Твердый сплав - это твердый материал, широко используемый в качестве материала для режущего инструмента , а также для других промышленных применений. Он состоит из мелких частиц карбида, скрепленных в композит связующим металлом. В цементированных карбидах в качестве заполнителя обычно используются 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 лучшее качество поверхности детали и обеспечивают более быструю обработку, чем быстрорежущая сталь или другие 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 нержавеющая сталь , а также в ситуациях, когда другие режущие инструменты изнашиваются быстрее, например, при крупносерийном производстве.
Состав [ править ]
Цементированные карбиды представляют собой композиты с металлической матрицей, в которых частицы карбида действуют как заполнитель, а металлическое связующее служит в качестве матрицы (например, гравийный заполнитель в матрице цемента делает бетон). Таким образом, его структура концептуально аналогична структуре шлифовального круга , за исключением того, что абразивные частицы намного меньше; Макроскопически материал твердосплавной фрезы выглядит однородным.
Процесс соединения карбидных частиц со связующим называется спеканием или горячим изостатическим прессованием.(БЕДРО). Во время этого процесса связующее в конечном итоге перейдет в жидкую фазу, а зерна карбида (с гораздо более высокой температурой 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. Металлическая связка с естественной пластичностью служит для компенсации характерного хрупкого поведения карбидной керамики, тем самым повышая ее прочность и долговечность. Контролируя различные параметры, включая размер зерна, содержание кобальта, дотацию (например, карбиды сплавов) и содержание углерода, производитель карбида может адаптировать характеристики карбида к конкретным применениям.
Первым разработанным цементированным карбидом был карбид вольфрама (представленный в 1927 году), в котором использовались частицы карбида вольфрама, удерживаемые вместе металлическим кобальтом. С тех пор были разработаны другие твердые сплавы, такие как карбид титана , который лучше подходит для резки стали, и карбид тантала , который прочнее карбида вольфрама. [1]
Физические свойства [ править ]
Обнаружено, что коэффициент теплового расширения цементированного карбида вольфрама зависит от количества кобальта, используемого в качестве металлического связующего. Для 5,9% кобальта найден коэффициент 4,4 мкм · м -1 · К -1 , тогда как коэффициент составляет около 5,0 мкм · м -1 · К -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 [ править ]
Вставки для резки металла [ править ]
Карбид дороже в расчете на единицу, чем другие типичные инструментальные материалы, и он более хрупкий, что делает его подверженным скалыванию и разрушению. Чтобы решить эти проблемы, сам твердосплавный режущий наконечник часто имеет форму небольшой пластины для инструмента с большим 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 изготовления всего инструмента из твердого сплава. В большинстве современных торцевых фрез используются твердосплавные пластины, а также многие токарные инструменты и концевые фрезы.. Однако 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 [ править ]
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 появляться на поверхности, обеспечивая режущую способность алмаза без нежелательной химической реакции между настоящим алмазом и железом [ ссылка ] .) Большинство покрытий обычно повышают твердость инструмента и / или смазывающая способность. Покрытие позволяет режущей кромке инструмента чисто проходить сквозь материал, не имея материала.желчь (прилипать) к нему. Покрытие также помогает снизить температуру, связанную с процессом резания, и увеличить срок службы инструмента. Покрытие обычно наносят термическим CVD и, в некоторых случаях, механическим методом PVD . Однако, если осаждение выполняется при слишком высокой температуре, эта-фаза третичного карбида Co 6 W 6 C образуется на границе раздела между карбидом и кобальтовой фазой, что может привести к нарушению адгезии покрытия.
Вставки для горных инструментов [ править ]
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 [ править ]
С середины 1960-х годов сталелитейные заводы по всему миру применяли твердый сплав в валках своих прокатных станов как для горячей, так и для холодной прокатки труб, прутков и проката.
Другие промышленные применения [ править ]
Эта категория содержит бесчисленное количество приложений, но ее можно разделить на три основные области:
- Спроектированные компоненты
- Изнашиваемые детали
- Инструменты и заготовки для инструментов
Некоторые ключевые области, в которых используются детали из цементированного карбида:
- Автомобильные компоненты
- Консервные инструменты для глубокой вытяжки двухсекционных банок
- Роторные резаки для высокоскоростной резки искусственных волокон
- Обработка металлов давлением инструменты для волочения проволоки и штамповки приложений
- Кольца и втулки, как правило, для отбойников и уплотнений
- Обработка древесины, например, для распиловки и строгания приложений
- Поршни насосов для высокопроизводительных насосов (например, в ядерных установках)
- Сопла, например, сопло высокой производительности для бурения нефтяных скважин приложений
- Инструменты и компоненты для крыши и хвоста для высокой износостойкости
- Шарики для шариковых подшипников и шариковые ручки
Непромышленное использование [ править ]
Ювелирные изделия [ править ]
Карбид вольфрама стал популярным материалом в индустрии свадебных украшений из-за его чрезвычайной твердости и высокой устойчивости к царапинам. Из-за своей хрупкости он склонен к сколам, трещинам или расколам в ювелирных изделиях. Однажды сломанная, не подлежит ремонту.
История [ править ]
Первые разработки цементированных и спеченных карбидов произошли в Германии в 1920-х годах. [3] ThyssenKrupp говорит [в историческом настоящем времени]: «Спеченный карбид вольфрама был разработан« Обществом изучения электрического освещения Osram »для замены алмазов в качестве материала для обработки металла. Отсутствие оборудования для использования этого материала в промышленных масштабах , Osram продает лицензию Krupp в конце 1925 года. В 1926 году Krupp выводит на рынок спеченный карбид под названием WIDIA ( аббревиатура от WIe DIAmant = как алмаз) ». [4] / v я д я ə / В «Руководстве по машинному оборудованию» [3] указана дата коммерческого внедрения твердосплавных инструментов как 1927 год. Бургхардт и Аксельрод [5] указывают дату их коммерческого внедрения в Соединенных Штатах как 1928 год. Последующие разработки происходили в различных странах. [3]
Хотя маркетинговый ход был слегка гиперболическим (карбиды не совсем равны алмазу), твердосплавные инструменты позволили добиться такого замечательного улучшения скорости резания и подачи, что, как это произошло с быстрорежущей сталью двумя десятилетиями ранее, это заставило конструкторов станков переосмыслить каждый аспект существующих конструкций с прицелом на еще большую жесткость и еще более совершенные подшипники шпинделя .
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, чтобы сэкономить на использовании вольфрама, для резки металла в максимально возможной степени использовались карбиды.
Widia имя стал обобщенным товарным знаком в различных странах и языках, [4] , включая английский (Widia, / ж ɪ d я ə / ), хотя обобщенный смысл никогда не был особенно распространен на английском языке ( «Карбид» является нормальный родовой термин). С 2009 года это имя было возрождено как торговая марка Kennametal , [6] и под маркой представлены многие популярные марки режущих инструментов. Для 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 все 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 длительного 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 аспекты измельчения зерна карбида вольфрама. К 1939 году они также обнаружили положительные эффекты добавления небольшого количества карбида ванадия и тантала. Это эффективно контролировалопрерывистый рост зерна . [7]
То, что считалось «прекрасным» в одно десятилетие, считалось не таким уж хорошим в следующем. Таким образом, в первые годы размер зерна в диапазоне 0,5–3,0 мкм считался прекрасным, но к 1990-м годам наступила эра нанокристаллического материала с размером зерна 20–50 нм.
Победить [ править ]
Победит (русский: победит ) представляет собой спеченный сплав карбида около 90% карбида вольфрама в качестве твердой фазы, и около 10% кобальта (Co) в качестве связующей фазы, с небольшим количеством дополнительного углерода. Он был разработан в Советском Союзе в 1929 году, описывается как материал, из которого изготавливаются режущие инструменты . Позже был разработан ряд подобных сплавов на основе вольфрама и кобальта, и за ними сохранилось название «победит». [8] [9] [10]
Победит обычно получают методом порошковой металлургии в виде пластин разной формы и размеров. Производственный процесс 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, 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.
См. Также [ править ]
- Твердосплавная пила
Ссылки [ править ]
- ^ Чайлдс, Томас (2000). «A6.2 Твердые сплавы и металлокерамика» . Обработка металлов: теория и приложения . Баттерворт-Хайнеманн. С. 388–389. ISBN 978-0-340-69159-5.
- ^ Hidnert, Питер (январь 1937). «Термическое расширение цементированного карбида вольфрама». Журнал исследований Национального бюро стандартов . 18 (1): 47–52. DOI : 10,6028 / jres.018.025 .
- ^ a b c d Справочник по машинному оборудованию (1996) , стр. 744.
- ^ Б ThyssenKrupp AG, 1926 Krupp рынки WIDIA инструмент металла , Эссен , Германия , извлекаться 2 марта +2012 .
- ↑ Burghardt & Axelrod (1954) , стр. 453.
- ^ Widia.com , получен 22 октября 2010 .
- ^ Сприггс, Джеффри Э. (1995). «История мелкозернистого твердого металла». Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов . 13 (5): 241–255. DOI : 10.1016 / 0263-4368 (95) 92671-6 .
- ^ "Победит" . Большая советская энциклопедия (3-е изд.). М .: Советская энциклопедия. 1975 . Проверено 21 июня 2020 .
- ^ Васильев, Н. Н .; Исаакян, О. Н .; Рогинский, Н. О .; Смолянский, Я. Б .; Сокович, В. А .; Хачатуров, Т. С. (1941). "ПОБЕДИТ" . Технический железнодорожный словарь . М .: Трансжелдориздат.
- ^ бесплатный словарь: победить
Библиография [ править ]
- Бургхардт, Генри Д .; Аксельрод, Аарон (1954). Работа станка . 2 (3-е изд.). Макгроу-Хилл. LCCN 52011537 .
- Оберг, Эрик; Джонс, Франклин Д .; Horton, Holbrook L .; Райффель, Генри Х. (1996), Грин, Роберт Э .; Макколи, Кристофер Дж. (Ред.), Справочник по машинному оборудованию (25-е изд.), Нью-Йорк: Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2575-2, OCLC 473691581 .
Внешние ссылки [ править ]
- СМИ, связанные с цементированными карбидами на Викискладе?
- Schubert, W.-D .; Lassner, E .; Böhlke, W. (июнь 2010 г.). «Цементированные карбиды - история успеха» (PDF) . Информационный бюллетень ITIA .
