Обзор полос из спеченного карбида
Полосы из спеченного твердого сплава относятся к прямоугольным прецизионным полосовым металлам, изготовленным из цементированных карбидов с использованием методов порошковой металлургии, включающих прессование и спекание карбидных порошков в высокоэффективные износостойкие детали. Основные характеристики включают в себя чрезвычайную твердость, прочность и коррозионную стойкость для режущих инструментов, штампов, покрытий деталей машин, подвергающихся воздействию сложных условий.
Таблица 1: Обзор спеченных карбидных полос
| Ключевые атрибуты | Подробности |
|---|---|
| Типовой состав | WC-Co с ингибиторами роста зерна |
| Диапазон твердости | До 1900 HV (64 HRC) |
| Основные свойства | Износостойкость, высокая прочность, твердость при температуре |
| Метод производства | Прессование и спекание твердосплавных порошков |
| Основные приложения | Режущие пластины, вырубные штампы, микросверла, насадки |
Благодаря специально разработанным кобальтовым связующим системам, концентрирующим сверхтвердые зерна карбида, скрепленные вместе под воздействием тепла и давления, спеченные твердосплавные полосы обеспечивают непревзойденный баланс твердости, вязкости разрушения и технологичности, необходимый для современной обработки, металлообработки и промышленного износа.
Понимание состава, свойств и процессов производства помогает инженерам выбрать оптимальную марку, соответствующую условиям эксплуатации и методам производства.
Состав и микроструктура Полосы из спеченного карбида
В изделиях из спеченной твердосплавной ленты используются методы порошковой металлургии для сплавления мелких частиц карбида с кобальтовыми связующими системами под воздействием тепла и давления для достижения уникальных физических свойств, недостижимых с помощью других производственных процессов.
Таблица 2: Типичные составы твердосплавных полос
| Учредитель | Роль | Вес % Диапазон |
|---|---|---|
| Карбид вольфрама (WC) с ингибиторами роста зерна | Первичная жесткая фаза | 82-97% |
| Кобальтовое (Co) связующее | Связующая матрица | 3-12% |
| Карбид тантала (TaC) | Ингибирует рост зерен | 0.4-8% |
| Карбид титана (TiC) | Смешанные карбиды | 0-5% |
| Карбид ниобия (NbC) | Рафинирование зерна | 0-2% |
Исключительная твердость обусловлена наличием очень мелких, сцепленных между собой зерен карбида вольфрама, равномерно распределенных по кобальтовой матрице. В то же время добавки TaC, TiC, NbC служат для фиксации границ зерен, предотвращая неконтролируемый рост зерен, который негативно влияет на прочность. Эти составы подобраны таким образом, чтобы сбалансировать твердость, сопротивление разрушению и технологичность для операций резки, штамповки, чеканки.
Понимание эволюции микроструктуры в процессе жидкофазного спекания помогает инженерам оптимизировать заказные сплавы для удовлетворения потребностей клиентов в отношении износостойкости в конкретных условиях скольжения, качения или ударной нагрузки. Размер, форма и объемная доля карбидных зерен представляют собой ключевые рычаги настройки.
Свойства спеченных твердосплавных полос
Благодаря оптимальному балансу между твердыми карбидными фазами, противостоящими износу, и более жесткой кобальтовой матрицей, ограничивающей распространение трещин, спеченные твердосплавные полосы обладают уникальным сочетанием свойств, недостижимых в других случаях.
Таблица 3: Обзор свойств полос спеченного карбида
| Недвижимость | Способствующие факторы | Типовые значения |
|---|---|---|
| Твердость | Сверхтонкие зерна WC, ингибиторы | До 1900 HV (64 HRC) |
| Предел прочности при поперечном разрыве | Содержание кобальта, уровень пористости | 500-2000 МПа |
| Вязкость разрушения | Средний свободный путь кобальта, размер зерна | 8-30 МПа-м^1/2 |
| Модуль Юнга | Относительная плотность, фазовый состав | 500-700 ГПа |
| Коррозионная стойкость | Соотношение кобальта и карбида, пористость | Устойчив к большинству неорганических кислот, оснований и солей |
| Максимальная температура эксплуатации | Фазовые изменения, устойчивость к окислению | 500-800°C на воздухе |
Эти качества удовлетворяют сложным производственным условиям, включающим высокие усилия обработки и температуры, наблюдаемые в режущих инструментах, а также повторяющиеся ударные нагрузки при штамповке или вырубке сложных геометрических форм из закаленных сталей с твердостью до 62 HRC.
Подбирая состав порошка и параметры прессования перед спеканием, можно настроить твердосплавные полосы на оптимальный баланс твердости, прочности и сопротивления разрушению, требуемый условиями эксплуатации. Эти возможности позволяют значительно повысить производительность и увеличить срок службы по сравнению с традиционными инструментальными материалами.
Процесс производства твердосплавных полос
Полосы из спеченного твердого сплава изготавливаются методом уплотнения порошковой металлургии с последующим жидкофазным спеканием, что обеспечивает исключительную твердость и прочность по сравнению с конкурирующими решениями для резки, штамповки и износа металла.
Таблица 4: Обзор методов производства твердосплавных полос
| Сцена | Подробности | Параметры |
|---|---|---|
| Смешивание порошков | Карбиды + кобальтовые порошки | Химия, распределение порошка по размерам |
| Уплотнение | Одноосное прессование в штампах | Давление 1-4 т/в2 |
| Депарафинизация | Термически удаляемые связующие вещества | Время, температура, атмосфера |
| Агломерация | Нагрев для сплавления частиц порошка | Контроль температуры, времени, атмосферы |
| Постобработка | Шлифование, затачивание кромок | Допуск на размер и поверхность |
Путем подбора химического состава порошка, режима прессования, депарафинизации, цикла спекания и последующей обработки микроструктура спеченных твердосплавных компонентов изменяется, оказывая значительное влияние на твердость, износостойкость и срок службы при резке, штамповке и чеканке.
Например, более высокое давление прессования повышает скорость уплотнения во время спекания, облегчая выход связующего, а улучшенные характеристики текучести порошка помогают полностью заполнить фильеры для достижения максимальной зеленой плотности. Понимание взаимосвязи между маршрутами обработки, эволюцией микроскопической структуры и макроскопическими свойствами позволяет правильно выбрать сплав и рецепт агломерата, обеспечивая оптимальные результаты для клиентов.
Степени и классификация твердосплавных полос
Благодаря различным составам, предназначенным для различных условий обработки, обработки металлов давлением и износа, появилось множество вариантов марок твердых сплавов, классифицируемых по таким свойствам, как твердость, вязкость, размер зерна или соотношение кобальтовой связки. К распространенным системам относятся:
Таблица 5: Классификация спеченных твердосплавных полос
| Класс | Композиции | Основные характеристики | Типичные случаи использования |
|---|---|---|---|
| C1-C4 | Смешанные карбиды с низким содержанием Co | Исключительная износостойкость при прерывистом резании | Токарная/фрезерная обработка литых сплавов |
| P10-P50 | WC-Co до 10% Co | Повышенная прочность на излом и кромочная вязкость | Сложные операции штамповки/формовки |
| M10-M50 | WC-Co до 2% Co | Ультрамелкое зерно обеспечивает превосходную твердость и полировку | Прецизионное растачивание, нарезание зубчатых колес |
Марки типа C, использующие смешанные карбиды, выдерживают циклические колебания нагрузки, возникающие при черновом литье/обработке форм, а более жесткие составы класса P выдерживают ударные нагрузки при заготовке и штамповке.
В то же время для финишной обработки используются продукты класса M со сверхмелким зерном, где очень важны максимальная твердость и зеркальная поверхность. Сопоставление потребностей заказчика и рабочих параметров с имеющимися на рынке составами путем проведения испытаний позволяет выбрать оптимальную марку, которая обеспечивает значительное увеличение срока службы, что приводит к существенной экономии затрат на каждую деталь.
Технические характеристики Полосы из спеченного карбида
Благодаря широкому распространению в обрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности, существуют различные национальные и международные спецификации, определяющие последовательное производство, методы испытаний и стандарты качества для изделий из спеченной карбидной ленты.
Таблица 6: Стандартные технические условия для твердосплавных полос
| Стандарт | Описание | Необходимые свойства | Методы испытаний |
|---|---|---|---|
| ISO 513 | Классификация твердых сплавов по составу и размеру зерна | Содержание связующего, металлографический размер зерна | Твердость, прочность на изгиб, микроструктура |
| ASTM B831 | Североамериканская спецификация на пластины из спеченного карбида | Диапазоны состава карбида | Химия, кажущаяся пористость, изменение объема |
| JIS C 4080 | Японский промышленный стандарт | Сортовой состав, допуски | Прочность при поперечном разрыве, коррозия, микротвердость |
Эти стандарты призваны облегчить клиентам проведение последовательных сравнений, оценивающих такие факторы, как:
- Диапазоны твердости, основанные на общепринятых шкалах Роквелла C и Виккерса
- Прочность при поперечном разрыве, коррелирующая с ударными напряжениями в процессе эксплуатации
- Вязкость по различным методикам - от длины трещины Пальмквиста до механики разрушения
- Коррозионная стойкость к органическим химикатам или неорганическим основаниям/кислотам
- Металлографические размеры зерен, уровень пористости, образование связующего вещества
Поскольку продукция из твердосплавных полос используется по всему миру в важнейших производственных компонентах, стандартные методы и соответствие качеству способствуют повышению согласованности, сравнительной оценке производительности и, в конечном счете, созданию стоимости для конечного пользователя.
Применение и использование твердосплавных полос
Благодаря исключительному балансу твердости, вязкости разрушения и коррозионной стойкости, достигаемому в геометрически сложных формах с помощью методов порошковой металлургии, решения на основе спеченных карбидных полос позволяют радикально повысить производительность в области резки, штамповки и высокоскоростной обработки.
Таблица 7: Общие области применения твердосплавных полос
| Категория | Используется | Преимущества |
|---|---|---|
| Режущие инструменты | Пилы, сверла, инструменты для токарных станков | Повышение производительности при производстве сплавов |
| Металлообрабатывающие штампы | Прогрессивный, финбланкинг | Увеличенный срок службы для сложных геометрических форм |
| Износостойкие детали | Насадки, вытяжные штампы | Превосходная стойкость к истиранию/эрозии |
| Микроинструменты | Концевые фрезы, фрезерные станки | Замысловатость и точность масштаба |
Несмотря на то, что спеченные твердые сплавы используются в различных отраслях промышленности, можно выделить несколько нишевых областей применения, в которых твердосплавные полосы приносят огромную пользу:
- Создание миниатюрных медицинских компонентов, таких как стенты, клапаны, приводы, из биосовместимых материалов
- Увеличение производительности до 20 раз при обработке экзотических сплавов для аэрокосмических двигателей и авиационных рам
- Поддержка высокопроизводительных операций по штамповке автомобильных панелей за счет быстрой смены штампов
- Повышение надежности нефтебурового оборудования с помощью усовершенствованных комплектов скважинных датчиков
- Достижение зеркальной поверхности подшипников качения и скольжения, используемых в высококлассных автомобильных силовых агрегатах и трансмиссиях
В каждой ситуации использование экстремальной твердости и специального кобальтового упрочнения позволяет достичь идеального экономического баланса между сроком службы и необходимыми требованиями к качеству или сложности, недостижимыми при использовании традиционных режущих материалов.
Поставщики полос из спеченного карбида
Поскольку сфера применения полос из цементированного карбида охватывает все отрасли промышленности - от полупроводников до автомобилей и нефтеразведки, многочисленные специализированные производители предлагают широкий спектр услуг по всему миру. Помимо лидеров отрасли, более мелкие региональные эксперты предлагают обширные услуги по индивидуальному подбору марки твердого сплава, геометрии, последующей обработке и нанесению покрытий.
Таблица 8: Крупнейшие компании по производству спеченных карбидных полос
| Поставщик | Сектора продукции | Производственные возможности |
|---|---|---|
| Sandvik | Марки вставок, круглые инструменты | Передовые марки с наноструктурой, нестандартные геометрические формы |
| Ceratizit | Индексируемые пластины, режущие инструменты | Сложные 6-гранные геометрии, концепции быстрорежущей оснастки |
| Производство Tunco | Штамповка/формовка, тиснение | Быстрое создание прототипов, мелкосерийное производство |
| Прецизионный твердый сплав | Режущие пластины для ЧПУ, фрезерные насадки | Усовершенствованные керметные и вискерные армированные композиции |
| Твердый сплав Средней Америки | Масляные/шахтные компоненты, изнашиваемые поверхности | Большие прямоугольные геометрии на заказ |
Эти ведущие производители предлагают широкий диапазон размеров полос - от долей миллиметра для микросверл и миниатюрных компонентов до длины более 500 мм для крупных сменных пластин, обслуживающих тяжелые черновые резы. Прямоугольная ширина от менее 1 мм до более 300 мм также подходит для крошечных компонентов электроэрозионной обработки до значительных элементов пресса и штамповки. Поскольку на вертикальных рынках постоянно меняются требования к обработке металлов резанием и появляются инновации в области геометрии инструмента, покрытий и нестандартных решений для держателей, постоянное партнерство между заказчиками, производителями твердого сплава и OEM-производителями оборудования является жизненно важным для повышения производительности.
Анализ затрат
Благодаря разработанному составу и жестким допускам полосы из спеченного карбида продаются в разы дороже стандартной инструментальной или нержавеющей стали, используемой для обычной резки и штамповки. При этом стоимость одной изготовленной детали остается весьма конкурентоспособной, учитывая значительно более длительный срок службы в производственных условиях.
Таблица 9: Ценовые соображения для полос из спеченного карбида
| Параметр | Цена | Комментарий |
|---|---|---|
| Заготовки для твердосплавных полос | $40-200 за кг | Масштабирование с учетом марки, твердости, содержания кобальта |
| Заготовки для вставок | $2-10 на в2 | Геометрия и размеры |
| Окончательно обработанные вставки | $4-30 на вставку | Более жесткие допуски требуют больших затрат |
| Относительное преимущество по сроку службы | До 20-кратного превосходства над инструментальной сталью | Снижение затрат на сверление отверстий или штамповку деталей |
Например:
- Стоимость прямоугольных марок для аэрокосмической промышленности, выпускаемых небольшими партиями, приближается к $150-200/кг.
- В то же время более крупные партии стандартных геометрий вкладышей из хорошо зарекомендовавших себя марок C2-C5 составляют $50-80/кг.
- Однако пластины, рассчитанные, например, на 1000 отверстий против 50 отверстий у пластин из инструментальной стали, обеспечивают 8-10-кратное увеличение производительности на одну режущую кромку, что быстро компенсирует более высокую начальную цену твердосплавного материала.
Благодаря активному сопоставлению подробных факторов, влияющих на затраты, с возможностями увеличения стоимости по таким параметрам, как стоимость сверления одного отверстия/штамповки детали по сравнению с существующими решениями, полоски из спеченного карбида легко оправдывают инвестиции благодаря увеличению на порядок долговечности и сопутствующей производительности. Постоянное совершенствование качества порошка и конструкции инструмента также продолжает способствовать экономическому прогрессу по сравнению с существующими вариантами в различных отраслях производства.
Перспективы развития тенденций освоения твердосплавных полос
Продолжающиеся разработки специализированных порошковых композиций для манипулирования размерами зерен карбида и регулировки соотношения кобальта в сочетании с инновациями в геометрии/покрытиях для индивидуальных решений для резцедержателей указывают на рост темпов внедрения в секторах производства товаров длительного пользования в течение следующих 5-7 лет.
В частности, аналитики рынка прогнозируют рост объемов твердосплавных полос более чем на 7% CAGR во всем мире до 2025 года, причем в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и энергетической отраслях ожидается рост потребления выше среднего. Эта тенденция совпадает с ростом использования сложных и экзотических металлов, а также спросом на повышение производительности и точности операций резки/формовки металлов.
Однако нестабильность цен на входящий в состав формул кобальт в сочетании со скачками цен на энергоносители и транспортные расходы может на время замедлить темпы роста сегментов товарных твердосплавных вставок нижнего уровня, ориентированных на машиностроителей широкого профиля.
Ведущие эксперты поощряют внутреннее производство сырья, включая переработку редкоземельных минералов и независимые источники кобальта, чтобы застраховаться от неопределенности в цепочке поставок. Кооперативы между производителями, государственными лабораториями и университетами также стремятся снизить барьеры для конечных пользователей, связанные с проектированием, созданием прототипов, тестированием и квалификационными испытаниями, которые необходимы для специализированных полос, вытесняющих традиционную оснастку.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
В: Какие варианты покрытий существуют для твердосплавных полос и какие преимущества они дают?
О: Обычные покрытия обеспечивают защиту от износа, повышенную смазывающую способность или термостойкость. Лучшие варианты включают нитрид алюминия-титана (TiAlN), нитрид титана (TiN) и алмазоподобный углерод (DLC), наносимые методами PVD или CVD.
Вопрос: Что вызывает трещины в твердосплавных полосах и как их можно предотвратить?
О: Переломы возникают в результате растягивающих напряжений, превышающих прочность материала. Причинами разрушения являются механическое или термическое воздействие, усталость или коррозионная среда. Изменение содержания кобальта, размеров зерен, геометрии и условий эксплуатации позволяет сохранить прочность.
Вопрос: Насколько хорошо поддаются сварке полосы твердого сплава обычными методами?
О: Твердый сплав нельзя сваривать плавлением. Пайка предлагает альтернативный подход к соединению твердосплавных полос с использованием сплавов с высоким содержанием серебра. При этом очень важна подгонка, чистота соединения и контроль атмосферы процесса.
Вопрос: Каковы рекомендуемые оптимальные методы обработки твердосплавных полос?
О: Жесткие установки с острым инструментом и обильным охлаждением сводят к минимуму сколы кромок. Более низкие скорости с инструментами с положительной граблиной и ступенчатые подходы к черновой обработке также обеспечивают лучшую чистоту и точность обработки хрупких сортов.
В: Какие отрасли промышленности демонстрируют наибольший потенциал роста для внедрения твердосплавных полос?
О: Авиакосмическая промышленность, производство медицинского оборудования и пресс-форм демонстрируют огромные перспективы развития благодаря расширению использования сложных экзотических сплавов в сочетании с растущими требованиями к качеству и точности, недостижимыми при использовании традиционной оснастки.
