Почему карбид вольфрама идеальный инструментальный материал?

Почему карбид вольфрама идеальный инструментальный материал?

Карбид вольфрама является наиболее широко используемым типом инструментального материала для высокоскоростной обработки (HSM), производимого методом порошковой металлургии, состоящего из частиц твердого карбида (обычно карбида вольфрама WC) и более мягкой металлической связки. сочинение. В настоящее время существуют сотни карбидов вольфрама на основе WC с различным составом, в большинстве из которых в качестве связующего используется кобальт (Co). Никель (Ni) и хром (Cr) также являются обычно используемыми связующими элементами, и могут быть добавлены другие добавки. Некоторые легирующие элементы.

Почему существует так много марок карбида? Как производители инструментов выбирают правильный инструментальный материал для конкретного процесса резания? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте сначала разберемся в различных свойствах, которые делают карбид вольфрама идеальным материалом для инструментов.  

Что такое карбид вольфрама? - единство твердости и прочности

 Карбид вольфрама WC-Co обладает уникальным преимуществом как в твердости, так и в прочности. Карбид вольфрама (WC) сам по себе имеет очень высокую твердость (по сравнению с корундом или глиноземом), и его твердость редко снижается при повышении рабочей температуры. Однако ему не хватает прочности, что является важным свойством режущих инструментов. Чтобы воспользоваться преимуществами высокой твердости карбида вольфрама и повысить его ударную вязкость, для связывания карбида вольфрама используются металлические связующие, чтобы материал имел твердость, намного превышающую твердость быстрорежущей стали, и при этом был способен выдерживать большинство процессов резания. Сила резания. Кроме того, он может выдерживать высокие температуры резания, возникающие при высокоскоростной обработке.

    Сегодня почти все инструменты и вставки из WC-Co имеют покрытие, поэтому роль матричного материала кажется менее важной. Но на самом деле именно высокий модуль упругости материала WC-Co (показатель жесткости, модуль WC-Co при комнатной температуре примерно в три раза выше, чем у быстрорежущей стали) обеспечивает недеформируемую подложку для покрытие. Матрица WC-Co также обеспечивает необходимую прочность. Эти свойства являются основными свойствами материалов WC-Co, но их также можно адаптировать к составу и микроструктуре материала при производстве порошков карбида вольфрама. Таким образом, пригодность инструмента для конкретного процесса в значительной степени зависит от начального процесса фрезерования.    

Каков процесс фрезерования карбида вольфрама?

    Порошок карбида вольфрама получают науглероживанием порошка вольфрама (W). Свойства порошка карбида вольфрама, особенно размер его частиц, зависят в первую очередь от размера частиц исходного порошка вольфрама, а также от температуры и времени науглероживания. Химический контроль также имеет решающее значение, и содержание углерода должно поддерживаться постоянным (близким к теоретическому соотношению 6,13% по весу). Чтобы контролировать размер частиц в последующем процессе, перед обработкой науглероживанием можно добавить небольшое количество ванадия и/или хрома. Различные последующие технологические условия и различные виды окончательной обработки требуют сочетания определенного размера частиц карбида вольфрама, содержания углерода, содержания ванадия и содержания хрома, и вариации этих комбинаций могут привести к получению множества различных порошков карбида вольфрама.

    Когда порошок карбида вольфрама смешивают и измельчают с металлической связкой для получения определенного сорта порошка карбида вольфрама, можно использовать различные комбинации. Наиболее часто используемое содержание кобальта составляет от 3% до 25% по весу, а никель и хром необходимы для повышения коррозионной стойкости инструмента. Кроме того, металлическая связь может быть дополнительно улучшена за счет добавления других компонентов сплава. Например, добавление ниобия к карбиду вольфрама WC-Co может значительно улучшить ударную вязкость без снижения его твердости. Увеличение количества связующего также может увеличить ударную вязкость карбида вольфрама, но снизит его твердость.

    Уменьшение размера частиц карбида вольфрама может повысить твердость материала, но в процессе спекания размер частиц карбида вольфрама должен оставаться неизменным. Во время спекания частицы карбида вольфрама объединяются и растут в процессе растворения и повторного осаждения. В самом процессе спекания, чтобы сформировать полностью плотный материал, металлическая связка переходит в жидкое состояние (так называемое спекание в жидкой фазе). Скорость роста частиц карбида вольфрама можно контролировать, добавляя другие карбиды переходных металлов, включая карбид ванадия (VC), карбид хрома (Cr3C2), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC) и карбид ниобия (NbC). Эти карбиды металлов обычно добавляют во время смешивания и измельчения порошка карбида вольфрама вместе с металлическим связующим, хотя карбид ванадия и карбид хрома также могут образовываться при науглероживании порошка карбида вольфрама.

    Марки порошка карбида вольфрама также могут быть получены из переработанных твердых карбидных материалов. Переработка и повторное использование использованного карбида вольфрама имеет долгую историю в производстве карбида вольфрама и является важной частью всей экономической цепочки отрасли, помогая снизить материальные затраты, сохранить природные ресурсы и избежать отходов. Вредная утилизация. Отработанный карбид вольфрама, как правило, можно повторно использовать в процессе APT (паравольфрамата аммония), в процессе извлечения цинка или путем измельчения. Эти «переработанные» порошки карбида вольфрама обычно имеют лучшее предсказуемое уплотнение, поскольку их площадь поверхности меньше, чем у порошка карбида вольфрама, полученного непосредственно в процессе науглероживания вольфрама.

    Условия обработки для смешивания порошка карбида вольфрама с металлической связкой также являются критическими параметрами процесса. Двумя наиболее распространенными методами измельчения являются шаровое измельчение и сверхтонкое измельчение. Оба процесса позволяют равномерно перемешать измельченный порошок и уменьшить размер частиц. Для того, чтобы заготовка имела достаточную прочность для сохранения формы заготовки и позволяла оператору или роботу поднимать заготовку для работы, обычно во время фрезерования необходимо добавлять органическое связующее. Химический состав такого связующего может влиять на плотность и прочность прессуемой заготовки. Для облегчения операции предпочтительно добавлять высокопрочное связующее, но это приводит к меньшей плотности прессования и может вызвать твердый блок, что приведет к дефектам конечного продукта.

    После завершения измельчения порошок обычно сушат распылением для получения сыпучей массы, агломерированной органическим связующим. Регулируя состав органического связующего, текучесть и плотность заряда этих агломератов могут быть адаптированы к потребностям. Отсеивая более крупные или более мелкие частицы, можно дополнительно настроить распределение частиц агломератов по размерам для обеспечения хорошей текучести при загрузке в полость формы.

Каков метод изготовления заготовок из карбида вольфрама?

   Заготовки из карбида могут быть получены различными способами. В зависимости от размера заготовки, уровня сложности формы и размера производственной партии большинство режущих вставок отливаются с использованием жесткой пресс-формы с верхним и нижним давлением. Для сохранения постоянства массы и размеров заготовки при каждом прессовании необходимо следить за тем, чтобы количество порошка (массовое и объемное), поступающего в полость, было точно одинаковым. Текучесть порошка в основном контролируется распределением размеров агломератов и характеристиками органического связующего. Формованная заготовка (или «заготовка») может быть сформирована путем приложения давления формования 10-80 ksi (килофунтов на квадратный фут) к порошку, загруженному в полость.

    Даже при чрезвычайно высоких давлениях формования твердые частицы карбида вольфрама не деформируются и не ломаются, а органическое связующее вдавливается в зазор между частицами карбида вольфрама, тем самым фиксируя положение частиц. Чем выше давление, тем плотнее соединение частиц карбида вольфрама и тем выше плотность уплотнения заготовки. Формовочные свойства гранулированного порошка карбида вольфрама могут варьироваться в зависимости от количества металлического связующего, размера и формы частиц карбида вольфрама, степени образования агломератов, а также состава и количества органического связующего. Для предоставления количественной информации о характеристиках прессования марки порошка карбида вольфрама производитель порошка обычно проектирует соответствие между плотностью формования и давлением формования. Эта информация гарантирует, что поставляемый порошок соответствует процессу формования производителя инструментов.

    Крупногабаритные твердосплавные заготовки или твердосплавные заготовки с высоким соотношением сторон (например, концевые фрезы и хвостовики сверл) обычно изготавливают путем равномерного прессования порошка карбида вольфрама в гибком мешке. Хотя производственный цикл метода выравнивающего прессования длиннее, чем метод формования, стоимость изготовления инструмента ниже, поэтому этот метод больше подходит для мелкосерийного производства.

    Этот процесс включает загрузку порошка в мешок и герметизацию горловины мешка, затем помещение мешка, наполненного порошком, в камеру и приложение давления 30-60 фунтов на квадратный дюйм с помощью гидравлического устройства для прессования. Прессованные заготовки обычно обрабатываются до определенной геометрии перед спеканием. Размер мешка увеличен, чтобы компенсировать усадку заготовки в процессе уплотнения и обеспечить достаточный припуск для процесса шлифования. Так как заготовка обрабатывается после штамповки, то требования к консистенции шихты не такие строгие, как к методу формования, но все же желательно следить за тем, чтобы количество порошка на шихту было одинаковым. Если плотность загрузки порошка слишком мала, порошка, загруженного в мешок, может быть недостаточно, что приводит к небольшому размеру заготовки и необходимости ее утилизации. Если плотность загрузки порошка слишком велика, порошка, загруженного в мешок, слишком много, и заготовку необходимо обработать, чтобы удалить больше порошка после штамповки. Хотя излишки порошка и бракованные детали могут быть переработаны, это снизит производительность.

    Заготовки из карбида также могут быть изготовлены методом экструзии или литья под давлением. Процесс экструзии больше подходит для массового производства заготовок осесимметричной формы, в то время как процесс литья под давлением обычно используется для массового производства заготовок сложной формы. В обоих процессах формования порошок карбида вольфрама суспендируется в органическом связующем, что придает однородность смеси карбида вольфрама, подобно зубной пасте. Затем смесь либо выдавливается через отверстие, либо формуется в полости формы. Характеристики марки порошка карбида вольфрама определяют оптимальное соотношение порошка и связующего в смеси и оказывают существенное влияние на течение смеси через экструзионное отверстие или в полость формы.

    После того, как заготовка сформирована формованием, выравнивающим прессованием, экструзией или литьем под давлением, органическое связующее необходимо удалить из заготовки перед заключительной стадией спекания. Спекание удаляет поры в заготовке, делая ее полностью (или существенно) плотной. Во время спекания металлическая связь в штампованной заготовке становится жидкой, но заготовка все еще может сохранять свою форму под действием комбинированного действия капиллярной силы и контакта частиц.

    После спекания геометрия заготовки остается прежней, но размеры уменьшаются. Чтобы получить требуемый размер заготовки после спекания, при проектировании инструмента необходимо учитывать скорость усадки. При разработке марки порошка карбида вольфрама, используемого для изготовления каждого инструмента, необходимо обеспечить правильную усадку при прессовании под соответствующим давлением.

    Почти во всех случаях спеченная заготовка, которую также называют карбидная заготовка необходимо последующее спекание. Самая основная обработка режущих инструментов — это заточка режущей кромки. Многие инструменты требуют шлифовки и геометрии их геометрии после спекания. Некоторые инструменты требуют шлифовки верха и низа; другие требуют периферийного шлифования (с заточкой режущей кромки или без нее). Весь карбидный износ от шлифования может быть переработан.

Как подготовить покрытие заготовки из карбида вольфрама?

    Во многих случаях готовая деталь должна быть покрыта. Покрытие обеспечивает смазывающую способность и повышенную твердость, а также обеспечивает диффузионный барьер для подложки, предотвращающий окисление при воздействии высоких температур. Матрица из карбида вольфрама имеет решающее значение для характеристик покрытия. В дополнение к основным характеристикам специального матричного порошка свойства поверхности подложки могут быть адаптированы путем химического отбора и модификации процесса спекания. За счет миграции кобальта большее количество кобальта может быть обогащено в самом внешнем слое поверхности лезвия толщиной 20-30 мкм по отношению к остальной части заготовки, тем самым придавая лучшую ударную вязкость поверхностному слою подложки, так что он обладает сильным сопротивлением деформации.

    Производители инструментов, основываясь на своих собственных производственных процессах (таких как методы депарафинизации, скорость нагрева, время спекания, температуры и напряжения науглероживания), могут предъявлять особые требования к маркам используемого карбидного порошка. Некоторые производители инструментов могут спекать заготовки в вакуумных печах, в то время как другие могут использовать печи для спекания с горячим изостатическим прессованием (HIP) (которые создают давление в заготовке ближе к концу технологического цикла для удаления любых остатков). Пора). Заготовка, спеченная в вакуумной печи, также может нуждаться в горячем изостатическом прессовании для увеличения плотности заготовки. Некоторые производители инструментов могут использовать более высокие температуры вакуумного спекания для увеличения плотности спекания смесей с более низким содержанием кобальта, но такой подход может сделать микроструктуру грубой. Для поддержания мелкого размера зерна можно использовать порошок, имеющий меньший размер частиц карбида вольфрама. Чтобы соответствовать конкретному производственному оборудованию, условия депарафинизации и напряжение науглероживания также имеют разные требования к содержанию углерода в порошке карбида вольфрама.

    Все эти факторы оказывают решающее влияние на микроструктуру и свойства материала спекаемого инструмента из карбида вольфрама. Следовательно, существует необходимость в тесной связи между производителем инструмента и поставщиком порошка, чтобы гарантировать, что он изготовлен в соответствии с инструментом. Индивидуальный производственный процесс порошка карбида вольфрама нестандартного сорта. Поэтому неудивительно, что существуют сотни различных марок карбида. Например, ATI Alldyne производит более 600 различных сортов пороха, каждый из которых специально разработан для предполагаемого пользователя и конкретного применения.

Каков метод классификации марок карбида вольфрама?

  Комбинация различных типов порошка карбида вольфрама, состава смеси и содержания металлического связующего, типа и количества ингибиторов роста зерен и т. д. составляет множество сортов карбида. Эти параметры будут определять микроструктуру и свойства карбида вольфрама. Определенные специальные комбинации производительности стали первым выбором для конкретных применений обработки, что позволяет классифицировать несколько марок карбида.

    Двумя наиболее часто используемыми системами классификации обработки карбида для обработки являются система класса C и система класса ISO. Хотя ни одна из этих систем полностью не отражает свойства материала, влияющие на выбор марки карбида, они дают отправную точку для обсуждения. Для каждой таксономии у многих производителей есть свои специальные марки, что приводит к большому разнообразию марок карбида.

    Твердые сплавы также можно классифицировать по составу. Марки карбида вольфрама (WC) можно разделить на три основных типа: простые, микрокристаллические и легированные. Простые сорта состоят в основном из карбида вольфрама и связующих кобальта, но могут также содержать небольшое количество ингибиторов роста зерна. Микрокристаллический сорт состоит из карбида вольфрама и кобальтовой связки с добавлением нескольких тысячных долей карбида ванадия (VC) и/или карбида хрома (Cr3C2), а размер его зерен может быть менее 1 мкм. Марка сплава состоит из карбида вольфрама и кобальтовой связки, содержащей несколько процентов карбида титана (TiC), карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Эти добавки также называют кубическими карбидами из-за их спекания. Полученная микроструктура имеет неоднородную трехфазную структуру.

    (1) Простой сплав карбида

    Такие марки для резки металлов обычно содержат кобальт 31ТП2Т-121ТП2Т (по массе). Размер зерен карбида вольфрама обычно находится в диапазоне 1-8 мкм. Как и в случае с другими марками, уменьшение размера частиц карбида вольфрама увеличивает его твердость и поперечную прочность на разрыв (TRS), но снижает ударную вязкость. Твердость простых марок обычно составляет 89-93,5 HRA; поперечная прочность на разрыв обычно составляет 175-350 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Такие сорта порошка могут содержать большое количество переработанного сырья.

    Простые марки могут быть разделены на C1-C4 в системе оценок C и могут быть классифицированы в соответствии с сериями оценок K, N, S и H в системе оценок ISO. Простые сплавы с промежуточными характеристиками можно классифицировать как общие сплавы (например, C2 или K20) для точения, фрезерования, строгания и растачивания; можно использовать марки с меньшим размером зерна или более низким содержанием кобальта и более высокой твердостью. Классифицируется как чистовая марка (например, C4 или K01); марки с большим размером зерна или более высоким содержанием кобальта и лучшей ударной вязкостью могут быть классифицированы как черновые марки (например, C1 или K30).

    Инструментом из простых марок можно резать чугун, нержавеющую сталь серий 200 и 300, алюминий и другие цветные металлы, жаропрочные сплавы и закаленную сталь. Эти марки могут также использоваться в неметаллических режущих устройствах (таких как инструменты для горных пород и геологического бурения) с размером зерна от 1,5 до 10 мкм (или больше) и содержанием кобальта от 6% до 16%. Другим видом неметаллической обработки простых марок твердого сплава является изготовление пресс-форм и штампов. Эти марки обычно имеют средний размер зерна с содержанием кобальта 16%-30%.

    (2) Микрокристаллический карбид

    Такие марки обычно содержат кобальт 61ТП2Т-151ТП2Т. При жидкофазном спекании добавленный карбид ванадия и/или карбид хрома может контролировать рост зерен, тем самым получая мелкозернистую структуру с размером частиц менее 1 мкм. Этот мелкозернистый сорт имеет очень высокую твердость и прочность на разрыв в поперечном направлении 500 тысяч фунтов на квадратный дюйм или более. Сочетание высокой прочности и достаточной ударной вязкости позволяет инструментам этих марок иметь больший положительный передний угол, что снижает силы резания и дает более тонкую стружку за счет резания, а не проталкивания металла.

    Благодаря строгой идентификации качества различного сырья при производстве марок порошка карбида вольфрама и строгому контролю условий процесса спекания можно предотвратить образование аномально крупных зерен в микроструктуре материала. Свойства материала. Чтобы сохранить размер зерна небольшим и однородным, переработанный порошок можно использовать только в том случае, если сырье и процесс восстановления полностью контролируются, а качество тщательно проверяется.

    Микрокристаллические марки можно классифицировать в соответствии с серией марок M в системе марок ISO. Кроме того, другие методы классификации в системе оценок C и системе оценок ISO такие же, как и в простых оценках. Микрокристаллические марки можно использовать для изготовления инструментов для резки более мягких материалов, поскольку поверхность инструмента можно обрабатывать очень гладко и сохранять чрезвычайно острую режущую кромку.

    Микрокристаллические сплавы также могут использоваться для обработки жаропрочных сплавов на основе никеля, поскольку они могут выдерживать температуры резания до 1200 °C. Для обработки жаропрочных сплавов и других специальных материалов использование инструментов с микрозернистостью и простых инструментов с эмалью позволяет одновременно повысить их износостойкость, сопротивление деформации и ударную вязкость. Микрокристаллические марки также подходят для изготовления вращающихся инструментов (например, сверл), создающих напряжение сдвига. Один тип сверла изготовлен из композитного карбида вольфрама. Удельное содержание кобальта в материале в конкретной части одного и того же долота различно, поэтому твердость и ударная вязкость бурового долота оптимизируются в соответствии с потребностями обработки.

    (3) Марка карбида типа сплава

    Эти марки в основном используются для резки стальных деталей, которые обычно имеют содержание кобальта 5%-10% и размер зерна в диапазоне 0,8-2 мкм. Добавляя 4% к 25% карбида титана (TiC), можно уменьшить склонность карбида вольфрама (WC) к диффузии на поверхность стального лома. Прочность инструмента, стойкость к лункообразованию и стойкость к тепловому удару могут быть улучшены путем добавления не более 25% карбида тантала (TaC) и карбида ниобия (NbC). Добавление таких кубических карбидов также увеличивает покраснение инструмента, помогая избежать термической деформации инструмента во время резания в тяжелых условиях или другой механической обработки, где режущая кромка может создавать высокие температуры. Кроме того, карбид титана может создавать центры зародышеобразования во время спекания, улучшая равномерность распределения кубического карбида в заготовке.

    Как правило, карбиды сплавного типа имеют твердость в диапазоне HRA91-94 и прочность на разрыв в поперечном направлении 150-300 тысяч фунтов на квадратный дюйм. По сравнению с простым типом износостойкость сплава имеет низкую износостойкость и низкую прочность, но его износостойкость связи лучше. Марки сплавов могут быть разделены на C5-C8 в системе классов C и могут быть классифицированы в соответствии с сериями классов P и M в системе классов ISO. Марки сплавов с промежуточными свойствами можно классифицировать как общие марки (например, C6 или P30) для токарной обработки, нарезания резьбы, строгания и фрезерования. Самые твердые сплавы можно отнести к мелким (например, C8 и P01) для чистовой обработки и растачивания. Эти марки обычно имеют меньший размер зерна и более низкое содержание кобальта для достижения желаемой твердости и износостойкости. Однако аналогичные свойства материала можно получить, добавив больше кубических карбидов. Наиболее устойчивые сорта можно отнести к черновым сортам (например, C5 или P50). Эти марки обычно имеют средний размер частиц и высокое содержание кобальта, а количество добавленного кубического карбида также невелико для достижения желаемой ударной вязкости за счет сдерживания распространения трещин. В процессе прерывистой токарной обработки производительность резания может быть дополнительно улучшена за счет использования сплава с высоким содержанием кобальта, имеющего более высокое содержание кобальта на поверхности фрезы.

    Сплавы с низким содержанием карбида титана используются для обработки нержавеющей стали и ковкого чугуна, но также могут использоваться 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%. Сплавы с более высокой твердостью (например, М10) можно использовать для токарной обработки ковкого чугуна; сплавы с более высокой ударной вязкостью (например, M40) можно использовать для фрезерования и строгания стали или для токарной обработки нержавеющей стали или жаропрочных сплавов.

    Твердые сплавы также могут использоваться для обработки неметаллов, в первую очередь для изготовления износостойких деталей. Эти марки обычно имеют размер частиц 1,2-2 мкм и содержание кобальта 7%-10%. При производстве этих марок обычно добавляется большая часть переработанных материалов, что обеспечивает более высокую экономическую эффективность при использовании быстроизнашивающихся деталей. Изнашиваемые детали требуют хорошей коррозионной стойкости и высокой твердости. Эти марки могут быть получены путем добавления никеля и карбида хрома при производстве таких марок.

    Ключевым элементом для удовлетворения технических и экономических требований производителей инструментов является порошок карбида вольфрама. Порошки, разработанные для обрабатывающего оборудования и параметров процесса производителей инструментов, обеспечивают производительность готовой детали и приводят к сотням марок карбида. Возможность вторичной переработки карбидных материалов и возможность работать напрямую с поставщиками порошков позволяют производителям инструмента эффективно контролировать качество своей продукции и затраты на материалы.

Создавая высококачественный твердосплавный режущий инструмент, мы помогаем вам лучше выполнять токарную, фрезерную и сверлильную обработку для большей экономической эффективности.

Наша продукция в основном включает

• карбидные стержни
• концевые фрезы из карбида
• карбидные сверла
• режущие инструменты из карбида
• карбидные заготовки