O carburo é a clase máis utilizada de materiais de ferramenta de mecanizado de alta velocidade (HSM), producidos por procesos de metalurxia en po e consisten en carburo duro (normalmente tungsteno carburo WC) partículas e unha composición de enlaces metálicos máis suave. Na actualidade, hai centos de carburos cimentados baseados en WC con composicións diferentes, a maioría dos cales usan o cobalto (CO) como ligante, níquel (NI) e cromo (CR) tamén se usan elementos de ligante e outros tamén se usan. Algúns elementos de aliaxe. Por que hai tantas notas de carburo? Como escollen os fabricantes de ferramentas o material de ferramenta adecuado para unha operación de corte específica? Para responder a estas preguntas, vexamos primeiro as diversas propiedades que fan que o carburo cimentado sexa un material de ferramenta ideal.
dureza e dureza
O carburo cimentado con WC-Co ten vantaxes únicas tanto na dureza como na dureza. O carburo de tungsteno (WC) é inherentemente moi duro (máis que corundum ou alúmina), e a súa dureza raramente diminúe a medida que aumenta a temperatura de funcionamento. Non obstante, carece de dureza suficiente, unha propiedade esencial para as ferramentas de corte. Para aproveitar a alta dureza do carburo de tungsteno e mellorar a súa dureza, a xente usa enlaces metálicos para unir o carburo de tungsteno xuntos, de xeito que este material ten unha dureza que supera moito a do aceiro de alta velocidade, ao tempo que pode soportar a maioría das operacións de corte. forza de corte. Ademais, pode soportar as altas temperaturas de corte causadas por mecanizado de alta velocidade.
Hoxe en día, case todos os coitelos e insercións de WC-Co están revestidos, polo que o papel do material base parece menos importante. Pero, de feito, é o módulo elástico alto do material WC-Co (unha medida de rixidez, que é aproximadamente tres veces a de aceiro de alta velocidade a temperatura ambiente) que proporciona o substrato non deformable para o revestimento. A matriz WC-Co tamén proporciona a dureza requirida. Estas propiedades son as propiedades básicas dos materiais WC-Co, pero as propiedades do material tamén se poden adaptar axustando a composición do material e a microestrutura ao producir po de carburo cimentado. Polo tanto, a idoneidade do rendemento das ferramentas a un mecanizado específico depende en gran medida do proceso de fresado inicial.
Proceso de fresado
O po de carburo de tungsteno obtense en po en carburación de tungsteno (W). As características do po de carburo de tungsteno (especialmente o seu tamaño de partícula) dependen principalmente do tamaño da partícula do po de tungsteno de materia prima e da temperatura e tempo de carburización. O control químico tamén é crítico e o contido de carbono debe manterse constante (preto do valor estequiométrico do 6,13% en peso). Pódese engadir unha pequena cantidade de vanadio e/ou cromo antes do tratamento de carburización para controlar o tamaño da partícula de po mediante procesos posteriores. Diferentes condicións de proceso descendentes e diferentes usos de procesamento final requiren unha combinación específica de tamaño de partícula de carburo de tungsteno, contido de carbono, contido de vanadio e contido de cromo, a través do cal se poden producir unha variedade de po de carburo de tungsteno diferentes. Por exemplo, ATI Alldyne, un fabricante de po de carburo de tungsteno, produce 23 notas estándar de po de carburo de tungsteno e as variedades de po de carburo de tungsteno personalizadas segundo os requisitos do usuario poden alcanzar máis de 5 veces a das notas estándar de po de carburo de tungsteno.
Ao mesturar e moer en po de carburo de tungsteno e enlace metálico para producir un certo grao de po de carburo cimentado, pódense empregar varias combinacións. O contido de cobalto máis usado é do 3% - 25% (relación de peso) e, no caso de necesitar mellorar a resistencia á corrosión da ferramenta, é necesario engadir níquel e cromo. Ademais, pódese mellorar o enlace metálico engadindo outros compoñentes de aliaxe. Por exemplo, engadir rutenio ao carburo cimentado con WC-Co pode mellorar significativamente a súa dureza sen reducir a súa dureza. Aumentar o contido de ligante tamén pode mellorar a dureza do carburo cimentado, pero reducirá a súa dureza.
A redución do tamaño das partículas de carburo de tungsteno pode aumentar a dureza do material, pero o tamaño de partícula do carburo de tungsteno debe permanecer igual durante o proceso de sinterización. Durante a sinterización, as partículas de carburo de tungsteno combinan e crecen a través dun proceso de disolución e reprecipitación. No proceso de sinterización real, para formar un material totalmente denso, o enlace metálico convértese en líquido (chamado sinterización en fase líquida). A taxa de crecemento das partículas de carburo de tungsteno pódese controlar engadindo outros carburos metálicos de transición, incluíndo carburo de vanadio (VC), carburo de cromo (CR3C2), carburo de titanio (TIC), carburo de tantalum (TAC) e carburo de niobio (NBC). Estes carburos metálicos adoitan engadirse cando o po de carburo de tungsteno se mestura e se moe cun enlace metálico, aínda que o carburo de vanadio e o carburo de cromo tamén se poden formar cando o po de carburo de tungsteno está carburizado.
O po de carburo de tungsteno tamén se pode producir empregando materiais de carburo de residuos reciclados. A reciclaxe e a reutilización do carburo de chatarra ten unha longa historia na industria do carburo cimentada e é unha parte importante de toda a cadea económica da industria, axudando a reducir os custos materiais, a aforrar recursos naturais e evitar materiais de refugallo. Eliminación nociva. O carburo cimentado de chatarra xeralmente pódese reutilizar mediante proceso APT (amonio paratungstate), proceso de recuperación de cinc ou por esmagamento. Estes polvos de carburo de tungsteno "reciclados" xeralmente teñen unha densificación mellor e previsible porque teñen unha superficie máis pequena que os polvos de carburo de tungsteno feitos directamente a través do proceso de carburización do tungsteno.
As condicións de procesamento da moenda mixta de po de carburo de tungsteno e enlace metálico tamén son parámetros cruciais do proceso. As dúas técnicas de fresado máis empregadas son o fresado e o micromilamento de bólas. Ambos os procesos permiten a mestura uniforme de polvos fresados e o tamaño da partícula reducida. Para que a peza de traballo prensada posteriormente teña resistencia suficiente, manteña a forma da peza e permita ao operador ou manipulador recoller a peza de traballo, normalmente é necesario engadir un ligante orgánico durante a moenda. A composición química deste enlace pode afectar a densidade e a forza da peza de traballo presionada. Para facilitar a manipulación, é recomendable engadir ligantes de alta resistencia, pero isto resulta nunha menor densidade de compactación e pode producir grumos que poidan causar defectos no produto final.
Despois do fresado, o po adoita secar por pulverización para producir aglomerados de fluxo libre unidos por ligantes orgánicos. Ao axustar a composición do ligante orgánico, a fluxo e a densidade de carga destes aglomerados pódense adaptar como desexe. Ao cribar partículas máis grosas ou máis finas, a distribución do tamaño de partículas do aglomerado pódese adaptar aínda máis para garantir un bo fluxo cando se cargue na cavidade do molde.
Fabricación de pezas de traballo
As pezas de traballo de carburo pódense formar mediante unha variedade de métodos de proceso. Dependendo do tamaño da peza de traballo, do nivel de complexidade da forma e do lote de produción, a maioría das insercións de corte están moldeadas usando matrices ríxidas de top e inferior. Para manter a coherencia do peso e do tamaño da peza durante cada prensado, é necesario asegurarse de que a cantidade de po (masa e volume) que flúe na cavidade sexa exactamente a mesma. A fluidez do po está controlada principalmente pola distribución do tamaño dos aglomerados e as propiedades do ligante orgánico. As pezas de traballo moldeadas (ou "brancos") fórmanse aplicando unha presión de moldura de 10-80 ksi (quilos de quilo por metro cadrado) ao po cargado na cavidade do molde.
Incluso baixo unha presión de moldura extremadamente alta, as partículas de carburo de tungsteno duras non se deformarán nin romperán, pero o ligante orgánico presiona nas lagoas entre as partículas de carburo de tungsteno, fixando así a posición das partículas. Canto maior sexa a presión, máis axustado é a unión das partículas de carburo de tungsteno e maior é a densidade de compactación da peza. As propiedades de moldura das cualificacións de po de carburo cimentadas poden variar, dependendo do contido do aglutinante metálico, do tamaño e forma das partículas de carburo de tungsteno, do grao de aglomeración e da composición e adición de ligante orgánico. Para proporcionar información cuantitativa sobre as propiedades de compactación das cualificacións de polvos de carburo cimentados, a relación entre a densidade de moldura e a presión de moldeo normalmente é deseñada e construída polo fabricante de po. Esta información asegura que o po subministrado é compatible co proceso de moldura do fabricante de ferramentas.
As pezas de traballo de carburo de gran tamaño ou as pezas de traballo de carburo con altas relacións de aspecto (como os xamóns para fábricas e exercicios) son normalmente fabricadas a partir de notas de po de carburo uniformemente presionadas nunha bolsa flexible. Aínda que o ciclo de produción do método de prensado equilibrado é máis longo que o do método de moldura, o custo de fabricación da ferramenta é menor, polo que este método é máis adecuado para a produción de lotes pequenos.
Este método de proceso é meter o po na bolsa e selar a boca da bolsa e, a continuación, poñer a bolsa chea de po nunha cámara e aplicar unha presión de 30-60ksi a través dun dispositivo hidráulico para premer. As pezas de traballo prensadas adoitan ser mecanizadas a xeometrías específicas antes da sinterización. O tamaño do saco amplíase para acomodar o encollemento da peza durante a compactación e para proporcionar unha marxe suficiente para as operacións de moenda. Dado que a peza debe ser procesada despois de presionar, os requisitos para a coherencia de carga non son tan estritos como os do método de moldura, pero aínda é desexable asegurarse de que cada vez se cargue a mesma cantidade de po na bolsa. Se a densidade de carga do po é demasiado pequena, pode levar a un po insuficiente na bolsa, dando lugar a que a peza sexa demasiado pequena e ter que ser despexada. Se a densidade de carga do po é demasiado alta e o po cargado na bolsa é demasiado, a peza de traballo debe ser procesada para eliminar máis po despois de que se presione. Aínda que o exceso de po eliminado e as pezas de traballo desgarrado pode ser reciclado, facelo reduce a produtividade.
As pezas de traballo de carburo tamén se poden formar mediante matrices de extrusión ou matrices de inxección. O proceso de moldura de extrusión é máis adecuado para a produción en masa de pezas de traballo de forma eixeimétrica, mentres que o proceso de moldeo por inxección adoita usarse para a produción en masa de pezas de forma complexa de forma. En ambos os procesos de moldura, suspéndese as cualificacións de po de carburo cimentadas nun ligante orgánico que imparte unha coherencia similar á pasta de dentes á mestura de carburo cimentada. O composto é entón extruído a través dun burato ou inxectado nunha cavidade para formar. As características do grao de po de carburo cimentado determinan a relación óptima de po a ligante na mestura e teñen unha influencia importante na fluxo da mestura a través do burato de extrusión ou a inxección na cavidade.
Despois de que a peza de traballo estea formada por moldeo, prensado isostático, extrusión ou moldura por inxección, o ligante orgánico debe ser eliminado da peza antes da fase de sinterización final. A sinterización elimina a porosidade da peza de traballo, tornándoa completamente (ou substancialmente) densa. Durante a sinterización, o enlace metálico na peza de traballo formado en prensa vólvese líquido, pero a peza conserva a súa forma baixo a acción combinada das forzas capilares e do enlace de partículas.
Despois da sinterización, a xeometría da peza segue sendo a mesma, pero as dimensións son reducidas. Para obter o tamaño da peza de traballo requirido despois da sinterización, hai que considerar a taxa de encollemento ao deseñar a ferramenta. O grao de po de carburo usado para facer que cada ferramenta debe ser deseñada para ter o encollemento correcto cando se compacta baixo a presión adecuada.
En case todos os casos, é necesario un tratamento post-sinterización da peza de traballo sinterizado. O tratamento máis básico das ferramentas de corte é afiar a vangarda. Moitas ferramentas requiren moer da súa xeometría e dimensións despois da sinterización. Algunhas ferramentas requiren moenda superior e inferior; Outros requiren moenda periférica (con ou sen afiar a vangarda). Pódense reciclar todas as fichas de carburo de moenda.
Revestimento da peza
En moitos casos, a peza acabada debe ser revestida. O revestimento proporciona lubricidade e maior dureza, así como unha barreira de difusión para o substrato, evitando a oxidación cando se expón a altas temperaturas. O substrato de carburo cimentado é fundamental para o rendemento do revestimento. Ademais de adaptar as principais propiedades do po de matriz, as propiedades da superficie da matriz tamén se poden adaptar mediante selección de produtos químicos e cambiar o método de sinterización. A través da migración do cobalto, pódese enriquecer máis cobalto na capa máis externa da superficie da lámina dentro do grosor de 20-30 μm en relación ao resto da peza, dando así a superficie do substrato mellor forza e dureza, tornándoa máis resistente á deformación.
Con base no seu propio proceso de fabricación (como o método de desgraza, a taxa de calefacción, o tempo de sinterización, a temperatura e a tensión de carburización), o fabricante de ferramentas pode ter algúns requisitos especiais para o grao de po de carburo cimentado empregado. Algúns fabricantes de ferramentas poden sinterizar a peza nun forno de baleiro, mentres que outros poden usar un forno de sinterización de prensado isostático (cadeira) quente (que presiona a peza preto do final do ciclo de proceso para eliminar os residuos) poros). As pezas sinterizadas nun forno de baleiro tamén poden ter que ser presionadas isostaticamente a través dun proceso adicional para aumentar a densidade da peza de traballo. Algúns fabricantes de ferramentas poden usar temperaturas de sinterización de baleiro máis elevadas para aumentar a densidade de mesturas sinterizadas con menor contido de cobalto, pero este enfoque pode picar a súa microestrutura. Para manter un tamaño de gran fino, pódense seleccionar polvos cun tamaño de partícula menor de carburo de tungsteno. Para coincidir cos equipos específicos de produción, as condicións de desembarco e a tensión de carburización tamén teñen diferentes requisitos para o contido de carbono no po de carburo cimentado.
Clasificación de grao
Os cambios combinados de diferentes tipos de po de carburo de tungsteno, composición de mestura e contido de ligante metálico, tipo e cantidade de inhibidor do crecemento do gran, etc., constitúen unha variedade de nobidos cimentados. Estes parámetros determinarán a microestrutura do carburo cimentado e as súas propiedades. Algunhas combinacións específicas de propiedades convertéronse na prioridade para algunhas aplicacións de procesamento específicas, polo que é significativo clasificar varias cualificacións de carburo cimentadas.
Os dous sistemas de clasificación de carburo máis empregados para aplicacións de mecanizado son o sistema de designación C e o sistema de designación ISO. Aínda que ningún dos dous sistemas reflicte plenamente as propiedades dos materiais que inflúen na elección de cualificacións de carburo cimentadas, proporcionan un punto de partida para a discusión. Para cada clasificación, moitos fabricantes teñen as súas propias notas especiais, obtendo unha gran variedade de notas de carburo。
As cualificacións de carburo tamén se poden clasificar por composición. Os graos de carburo de tungsteno (WC) pódense dividir en tres tipos básicos: simple, microcristalino e aliado. Os graos simplex consisten principalmente en ligantes de carburo de tungsteno e cobalto, pero tamén poden conter pequenas cantidades de inhibidores do crecemento do gran. O grao microcristalino está composto por carburo de tungsteno e ligante de cobalto engadido con varias milésimas de carburo de vanadio (VC) e (ou) carburo de cromo (CR3C2), e o seu tamaño de gran pode chegar a 1 μM ou menos. Os graos de aliaxe están compostos por carburos de tungsteno e ligantes de cobalto que conteñen un pouco de carburo de titanio por cento (TIC), carburo de tantalum (TAC) e carburo de niobio (NBC). Estas adicións tamén se coñecen como carburos cúbicos debido ás súas propiedades de sinterización. A microestrutura resultante presenta unha estrutura trifásica inhomoxénea.
1) Simple Carbide Guass
Estas cualificacións para o corte de metais normalmente conteñen do 3% ao 12% de cobalto (en peso). O rango de tamaño de grans de carburo de tungsteno normalmente está entre 1-8 μm. Do mesmo xeito que ocorre con outros graos, reducir o tamaño da partícula do carburo de tungsteno aumenta a súa dureza e a resistencia transversal (TRS), pero reduce a súa dureza. A dureza do tipo puro está normalmente entre HRA89-93,5; A resistencia á ruptura transversal normalmente está entre 175-350KI. Os po destes graos poden conter grandes cantidades de materiais reciclados.
Os graos de tipo sinxelo pódense dividir en C1-C4 no sistema de grao C e pódense clasificar segundo a serie K, N, S e H no sistema de grao ISO. Os graos simplex con propiedades intermedias pódense clasificar como notas de propósito xeral (como C2 ou K20) e pódense usar para xirar, fresar, planificar e aburrir; As cualificacións cun tamaño de gran menor ou un menor contido de cobalto e maior dureza pódense clasificar como cualificacións de acabado (como C4 ou K01); As cualificacións cun tamaño de gran maior ou un maior contido de cobalto e unha mellor dureza pódense clasificar como notas de rugosidade (como C1 ou K30).
As ferramentas feitas en clases simplex pódense usar para mecanizar o ferro fundido, o aceiro inoxidable, o aluminio, o aluminio e outros metais non férreos, as superalloys e os aceiros endurecidos. Estas cualificacións tamén se poden usar en aplicacións de corte non metálicas (por exemplo, como ferramentas de perforación de rocha e xeolóxica), e estes graos teñen un rango de tamaño de gran de 1,5-10μm (ou maior) e un contido de cobalto de 6%-16%. Outro uso de corte non metal de simples cualificacións de carburo está na fabricación de matrices e golpes. Estas cualificacións normalmente teñen un tamaño medio de gran cun contido de cobalto do 16%-30%.
(2) Notas de carburo cimentadas con microcrystalinas
Estas cualificacións normalmente conteñen un 6% -15% de cobalto. Durante a sinterización en fase líquida, a adición de carburo de vanadio e/ou carburo de cromo pode controlar o crecemento do gran para obter unha estrutura de gran fino cun tamaño de partícula inferior a 1 μM. Este grao de gran fino ten unha dureza moi elevada e forzas de ruptura transversais por encima dos 500ksi. A combinación de alta resistencia e dureza suficiente permite que estas notas utilicen un ángulo de rastrillo positivo maior, o que reduce as forzas de corte e produce chips máis finos ao cortar en vez de empurrar o material metálico.
A través dunha estrita identificación de calidade de diversas materias primas na produción de graos de po de carburo cimentado e un control estrito das condicións do proceso de sinterización para evitar a formación de grans anormalmente grandes na microestrutura material, é posible obter propiedades materiais adecuadas. Para manter o tamaño do gran pequeno e uniforme, o po reciclado reciclado só se debe usar se hai un control total do proceso de materia prima e de recuperación e probas de calidade extensas.
As cualificacións microcristalinas pódense clasificar segundo a serie M de grao M no sistema ISO. Ademais, outros métodos de clasificación no sistema de grao C e no sistema ISO son os mesmos que as notas puras. As cualificacións de microcristalinas pódense usar para facer ferramentas que corten materiais máis suaves, porque a superficie da ferramenta pode ser mecanizada moi suave e pode manter un corte extremadamente afiado.
Os graos microcristalinos tamén se poden usar para máquina de superalogas a base de níquel, xa que poden soportar temperaturas de corte de ata 1200 ° C. Para o procesamento de superalloys e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de grao microcrystalino e ferramentas de grao puro que conteñen rutenio pode mellorar simultaneamente a súa resistencia ao desgaste, resistencia á deformación e dureza. As cualificacións microcristalinas tamén son adecuadas para a fabricación de ferramentas rotativas como os exercicios que xeran estrés de cizallamento. Hai unha broca feita de graos compostos de carburo cimentado. En partes específicas do mesmo simulacro, o contido de cobalto no material varía, de xeito que a dureza e a dureza do simulacro optimízanse segundo as necesidades de procesamento.
(3) graos de carburo cimentados tipo aliaxe
Estas cualificacións úsanse principalmente para cortar pezas de aceiro, e o seu contido en cobalto adoita ser do 5%-10%e o tamaño do gran oscila entre 0,8-2μm. Ao engadir un carburo de titanio do 4% -25% (TIC), pódese reducir a tendencia do carburo de tungsteno (WC) á superficie dos chips de aceiro. A forza da ferramenta, a resistencia ao desgaste do cráter e a resistencia ao choque térmico pódense mellorar engadindo ata un 25% de carburo de tantalum (TAC) e carburo de niobio (NBC). A adición de tales carburos cúbicos tamén aumenta a dureza vermella da ferramenta, axudando a evitar a deformación térmica da ferramenta en corte pesado ou outras operacións onde a vangarda xerará altas temperaturas. Ademais, o carburo de titanio pode proporcionar sitios de nucleación durante a sinterización, mellorando a uniformidade da distribución de carburos cúbicos na peza de traballo.
En xeral, o rango de dureza dos graos de carburo cimentado tipo aliaxe é HRA91-94, e a forza de fractura transversal é de 150-300KSI. En comparación cos graos puros, as notas de aliaxe teñen unha mala resistencia ao desgaste e menor resistencia, pero teñen unha mellor resistencia ao desgaste adhesivo. Os graos de aliaxe pódense dividir en C5-C8 no sistema de grao C e pódense clasificar segundo a serie P e M de grao M no sistema ISO. Os graos de aliaxe con propiedades intermedias pódense clasificar como notas de propósito xeral (como C6 ou P30) e pódense usar para xirar, tocar, planificar e fresar. As cualificacións máis duras pódense clasificar como notas de finalización (como C8 e P01) para rematar as operacións de xiro e aburrimento. Estas cualificacións normalmente teñen tamaños de gran máis pequenos e menor contido de cobalto para obter a dureza e a resistencia ao desgaste requiridas. Non obstante, pódense obter propiedades do material similares engadindo máis carburos cúbicos. As cualificacións con maior dureza pódense clasificar como cualificacións (por exemplo, C5 ou P50). Estas cualificacións normalmente teñen un tamaño medio de gran e un alto contido en cobalto, con baixas adicións de carburos cúbicos para lograr a dureza desexada ao inhibir o crecemento da fisura. Nas operacións de xiro interrompidas, o rendemento de corte pódese mellorar aínda máis empregando os graos ricos en cobalto mencionados con maior contido de cobalto na superficie da ferramenta.
As cualificacións de aliaxe cun menor contido de carburo de titanio úsanse para mecanizar aceiro inoxidable e ferro maleable, pero tamén se pode usar para mecanizar metais non férreos como as superalloys a base de níquel. O tamaño do gran destes graos adoita ser inferior a 1 μM, e o contido de cobalto é do 8%-12%. As cualificacións máis duras, como M10, pódense usar para xirar o ferro maleable; As cualificacións máis duras, como M40, pódense usar para o fresado e a planificación de aceiro, ou para xirar aceiro inoxidable ou superalimas.
As cualificacións de carburo cimentadas de tipo alia tamén se poden usar con fins de corte non metal, principalmente para a fabricación de pezas resistentes ao desgaste. O tamaño de partícula destes graos adoita ser de 1,2-2 μm, e o contido de cobalto é do 7%-10%. Ao producir estas cualificacións, adoita engadirse unha alta porcentaxe de materia prima reciclada, obtendo unha elevada rendibilidade nas aplicacións de pezas de desgaste. As pezas de desgaste requiren unha boa resistencia á corrosión e a alta dureza, que se poden obter engadindo níquel e carburo de cromo ao producir estas cualificacións.
Para cumprir os requisitos técnicos e económicos dos fabricantes de ferramentas, o po de carburo é o elemento clave. Os poes deseñados para os equipos de mecanizado de fabricantes de ferramentas e os parámetros de proceso garanten o rendemento da peza de traballo acabado e deron como resultado centos de nobidos. A natureza reciclable dos materiais de carburo e a capacidade de traballar directamente cos provedores de po permite aos fabricantes de ferramentas controlar eficazmente a calidade do seu produto e os custos dos materiais.
Tempo de publicación: 18-2022 de outubro
