Пластины из спеченного карбидаИзвестные также как пластины из цементированного карбида, изготавливаются путем прессования и спекания порошков карбидов тугоплавких металлов с металлическими связующими. Они обладают очень высокой твердостью и износостойкостью, что делает их пригодными для применения в областях, требующих долговечности в экстремальных условиях.
Обзор пластин из спеченного карбида
Пластины из спеченного твердого сплава представляют собой композитные материалы, состоящие из:
- Твердые частицы карбида, такие как карбид вольфрама (WC), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC), которые обеспечивают износостойкость
- Металлические связующие, такие как кобальт, никель или железо, которые удерживают частицы карбида вместе
Они производятся методом порошковой металлургии - прессованием и последующим спеканием порошковой смеси при высоких температурах. В результате частицы карбида и связующее вещество сплавляются вместе, образуя микроструктуру карбидов, диспергированных в связующей матрице.
Преимущества пластин из спеченного карбида:
- Исключительно высокая твердость и износостойкость
- Сохраняют прочность при высоких температурах
- Устойчивость к истиранию, эрозии и коррозии
- Стабильность размеров в диапазоне температур
- Изменяемые свойства за счет изменения состава порошка
- Возможно изготовление сложных геометрических форм
Приложения:
Пластины из спеченного карбида находят применение в областях, где требуется долговечность при экстремальных механических, термических или химических нагрузках:
- Режущие инструменты, фрезерование, сверление
- Штампы, дыроколы
- Уплотнительные поверхности, сопла
- Износостойкие футеровки и пластины
- Горно-шахтное и нефтебуровое оборудование
- Элементы высокотемпературных печей
Здесь представлено сравнение марок спеченного карбида и их свойств:
| Класс | Твердость (HRA) | Предел прочности при поперечном разрыве (МПа) | Ключевые приложения |
|---|---|---|---|
| P10-P20 | 86-90 | 340-550 | Износостойкие детали общего назначения |
| P30-P40 | 90-94 | 550-970 | Волочильные штампы, ножи для ножниц |
| P50-P60 | 92-96 | 690-1100 | Режущие пластины, сверление, фрезерование |
| P01 | 89-93 | 480-690 | Высокая температура и химическая стойкость |
Состав спеченных твердосплавных пластин
Основными компонентами спеченных твердосплавных пластин являются:
Твердосплавные порошки:
- Карбид вольфрама (WC) - наиболее широко используется благодаря своей износостойкости
- Карбид титана (TiC) - высокая твердость при повышенных температурах
- Карбид тантала (TaC) - очень твердый, с хорошей химической стабильностью
- Карбид ниобия (NbC) - высокая прочность и вязкость разрушения
Связующие металлы:
- Кобальт (Co) - наиболее распространен, обеспечивает прочность и жесткость.
- Никель (Ni) - добавлен для устойчивости к кислотам
- Железо (Fe) - более дешевая альтернатива кобальту
Дополнительные элементы:
- Ванадий, хром, молибден - для ингибирования роста зерен
- Углерод, азот - Для влияния на фазовые превращения
Состав можно варьировать для оптимизации физических, механических и химических свойств. Некоторые примеры:
| Класс | Состав |
|---|---|
| Общее назначение | 88% WC - 12% Co |
| Высокая прочность | 76% WC - 10% TiC - 14% Co |
| Высокая термостойкость | 65% WC - 35% TaC - 9% Co |
| Кислотостойкость | 73% WC - 8% TiC - 8% TaC - 3% Ni - 8% Co |
Свойства Пластины из спеченного карбида
Уникальные свойства спеченных твердосплавных пластин обусловлены их особой композитной микроструктурой, состоящей из зерен твердого карбида, поддерживаемых более жесткой металлической связующей матрицей:
Физические свойства
| Недвижимость | Значение |
|---|---|
| Плотность | 13-16 г/куб. см |
| Пористость | <1% для марок P/M |
| Размер зерна | 1-10 микрон |
| Коэффициент расширения | 4-6 x 10-6 /K |
Механические свойства
| Недвижимость | Значение |
|---|---|
| Твердость | До 96 HRA (1700 HV) |
| Предел прочности при поперечном разрыве | До 2,5 ГПа |
| Прочность на сжатие | До 8 ГПа |
| Вязкость разрушения | До 30 МПа√м |
| Модуль Юнга | 500-700 ГПа |
Физико-механические свойства могут быть изменены в зависимости от состава, характеристик порошка, параметров спекания и условий термообработки.
Основные характеристики материала:
- Микроструктура с угловатыми зернами карбида, поддерживаемыми металлической связкой
- Высокая относительная плотность > 98% теоретическая плотность
- Равномерное распределение мелких зерен карбида размером 1-10 микрон
- Оптимальное количество связующего для обеспечения прочности и жесткости
- Минимальные внутренние дефекты, такие как поры или трещины
Процесс производства пластин из спеченного карбида
Спеченные твердосплавные пластины и различные изделия производятся методом порошковой металлургии:
Шаги
- Фрезерование: Порошки твердого сплава и связующего металла измельчаются вместе для обеспечения равномерного смешивания
- Компактирование: Гранулированная порошковая смесь прессуется в нужные формы под давлением 100-300 МПа
- Облицовка: Органические связующие вещества удаляются из прессованных форм
- Агломерация: Зеленый компакт уплотняется путем нагрева до 1400-1500°C в печи с контролируемой атмосферой
- Отделка: Спеченные детали шлифуются, обрабатываются и притираются до окончательных размеров
Параметры процесса спекания:
- Температура: 1350-1500°C
- Атмосфера: Вакуум или инертный водород/азот
- Время: от нескольких часов до десятков часов
- Приспособление для прессования: Горячее прессование или горячее изостатическое прессование
- Скорость охлаждения: Важна для создания оптимальной микроструктуры
Передовые методы производства
- Литье металлов под давлением (MIM) позволяет создавать сложные геометрические формы
- Аддитивное производство (AM) с помощью струйного нанесения связующего и селективного лазерного плавления
- Гибридное многослойное производство (HLM) сочетает в себе AM и механическую обработку
Характеристики и особенности
Микроструктурные особенности
- Угловые зерна WC в матрице Co с некоторым количеством эта-фазы
- Средний размер зерен WC в пределах 1-10 микрон
- Однородная микроструктура без аномально крупных зерен
- Почти полная плотность с минимальной внутренней пористостью
- Без трещин, пустот, включений и подобных дефектов
Физические характеристики
- Плотная структура с высокой относительной плотностью >98% теоретическая
- Единая форма и геометрия в соответствии с проектными спецификациями
- Гладкая поверхность менее 10 микрон Ra
- Края с фаской или внешние и внутренние профили
- Допуск на размеры ±0,2% номинальный размер
Механические свойства
- Твердость по Виккерсу 1600-1800 HV в зависимости от сорта
- Отличная стойкость к истиранию и эрозионному износу
- Сильная устойчивость к сколам, трещинам и разрушению
- Хорошая прочность кромок и ударопрочность
- Средняя вязкость разрушения около 12-18 МПа√м
Характеристики производительности
- Последовательное и предсказуемое поведение при износе в различных условиях эксплуатации
- Длительный и надежный срок службы инструмента при экстремальных давлениях и температурах
- Отличная устойчивость к тепловым ударам благодаря низкому коэффициенту теплопроводности
- Химически инертен к большинству кислот, кроме азотной и фтористоводородной.
- Минимальная коррозия во влажной среде
Типичные области применения пластин из спеченного карбида
Благодаря оптимальному балансу твердости, прочности и огнеупорных свойств спеченные твердосплавные пластины обеспечивают исключительный срок службы в следующих тяжелых условиях эксплуатации:
Устойчивость к износу и истиранию
- Режущие пластины и режущие инструменты
- Чертежные штампы
- Форсунки, уплотнения, седла клапанов
- Рабочие колеса и корпуса насосов
- Футеровка оборудования для гранулирования
- Желоба, шнеки, мельницы в горнодобывающей промышленности
Высокая температура и устойчивость к коррозии
- Печные вагонетки и футеровка печей
- Защитные трубки для термопар
- Мишени для напыления в полупроводниковой промышленности
- Плунжеры и штоки в химической промышленности
Специализированные инженерные приложения
- Пуленепробиваемая броня и композитные пластины
- Сверла для микродрелей
- Оптика и компоненты лазерного оборудования
Для большинства применений используются марки спеченного карбида с различным количеством металлических связующих в зависимости от требуемого уровня прочности, стойкости к ударам или термическому шоку. Соответствующая марка, толщина, размер и допуски пластин могут быть выбраны в зависимости от условий эксплуатации.
| Промышленность | Компоненты | Примеры оценок |
|---|---|---|
| Обработка | Режущие пластины | P25 для токарной обработки стали P35 для обработки алюминия P50-P60 для высокоскоростной обработки |
| Обработка металлов давлением | Чертежные штампы, пуансоны | P20-P40 со смешанной керамикой |
| Бурение нефтяных скважин | Уплотнительные поверхности, сопла для подачи жидкости | C1-C3 для устойчивости к эрозии C5-C7 для повышения износостойкости |
Технические характеристики размеров пластин из спеченного карбида
Спеченные твердосплавные пластины производятся в стандартных и индивидуальных размерах с типичной толщиной от 1 мм до 50 мм. Пластины толщиной более 4 мм изготавливаются методом спекания-HIP, а более тонкие пластины толщиной 1-3 мм могут быть изготовлены методом прессования и спекания:
Доступны стандартные размеры
- Квадратные пластины размером до 400 мм x 400 мм
- Прямоугольные пластины различной длины и ширины
- Круглые пластины или диски диаметром до 300 мм
- Вырезание деталей по размерам в соответствии с требованиями заказчика
Диапазон толщины
- Ультратонкие пластины толщиной от 0,5 мм до 1 мм
- Стандартные пластины толщиной от 1 мм до 4 мм
- Толстые листы толщиной более 4 мм, изготовленные методом горячего изостатического прессования
Допуски на размеры
| Размер | Толерантность |
|---|---|
| Длина / Ширина | ±0,20% |
| Толщина | ±0,25% |
| Плоскость | ±0,10% на 25 мм |
| Angularity | 1 степень |
Соответствующие размеры пластин - толщина, площадь поверхности и размер - выбираются в зависимости от требований конечного применения. Более толстые пластины выдерживают большие нагрузки при износе, а тонкие 0,5-1 мм используются в качестве уплотнительных поверхностей или мишеней для напыления.
Степени и стандарты пластин из спеченного карбида
Спеченные марки карбида имеют стандартизированные составы, определяемые классом композита, источниками порошка и технологическими процессами в соответствии с системами классификации, опубликованными ISO, ASTM и национальными органами по стандартизации:
Композитный класс
- Цементированные карбиды обозначаются как марки P, M или K в зависимости от структуры
- Марки P на основе WC-Co с различными добавками карбида
- Марки M с добавками Mo для повышения прочности при высоких температурах
- Марки K с содержанием NbC и TaC для повышения износостойкости
Порошковое сырье
- Источники порошка карбида квалифицируются по степени чистоты
- Металлические связующие порошки должны иметь размер и форму частиц
- Содержание углерода, ингибиторы, агенты роста зерна
Стандарты классификации
| Стандарт | Определение оценок |
|---|---|
| ISO 513 | Состав и применение марок цементированного карбида |
| ASTM B766 | Требования к микроструктуре, физическим и механическим свойствам |
| JIS C 4020 | Японский промышленный стандарт на марки цементированного карбида |
Эти стандарты гарантируют, что спецификации и марки продуктов из спеченного карбида имеют стандартизированные свойства во всем мире для контроля качества и взаимозаменяемости деталей.
Поставщики и стоимость пластин из спеченного карбида
Пластины из спеченного карбида предлагаются несколькими мировыми поставщиками, которые специализируются на производстве цементированных карбидов и технической керамики. Азиатские производители доминируют на рынке благодаря более низким затратам на сырье и энергию.
Основные поставщики спеченного карбида
- Sandvik Hard Materials (Швеция)
- Группа Ceratizit (Люксембург)
- NTK Cutting Tools (Япония)
- Чжучжоуский цементированный карбид (Китай)
- Корпорация Tungaloy (Япония)
Ценообразование
- Стоимость одной пластины зависит от размера, требуемой марки, объема заказа.
- От $5 за штуку для марки P10 до $250 за штуку для ультратонких или горячепрессованных марок.
- Средняя стоимость составляет $25-50 за лист для распространенных марок среднего класса
Соображения, связанные с поиском поставщиков
- Срок выполнения заказа по индивидуальному заказу может составлять 10-12 недель
- Стандартные размеры по каталогу быстрее поступают на склад
- Оптимально приобретать продукцию через официальных дистрибьюторов
При расчете бюджета требования к конечному применению определяют выбор марки материала, которая впоследствии определяет стоимость одного листа. Чтобы выбрать наиболее экономически эффективную марку для конкретных условий работы, необходимо проконсультироваться с инженерами по применению.
Плюсы и минусы Пластины из спеченного карбида
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Отличная твердость и износостойкость | Хрупкие с пониженной вязкостью разрушения |
| Прочность сохраняется при высоких температурах | Чувствительны к растрескиванию при тепловом ударе |
| Химически инертен к большинству кислот и растворителей | Относительно дороже, чем сталь |
| Последовательное и надежное поведение | Требуется алмазная шлифовка из-за высокой твердости |
| Возможно изготовление сложных форм | Более низкая прочность на изгиб по сравнению со сталью |
| Возможность настройки состава и обработки | Для придания прочности требуется кобальтовое связующее |
| Лучшая отделка по сравнению с литыми твердыми сплавами | Сложно поддается обработке из-за твердости |
Когда использовать спеченный карбид?
Рассматривайте спеченные твердые сплавы, когда сталь не выдерживает условий эксплуатации:
- Чрезвычайно абразивный износ
- Высокие нагрузки и контактные напряжения
- Многократные удары или циклические нагрузки
- Температуры свыше 500°C
- Очень агрессивное химическое воздействие
Когда следует избегать спеченного карбида?
- Для гибких компонентов, требующих подпружинивания
- Применение с возможностью механических ударных нагрузок
- Ситуации, требующие высокой вязкости разрушения
- Экономичные области применения, где может быть достаточно стали
Для многих критических компонентов, работающих в экстремальных условиях, таких как сопла, уплотнения и штампы, спеченный карбид является лучшим выбором материала, несмотря на более высокую цену.
Сравнение с другими видами твердого сплава
| Параметр | Спеченный карбид | Литой карбид | Твердые сплавы с PVD-покрытием |
|---|---|---|---|
| Состав | WC-Co со спеканием | Без связующего, литая микроструктура | Подложка WC-Co с PVD-покрытием |
| Твердость | До 96 HRA | 85-88 HRA | 92-94 HRA |
| Предел прочности при поперечном разрыве | 550 - 1100 МПа | 210 - 350 МПа | 500 - 600 МПа |
| Вязкость разрушения | 10 - 25 МПа√м | 3 - 6 МПа√м | 8 - 15 МПа√м |
| Химическая стойкость | Среднее | Отличный | Хорошая защита от коррозии |
| Устойчивость к тепловому удару | Ярмарка | Лучшее | Хорошая устойчивость к термической усталости |
| Изготавливаемость | Сложные детали ПМ | Пределы геометрии для литья | Покрытие после спекания |
| Примеры применения | Режущие инструменты, штампы | Уплотнительные поверхности, детали клапанов | Сверлильные, фрезерные, токарные пластины |
Основные отличия:
- Литой карбид содержит меньше связующего, поэтому очень хрупок.
- Спеченные сорта обеспечивают наилучший баланс твердости и прочности благодаря специально подобранному составу WC-Co
- PVD-покрытие повышает инертность и устойчивость к окислению
Оптимальный выбор твердого сплава зависит от требований конечного применения - ожидаемых нагрузок, температур, требований к точности и т.д. Рекомендуется проконсультироваться с экспертами по материалам.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
В: Подходят ли пластины из спеченного карбида для использования в кислотах?
О: Пластины из спеченного карбида обладают средней химической стойкостью. Индивидуальные сорта с никелевым связующим обеспечивают повышенную устойчивость к кислотам. Но их не следует использовать с концентрированными HF, HNO3 или горячей H2SO4, которые разрушают как WC, так и связующее вещество.
Вопрос: Каковы функции ингибиторов роста зерен в цементированных карбидах?
О: Небольшие добавки VC, Cr3C2, TaC контролируют размер зерна WC во время спекания. Мелкие зерна размером < 2 микрон повышают твердость и прочность. Ингибиторы роста зерен ограничивают созревание Оствальда, образуя вторые фазы на границах WC-Co.
Вопрос: Следует ли мне использовать марки с более высоким или более низким содержанием кобальта для моей области применения?
О: Более высокий уровень кобальта 9-15% связывает зерна WC, повышая прочность на излом и ударопрочность, но немного снижает твердость. Более низкий кобальт 3-6% максимизирует твердость для сопротивления истиранию, но делает продукт более хрупким с более низким TRS.
Вопрос: Что вызывает термические трещины в спеченных твердосплавных компонентах?
О: Твердые сплавы имеют гораздо меньшее тепловое расширение по сравнению со стальными деталями. Быстрый нагрев или охлаждение вызывают термические напряжения из-за несоответствия СТЭ. Эти временные напряжения приводят к возникновению и распространению трещин внутри твердого сплава, резко снижая его прочность.
Вопрос: Как из спеченного карбида изготавливаются уплотнения и штампы сложной формы?
О: Сложные детали, близкие к сетчатой форме, изготавливаются из мелкодисперсных порошков методом литья под давлением. Это позволяет спекать точные компоненты, соответствующие проектным спецификациям, после удаления связующего и уплотнения.
