炭化物は、最も広く使用されている高速機械加工（HSM）ツール材料のクラスであり、粉末冶金プロセスによって生成され、ハードカーバイド（通常はタングステンカーバイドWC）粒子と柔らかい金属結合組成で構成されています。現在、さまざまな組成物を持つ数百のWCベースのセメント炭化物があり、そのほとんどはバインダーとしてコバルト（CO）を使用しています。 。いくつかの合金要素。なぜ炭化物の成績がたくさんあるのですか？ツールメーカーは、特定の切断操作に適したツール材料をどのように選択しますか？これらの質問に答えるために、まず、セメント炭化物を理想的なツール材料にするさまざまな特性を見てみましょう。
硬度と靭性
WC-COセメント炭化物には、硬度と靭性の両方において独自の利点があります。タングステン炭化物（WC）は本質的に非常に硬く（corundumやアルミナよりも）、動作温度が上昇するにつれてその硬度はめったに減少しません。ただし、切削工具に不可欠な特性である十分なタフネスが欠けています。タングステン炭化物の硬度を活用してその靭性を改善するために、人々は金属製の結合を使用してタングステン炭化物を結合します。操作。切断力。さらに、高速加工によって引き起こされる高い切断温度に耐えることができます。
今日、ほとんどすべてのWC-COナイフとインサートがコーティングされているため、基本材料の役割はそれほど重要ではないようです。しかし、実際には、コーティングの非変理性基質を提供するのは、WC-CO材料の高い弾性率（室温での高速鋼の尺度の約3倍）です。 WC-COマトリックスは、必要な靭性も提供します。これらの特性はWC-CO材料の基本的な特性ですが、材料の特性は、セメント炭化物の粉末を生成するときに材料の組成と微細構造を調整することで調整することもできます。したがって、特定の機械加工に対するツールパフォーマンスの適合性は、初期ミリングプロセスに大きく依存します。
ミリングプロセス
タングステン炭化物粉末は、タングステン（W）粉末化によって得られます。タングステン炭化物粉末（特に粒子サイズ）の特徴は、主に原料のタングステン粉末の粒子サイズと炭素化の温度と時間に依存します。化学的制御も重要であり、炭素含有量は一定に保つ必要があります（体重ごとに6.13％の化学量論値に近い）。後続のプロセスを通じて粉末粒子のサイズを制御するために、浸炭処理前に少量のバナジウムおよび/またはクロムを追加することができます。異なる下流のプロセス条件と異なるエンド処理の使用には、タングステンカーバイドの粒子サイズ、炭素含有量、バナジウム含有量、クロム含有量の特定の組み合わせが必要であり、それを通してさまざまな異なるタングステンカーバイドパウダーを生成できます。たとえば、タングステンカーバイド粉末メーカーであるATI Alldyneは、23の標準グレードのタングステンカーバイドパウダーを生産し、ユーザー要件に応じてカスタマイズされたタングステン炭化物粉末の品種は、タングステン炭化物粉末の標準グレードの5倍以上に達する可能性があります。
タングステン炭化物粉末と金属結合を混合および研削する場合、特定のグレードのセメント炭化炭化粉末を生産する場合、さまざまな組み合わせを使用できます。最も一般的に使用されるコバルト含有量は3％〜25％（重量比）であり、ツールの耐食性を高める必要がある場合、ニッケルとクロムを追加する必要があります。さらに、他の合金成分を追加することにより、金属結合をさらに改善できます。たとえば、WC-COセメント炭化物にルテニウムを追加すると、硬度を低下させることなく、靭性を大幅に改善できます。バインダーの含有量を増やすと、セメント炭化炭化物の靭性が向上する可能性がありますが、硬度が低下します。
タングステン炭化物粒子のサイズを小さくすると、材料の硬度が高まる可能性がありますが、焼結プロセス中は炭化物の粒子サイズは同じままでなければなりません。焼結の間、タングステン炭化物粒子は、溶解と再脂肪のプロセスを組み合わせて成長させます。実際の焼結プロセスでは、完全に密な材料を形成するために、金属結合は液体（液相焼結）になります。タングステン炭化物粒子の成長速度は、炭化バナジウム（VC）、炭化物（CR3C2）、炭化チタン（TIC）、炭化物（TAC）、ニオビウム（NBC）など、他の遷移金属炭化物を添加することで制御できます。これらの金属炭化物は通常、タングステン炭化物粉末を混合して金属結合で粉砕するときに添加されますが、炭化バナジウムと炭化物炭化物は、炭化タングステンの粉末が浸透している場合にも形成できます。
タングステン炭化物粉末は、リサイクル廃棄物セメントセメント炭化物材料を使用して生産することもできます。スクラップ炭化物のリサイクルと再利用は、セメント炭化物業界で長い歴史があり、業界の経済チェーン全体の重要な部分であり、材料コストを削減し、天然資源を節約し、廃棄物を避けるのに役立ちます。有害な処分。スクラップセメント炭化物は、一般に、APT（Ammonium paratungstate）プロセス、亜鉛回収プロセス、または粉砕によって再利用できます。これらの「リサイクルされた」タングステン炭化物粉末は、一般に、タングステンの浸炭プロセスを通じて直接作られたタングステンカーバイド粉末よりも表面積が小さいため、より良い予測可能な密度を持っています。
タングステンカーバイド粉末と金属結合の混合研削の処理条件も重要なプロセスパラメーターです。最も一般的に使用される2つのフライス式手法は、ボールミリングとマイクロミリングです。どちらのプロセスでも、粉砕された粉末の均一な混合と粒子サイズの縮小が可能になります。後でプレスされたワークピースを十分に強度にし、ワークの形を維持し、オペレーターまたはマニピュレーターがワークピースを操作のために拾うことができるようにするために、通常、粉砕中に有機バインダーを追加する必要があります。この結合の化学組成は、プレスされたワークピースの密度と強度に影響を与える可能性があります。取り扱いを容易にするには、高強度のバインダーを追加することをお勧めしますが、これにより圧縮密度が低くなり、最終製品に欠陥を引き起こす可能性のある塊が生成される可能性があります。
製粉後、通常、粉末を噴霧乾燥させて、有機バインダーで保持する自由に流れる凝集体を生成します。有機バインダーの組成を調整することにより、これらの凝集体の流動性と電荷密度は、必要に応じて調整できます。より粗いまたはより細かい粒子をスクリーニングすることにより、凝集体の粒子サイズ分布をさらに調整して、金型空洞に積み込んだときに良好な流れを確保することができます。
ワークピース製造
炭化物ワークは、さまざまなプロセス方法で形成できます。ワークのサイズ、形状の複雑さのレベル、および生産バッチに応じて、ほとんどの切断インサートは、上部と底部の剛性ダイを使用して成形されます。各プレス中にワークピースの重量とサイズの一貫性を維持するために、空洞に流れる粉末（質量と体積）の量がまったく同じであることを確認する必要があります。粉末の流動性は、主に凝集体のサイズ分布と有機バインダーの特性によって制御されます。成形ワークピース（または「ブランク」）は、金型空洞に装填された粉末に10〜80 ksi（1平方フィートあたりキロポンド）の成形圧力を適用することにより形成されます。
極端に高い成形圧力の下でも、硬いタングステンカーバイド粒子は変形したり壊れたりしませんが、有機バインダーはタングステン炭化物粒子間の隙間に押し込まれ、それにより粒子の位置を固定します。圧力が高いほど、タングステン炭化物粒子の結合がきつくなり、ワークピースの圧縮密度が大きくなります。セメント炭化物粉末のグレードの成形特性は、金属製バインダーの含有量、タングステン炭化物粒子のサイズと形状、凝集の程度、有機バインダーの組成と添加によって異なる場合があります。セメント炭化炭化物粉末のグレードの圧縮特性に関する定量的な情報を提供するために、成形密度と成形圧力の関係は通常、粉末メーカーによって設計および構築されます。この情報により、供給される粉末がツールメーカーの成形プロセスと互換性があることが保証されます。
高アスペクト比（エンドミルやドリルのシャンクなど）の大型炭化物ワークまたはカーバイドワークピースは、通常、柔軟なバッグで均一にプレスされた炭化グレードのグレードから製造されています。バランスの取れたプレス法の生産サイクルは成形法の生産サイクルよりも長いですが、ツールの製造コストは低いため、この方法は小さなバッチの生産に適しています。
このプロセス方法は、粉をバッグに入れ、バッグの口を密封し、バッグをチャンバーにいっぱいにし、油圧装置を通して30-60ksiの圧力をかけて押すことです。プレスされたワークピースは、しばしば焼結の前に特定のジオメトリに機械加工されます。袋のサイズは、圧縮中のワークピースの収縮に対応し、研削操作に十分なマージンを提供するために拡大されます。プレス後にワークを処理する必要があるため、充電の一貫性の要件は成形方法ほど厳格ではありませんが、毎回同じ量の粉末がバッグに装填されるようにすることが望ましいです。粉末の充電密度が小さすぎる場合、バッグに粉末が不十分になる可能性があり、ワークピースが小さすぎて廃棄する必要があります。粉末の荷重密度が高すぎて、バッグに荷物を積み込んだ粉末が多すぎる場合、粉末を押した後、より多くの粉末を除去するためにワークピースを処理する必要があります。過剰な粉末を取り外して廃棄したワークピースをリサイクルすることができますが、そうすることで生産性が低下します。
炭化物のワークピースは、押し出しダイまたは注入ダイを使用して形成することもできます。押出成形プロセスは、軸対称形状ワークピースの大量生産により適していますが、通常、射出成形プロセスは複雑な形状ワークの大量生産に使用されます。両方の成形プロセスで、セメント炭化物粉末のグレードは、セメントパストのような一貫性を及ぼす有機バインダーに吊り下げられています。その後、化合物は穴から押し出されるか、空洞に注入されて形成されます。セメント炭化炭化物粉末のグレードの特性により、混合物中のバインダーに対する粉末の最適な比率が決定され、押し出し穴または空洞への注入を介した混合物の流動性に重要な影響を及ぼします。
ワークピースが成形、等積みのプレス、押出、または射出成形によって形成された後、最終的な焼結段階の前にワークピースから有機バインダーを除去する必要があります。焼結はワークから多孔度を除去し、完全に（または実質的に）密にします。焼結の間、プレス形式のワークピースの金属結合は液体になりますが、ワークピースは毛細血管力と粒子結合の結合作用の下でその形状を保持します。
焼結後、ワークピースのジオメトリは同じままですが、寸法は減少します。焼結後に必要なワークピースサイズを取得するには、ツールを設計するときに収縮率を考慮する必要があります。各ツールを作成するために使用される炭化物粉末のグレードは、適切な圧力の下で圧縮されたときに正しい収縮を起こすように設計する必要があります。
ほとんどすべての場合において、焼結ワークの介入後の治療が必要です。切削工具の最も基本的な扱いは、最先端を研ぐことです。多くのツールでは、焼結の後にジオメトリと寸法の粉砕が必要です。一部のツールでは、上部と下部の研削が必要です。その他は、周辺の研削を必要とします（最先端を研ぎ澄まさないか伴わない）。粉砕からのすべての炭化物チップはリサイクルできます。
ワークコーティング
多くの場合、完成したワークをコーティングする必要があります。コーティングは、潤滑性と硬度の向上、および基質への拡散障壁を提供し、高温にさらされると酸化を防ぎます。セメント炭水化物基板は、コーティングの性能に不可欠です。マトリックス粉末の主な特性の調整に加えて、マトリックスの表面特性は、化学的選択と焼結方法によって調整することもできます。コバルトの移動を通じて、より多くのコバルトは、ワークピースの残りの部分と比較して、20〜30μmの厚さ内のブレード表面の最外層に濃縮され、それにより基質の表面がより良い強度と靭性を与え、より多くのものにします。変形に耐性。
独自の製造プロセス（脱ワックス法、加熱速度、焼結時間、温度、浸炭電圧など）に基づいて、ツールメーカーには、使用されるセメント炭化物粉末のグレードに特別な要件がある場合があります。一部のツールメーカーは、ワークピースを真空炉で焼いてもらうことができますが、他の人は熱い等等本のプレス（股関節）焼結炉（プロセスサイクルの端近くのワークピースを加圧して残留物を除去する）を使用する場合があります。真空炉に焼かれたワークピースは、ワークピースの密度を高めるために、追加のプロセスを等等型で押し込む必要がある場合があります。一部のツールメーカーは、より高い真空焼結温度を使用して、コバルト含有量が低い混合物の焼結密度を増加させる場合がありますが、このアプローチは微細構造を炭化する可能性があります。細かい粒サイズを維持するために、タングステン炭化物の粒子サイズが小さい粉末を選択できます。特定の生産装置に一致するために、脱ワックス条件と浸炭電圧も、セメント炭化炭化物粉末の炭素含有量に異なる要件を持っています。
グレード分類
さまざまな種類の炭化物粉末、混合組成と金属製のバインダー含有量、粒子成長阻害剤の種類と量などの組み合わせの変化は、さまざまなセメント炭化物グレードを構成します。これらのパラメーターは、セメント化された炭化物とその特性の微細構造を決定します。一部の特定の処理アプリケーションのプロパティのいくつかの特定の組み合わせが優先事項となっており、さまざまなセメント炭化物グレードを分類することを意味しています。
機械加工用途に最も一般的に使用される2つの炭化物分類システムは、C指定システムとISO指定システムです。どちらのシステムも、セメント化されたカーバイドグレードの選択に影響を与える材料特性を完全に反映していませんが、議論の出発点を提供します。各分類について、多くのメーカーが独自の特別なグレードを持っているため、さまざまな炭化物グレードが生まれます。
カーバイドグレードは、構成によって分類することもできます。タングステン炭化物（WC）グレードは、シンプル、微結晶、合金の3つの基本タイプに分割できます。シンプレックスグレードは、主にタングステンカーバイドとコバルトバインダーで構成されていますが、少量の穀物成長阻害剤も含まれている場合があります。微結晶グレードは、数千分の1の炭化物（VC）と（OR）炭化物（CR3C2）で添加されたタングステン炭化物とコバルトバインダーで構成されており、その穀物サイズは1μm以下に達する可能性があります。合金グレードは、数パーセントの炭化物チタン（TIC）、炭化物（TAC）、ニオビウム（NBC）を含むタングステン炭化物とコバルトバインダーで構成されています。これらの追加は、焼結特性のために立方炭化物としても知られています。結果として生じる微細構造は、不均一な三相構造を示します。
1）単純な炭化物グレード
金属切断のこれらのグレードには、通常、3％から12％のコバルト（重量）が含まれています。タングステン炭化物の穀物のサイズ範囲は、通常1〜8μmです。他のグレードと同様に、炭化タングステンの粒子サイズを縮小すると、硬度と横断破壊強度（TRS）が増加しますが、靭性が低下します。純粋なタイプの硬度は通常、HRA89-93.5の間です。横断弾力強度は通常175-350ksiです。これらのグレードの粉末には、大量のリサイクル材料が含まれている場合があります。
単純なタイプグレードは、CグレードシステムのC1-C4に分割でき、ISOグレードシステムのK、N、S、およびHグレードシリーズに従って分類できます。中間特性を持つシンプレックスグレードは、汎用グレード（C2やK20など）に分類され、回転、粉砕、計画、退屈に使用できます。粒子サイズが小さく、コバルト含有量が少なく、硬度が高いグレードは、仕上げグレード（C4やK01など）に分類できます。穀物サイズが大きく、コバルト含有量が大きく、タフネスが優れているグレードは、ラフ化グレード（C1やK30など）に分類できます。
シンプレックスグレードで作られたツールは、鋳鉄、200および300シリーズのステンレス鋼、アルミニウムおよびその他の非鉄金属、超合金、硬化した鋼の加工に使用できます。これらのグレードは、非金属切断用途（例：岩石や地質掘削ツールなど）でも使用でき、これらのグレードは1.5〜10μm（または大きい）の粒サイズ範囲と6％〜16％のコバルト含有量を持っています。単純な炭化物グレードの別の非金属切断使用は、ダイとパンチの製造です。これらのグレードは通常、コバルト含有量が16％〜30％の中程度の粒サイズを持っています。
（2）微結晶セメント炭化炭化物グレード
このようなグレードには通常、6％〜15％のコバルトが含まれています。液相焼結中、炭化バナジウムおよび/または炭化物の添加により、粒子の成長を制御して、粒子サイズが1μm未満の細かい穀物構造を得ることができます。この微細なグレードは、500KSIを超える非常に高い硬度と横断破壊強度を持っています。高強度と十分な靭性の組み合わせにより、これらのグレードはより大きな正のレーキ角を使用できます。これにより、金属材料を押すのではなく、切断力を減らし、切断することで薄いチップを生成します。
セメント炭化物粉末のグレード生産におけるさまざまな原料の厳密な品質識別と、材料微細構造内の異常に大きな穀物の形成を防ぐための焼結プロセス条件の厳密な制御により、適切な材料特性を得ることができます。穀物のサイズを小さく均一に保つために、原料と回復プロセスを完全に制御し、広範な品質テストがある場合にのみ、リサイクルされたリサイクルパウダーを使用する必要があります。
微結晶グレードは、ISOグレードシステムのMグレードシリーズに従って分類できます。さらに、CグレードシステムとISOグレードシステムの他の分類方法は、純粋なグレードと同じです。微結晶グレードを使用して、柔らかいワークピース材料をカットするツールを作成できます。これは、ツールの表面を非常に滑らかに機械加工し、非常に鋭い最先端を維持できるためです。
微結晶グレードは、最大1200°Cの削減温度に耐えることができるため、ニッケルベースの超合金を機械加工するためにも使用できます。超合金やその他の特別な材料の処理のために、微結晶グレードのツールとルテニウムを含む純粋なグレードのツールの使用は、耐摩耗性、変形抵抗、靭性を同時に改善できます。微結晶グレードは、せん断応力を生成するドリルなどの回転ツールの製造にも適しています。セメント炭化物の複合グレードで作られたドリルがあります。同じドリルの特定の部分では、材料のコバルト含有量はさまざまであるため、ドリルの硬度と靭性は処理ニーズに応じて最適化されます。
（3）合金タイプのセメント炭化炭化物グレード
これらのグレードは主に鋼の部品を切断するために使用され、それらのコバルト含有量は通常5％〜10％であり、穀物サイズは0.8〜2μmです。 4％-25％炭化物チタン（TIC）を追加することにより、スチールチップの表面に拡散する炭化タングステン（WC）が減少する傾向を減らすことができます。ツールの強度、クレーターの耐摩耗性、および熱衝撃耐性は、最大25％の炭化物（TAC）と炭化ニオビウム（NBC）を合計することで改善できます。このような立方体炭化物を添加すると、ツールの赤い硬度が向上し、大量の切断または最先端が高温を生成する他の操作におけるツールの熱変形を避けるのに役立ちます。さらに、炭化チタンは焼結の間に核生成部位を提供し、ワークピースの立方炭化物分布の均一性を改善することができます。
一般的に、合金型セメント炭化炭化物グレードの硬度範囲はHRA91-94であり、横骨折強度は150-300KSIです。純粋なグレードと比較して、合金グレードは耐摩耗性が低く、強度が低くなりますが、粘着摩耗に対する耐性が良くなります。合金グレードは、CグレードシステムのC5-C8に分割でき、ISOグレードシステムのPおよびMグレードシリーズに従って分類できます。中間特性を持つ合金グレードは、汎用グレード（C6やP30など）に分類し、回転、タッピング、プレーニング、フライス式に使用できます。最も硬いグレードは、ターニングおよび退屈な操作を終了するために、仕上げグレード（C8やP01など）に分類できます。これらのグレードは通常、粒子サイズが小さく、コバルトの含有量が少ないため、必要な硬度と耐摩耗性が得られます。ただし、同様の材料特性は、より多くの立方炭化物を追加することで得ることができます。靭性が最も高いグレードは、粗いグレード（C5またはP50など）に分類できます。これらのグレードは通常、中程度の穀物サイズと高いコバルト含有量を持ち、亀裂の成長を阻害することにより、望ましい靭性を達成するために立方体の炭化物を低く添加しています。中断されたターニング操作では、上記のコバルトが豊富なグレードを使用して、ツール表面にコバルト含有量が高いことにより、切断性能をさらに改善できます。
炭化物チタンの含有量を備えた合金グレードは、ステンレス鋼と柔軟鉄の機械加工に使用されますが、ニッケルベースの超合金などの非鉄金属の加工にも使用できます。これらのグレードの粒子サイズは通常1μm未満で、コバルト含有量は8％〜12％です。 M10などのより硬いグレードは、柔軟鉄の回転に使用できます。 M40などの丈夫なグレードは、鋼鉄製の粉砕や板張り、またはステンレス鋼や超合金の回転に使用できます。
合金型セメントセメント炭化物グレードは、主に耐摩耗性の製造には、非金属切断の目的でも使用できます。これらのグレードの粒子サイズは通常1.2〜2μmで、コバルト含有量は7％〜10％です。これらのグレードを生産すると、通常、リサイクルされた原材料の高い割合が追加され、摩耗部品アプリケーションで高い費用対効果が生じます。摩耗部品には、良好な腐食抵抗と高い硬度が必要です。これは、これらのグレードを生成するときにニッケルと炭化クロムを添加することで得ることができます。
ツールメーカーの技術的および経済的な要件を満たすために、炭化物粉末が重要な要素です。ツールメーカーの機械加工装置とプロセスパラメーター向けに設計されたパウダーは、完成したワークピースのパフォーマンスを保証し、数百のカーバイドグレードをもたらしました。炭化物材料のリサイクル可能な性質と粉末サプライヤーと直接連携する能力により、ツールメーカーは製品の品質と材料コストを効果的に制御できます。
投稿時間：10月18日から2022年
