O carboneto é a classe mais amplamente utilizada de materiais de ferramentas de usinagem de alta velocidade (HSM), que são produzidos por processos de metalurgia do pó e consistem em partículas de carboneto duro (geralmente carboneto de tungstênio WC) e uma composição de liga metálica mais macia.Atualmente, existem centenas de carbonetos cimentados à base de WC com diferentes composições, a maioria dos quais usa cobalto (Co) como ligante, níquel (Ni) e cromo (Cr) também são elementos ligantes comumente usados, e outros também podem ser adicionados .alguns elementos de liga.Por que existem tantos graus de metal duro?Como os fabricantes de ferramentas escolhem o material certo para uma operação de corte específica?Para responder a essas perguntas, vamos primeiro examinar as várias propriedades que tornam o metal duro um material de ferramenta ideal.
dureza e tenacidade
O carboneto cimentado WC-Co tem vantagens únicas em dureza e tenacidade.O carboneto de tungstênio (WC) é inerentemente muito duro (mais do que o corindo ou alumina) e sua dureza raramente diminui à medida que a temperatura operacional aumenta.No entanto, falta tenacidade suficiente, uma propriedade essencial para ferramentas de corte.A fim de aproveitar a alta dureza do carboneto de tungstênio e melhorar sua tenacidade, as pessoas usam ligas metálicas para unir o carboneto de tungstênio, de modo que este material tenha uma dureza muito superior à do aço rápido, enquanto é capaz de suportar a maioria dos cortes. operações.força de corte.Além disso, pode suportar as altas temperaturas de corte causadas pela usinagem de alta velocidade.
Hoje, quase todas as facas e inserções WC-Co são revestidas, então o papel do material de base parece menos importante.Mas, na verdade, é o alto módulo de elasticidade do material WC-Co (uma medida de rigidez, que é cerca de três vezes a do aço rápido 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 metal duro.Portanto, a adequação do desempenho da ferramenta a uma usinagem específica depende em grande parte do processo de fresamento inicial.
processo de moagem
O pó de carboneto de tungstênio é obtido pela cementação do pó de tungstênio (W).As características do pó de carboneto de tungstênio (especialmente seu tamanho de partícula) dependem principalmente do tamanho de partícula do pó de tungstênio da matéria-prima e da temperatura e tempo de carbonetação.O controle químico também é crítico, devendo o teor de carbono 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 de cementação para controlar o tamanho de partícula do pó através de processos subseqüentes.Diferentes condições de 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 dos quais uma variedade de diferentes pós de carboneto de tungstênio pode ser produzida.Por exemplo, a ATI Alldyne, um 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 os graus padrão de pó de carboneto de tungstênio.
Ao misturar e moer pó de carboneto de tungstênio e liga de metal para produzir um certo grau de pó de carboneto cimentado, várias combinações podem ser usadas.O teor de cobalto mais utilizado é de 3% – 25% (relação de peso), e no caso de precisar aumentar a resistência à corrosão da ferramenta, é necessário adicionar níquel e cromo.Além disso, a ligação do metal pode ser melhorada adicionando outros componentes da liga.Por exemplo, adicionar rutênio ao carboneto cimentado WC-Co pode melhorar significativamente sua tenacidade sem reduzir sua dureza.Aumentar o teor de ligante também pode melhorar a tenacidade do metal duro, mas reduzirá sua dureza.
Reduzir o tamanho das partículas de carboneto de tungstênio pode aumentar a dureza do material, mas o tamanho de partícula do carboneto de tungstênio deve permanecer o mesmo durante o processo de sinterização.Durante a sinterização, as partículas de carboneto de tungstênio combinam e crescem através de um processo de dissolução e reprecipitação.No processo de sinterização real, para formar um material totalmente denso, a ligação metálica torna-se líquida (chamada de sinterização em fase líquida).A taxa de crescimento das partículas de carboneto de tungstênio pode ser controlada pela adição de outros carbonetos de metais de transição, incluindo carboneto de vanádio (VC), carboneto de cromo (Cr3C2), carboneto de titânio (TiC), carboneto de tântalo (TaC) e carboneto de nióbio (NbC).Esses carbonetos metálicos são geralmente 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 é cementado.
O pó de carboneto de tungstênio também pode ser produzido usando materiais reciclados de carboneto cimentado.A reciclagem e reutilização de sucata de metal duro tem uma longa história na indústria de metal duro e é uma parte importante de toda a cadeia econômica da indústria, ajudando a reduzir custos de materiais, economizar recursos naturais e evitar o desperdício de materiais.Eliminação prejudicial.A sucata de carboneto cimentado geralmente pode ser reutilizada pelo processo APT (paratungstato de amônio), pelo processo de recuperação de zinco ou por britagem.Esses pós de carboneto de tungstênio “reciclados” geralmente têm densificação melhor e previsível porque têm uma área de superfície menor do que os pós de carboneto de tungstênio feitos diretamente através do processo de cementação de tungstênio.
As condições de processamento da moagem mista de pó de carboneto de tungstênio e ligação metálica também são parâmetros de processo cruciais.As duas técnicas de fresamento mais comumente usadas são o fresamento de esferas e o microfresamento.Ambos os processos permitem a mistura uniforme de pós moídos e tamanho de partícula reduzido.A fim de fazer com que a peça de trabalho prensada posteriormente tenha resistência suficiente, mantenha a forma da peça de trabalho e permita que o operador ou manipulador pegue a peça de trabalho para operação, geralmente é necessário adicionar um aglutinante orgânico durante a retificação.A composição química desta ligação pode afetar a densidade e a resistência da peça prensada.Para facilitar o manuseio, é aconselhável adicionar ligantes de alta resistência, mas isso resulta em menor densidade de compactação e pode produzir grumos que podem causar defeitos no produto final.
Após a moagem, o pó é geralmente seco por pulverização para produzir aglomerados de fluxo livre mantidos juntos por aglutinantes orgânicos.Ao ajustar a composição do aglutinante orgânico, a fluidez e a densidade de carga desses aglomerados podem ser ajustadas conforme desejado.Ao filtrar partículas mais grossas ou mais finas, a distribuição de tamanho de partícula do aglomerado pode ser ainda mais ajustada para garantir um bom fluxo quando carregado na cavidade do molde.
Fabricação de peças de trabalho
Peças de metal duro 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 pastilhas de corte é moldada usando matrizes rígidas de pressão superior e inferior.Para manter a consistência de peso e tamanho da peça de trabalho durante cada prensagem, é necessário garantir que a quantidade de pó (massa e volume) que flui 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 “brancos”) são formadas pela aplicação de uma pressão de moldagem de 10-80 ksi (quilo libras por pé quadrado) ao pó carregado na cavidade do molde.
Mesmo sob pressão de moldagem extremamente alta, as partículas duras de carboneto de tungstênio 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, mais apertada a ligação das partículas de carboneto de tungstênio e maior a densidade de compactação da peça de trabalho.As propriedades de moldagem dos tipos de pó de carboneto cimentado podem variar, dependendo do teor de aglutinante metálico, do tamanho e forma das partículas de carboneto de tungstênio, do grau de aglomeração e da composição e adição de aglutinante orgânico.A fim de fornecer informações quantitativas sobre as propriedades de compactação de graus de pós de metal duro, a relação entre a densidade de moldagem e a pressão de moldagem geralmente é projetada e construída pelo fabricante do pó.Esta informação garante que o pó fornecido é compatível com o processo de moldagem do fabricante da ferramenta.
Peças de trabalho de metal duro de tamanho grande ou peças de trabalho de metal duro com altas proporções (como hastes para fresas de topo e brocas) são normalmente fabricadas a partir de graus uniformemente prensados de pó de metal duro em um saco flexível.Embora o ciclo de produção do método de prensagem balanceada seja mais longo que o do método de moldagem, o custo de fabricação da ferramenta é menor, portanto esse método é mais adequado para produção em pequenos lotes.
Este método de processo é colocar o pó no saco e selar a boca do saco e, em seguida, colocar o saco cheio de pó em uma câmara e aplicar uma pressão de 30-60ksi através de um dispositivo hidráulico para pressionar.As peças de trabalho prensadas geralmente são usinadas em geometrias específicas antes da sinterização.O tamanho do saco é aumentado para acomodar o encolhimento da peça de trabalho durante a compactação e para fornecer margem suficiente para operações de retificação.Como a peça de trabalho precisa ser processada após a prensagem, os requisitos de consistência da carga não são tão rígidos quanto os do método de moldagem, mas ainda é desejável garantir que a mesma quantidade de pó seja carregada no saco todas as vezes.Se a densidade de carga do pó for muito pequena, pode haver pó insuficiente no saco, resultando em uma peça de trabalho muito pequena e tendo que ser descartada.Se a densidade de carga do pó for muito alta e o pó carregado no saco for muito, a peça de trabalho precisa ser processada para remover mais pó depois de prensada.Embora o excesso de pó removido e as peças descartadas possam ser reciclados, isso reduz a produtividade.
As peças de metal duro 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 forma axissimétrica, enquanto o processo de moldagem por injeção é geralmente usado para a produção em massa de peças de forma complexa.Em ambos os processos de moldagem, graus de pó de carboneto cimentado são suspensos em um aglutinante orgânico que confere uma consistência semelhante à pasta de dente à mistura de carboneto cimentado.O composto é então extrudado através de um orifício ou injetado em uma cavidade para formar.As características do grau do pó de metal duro determinam a proporção ideal de pó para ligante na mistura e têm uma influência importante na fluidez da mistura através do orifício de extrusão ou injeção na cavidade.
Depois que a peça de trabalho é formada por moldagem, prensagem isostática, extrusão ou moldagem por injeção, o ligante 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 de metal na peça moldada torna-se líquida, mas a peça retém sua forma sob a ação combinada de forças capilares e ligação de partículas.
Após a sinterização, a geometria da peça permanece a mesma, mas as dimensões são reduzidas.Para obter o tamanho de peça necessário após a sinterização, a taxa de contração precisa ser considerada ao projetar a ferramenta.O grau de carboneto em pó usado para fabricar cada ferramenta deve ser projetado para ter o encolhimento correto quando compactado sob a pressão apropriada.
Em quase todos os casos, o tratamento pós-sinterização da peça sinterizada é necessário.O tratamento mais básico das ferramentas de corte é afiar a aresta de corte.Muitas ferramentas requerem retificação de sua geometria e dimensões após a sinterização.Algumas ferramentas requerem retificação superior e inferior;outros requerem retificação periférica (com ou sem afiação da aresta de corte).Todas as aparas de metal duro da retificação podem ser recicladas.
Revestimento da peça de trabalho
Em muitos casos, a peça acabada precisa ser revestida.O revestimento proporciona lubricidade e maior dureza, bem como uma barreira de difusão ao substrato, evitando a oxidação quando exposto a altas temperaturas.O substrato de metal duro é crítico para o desempenho do revestimento.Além de adaptar as principais propriedades do pó da matriz, as propriedades de superfície da matriz também podem ser adaptadas por seleção química e alteração do 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 20-30 μm em relação ao resto da peça de trabalho, dando assim à superfície do substrato melhor resistência e tenacidade, tornando-o mais resistente. resistente à deformação.
Com base em seu próprio processo de fabricação (como método de desparafinação, taxa de aquecimento, tempo de sinterização, temperatura e tensão de cementação), o fabricante da ferramenta pode ter alguns requisitos especiais para o tipo de pó de metal duro usado.Alguns fabricantes de ferramentas podem sinterizar a peça de trabalho em um forno a vácuo, enquanto outros podem usar um forno de sinterização de prensagem isostática a quente (HIP) (que pressuriza a peça de trabalho perto do final do ciclo do processo para remover quaisquer poros de resíduos).As peças de trabalho sinterizadas em um forno a vácuo também podem precisar ser prensadas isostaticamente a quente 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 de misturas com menor teor de cobalto, mas essa abordagem pode tornar sua microestrutura mais grosseira.A fim de manter um tamanho de grão fino, pós com tamanho de partícula menor de carboneto de tungstênio podem ser selecionados.A fim de corresponder ao equipamento de produção específico, as condições de desparafinação e a tensão de cementação também têm requisitos diferentes para o teor de carbono no pó de carboneto cimentado.
classificação de notas
Mudanças de combinação de diferentes tipos de pó de carboneto de tungstênio, composição da mistura e teor de aglutinante de metal, tipo e quantidade de inibidor de crescimento de grão, etc., constituem uma variedade de graus de carboneto cimentado.Esses parâmetros determinarão a microestrutura do metal duro e suas propriedades.Algumas combinações específicas de propriedades tornaram-se a prioridade para algumas aplicações de processamento específicas, tornando significativo classificar vários tipos de metal duro.
Os dois sistemas de classificação de metal duro mais comumente usados para aplicações de usinagem são o sistema de designação C e o sistema de designação ISO.Embora nenhum dos sistemas reflita totalmente as propriedades do material que influenciam a escolha das classes de metal duro, eles fornecem um ponto de partida para discussão.Para cada classificação, muitos fabricantes têm suas próprias classes especiais, resultando em uma ampla variedade de classes de metal duro。
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, microcristalino e ligado.Os graus Simplex consistem principalmente em ligantes de carboneto de tungstênio e cobalto, mas também podem conter pequenas quantidades de inibidores de crescimento de grão.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 uma pequena porcentagem 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) Classes de metal duro simples
Essas classes para corte de metal geralmente contêm 3% a 12% de cobalto (por peso).A faixa de tamanho dos grãos de carboneto de tungstênio é geralmente entre 1-8 μm.Assim como em outras classes, a redução do tamanho de partícula do carboneto de tungstênio aumenta sua dureza e resistência à ruptura transversal (TRS), mas reduz sua tenacidade.A dureza do tipo puro é geralmente entre HRA89-93,5;a resistência à ruptura transversal é geralmente entre 175-350ksi.Os pós desses graus podem conter grandes quantidades de materiais reciclados.
As notas de tipo simples podem ser divididas em C1-C4 no sistema de notas C e podem ser classificadas de acordo com as séries de notas K, N, S e H no sistema de notas ISO.As classes Simplex com propriedades intermediárias podem ser classificadas como classes de uso geral (como C2 ou K20) e podem ser usadas para torneamento, fresamento, aplainamento e mandrilamento;classes com tamanho de grão menor ou menor teor de cobalto e maior dureza podem ser classificadas como classes de acabamento (como C4 ou K01);classes com tamanho de grão maior ou maior teor de cobalto e melhor tenacidade podem ser classificadas como classes de desbaste (como C1 ou K30).
As ferramentas feitas em classes Simplex podem ser usadas para usinagem de ferro fundido, aços inoxidáveis séries 200 e 300, alumínio e outros metais não ferrosos, superligas e aços endurecidos.Esses graus também podem ser usados em aplicações de corte não metálicas (por exemplo, como ferramentas de perfuração geológica e de rochas), e esses graus têm uma faixa de tamanho de grão de 1,5-10 μm (ou maior) e um teor de cobalto de 6% a 16%.Outro uso de corte não metálico de classes de metal duro simples é na fabricação de matrizes e punções.Esses graus geralmente têm um tamanho de grão médio com um teor de cobalto de 16% a 30%.
(2) Classes de metal duro microcristalino
Esses graus geralmente contêm 6%-15% de cobalto.Durante a sinterização em fase líquida, a adição de carboneto de vanádio e/ou carboneto de cromo pode controlar o crescimento do grão para obter uma estrutura de grão fino com tamanho de partícula inferior a 1 μm.Esta classe de granulação fina tem dureza muito alta e resistência à ruptura transversal acima de 500ksi.A combinação de alta resistência e tenacidade suficiente permite que essas classes usem um ângulo de saída positivo maior, o que reduz as forças de corte e produz cavacos mais finos cortando em vez de empurrar o material metálico.
Através da identificação rigorosa da qualidade de várias matérias-primas na produção de graus de pó de metal duro e do controle rigoroso das condições do processo de sinterização para evitar a formação de grãos anormalmente grandes na microestrutura do material, é possível obter as propriedades apropriadas do material.Para manter o tamanho de grão pequeno e uniforme, o pó reciclado reciclado só deve ser usado se houver controle total da matéria-prima e do processo de recuperação e testes de qualidade extensivos.
Os graus microcristalinos podem ser classificados de acordo com a série de graus M no sistema de graus ISO.Além disso, outros métodos de classificação no sistema de grau C e no sistema de grau ISO são os mesmos que os graus puros.As classes microcristalinas podem ser usadas para fazer ferramentas que cortam materiais mais macios, porque a superfície da ferramenta pode ser usinada de forma muito lisa e pode manter uma aresta de corte extremamente afiada.
Os graus microcristalinos também podem ser usados para usinar superligas à base de níquel, pois podem suportar temperaturas de corte de até 1200°C.Para o processamento de superligas e outros materiais especiais, o uso de ferramentas de grau microcristalino e ferramentas de grau puro contendo rutênio podem melhorar simultaneamente sua resistência ao desgaste, resistência à deformação e tenacidade.Os graus microcristalinos também são adequados para a fabricação de ferramentas rotativas, como brocas que geram tensão de cisalhamento.Existe uma broca feita de graus compostos de metal duro.Em partes específicas de uma mesma broca, o teor de cobalto no material varia, de modo que a dureza e a tenacidade da broca sejam otimizadas de acordo com as necessidades de processamento.
(3) Classes de metal duro tipo liga
Essas classes são usadas 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 a 2 μm.Ao adicionar 4%-25% de carboneto de titânio (TiC), a tendência do carboneto de tungstênio (WC) de se difundir na superfície dos cavacos de aço pode ser reduzida.A resistência da ferramenta, resistência ao desgaste por craterização e resistência ao choque térmico podem ser melhoradas 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 irá gerar altas temperaturas.Além disso, o carboneto de titânio pode fornecer locais de nucleação durante a sinterização, melhorando a uniformidade da distribuição cúbica de carboneto na peça de trabalho.
De um modo geral, a faixa de dureza das classes de metal duro do tipo liga é HRA91-94, e a resistência à fratura transversal é de 150-300ksi.Em comparação com os graus puros, os graus de liga têm baixa resistência ao desgaste e menor resistência, mas têm melhor resistência ao desgaste adesivo.Os graus de liga podem ser divididos em C5-C8 no sistema de graus C e podem ser classificados de acordo com as séries de graus P e M no sistema de graus ISO.Os graus de liga com propriedades intermediárias podem ser classificados como graus de uso geral (como C6 ou P30) e podem ser usados para torneamento, rosqueamento, aplainamento e fresamento.As classes mais duras podem ser classificadas como classes de acabamento (como C8 e P01) para operações de torneamento e mandrilamento de acabamento.Esses graus normalmente têm tamanhos de grão menores e menor teor de cobalto para obter a dureza necessária e resistência ao desgaste.No entanto, propriedades de material semelhantes podem ser obtidas adicionando mais carbonetos cúbicos.As classes com maior tenacidade podem ser classificadas como classes de desbaste (por exemplo, C5 ou P50).Esses graus normalmente têm tamanho de grão médio e alto teor de cobalto, com baixas adições de carbonetos cúbicos para atingir a tenacidade desejada ao inibir o crescimento de trincas.Em operações de torneamento interrompido, o desempenho de corte pode ser melhorado ainda mais usando as classes ricas em cobalto mencionadas acima com maior teor de cobalto na superfície da ferramenta.
As classes de liga com um teor de carboneto de titânio mais baixo são usadas para usinagem de aço inoxidável e ferro maleável, mas também podem ser usadas para usinagem de metais não ferrosos, como superligas à base de níquel.O tamanho de grão desses graus é geralmente inferior a 1 μm e o teor de cobalto é de 8% a 12%.Classes mais duras, como M10, podem ser usadas para tornear ferro maleável;classes mais tenazes, como M40, podem ser usadas para fresamento e aplainamento de aço, ou para torneamento de aço inoxidável ou superligas.
As classes de metal duro do tipo liga também podem ser usadas para fins de corte de não metais, principalmente para a fabricação de peças resistentes ao desgaste.O tamanho de partícula desses graus é geralmente de 1,2-2 μm e o teor de cobalto é de 7% a 10%.Ao produzir essas classes, uma alta porcentagem de matéria-prima reciclada geralmente é adicionada, resultando em uma alta relação custo-benefício em aplicações de peças de desgaste.As peças de desgaste requerem boa resistência à corrosão e alta dureza, o que pode ser obtido pela adição de carboneto de níquel e cromo ao produzir essas classes.
Para atender aos requisitos técnicos e econômicos dos fabricantes de ferramentas, o metal duro em pó é o elemento chave.Os pós projetados para equipamentos de usinagem e parâmetros de processo de fabricantes de ferramentas garantem o desempenho da peça acabada e resultaram em centenas de classes de metal duro.A natureza reciclável dos materiais de metal duro e a capacidade de trabalhar diretamente com os fornecedores de pó permitem que os fabricantes de ferramentas controlem com eficiência a qualidade de seus produtos e os custos de material.
Horário da postagem: 18 de outubro de 2022
