O carburo é a clase máis utilizada de materiais de ferramentas de mecanizado de alta velocidade (HSM), que se producen mediante procesos de metalurxia do po e consisten en partículas de carburo duro (xeralmente carburo de tungsteno WC) e unha composición de enlace metálico máis suave. Na actualidade, hai centos de carburos cementados a base de WC con diferentes composicións, a maioría dos cales utilizan cobalto (Co) como aglutinante, níquel (Ni) e cromo (Cr) tamén son elementos aglutinantes de uso habitual, e tamén se poden engadir outros. . algúns elementos de aliaxe. Por que hai tantas calidades de carburo? Como escollen os fabricantes de ferramentas o material axeitado para unha operación de corte específica? Para responder a estas preguntas, vexamos primeiro as diversas propiedades que fan do carburo cementado un material de ferramenta ideal.
dureza e tenacidade
O carburo cementado WC-Co ten vantaxes únicas tanto en dureza como en tenacidade. O carburo de volframio (WC) é inherentemente moi duro (máis que o corindón ou a alúmina), e a súa dureza raramente diminúe a medida que aumenta a temperatura de funcionamento. Non obstante, carece da tenacidade suficiente, unha propiedade esencial para as ferramentas de corte. Co fin de aproveitar a alta dureza do carburo de volframio e mellorar a súa tenacidade, a xente usa enlaces metálicos para unir o carburo de volframio, de xeito que este material ten unha dureza moi superior á do aceiro de alta velocidade, mentres que é capaz de soportar a maioría dos cortes. operacións. forza de corte. Ademais, pode soportar as altas temperaturas de corte causadas polo mecanizado a alta velocidade.
Hoxe, case todos os coitelos e insercións WC-Co están revestidos, polo que o papel do material base parece menos importante. Pero de feito, é o alto módulo elástico do material WC-Co (unha medida de rixidez, que é unhas tres veces a do aceiro de alta velocidade a temperatura ambiente) o que proporciona o substrato non deformable para o revestimento. A matriz WC-Co tamén proporciona a dureza necesaria. Estas propiedades son as propiedades básicas dos materiais WC-Co, pero as propiedades do material tamén se poden adaptar axustando a composición e a microestrutura do material cando se producen po de carburo cementado. Polo tanto, a adecuación do rendemento da ferramenta a un mecanizado específico depende en gran medida do proceso de fresado inicial.
Proceso de fresado
O po de carburo de volframio obtense mediante a cementación do po de volframio (W). As características do po de carburo de volframio (especialmente o seu tamaño de partícula) dependen principalmente do tamaño de partícula da materia prima en po de volframio e da temperatura e do tempo de carburación. O control químico tamén é fundamental, e o contido de carbono debe manterse constante (próximo ao valor estequiométrico do 6,13% en peso). Pódese engadir unha pequena cantidade de vanadio e/ou cromo antes do tratamento de cementación para controlar o tamaño das partículas do po a través dos procesos posteriores. As diferentes condicións de proceso posteriores e os diferentes usos finais de procesamento requiren unha combinación específica de tamaño de partícula de carburo de tungsteno, contido de carbono, contido de vanadio e contido de cromo, a través da cal se poden producir unha variedade de diferentes po de carburo de tungsteno. Por exemplo, ATI Alldyne, un fabricante de po de carburo de tungsteno, produce 23 graos estándar de po de carburo de tungsteno e as variedades de po de carburo de tungsteno personalizados segundo os requisitos do usuario poden alcanzar máis de 5 veces as calidades estándar de po de carburo de tungsteno.
Ao mesturar e moer o po de carburo de tungsteno e o enlace metálico para producir un certo grao de po de carburo cementado, pódense usar varias combinacións. O contido de cobalto máis usado é 3% - 25% (relación de peso), e no caso de necesitar mellorar a resistencia á corrosión da ferramenta, é necesario engadir níquel e cromo. Ademais, a unión metálica pódese mellorar aínda máis engadindo outros compoñentes de aliaxe. Por exemplo, engadir rutenio ao carburo cementado WC-Co pode mellorar significativamente a súa dureza sen reducir a súa dureza. Aumentar o contido de aglutinante tamén pode mellorar a dureza do carburo cementado, pero reducirá a súa dureza.
Reducir o tamaño das partículas de carburo de volframio pode aumentar a dureza do material, pero o tamaño das partículas do carburo de volframio debe permanecer igual durante o proceso de sinterización. Durante a sinterización, as partículas de carburo de wolframio combínanse e medran mediante un proceso de disolución e reprecipitación. No proceso de sinterización real, para formar un material totalmente denso, a unión metálica vólvese líquida (chamada sinterización en fase líquida). A taxa de crecemento das partículas de carburo de volframio pódese controlar engadindo outros carburos de metais de transición, incluíndo carburo de vanadio (VC), carburo de cromo (Cr3C2), carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC) e carburo de niobio (NbC). Estes carburos metálicos adoitan engadirse cando o po de carburo de tungsteno se mestura e se muele cunha unión metálica, aínda que tamén se poden formar carburo de vanadio e carburo de cromo cando se carbura o po de carburo de tungsteno.
O po de carburo de volframio tamén se pode producir utilizando materiais de carburo cementado de residuos reciclados. A reciclaxe e reutilización de carburo de chatarra ten unha longa historia na industria do carburo cementado e é unha parte importante de toda a cadea económica da industria, contribuíndo a reducir os custos dos materiais, aforrar recursos naturais e evitar residuos. Eliminación nociva. O carburo cementado de chatarra xeralmente pódese reutilizar mediante o proceso APT (paratungstato de amonio), o proceso de recuperación de zinc ou por trituración. Estes po de carburo de tungsteno "reciclado" xeralmente teñen unha densificación mellor e previsible porque teñen unha superficie máis pequena que os po de carburo de tungsteno feitos directamente a través do proceso de carburación de wolframio.
As condicións de procesamento da moenda mixta de po de carburo de tungsteno e unión metálica tamén son parámetros cruciais do proceso. As dúas técnicas de fresado máis utilizadas son o fresado de bolas e o microfresado. Ambos procesos permiten unha mestura uniforme de po moído e un tamaño de partícula reducido. Para que a peza de traballo prensada posteriormente teña suficiente forza, manteña a forma da peza e permita que o operador ou o manipulador collela para a súa operación, normalmente é necesario engadir un aglutinante orgánico durante a moenda. A composición química deste enlace pode afectar a densidade e resistencia da peza prensada. Para facilitar a manipulación, é recomendable engadir aglutinantes de alta resistencia, pero isto dá lugar a unha menor densidade de compactación e poden producir grumos que poden provocar defectos no produto final.
Despois da moenda, o po adoita secar por pulverización para producir aglomerados fluídos unidos por aglutinantes orgánicos. Ao axustar a composición do aglutinante orgánico, a fluidez e a densidade de carga destes aglomerados pódense adaptar segundo se desexe. Ao filtrar partículas máis grosas ou finas, a distribución do tamaño das partículas do aglomerado pódese adaptar aínda máis para garantir un bo fluxo cando se carga na cavidade do molde.
Fabricación de pezas
As pezas de carburo poden formarse 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 mediante matrices ríxidas de presión superior e inferior. Para manter a consistencia 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 aglutinante orgánico. As pezas de traballo moldeadas (ou "en branco") fórmanse aplicando unha presión de moldeo de 10-80 ksi (quilo de libras por pé cadrado) ao po cargado na cavidade do molde.
Mesmo baixo unha presión de moldeo extremadamente alta, as partículas duras de carburo de tungsteno non se deformarán nin romperán, pero o aglutinante orgánico preséntase nos ocos entre as partículas de carburo de tungsteno, fixando así a posición das partículas. Canto maior sexa a presión, máis forte será a unión das partículas de carburo de tungsteno e maior será a densidade de compactación da peza. As propiedades de moldeo dos tipos de po de carburo cementado poden variar, dependendo do contido de aglutinante metálico, do tamaño e da forma das partículas de carburo de wolframio, do grao de aglomeración e da composición e adición do aglutinante orgánico. Co fin de proporcionar información cuantitativa sobre as propiedades de compactación dos tipos de po de carburo cementado, a relación entre a densidade de moldeo e a presión de moldeo adoita ser deseñada e construída polo fabricante do po. Esta información garante que o po subministrado é compatible co proceso de moldeo do fabricante da ferramenta.
As pezas de carburo de gran tamaño ou as pezas de carburo con relacións de aspecto elevadas (como vástagos para fresas e brocas) adoitan fabricarse a partir de calidades de carburo prensadas uniformemente nunha bolsa flexible. Aínda que o ciclo de produción do método de prensado equilibrado é máis longo que o do método de moldeo, o custo de fabricación da ferramenta é menor, polo que este método é máis axeitado para a produción de pequenos lotes.
Este método de proceso consiste en poñer o po na bolsa e selar a boca da bolsa, e despois poñer a bolsa chea de po nunha cámara e aplicar unha presión de 30-60ksi a través dun dispositivo hidráulico para presionar. As pezas prensadas adoitan mecanizarse a xeometrías específicas antes da sinterización. O tamaño do saco amplíase para acomodar a contracción da peza durante a compactación e para proporcionar unha marxe suficiente para as operacións de moenda. Dado que a peza de traballo debe ser procesada despois da prensa, os requisitos para a consistencia da carga non son tan estritos como os do método de moldeo, pero aínda é desexable asegurarse de que se cargue a mesma cantidade de po na bolsa cada vez. Se a densidade de carga do po é demasiado pequena, pode producirse unha falta de po na bolsa, polo que a peza de traballo sexa demasiado pequena e teña que ser eliminada. 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 presionala. Aínda que o exceso de po eliminado e as pezas de traballo desguazadas poden reciclarse, facelo reduce a produtividade.
As pezas de carburo tamén se poden formar mediante matrices de extrusión ou de inxección. O proceso de moldaxe por extrusión é máis axeitado para a produción en masa de pezas de forma axisimétrica, mentres que o proceso de moldaxe por inxección adoita usarse para a produción en masa de pezas de forma complexa. En ambos os procesos de moldeo, as calidades de po de carburo cementado están suspendidas nun aglutinante orgánico que dá unha consistencia parecida á pasta de dentes á mestura de carburo cementado. Despois, o composto extrúese a través dun burato ou inxéctase nunha cavidade para formar. As características do grao de po de carburo cementado determinan a proporción óptima de po a aglutinante na mestura e teñen unha influencia importante na fluidez da mestura a través do orificio de extrusión ou a inxección na cavidade.
Despois de que a peza de traballo está formada por moldeo, prensado isostático, extrusión ou moldeo por inxección, o aglutinante orgánico debe ser eliminado da peza antes da fase final de sinterización. A sinterización elimina a porosidade da peza, facéndoa totalmente (ou substancialmente) densa. Durante a sinterización, a unión metálica na peza de traballo formada por prensa vólvese líquida, pero a peza de traballo mantén a súa forma baixo a acción combinada das forzas capilares e a unión de partículas.
Despois da sinterización, a xeometría da peza segue sendo a mesma, pero as dimensións redúcense. Para obter o tamaño necesario da peza despois da sinterización, a taxa de contracción debe ser considerada ao deseñar a ferramenta. O grao de po de carburo utilizado para fabricar cada ferramenta debe deseñarse para ter a contracción correcta cando se compacta baixo a presión adecuada.
En case todos os casos, é necesario un tratamento posterior á sinterización da peza sinterizada. O tratamento máis básico das ferramentas de corte é afiar o filo de corte. Moitas ferramentas requiren rectificar a súa xeometría e dimensións despois da sinterización. Algunhas ferramentas requiren moenda superior e inferior; outras requiren un rectificado periférico (con ou sen afiar o filo de corte). Todas as virutas de carburo procedentes da moenda poden ser recicladas.
Revestimento da peza
En moitos casos, a peza de traballo acabada debe ser revestida. O revestimento proporciona lubricidade e maior dureza, así como unha barreira de difusión ao substrato, evitando a oxidación cando se expón a altas temperaturas. O substrato de carburo cementado é fundamental para o rendemento do revestimento. Ademais de adaptar as principais propiedades do po da matriz, as propiedades da superficie da matriz tamén se poden adaptar mediante a selección química e o cambio do método de sinterización. A través da migración do cobalto, pódese enriquecer máis cobalto na capa máis externa da superficie da lámina dentro dun espesor de 20-30 μm en relación ao resto da peza, dando así á superficie do substrato unha mellor resistencia e tenacidade, facéndoo máis resistente. resistente á deformación.
En función do seu propio proceso de fabricación (como o método de desparafinado, a velocidade de quecemento, o tempo de sinterización, a temperatura e a tensión de carburación), o fabricante da ferramenta pode ter algúns requisitos especiais para o grao de po de carburo cementado utilizado. Algúns fabricantes de ferramentas poden sinterizar a peza de traballo nun forno de baleiro, mentres que outros poden usar un forno de sinterización de prensa isostática en quente (HIP) (que presuriza a peza de traballo preto do final do ciclo do proceso para eliminar os poros). As pezas sinterizadas nun forno de baleiro tamén deben ser presionadas isostáticamente en quente mediante un proceso adicional para aumentar a densidade da peza. Algúns fabricantes de ferramentas poden usar temperaturas de sinterización ao baleiro máis altas para aumentar a densidade de sinterización de mesturas con menor contido de cobalto, pero este enfoque pode engrosar a súa microestrutura. Para manter un tamaño de gran fino, pódense seleccionar po con tamaño de partícula menor de carburo de tungsteno. Para adaptarse ao equipo de produción específico, as condicións de desparafinado e a tensión de cementación tamén teñen diferentes requisitos para o contido de carbono no po de carburo cementado.
Clasificación de graos
Os cambios combinados de diferentes tipos de po de carburo de tungsteno, composición da mestura e contido de aglutinante metálico, tipo e cantidade de inhibidor de crecemento de grans, etc., constitúen unha variedade de graos de carburo cementado. Estes parámetros determinarán a microestrutura do carburo cementado e as súas propiedades. Algunhas combinacións específicas de propiedades convertéronse na prioridade para algunhas aplicacións de procesamento específicas, polo que resulta significativo a clasificación de varias calidades de carburo cementado.
Os dous sistemas de clasificación de carburos máis utilizados para aplicacións de mecanizado son o sistema de designación C e o sistema de designación ISO. Aínda que ningún dos sistemas reflicte plenamente as propiedades dos materiais que inflúen na elección das calidades de carburo cementado, proporcionan un punto de partida para a discusión. Para cada clasificación, moitos fabricantes teñen os seus propios graos especiais, o que resulta nunha gran variedade de graos de carburo.
As calidades de carburo tamén se poden clasificar por composición. As calidades de carburo de volframio (WC) pódense dividir en tres tipos básicos: simples, microcristalinos e aliados. As calidades simples consisten principalmente en aglutinantes de carburo de tungsteno e cobalto, pero tamén poden conter pequenas cantidades de inhibidores de crecemento de grans. O grao microcristalino está composto por carburo de tungsteno e aglutinante de cobalto engadidos con varias milésimas de carburo de vanadio (VC) e (ou) carburo de cromo (Cr3C2), e o seu tamaño de gran pode alcanzar 1 μm ou menos. Os graos de aliaxe están compostos por aglutinantes de carburo de tungsteno e cobalto que conteñen un pouco de carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (TaC) e carburo de niobio (NbC). Estas adicións tamén se coñecen como carburos cúbicos polas súas propiedades de sinterización. A microestrutura resultante presenta unha estrutura trifásica non homoxénea.
1) Graos de carburo simple
Estes graos para o corte de metal xeralmente conteñen entre un 3% e un 12% de cobalto (en peso). O rango de tamaño dos grans de carburo de tungsteno adoita estar entre 1 e 8 μm. Do mesmo xeito que con outras calidades, reducir o tamaño das partículas do carburo de volframio aumenta a súa dureza e resistencia á ruptura transversal (TRS), pero reduce a súa dureza. A dureza do tipo puro adoita estar entre HRA89-93,5; a resistencia á ruptura transversal adoita estar entre 175-350ksi. Os po destes graos poden conter grandes cantidades de materiais reciclados.
Os tipos simples pódense dividir en C1-C4 no sistema de cualificación C e pódense clasificar segundo as series de graos K, N, S e H no sistema de cualificación ISO. As calidades simples con propiedades intermedias pódense clasificar como calidades de uso xeral (como C2 ou K20) e pódense utilizar para torneado, fresado, cepillado e mandrinado; as calidades con menor tamaño de gran ou menor contido de cobalto e maior dureza pódense clasificar como calidades de acabado (como C4 ou K01); as calidades con gran tamaño de gran ou maior contido de cobalto e mellor tenacidade pódense clasificar como graos de desbaste (como C1 ou K30).
As ferramentas fabricadas en calidades Simplex pódense utilizar para mecanizar ferro fundido, aceiro inoxidable das series 200 e 300, aluminio e outros metais non férreos, superaliaxes e aceiros endurecidos. Estes graos tamén se poden usar en aplicacións de corte non metálicos (por exemplo, como ferramentas de perforación xeolóxica e de rocha), e estes tipos teñen un rango de tamaño de gran de 1,5-10 μm (ou máis) e un contido de cobalto do 6%-16%. Outro uso de corte non metálico das calidades simples de carburo é na fabricación de matrices e punzóns. Estes graos adoitan ter un tamaño de gran medio cun contido de cobalto do 16% ao 30%.
(2) Graos de carburo cementado microcristalino
Estes graos adoitan conter 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 unha resistencia á ruptura transversal superior a 500ksi. A combinación de alta resistencia e tenacidade suficiente permite que estas calidades usen un ángulo de inclinación positivo maior, o que reduce as forzas de corte e produce virutas máis finas ao cortar en lugar de empurrar o material metálico.
A través da identificación rigorosa de calidade de varias materias primas na produción de graos de po de carburo cementado e un control estrito das condicións do proceso de sinterización para evitar a formación de grans anormalmente grandes na microestrutura do material, é posible obter propiedades adecuadas do material. Co fin de manter o tamaño do gran pequeno e uniforme, só se debe usar o po reciclado reciclado se hai un control total da materia prima e do proceso de recuperación, e se hai probas de calidade exhaustivas.
Os graos microcristalinos pódense clasificar segundo a serie de graos M no sistema de graos ISO. Ademais, outros métodos de clasificación no sistema de cualificación C e no sistema de cualificación ISO son os mesmos que as notas puras. As calidades microcristalinas pódense usar para fabricar ferramentas que cortan materiais de pezas máis brandas, xa que a superficie da ferramenta pódese mecanizar moi lisa e pode manter un filo extremadamente afiado.
As calidades microcristalinas tamén se poden usar para mecanizar superaliaxes a base de níquel, xa que poden soportar temperaturas de corte de ata 1200 °C. Para o procesamento de superaliaxes e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de grao microcristalino e ferramentas de grao puro que conteñen rutenio poden mellorar simultaneamente a súa resistencia ao desgaste, a resistencia á deformación e a dureza. As calidades microcristalinas tamén son adecuadas para a fabricación de ferramentas rotativas como brocas que xeran tensión cortante. Hai unha broca feita de graos compostos de carburo cementado. En partes específicas da mesma broca, o contido de cobalto no material varía, de xeito que a dureza e a tenacidade da broca se optimizan segundo as necesidades de procesamento.
(3) Tipos de aleación de carburo cementado
Estes graos utilízanse principalmente para cortar pezas de aceiro e o seu contido en cobalto adoita ser do 5% ao 10% e o tamaño do gran varía entre 0,8 e 2 μm. Engadindo un 4%-25% de carburo de titanio (TiC), pódese reducir a tendencia do carburo de volframio (WC) a difundirse na superficie das virutas de aceiro. A resistencia da ferramenta, a resistencia ao desgaste do cráter e a resistencia ao choque térmico pódense mellorar engadindo ata un 25% de carburo de tántalo (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 cortes pesados ou outras operacións nas que o filo de corte xerará altas temperaturas. Ademais, o carburo de titanio pode proporcionar sitios de nucleación durante a sinterización, mellorando a uniformidade da distribución do carburo cúbico na peza de traballo.
En xeral, o rango de dureza dos graos de carburo cementado de tipo aliaxe é HRA91-94 e a resistencia á fractura transversal é de 150-300ksi. En comparación cos graos puros, os graos de aliaxe teñen unha escasa resistencia ao desgaste e menor resistencia, pero teñen unha mellor resistencia ao desgaste do adhesivo. Os graos de aliaxe pódense dividir en C5-C8 no sistema de graos C e pódense clasificar segundo as series de graos P e M no sistema de calidade ISO. As calidades de aliaxe con propiedades intermedias pódense clasificar como calidades de propósito xeral (como C6 ou P30) e pódense usar para torneado, roscado, cepillado e fresado. Os graos máis duros pódense clasificar como graos de acabado (como C8 e P01) para as operacións de acabado de torneado e mandrinado. Estes graos adoitan ter tamaños de grans máis pequenos e menor contido de cobalto para obter a dureza e resistencia ao desgaste necesarias. Non obstante, pódense obter propiedades similares de materiais engadindo máis carburos cúbicos. As calidades coa maior tenacidade pódense clasificar como graos de desbaste (por exemplo, C5 ou P50). Estes graos adoitan ter un tamaño de gran medio e un alto contido de cobalto, con baixas adicións de carburos cúbicos para acadar a dureza desexada inhibindo o crecemento da fisura. Nas operacións de torneado interrompidas, o rendemento de corte pódese mellorar aínda máis empregando as calidades ricas en cobalto mencionadas anteriormente con maior contido de cobalto na superficie da ferramenta.
As calidades de aliaxes cun menor contido de carburo de titanio úsanse para mecanizar aceiro inoxidable e ferro maleable, pero tamén se poden usar para mecanizar metais non férreos como superaliaxes 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 calidades máis duras, como M10, pódense usar para tornear ferro maleable; As calidades máis resistentes, como M40, pódense usar para fresar e cepillar aceiro, ou para tornear aceiro inoxidable ou superaliaxes.
As calidades de carburo cementado de tipo aliaxe tamén se poden utilizar para fins de corte non metálicos, 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%. Cando se producen estas calidades, adoita engadirse unha alta porcentaxe de materia prima reciclada, o que resulta nunha alta rendibilidade nas aplicacións de pezas de desgaste. As pezas de desgaste requiren unha boa resistencia á corrosión e unha alta dureza, que se poden obter engadindo níquel e carburo de cromo ao producir estas calidades.
Para satisfacer os requisitos técnicos e económicos dos fabricantes de ferramentas, o po de carburo é o elemento clave. Os po deseñados para os equipos de mecanizado dos fabricantes de ferramentas e os parámetros do proceso garanten o rendemento da peza acabada e deron como resultado centos de graos de carburo. 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 dos seus produtos e os custos dos materiais.
Hora de publicación: 18-Oct-2022
