Цементированный карбид - Cemented carbide

Пильный диск с пластинами из карбида вольфрама

Цементированный карбид это твердый материал, широко используемый в качестве материал режущего инструмента, а также для других промышленных приложений. Он состоит из мелких частиц карбид цементированный в составной связующим металлом. Цементированные карбиды обычно используются карбид вольфрама (ТУАЛЕТ), карбид титана (TiC), или карбид тантала (TaC) как совокупность. Упоминания «карбид» или «карбид вольфрама» в промышленном контексте обычно относятся к этим цементированным композитам.

В большинстве случаев твердосплавные фрезы лучше чистота поверхности со стороны, и позвольте более быстрая обработка чем быстрорежущей стали или другой инструментальные стали. Твердосплавные инструменты могут выдерживать более высокие температуры на стыке резца и заготовки, чем стандартные инструменты из быстрорежущей стали (что является основной причиной более быстрой обработки). Карбид обычно лучше подходит для резки твердых материалов, таких как углеродистая сталь или же нержавеющая сталь, а также в ситуациях, когда другие режущие инструменты изнашиваются быстрее, например, при крупносерийном производстве.

Сочинение

Цементированные карбиды композиты с металлической матрицей где частицы карбида действуют как агрегат, а металлическое связующее служит в качестве матрицы (например, гравий заполнитель в матрице цемента составляет бетон). Таким образом, его структура концептуально аналогична структуре шлифовальный круг, за исключением того, что абразивные частицы намного мельче; Макроскопически материал твердосплавной фрезы выглядит однородным.

Процесс соединения карбидных частиц со связующим называется спекание или же горячее изостатическое прессование (БЕДРО). Во время этого процесса связующее в конечном итоге перейдет в жидкую фазу, а зерна карбида (с гораздо более высокой точкой плавления) останутся в твердой фазе. В результате этого процесса связующее встраивает / скрепляет зерна карбида и, таким образом, создает композит с металлической матрицей с его отчетливыми свойствами материала. Пластичная металлическая связка от природы компенсирует характерное хрупкое поведение карбидной керамики, повышая ее прочность и долговечность. Контролируя различные параметры, включая размер зерна, содержание кобальта, дотацию (например, карбиды сплавов) и содержание углерода, производитель карбидов может адаптировать характеристики карбида к конкретным применениям.

Первый разработанный твердый сплав был карбид вольфрама (введен в 1927 г.), в котором используются частицы карбида вольфрама, удерживаемые вместе металлическим кобальтом. С тех пор были разработаны другие цементированные карбиды, такие как карбид титана, который лучше подходит для резки стали, и карбид тантала, который тверже карбида вольфрама.[1]

Физические свойства

В коэффициент температурного расширения цементированного карбида вольфрама меняется в зависимости от количества кобальта, используемого в качестве связующего металла. Для 5,9% кобальта коэффициент 4,4 мкм · м.−1· K−1 найден, тогда как коэффициент составляет около 5,0 мкм · м−1· K−1 для содержания кобальта 13%. Оба значения действительны только в диапазоне от 20 ° C (68 ° F) до 60 ° C (140 ° F), но дополнительные данные доступны от Hidnert.[2]

Приложения

Пластины для резки металла

Пластины из карбида вольфрама

Карбид дороже за единицу по сравнению с другими типичными инструментальными материалами, и он более хрупкий, что делает его более чувствительным к сколам и поломкам. Чтобы решить эти проблемы, твердосплавный режущий наконечник часто имеет форму небольшого вставлять для большего инструмент с наконечником чей хвостовик изготовлен из другого материала, обычно углерода инструментальная сталь. Это дает преимущество использования карбида на границе раздела резания без высокой стоимости и хрупкости изготовления всего инструмента из твердого сплава. В большинстве современных торцевых фрез используются твердосплавные пластины, а также многие токарные инструменты и концевые фрезы. Тем не менее, в последние десятилетия твердосплавные концевые фрезы также стали более широко использоваться везде, где характеристики применения делают их плюсы (например, более короткое время цикла) перевешивают минусы (упомянутые выше).

Вставить покрытия

Чтобы увеличить срок службы твердосплавных инструментов, на них иногда наносят покрытие. Пять таких покрытий - 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 выходить на поверхность, обеспечивая режущую способность алмаза без нежелательной химической реакции между настоящим алмазом и железом.[нужна цитата ].) Большинство покрытий обычно повышают твердость и / или смазывающую способность инструмента. Покрытие позволяет режущей кромке инструмента чисто проходить через материал, не имея материала желчь (придерживаться его. Покрытие также помогает снизить температуру, связанную с процессом резания, и увеличить срок службы инструмента. Покрытие обычно наносится термическим способом. ССЗ а в некоторых случаях - с механической PVD метод. Однако, если осаждение выполняется при слишком высокой температуре, эта фаза компании6W6Третичный карбид C образуется на границе раздела между карбидом и кобальтовой фазой, что может привести к нарушению адгезии покрытия.

Вставки для горных инструментов

Режущие инструменты для горных работ и проходки туннелей чаще всего оснащены твердосплавными режущими пластинами, так называемыми «пуговицами». Искусственный алмаз может заменить пуговицы из цементированного карбида только в идеальных условиях, но поскольку бурение горных пород - сложная задача, долота из цементированного карбида остаются наиболее распространенным типом во всем мире.

Валки для горячего и холодного проката

С середины 1960-х годов сталелитейные заводы по всему миру применяли твердый сплав для валков своих прокатных станов как для горячей, так и для холодной прокатки труб, прутков и проката.

Другое промышленное применение

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

  • Разработанные компоненты
  • Изнашиваемые детали
  • Инструменты и заготовки для инструментов

Некоторые ключевые области, в которых используются детали из цементированного карбида:

Пильное полотно настольной пилы, распиливающее дерево под углом
  • Автомобильные компоненты
  • Консервные инструменты для глубокий рисунок из двух частей банки
  • Роторные резаки для высокоскоростной резки искусственных волокон
  • Инструменты для обработки металлов волочение проволоки и штамповка Приложения
  • Кольца и втулки, как правило, для отбойников и уплотнений
  • Деревообработка, например, распиловка и строгание Приложения
  • Поршни насосов для высокопроизводительных насосов (например, в ядерный установки)
  • Сопла, например, высокопроизводительные сопла для бурение нефтяных скважин Приложения
  • Инструменты и компоненты для крыши и хвоста для обеспечения высокой износостойкости
  • Шары для шарикоподшипники и шариковые ручки

Непромышленное использование

Ювелирные изделия

Карбид вольфрама стал популярным материалом в индустрии свадебных украшений из-за своей чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. Учитывая его хрупкость, он склонен к сколам, трещинам или расколам при работе с ювелирными изделиями. Однажды сломавшаяся, не подлежит ремонту.

История

Начальное развитие цементированных и спеченный карбиды появились в Германии в 1920-х годах.[3] ThyssenKrupp говорит [в историческое настоящее напряженное], "Спеченный карбид вольфрама был разработан «Обществом изучения электрического освещения Osram» для замены алмазов в качестве материала для обработки металла. Не имея оборудования для использования этого материала в промышленных масштабах, Osram продает лицензию компании Krupp в конце 1925 года. В 1926 году Krupp выводит на рынок спеченный карбид под названием WIDIA (акроним за WIe DIAmant = как алмаз) ".[4] /ˈvяdяə/ Справочник по машинам[3] указывает дату коммерческого внедрения твердосплавных инструментов как 1927 год. Burghardt and Axelrod[5] укажите дату их коммерческого внедрения в Соединенных Штатах как 1928 год. Последующее развитие происходило в разных странах.[3]

Хотя маркетинговый ход был немного гиперболический (карбиды не совсем равны алмазу), твердосплавная оснастка позволила улучшить резку скорости и подачи так замечательно, что вроде быстрорежущей стали два десятилетия назад это заставило станок дизайнеров, чтобы переосмыслить каждый аспект существующих дизайнов, с прицелом на еще большую жесткость и еще лучше шпиндель подшипники.

Во время Второй мировой войны в Германии ощущалась нехватка вольфрама. Было обнаружено, что вольфрам в карбиде режет металл более эффективно, чем вольфрам в быстрорежущей стали, поэтому для экономии вольфрама для резки металла в максимально возможной степени использовались карбиды.

В Видия [де ] имя стало обобщенный товарный знак в разных странах и на разных языках,[4] включая английский (widia, /ˈшɪdяə/), хотя обобщенное значение никогда не было особенно широко распространенным в английском языке («карбид» - нормальный родовой термин). С 2009 года название было возрожден как торговая марка Kennametal,[6] и бренд включает многочисленные популярные марки режущего инструмента. В целях ясной коммуникации возрождение бренда Widia, естественно, может еще больше препятствовать использованию общего смысла.

Наконечники без покрытия, припаянные к их хвостовикам, были первой формой. Зажимные индексируемые пластины и широкий спектр современных покрытий - это успехи, достигнутые с тех пор.[3] С каждым десятилетием использование карбида становится менее «особенным» и более повсеместным.

Что касается мелкозернистого твердого металла, была сделана попытка следовать научным и технологическим этапам, связанным с его производством; Однако эта задача не из легких из-за ограничений, налагаемых коммерческими, а в некоторых случаях исследовательскими организациями, не публиковать соответствующую информацию в течение долгого времени после даты первоначальной работы. Таким образом, разместить данные в историческом хронологическом порядке довольно сложно. Однако удалось установить, что еще в 1929 году, примерно через 6 лет после выдачи первого патента, сотрудники Krupp / Osram выявили положительные стороны измельчения зерна карбида вольфрама. К 1939 году они также обнаружили положительные эффекты от добавления небольшого количества ванадий и карбид тантала. Это эффективно контролировало прерывистый рост зерна.[7]

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

Победить

Победить (Русский: победи́т) это спеченный карбидный сплав около 90% карбид вольфрама как тяжелая фаза, и около 10% кобальт (Со) в качестве связующей фазы с небольшим количеством дополнительного углерода. Он был разработан в Советский союз в 1929 г. он описывается как материал, из которого режущие инструменты сделаны. Позже был разработан ряд подобных сплавов на основе вольфрама и кобальта, и за ними сохранилось название «победит».[8][9][10]

Победит обычно производит порошковая металлургия в виде тарелок разной формы и размера. Производственный процесс заключается в следующем: мелкий порошок карбида вольфрама (или другого тугоплавкого карбида) и мелкий порошок связующего материала, такого как кобальт или никель, смешиваются и затем прессуются в соответствующие формы. Прессованные пластины спекаются при температуре, близкой к температуре плавления связующего металла, что дает очень плотное и твердое вещество.

Пластины из этого сверхтвердого сплава применяются для изготовления металлорежущего и сверлильного инструмента; они обычно припаиваются к наконечникам режущих инструментов. Последующая термообработка не требуется. Вставки победита на концах сверл по-прежнему очень распространены в России.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Чайлдс, Томас (2000). «A6.2 Твердые сплавы и металлокерамика». Обработка металлов: теория и применение. Баттерворт-Хайнеманн. С. 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.
  3. ^ а б c d Справочник по машинному оборудованию (1996 г.), п. 744.
  4. ^ а б ThyssenKrupp AG, 1926 Krupp выводит на рынок инструментальный металл WIDIA, Эссен, Германия, получено 2 марта 2012.
  5. ^ Бургхардт и Аксельрод (1954), п. 453.
  6. ^ Widia.com, получено 22 октября 2010.
  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". Большая советская энциклопедия (на русском языке) (3-е изд.). М .: Советская энциклопедия. 1975 г.. Получено 21 июн 2020.
  9. ^ Васильев, Н. Н .; Исаакян, О. Н .; Рогинский, Н. О .; Смолянский, Я. Б .; Сокович, В. А .; Хачатуров, Т. С. (1941). "ПОБЕДИТ". Технический железнодорожный словарь (на русском). М .: Трансжелдориздат.
  10. ^ бесплатный словарь: победить

Библиография

внешняя ссылка