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硬质合金圆刀片的基础介绍

时间:2019-10-08 01:06:01 作者:admin 点击:

  为了满足圆刀片制造商在技术和经济上的双重要求,硬质合金粉末是关键元素。  专为圆刀片制造商加工设备和工艺参数而设计的粉末,可确保成品工件的性能,并带来数百种硬质合金品牌。  硬质合金材料的回收利用及其与粉末供应商直接合作的能力,使圆形刀片制造商能够有效控制其产品质量和材料成本。


  硬质合金是最广泛使用的一种高速加工(HSM)圆形叶片材料,它是通过粉末冶金工艺生产的,由硬质合金(通常是碳化钨碳化钨)颗粒和软金属粘结剂组成  目前,有数百种不同成分的碳化钨基硬质合金,其中大部分使用钴(Co)作为粘结剂,镍(Ni)和铬(Cr)也是常用的粘结剂元素,也可以添加其他合金元素。  为什么有这么多硬质合金等级?圆形刀片制造商如何为特定的切割过程选择正确的圆形刀片材料?为了回答这些问题,让我们首先了解使硬质合金成为理想的圆形刀片材料的各种特性。


  硬度和韧性


  碳化钨钴硬质合金在硬度和韧性方面都有独特的优势。  碳化钨本身具有很高的硬度(超过刚玉或氧化铝),并且其硬度很少随着工作温度的升高而降低。  然而,它缺乏足够的韧性,这对于切削圆形刀片是必不可少的。  为了利用碳化钨的高硬度并提高其韧性,人们使用金属结合剂将碳化钨结合在一起,使得这种材料不仅具有远远超过高速钢的硬度,而且能够承受大多数切削过程中的切削力。  此外,它还能承受高速加工产生的切削高温。


  如今,几乎所有碳化钨-钴圆形叶片都有涂层,因此基体材料的作用似乎不太重要。  但事实上,正是碳化钨钴材料的高弹性系数(测量硬度的指标,碳化钨钴的室温弹性系数约为高速钢的三倍)为涂层提供了不变形的基体。  碳化钨-钴基体也能提供所需的韧性。  这些性能是碳化钨钴材料的基本特性,但在生产硬质合金粉末时,也可以通过调整材料成分和微观结构来定制材料性能。  因此,圆形刀片性能对特定加工的适应性在很大程度上取决于初始铣削过程。


  铣削工艺


  碳化钨粉末是通过渗碳钨(w)粉末获得的  碳化钨粉末的特性(尤其是其粒度)主要取决于粗钨粉的粒度以及渗碳的温度和时间。  化学控制也至关重要,碳含量必须保持恒定(接近理论重量比6.13%)  在渗碳处理之前,可以加入少量钒和/或铬,以便通过后续工艺控制粉末的粒度。  不同的下游工艺条件和不同的最终加工用途需要采用碳化钨颗粒尺寸、碳含量、钒含量和铬含量的特定组合,通过这些组合的变化可以生产各种碳化钨粉末  例如,碳化钨粉末生产商ATI Alldyne共生产23种标准等级的碳化钨粉末,根据用户要求定制的碳化钨粉末的品种可以达到碳化钨粉末标准等级的5倍以上。


  当碳化钨粉末和金属粘结剂混合研磨在一起生产某一品牌的硬质合金粉末时,可以采用各种组合  最常用的钴含量为3%-25%(重量比),而镍和铬需要添加以增强圆形叶片的耐腐蚀性。  此外,可以通过添加其他合金成分来进一步改善金属粘合剂。  例如,在碳化钨钴硬质合金中添加钌可以显著提高其韧性,而不降低其硬度。  增加粘结剂的含量也可以提高硬质合金的韧性,但会降低其硬度。


  减小碳化钨颗粒的尺寸可以提高材料的硬度,但是碳化钨的颗粒尺寸在烧结过程中必须保持不变。  在烧结过程中,碳化钨颗粒通过溶解和再沉淀结合并长大  在实际烧结过程中,为了形成完全致密的材料,金属粘结剂必须变成液态(称为液相烧结)  碳化钨颗粒的生长速度可以通过添加其它过渡金属碳化物来控制,包括碳化钒(VC)、碳化铬(Cr3C2)、碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)  这些金属碳化物通常在碳化钨粉末和金属粘结剂混合和研磨时加入,尽管碳化钒和碳化铬也可以在碳化钨粉末渗碳时形成。


  回收的废硬质合金材料也可用于生产品牌碳化钨粉末  废硬质合金的回收和再利用在硬质合金行业有着悠久的历史,是整个行业经济链的重要组成部分。它有助于降低材料成本,节约自然资源,避免废料的无害化处理。  废硬质合金可通过仲钨酸铵工艺、锌回收工艺或粉碎后回收。  这些“再生”碳化钨粉末通常具有更好和可预测的致密化,因为它们的表面积小于直接通过钨渗碳工艺制成的碳化钨粉末。


  混合和研磨碳化钨粉末和金属粘合剂的工艺条件也是关键的工艺参数  两种最常用的铣削技术是球磨和超细铣削。  这两种方法可以使研磨后的粉末混合均匀并减小颗粒尺寸。  为了使压制的工件具有足够的强度,保持工件的形状,并使操作者或操纵器能够拾取工件进行操作,通常在研磨过程中添加有机粘合剂。  这种粘合剂的化学成分会影响压制工件的密度和强度。  为了便于操作,最好添加高强度粘合剂,但这将导致压实密度降低,并可能产生硬块,导致最终产品出现缺陷。


  研磨完成后,粉末通常被喷雾干燥以产生自由流动的附聚物,这些附聚物被有机粘合剂附聚。  通过调整有机粘合剂的组成,可以根据需要定制这些压块的流动性和装载密度。  通过筛选出较粗或较细的颗粒,可以进一步定制压块的粒度分布,以确保压块装入模腔时具有良好的流动性。


  工件制造


  硬质合金工件可以通过各种工艺方法形成  根据工件的尺寸、复杂形状和生产批次,大多数切削刀片都是用顶压和底压刚性模具成型的。  在每次压制过程中,为了保持工件重量和尺寸的一致性,有必要确保流入模腔的粉末量(质量和体积)完全相同。  粉末的流动性主要由附聚物的尺寸分布和有机粘合剂的特性控制。  模制工件(或“坯件”)可以通过向装入模腔的粉末施加10-80千磅/平方英尺的模制压力来形成。


  即使在极高的成型压力下,硬质碳化钨颗粒也不会变形或断裂,同时有机粘结剂被压入碳化钨颗粒之间的间隙中,从而充当颗粒位置的固定剂。  压力越高,碳化钨颗粒结合得越紧密,工件的压实密度就越大。  品牌硬质合金粉末的成型特性可以根据金属粘合剂的含量、碳化钨颗粒的尺寸和形状、团聚程度以及有机粘合剂的组成和添加量而变化。  为了提供硬质合金粉末压制特性的定量信息,压制密度和成形压力之间的对应关系通常由粉末制造商设计和构建。  该信息确保供应的粉末与圆形刀片制造商的成型工艺一致。


  大尺寸硬质合金工件或高纵横比的硬质合金工件(如立铣刀和刀口刀杆)通常通过在柔性材料袋中均匀压制品牌硬质合金粉末来制造  尽管平衡压制法的生产周期比成型法长,但圆锯片的制造成本较低,因此更适合小批量生产。


  该工艺方法是将粉末放入料袋中,密封袋口,然后将装满粉末的料袋放入腔室中,用液压装置以30-60 ksi的压力对其加压。  压制工件通常在烧结前被加工成特定的几何形状。  材料袋的尺寸增加,以适应压制过程中工件的收缩,并为磨削加工提供足够的余量。  由于工件需要在压塑后进行加工,对装料一致性的要求不如压塑那样严格,但仍希望确保每次装入料袋的粉末量相同。  如果粉末装载密度太小,可能会导致料袋中粉末不足,从而导致工件尺寸小,必须报废。  如果粉末装载密度太高,料袋中的粉末太大,则需要对工件进行加工,以便在压制成型后去除更多的粉末。  虽然去除的多余粉末和报废工件可以回收利用,但毕竟会降低生产效率。


  也可以使用挤压模具或注射模具来模制硬质合金工件  挤压成型工艺更适合轴对称工件的批量生产,而注射成型工艺通常用于复杂形状工件的批量生产。  在这两种成型工艺中,品牌硬质合金粉末悬浮在有机粘合剂中,这使得硬质合金混合物像牙膏一样具有均匀的稠度。  然后将混合物通过孔挤出或注射到模腔中进行成型。  品牌硬质合金粉末的特性决定了混合物中粉末与粘结剂的最佳比例,并通过挤压孔或注射模腔对混合物的流动性有重要影响。


  工件通过压模、等静压、挤压成型或注射成型成型后,需要在最终烧结阶段之前从工件上去除有机粘合剂  烧结可以去除工件中的孔,并使其完全(或基本上)致密。  烧结过程中,被压制工件中的金属粘结剂变成液体,但工件在毛细力和颗粒接触的共同作用下仍能保持其形状。


  烧结后,工件的几何形状保持不变,但尺寸会减小。  为了在烧结后获得所需的工件尺寸,在设计圆形叶片时应考虑收缩率。  在设计用于制造每个圆形叶片的品牌硬质合金粉末时,必须确保在适当压力下压制时具有正确的收缩率。


  几乎在所有情况下,都需要对烧结工件进行烧结后处理  处理切削圆刀片最基本的方法是磨锐切削刃。  烧结后,许多圆形叶片需要研磨成几何形状和尺寸。  一些圆形刀片需要研磨顶部和底部;其他圆形刀片需要周边磨削(有或没有刃磨刀刃)  研磨产生的所有硬质合金研磨碎屑都可以回收利用


  工件涂层


  在许多情况下,成品工件需要涂层  涂层可以提供润滑性和增加硬度,并且还可以为基底提供扩散屏障,以防止暴露于高温时氧化。  硬质合金基体对涂层的性能非常重要。  除了定制基体粉末的主要特性之外,还可以通过化学选择和改变烧结方法来定制基体的表面特性。  通过钴的迁移,可以在相对于工件其余部分的20-30μ m范围内,在叶片表面最外层的厚度中富集更多的钴,从而赋予衬底表面层更好的强度和韧性,使其具有更强的抗变形能力。


  根据自己的制造工艺(如脱蜡方法、加热速度、烧结时间、温度和渗碳电压),圆叶片制造商可能对所用硬质合金粉末的品牌提出一些特殊要求。  一些圆形叶片制造商可以在真空炉中烧结工件,而另一些制造商可以使用热等静压烧结炉(其在工艺周期接近结束时对工件加压以消除任何残余孔隙)  在真空炉中烧结的工件可能需要通过另一个工艺进行热等静压以增加工件密度。  一些圆形叶片制造商可能采用较高的真空烧结温度来增加钴含量较低的混合物的烧结密度,但这种方法可能使其微观结构粗糙。  为了保持细晶粒尺寸,可以选择碳化钨晶粒尺寸较小的粉末。  为了与特定的生产设备相匹配,脱蜡条件和渗碳电压对硬质合金粉末中碳含量也有不同的要求。


  所有这些因素都将对烧结硬质合金圆形叶片的组织和材料性能产生重要影响。因此,圆刀片制造商和粉末供应商之间需要密切沟通,以确保硬质合金粉末的品牌根据圆刀片制造商的生产工艺定制。  因此,有数百种不同等级的硬质合金粉末也就不足为奇了  例如,ATI Alldyne生产600多个不同的粉末品牌,每个品牌都是专门为目标用户和特定用途设计的。


  品牌分类


  不同种类碳化钨粉末的组合、混合物的组成和金属粘结剂的含量、晶粒生长抑制剂的类型和用量等。构成各种硬质合金品牌。  这些参数将决定硬质合金的组织和性能  某些特定的性能组合已成为某些特定加工应用的首选,因此对各种硬质合金等级进行分类很有意义。


  用于加工目的的两种最常用的硬质合金分类系统分别是碳等级系统和国际标准化组织等级系统  虽然这两个系统都不能完全反映影响硬质合金等级选择的材料特性,但它们为讨论提供了一个起点。  对于每种分类,许多制造商都有自己的特殊品牌,由此产生了各种硬质合金品牌


  ,也可以根据成分进行分类。  碳化钨等级可分为三种基本类型:纯型、微晶型和合金型。  纯品牌主要由碳化钨和钴粘结剂组成,但也可以含有少量晶粒生长抑制剂。  微晶型品牌由碳化钨和钴结合剂组成,添加数以千计的碳化钒(VC)和/或碳化铬(Cr3C2),晶粒尺寸可达1μ m以下  合金型品牌由碳化钨和钴粘合剂组成,其中含有少量碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC)。这些添加剂也被称为立方碳化物,因为烧结后的微观结构呈现不均匀的三相结构。


  (1)纯硬质合金等级


  这些用于金属切削的等级通常含有3%-12%的钴(重量)  碳化钨颗粒的尺寸范围通常为1-8 μ m  像其他品牌一样,减小碳化钨的粒度可以提高其硬度和横向断裂强度(TRS),但降低其韧性。  纯品牌的硬度通常在HRA 89-93.5之间。横向断裂强度通常在175至350 ksi之间。  这种粉末可能含有大量的回收原料。


  单纯形品牌在C品牌体系中可分为C1-C4,在国际标准化组织品牌体系中可分为K、N、S和H品牌系列。  具有中间特征的简单品牌可分为普通品牌(如C2或K20),可用于车削、铣削、刨削和镗削。粒度较小、钴含量较低、硬度较高的品牌可归类为成品品牌(如C4或K01);粒度较大、钴含量较高、韧性较好的品牌可分为粗加工品牌(如C1或K30)


  纯类型圆形刀片可用于切割铸铁、200和300系列不锈钢、铝和其他有色金属、高温合金和淬火钢。  这些等级也可应用于非金属切削领域(如岩石和地质钻孔工具)。这些等级的粒度范围为1.5至10微米(或更大),钴含量为6%至16%  纯硬质合金等级的另一种非金属切削应用是制造模具和冲头。这些等级通常具有中等粒度,钴含量为16%-30%


  (2)微晶硬质合金等级


  这种等级通常含有6%-15%的钴  液相烧结时,加入碳化钒和/或碳化铬可以控制晶粒生长,从而获得晶粒尺寸小于1 μ m的细晶粒结构  这种细晶粒级具有非常高的硬度和超过500ksi的横向断裂强度。  高强度和足够韧性的结合使得这种类型的圆形刀片能够采用更大的正前角,从而通过切割而不是推动金属材料来减小切削力并产生更薄的切屑。


  通过对品牌硬质合金粉末生产中的各种原材料进行严格的质量鉴定,并严格控制烧结工艺条件,防止材料微观结构中异常大晶粒的形成,可以获得合适的材料性能。  为了保持粒度小而均匀,只有在原料和回收过程得到充分控制并进行广泛质量检验的情况下,才能使用回收粉末。


  微晶品级可按照国际标准化组织品级体系中的M品级系列进行分类,但在C品级体系和国际标准化组织品级体系中的其他分类方法与纯品级相同。  微晶等级可用于制造切割较软工件材料的圆形刀片,因为这种圆形刀片的表面可被非常平滑地加工,并可保持极其锋利的切削刃。


  微晶圆形镶块也可用于加工镍基超合金,因为它们能承受高达1200℃的切削温度  对于高温合金和其他特殊材料的加工,微晶级圆形叶片和纯级含钌圆形叶片可同时提高其耐磨性、抗变形性和韧性。  微晶级也适用于制造可产生剪切应力的旋转圆形刀片(如刀刃)。  一种刀刃由硬质合金制成,带有复合品牌。材料中钴的含量在同一刀刃的特定部分是不同的,从而根据加工要求优化刀刃的硬度和韧性。


  (3)合金型硬质合金品牌


  这种品牌主要用于切割钢铁零件。钴含量通常为5%-10%,粒度范围为0.8-2μ m  通过添加4%-25%的碳化钛,可以降低碳化钨向废钢表面扩散的趋势。  通过添加不超过25%的碳化钽(TaC)和碳化铌(NbC),可以提高圆形叶片的强度、凹坑耐磨性和抗热震性。  添加这种立方碳化物还可以提高圆形刀片的红色硬度,并有助于避免圆形刀片在重型切削或切削刃会产生高温的其他加工中的热变形。  此外,碳化钛可以在烧结过程中提供成核点,并改善立方碳化物在工件中的分布均匀性。


  一般来说,合金硬质合金等级的硬度范围为HRA 91-94,横向断裂强度为150-300 ksi。  与纯品牌相比,合金品牌耐磨性较差,强度较低,但粘着耐磨性较好。  合金等级可分为碳等级体系中的C5-C8和国际标准化组织等级体系中的粉末冶金等级系列。  具有中间特征的合金等级可分为一般等级(如C6或P30),可用于车削、攻丝、刨削和铣削。  硬度最高的品牌可分为精加工品牌(如C8和P01),用于精加工车削和镗削。  这些品牌通常具有较小的粒度和较低的钴含量,以获得所需的硬度和耐磨性。  然而,通过添加更多的立方碳化物可以获得相似的材料性能。  韧性最好的品牌可分为粗加工品牌(如C5或P50)  这些等级通常具有中等粒度和高钴含量,立方碳化物的加入量也很少,从而通过抑制裂纹扩展获得所需的韧性。  在间歇车削过程中,采用圆形刀片表面钴含量较高的富钴品牌可以进一步提高切削性能。


锯齿圆刀片


  低碳化钛含量的合金等级用于切割不锈钢和可锻铸铁,但也可用于加工有色金属(如镍基超合金)  这些品牌的粒度通常小于1μm,钴含量为8%-12%  硬度较高的品牌(如M10)可用于车削可锻铸铁。然而,韧性更好的品牌(如M40)可用于铣削和刨削钢零件,或车削不锈钢或超级合金。


  合金硬质合金等级也可用于非金属切割应用,主要用于制造耐磨零件。  这些品牌的粒度通常为1.2-2μ m,钴含量为7%-10%  在生产这些品牌时,通常会添加大量的回收原料,从而在耐磨零件的应用中获得更高的成本效益。  耐磨零件需要具有良好的耐腐蚀性和高硬度。当生产这种品牌时,可以添加镍和碳化铬以获得这些性能。