Карбид је најшире коришћена класа материјала за алате за брзу обраду (HSM), који се производе поступцима металургије праха и састоје се од честица тврдог карбида (обично волфрамов карбид WC) и мекшег металног везивног састава. Тренутно постоје стотине цементираних карбида на бази WC са различитим саставима, од којих већина користи кобалт (Co) као везиво, никл (Ni) и хром (Cr) су такође уобичајено коришћени елементи везива, а могу се додати и неки други легирајући елементи. Зашто постоји толико много врста карбида? Како произвођачи алата бирају прави материјал алата за одређену операцију сечења? Да бисмо одговорили на ова питања, прво погледајмо различита својства која чине цементирани карбид идеалним материјалом алата.
тврдоћа и жилавост
WC-Co цементирани карбид има јединствене предности и у тврдоћи и у жилавости. Волфрам карбид (WC) је по својој природи веома тврд (више од корунда или алуминијума), а његова тврдоћа се ретко смањује са повећањем радне температуре. Међутим, недостаје му довољна жилавост, што је суштинско својство за алате за резање. Да би се искористила висока тврдоћа волфрам карбида и побољшала његова жилавост, људи користе металне везе за спајање волфрам карбида, тако да овај материјал има тврдоћу која далеко премашује тврдоћу брзог челика, а истовремено је у стању да издржи већину операција резања. Поред тога, може да издржи високе температуре резања изазване брзом обрадом.
Данас су скоро сви WC-Co ножеви и плочице обложени, тако да улога основног материјала делује мање важно. Али у ствари, висок модул еластичности WC-Co материјала (мера крутости, која је око три пута већа од брзорезног челика на собној температури) обезбеђује недеформабилну подлогу за облогу. WC-Co матрица такође обезбеђује потребну жилавост. Ова својства су основна својства WC-Co материјала, али својства материјала се такође могу прилагодити подешавањем састава материјала и микроструктуре приликом производње прахова цементираног карбида. Стога, погодност перформанси алата за одређену машинску обраду у великој мери зависи од почетног процеса глодања.
Процес глодања
Прах волфрам карбида се добија наугљеничавањем волфрамовог (W) праха. Карактеристике праха волфрам карбида (посебно величина његових честица) углавном зависе од величине честица сировине волфрам праха и температуре и времена наугљеничавања. Хемијска контрола је такође критична, а садржај угљеника мора се одржавати константним (близу стехиометријске вредности од 6,13% по тежини). Мала количина ванадијума и/или хрома може се додати пре третмана наугљеничавањем како би се контролисала величина честица праха кроз наредне процесе. Различити услови низводног процеса и различите крајње употребе захтевају специфичну комбинацију величине честица волфрам карбида, садржаја угљеника, садржаја ванадијума и садржаја хрома, помоћу којих се могу произвести различити прахови волфрам карбида. На пример, ATI Alldyne, произвођач праха волфрам карбида, производи 23 стандардне врсте праха волфрам карбида, а врсте праха волфрам карбида прилагођене захтевима корисника могу достићи више од 5 пута веће од стандардних врста праха волфрам карбида.
Приликом мешања и млевења праха волфрам карбида и металне везиве за производњу одређене врсте праха цементираног карбида, могу се користити различите комбинације. Најчешће коришћени садржај кобалта је 3% – 25% (тежински однос), а у случају потребе за побољшањем отпорности алата на корозију, потребно је додати никл и хром. Поред тога, метална веза се може додатно побољшати додавањем других легирајућих компоненти. На пример, додавање рутенијума WC-Co цементираном карбиду може значајно побољшати његову жилавост без смањења тврдоће. Повећање садржаја везива такође може побољшати жилавост цементираног карбида, али ће смањити његову тврдоћу.
Смањење величине честица волфрам карбида може повећати тврдоћу материјала, али величина честица волфрам карбида мора остати иста током процеса синтеровања. Током синтеровања, честице волфрам карбида се комбинују и расту кроз процес растварања и поновног таложења. У самом процесу синтеровања, да би се формирао потпуно густ материјал, метална веза постаје течна (то се назива синтеровање у течној фази). Брзина раста честица волфрам карбида може се контролисати додавањем других карбида прелазних метала, укључујући ванадијум карбид (VC), хром карбид (Cr3C2), титанијум карбид (TiC), тантал карбид (TaC) и ниобијум карбид (NbC). Ови метални карбиди се обично додају када се прах волфрам карбида помеша и меље са металном везом, иако се ванадијум карбид и хром карбид могу формирати и када се прах волфрам карбида наугљеничи.
Прах волфрам карбида се такође може произвести коришћењем рециклираних отпадних материјала од цементираног карбида. Рециклажа и поновна употреба отпадног карбида има дугу историју у индустрији цементираног карбида и важан је део целог економског ланца индустрије, помажући у смањењу трошкова материјала, уштеди природних ресурса и избегавању отпадних материјала. Штетно одлагање. Отпадни цементирани карбид се генерално може поново користити АПТ (амонијум параволфрамат) поступком, поступком опоравка цинка или дробљењем. Ови „рециклирани“ прахови волфрам карбида генерално имају боље, предвидљиво згушњавање јер имају мању површину од прахова волфрам карбида направљених директно поступком цементирања волфрама.
Услови обраде мешовитог млевења праха волфрам карбида и металне везе такође су кључни параметри процеса. Две најчешће коришћене технике млевења су млевење куглицама и микромлевење. Оба процеса омогућавају равномерно мешање млевених прахова и смањену величину честица. Да би касније пресовани комад имао довољну чврстоћу, одржао облик комада и омогућио оператеру или манипулатору да подигне комад за рад, обично је потребно додати органско везиво током млевења. Хемијски састав овог везива може утицати на густину и чврстоћу пресованог комада. Ради олакшавања руковања, препоручљиво је додати везива високе чврстоће, али то резултира мањом густином сабијања и може створити грудвице које могу изазвати дефекте у финалном производу.
Након млевења, прах се обично суши распршивањем да би се добили слободно текући агломерати које држе заједно органска везива. Подешавањем састава органског везива, течљивост и густина наелектрисања ових агломерата могу се прилагодити по жељи. Одвајањем крупнијих или финијих честица, расподела величине честица агломерата може се додатно прилагодити како би се обезбедио добар проток приликом утовара у шупљину калупа.
Производња радних комада
Карбидни радни комади могу се обликовати различитим методама процеса. У зависности од величине радног комада, нивоа сложености облика и производне серије, већина резних уметака се обликује помоћу крутих матрица са горњим и доњим притиском. Да би се одржала конзистентност тежине и величине радног комада током сваког пресовања, неопходно је осигурати да је количина праха (маса и запремина) која улази у шупљину потпуно иста. Флуидност праха се углавном контролише расподелом величине агломерата и својствима органског везива. Обрађени радни комади (или „бланкови“) се обликују применом притиска обликовања од 10-80 ksi (килофунти по квадратном метру) на прах који се убацује у шупљину калупа.
Чак и под изузетно високим притиском обликовања, честице тврдог волфрам карбида се неће деформисати или ломити, већ се органско везиво утискује у празнине између честица волфрам карбида, чиме се фиксира положај честица. Што је притисак већи, то је чвршће везивање честица волфрам карбида и већа је густина сабијања радног предмета. Својства обликовања различитих врста праха цементираног карбида могу варирати, у зависности од садржаја металног везива, величине и облика честица волфрам карбида, степена агломерације и састава и додавања органског везива. Да би се пружиле квантитативне информације о својствима сабијања различитих врста праха цементираног карбида, однос између густине обликовања и притиска обликовања обично пројектује и конструише произвођач праха. Ове информације осигуравају да је испоручени прах компатибилан са поступком обликовања произвођача алата.
Велики карбидни радни комади или радни комади од карбидног метала са високим односом ширине и висине (као што су дршке за крајње глодалице и бушилице) обично се производе од равномерно пресованих врста карбидног праха у флексибилној врећи. Иако је производни циклус методе уравнотеженог пресовања дужи од методе калуповања, трошкови производње алата су нижи, па је овај метод погоднији за производњу малих серија.
Овај метод процеса подразумева стављање праха у врећу и затварање отвора вреће, а затим стављање вреће пуне праха у комору и примену притиска од 30-60 ksi помоћу хидрауличног уређаја за пресовање. Пресовани комади се често обрађују до специфичних геометрија пре синтеровања. Величина вреће се повећава како би се прилагодила скупљању комада током сабијања и како би се обезбедила довољна маргина за операције брушења. Пошто се комад треба обрадити након пресовања, захтеви за конзистентност пуњења нису толико строги као код методе обликовања, али је и даље пожељно осигурати да се иста количина праха сваки пут убаци у врећу. Ако је густина пуњења праха премала, то може довести до недовољне количине праха у врећи, што резултира тиме да је комад премали и мора се одбацити. Ако је густина пуњења праха превисока, а праха убаченог у врећу превише, комад треба обрадити како би се уклонило више праха након пресовања. Иако се вишак уклоњеног праха и одбачени комади могу рециклирати, то смањује продуктивност.
Карбидни радни комади се такође могу обликовати помоћу екструзионих калупа или калупа за бризгање. Процес екструзионог ливења је погоднији за масовну производњу радних комада осовисно-симетричног облика, док се процес бризганог ливења обично користи за масовну производњу радних комада сложених облика. У оба процеса ливења, врсте праха цементираног карбида су суспендоване у органском везиву које даје конзистенцију сличну пасти за зубе смеши цементираног карбида. Једињење се затим или екструдира кроз отвор или убризгава у шупљину да би се формирало. Карактеристике врсте праха цементираног карбида одређују оптималан однос праха и везива у смеши и имају важан утицај на течност смеше кроз отвор за екструзију или убризгавање у шупљину.
Након што се радни предмет обликује калуповањем, изостатичким пресовањем, екструзијом или бризгањем, органско везиво мора бити уклоњено из радног предмета пре завршне фазе синтеровања. Синтеровање уклања порозност из радног предмета, чинећи га потпуно (или значајно) густим. Током синтеровања, метална веза у пресованом радном предмету постаје течна, али радни предмет задржава свој облик под комбинованим дејством капиларних сила и везивања честица.
Након синтеровања, геометрија радног комада остаје иста, али се димензије смањују. Да би се добила потребна величина радног комада након синтеровања, приликом пројектовања алата потребно је узети у обзир стопу скупљања. Врста карбидног праха који се користи за израду сваког алата мора бити пројектована тако да има исправно скупљање када се сабије под одговарајућим притиском.
У скоро свим случајевима, потребна је обрада синтерованог радног предмета након синтеровања. Најосновнија обрада алата за резање је оштрење резне ивице. Многи алати захтевају брушење своје геометрије и димензија након синтеровања. Неки алати захтевају горње и доње брушење; други захтевају периферно брушење (са или без оштрења резне ивице). Све струготине карбида од брушења могу се рециклирати.
Премазивање радног предмета
У многим случајевима, готови радни предмет треба премазати. Премаз обезбеђује мазивост и повећану тврдоћу, као и дифузијску баријеру подлози, спречавајући оксидацију када је изложена високим температурама. Цементирани карбидни супстрат је кључни за перформансе премаза. Поред прилагођавања главних својстава матричног праха, површинска својства матрице могу се прилагодити и хемијским избором и променом методе синтеровања. Кроз миграцију кобалта, више кобалта може се обогати у најспољашњем слоју површине сечива у дебљини од 20-30 μм у односу на остатак радног предмета, чиме се површини подлоге даје боља чврстоћа и жилавост, чинећи је отпорнијом на деформације.
На основу сопственог производног процеса (као што су метода депарафинације, брзина загревања, време синтеровања, температура и напон наугљеничавања), произвођач алата може имати неке посебне захтеве за квалитет праха цементираног карбида који се користи. Неки произвођачи алата могу синтеровати радни предмет у вакуумској пећи, док други могу користити пећ за синтеровање врућим изостатичким пресовањем (HIP) (која врши притисак на радни предмет при крају процесног циклуса како би се уклонили сви остаци) поре). Радни предмети синтеровани у вакуумској пећи такође могу бити подвргнути додатном процесу врућег изостатског пресовања како би се повећала густина радног предмета. Неки произвођачи алата могу користити више температуре вакуумског синтеровања како би повећали густину синтеровања смеша са нижим садржајем кобалта, али овај приступ може учинити њихову микроструктуру грубљом. Да би се одржала фина величина зрна, могу се одабрати прахови са мањом величином честица волфрам карбида. Да би се ускладили са специфичном производном опремом, услови депарафинације и напон наугљеничавања такође имају различите захтеве за садржај угљеника у праху цементираног карбида.
Класификација разреда
Комбинације различитих врста праха волфрам карбида, састава смеше и садржаја металног везива, врсте и количине инхибитора раста зрна итд., чине различите врсте цементираног карбида. Ови параметри ће одредити микроструктуру цементираног карбида и његова својства. Неке специфичне комбинације својстава постале су приоритет за неке специфичне примене обраде, што чини смисленим класификацију различитих врста цементираног карбида.
Два најчешће коришћена система класификације карбида за машинску обраду су систем означавања C и систем означавања ISO. Иако ниједан систем у потпуности не одражава својства материјала која утичу на избор врста цементираног карбида, они пружају почетну тачку за дискусију. За сваку класификацију, многи произвођачи имају своје посебне врсте, што резултира широким спектром врста карбида.
Врсте карбида се такође могу класификовати по саставу. Врсте волфрам карбида (WC) могу се поделити на три основна типа: једноставне, микрокристалне и легиране. Симплекс врсте се састоје првенствено од везива од волфрам карбида и кобалта, али могу садржати и мале количине инхибитора раста зрна. Микрокристална врста се састоји од волфрам карбида и кобалтног везива којима је додато неколико хиљадитих делова ванадијум карбида (VC) и (или) хром карбида (Cr3C2), а величина зрна може достићи 1 μm или мање. Легиране врсте се састоје од везива од волфрам карбида и кобалта који садрже неколико процената титанијум карбида (TiC), тантал карбида (TaC) и ниобијум карбида (NbC). Ови додаци су такође познати као кубни карбиди због својих својстава синтеровања. Добијена микроструктура показује нехомогену трофазну структуру.
1) Једноставне врсте карбида
Ове врсте за резање метала обично садрже 3% до 12% кобалта (по тежини). Распон величине зрна волфрам карбида је обично између 1-8 μм. Као и код других врста, смањење величине честица волфрам карбида повећава његову тврдоћу и попречну чврстоћу на кидање (TRS), али смањује његову жилавост. Тврдоћа чистог типа је обично између HRA89-93,5; попречна чврстоћа на кидање је обично између 175-350 ksi. Прашкови ових врста могу садржати велике количине рециклираних материјала.
Једноставне класе могу се поделити на C1-C4 у C систему класа, а могу се класификовати према серијама класа K, N, S и H у ISO систему класа. Симплекс класе са средњим својствима могу се класификовати као класе опште намене (као што су C2 или K20) и могу се користити за стругање, глодање, рендисање и бушење; класе са мањом величином зрна или мањим садржајем кобалта и већом тврдоћом могу се класификовати као класе за завршну обраду (као што су C4 или K01); класе са већом величином зрна или већим садржајем кобалта и бољом жилавошћу могу се класификовати као класе за грубу обраду (као што су C1 или K30).
Алати направљени од симплекс класа могу се користити за обраду ливеног гвожђа, нерђајућег челика серије 200 и 300, алуминијума и других обојених метала, суперлегура и каљених челика. Ове класе се такође могу користити у применама сечења које нису од метала (нпр. као алати за бушење стена и геолошких материјала), а ове класе имају распон величине зрна од 1,5-10 μм (или већи) и садржај кобалта од 6%-16%. Још једна употреба једноставних карбидних класа за сечење које нису од метала је у производњи матрица и бушилица. Ове класе обично имају средњу величину зрна са садржајем кобалта од 16%-30%.
(2) Микрокристалне врсте цементираног карбида
Такве врсте обично садрже 6%-15% кобалта. Током синтеровања у течној фази, додавање ванадијум карбида и/или хром карбида може контролисати раст зрна како би се добила финозрна структура са величином честица мањом од 1 μm. Ова финозрна врста има веома високу тврдоћу и попречну чврстоћу на ломљење изнад 500 ksi. Комбинација високе чврстоће и довољне жилавости омогућава овим врстама да користе већи позитиван угао нагиба, што смањује силе резања и производи тање струготине сечењем, а не гурањем металног материјала.
Строгом идентификацијом квалитета различитих сировина у производњи врста праха цементираног карбида и строгом контролом услова процеса синтеровања како би се спречило стварање абнормално великих зрна у микроструктури материјала, могуће је добити одговарајућа својства материјала. Да би се величина зрна одржала малом и уједначеном, рециклирани прах треба користити само ако постоји потпуна контрола сировине и процеса опоравка, као и опсежно испитивање квалитета.
Микрокристалне врсте могу се класификовати према серији М врста у ISO систему врста. Поред тога, друге методе класификације у C систему врста и ISO систему врста су исте као и код чистих врста. Микрокристалне врсте могу се користити за израду алата који секу мекше материјале радних предмета, јер се површина алата може обрадити веома глатко и може одржати изузетно оштру ивицу сечења.
Микрокристалне врсте се такође могу користити за машинску обраду суперлегура на бази никла, јер могу да издрже температуре резања до 1200°C. За обраду суперлегура и других специјалних материјала, употреба алата микрокристалне врсте и алата чистог квалитета који садрже рутенијум може истовремено побољшати њихову отпорност на хабање, отпорност на деформације и жилавост. Микрокристалне врсте су такође погодне за производњу ротирајућих алата као што су бушилице које генеришу смицајни напон. Постоји бушилица направљена од композитних врста цементираног карбида. У одређеним деловима исте бушилице, садржај кобалта у материјалу варира, тако да се тврдоћа и жилавост бушилице оптимизују према потребама обраде.
(3) Врсте цементираног карбида легираног типа
Ове врсте се углавном користе за сечење челичних делова, а њихов садржај кобалта је обично 5%-10%, а величина зрна се креће од 0,8-2μm. Додавањем 4%-25% титанијум карбида (TiC), може се смањити тенденција волфрам карбида (WC) да дифузује на површину челичних струготина. Чврстоћа алата, отпорност на хабање у облику кратера и отпорност на термичке ударе могу се побољшати додавањем до 25% тантал карбида (TaC) и ниобијум карбида (NbC). Додавање таквих кубних карбида такође повећава црвену тврдоћу алата, помажући у избегавању термичке деформације алата при тешком резању или другим операцијама где ће сечива генерисати високе температуре. Поред тога, титанијум карбид може да обезбеди места нуклеације током синтеровања, побољшавајући равномерност расподеле кубног карбида у радном предмету.
Генерално говорећи, опсег тврдоће цементираних карбида легираног типа је HRA91-94, а попречна чврстоћа на лом је 150-300 ksi. У поређењу са чистим класама, легиране класе имају слабу отпорност на хабање и мању чврстоћу, али имају бољу отпорност на адхезивно хабање. Класе легура могу се поделити на C5-C8 у C систему класа, а могу се класификовати према серијама класа P и M у ISO систему класа. Класе легура са средњим својствима могу се класификовати као класе опште намене (као што су C6 или P30) и могу се користити за стругање, нарезивање навоја, рендисање и глодање. Најтврђе класе могу се класификовати као класе за завршну обраду (као што су C8 и P01) за завршне операције стругања и бушења. Ове класе обично имају мање величине зрна и нижи садржај кобалта да би се добила потребна тврдоћа и отпорност на хабање. Међутим, слична својства материјала могу се добити додавањем више кубних карбида. Класе са највећом жилавошћу могу се класификовати као класе за грубу обраду (нпр. C5 или P50). Ове врсте обично имају средњу величину зрна и висок садржај кобалта, са ниским додацима кубних карбида како би се постигла жељена жилавост инхибирањем раста пукотина. Код прекинутих операција стругања, перформансе резања могу се додатно побољшати коришћењем горе поменутих врста богатих кобалтом са већим садржајем кобалта на површини алата.
Легуре са нижим садржајем титанијум карбида користе се за обраду нерђајућег челика и темперног гвожђа, али се могу користити и за обраду обојених метала као што су суперлегуре на бази никла. Величина зрна ових класа је обично мања од 1 μm, а садржај кобалта је 8%-12%. Тврђе класе, као што је M10, могу се користити за стругање темперног гвожђа; жилавије класе, као што је M40, могу се користити за глодање и рендисање челика или за стругање нерђајућег челика или суперлегура.
Цементирани карбидни челици легираног типа могу се користити и за резање неметала, углавном за производњу делова отпорних на хабање. Величина честица ових челика је обично 1,2-2 μm, а садржај кобалта је 7%-10%. Приликом производње ових челика обично се додаје висок проценат рециклиране сировине, што резултира високом исплативошћу у примени на делове отпорне на хабање. Делови отпорни на хабање захтевају добру отпорност на корозију и високу тврдоћу, што се може постићи додавањем никла и хром карбида приликом производње ових челика.
Да би се испунили технички и економски захтеви произвођача алата, карбидни прах је кључни елемент. Прашкови дизајнирани за машинску опрему произвођача алата и процесне параметре осигуравају перформансе готовог радног предмета и резултирали су стотинама врста карбида. Рециклабилна природа карбидних материјала и могућност директног рада са добављачима праха омогућавају произвођачима алата да ефикасно контролишу квалитет својих производа и трошкове материјала.
Време објаве: 18. октобар 2022.
