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 металлическим связующим. В цементированных карбидах в качестве заполнителя обычно используется карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC) или карбид тантала (TaC). Упоминания «карбид» или «карбид вольфрама» в промышленном контексте обычно относятся к этим цементированным композитам.
В большинстве случаев твердосплавные фрезы обеспечивают более качественную поверхность детали и обеспечивают более быструю обработку , 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.
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 сплава) и содержание углерода, производитель твердого сплава может адаптировать характеристики твердого сплава к конкретным применениям.
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]
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 -1 ·К -1 , тогда как образцы с содержанием кобальта 13% имели коэффициент около 5,0 мкм·м -1 ·К -1 . Оба значения действительны только в диапазоне от 20 °C (68 °F) до 60 °C (140 °F) из-за нелинейности процесса теплового расширения. [2]
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 цельные твердосплавные 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.
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 ). ( Большинство покрытий обычно увеличивают твердость инструмента и / или смазывающая способность. 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.
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.
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.
Эта категория содержит бесчисленное количество приложений, но ее можно разделить на три основные области:
Некоторые ключевые области применения компонентов из цементированного карбида:
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.
Первоначальное развитие цементированных и спеченных карбидов произошло в Германии в 1920-х годах. [3] ThyssenKrupp сообщает [в историческом настоящем времени]: «Спеченный карбид вольфрама был разработан « Исследовательским обществом Osram по электрическому освещению» для замены алмазов в качестве материала для обработки металлов. Не было оборудования для использования этого материала в промышленных масштабах. В конце 1925 года компания Osram продает лицензию компании Krupp. В 1926 году компания Krupp выводит на рынок спеченный карбид под названием WIDIA ( аббревиатура от WIe DIAmant = подобный алмазу)». [4] / ˈ v iː d i ə / Machinery's Handbook [3] указывает дату коммерческого внедрения твердосплавных инструментов в 1927 году. Бургхардт и Аксельрод [5] указывают дату их коммерческого внедрения в Соединенных Штатах как 1928 год. Последующая разработка происходили в разных странах. [3]
Хотя маркетинговый ход был несколько преувеличенным (карбиды не полностью эквивалентны алмазу), твердосплавные инструменты предлагали настолько значительное улучшение скорости резания и подач , 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 стало обобщенным товарным знаком в различных странах и языках, [4] включая английский (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ), хотя обобщенное значение никогда не было особенно широко распространено в английском языке («карбид» - это обычный родовой термин). С 2009 года это название было возрождено компанией Kennametal в качестве торговой марки [6] , и этот бренд включает в себя множество популярных марок режущего инструмента.
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 «специальным» 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.
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 изготавливают режущие инструменты . В дальнейшем был разработан ряд аналогичных сплавов на основе вольфрама и кобальта, за ними 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.
СМИ, связанные с цементированными карбидами, на Викискладе?