El carbur és la classe més utilitzada de materials d'eines de mecanitzat d'alta velocitat (HSM), que es produeixen mitjançant processos de metal·lúrgia de pols i consisteixen en partícules de carbur dur (generalment carbur de tungstè WC) i una composició d'enllaç metàl·lic més suau. Actualment, hi ha centenars de carburs cimentats a base de WC amb diferents composicions, la majoria dels quals utilitzen cobalt (Co) com a aglutinant, níquel (Ni) i crom (Cr) també són elements aglutinants d'ús habitual, i també es poden afegir altres. . alguns elements d'aliatge. Per què hi ha tants graus de carbur? Com trien els fabricants d'eines el material adequat per a una operació de tall específica? Per respondre aquestes preguntes, mirem primer les diverses propietats que fan del carbur cimentat un material d'eina ideal.
duresa i duresa
El carbur cimentat WC-Co té avantatges únics tant en duresa com en duresa. El carbur de tungstè (WC) és inherentment molt dur (més que el corindó o l'alúmina), i la seva duresa rarament disminueix a mesura que augmenta la temperatura de funcionament. No obstant això, no té prou duresa, una propietat essencial per a les eines de tall. Per tal d'aprofitar l'alta duresa del carbur de tungstè i millorar-ne la duresa, la gent utilitza enllaços metàl·lics per unir el carbur de tungstè, de manera que aquest material té una duresa molt superior a la de l'acer d'alta velocitat, alhora que és capaç de suportar la majoria de talls. operacions. força de tall. A més, pot suportar les altes temperatures de tall causades pel mecanitzat d'alta velocitat.
Avui en dia, gairebé tots els ganivets i inserts WC-Co estan recoberts, de manera que el paper del material base sembla menys important. Però de fet, és l'elevat mòdul elàstic del material WC-Co (una mesura de rigidesa, que és aproximadament tres vegades la de l'acer d'alta velocitat a temperatura ambient) el que proporciona el substrat no deformable per al recobriment. La matriu WC-Co també proporciona la duresa requerida. Aquestes propietats són les propietats bàsiques dels materials WC-Co, però les propietats del material també es poden adaptar ajustant la composició del material i la microestructura quan es produeixen pols de carbur cimentat. Per tant, l'adequació del rendiment de l'eina a un mecanitzat específic depèn en gran mesura del procés de fresat inicial.
Procés de fresat
La pols de carbur de tungstè s'obté mitjançant la cementació de pols de tungstè (W). Les característiques de la pols de carbur de tungstè (especialment la seva mida de partícula) depenen principalment de la mida de la partícula de la pols de tungstè de la matèria primera i de la temperatura i el temps de carburació. El control químic també és crític, i el contingut de carboni s'ha de mantenir constant (prop del valor estequiomètric del 6,13% en pes). Es pot afegir una petita quantitat de vanadi i/o crom abans del tractament de cementació per tal de controlar la mida de les partícules de pols mitjançant processos posteriors. Les diferents condicions de procés aigües avall i els diferents usos de processament final requereixen una combinació específica de mida de partícula de carbur de tungstè, contingut de carboni, contingut de vanadi i contingut de crom, a través de la qual es poden produir diferents pols de carbur de tungstè. Per exemple, ATI Alldyne, un fabricant de pols de carbur de tungstè, produeix 23 graus estàndard de pols de carbur de tungstè, i les varietats de pols de carbur de tungstè personalitzades segons els requisits de l'usuari poden assolir més de 5 vegades la dels graus estàndard de pols de carbur de tungstè.
Quan es barreja i es tritura pols de carbur de tungstè i enllaç metàl·lic per produir un cert grau de pols de carbur cimentat, es poden utilitzar diverses combinacions. El contingut de cobalt més utilitzat és del 3% al 25% (relació de pes), i en el cas de necessitar millorar la resistència a la corrosió de l'eina, cal afegir níquel i crom. A més, l'enllaç metàl·lic es pot millorar encara més afegint altres components d'aliatge. Per exemple, afegir ruteni al carbur cimentat WC-Co pot millorar significativament la seva duresa sense reduir-ne la duresa. Augmentar el contingut d'aglutinant també pot millorar la duresa del carbur cimentat, però reduirà la seva duresa.
La reducció de la mida de les partícules de carbur de tungstè pot augmentar la duresa del material, però la mida de les partícules del carbur de tungstè ha de romandre igual durant el procés de sinterització. Durant la sinterització, les partícules de carbur de tungstè es combinen i creixen mitjançant un procés de dissolució i reprecipitació. En el procés de sinterització real, per tal de formar un material totalment dens, l'enllaç metàl·lic es torna líquid (anomenat sinterització en fase líquida). La taxa de creixement de les partícules de carbur de tungstè es pot controlar afegint altres carburs de metall de transició, com ara carbur de vanadi (VC), carbur de crom (Cr3C2), carbur de titani (TiC), carbur de tàntal (TaC) i carbur de niobi (NbC). Aquests carburs metàl·lics solen afegir-se quan la pols de carbur de tungstè es barreja i es fresa amb un enllaç metàl·lic, tot i que també es poden formar carbur de vanadi i carbur de crom quan es carbura la pols de carbur de tungstè.
La pols de carbur de tungstè també es pot produir utilitzant materials de carbur cimentat de residus reciclats. El reciclatge i la reutilització de ferralla de carbur té una llarga història en la indústria del carbur cimentat i és una part important de tota la cadena econòmica de la indústria, ajudant a reduir els costos dels materials, estalviar recursos naturals i evitar els residus. Eliminació nociva. En general, el carbur cimentat de ferralla es pot reutilitzar per procés APT (paratungstat d'amoni), procés de recuperació de zinc o per trituració. Aquestes pols de carbur de tungstè "reciclades" generalment tenen una densificació millor i previsible perquè tenen una superfície més petita que les pols de carbur de tungstè fetes directament mitjançant el procés de carburació de tungstè.
Les condicions de processament de la mòlta mixta de pols de carbur de tungstè i enllaç metàl·lic també són paràmetres crucials del procés. Les dues tècniques de fresat més utilitzades són el fresat de boles i el microfresat. Tots dos processos permeten una barreja uniforme de pols mòltes i una mida reduïda de partícules. Per tal que la peça premsada posterior tingui prou força, mantingui la forma de la peça i permeti a l'operador o manipulador agafar la peça per al seu funcionament, normalment cal afegir un aglutinant orgànic durant la mòlta. La composició química d'aquest enllaç pot afectar la densitat i la resistència de la peça premsada. Per facilitar la manipulació, s'aconsella afegir aglutinants d'alta resistència, però això comporta una menor densitat de compactació i pot produir grumolls que poden provocar defectes en el producte final.
Després de la mòlta, la pols s'asseca generalment per aerosol per produir aglomerats de flux lliure units per aglutinants orgànics. Ajustant la composició de l'aglutinant orgànic, la fluïdesa i la densitat de càrrega d'aquests aglomerats es poden adaptar segons es desitgi. En filtrar les partícules més gruixudes o més fines, la distribució de la mida de les partícules de l'aglomerat es pot adaptar encara més per garantir un bon flux quan es carrega a la cavitat del motlle.
Fabricació de peces de treball
Les peces de carbur es poden formar mitjançant diversos mètodes de procés. Depenent de la mida de la peça, el nivell de complexitat de la forma i el lot de producció, la majoria de les insercions de tall es modelen amb matrius rígides de pressió superior i inferior. Per mantenir la consistència del pes i la mida de la peça durant cada premsat, cal assegurar-se que la quantitat de pols (massa i volum) que flueix a la cavitat sigui exactament la mateixa. La fluïdesa de la pols està controlada principalment per la distribució de mida dels aglomerats i les propietats de l'aglutinant orgànic. Les peces de treball modelades (o "espais en blanc") es formen aplicant una pressió de modelat de 10-80 ksi (quilo lliures per peu quadrat) a la pols carregada a la cavitat del motlle.
Fins i tot sota una pressió de modelat extremadament alta, les partícules dures de carbur de tungstè no es deformaran ni es trencaran, però l'aglutinant orgànic es pressiona als buits entre les partícules de carbur de tungstè, fixant així la posició de les partícules. Com més gran sigui la pressió, més estreta serà la unió de les partícules de carbur de tungstè i major serà la densitat de compactació de la peça. Les propietats d'emmotllament dels graus de pols de carbur cimentat poden variar, segons el contingut d'aglutinant metàl·lic, la mida i la forma de les partícules de carbur de tungstè, el grau d'aglomeració i la composició i l'addició d'aglutinant orgànic. Per tal de proporcionar informació quantitativa sobre les propietats de compactació dels graus de pols de carbur cimentat, la relació entre la densitat d'emmotllament i la pressió d'emmotllament sol ser dissenyada i construïda pel fabricant de pols. Aquesta informació garanteix que la pols subministrada és compatible amb el procés d'emmotllament del fabricant de l'eina.
Les peces de treball de carbur de gran mida o les peces de treball de carbur amb altes relacions d'aspecte (com ara tiges per a freses i broques) es fabriquen normalment a partir de pols de carbur premsat uniformement en una bossa flexible. Tot i que el cicle de producció del mètode de premsat equilibrat és més llarg que el del mètode d'emmotllament, el cost de fabricació de l'eina és més baix, de manera que aquest mètode és més adequat per a la producció de lots petits.
Aquest mètode de procés és posar la pols a la bossa i segellar la boca de la bossa, i després posar la bossa plena de pols en una cambra i aplicar una pressió de 30-60ksi a través d'un dispositiu hidràulic per pressionar. Les peces premsades sovint es mecanitzen a geometries específiques abans de la sinterització. La mida del sac s'amplia per adaptar-se a la contracció de la peça durant la compactació i per proporcionar un marge suficient per a les operacions de mòlta. Atès que la peça de treball s'ha de processar després de premsar, els requisits per a la consistència de la càrrega no són tan estrictes com els del mètode d'emmotllament, però encara és desitjable assegurar-se que es carregui la mateixa quantitat de pols a la bossa cada vegada. Si la densitat de càrrega de la pols és massa petita, pot ser que no hi hagi prou pols a la bossa, la qual cosa farà que la peça sigui massa petita i s'hagi de desballestar. Si la densitat de càrrega de la pols és massa alta i la pols carregada a la bossa és massa, la peça s'ha de processar per eliminar més pols després de prémer-la. Tot i que l'excés de pols eliminat i les peces de ferralla es poden reciclar, fer-ho redueix la productivitat.
Les peces de carbur també es poden formar mitjançant matrius d'extrusió o matrius d'injecció. El procés d'emmotllament per extrusió és més adequat per a la producció massiva de peces de forma axisimètrica, mentre que el procés d'emmotllament per injecció s'utilitza normalment per a la producció en massa de peces de forma complexa. En ambdós processos d'emmotllament, els graus de pols de carbur cimentat es suspenen en un aglutinant orgànic que confereix una consistència semblant a la pasta de dents a la barreja de carbur cimentat. A continuació, el compost s'extrudeix a través d'un forat o s'injecta en una cavitat per formar-lo. Les característiques del grau de pols de carbur cimentat determinen la proporció òptima de pols a lligant a la mescla i tenen una influència important en la fluïdesa de la mescla a través del forat d'extrusió o la injecció a la cavitat.
Després que la peça es formi per modelat, premsat isostàtic, extrusió o modelat per injecció, l'aglutinant orgànic s'ha d'eliminar de la peça abans de l'etapa de sinterització final. La sinterització elimina la porositat de la peça de treball, fent-la totalment (o substancialment) densa. Durant la sinterització, l'enllaç metàl·lic a la peça formada per premsa es torna líquid, però la peça conserva la seva forma sota l'acció combinada de les forces capil·lars i l'enllaç de partícules.
Després de la sinterització, la geometria de la peça continua sent la mateixa, però les dimensions es redueixen. Per obtenir la mida requerida de la peça després de la sinterització, cal tenir en compte la taxa de contracció a l'hora de dissenyar l'eina. El grau de pols de carbur utilitzat per fer cada eina s'ha de dissenyar per tenir la contracció correcta quan es compacta sota la pressió adequada.
En gairebé tots els casos, es requereix un tractament posterior a la sinterització de la peça sinteritzada. El tractament més bàsic de les eines de tall és esmolar el tall. Moltes eines requereixen mòlta de la seva geometria i dimensions després de la sinterització. Algunes eines requereixen mòlta superior i inferior; altres requereixen un rectificat perifèric (amb o sense esmolar el tall). Totes les encenalls de carbur de la mòlta es poden reciclar.
Recobriment de la peça
En molts casos, la peça acabada s'ha de recobrir. El recobriment proporciona lubricitat i una major duresa, així com una barrera de difusió al substrat, evitant l'oxidació quan s'exposa a altes temperatures. El substrat de carbur cimentat és fonamental per al rendiment del recobriment. A més d'adaptar les propietats principals de la matriu en pols, les propietats superficials de la matriu també es poden adaptar mitjançant la selecció química i canviant el mètode de sinterització. Mitjançant la migració del cobalt, es pot enriquir més cobalt a la capa més externa de la superfície de la fulla dins del gruix de 20-30 μm en relació amb la resta de la peça de treball, donant així a la superfície del substrat una millor resistència i duresa, fent-la més gran. resistent a la deformació.
En funció del seu propi procés de fabricació (com el mètode de desparafinat, la velocitat d'escalfament, el temps de sinterització, la temperatura i la tensió de carburació), el fabricant d'eines pot tenir alguns requisits especials per al grau de pols de carbur cimentat utilitzat. Alguns fabricants d'eines poden sinteritzar la peça de treball en un forn de buit, mentre que altres poden utilitzar un forn de sinterització de premsa isostàtica en calent (HIP) (que pressiona la peça al final del cicle del procés per eliminar els residus) porus). Les peces sinteritzades en un forn de buit també poden necessitar pressions isostàtiques en calent mitjançant un procés addicional per augmentar la densitat de la peça. Alguns fabricants d'eines poden utilitzar temperatures de sinterització al buit més altes per augmentar la densitat de sinterització de les mescles amb menor contingut de cobalt, però aquest enfocament pot engrossir la seva microestructura. Per tal de mantenir una mida de gra fi, es poden seleccionar pols amb una mida de partícula més petita de carbur de tungstè. Per tal d'ajustar-se a l'equip de producció específic, les condicions de desparafinat i la tensió de cementació també tenen requisits diferents pel que fa al contingut de carboni a la pols de carbur cimentat.
Classificació de graus
Els canvis combinats de diferents tipus de pols de carbur de tungstè, composició de la mescla i contingut d'aglutinant metàl·lic, tipus i quantitat d'inhibidor del creixement del gra, etc., constitueixen una varietat de graus de carbur cimentat. Aquests paràmetres determinaran la microestructura del carbur cimentat i les seves propietats. Algunes combinacions específiques de propietats s'han convertit en la prioritat per a algunes aplicacions de processament específiques, cosa que fa que sigui significatiu la classificació de diversos graus de carbur cimentat.
Els dos sistemes de classificació de carbur més utilitzats per a aplicacions de mecanitzat són el sistema de designació C i el sistema de designació ISO. Tot i que cap dels sistemes reflecteix completament les propietats del material que influeixen en l'elecció dels graus de carbur cimentat, proporcionen un punt de partida per a la discussió. Per a cada classificació, molts fabricants tenen els seus propis graus especials, donant lloc a una gran varietat de graus de carbur.
Els graus de carbur també es poden classificar per composició. Els graus de carbur de tungstè (WC) es poden dividir en tres tipus bàsics: simples, microcristal·lins i aliats. Els graus simples consisteixen principalment en aglomerants de carbur de tungstè i cobalt, però també poden contenir petites quantitats d'inhibidors del creixement del gra. El grau microcristal·lí es compon de carbur de tungstè i aglutinant de cobalt afegits amb diverses mil·lèsimes de carbur de vanadi (VC) i (o) de carbur de crom (Cr3C2), i la seva mida de gra pot arribar a 1 μm o menys. Els graus d'aliatge es componen de carbur de tungstè i aglutinants de cobalt que contenen un poc per cent de carbur de titani (TiC), carbur de tàntal (TaC) i carbur de niobi (NbC). Aquestes addicions també es coneixen com a carburs cúbics per les seves propietats de sinterització. La microestructura resultant presenta una estructura trifàsica no homogènia.
1) Qualitats de carbur simple
Aquests graus per al tall de metalls solen contenir entre un 3% i un 12% de cobalt (en pes). El rang de mida dels grans de carbur de tungstè sol estar entre 1 i 8 μm. Igual que amb altres graus, reduir la mida de les partícules del carbur de tungstè augmenta la seva duresa i resistència a la ruptura transversal (TRS), però redueix la seva duresa. La duresa del tipus pur sol estar entre HRA89-93,5; la resistència a la ruptura transversal sol estar entre 175-350ksi. Les pols d'aquests graus poden contenir grans quantitats de materials reciclats.
Els graus de tipus simple es poden dividir en C1-C4 al sistema de grau C i es poden classificar segons les sèries de grau K, N, S i H al sistema de grau ISO. Els graus simples amb propietats intermèdies es poden classificar com a graus d'ús general (com ara C2 o K20) i es poden utilitzar per a tornejat, fresat, planxat i mandrinat; els graus amb una mida de gra més petita o un contingut de cobalt més baix i una duresa més alta es poden classificar com a graus d'acabat (com ara C4 o K01); Els graus amb una mida de gra més gran o un contingut de cobalt més alt i una millor duresa es poden classificar com a graus de desbast (com ara C1 o K30).
Les eines fabricades en graus Simplex es poden utilitzar per mecanitzar ferro colat, acer inoxidable sèrie 200 i 300, alumini i altres metalls no fèrrics, superaliatges i acers endurits. Aquests graus també es poden utilitzar en aplicacions de tall no metàl·liques (per exemple, com a eines de perforació de roca i geològic), i aquests graus tenen un rang de mida de gra d'1,5-10 μm (o més gran) i un contingut de cobalt del 6% al 16%. Un altre ús de tall no metàl·lic dels graus de carbur simple és en la fabricació de matrius i punxons. Aquests graus solen tenir una mida mitjana de gra amb un contingut de cobalt del 16% al 30%.
(2) Graus de carbur cimentat microcristal·lí
Aquests graus solen contenir entre un 6% i un 15% de cobalt. Durant la sinterització en fase líquida, l'addició de carbur de vanadi i/o carbur de crom pot controlar el creixement del gra per obtenir una estructura de gra fi amb una mida de partícula inferior a 1 μm. Aquest grau de gra fi té una duresa molt alta i unes forces de ruptura transversal per sobre de 500ksi. La combinació d'alta resistència i tenacitat suficient permet que aquests graus utilitzin un angle de rasclet positiu més gran, que redueix les forces de tall i produeix estelles més primes tallant en lloc d'empènyer el material metàl·lic.
Mitjançant una estricta identificació de qualitat de diverses matèries primeres en la producció de graus de pols de carbur cimentat i un estricte control de les condicions del procés de sinterització per evitar la formació de grans anormalment grans a la microestructura del material, és possible obtenir propietats adequades del material. Per mantenir la mida del gra petita i uniforme, només s'ha d'utilitzar la pols reciclada reciclada si hi ha un control total de la matèria primera i el procés de recuperació i proves de qualitat exhaustives.
Els graus microcristal·lins es poden classificar segons la sèrie de grau M en el sistema de grau ISO. A més, altres mètodes de classificació en el sistema de qualificació C i el sistema de qualificació ISO són els mateixos que els graus purs. Els graus microcristal·lins es poden utilitzar per fer eines que tallen materials de peça més suaus, perquè la superfície de l'eina es pot mecanitzar molt llisa i pot mantenir un tall extremadament afilat.
Els graus microcristal·lins també es poden utilitzar per mecanitzar superaliatges a base de níquel, ja que poden suportar temperatures de tall de fins a 1200 °C. Per al processament de superaliatges i altres materials especials, l'ús d'eines de grau microcristal·lí i eines de grau pur que contenen ruteni pot millorar simultàniament la seva resistència al desgast, resistència a la deformació i duresa. Els graus microcristal·lins també són adequats per a la fabricació d'eines giratòries com ara broques que generen esforços de cisalla. Hi ha un trepant fet de graus compostos de carbur cimentat. En parts específiques d'un mateix trepant, el contingut de cobalt del material varia, de manera que la duresa i la tenacitat del trepant s'optimitzen segons les necessitats de processament.
(3) Qualitats de carbur cimentat tipus aliatge
Aquests graus s'utilitzen principalment per tallar peces d'acer i el seu contingut en cobalt sol ser del 5% al 10% i la mida del gra oscil·la entre 0,8 i 2 μm. Afegint un 4%-25% de carbur de titani (TiC), es pot reduir la tendència del carbur de tungstè (WC) a difondre's a la superfície dels xips d'acer. La força de l'eina, la resistència al desgast del cràter i la resistència al xoc tèrmic es poden millorar afegint fins a un 25% de carbur de tàntal (TaC) i carbur de niobi (NbC). L'addició d'aquests carburs cúbics també augmenta la duresa vermella de l'eina, ajudant a evitar la deformació tèrmica de l'eina en talls pesats o altres operacions on el tall generarà altes temperatures. A més, el carbur de titani pot proporcionar llocs de nucleació durant la sinterització, millorant la uniformitat de la distribució del carbur cúbic a la peça.
En termes generals, el rang de duresa dels graus de carbur cimentat de tipus aliatge és HRA91-94 i la resistència a la fractura transversal és de 150-300ksi. En comparació amb els graus purs, els graus d'aliatge tenen poca resistència al desgast i menor resistència, però tenen una millor resistència al desgast de l'adhesiu. Els graus d'aliatge es poden dividir en C5-C8 al sistema de grau C i es poden classificar segons les sèries de grau P i M al sistema de grau ISO. Els graus d'aliatge amb propietats intermèdies es poden classificar com a graus d'ús general (com C6 o P30) i es poden utilitzar per a tornejat, roscat, planxat i fresat. Els graus més durs es poden classificar com a graus d'acabat (com ara C8 i P01) per a les operacions d'acabat de tornejat i mandrinat. Aquests graus solen tenir mides de gra més petites i un contingut de cobalt més baix per obtenir la duresa i la resistència al desgast requerides. Tanmateix, es poden obtenir propietats similars del material afegint més carburs cúbics. Els graus amb la duresa més alta es poden classificar com a graus de desbast (per exemple, C5 o P50). Aquests graus solen tenir una mida de gra mitjana i un alt contingut de cobalt, amb baixes addicions de carburs cúbics per aconseguir la duresa desitjada mitjançant la inhibició del creixement de les esquerdes. En les operacions de tornejat interrompudes, el rendiment de tall es pot millorar encara més utilitzant els graus rics en cobalt esmentats anteriorment amb un contingut més elevat de cobalt a la superfície de l'eina.
Els graus d'aliatge amb un contingut més baix de carbur de titani s'utilitzen per mecanitzar acer inoxidable i ferro mal·leable, però també es poden utilitzar per mecanitzar metalls no fèrrics com ara superaliatges basats en níquel. La mida del gra d'aquests graus sol ser inferior a 1 μm i el contingut de cobalt és del 8% al 12%. Els graus més durs, com ara M10, es poden utilitzar per tornejar ferro mal·leable; Els graus més durs, com ara M40, es poden utilitzar per fresar i planejar acer, o per tornejar acer inoxidable o superaliatges.
Els graus de carbur cimentat de tipus aliatge també es poden utilitzar per a propòsits de tall no metàl·lics, principalment per a la fabricació de peces resistents al desgast. La mida de partícules d'aquests graus sol ser d'1,2-2 μm i el contingut de cobalt és del 7%-10%. Quan es produeixen aquests graus, s'acostuma a afegir un alt percentatge de matèria primera reciclada, el que resulta en una alta rendibilitat en les aplicacions de peces de desgast. Les peces de desgast requereixen una bona resistència a la corrosió i una gran duresa, que es poden obtenir afegint níquel i carbur de crom en produir aquests graus.
Per tal de satisfer els requisits tècnics i econòmics dels fabricants d'eines, la pols de carbur és l'element clau. Les pols dissenyades per als equips de mecanitzat i els paràmetres de procés dels fabricants d'eines garanteixen el rendiment de la peça acabada i han donat com a resultat centenars de graus de carbur. La naturalesa reciclable dels materials de carbur i la capacitat de treballar directament amb els proveïdors de pols permet als fabricants d'eines controlar eficaçment la qualitat del producte i els costos dels materials.
Hora de publicació: 18-octubre-2022
