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为什么碳化钨是理想的工具材料?

碳化钨是通过粉末冶金生产的最广泛使用的高速加工(HSM)工具类型,由硬质碳化物(通常为碳化钨WC)颗粒和较软的金属结合剂组成。组成。当前,存在数百种具有不同组成的基于WC的碳化钨,其中大多数使用钴(Co)作为粘合剂。镍(Ni)和铬(Cr)也是常用的粘合剂元素,可以添加其他添加剂。一些合金元素。

为什么有这么多硬质合金牌号?工具制造商如何为特定的切割过程选择正确的工具材料?为了回答这些问题,让我们首先了解使碳化钨成为理想工具材料的各种特性。  

什么是碳化钨-硬度和韧性的统一

 WC-Co碳化钨在硬度和韧性方面均具有独特的优势。碳化钨(WC)本身具有很高的硬度(超过刚玉或氧化铝),并且随着工作温度的升高其硬度很少降低。但是,它缺乏足够的韧性,这是切削工具的基本特性。为了利用碳化钨的高硬度并提高其韧性,金属粘结剂用于粘结碳化钨,以使该材料的硬度远远超过高速钢,同时能够承受大多数切削过程。切削力。此外,它可以承受高速加工产生的切削高温。

    如今,几乎所有WC-Co工具和刀片都经过涂层处理,因此基体材料的作用似乎已不那么重要。但实际上,这是WC-Co材料的高弹性模量(硬度的量度,WC-Co的室温模量约为高速钢的三倍)提供了不可变形的基材。涂层。 WC-Co基体还提供了所需的韧性。这些性能是WC-Co材料的基本性能,但是在生产碳化钨粉末时,也可以针对材料组成和微观结构进行调整。因此,刀具性能对特定过程的适合性在很大程度上取决于初始铣削过程。    

碳化钨的铣削过程是什么?

    碳化钨粉末是通过对钨(W)粉末进行渗碳而获得的。碳化钨粉末的性能,特别是其粒径,主要取决于粗钨粉的粒径以及渗碳的温度和时间。化学控制也很关键,碳含量必须保持恒定(接近理论重量比6.13%)。为了通过随后的过程控制粒度,可以在渗碳处理之前添加少量的钒和/或铬。不同的下游工艺条件和不同的最终加工应用需要特定的碳化钨粒度,碳含量,钒含量和铬含量的组合,并且这些组合中的变化会产生多种不同的碳化钨粉末。

    当将碳化钨粉末混合并与金属结合剂研磨以生产一定等级的碳化钨粉末时,可以采用各种组合。最常用的钴含量为3%至25%(按重量计),并且需要镍和铬来提高工具的耐腐蚀性。另外,可以通过添加其他合金成分来进一步改善金属结合。例如,在WC-Co碳化钨中添加铌可以显着提高韧性,而不会降低其硬度。增加粘合剂的量也可以增加碳化钨的韧性,但是会降低其硬度。

    减小碳化钨颗粒的尺寸可以提高材料的硬度,但是在烧结过程中,碳化钨的颗粒尺寸必须保持不变。在烧结时,碳化钨颗粒通过溶解和再沉淀的过程而结合并生长。在实际的烧结过程中,为了形成完全致密的材料,金属键变成液态(称为液相烧结)。碳化钨颗粒的生长速率可以通过添加其他过渡金属碳化物来控制,包括碳化钒(VC),碳化铬(Cr3C2),碳化钛(TiC),碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。这些金属碳化物通常在碳化钨粉末与金属粘合剂一起混合和研磨期间添加,尽管碳化碳化钨粉末时也可以形成碳化钒和碳化铬。

    等级的碳化钨粉末也可以由回收的固态碳化物材料生产。废碳化钨的回收和再利用在碳化钨行业中具有悠久的历史,并且是该行业整个经济链的重要组成部分,有助于降低材料成本,节约自然资源并避免浪费材料。有害处置。废碳化钨通常可通过APT(仲钨酸铵)工艺,锌回收工艺或通过粉碎再利用。这些“回收的”碳化钨粉末通常具有更好的,可预测的致密化,因为它们的表面积小于直接由钨渗碳工艺制成的碳化钨粉末的表面积。

    碳化钨粉末与金属结合剂的混合工艺条件也是关键的工艺参数。两种最常见的铣削技术是球磨和超细铣削。两种方法均可以使研磨后的粉末均匀混合并减小粒径。为了使被压制的工件具有足够的强度以保持工件的形状并允许操作员或机器人拾取工件进行操作,通常需要在铣削过程中添加有机粘合剂。这种粘合剂的化学成分会影响压制工件的密度和强度。为了便于操作,优选添加高强度的粘合剂,但是这导致较低的压制密度并且可能导致硬块,从而导致最终产品的缺陷。

    研磨完成后,通常将粉末喷雾干燥以产生自由流动的团块,该团块被有机粘合剂团聚。通过调节有机粘合剂的组成,可以调整这些团聚体的流动性和电荷密度,以适应需要。通过筛出较粗或更细的颗粒,可以进一步调整附聚物的粒度分布,以确保在装入模具型腔时具有良好的流动性。

碳化钨工件的制造方法是什么?

   硬质合金工件可以通过多种方法形成。根据工件的尺寸,形状复杂程度和生产批量大小,大多数切削刀片是使用顶部和底部压力刚性模具模制的。为了在每次冲压时保持工件重量和尺寸的一致性,必须确保流入腔体的粉末量(质量和体积)完全相同。粉末的流动性主要由附聚物的尺寸分布和有机粘合剂的特性控制。可以通过向装入模腔中的粉末施加10-80 ksi(千平方英尺/平方英尺)的模制压力来形成模制工件(或“毛坯”)。

    即使在极高的成型压力下,硬质碳化钨颗粒也不会变形或破裂,并且有机粘结剂被压入碳化钨颗粒之间的间隙中,从而起到固定颗粒位置的作用。压力越高,碳化钨颗粒的粘结越紧密,工件的压实密度越大。梯度碳化钨粉末的模制性质可根据金属粘合剂的量,碳化钨颗粒的尺寸和形状,附聚物形成的程度以及有机粘合剂的组成和量而变化。为了提供有关碳化钨粉末等级的挤压特性的定量信息,通常由粉末制造商设计以建立成型密度和成型压力之间的对应关系。该信息可确保所提供的粉末与工具制造商的成型过程一致。

    通常通过将碳化钨粉末均匀地压入柔性袋中来制造大型硬质合金工件或高纵横比的硬质合金工件(例如立铣刀和钻头刀柄)。尽管均压法的生产周期长于成型法,但工具的制造成本较低,因此该方法更适合于小批量生产。

    该过程包括将粉末装入袋中并密封袋口,然后将装有粉末的袋放入腔室内,并通过液压装置施加30-60 ksi的压力进行压制。压制的工件通常在烧结之前加工成特定的几何形状。袋子的尺寸增加,以适应压实过程中工件的收缩,并为磨削过程提供足够的余量。由于工件是在压制成形之后加工的,因此对装料的一致性的要求不如成型方法那么严格,但是仍然希望确保每载荷的粉末量相同。如果粉末的装载密度太小,则装载到袋子中的粉末可能不足,导致工件尺寸小并且必须报废。如果粉末的装载密度太大,则装载到袋子中的粉末太多,在压制成形后需要加工工件以去除更多的粉末。尽管多余的粉末和报废零件可以回收利用,但这会降低生产率。

    硬质合金工件也可以通过挤压或注塑成型形成。挤压工艺更适合批量生产轴对称形状的工件,而注塑工艺通常用于批量生产复杂形状的工件。在两种成型工艺中,都将等级的碳化钨粉末悬浮在有机粘合剂中,该粘合剂赋予牙膏等碳化钨混合物均匀性。然后将混合物通过孔挤出或模制成型腔。碳化钨粉末等级的特性决定了混合物中粉末与粘合剂的最佳比例,并对混合物通过挤出孔或进入模腔的流动产生重要影响。

    在通过模制,均压,挤压或注塑成型工件后,需要在最终烧结阶段之前从工件上去除有机粘合剂。烧结去除了工件中的孔,使其完全(或基本上)致密。在烧结时,压制成形工件中的金属结合剂变成液体,但是在毛细管力和颗粒接触的共同作用下,工件仍可以保持其形状。

    烧结后,工件的几何形状保持不变,但尺寸缩小。为了在烧结后获得所需的工件尺寸,在设计刀具时需要考虑收缩率。设计用于制造每种工具的碳化钨粉的等级时,必须确保在适当的压力下压制时具有正确的收缩率。

    在几乎所有情况下,烧结工件也称为 硬质合金毛坯 需要进行后期烧结。切削工具最基本的处理方法是锐化切削刃。许多工具在烧结后需要磨削和几何形状。有些工具需要打磨顶部和底部。另一些则需要进行周边研磨(有或没有锐化切削刃)。研磨产生的所有硬质合金磨损碎片都可以回收。

如何准备碳化钨工件涂层?

    在许多情况下,需要对成品零件进行涂层。该涂层提供润滑性和增加的硬度,并向基材提供了扩散阻挡层,可以防止暴露于高温下的氧化。碳化钨基体对于涂层的性能至关重要。除了定制基质粉末的主要特性外,还可通过化学选择和修改烧结工艺来调整基材的表面性能。通过钴的迁移,相对于工件的其余部分,更多的钴可以以20-30μm的厚度富集在刀片表面的最外层,从而赋予基材表层更好的韧性,因此具有很强的抗变形能力。

    根据自己的制造工艺(例如脱蜡方法,加热速率,烧结时间,温度和渗碳电压),工具制造商可能会对所用硬质合金粉的等级提出特殊要求。一些工具制造商可能会在真空炉中烧结工件,而另一些工具制造商可能会使用热等静压(HIP)烧结炉(在工艺周期结束时对工件加压以消除任何残留物)。毛孔)。在真空炉中烧结的工件可能还需要进行热等静压工艺以增加工件密度。一些工具制造商可能会使用更高的真空烧结温度来提高钴含量较低的混合物的烧结密度,但是这种方法可能会使显微组织变粗糙。为了保持细的晶粒尺寸,可以使用具有较小的碳化钨粒度的粉末。为了匹配特定的生产设备,脱蜡条件和渗碳电压对碳化钨粉的碳含量也有不同的要求。

    所有这些因素都对烧结的碳化钨工具的微观结构和材料性能产生关键影响。因此,需要在工具制造商与粉末供应商之间保持紧密联系,以确保根据工具来制造粉末。定制生产工艺定制级碳化钨粉。因此,毫不奇怪的是,有数百种不同的硬质合金等级。例如,ATI Alldyne生产600多种不同的粉末等级,每种等级都是专门为目标用户和特定用途而设计的。

碳化钨牌号的分类方法是什么?

  不同类型的碳化钨粉末,混合物成分和金属粘合剂含量,晶粒长大抑制剂的类型和数量等的组合构成了各种碳化物等级。这些参数将决定碳化钨的微观结构和性能。某些特定的性能组合已成为特定加工应用的首选,从而可以对多个硬质合金等级进行分类。

    用于加工目的的两种最常用的硬质合金加工分类系统是C级系统和ISO级系统。尽管这些系统都不能完全反映影响硬质合金牌号选择的材料性能,但它们为讨论提供了起点。对于每种分类法,许多制造商都有自己的特殊等级,因此产生了多种硬质合金等级。

    硬质合金等级也可以按成分分类。碳化钨(WC)等级可分为三种基本类型:简单,微晶和合金。简单等级主要由碳化钨和钴粘合剂组成,但也可能包含少量的晶粒长大抑制剂。微晶级由碳化钨和钴粘合剂组成,并添加了千分之几的碳化钒(VC)和/或碳化铬(Cr3C2),其晶粒尺寸可以小于1μm。该合金牌号由碳化钨和钴粘结剂组成,钴粘结剂包含百分之几的碳化钛(TiC),碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。这些添加剂由于其烧结也被称为立方碳化物。所得的微观结构表现出不均匀的三相结构。

    (1)硬质合金牌号

    这种金属切削等级通常包含3%-12%钴(按重量计)。碳化钨晶粒的尺寸通常在1-8μm的范围内。与其他牌号一样,减小碳化钨的粒度可提高其硬度和横向断裂强度(TRS),但会降低其韧性。简单等级的硬度通常在HRA 89-93.5之间;横向断裂强度通常在175-350 ksi之间。这种等级的粉末可能包含大量的回收原料。

    简单等级可以在C等级系统中分为C1-C4,并且可以根据ISO等级系统中的K,N,S和H等级系列进行分类。具有中间特性的简单等级可以归类为用于车削,铣削,刨削和镗削的通用等级(例如C2或K20)。可以使用晶粒度较小或钴含量较低且硬度较高的钢种分类为精加工钢种(例如C4或K01);具有较大晶粒尺寸或较高钴含量和较好韧性的钢种可归类为粗钢种(例如C1或K30)。

    简单等级的工具可用于切割铸铁,200和300系列不锈钢,铝和其他有色金属,超级合金和硬化钢。这些等级还可用于粒度范围为1.5至10μm(或更大)且钴含量为6%至16%的非金属切削应用(例如岩石和地质钻探工具)中。简单硬质合金等级的另一种非金属切削类型是模具和冲头的制造。这些等级通常具有中等粒度的晶粒,钴含量为16%-30%。

    (2)微晶碳化物等级

    此类等级通常包含6%-15%钴。在液相烧结中,添加的碳化钒和/或碳化铬可以控制晶粒生长,从而获得具有小于1μm的粒径的细晶粒结构。这种细晶粒等级具有非常高的硬度和500 ksi或更高的横向断裂强度。高强度和足够的韧性相结合,使这些等级的刀具具有更大的正前角,从而减小了切削力,并通过切削而不是推动金属来产生更薄的切屑。

    通过在生产碳化钨粉的等级中严格鉴定各种原材料并严格控制烧结工艺条件,可以防止在材料的微观结构中形成异常大晶粒。材料特性。为了使晶粒尺寸小而均匀,只有在原材料和回收过程得到充分控制并且进行了广泛的质量测试的情况下,才可以使用再生粉末。

    可以根据ISO等级系统中的M等级系列对微晶等级进行分类。另外,C等级系统和ISO等级系统中的其他分类方法与简单等级相同。微晶等级可用于制造用于切削较软工件材料的工具,因为该工具的表面可以非常平滑地加工,并保持非常锋利的切削刃。

    微晶等级也可用于加工镍基高温合金,因为它们可以承受高达1200°C的切削温度。对于高温合金和其他特殊材料的加工,使用微晶级工具和带搪瓷的简单级工具可以同时提高其耐磨性,抗变形性和韧性。微晶等级也适用于制造产生剪切应力的旋转工具(例如钻头)。一种类型的钻头由复合等级的碳化钨制成。同一钻头特定部分中材料的特定钴含量不同,因此可以根据加工需要优化钻头的硬度和韧性。

    (3)合金型硬质合金牌号

    这些等级主要用于切削钢零件,这些零件的钴含量通常为5%-10%,晶粒尺寸范围为0.8-2μm。通过将4%添加到25%的碳化钛(TiC)中,可以减少碳化钨(WC)扩散到废钢表面的趋势。通过添加不超过25%的碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC),可以提高工具强度,耐月牙洼磨损性和耐热冲击性。添加此类立方碳化物还会增加工具的发红度,从而有助于避免在重负荷切削或其他切削刃会产生高温的机加工过程中使工具发生热变形。此外,碳化钛可以在烧结过程中提供成核位置,从而提高了工件中立方碳化物分布的均匀性。

    通常,合金型硬质合金牌号的硬度范围为HRA91-94,横向断裂强度为150-300 ksi。与简单型相比,合金型的耐磨性差,强度低,但结合耐磨性更好。合金等级在C级系统中可以分为C5-C8,并且可以根据ISO级系统中的P和M级系列进行分类。具有中间性能的合金牌号可以归类为用于车削,攻丝,刨光和铣削的通用牌号(例如C6或P30)。最硬的等级可分为精加工和镗孔的优良等级(例如C8和P01)。这些等级通常具有较小的晶粒尺寸和较低的钴含量,以实现所需的硬度和耐磨性。但是,通过添加更多的立方碳化物可以获得相似的材料性能。最具弹性的等级可以归类为粗糙等级(例如C5或P50)。这些牌号通常具有中等尺寸的粒度和高的钴含量,并且所加入的立方碳化物的量也很小,可以通过抑制裂纹扩展来获得所需的韧性。在中断的车削过程中,通过在刀具表面使用钴含量较高的富钴钢种,可以进一步提高切削性能。

    低碳化钛含量的合金牌号用于加工不锈钢和可锻铸铁,但也可用于加工有色金属(例如镍基高温合金)。这些等级的晶粒尺寸通常小于1μm,钴含量为8%至12%。硬度较高的钢种(例如M10)可用于车削可锻铸铁。具有较高韧性的钢种(例如M40)可用于铣削和刨光钢或用于车削不锈钢或高温合金。

    合金型硬质合金等级也可用于非金属切削应用,主要用于制造耐磨零件。这些牌号的粒径通常为1.2-2μm,钴含量为7%-10%。在这些等级产品的生产中,通常会添加大量的回收材料,从而在磨损部件的应用中具有更高的成本效益。易损件需要良好的耐腐蚀性和高硬度。这些等级可通过在生产此类等级时添加镍和碳化铬来获得。

    为了满足工具制造商的技术和经济要求,碳化钨粉是关键要素。为工具制造商的加工设备和工艺参数设计的粉末可确保成品零件的性能,并产生数百种硬质合金等级。硬质合金材料的可回收性质以及直接与粉末供应商合作的能力使工具制造商能够有效地控制其产品质量和材料成本。

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