El carbur és la classe més utilitzada de materials d'eina de mecanitzat d'alta velocitat (HSM), que es produeixen mitjançant processos de metal·lúrgia en 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 basats en WC amb diferents composicions, la majoria dels quals utilitzen cobalt (Co) com a aglutinant, el níquel (Ni) i el crom (Cr) també són elements aglutinants d'ús comú, i també es poden afegir altres elements d'aliatge. Per què hi ha tants graus de carbur? Com trien els fabricants d'eines el material d'eina adequat per a una operació de tall específica? Per respondre a aquestes preguntes, vegem primer les diverses propietats que fan del carbur cimentat un material d'eina ideal.
duresa i tenacitat
El carbur cimentat WC-Co té avantatges únics tant en duresa com en tenacitat. 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. Tanmateix, no té prou tenacitat, una propietat essencial per a les eines de tall. Per aprofitar l'alta duresa del carbur de tungstè i millorar la seva tenacitat, la gent utilitza enllaços metàl·lics per unir carbur de tungstè, de manera que aquest material té una duresa molt superior a la de l'acer d'alta velocitat, alhora que pot suportar la majoria de les operacions de tall. A més, pot suportar les altes temperatures de tall causades pel mecanitzat d'alta velocitat.
Avui dia, gairebé tots els ganivets i insercions de WC-Co estan recoberts, de manera que el paper del material base sembla menys important. Però, de fet, és l'alt mòdul elàstic del material WC-Co (una mesura de rigidesa, que és aproximadament tres vegades superior a la de l'acer d'alta velocitat a temperatura ambient) el que proporciona el substrat no deformable per al recobriment. La matriu de WC-Co també proporciona la tenacitat necessària. Aquestes propietats són les propietats bàsiques dels materials WC-Co, però les propietats del material també es poden adaptar ajustant la composició i la microestructura del material a l'hora de produir 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 mòlta
La pols de carbur de tungstè s'obté carburant pols de tungstè (W). Les característiques de la pols de carbur de tungstè (especialment la mida de les partícules) depenen principalment de la mida de les partícules de la pols de tungstè de 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 carburació per controlar la mida de les partícules de la pols mitjançant processos posteriors. Les diferents condicions del procés posterior i els diferents usos del 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 pot produir una varietat de pols de carbur de tungstè diferents. 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 arribar a més de 5 vegades la dels graus estàndard de pols de carbur de tungstè.
Quan es barreja i es mol pols de carbur de tungstè i aglutinant metàl·lic per produir un cert grau de pols de carbur de tungstè cimentat, es poden utilitzar diverses combinacions. El contingut de cobalt més utilitzat és del 3% al 25% (relació en pes), i en cas que calgui millorar la resistència a la corrosió de l'eina, cal afegir níquel i crom. A més, l'aglutinant metàl·lic es pot millorar encara més afegint altres components d'aliatge. Per exemple, afegir ruteni al carbur de tungstè cimentat WC-Co pot millorar significativament la seva tenacitat sense reduir-ne la duresa. Augmentar el contingut d'aglutinant també pot millorar la tenacitat del carbur de tungstè, però en reduirà la duresa.
Reduir 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 a través d'un procés de dissolució i reprecipitació. En el procés de sinterització real, per formar un material completament 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 metàl·lics 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 s'afegeixen normalment quan la pols de carbur de tungstè es barreja i es mol amb un enllaç metàl·lic, tot i que també es poden formar carbur de vanadi i carbur de crom quan la pols de carbur de tungstè es carburitza.
La pols de carbur de tungstè també es pot produir utilitzant materials de carbur cimentat reciclats. El reciclatge i la reutilització de carbur de ferralla 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 materials residuals. Eliminació nociva. El carbur de ferralla es pot reutilitzar generalment mitjançant el procés APT (paratungstat d'amoni), el procés de recuperació de zinc o per trituració. Aquestes pols de carbur de tungstè "reciclades" generalment tenen una densificació millor i predictible perquè tenen una superfície més petita que les pols de carbur de tungstè fabricades directament mitjançant el procés de carburació de tungstè.
Les condicions de processament de la mòlta mixta de pols de carbur de tungstè i aglutinant metàl·lic també són paràmetres crucials del procés. Les dues tècniques de mòlta més utilitzades són la mòlta de boles i la micromòlta. Ambdós processos permeten una barreja uniforme de les pols mòltes i una mida de partícula reduïda. Per tal que la peça premsada posteriorment tingui una resistència suficient, mantingui la forma de la peça i permeti que l'operador o manipulador agafi la peça per a l'operació, normalment cal afegir un aglutinant orgànic durant la mòlta. La composició química d'aquest aglutinant pot afectar la densitat i la resistència de la peça premsada. Per facilitar la manipulació, és recomanable afegir aglutinants d'alta resistència, però això resulta en una densitat de compactació més baixa i pot produir grumolls que poden causar defectes en el producte final.
Després de la mòlta, la pols normalment s'asseca per polvorització 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
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 mitjançant 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 es controla principalment per la distribució de mida dels aglomerats i les propietats de l'aglutinant orgànic. Les peces 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 deformen ni es trenquen, però l'aglutinant orgànic es pressiona als espais entre les partícules de carbur de tungstè, fixant així la posició de les partícules. Com més alta sigui la pressió, més forta serà la unió de les partícules de carbur de tungstè i més gran serà la densitat de compactació de la peça. Les propietats de modelat dels graus de pols de carbur cimentat poden variar, depenent del 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 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 de modelat i la pressió de modelat sol ser dissenyada i construïda pel fabricant de la pols. Aquesta informació garanteix que la pols subministrada sigui compatible amb el procés de modelat del fabricant de l'eina.
Les peces de carbur de grans dimensions o les peces de carbur de mida elevada (com ara les tiges per a freses i broques) es fabriquen normalment a partir de pols de carbur de mida uniformement premsada en una bossa flexible. Tot i que el cicle de producció del mètode de premsat equilibrat és més llarg que el del mètode de modelat, el cost de fabricació de l'eina és menor, per la qual cosa aquest mètode és més adequat per a la producció en lots petits.
Aquest mètode de procés consisteix a introduir la pols a la bossa, segellar la boca de la bossa i després posar la bossa plena de pols en una cambra i aplicar una pressió de 30-60 ksi a través d'un dispositiu hidràulic per premsar. Les peces premsades sovint es mecanitzen amb 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 proporcionar un marge suficient per a les operacions de mòlta. Com que la peça s'ha de processar després del premsatge, els requisits per a la consistència de la càrrega no són tan estrictes com els del mètode de modelat, 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 provocar que no hi hagi prou pols a la bossa, cosa que 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 gran, cal processar la peça per eliminar més pols després de premsar-la. Tot i que l'excés de pols eliminat i les peces desballestades 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 en massa de peces de forma axisimètrica, mentre que el procés d'emmotllament per injecció s'utilitza generalment per a la producció en massa de peces de forma complexa. En ambdós processos d'emmotllament, els graus de pols de carbur cimentat se suspenen en un aglutinant orgànic que imparteix una consistència similar a la de la pasta de dents a la barreja de carbur cimentat. 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 i aglutinant a la barreja i tenen una influència important en la fluïdesa de la barreja a través del forat d'extrusió o la injecció a la cavitat.
Després que la peça s'hagi format per emmotllament, premsat isostàtic, extrusió o emmotllament per injecció, cal eliminar l'aglutinant orgànic de la peça abans de la fase final de sinterització. La sinterització elimina la porositat de la peça, fent-la completament (o substancialment) densa. Durant la sinterització, l'enllaç metàl·lic de la peça premsada 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 es manté igual, però les dimensions es redueixen. Per obtenir la mida de peça necessària 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 fabricar cada eina ha d'estar dissenyat per tenir la contracció correcta quan es compacta sota la pressió adequada.
En gairebé tots els casos, cal 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 un rectificat de la seva geometria i dimensions després de la sinterització. Algunes eines requereixen un rectificat superior i inferior; d'altres requereixen un rectificat perifèric (amb o sense esmolar el tall). Totes les encenalls de carbur procedents del rectificat es poden reciclar.
Recobriment de la peça
En molts casos, la peça acabada necessita un recobriment. 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 crític per al rendiment del recobriment. A més d'adaptar les propietats principals de la pols de matriu, les propietats superficials de la matriu també es poden adaptar mitjançant la selecció química i el canvi del 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 d'un gruix de 20-30 μm respecte a la resta de la peça, donant així a la superfície del substrat una millor resistència i tenacitat, fent-la més resistent a la deformació.
Segons el seu propi procés de fabricació (com ara el mètode de desparafinat, la velocitat d'escalfament, el temps de sinterització, la temperatura i el voltatge de carburització), el fabricant d'eines pot tenir alguns requisits especials per al grau de pols de carbur cimentat utilitzada. Alguns fabricants d'eines poden sinteritzar la peça en un forn de buit, mentre que d'altres poden utilitzar un forn de sinterització de premsat isostàtic en calent (HIP) (que pressuritza la peça cap al final del cicle del procés per eliminar qualsevol residu) porus). Les peces sinteritzades en un forn de buit també poden necessitar ser premsades isostàticament en calent a través d'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 sinteritzada de mescles amb un contingut de cobalt més baix, però aquest enfocament pot engruixir la seva microestructura. Per mantenir una mida de gra fi, es poden seleccionar pols amb una mida de partícula més petita de carbur de tungstè. Per adaptar-se a l'equip de producció específic, les condicions de desparafinat i el voltatge de carburització també tenen requisits diferents per al contingut de carboni en la pols de carbur cimentat.
Classificació de graus
Els canvis de combinació de diferents tipus de pols de carbur de tungstè, la composició de la mescla i el contingut d'aglutinant metàl·lic, el tipus i la 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 classificar 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 dos 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, cosa que resulta en una àmplia 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 simplex consisteixen principalment en carbur de tungstè i aglutinants de cobalt, però també poden contenir petites quantitats d'inhibidors del creixement del gra. El grau microcristal·lí està compost de carbur de tungstè i aglutinant de cobalt afegit amb diverses mil·lèsimes de carbur de vanadi (VC) i (o) carbur de crom (Cr3C2), i la seva mida de gra pot arribar a 1 μm o menys. Els graus d'aliatge estan compostos de carbur de tungstè i aglutinants de cobalt que contenen un petit percentatge de carbur de titani (TiC), carbur de tàntal (TaC) i carbur de niobi (NbC). Aquestes addicions també es coneixen com a carburs cúbics a causa de les seves propietats de sinterització. La microestructura resultant presenta una estructura trifàsica heterogènia.
1) Graus 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 ser d'entre 1 i 8 μm. Com passa amb altres graus, la reducció de la mida de les partícules de carbur de tungstè augmenta la seva duresa i la resistència a la ruptura transversal (TRS), però redueix la seva tenacitat. La duresa del tipus pur sol estar entre HRA89 i 93,5; la resistència a la ruptura transversal sol estar entre 175 i 350 ksi. Les pols d'aquests graus poden contenir grans quantitats de materials reciclats.
Els graus simples es poden dividir en C1-C4 en el sistema de graus C i es poden classificar segons les sèries de graus K, N, S i H en el sistema de graus ISO. Els graus simplex amb propietats intermèdies es poden classificar com a graus d'ús general (com ara C2 o K20) i es poden utilitzar per tornejat, fresat, planejat 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 tenacitat es poden classificar com a graus de desbast (com ara C1 o K30).
Les eines fabricades amb les qualitats Simplex es poden utilitzar per mecanitzar ferro colat, acer inoxidable de les sèries 200 i 300, alumini i altres metalls no ferrosos, superaliatges i acers endurits. Aquestes qualitats també es poden utilitzar en aplicacions de tall no metàl·lic (per exemple, com a eines de perforació de roca i geologia), i aquestes qualitats tenen un rang de mida de gra d'1,5-10 μm (o més gran) i un contingut de cobalt del 6%-16%. Un altre ús de les qualitats de carbur simple per al tall no metàl·lic és en la fabricació de matrius i punxons. Aquestes qualitats solen tenir una mida de gra mitjana amb un contingut de cobalt del 16%-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 resistències a la ruptura transversal superiors a 500 ksi. La combinació d'alta resistència i tenacitat suficient permet que aquests graus utilitzin un angle de tall positiu més gran, cosa que redueix les forces de tall i produeix encenalls més prims tallant en lloc d'empènyer el material metàl·lic.
Mitjançant una estricta identificació de la qualitat de diverses matèries primeres en la producció de graus de pols de carbur cimentat i un control estricte de les condicions del procés de sinterització per evitar la formació de grans anormalment grans a la microestructura del material, és possible obtenir les propietats adequades del material. Per tal de mantenir la mida del gra petita i uniforme, la pols reciclada només s'ha d'utilitzar si hi ha un control total de la matèria primera i del procés de recuperació, i proves de qualitat exhaustives.
Els graus microcristal·lins es poden classificar segons la sèrie de graus M del sistema de graus ISO. A més, altres mètodes de classificació del sistema de graus C i del sistema de graus ISO són els mateixos que els graus purs. Els graus microcristal·lins es poden utilitzar per fabricar eines que tallin materials de peça més tous, ja que 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, la resistència a la deformació i la tenacitat. Els graus microcristal·lins també són adequats per a la fabricació d'eines rotatives com ara broques que generen tensió de cisallament. Hi ha una broca feta de graus compostos de carbur cimentat. En parts específiques de la mateixa broca, el contingut de cobalt del material varia, de manera que la duresa i la tenacitat de la broca s'optimitzen segons les necessitats de processament.
(3) Graus de carbur cimentat de tipus aliatge
Aquests graus s'utilitzen principalment per tallar peces d'acer, i el seu contingut de 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 de les estelles d'acer. La resistència de l'eina, la resistència al desgast dels cràters 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, cosa que ajuda 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 general, 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 una baixa resistència al desgast i una menor resistència, però tenen una millor resistència al desgast adhesiu. Els graus d'aliatge es poden dividir en C5-C8 en el sistema de graus C i es poden classificar segons les sèries de graus P i M en el sistema de graus ISO. Els graus d'aliatge amb propietats intermèdies es poden classificar com a graus d'ús general (com ara C6 o P30) i es poden utilitzar per a tornejat, roscat, planejat i fresat. Els graus més durs es poden classificar com a graus d'acabat (com ara C8 i P01) per a operacions de tornejat i mandrinat d'acabat. 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 de material similars afegint més carburs cúbics. Els graus amb la major tenacitat es poden classificar com a graus de desbast (per exemple, C5 o P50). Aquestes qualitats solen tenir una mida de gra mitjana i un alt contingut de cobalt, amb baixes addicions de carburs cúbics per aconseguir la tenacitat desitjada inhibint el creixement de fissures. En operacions de tornejat interromput, el rendiment de tall es pot millorar encara més utilitzant les qualitats riques en cobalt esmentades anteriorment amb un contingut de cobalt més elevat a la superfície de l'eina.
Les qualitats 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 ferrosos com ara superaliatges a base de níquel. La mida de gra d'aquestes qualitats sol ser inferior a 1 μm i el contingut de cobalt és del 8% al 12%. Les qualitats més dures, com ara l'M10, es poden utilitzar per tornejar ferro mal·leable; les qualitats més resistents, com ara l'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 fins de tall no metàl·lics, principalment per a la fabricació de peces resistents al desgast. La mida de partícula d'aquests graus sol ser d'1,2-2 μm, i el contingut de cobalt és del 7%-10%. Quan es produeixen aquests graus, se sol afegir un alt percentatge de matèria primera reciclada, cosa que resulta en una alta rendibilitat en aplicacions de peces de desgast. Les peces de desgast requereixen una bona resistència a la corrosió i una alta duresa, que es pot obtenir afegint carbur de níquel i crom en la producció d'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 del procés dels fabricants d'eines garanteixen el rendiment de la peça acabada i han donat lloc a centenars de graus de carbur. La naturalesa reciclable dels materials de carbur i la capacitat de treballar directament amb els proveïdors de pols permeten als fabricants d'eines controlar eficaçment la qualitat del producte i els costos dels materials.
Data de publicació: 18 d'octubre de 2022
