Conhecimento básico de materiais de ferramentas de carboneto

O carboneto é a classe mais amplamente usada de materiais de ferramentas de usinagem de alta velocidade (HSM), que são produzidos pelos processos de metalurgia em pó e consistem em partículas de carboneto duro (geralmente carboneto de tungstênio) e uma composição de ligação metálica mais suave. Atualmente, existem centenas de carbonetos cimentados à base de WC com diferentes composições, a maioria das quais usa cobalto (CO) como aglutinante, níquel (NI) e cromo (CR) também são comumente usados ​​elementos de ligante, e outros também podem ser adicionados. Alguns elementos de liga. Por que existem tantas notas de carboneto? Como os fabricantes de ferramentas escolhem o material da ferramenta certo para uma operação de corte específica? Para responder a essas perguntas, vamos primeiro olhar as várias propriedades que fazem do carboneto cimentado um material de ferramenta ideal.

dureza e resistência

O carboneto cimentado WC-Co tem vantagens únicas na dureza e na resistência. O carboneto de tungstênio (WC) é inerentemente muito difícil (mais que o Corundum ou Alumina) e sua dureza raramente diminui à medida que a temperatura operacional aumenta. No entanto, falta resistência suficiente, uma propriedade essencial para as ferramentas de corte. Para aproveitar a alta dureza do carboneto de tungstênio e melhorar sua resistência, as pessoas usam ligações metálicas para unir o carboneto de tungstênio, para que esse material tenha uma dureza excedendo em muito a do aço de alta velocidade, enquanto é capaz de suportar a maioria das operações de corte. força de corte. Além disso, pode suportar as altas temperaturas de corte causadas por usinagem de alta velocidade.

Hoje, quase todas as facas e inserções WC-Co são revestidas, portanto o papel do material base parece menos importante. Mas, de fato, é o módulo elástico alto do material WC-Co (uma medida de rigidez, que é cerca de três vezes a do aço de alta velocidade à temperatura ambiente) que fornece o substrato não deformável para o revestimento. A matriz WC-Co também fornece a resistência necessária. Essas propriedades são as propriedades básicas dos materiais WC-Co, mas as propriedades do material também podem ser adaptadas ajustando a composição do material e a microestrutura ao produzir pós de carboneto cimentado. Portanto, a adequação do desempenho da ferramenta para uma usinagem específica depende em grande parte do processo de moagem inicial.

Processo de moagem

O pó de carboneto de tungstênio é obtido por pó de tungstênio (W). As características do pó de carboneto de tungstênio (especialmente seu tamanho de partícula) dependem principalmente do tamanho das partículas do pó de tungstênio da matéria -prima e da temperatura e tempo do carburização. O controle químico também é crítico e o teor de carbono deve ser mantido constante (próximo ao valor estequiométrico de 6,13% em peso). Uma pequena quantidade de vanádio e/ou cromo pode ser adicionada antes do tratamento com carburismo, a fim de controlar o tamanho das partículas em pó através de processos subsequentes. Diferentes condições do processo a jusante e diferentes usos de processamento final requerem uma combinação específica de tamanho de partícula de carboneto de tungstênio, teor de carbono, teor de vanádio e teor de cromo, através do qual uma variedade de diferentes pós de carboneto de tungstênio pode ser produzida. Por exemplo, a ATI Alldyne, fabricante de pó de carboneto de tungstênio, produz 23 graus padrão de pó de carboneto de tungstênio, e as variedades de pó de carboneto de tungstênio personalizadas de acordo com os requisitos do usuário podem atingir mais de 5 vezes a dos graus padrão do pó de carboneto de tungstênio.

Ao misturar e moer o pó de carboneto de tungstênio e a ligação metálica para produzir um certo grau de pó de carboneto cimentado, várias combinações podem ser usadas. O teor de cobalto mais usado é de 3% a 25% (razão de peso) e, no caso de precisar aumentar a resistência à corrosão da ferramenta, é necessário adicionar níquel e cromo. Além disso, a ligação metálica pode ser melhorada adicionando outros componentes de liga. Por exemplo, adicionar rutênio ao carboneto cimentado WC-Co pode melhorar significativamente sua resistência sem reduzir sua dureza. Aumentar o conteúdo do fichário também pode melhorar a resistência do carboneto cimentado, mas reduzirá sua dureza.

Reduzir o tamanho das partículas de carboneto de tungstênio pode aumentar a dureza do material, mas o tamanho das partículas do carboneto de tungstênio deve permanecer o mesmo durante o processo de sinterização. Durante a sinterização, as partículas de carboneto de tungstênio se combinam e crescem por meio de um processo de dissolução e reprecipitação. No processo real de sinterização, a fim de formar um material totalmente denso, a ligação metálica se torna líquida (chamada de sinterização da fase líquida). A taxa de crescimento das partículas de carboneto de tungstênio pode ser controlada adicionando outros carbonetos de metal de transição, incluindo carboneto de vanádio (VC), carboneto de cromo (CR3C2), carboneto de titânio (TIC), carboneto de tantalum (TAC) e niobio (NBC). Esses carbonetos de metal geralmente são adicionados quando o pó de carboneto de tungstênio é misturado e moído com uma ligação metálica, embora o carboneto de vanádio e o carboneto de cromo também possam ser formados quando o pó de carboneto de tungstênio for carburado.

O pó de carboneto de tungstênio também pode ser produzido usando materiais de carboneto cimentado reciclados. A reciclagem e a reutilização do carboneto de sucata tem uma longa história na indústria cimentada de carboneto e é uma parte importante de toda a cadeia econômica da indústria, ajudando a reduzir os custos de materiais, salvar recursos naturais e evitar resíduos. Descarte prejudicial. O carboneto cimentado em sucata geralmente pode ser reutilizado pelo processo APT (amônio paratungstate), processo de recuperação de zinco ou por esmagamento. Esses pós de carboneto de tungstênio "reciclados" geralmente têm densificação melhor e previsível porque possuem uma área de superfície menor do que os pós de carboneto de tungstênio fabricados diretamente através do processo de carburismo de tungstênio.

As condições de processamento da trituração mista do pó de carboneto de tungstênio e da ligação metálica também são parâmetros cruciais do processo. As duas técnicas de moagem mais usadas são a moagem de bolas e a micro -matriz. Ambos os processos permitem mistura uniforme de pós moído e tamanho reduzido de partícula. Para fazer com que a peça de trabalho prensada posterior tenha força suficiente, mantenha a forma da peça de trabalho e permita que o operador ou o manipulador pegue a peça de trabalho para operação, geralmente é necessário adicionar um fichário orgânico durante a moagem. A composição química dessa ligação pode afetar a densidade e a força da peça de trabalho prensada. Para facilitar o manuseio, é aconselhável adicionar ligantes de alta resistência, mas isso resulta em uma menor densidade de compactação e pode produzir caroços que podem causar defeitos no produto final.

Após a moagem, o pó é geralmente seco para produzir aglomerados de fluxo livre mantidos juntos por ligantes orgânicos. Ao ajustar a composição do aglutinante orgânico, a densidade de fluxo e carga desses aglomerados pode ser adaptada conforme desejado. Ao rastrear partículas mais grossas ou mais finas, a distribuição do tamanho das partículas do aglomerado pode ser ainda mais adaptada para garantir um bom fluxo quando carregado na cavidade do molde.

Fabricação de peça de trabalho

As peças de trabalho de carboneto podem ser formadas por uma variedade de métodos de processo. Dependendo do tamanho da peça de trabalho, do nível de complexidade da forma e do lote de produção, a maioria das inserções de corte é moldada usando matrizes rígidas de pressão superior e inferior. Para manter a consistência do peso e tamanho da peça de trabalho durante cada prensagem, é necessário garantir que a quantidade de pó (massa e volume) que flua para a cavidade seja exatamente a mesma. A fluidez do pó é controlada principalmente pela distribuição de tamanho dos aglomerados e pelas propriedades do aglutinante orgânico. As peças de trabalho moldadas (ou "espaços em branco") são formadas aplicando uma pressão de moldagem de 10-80 ksi (quilo por quilos por pé quadrado) no pó carregado na cavidade do molde.

Mesmo sob pressão de moldagem extremamente alta, as partículas de carboneto de tungstênio duro não se deformam ou quebram, mas o aglutinante orgânico é pressionado nas lacunas entre as partículas de carboneto de tungstênio, fixando assim a posição das partículas. Quanto maior a pressão, maior a ligação das partículas de carboneto de tungstênio e maior a densidade de compactação da peça de trabalho. As propriedades de moldagem dos graus de pó de carboneto cimentado podem variar, dependendo do conteúdo do aglutinante metálico, o tamanho e a forma das partículas de carboneto de tungstênio, o grau de aglomeração e a composição e a adição de aglutinante orgânico. Para fornecer informações quantitativas sobre as propriedades de compactação dos graus de pós de carboneto cimentado, a relação entre densidade de moldagem e pressão de moldagem é geralmente projetada e construída pelo fabricante do pó. Esta informação garante que o pó fornecido seja compatível com o processo de moldagem do fabricante da ferramenta.

As peças de trabalho de carboneto de grande porte ou peças de carboneto com altas proporções (como hastes para fábricas e exercícios finais) são normalmente fabricadas a partir de graus de carboneto em pó de carboneto em um saco flexível. Embora o ciclo de produção do método de prensagem equilibrado seja mais longo que o do método de moldagem, o custo de fabricação da ferramenta é menor; portanto, esse método é mais adequado para a produção de pequenos lotes.

Esse método de processo é colocar o pó na bolsa e selar a boca do saco e depois colocar o saco cheio de pó em uma câmara e aplicar uma pressão de 30 a 60ksi através de um dispositivo hidráulico para pressionar. As peças de trabalho prensadas são frequentemente usinadas para geometrias específicas antes da sinterização. O tamanho do saco é aumentado para acomodar o encolhimento da peça de trabalho durante a compactação e fornecer margem suficiente para operações de moagem. Como a peça de trabalho precisa ser processada após a pressão, os requisitos para a consistência do carregamento não são tão rigorosos quanto os do método de moldagem, mas ainda é desejável garantir que a mesma quantidade de pó seja carregada na bolsa a cada vez. Se a densidade de carregamento do pó for muito pequena, poderá levar a pó insuficiente na bolsa, resultando em uma peça de trabalho muito pequena e ter que ser descartada. Se a densidade de carregamento do pó estiver muito alta e o pó carregado na bolsa for demais, a peça de trabalho precisará ser processada para remover mais pó após a pressão. Embora as peças de trabalho em excesso de pó removidas e descartadas possam ser recicladas, fazê -lo reduz a produtividade.

As peças de trabalho de carboneto também podem ser formadas usando matrizes de extrusão ou matrizes de injeção. O processo de moldagem por extrusão é mais adequado para a produção em massa de peças de trabalho de forma axissimétrica, enquanto o processo de moldagem por injeção é geralmente usado para a produção em massa de peças de trabalho complexas. Nos dois processos de moldagem, os graus de pó de carboneto cimentado são suspensos em um fichário orgânico que confere uma consistência de pasta dentária à mistura de carboneto cimentado. O composto é então extrudado através de um orifício ou injetado em uma cavidade para se formar. As características do grau de pó de carboneto cimentado determinam a proporção ideal de pó para aglutinante na mistura e têm uma influência importante na fluxo da mistura através do orifício de extrusão ou injeção na cavidade.

Depois que a peça de trabalho é formada pela moldagem, prensagem isostática, moldagem por extrusão ou injeção, o aglutinante orgânico precisa ser removido da peça de trabalho antes do estágio final de sinterização. A sinterização remove a porosidade da peça de trabalho, tornando -a totalmente (ou substancialmente) densa. Durante a sinterização, a ligação metálica na peça de trabalho formada pela imprensa se torna líquida, mas a peça de trabalho mantém sua forma sob a ação combinada das forças capilares e da ligação de partículas.

Após a sinterização, a geometria da peça de trabalho permanece a mesma, mas as dimensões são reduzidas. Para obter o tamanho da peça de trabalho necessária após a sinterização, a taxa de encolhimento precisa ser considerada ao projetar a ferramenta. O grau de pó de carboneto usado para fazer cada ferramenta deve ser projetado para ter o encolhimento correto quando compactado sob a pressão apropriada.

Em quase todos os casos, é necessário o tratamento pós-peneira da peça de trabalho sinterizada. O tratamento mais básico das ferramentas de corte é aprimorar a aresta de corte. Muitas ferramentas requerem moagem de sua geometria e dimensões após a sinterização. Algumas ferramentas requerem moagem superior e inferior; Outros exigem moagem periférica (com ou sem afiar a aresta de corte). Todos os chips de carboneto da moagem podem ser reciclados.

Revestimento da peça de trabalho

Em muitos casos, a peça de trabalho final precisa ser revestida. O revestimento fornece lubrificação e aumento da dureza, bem como uma barreira de difusão ao substrato, impedindo a oxidação quando exposta a altas temperaturas. O substrato cimentado de carboneto é fundamental para o desempenho do revestimento. Além de adaptar as principais propriedades do pó da matriz, as propriedades da superfície da matriz também podem ser adaptadas pela seleção de produtos químicos e alterando o método de sinterização. Através da migração de cobalto, mais cobalto pode ser enriquecido na camada mais externa da superfície da lâmina dentro da espessura de 20 a 30 μm em relação ao restante da peça de trabalho, dando assim à superfície do substrato melhor resistência e tenacidade, tornando-a mais resistente à deformação.

Com base em seu próprio processo de fabricação (como método de deswaxing, taxa de aquecimento, tempo de sinterização, temperatura e tensão de carburismo), o fabricante da ferramenta pode ter alguns requisitos especiais para o grau de pó de carboneto cimentado usado. Alguns fabricantes de ferramentas podem sinterizar a peça de trabalho em um forno de vácuo, enquanto outros podem usar um forno de sinterização isostático quente (quadril) (que pressuriza a peça de trabalho perto do final do ciclo do processo para remover quaisquer resíduos) poros). As peças de trabalho sinterizadas em um forno a vácuo também podem precisar ser pressionadas isostaticamente pressionadas por meio de um processo adicional para aumentar a densidade da peça de trabalho. Alguns fabricantes de ferramentas podem usar temperaturas de sinterização a vácuo mais altas para aumentar a densidade sinterizada das misturas com menor teor de cobalto, mas essa abordagem pode gritar sua microestrutura. Para manter um tamanho de grão fino, os pós com tamanho de partícula menor do carboneto de tungstênio podem ser selecionados. Para corresponder aos equipamentos de produção específicos, as condições de deswaxing e a tensão de carburismo também têm requisitos diferentes para o teor de carbono no pó de carboneto cimentado.

Classificação de notas

Alterações combinadas de diferentes tipos de pó de carboneto de tungstênio, composição da mistura e teor de ligante de metal, tipo e quantidade de inibidor do crescimento de grãos, etc., constituem uma variedade de graus de carboneto cimentado. Esses parâmetros determinarão a microestrutura do carboneto cimentado e suas propriedades. Algumas combinações específicas de propriedades se tornaram a prioridade para alguns aplicativos de processamento específicos, tornando -se significativo classificar vários graus de carboneto cimentados.

Os dois sistemas de classificação de carboneto mais usados ​​para aplicações de usinagem são o sistema de designação C e o sistema de designação ISO. Embora nenhum dos sistemas reflita completamente as propriedades do material que influenciam a escolha dos graus de carboneto cimentados, eles fornecem um ponto de partida para discussão. Para cada classificação, muitos fabricantes têm suas próprias notas especiais, resultando em uma ampla variedade de notas de carboneto。

Os graus de carboneto também podem ser classificados por composição. Os graus de carboneto de tungstênio (WC) podem ser divididos em três tipos básicos: simples, microcristalina e liga. Os graus simplex consistem principalmente em ligantes de carboneto de tungstênio e cobalto, mas também podem conter pequenas quantidades de inibidores do crescimento de grãos. O grau microcristalino é composto de carboneto de tungstênio e aglutinante de cobalto adicionado com vários milésimos de carboneto de vanádio (VC) e (ou) carboneto de cromo (CR3C2), e seu tamanho de grão pode atingir 1 μm ou menos. Os graus de liga são compostos de ligantes de carboneto de tungstênio e cobalto contendo alguns por cento de carboneto de titânio (TIC), carboneto de tântalo (TAC) e carboneto de nióbio (NBC). Essas adições também são conhecidas como carbonetos cúbicos por causa de suas propriedades de sinterização. A microestrutura resultante exibe uma estrutura trifásica não homogênea.

1) notas simples de carboneto

Esses notas para corte de metal geralmente contêm 3% a 12% de cobalto (em peso). A faixa de tamanho de grãos de carboneto de tungstênio é geralmente entre 1-8 μm. Assim como em outros notas, reduzir o tamanho das partículas do carboneto de tungstênio aumenta sua dureza e força de ruptura transversal (TRS), mas reduz sua resistência. A dureza do tipo puro é geralmente entre HRA89-93.5; A força de ruptura transversal é geralmente entre 175-350ksi. Os pós desses graus podem conter grandes quantidades de materiais reciclados.

Os graus de tipo simples podem ser divididos em C1-C4 no sistema de grau C e podem ser classificados de acordo com a série K, N, S e H GRADE no sistema ISO. As notas simplex com propriedades intermediárias podem ser classificadas como graus de uso geral (como C2 ou K20) e podem ser usadas para girar, fresar, aplainar e chatas; Notas com tamanho menor de grãos ou menor teor de cobalto e dureza mais alta podem ser classificadas como graus de acabamento (como C4 ou K01); Notas com tamanho de grão maior ou maior teor de cobalto e melhor tenacidade podem ser classificados como graus de desbaste (como C1 ou K30).

As ferramentas fabricadas nos graus simplex podem ser usadas para usinar ferro fundido, aço inoxidável, alumínio e outros metais não ferrosos da série, 300 e 300, super-loys e aços endurecidos. Esses graus também podem ser usados ​​em aplicações de corte não metálicas (por exemplo, como ferramentas de perfuração geológica e rochosa), e esses graus têm uma faixa de tamanho de grão de 1,5-10μm (ou maior) e um teor de cobalto de 6%a 16%. Outro uso de corte não-metal de notas simples de carboneto está na fabricação de matrizes e socos. Esses notas geralmente têm um tamanho de grão médio com um teor de cobalto de 16%a 30%.

(2) notas de carboneto cimentado microcristalinas

Tais notas geralmente contêm 6% a 15% de cobalto. Durante a sinterização da fase líquida, a adição de carboneto de vanádio e/ou carboneto de cromo pode controlar o crescimento de grãos para obter uma estrutura de grão fina com um tamanho de partícula inferior a 1 μm. Esta nota de grão fino tem dureza muito alta e forças de ruptura transversal acima de 500ksi. A combinação de alta resistência e resistência suficiente permite que esses notas usem um ângulo de ancinho positivo maior, o que reduz as forças de corte e produz chips mais finos cortando em vez de empurrar o material de metal.

Através da identificação estrita da qualidade de várias matérias -primas na produção de graus de pó de carboneto cimentado e controle rigoroso das condições do processo de sinterização para impedir a formação de grãos anormalmente grandes na microestrutura material, é possível obter propriedades apropriadas do material. Para manter o tamanho de grão pequeno e uniforme, o pó reciclado reciclado deve ser usado apenas se houver controle total da matéria -prima e do processo de recuperação e testes extensivos de qualidade.

Os graus microcristalinos podem ser classificados de acordo com a série M no sistema ISO. Além disso, outros métodos de classificação no sistema de grau C e no sistema ISO de grau são os mesmos que os graus puros. Os graus microcristalinos podem ser usados ​​para fabricar ferramentas que cortam os materiais mais macios da peça de trabalho, porque a superfície da ferramenta pode ser usinada muito suave e pode manter uma aresta de corte extremamente nítida.

Os graus microcristalinos também podem ser usados ​​para usinar as super-alojas à base de níquel, pois podem suportar temperaturas de corte de até 1200 ° C. Para o processamento de super -operadores e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de grau microcristalino e ferramentas de nível puro contendo rutênio pode melhorar simultaneamente sua resistência ao desgaste, resistência e resistência à deformação. Os graus microcristalinos também são adequados para a fabricação de ferramentas rotativas, como exercícios que geram tensão de cisalhamento. Há uma broca feita de graus compostos de carboneto cimentado. Em partes específicas da mesma broca, o conteúdo de cobalto no material varia, para que a dureza e a tenacidade da broca sejam otimizadas de acordo com as necessidades de processamento.

(3) notas de carboneto cimentadas do tipo liga

Esses graus são usados ​​principalmente para cortar peças de aço, e seu teor de cobalto é geralmente de 5%a 10%, e o tamanho do grão varia de 0,8-2μm. Ao adicionar carboneto de titânio de 4% a 25% (TIC), a tendência do carboneto de tungstênio (WC) de difundir-se com a superfície dos chips de aço pode ser reduzida. A resistência à ferramenta, a resistência ao desgaste da cratera e a resistência ao choque térmico podem ser aprimoradas, adicionando até 25% de carboneto de tântalo (TAC) e carboneto de nióbio (NBC). A adição de tais carbonetos cúbicos também aumenta a dureza vermelha da ferramenta, ajudando a evitar a deformação térmica da ferramenta em corte pesado ou outras operações onde a aresta de corte gerará altas temperaturas. Além disso, o carboneto de titânio pode fornecer locais de nucleação durante a sinterização, melhorando a uniformidade da distribuição de carboneto cúbico na peça de trabalho.

De um modo geral, a faixa de dureza dos graus de carboneto cimentado do tipo liga é HRA91-94, e a força de fratura transversal é de 150-300ksi. Comparados com os graus puros, os graus de liga têm baixa resistência ao desgaste e menor força, mas têm melhor resistência ao desgaste adesivo. Os graus de liga podem ser divididos em C5-C8 no sistema C de grau C e podem ser classificados de acordo com a série de grau P e M no sistema de grau ISO. As notas de liga com propriedades intermediárias podem ser classificadas como graus de uso geral (como C6 ou P30) e podem ser usadas para girar, tocar, planejar e fresar. As notas mais difíceis podem ser classificadas como notas de acabamento (como C8 e P01) para terminar operações de giro e chato. Esses notas geralmente têm tamanhos de grãos menores e menor teor de cobalto para obter a dureza necessária e a resistência ao desgaste. No entanto, propriedades materiais semelhantes podem ser obtidas adicionando mais carbonetos cúbicos. Notas com a maior tenacidade podem ser classificadas como graus de desbaste (por exemplo, C5 ou P50). Esses notas geralmente têm um tamanho médio de grão e alto teor de cobalto, com baixas adições de carbonetos cúbicos para alcançar a tenacidade desejada, inibindo o crescimento da trinca. Nas operações de virada interrompidas, o desempenho de corte pode ser melhorado usando os graus ricos em cobalto acima mencionados com maior teor de cobalto na superfície da ferramenta.

Notas de liga com um teor de carboneto de titânio mais baixo são usadas para usinar aço inoxidável e ferro maleável, mas também podem ser usados ​​para usinar metais não ferrosos, como as superalotas à base de níquel. O tamanho do grão desses notas é geralmente menor que 1 μm e o teor de cobalto é de 8%a 12%. Notas mais difíceis, como o M10, podem ser usadas para girar ferro maleável; Notas mais difíceis, como o M40, podem ser usadas para moagem e planejar aço, ou para girar aço inoxidável ou super -loys.

Os graus de carboneto cimentados do tipo liga também podem ser usados ​​para fins de corte não-metal, principalmente para a fabricação de peças resistentes ao desgaste. O tamanho das partículas desses graus é geralmente de 1,2-2 μm e o teor de cobalto é de 7%a 10%. Ao produzir esses graus, geralmente é adicionada uma alta porcentagem de matéria-prima reciclada, resultando em uma alta eficácia em aplicações de peças de desgaste. As peças de desgaste requerem boa resistência à corrosão e alta dureza, que podem ser obtidas adicionando níquel e carboneto de cromo ao produzir esses graus.

Para atender aos requisitos técnicos e econômicos dos fabricantes de ferramentas, o pó de carboneto é o elemento -chave. Os pós projetados para o equipamento de usinagem e os parâmetros de usinagem dos fabricantes de ferramentas garantem o desempenho da peça de trabalho acabada e resultaram em centenas de notas de carboneto. A natureza reciclável dos materiais de carboneto e a capacidade de trabalhar diretamente com fornecedores de pó permite que os fabricantes de ferramentas controlem efetivamente a qualidade do produto e os custos de material.