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 constan de partículas de carburo duro (xeralmente carburo de tungsteno WC) e unha composición de aglutinante metálica máis branda. Na actualidade, existen centos de carburos cementados a base de WC con diferentes composicións, a maioría dos cales usan cobalto (Co) como aglutinante, o níquel (Ni) e o cromo (Cr) tamén son elementos aglutinantes de uso común, e tamén se poden engadir outros elementos de aliaxe. Por que hai tantos graos de carburo? Como escollen os fabricantes de ferramentas o material de ferramenta 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 de tenacidade suficiente, unha propiedade esencial para as ferramentas de corte. Para aproveitar a alta dureza do carburo de volframio e mellorar a súa tenacidade, a xente usa enlaces metálicos para unir carburo de volframio, de xeito que este material ten unha dureza que supera con creces a do aceiro de alta velocidade, sendo capaz de soportar a maioría das operacións de corte. Ademais, pode soportar as altas temperaturas de corte causadas polo mecanizado de alta velocidade.
Hoxe en día, case todas as coitelas e insercións de WC-Co están revestidas, polo que o papel do material base parece menos importante. Pero, de feito, é o alto módulo elástico do material WC-Co (unha medida da rixidez, que é aproximadamente tres veces maior que a do aceiro rápido a temperatura ambiente) o que proporciona o substrato non deformable para o revestimento. A matriz de WC-Co tamén proporciona a tenacidade requirida. 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 ao producir pos de carburo cementado. Polo tanto, a idoneidade do rendemento da ferramenta para un mecanizado específico depende en gran medida do proceso de fresado inicial.
proceso de moenda
O po de carburo de volframio obtense cementando po de volframio (W). As características do po de carburo de volframio (especialmente o seu tamaño de partícula) dependen principalmente do tamaño de partícula do po de volframio como materia prima e da temperatura e o tempo de cementación. O control químico tamén é fundamental 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 cementación para controlar o tamaño das partículas do po mediante procesos posteriores. As diferentes condicións do proceso posterior e os diferentes usos do procesamento final requiren unha combinación específica de tamaño de partícula de carburo de volframio, contido de carbono, contido de vanadio e contido de cromo, a través da cal se pode producir unha variedade de pos de carburo de volframio diferentes. Por exemplo, ATI Alldyne, un fabricante de po de carburo de volframio, produce 23 graos estándar de po de carburo de volframio, e as variedades de po de carburo de volframio personalizadas segundo os requisitos do usuario poden alcanzar máis de 5 veces as graos estándar de po de carburo de volframio.
Ao mesturar e moer po de carburo de volframio e aglutinante metálico para producir un determinado grao de po de carburo cementado, pódense usar varias combinacións. O contido de cobalto máis utilizado é do 3 % ao 25 % (proporción en peso) e, no caso de que sexa necesario 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 tenacidade sen reducir a súa dureza. Aumentar o contido de aglutinante tamén pode mellorar a tenacidade 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 volframio 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 volframio se mestura e se moe cun enlace metálico, aínda que tamén se poden formar carburo de vanadio e carburo de cromo cando se carburiza o po de carburo de volframio.
O po de carburo de volframio tamén se pode producir utilizando materiais de carburo cementado reciclados. A reciclaxe e reutilización de carburo de refugallo ten unha longa historia na industria do carburo cementado e é unha parte importante de toda a cadea económica da industria, axudando a reducir os custos dos materiais, aforrar recursos naturais e evitar materiais residuais. Eliminación nociva. O carburo cementado de refugallo xeralmente pódese reutilizar mediante o proceso APT (paratungstato de amonio), o proceso de recuperación de zinc ou por trituración. Estes pos de carburo de volframio "reciclados" xeralmente teñen unha densificación mellor e predecible porque teñen unha área superficial menor que os pos de carburo de volframio fabricados directamente mediante o proceso de cementación de volframio.
As condicións de procesamento da moenda mixta de po de carburo de volframio e aglomerante metálico tamén son parámetros cruciais do proceso. As dúas técnicas de moenda máis empregadas son a moenda de bolas e a micromoenda. Ambos os procesos permiten unha mestura uniforme dos pos moídos e un tamaño de partícula reducido. Para que a peza prensada posteriormente teña a resistencia suficiente, manteña a forma da peza e permita que o operador ou manipulador a recolla para a operación, normalmente é necesario engadir un aglomerante orgánico durante a moenda. A composición química deste aglomerante pode afectar a densidade e a resistencia da peza prensada. Para facilitar a manipulación, é aconsellable engadir aglomerantes de alta resistencia, pero isto resulta nunha menor densidade de compactación e pode producir grumos que poden causar defectos no produto final.
Despois da moenda, o po adoita secarse por pulverización para producir aglomerados de fluxo libre unidos por aglutinantes orgánicos. Axustando a composición do aglutinante orgánico, a fluidez e a densidade de carga destes aglomerados pódense adaptar segundo se desexe. Ao filtrar as 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 pódense formar mediante diversos métodos de proceso. Dependendo do tamaño da peza, do nivel de complexidade da forma e do lote de produción, a maioría das insercións de corte moldéanse con matrices ríxidas de presión superior e inferior. Para manter a consistencia do peso e o tamaño da peza durante cada prensado, é necesario garantir que a cantidade de po (masa e volume) que flúe cara á cavidade sexa exactamente a mesma. A fluidez do po contrólase principalmente pola distribución de tamaño dos aglomerados e as propiedades do aglutinante orgánico. As pezas moldeadas (ou "piezas en bruto") fórmanse aplicando unha presión de moldeo de 10-80 ksi (quilolibras 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 é presionado 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, o tamaño e a forma das partículas de carburo de tungsteno, o grao de aglomeración e a composición e a adición de aglutinante orgánico. Co fin de proporcionar información cuantitativa sobre as propiedades de compactación dos tipos de pos 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 sexa 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 os mangos para fresas e brocas) fabrícanse normalmente a partir de po de carburo prensado 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 en lotes pequenos.
Este método de proceso consiste en introducir o po na bolsa, selar a boca da bolsa e, a continuación, colocar a bolsa chea de po nunha cámara e aplicar unha presión de 30-60 ksi a través dun dispositivo hidráulico para prensar. As pezas prensadas adoitan mecanizarse con xeometrías específicas antes da sinterización. O tamaño do saco agrándase para adaptarse á contracción da peza durante a compactación e para proporcionar unha marxe suficiente para as operacións de moenda. Dado que a peza debe procesarse despois do prensado, os requisitos para a consistencia da carga non son tan estritos como os do método de moldeo, pero aínda así é desexable garantir que se cargue a mesma cantidade de po na bolsa cada vez. Se a densidade de carga do po é demasiado pequena, pode levar a que non haxa suficiente po na bolsa, o que fará que a peza sexa demasiado pequena e teña que ser desbotada. Se a densidade de carga do po é demasiado alta e o po cargado na bolsa é demasiado grande, a peza debe procesarse para eliminar máis po despois de prensala. Aínda que o exceso de po eliminado e as pezas desbotadas pódense reciclar, facelo reduce a produtividade.
As pezas de carburo tamén se poden formar mediante matrices de extrusión ou matrices de inxección. O proceso de moldeo por extrusión é máis axeitado para a produción en masa de pezas de forma axisimétrica, mentres que o proceso de moldeo por inxección adoita usarse para a produción en masa de pezas de forma complexa. En ambos os procesos de moldeo, os tipos de po de carburo cementado suspéndense nun aglutinante orgánico que lle confire unha consistencia similar á dunha pasta de dentes á mestura de carburo cementado. O composto extrúese entón a través dun orificio ou inxéctase nunha cavidade para formalo. As características do tipo de po de carburo cementado determinan a proporción óptima de po e aglutinante na mestura e inflúen de xeito importante na fluidez da mestura a través do orificio de extrusión ou na inxección na cavidade.
Despois de que a peza se forme mediante moldeo, prensado isostático, extrusión ou moldeo por inxección, o aglutinante orgánico debe eliminarse 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 prensada vólvese líquida, pero a peza mantén a súa forma baixo a acción combinada das forzas capilares e a unión das partículas.
Despois da sinterización, a xeometría da peza permanece igual, pero as dimensións redúcense. Para obter o tamaño de peza requirido despois da sinterización, débese ter en conta a taxa de retracción ao deseñar a ferramenta. O grao de po de carburo empregado para fabricar cada ferramenta debe estar deseñado para ter a retracción correcta cando se compacta baixo a presión axeitada.
En case todos os casos, requírese 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 un rectificado da súa xeometría e dimensións despois da sinterización. Algunhas ferramentas requiren un rectificado superior e inferior; outras requiren un rectificado periférico (con ou sen afiar o filo de corte). Todas as virutas de carburo procedentes do rectificado pódense reciclar.
Revestimento da peza
En moitos casos, a peza acabada necesita 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 propiedades principais do po da matriz, as propiedades superficiais da matriz tamén se poden adaptar mediante a selección química e o cambio do método de sinterización. Mediante a migración do cobalto, pódese enriquecer máis cobalto na capa máis externa da superficie da lámina dentro dun grosor de 20-30 μm en relación co resto da peza, dándolle así á superficie do substrato unha mellor resistencia e tenacidade, facéndoa máis resistente á deformación.
En función do seu propio proceso de fabricación (como o método de desparafinado, a velocidade de quentamento, o tempo de sinterización, a temperatura e a tensión de cementación), 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 nun forno de baleiro, mentres que outros poden usar un forno de sinterización de prensado isostático en quente (HIP) (que presuriza a peza preto do final do ciclo do proceso para eliminar calquera residuo) poros). As pezas sinterizadas nun forno de baleiro tamén poden precisar ser prensadas isostaticamente en quente mediante un proceso adicional para aumentar a densidade da peza. Algúns fabricantes de ferramentas poden usar temperaturas de sinterización en baleiro máis altas para aumentar a densidade sinterizada de mesturas con menor contido de cobalto, pero este enfoque pode engrosar a súa microestrutura. Para manter un tamaño de gran fino, pódense seleccionar pos con tamaño de partícula máis pequeno de carburo de volframio. 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 combinatorios de diferentes tipos de po de carburo de volframio, a composición da mestura e o contido de aglutinante metálico, o tipo e a cantidade de inhibidor do crecemento do gran, 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, o que fai significativo clasificar varios graos de carburo cementado.
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 completamente as propiedades do material que inflúen na elección das calidades de carburo cementado, proporcionan un punto de partida para o debate. Para cada clasificación, moitos fabricantes teñen as súas propias calidades especiais, o que resulta nunha ampla variedade de calidades de carburo.
As calidades de carburo tamén se poden clasificar segundo a súa composición. As calidades de carburo de volframio (WC) pódense dividir en tres tipos básicos: simples, microcristalinas e aliadas. As calidades simplex constan principalmente de carburo de volframio e aglutinantes de cobalto, pero tamén poden conter pequenas cantidades de inhibidores do crecemento do gran. A calidade microcristalina está composta por carburo de volframio e aglutinante de cobalto engadido 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. As calidades de aliaxe están compostas por carburo de volframio e aglutinantes de cobalto que conteñen unha pequena porcentaxe de carburo de titanio (TiC), carburo de tántalo (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 non homoxénea.
1) Graos de carburo simples
Estas calidades para corte de metais adoitan conter entre un 3 % e un 12 % de cobalto (en peso). O rango de tamaño dos grans de carburo de volframio adoita estar entre 1 e 8 μm. Do mesmo xeito que outras calidades, a redución do tamaño das partículas de carburo de volframio aumenta a súa dureza e a súa resistencia á rotura transversal (TRS), pero reduce a súa tenacidade. A dureza do tipo puro adoita estar entre HRA89 e 93,5; a resistencia á rotura transversal adoita estar entre 175 e 350 ksi. Os pos destas calidades poden conter grandes cantidades de materiais reciclados.
As calidades de tipo simple pódense dividir en C1-C4 no sistema de calidades C e pódense clasificar segundo as series de calidades K, N, S e H no sistema de calidades ISO. As calidades simplex con propiedades intermedias pódense clasificar como calidades de uso xeral (como C2 ou K20) e pódense usar para torneado, fresado, cepillado e mandrinado; as calidades con tamaño de gran menor ou menor contido de cobalto e maior dureza pódense clasificar como calidades de acabado (como C4 ou K01); as calidades con maior tamaño de gran ou maior contido de cobalto e mellor tenacidade pódense clasificar como calidades de desbaste (como C1 ou K30).
As ferramentas fabricadas en calidades Simplex pódense usar para mecanizar ferro fundido, aceiro inoxidable das series 200 e 300, aluminio e outros metais non ferrosos, superaliaxes e aceiros endurecidos. Estas calidades tamén se poden usar en aplicacións de corte non metálico (por exemplo, como ferramentas de perforación de rochas e xeolóxicas) e teñen un rango de tamaño de gran de 1,5-10 μm (ou maior) e un contido de cobalto do 6 % ao 16 %. Outro uso das calidades de carburo simple no corte non metálico é na fabricación de matrices e punzóns. Estas calidades adoitan ter un tamaño de gran medio cun contido de cobalto do 16 % ao 30 %.
(2) Graos de carburo cementado microcristalino
Estas calidades adoitan conter entre un 6 % e un 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. Esta calidade de gran fino ten unha dureza moi alta e resistencias á rotura transversal superiores a 500 ksi. A combinación de alta resistencia e tenacidade suficiente permite que estas calidades utilicen un ángulo de ataque positivo maior, o que reduce as forzas de corte e produce virutas máis finas cortando en lugar de empurrar o material metálico.
Mediante unha estrita identificación da calidade de diversas 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 as propiedades axeitadas do material. Para manter o tamaño do gran pequeno e uniforme, o po reciclado só debe utilizarse se existe un control total da materia prima e do proceso de recuperación, así como probas de calidade exhaustivas.
As calidades microcristalinas pódense clasificar segundo a serie de calidades M do sistema de calidades ISO. Ademais, outros métodos de clasificación no sistema de calidades C e no sistema de calidades ISO son os mesmos que para as calidades puras. As calidades microcristalinas pódense usar para fabricar ferramentas que corten materiais de peza máis brandos, porque a superficie da ferramenta pódese mecanizar de forma moi lisa e pode manter un filo de corte extremadamente afiado.
As calidades microcristalinas tamén se poden empregar 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 calidade microcristalina e ferramentas de calidade pura que conteñan rutenio pode mellorar simultaneamente a súa resistencia ao desgaste, á deformación e á tenacidade. As calidades microcristalinas tamén son axeitadas para a fabricación de ferramentas rotatorias como as brocas que xeran tensión de cizallamento. Existe unha broca feita de calidades compostas 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) Graos de carburo cementado de tipo aliaxe
Estas calidades úsanse principalmente para cortar pezas de aceiro, e o seu contido de cobalto adoita ser do 5 % ao 10 %, e o tamaño do gran oscila entre 0,8 e 2 μm. Engadindo entre un 4 % e un 25 % de carburo de titanio (TiC), pódese reducir a tendencia do carburo de tungsteno (WC) a difundirse na superficie das lascas de aceiro. A resistencia da ferramenta, a resistencia ao desgaste por cráteres e a resistencia ao choque térmico pódense mellorar engadindo ata un 25 % de carburo de tántalo (TaC) e carburo de niobio (NbC). A adición destes carburos cúbicos tamén aumenta a dureza vermella da ferramenta, o que axuda a evitar a deformación térmica da ferramenta en cortes pesados ou outras operacións onde 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 das calidades de carburo cementado de tipo aliaxe é HRA91-94, e a resistencia á fractura transversal é de 150-300 ksi. En comparación coas calidades puras, as calidades de aliaxe teñen unha baixa resistencia ao desgaste e unha menor resistencia, pero teñen unha mellor resistencia ao desgaste adhesivo. As calidades de aliaxe pódense dividir en C5-C8 no sistema de calidades C e pódense clasificar segundo as series de calidades P e M no sistema de calidades ISO. As calidades de aliaxe con propiedades intermedias pódense clasificar como calidades de uso xeral (como C6 ou P30) e pódense usar para torneado, roscado, cepillado e fresado. As calidades máis duras pódense clasificar como calidades de acabado (como C8 e P01) para operacións de torneado e mandrinado de acabado. Estas calidades adoitan ter tamaños de gran máis pequenos e un menor contido de cobalto para obter a dureza e a resistencia ao desgaste requiridas. Non obstante, pódense obter propiedades de material similares engadindo máis carburos cúbicos. As calidades coa maior tenacidade pódense clasificar como calidades de desbaste (por exemplo, C5 ou P50). Estas calidades adoitan ter un tamaño de gran medio e un alto contido de cobalto, con poucas adicións de carburos cúbicos para conseguir a tenacidade desexada ao inhibir o crecemento de gretas. Nas operacións de torneado interrompido, 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 aliaxe cun menor contido de carburo de titanio utilízanse para o mecanizado de aceiro inoxidable e ferro maleable, pero tamén se poden usar para o mecanizado de metais non ferrosos como as superaliaxes a base de níquel. O tamaño de gran destas calidades adoita ser inferior a 1 μm e o contido de cobalto é do 8 % ao 12 %. As calidades máis duras, como a M10, pódense usar para o torneado de ferro maleable; as calidades máis resistentes, como a M40, pódense usar para o fresado e cepillado de aceiro, ou para o torneado de aceiro inoxidable ou superaliaxes.
As calidades de carburo cementado de tipo aliaxe tamén se poden empregar para fins de corte non metálicos, principalmente para a fabricación de pezas resistentes ao desgaste. O tamaño das partículas destas calidades adoita ser de 1,2 a 2 μm e o contido de cobalto é do 7 % ao 10 %. Ao producir 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 carburo de níquel e cromo ao producir estas calidades.
Para cumprir os requisitos técnicos e económicos dos fabricantes de ferramentas, o po de carburo é o elemento clave. Os pos deseñados para os equipos de mecanizado e os parámetros de proceso dos fabricantes de ferramentas garanten o rendemento da peza acabada e deron lugar a centos de graos de carburo. A natureza reciclable dos materiais de carburo e a capacidade de traballar directamente cos provedores de po permiten aos fabricantes de ferramentas controlar eficazmente a calidade dos seus produtos e os custos dos materiais.
Data de publicación: 18 de outubro de 2022
