Hårdmetall är den mest använda klassen av verktygsmaterial för höghastighetsbearbetning (HSM), vilka produceras genom pulvermetallurgiprocesser och består av hårda hårdmetallpartiklar (vanligtvis volframkarbid WC) och en mjukare metallbindningskomposition. För närvarande finns det hundratals WC-baserade hårdmetaller med olika sammansättningar, varav de flesta använder kobolt (Co) som bindemedel, nickel (Ni) och krom (Cr) är också vanliga bindemedelselement, och andra legeringselement kan också tillsättas. 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 egenskaper som gör hårdmetall till ett idealiskt verktygsmaterial.
hårdhet och seghet
WC-Co hårdmetall har unika fördelar både vad gäller hårdhet och seghet. Volframkarbid (WC) är i sig mycket hård (mer än korund eller aluminiumoxid), och dess hårdhet minskar sällan när driftstemperaturen ökar. Den saknar dock tillräcklig seghet, en viktig egenskap för skärverktyg. För att dra nytta av volframkarbidens höga hårdhet och förbättra dess seghet använder man metallbindningar för att binda samman volframkarbid, så att detta material har en hårdhet som vida överstiger snabbståls, samtidigt som det kan motstå de flesta skäroperationer. Dessutom kan det motstå de höga skärtemperaturer som orsakas av höghastighetsbearbetning.
Idag är nästan alla WC-Co-knivar och skär belagda, så basmaterialets roll verkar mindre viktig. Men i själva verket är det WC-Co-materialets höga elasticitetsmodul (ett mått på styvhet, som är ungefär tre gånger så hög som för snabbstål vid rumstemperatur) som ger det icke-deformerbara substratet 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 tillverkning av hårdmetallpulver. Därför beror verktygets prestanda för en specifik bearbetning i hög grad på den initiala fräsprocessen.
Fräsningsprocess
Volframkarbidpulver erhålls genom karburering av volframpulver (W). Egenskaperna hos volframkarbidpulvret (särskilt dess partikelstorlek) beror huvudsakligen på partikelstorleken hos råmaterialet volframpulver samt temperaturen och tiden för karbureringen. Kemisk kontroll är också avgörande, och kolhalten måste hållas konstant (nära det stökiometriska värdet på 6,13 viktprocent). En liten mängd vanadin och/eller krom kan tillsättas före karbureringsbehandlingen för att kontrollera pulverpartikelstorleken genom efterföljande processer. Olika nedströms processförhållanden och olika slutbehandlingsanvändningar kräver en specifik kombination av volframkarbidpartikelstorlek, kolhalt, vanadinhalt och kromhalt, genom vilken en mängd olika volframkarbidpulver kan produceras. Till exempel producerar ATI Alldyne, en tillverkare av volframkarbidpulver, 23 standardkvaliteter av volframkarbidpulver, och varianterna av volframkarbidpulver som anpassas efter användarkrav kan nå mer än 5 gånger så många som 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 om man behöver förbättra verktygets korrosionsbeständighet är det nödvändigt att tillsätta nickel och krom. Dessutom kan metallbindningen förbättras ytterligare genom att tillsätta andra legeringskomponenter. Till exempel kan tillsats av rutenium till WC-Co hårdmetall avsevärt förbättra dess seghet utan att minska dess hårdhet. Att öka innehållet av bindemedel kan också förbättra hårdmetallens seghet, men det kommer att minska dess hårdhet.
Att minska storleken på volframkarbidpartiklarna kan öka materialets hårdhet, men partikelstorleken på volframkarbiden måste förbli densamma under sintringsprocessen. Under sintring kombineras volframkarbidpartiklarna och växer genom en process av upplösning och återutfällning. I själva sintringsprocessen blir metallbindningen flytande (kallas flytande fassintring) för att bilda ett helt tätt material. 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 karburiseras.
Volframkarbidpulver kan också produceras med hjälp av återvunnet avfall från hårdmetall. Återvinning och återanvändning av skrotkarbid har en lång historia inom hårdmetallindustrin och är en viktig del av hela industrins ekonomiska kedja, vilket bidrar till att minska materialkostnader, spara naturresurser och undvika avfallsmaterial. Skadligt omhändertagande. Skrotkarbid kan generellt återanvändas genom APT-processen (ammoniumparavolframat), zinkaåtervinningsprocess eller genom krossning. Dessa "återvunna" volframkarbidpulver har generellt bättre och förutsägbar förtätning eftersom de har en mindre ytarea än volframkarbidpulver som tillverkas direkt genom volframkarbureringsprocessen.
Processförhållandena vid blandad malning av volframkarbidpulver och metallbindemedel är också avgörande processparametrar. De två vanligaste malningsteknikerna är kulmalning och mikromalning. Båda processerna möjliggör jämn blandning av malda pulver och minskad partikelstorlek. För att det senare pressade arbetsstycket ska ha tillräcklig styrka, bibehålla arbetsstyckets form och göra det möjligt för operatören eller manipulatorn att plocka upp arbetsstycket för drift är det vanligtvis nödvändigt att tillsätta ett organiskt bindemedel under slipningen. Den kemiska sammansättningen av detta bindemedel kan påverka det pressade arbetsstyckets densitet och styrka. För att underlätta hanteringen är det lämpligt att tillsätta höghållfasta bindemedel, men detta resulterar i en lägre komprimeringsdensitet och kan producera klumpar som kan orsaka defekter i slutprodukten.
Efter malning spraytorkas pulvret vanligtvis för att producera fritt flytande agglomerat som hålls samman av organiska bindemedel. Genom att justera sammansättningen av det organiska bindemedlet kan flytbarheten och laddningsdensiteten hos dessa agglomerat skräddarsys efter önskemål. Genom att sålla bort grövre eller finare partiklar kan partikelstorleksfördelningen hos agglomeratet ytterligare skräddarsys för att säkerställa gott flöde vid inmatning i formhåligheten.
Tillverkning av arbetsstycke
Arbetsstycken av hårdmetall kan formas med en mängd olika processmetoder. Beroende på arbetsstyckets storlek, formens komplexitet och produktionspartiet formas de flesta skärinsatser med hjälp av styva formar för topp- och bottentryck. För att bibehålla arbetsstyckets vikt och storlek i samma ordning under varje pressning är det nödvändigt att säkerställa att mängden pulver (massa och volym) som flödar in i hålrummet är exakt densamma. Pulvrets flytbarhet styrs huvudsakligen av agglomeratens storleksfördelning och det organiska bindemedlets egenskaper. Formgjutna arbetsstycken (eller "ämnen") formas genom att applicera ett formtryck på 10-80 ksi (kilo-pund per kvadratfot) på pulvret som laddas i formhålrummet.
Även under extremt högt gjuttryck kommer de hårda volframkarbidpartiklarna inte att deformeras eller gå sönder, utan det organiska bindemedlet pressas in i mellanrummen mellan volframkarbidpartiklarna, vilket fixerar partiklarnas position. Ju högre tryck, desto tätare bindning mellan volframkarbidpartiklarna och desto större blir arbetsstyckets komprimeringsdensitet. Gjutegenskaperna hos hårdmetallpulver kan variera beroende på innehållet av metalliskt bindemedel, storleken och formen på volframkarbidpartiklarna, agglomereringsgraden samt sammansättningen och tillsatsen av organiskt bindemedel. För att ge kvantitativ information om komprimeringsegenskaperna hos hårdmetallpulver utformas och konstrueras vanligtvis förhållandet mellan gjutdensitet och gjuttryck av pulvertillverkaren. Denna information säkerställer att det levererade pulvret är kompatibelt med verktygstillverkarens gjutprocess.
Stora hårdmetallarbetsstycken eller hårdmetallarbetsstycken med höga sidförhållanden (såsom skaft för pinnfräsar och borrar) tillverkas vanligtvis av jämnt pressade kvaliteter av hårdmetallpulver i en flexibel påse. Även om produktionscykeln för den balanserade pressmetoden är längre än för gjutningsmetoden, är tillverkningskostnaden för verktyget lägre, så denna metod är mer lämplig för produktion i små serier.
Denna processmetod går ut på att lägga pulvret i påsen, försegla påsens mynning och sedan placera påsen full med pulver i en kammare. Ett tryck på 30-60 ksi appliceras genom en hydraulisk anordning för att pressa. Pressade arbetsstycken bearbetas ofta till specifika geometrier före sintring. Säckens storlek förstoras för att rymma arbetsstyckets krympning under komprimering och för att ge tillräcklig marginal för slipning. Eftersom arbetsstycket behöver bearbetas efter pressning är kraven på laddningskonsistens inte lika strikta som för gjutningsmetoden, men det är fortfarande önskvärt att säkerställa att samma mängd pulver laddas i påsen varje gång. Om pulvrets laddningstäthet är för liten kan det leda till otillräckligt 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 överskott av pulver som avlägsnas och de skrotade arbetsstyckena kan återvinnas, minskar detta produktiviteten.
Hårdmetallarbetsstycken kan också formas med hjälp av extruderings- eller formsprutningsformar. Extruderingsprocessen är mer lämplig för massproduktion av arbetsstycken med axelsymmetrisk form, medan formsprutningsprocessen vanligtvis används för massproduktion av arbetsstycken med komplex form. I båda formsprutningsprocesserna suspenderas hårdmetallpulverkvaliteter i ett organiskt bindemedel som ger hårdmetallblandningen en tandkrämsliknande konsistens. Blandningen extruderas sedan antingen genom ett hål eller injiceras i en kavitet för att bilda den. Egenskaperna hos hårdmetallpulverkvaliteten bestämmer det optimala förhållandet mellan pulver och bindemedel i blandningen och har en viktig inverkan på blandningens flytbarhet genom extruderingshålet eller injiceringen i kaviteten.
Efter att arbetsstycket har formats genom gjutning, isostatisk pressning, extrudering eller formsprutning, måste det organiska bindemedlet avlägsnas från arbetsstycket före det slutliga sintringssteget. Sintring avlägsnar porositet från arbetsstycket, vilket gör det helt (eller väsentligen) tätt. Under sintringen 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 minskas. För att erhålla den erforderliga arbetsstyckets storlek efter sintring måste krympningshastigheten beaktas vid konstruktionen av verktyget. Den kvalitet av hårdmetallpulver som används för att tillverka varje verktyg måste vara konstruerad för att ha korrekt krympning vid komprimering under lämpligt tryck.
I nästan alla fall krävs efterbehandling av det sintrade arbetsstycket. Den mest grundläggande behandlingen av skärverktyg är att slipa skäreggen. Många verktyg kräver slipning av deras geometri och dimensioner efter sintring. Vissa verktyg kräver topp- och bottenslipning; andra kräver periferislipning (med eller utan slipning av skäreggen). Alla hårdmetallspånor från slipning kan återvinnas.
Beläggning av arbetsstycket
I många fall behöver det färdiga arbetsstycket beläggas. Beläggningen ger smörjförmåga och ökad hårdhet, samt en diffusionsbarriär för substratet, vilket förhindrar oxidation vid exponering för höga temperaturer. Hårdmetallsubstratet är avgörande för beläggningens prestanda. Förutom att skräddarsy matrispulvrets huvudegenskaper kan matrisens ytegenskaper också anpassas genom kemiskt urval och ändra sintringsmetoden. Genom migrering av kobolt kan mer kobolt anrikas i det yttersta lagret av bladytan inom en tjocklek på 20-30 μm i förhållande till resten av arbetsstycket, vilket ger substratytan bättre styrka och seghet, vilket gör den mer motståndskraftig mot deformation.
Baserat på sin egen tillverkningsprocess (såsom avvaxningsmetod, uppvärmningshastighet, sintringstid, temperatur och karbureringsspänning) kan verktygstillverkaren ha vissa speciella krav på vilken kvalitet hårdmetallpulver som används. Vissa verktygstillverkare kan sintra arbetsstycket i en vakuumugn, medan andra kan använda en varm isostatisk pressningsugn (HIP) (som trycksätter arbetsstycket nära slutet av processcykeln för att avlägsna eventuella rester från porer). Arbetsstycken som sintras i en vakuumugn kan också behöva varm isostatiskt pressas genom en ytterligare process för att öka arbetsstyckets densitet. Vissa verktygstillverkare kan använda högre vakuumsintringstemperaturer för att öka sintringsdensiteten hos blandningar med lägre kobolthalt, men denna metod 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 karbureringsspänningen också olika krav på kolhalten i hårdmetallpulvret.
Klassificering
Kombinationsförändringar av olika typer av volframkarbidpulver, blandningens sammansättning och innehåll av metallbindemedel, typ och mängd korntillväxthämmare etc. utgör en mängd olika hårdmetallkvaliteter. Dessa parametrar kommer att bestämma hårdmetallens mikrostruktur och dess egenskaper. Vissa specifika kombinationer av egenskaper har blivit prioriterade för vissa specifika bearbetningstillämpningar, vilket gör det meningsfullt att klassificera olika hårdmetallkvaliteter.
De två vanligaste hårdmetallklassificeringssystemen för bearbetning är C-beteckningssystemet och ISO-beteckningssystemet. Även om inget av systemen helt återspeglar de materialegenskaper som påverkar valet av hårdmetallsorter, ger de en utgångspunkt för diskussion. För varje klassificering har många tillverkare sina egna specialsorter, vilket resulterar i en mängd olika hårdmetallsorter.
Karbidkvaliteter kan också klassificeras efter sammansättning. Volframkarbid (WC) kan delas in i tre grundtyper: enkla, mikrokristallina och legerade. Simplexkvaliteter består huvudsakligen av volframkarbid och koboltbindemedel, men kan också innehålla små mängder korntillväxthämmare. Den mikrokristallina kvaliteten består av volframkarbid och koboltbindemedel tillsatt med flera tusendels vanadinkarbid (VC) och (eller) kromkarbid (Cr3C2), och dess kornstorlek kan nå 1 μm eller mindre. Legeringskvaliteter består av volframkarbid och koboltbindemedel innehållande några 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 hårdmetallsorter
Dessa kvaliteter för metallbearbetning innehåller vanligtvis 3–12 viktprocent kobolt. Storleksintervallet för volframkarbidkorn ligger vanligtvis mellan 1–8 μm. Precis som med andra kvaliteter ökar partikelstorleken hos volframkarbid dess hårdhet och tvärgående brotthållfasthet (TRS), men minskar dess seghet. Hårdheten för den rena typen ligger vanligtvis mellan HRA89–93,5; den tvärgående brotthållfastheten ligger vanligtvis mellan 175–350 ksi. Pulver av dessa kvaliteter kan innehålla stora mängder återvunnet material.
De enkla typerna kan delas in i C1-C4 i C-sortssystemet och kan klassificeras enligt sortserierna K, N, S och H i ISO-sortssystemet. Simplexsorter med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som universalsorter (som C2 eller K20) och kan användas för svarvning, fräsning, hyvling och arborrning; sorter med mindre kornstorlek eller lägre kobolthalt och högre hårdhet kan klassificeras som finbearbetningssorter (som C4 eller K01); sorter med större kornstorlek eller högre kobolthalt och bättre seghet kan klassificeras som grovbearbetningssorter (som C1 eller K30).
Verktyg tillverkade i Simplex-kvaliteter kan användas för bearbetning av gjutjärn, rostfritt stål i 200- och 300-serien, aluminium och andra icke-järnmetaller, superlegeringar och härdade stål. Dessa kvaliteter kan också användas i icke-metallskärande applikationer (t.ex. som berg- och geologiska borrverktyg), och dessa kvaliteter har en kornstorlek på 1,5-10 μm (eller större) och en kobolthalt på 6%-16%. En annan användning av enkla hårdmetallkvaliteter för icke-metallskärande bearbetning är vid tillverkning av formar och stansar. Dessa kvaliteter har vanligtvis en medelstor kornstorlek med en kobolthalt på 16%-30%.
(2) Mikrokristallina hårdmetallsorter
Sådana kvaliteter innehåller vanligtvis 6–15 % kobolt. Under flytande sintring kan tillsats av vanadinkarbid och/eller kromkarbid kontrollera korntillväxten för att erhålla en finkornig struktur med en partikelstorlek på mindre än 1 μm. Denna finkorniga kvalitet har mycket hög hårdhet och tvärgående brotthållfasthet över 500 ksi. Kombinationen av hög hållfasthet och tillräcklig seghet gör att dessa kvaliteter kan använda en större positiv spånvinkel, vilket minskar skärkrafterna och producerar tunnare spånor genom att skära snarare än att trycka på metallmaterialet.
Genom strikt kvalitetsidentifiering av olika råmaterial vid produktion av hårdmetallpulverkvaliteter, 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 pulver endast användas om det finns full kontroll över råmaterialet och återvinningsprocessen, samt omfattande kvalitetstestning.
De mikrokristallina kvaliteterna kan klassificeras enligt M-kvalitetsserien i ISO-kvalitetssystemet. Dessutom är andra klassificeringsmetoder i C-kvalitetssystemet och ISO-kvalitetssystemet desamma som de rena kvaliteterna. Mikrokristallina kvaliteter kan användas för att tillverka verktyg som skär mjukare arbetsstycken, eftersom verktygets yta kan bearbetas mycket slät och bibehålla en extremt vass skäregg.
Mikrokristallina kvaliteter kan också användas för att bearbeta nickelbaserade superlegeringar, eftersom de tål skärtemperaturer upp till 1200 °C. För bearbetning av superlegeringar och andra specialmaterial kan användningen av mikrokristallina verktyg och rena verktyg som innehåller rutenium samtidigt förbättra deras slitstyrka, deformationsmotstånd och seghet. Mikrokristallina kvaliteter är också lämpliga för tillverkning av roterande verktyg såsom borrar som genererar skjuvspänning. Det finns en borr tillverkad av kompositkvaliteter av hårdmetall. I specifika delar av samma borr varierar kobolthalten i materialet, så att borrens hårdhet och seghet optimeras efter bearbetningsbehov.
(3) Hårdmetall 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% titankarbid (TiC) kan volframkarbidens (WC) tendens att diffundera till ytan av stålspånorna minskas. Verktygshållfasthet, motståndskraft mot kraterslitage och termisk chockmotståndskraft kan förbättras genom att tillsätta 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 genererar höga temperaturer. Dessutom kan titankarbid tillhandahålla kärnbildningsplatser under sintring, vilket förbättrar jämnheten i kubisk karbidfördelning i arbetsstycket.
Generellt sett är hårdhetsintervallet för hårdmetallsorter av legeringstyp HRA91-94, och den tvärgående brotthållfastheten är 150-300 ksi. Jämfört med rena sorter har legeringssorter dålig slitstyrka och lägre hållfasthet, men har bättre motståndskraft mot adhesivt slitage. Legeringssorter kan delas in i C5-C8 i C-sortssystemet och kan klassificeras enligt P- och M-sortsserien i ISO-sortssystemet. Legeringssorter med mellanliggande egenskaper kan klassificeras som allmänna sorter (t.ex. C6 eller P30) och kan användas för svarvning, gängning, hyvling och fräsning. De hårdaste sorterna kan klassificeras som finbearbetningssorter (t.ex. C8 och P01) för finsvarvning och borrning. Dessa sorter har vanligtvis mindre kornstorlekar och lägre kobolthalt för att uppnå den erforderliga hårdheten och slitstyrkan. Liknande materialegenskaper kan dock erhållas genom att tillsätta mer kubisk karbid. Sorter med högsta seghet kan klassificeras som grovbearbetningssorter (t.ex. C5 eller P50). Dessa sorter har vanligtvis en medelstor kornstorlek och hög kobolthalt, med låga tillsatser av kubiska karbider för att uppnå önskad seghet genom att hämma spricktillväxt. Vid avbrutna svarvoperationer 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 aducerat järn, men kan även 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 aducerat järn; segare kvaliteter, såsom M40, kan användas för fräsning och hyvling av stål, eller för svarvning av rostfritt stål eller superlegeringar.
Hårdmetall av legeringstyp kan också användas för icke-metallisk skärning, 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 hög kostnadseffektivitet i slitdelstillämpningar. Slitdelar kräver god korrosionsbeständighet och hög hårdhet, vilket kan erhållas genom att tillsätta nickel- och kromkarbid vid tillverkning av dessa kvaliteter.
För att möta verktygstillverkares tekniska och ekonomiska krav är hårdmetallpulver det viktigaste elementet. Pulver som är utformade för verktygstillverkares bearbetningsutrustning och processparametrar säkerställer det färdiga arbetsstyckets prestanda och har resulterat i hundratals hårdmetallsorter. Hårdmetallmaterialens återvinningsbara natur och möjligheten att arbeta direkt med pulverleverantörer gör det möjligt för verktygstillverkare att effektivt kontrollera sin produktkvalitet och sina materialkostnader.
Publiceringstid: 18 oktober 2022
