Цементированный карбид

Цементированные карбиды представляют собой класс твердых материалов, широко используемых для изготовления режущих инструментов , а также в других отраслях промышленности. Он состоит из мелких частиц карбида, сцементированных в композит металлической связкой. обычно используется карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) или карбид тантала В цементированных карбидах в качестве заполнителя (TaC). Упоминания «карбид» или «карбид вольфрама» в промышленном контексте обычно относятся к этим цементированным композитам.

В большинстве случаев твердосплавные фрезы обеспечивают лучшее качество поверхности детали и позволяют выполнять обработку быстрее, чем быстрорежущая сталь или другие инструментальные стали . Твердосплавные инструменты могут выдерживать более высокие температуры на границе раздела фреза-заготовка, чем стандартные инструменты из быстрорежущей стали (что является основной причиной, обеспечивающей более быструю обработку). Твердый сплав обычно лучше подходит для резки твердых материалов, таких как углеродистая или нержавеющая сталь , а также в ситуациях, когда другие режущие инструменты изнашиваются быстрее, например, при крупносерийном производстве. В ситуациях, когда твердосплавный инструмент не требуется, предпочтение отдается быстрорежущей стали из-за ее более низкой стоимости.

Строительство

Цементированные карбиды представляют собой композиты с металлической матрицей , в которых частицы карбида действуют как заполнитель, а металлическое связующее служит в качестве матрицы (аналог бетона, где гравийный заполнитель суспендирован в цементной матрице). Структура цементированного карбида концептуально аналогична структуре шлифовального круга , но абразивные частицы намного меньше; Макроскопически материал твердосплавной фрезы выглядит однородным.

Процесс соединения частиц карбида со связкой называется спеканием или горячим изостатическим прессованием (ГИП). Во время этого процесса материал нагревается до тех пор, пока связующее не перейдет в жидкую фазу, а зерна карбида (которые имеют гораздо более высокую температуру плавления) останутся твердыми. При такой повышенной температуре и давлении зерна карбида перестраиваются и уплотняются, образуя пористую матрицу. Пластичность металлического связующего компенсирует хрупкость карбидной керамики, что приводит к высокой общей прочности и долговечности композита. Контролируя различные параметры, включая размер зерна, содержание кобальта, дотацию (например, карбиды сплавов) и содержанием углерода, производитель твердого сплава может адаптировать характеристики твердого сплава к конкретным условиям применения.

Первым разработанным цементированным карбидом был карбид вольфрама (выпущенный в 1927 году), в котором используются частицы карбида вольфрама, скрепленные связкой из металлического кобальта. С тех пор были разработаны другие твердые сплавы, такие как карбид титана , который лучше подходит для резки стали, и карбид тантала , который более прочный, чем карбид вольфрама. ^{[ 1 ]}

Физические свойства

Установлено, что коэффициент теплового расширения цементированного карбида вольфрама зависит от количества кобальта, используемого в качестве металлической связки. Для образцов с содержанием кобальта 5,9% был измерен коэффициент 4,4 мкм/м·К, тогда как образцы с содержанием кобальта 13% имеют коэффициент около 5,0 мкм/м·К. Оба значения действительны только в диапазоне от 20 °C (68 °F) до 60 °C (140 °F) из-за нелинейности процесса теплового расширения. ^{[ 2 ]}

Приложения

Пластины для резки металла

Карбид дороже за единицу , чем другие типичные инструментальные материалы, и он более хрупок, что делает его подверженным сколам и поломкам. Чтобы компенсировать эти проблемы, сам твердосплавный режущий наконечник часто имеет форму небольшой вставки для инструмента с более крупным наконечником , хвостовик которого изготовлен из другого материала, обычно из углеродистой инструментальной стали . Это дает преимущество использования твердого сплава на границе раздела резания без высокой стоимости и хрупкости, связанных с изготовлением всего инструмента из твердого сплава. В большинстве современных торцевых фрез используются твердосплавные пластины, а также во многих токарных инструментах и концевых фрезах . Однако в последние десятилетия цельнотвердосплавные концевые фрезы также стали более широко использоваться там, где характеристики применения заставляют плюсы (например, более короткое время цикла) перевешивать минусы (упомянутые выше). Кроме того, в современных токарных (токарных) инструментах может использоваться твердосплавная пластина на твердосплавном инструменте, таком как расточная оправка, которая более жесткая, чем стальные держатели пластин, и, следовательно, менее подвержена вибрации, что особенно важно для расточных или резьбонарезных оправок, которые возможно, потребуется проникнуть в деталь на глубину, во много раз превышающую диаметр инструмента.

Покрытия вкладышей

Чтобы увеличить срок службы твердосплавных инструментов, на них иногда наносят покрытие. Пять таких покрытий — это TiN ( нитрид титана ), TiC ( карбид титана ), Ti(C)N ( карбид-нитрид титана ), TiAlN ( нитрид титана -алюминия ) и AlTiN ( нитрид алюминия-титана ). (Новые покрытия, известные как DLC ( алмазоподобный углерод ), начинают появляться, обеспечивая режущую способность алмаза без нежелательной химической реакции между настоящим алмазом и железом. ^{[ нужна ссылка ]}.) Большинство покрытий обычно повышают твердость и/или смазывающую способность инструмента. Покрытие позволяет режущей кромке инструмента аккуратно проходить сквозь материал, не допуская прилипания материала к нему. Покрытие также помогает снизить температуру, связанную с процессом резки, и увеличить срок службы инструмента. Покрытие обычно наносится методом термического химического осаждения из паровой фазы (CVD), а в некоторых случаях — методом механо- физического осаждения из паровой фазы (PVD). Однако если осаждение проводится при слишком высокой температуре, на границе раздела между карбидом и фазой кобальта образуется эта-фаза третичного карбида Co ₆ W ₆ C, что может привести к нарушению адгезии покрытия.

Вставки для горного инструмента

Режущие инструменты для горнодобывающей промышленности и проходки туннелей чаще всего оснащены наконечниками из твердого сплава, так называемыми «кнопочными долотами». Искусственный алмаз может заменить коронки из цементированного карбида только в идеальных условиях, но, поскольку бурение горных пород — это тяжелая работа, коронки из цементированного карбида остаются наиболее используемым типом во всем мире.

Валки для горячей и холодной прокатки

С середины 1960-х годов сталелитейные заводы по всему миру применяют цементированный карбид для валков своих прокатных станов как для горячей, так и для холодной прокатки труб, прутков и листового проката.

Другое промышленное применение

Эта категория содержит бесчисленное количество приложений, но ее можно разделить на три основные области:

Инженерные компоненты
Изнашиваемые детали
Инструменты и заготовки инструментов

Некоторые ключевые области применения компонентов из цементированного карбида:

Автомобильные компоненты
Консервные инструменты для глубокой вытяжки двухсекционных банок
Роторные ножницы для высокоскоростной резки искусственных волокон
Инструменты для формовки металла для проволоки волочения и штамповки , такие как волочильные штампы .
Кольца и втулки обычно используются для ударных и уплотнительных работ.
Деревообработка, например, для распиловки и строгания .
Поршни насосов для высокопроизводительных насосов (например, на ядерных установках)
Сопла, например, высокопроизводительные сопла для бурения нефтяных скважин.
Инструменты и компоненты для крыши и хвоста, обеспечивающие высокую износостойкость.
Шарики для шариковых подшипников и шариковых ручек.

Непромышленное использование

Ювелирные изделия

Карбид вольфрама стал популярным материалом в индустрии свадебных украшений благодаря своей чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. Учитывая его хрупкость , он склонен к сколам, трещинам или разрушению при использовании в ювелирных изделиях. После перелома его невозможно починить.

История

Первоначальное развитие цементированных и спеченных карбидов произошло в Германии в 1920-х годах. ^{[ 3 ]} ThyssenKrupp говорит [в историческом настоящем времени]: «Спеченный карбид вольфрама был разработан «Обществом исследований электрического освещения Osram » для замены алмазов в качестве материала для обработки металла. Не имея оборудования для использования этого материала в промышленных масштабах, Osram продает лицензия была выдана Krupp в конце 1925 года. В 1926 году Krupp выводит на рынок спеченный карбид под названием WIDIA ( аббревиатура от WIe DIAmant = подобный алмазу)». ^{[ 4 ]} / ˈ v iː d i ə / Справочник машиностроителя ^{[ 3 ]} датой коммерческого внедрения твердосплавных инструментов считается 1927 год. Бургхардт и Аксельрод. ^{[ 5 ]} укажите дату их коммерческого внедрения в США в 1928 году. Последующее развитие происходило в разных странах. ^{[ 3 ]}

Хотя маркетинговый ход был несколько преувеличенным (карбиды не полностью эквивалентны алмазу), твердосплавные инструменты предлагали улучшение скорости резания и подач настолько значительное , что, как и в случае с быстрорежущей сталью двумя десятилетиями ранее, это заставило разработчиков станков переосмыслить каждый аспект существующих конструкций с прицелом на еще большую жесткость и улучшенные подшипники шпинделя .

Во время Второй мировой войны в Германии ощущался дефицит вольфрама. Установлено, что вольфрам в составе карбида режет металл эффективнее, чем вольфрам в быстрорежущей стали, поэтому для экономии использования вольфрама для резки металла стали использовать как можно больше карбидов.

Название Widia de [ ] . стало обобщенным товарным знаком в разных странах и на разных языках ^{[ 4 ]} включая английский (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ), хотя обобщенное значение никогда не было особенно широко распространено в английском языке («карбид» - обычный общий термин). С 2009 года это имя было возрождено в качестве торговой марки компанией Kennametal . ^{[ 6 ]} и этот бренд включает в себя множество популярных марок режущих инструментов.

Первой формой были наконечники без покрытия, припаянные к хвостовикам. Зажимные сменные пластины и современное разнообразие покрытий — это достижения, достигнутые за прошедшие десятилетия. ^{[ 3 ]} С каждым десятилетием использование карбида становилось менее «особым» и более распространенным. ^{[ оригинальное исследование? ]}

Что касается мелкозернистого твердого сплава, была предпринята попытка проследить научные и технологические этапы, связанные с его производством; Однако эта задача непроста из-за ограничений, налагаемых коммерческими, а в некоторых случаях и исследовательскими организациями, на публикацию соответствующей информации в течение длительного времени после даты первоначальной работы. Таким образом, размещение данных в историческом, хронологическом порядке представляет определенные трудности. Однако удалось установить, что еще в 1929 году, примерно через 6 лет после получения первого патента, сотрудники Krupp/Osram выявили положительные аспекты измельчения зерна карбида вольфрама. К 1939 году они также обнаружили благотворное влияние добавления небольшого количества карбида ванадия и тантала. Это эффективно контролировало прерывистый рост зерна . ^{[ 7 ]}

То, что считалось «хорошим» в одно десятилетие, в следующем считалось не таким уж хорошим. Таким образом, размер зерна в диапазоне 0,5–3,0 мкм в первые годы считался подходящим, но к 1990-м годам наступила эра нанокристаллического материала с размером зерна 20–50 нм.

Pobedit

Победит (русский: победи́т ) представляет собой спеченный карбидный сплав, содержащий около 90% карбида вольфрама в качестве твердой фазы и около 10% кобальта (Со) в качестве связующей фазы, с небольшим количеством дополнительного углерода. Он был разработан в Советском Союзе в 1929 году, его описывают как материал, из которого режущие инструменты изготавливают . В дальнейшем был разработан ряд аналогичных сплавов на основе вольфрама и кобальта, за которыми также сохранилось название «победит». ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}

Победит обычно производят методом порошковой металлургии в виде пластин разной формы и размера. Процесс производства заключается в следующем: мелкий порошок карбида вольфрама (или другого тугоплавкого карбида) и мелкий порошок связующего материала, такого как кобальт или никель, смешиваются, а затем прессуются в соответствующие формы. Прессованные пластины спекаются при температуре, близкой к температуре плавления связующего металла, в результате чего получается очень плотное и твердое вещество.

Пластины этого сверхтвердого композита применяются для изготовления металлорежущего и сверлильного инструмента; они обычно припаяны к кончикам режущего инструмента. Дополнительная термическая обработка не требуется. Победитовые вставки на кончиках сверл до сих пор очень распространены в России.

См. также

Твердосплавная пила

Ссылки

^ Чайлдс, Томас (2000). «А6.2 Твердые сплавы и металлокерамика» . Обработка металлов: теория и приложения . Баттерворт-Хайнеманн. стр. 388–389. ISBN 978-0-340-69159-5 .
^ Хиднерт, Питер (январь 1937 г.). «Термическое расширение цементированного карбида вольфрама». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 18 (1): 47–52. дои : 10.6028/jres.018.025 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Справочник машинного оборудования (1996) , стр. 744.
^ Перейти обратно: ^а ^б ThyssenKrupp AG, 1926 год. Крупп продает инструментальный металл WIDIA , Эссен , Германия, архивировано из оригинала 25 марта 2016 года , получено 2 марта 2012 года .
^ Бургхардт и Аксельрод (1954) , с. 453.
^ Widia.com , получено 22 октября 2010 г.
^ Сприггс, Джеффри Э. (1995). «История мелкозернистого твердого металла». Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов . 13 (5): 241–255. дои : 10.1016/0263-4368(95)92671-6 .
^ "Победит [Pobedit]" . Большая советская энциклопедия [Great Soviet Encyclopedia] (in Russian) (3 ed.). Советская энциклопедия [Soviet Encyclopedia]. 1975 . Retrieved 21 June 2020 .
^ Васильев, Н. Н.; Исаакян, О. Н.; Рогинский, Н. О.; Смолянский, Я. Б.; Сокович, В. А.; Хачатуров, Т. С. (1941). "ПОБЕДИТ [Pobedit]" . Технический железнодорожный словарь [Technical Railway Dictionary] (in Russian). Трансжелдориздат [Transseldorizdat].
^ the free dictionary: pobedit

Библиография

Бургхардт, Генри Д.; Аксельрод, Аарон (1954). Работа на станке . Том. 2 (3-е изд.). МакГроу-Хилл. LCCN 52011537 .
Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д.; Хортон, Холбрук Л.; Райффель, Генри Х. (1996), Грин, Роберт Э.; МакКоли, Кристофер Дж. (ред.), Справочник машинного оборудования (25-е изд.), Нью-Йорк: Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2575-2 , OCLC 473691581 .

Дальнейшее чтение

Шуберт, В.-Д.; Ласснер, Э.; Бёльке, W (июнь 2010 г.). «Цементированные карбиды – история успеха» (PDF) . Информационный бюллетень ITIA .
«Цементированные карбиды в Советском Союзе – неизвестная история» . Вольфрам (Информационный бюллетень ITIA) .

Внешние ссылки

СМИ, связанные с цементированными карбидами, на Викискладе?

[1] Чайлдс, Томас (2000). «А6.2 Твердые сплавы и металлокерамика» . Обработка металлов: теория и приложения . Баттерворт-Хайнеманн. стр. 388–389. ISBN 978-0-340-69159-5 .

[2] Хиднерт, Питер (январь 1937 г.). «Термическое расширение цементированного карбида вольфрама». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 18 (1): 47–52. дои : 10.6028/jres.018.025 .

[FOOTNOTEMachinery's_Handbook1996744-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Справочник машинного оборудования (1996) , стр. 744.

[thyssenkrupp.com_geschichte_chronik_k1926-4] Перейти обратно: ^а ^б ThyssenKrupp AG, 1926 год. Крупп продает инструментальный металл WIDIA , Эссен , Германия, архивировано из оригинала 25 марта 2016 года , получено 2 марта 2012 года .

[FOOTNOTEBurghardtAxelrod1954453-5] Бургхардт и Аксельрод (1954) , с. 453.

[6] Widia.com , получено 22 октября 2010 г.

[7] Сприггс, Джеффри Э. (1995). «История мелкозернистого твердого металла». Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов . 13 (5): 241–255. дои : 10.1016/0263-4368(95)92671-6 .

[8] "Победит [Pobedit]" . Большая советская энциклопедия [Great Soviet Encyclopedia] (in Russian) (3 ed.). Советская энциклопедия [Soviet Encyclopedia]. 1975 . Retrieved 21 June 2020 .

[9] Васильев, Н. Н.; Исаакян, О. Н.; Рогинский, Н. О.; Смолянский, Я. Б.; Сокович, В. А.; Хачатуров, Т. С. (1941). "ПОБЕДИТ [Pobedit]" . Технический железнодорожный словарь [Technical Railway Dictionary] (in Russian). Трансжелдориздат [Transseldorizdat].

[10] the free dictionary: pobedit

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]