas bort och skrotade arbetsstycken kan återvinnas, minskar det produktiviteten.
Hårdmetallarbetsstycken kan också formas med hjälp av extruderingsformar eller insprutningsformar. Strängsprutningsprocessen är mer lämpad för massproduktion av arbetsstycken med axisymmetrisk form, medan formsprutningsprocessen vanligtvis används för massproduktion av arbetsstycken med komplex form. I båda formningsprocesserna suspenderas kvaliteter av hårdmetallpulver i ett organiskt bindemedel som ger en tandkrämsliknande konsistens till hårdmetallblandningen. Blandningen strängsprutas sedan antingen genom ett hål eller injiceras i en hålighet för att bildas. Egenskaperna för kvaliteten av hårdmetallpulver bestämmer det optimala förhållandet mellan pulver och bindemedel i blandningen och har ett viktigt inflytande på blandningens flytbarhet genom strängsprutningshålet eller insprutning i kaviteten.
Efter att arbetsstycket har formats genom formning, isostatisk pressning, extrudering eller formsprutning, måste det organiska bindemedlet avlägsnas från arbetsstycket innan det sista sintringssteget. Sintring tar bort porositeten från arbetsstycket, vilket gör det helt (eller väsentligen) 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 arbetsstyckets geometri densamma, men dimensionerna reduceras. För att erhålla den erforderliga storleken på arbetsstycket efter sintring måste krympningshastigheten beaktas när verktyget utformas. Kvaliteten av hårdmetallpulver som används för att tillverka varje verktyg måste vara utformad för att ha rätt krympning när den komprimeras under lämpligt tryck.
I nästan alla fall krävs eftersintringsbehandling av det sintrade arbetsstycket. Den mest grundläggande behandlingen av skärverktyg är att skärpa skäreggen. Många verktyg kräver slipning av sin geometri och dimensioner efter sintring. Vissa verktyg kräver topp- och bottenslipning; andra kräver periferisk slipning (med eller utan skärpning av skäreggen). Alla hårdmetallspån från slipning kan återvinnas.
Beläggning av arbetsstycke
I många fall måste det färdiga arbetsstycket beläggas. Beläggningen ger smörjförmåga och ökad hårdhet, samt en diffusionsbarriär mot underlaget, vilket förhindrar oxidation när den utsätts för höga temperaturer. Hårdmetallsubstratet är avgörande för beläggningens prestanda. Förutom att skräddarsy matrispulvrets huvudegenskaper kan ytegenskaperna hos matrisen även skräddarsys genom kemiskt urval och genom att ändra sintringsmetoden. Genom migreringen av kobolt kan mer kobolt anrikas i det yttersta lagret av bladytan inom tjockleken 20-30 μm i förhållande till resten av arbetsstycket, vilket ger underlagets yta bättre styrka och seghet, vilket gör det mer motståndskraftig mot deformation.
Baserat på sin egen tillverkningsprocess (såsom avvaxningsmetod, uppvärmningshastighet, sintringstid, temperatur och uppkolningsspänning) kan verktygstillverkaren ha vissa speciella krav på vilken kvalitet av hårdmetallpulver som används. Vissa verktygstillverkare kan sintra arbetsstycket i en vakuumugn, medan andra kan använda en varm isostatisk pressning (HIP) sintringsugn (som trycksätter arbetsstycket nära slutet av processcykeln för att ta bort eventuella rester) porer). Arbetsstycken som sintras i en vakuumugn kan också behöva varmpressas isostatiskt genom en ytterligare process för att öka arbetsstyckets densitet. Vissa verktygstillverkare kan använda högre vakuumsintringstemperaturer för att öka den sintrade densiteten hos blandningar med lägre kobolthalt, men detta tillvägagångssätt kan förgrova deras mikrostruktur. För att bibehålla en fin kornstorlek kan pulver med mindre partikelstorlek av volframkarbid väljas. För att matcha den specifika produktionsutrustningen har avvaxningsförhållandena och uppkolningsspänningen också olika krav på kolhalten i hårdmetallpulvret.
Betygsklassificering
Kombinationsförändringar av olika typer av volframkarbidpulver, blandningssammansättning och metallbindemedelsinnehåll, typ och mängd korntillväxthämmare etc. utgör en mängd olika hårdmetallkvaliteter. Dessa parametrar kommer att bestämma mikrostrukturen hos hårdmetallen och dess egenskaper. Vissa specifika kombinationer av egenskaper har blivit prioritet för vissa specifika bearbetningsapplikationer, vilket gör det meningsfullt att klassificera olika hårdmetallkvaliteter.
De två vanligaste klassificeringssystemen för hårdmetall för bearbetningstillämpningar är C-beteckningssystemet och ISO-beteckningssystemet. Även om inget av systemen helt återspeglar de materialegenskaper som påverkar valet av hårdmetallkvaliteter, utgör de en utgångspunkt för diskussion. För varje klassificering har många tillverkare sina egna specialkvaliteter, vilket resulterar i en mängd olika hårdmetallkvaliteter.
Karbidkvaliteter kan också klassificeras efter sammansättning. Volframkarbid (WC) kvaliteter kan delas in i tre grundläggande typer: enkel, mikrokristallin och legerad. Simplex-kvaliteter består främst av volframkarbid och koboltbindemedel, men kan även innehålla små mängder korntillväxthämmare. Den mikrokristallina kvaliteten består av volframkarbid och koboltbindemedel tillsatt med flera tusendelar vanadinkarbid (VC) och (eller) kromkarbid (Cr3C2), och dess kornstorlek kan nå 1 μm eller mindre. Legeringskvaliteter är sammansatta av volframkarbid och koboltbindemedel som innehåller några få procent titankarbid (TiC), tantalkarbid (TaC) och niobkarbid (NbC). Dessa tillsatser är också kända som kubiska karbider på grund av deras sintringsegenskaper. Den resulterande mikrostrukturen uppvisar en inhomogen trefasstruktur.
1) Enkla hårdmetallkvaliteter
Dessa kvaliteter för metallskärning innehåller vanligtvis 3 till 12 % kobolt (i vikt). Storleksintervallet för volframkarbidkorn är vanligtvis mellan 1-8 μm. Liksom med andra kvaliteter ökar en minskning av partikelstorleken hos volframkarbid dess hårdhet och tvärbrotthållfasthet (TRS), men minskar dess seghet. Hårdheten för den rena typen är vanligtvis mellan HRA89-93,5; den tvärgående brotthållfastheten är vanligtvis mellan 175-350 ksi. Pulver av dessa kvaliteter kan innehålla stora mängder återvunnet material.
De enkla typbetygen kan delas in i C1-C4 i C-betygssystemet, och kan klassificeras enligt K, N, S och H-betygsserierna i ISO-betygssystemet. Simplexsorter med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som generella sorter (som C2 eller K20) och kan användas för svarvning, fräsning, hyvling och borrning; kvaliteter med mindre kornstorlek eller lägre kobolthalt och högre hårdhet kan klassificeras som efterbehandlingskvaliteter (som C4 eller K01); sorter med större kornstorlek eller högre kobolthalt och bättre seghet kan klassificeras som grovbearbetningskvaliteter (som C1 eller K30).
Verktyg tillverkade i Simplex kvaliteter kan användas för bearbetning av gjutjärn, 200 och 300 serier av rostfritt stål, aluminium och andra icke-järnmetaller, superlegeringar och härdade stål. Dessa kvaliteter kan också användas i icke-metalliska skärapplikationer (t.ex. som berg- och geologiska borrverktyg), och dessa kvaliteter har ett kornstorleksområde på 1,5-10μm (eller större) och en kobolthalt på 6%-16%. En annan användning av enkla hårdmetallkvaliteter utan metall är vid tillverkning av stansar och stansar. Dessa kvaliteter har vanligtvis en medelstor kornstorlek med en kobolthalt på 16%-30%.
(2) Mikrokristallina hårdmetallkvaliteter
Sådana kvaliteter innehåller vanligtvis 6%-15% kobolt. Under sintring i vätskefas kan tillsatsen av vanadinkarbid och/eller kromkarbid kontrollera korntillväxten för att få en finkornig struktur med en partikelstorlek på mindre än 1 μm. Denna finkorniga kvalitet har mycket hög hårdhet och tvärgående brotthållfastheter över 500 ksi. Kombinationen av hög hållfasthet och tillräcklig seghet gör att dessa sorter kan använda en större positiv spånvinkel, vilket minskar skärkrafterna och ger tunnare spån genom att skära i stället för att trycka på metallmaterialet.
Genom strikt kvalitetsidentifiering av olika råmaterial vid tillverkning av kvaliteter av hårdmetallpulver, och strikt kontroll av sintringsprocessförhållandena för att förhindra bildandet av onormalt stora korn i materialets mikrostruktur, 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 råvaran och återvinningsprocessen och omfattande kvalitetstester.
De mikrokristallina kvaliteterna kan klassificeras enligt M-serien i ISO-kvalitetssystemet. Dessutom är andra klassificeringsmetoder i C-betygssystemet och ISO-betygssystemet desamma som de rena betygen. Mikrokristallina kvaliteter kan användas för att tillverka verktyg som skär mjukare material i arbetsstycket, eftersom verktygets yta kan bearbetas mycket slät och kan bibehålla en extremt skarp skäregg.
Mikrokristallina kvaliteter kan också användas för att bearbeta nickelbaserade superlegeringar, eftersom de tål skärtemperaturer på upp till 1200°C. För bearbetning av superlegeringar och andra specialmaterial kan användningen av verktyg av mikrokristallin kvalitet och verktyg av ren kvalitet som innehåller rutenium samtidigt förbättra deras slitstyrka, deformationsbeständighet och seghet. Mikrokristallina kvaliteter är också lämpliga för tillverkning av roterande verktyg såsom borrar som genererar skjuvspänning. Det finns en borr gjord av kompositkvaliteter av hårdmetall. I specifika delar av samma borr varierar kobolthalten i materialet, så att borrens hårdhet och seghet optimeras efter bearbetningsbehov.
(3) Hårdmetallkvaliteter av legeringstyp
Dessa kvaliteter används huvudsakligen för att skära ståldelar, och deras kobolthalt är vanligtvis 5%-10%, och kornstorleken varierar från 0,8-2μm. Genom att tillsätta 4%-25% titaniumkarbid (TiC), kan tendensen hos volframkarbid (WC) att diffundera till ytan av stålspånen minskas. Verktygshållfasthet, kraternötningsbeständighet och termisk chockbeständighet kan förbättras genom att lägga till upp till 25 % tantalkarbid (TaC) och niobkarbid (NbC). Tillsatsen av sådana kubiska karbider ökar också verktygets röda hårdhet, vilket hjälper till att undvika termisk deformation av verktyget vid tung skärning eller andra operationer där skäreggen kommer att generera höga temperaturer. Dessutom kan titankarbid tillhandahålla kärnbildningsställen under sintring, vilket förbättrar enhetligheten av kubisk karbidfördelning i arbetsstycket.
Generellt sett är hårdhetsintervallet för hårdmetallkvaliteter av legeringstyp HRA91-94, och den tvärgående brotthållfastheten är 150-300 ksi. Jämfört med rena kvaliteter har legeringskvaliteter dålig slitstyrka och lägre hållfasthet, men har bättre motståndskraft mot adhesivt slitage. Legeringskvaliteter kan delas in i C5-C8 i C-kvalitetssystemet och kan klassificeras enligt P- och M-kvalitetsserierna i ISO-kvalitetssystemet. Legeringskvaliteter med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som generella kvaliteter (som C6 eller P30) och kan användas för svarvning, gängning, hyvling och fräsning. De hårdaste sorterna kan klassificeras som finbearbetningssorter (som C8 och P01) för finsvarvning och borrning. Dessa kvaliteter har vanligtvis mindre kornstorlekar och lägre kobolthalt för att erhålla den erforderliga hårdheten och slitstyrkan. Liknande materialegenskaper kan dock erhållas genom att tillsätta fler kubiska karbider. Sorter med högsta seghet kan klassificeras som grovbearbetningssorter (t.ex. C5 eller P50). Dessa kvaliteter har typiskt medelstor kornstorlek och hög kobolthalt, med låga tillsatser av kubiska karbider för att uppnå önskad seghet genom att hämma spricktillväxt. Vid avbrutna svarvningsoperationer kan skärprestandan förbättras ytterligare genom att använda de ovan nämnda koboltrika sorterna med högre kobolthalt på verktygsytan.
Legeringskvaliteter med lägre titankarbidhalt används för bearbetning av rostfritt stål och smidbart järn, men kan också användas för bearbetning av icke-järnmetaller såsom nickelbaserade superlegeringar. Kornstorleken för dessa kvaliteter är vanligtvis mindre än 1 μm, och kobolthalten är 8%-12%. Hårdare kvaliteter, såsom M10, kan användas för svarvning av smidbart järn; tuffare kvaliteter, som M40, kan användas för fräsning och hyvling av stål, eller för svarvning av rostfritt stål eller superlegeringar.
Hårdmetallkvaliteter av legeringstyp kan också användas för skärande ändamål som inte är av metall, främst för tillverkning av slitstarka delar. Partikelstorleken för dessa kvaliteter är vanligtvis 1,2-2 μm, och kobolthalten är 7%-10%. Vid tillverkning av dessa kvaliteter tillsätts vanligtvis en hög andel återvunnet råmaterial, vilket resulterar i en hög kostnadseffektivitet vid användning av slitdelar. Slitdelar kräver god korrosionsbeständighet och hög hårdhet, vilket kan erhållas genom att tillsätta nickel och kromkarbid vid framställning av dessa kvaliteter.
För att möta de tekniska och ekonomiska kraven från verktygstillverkare är hårdmetallpulver nyckelelementet. Pulver designade för verktygstillverkarnas bearbetningsutrustning och processparametrar säkerställer det färdiga arbetsstyckets prestanda och har resulterat i hundratals hårdmetallkvaliteter. Den återvinningsbara karaktären hos hårdmetallmaterial och förmågan att arbeta direkt med pulverleverantörer gör det möjligt för verktygstillverkare att effektivt kontrollera sin produktkvalitet och materialkostnader.
Posttid: 18-10-2022
