Hårdmetall

Cirkelsågblad med hårdmetallskär

Hårdmetaller är en klass av hårda material som används flitigt för skärande verktyg , såväl som i andra industriella applikationer. Den består av fina partiklar av karbid cementerade till en komposit med en bindemetall. Hårdmetaller använder vanligen volframkarbid (WC), titankarbid (TiC) eller tantalkarbid (TaC) som aggregat. Omnämnanden av "karbid" eller "volframkarbid" i industriella sammanhang syftar vanligtvis på dessa cementerade kompositer.

För det mesta kommer hårdmetallfräsar att lämna en bättre ytfinish på en del och möjliggöra snabbare bearbetning än höghastighetsstål eller andra verktygsstål . Hårdmetallverktyg kan motstå högre temperaturer vid gränssnittet mellan fräs och arbetsstycke än standardverktyg i höghastighetstål (vilket är en huvudsaklig anledning till att möjliggöra snabbare bearbetning). Hårdmetall är vanligtvis överlägset för skärning av tuffa material såsom kolstål eller rostfritt stål , såväl som i situationer där andra skärverktyg skulle slitas bort snabbare, såsom stora produktionskörningar. I situationer där hårdmetallverktyg inte krävs, är höghastighetsstål att föredra för dess lägre kostnad.

Sammansättning

Hårdmetaller är metallmatriskompositer där karbidpartiklar fungerar som ballast och ett metalliskt bindemedel fungerar som matris (analogt med betong, där ett grusaggregat är suspenderat i en cementmatris). Strukturen hos hårdmetall är begreppsmässigt lik den hos en slipskiva , men de slipande partiklarna är mycket mindre; makroskopiskt verkar materialet i en hårdmetallskärare homogent.

Processen att kombinera karbidpartiklarna med bindemedlet kallas sintring eller varmisostatisk pressning (HIP). Under denna process värms materialet upp tills bindemedlet går in i en flytande fas medan karbidkornen (som har mycket högre smältpunkt) förblir fasta. Vid denna förhöjda temperatur och detta förhöjda tryck omarrangeras karbidkornen och pressas samman och bildar en porös matris. Metallbindemedlets formbarhet tjänar till att uppväga sprödheten hos karbidkeramen, vilket resulterar i kompositens höga totala seghet och hållbarhet. Genom att kontrollera olika parametrar, inklusive kornstorlek, kobolthalt, dotation (t.ex. legerade karbider) och kolhalt, kan en karbidtillverkare skräddarsy karbidens prestanda för specifika applikationer.

Den första hårdmetall som utvecklades var volframkarbid (introducerad 1927) som använder volframkarbidpartiklar som hålls samman av ett koboltmetallbindemedel. Sedan dess har andra hårdmetaller utvecklats, som titankarbid , som är bättre lämpad för skärning av stål, och tantalkarbid , som är segare än volframkarbid.

Fysikaliska egenskaper

Termisk expansionskoefficient för hårdmetall har visat sig variera med mängden kobolt som används som metallbindemedel. För 5,9 % koboltprover uppmättes en koefficient på 4,4 µm·m −1 ·K −1 , medan 13 % koboltprover har en koefficient på omkring 5,0 µm·m −1 ·K −1 . Båda värdena är endast giltiga från 20 °C (68 °F) till 60 °C (140 °F) på grund av icke-linjäritet i den termiska expansionsprocessen.

Ansökningar

Skär för metallskärning

Volframkarbidskär

Hårdmetall är dyrare per enhet än andra typiska verktygsmaterial, och det är sprödare, vilket gör det känsligt för flisning och brott. För att kompensera dessa problem är själva hårdmetallskärspetsen ofta i form av ett litet skär för ett verktyg med större spets vars skaft är tillverkat av ett annat material, vanligtvis kolverktygsstål . Detta ger fördelen med att använda hårdmetall vid skärgränssnittet utan den höga kostnaden och sprödheten att göra hela verktyget av hårdmetall. De flesta moderna planfräsar använder hårdmetallskär, liksom många svarvverktyg och pinnfräsar . Under de senaste decennierna har dock pinnfräsar av solid hårdmetall också blivit vanligare, varhelst applikationens egenskaper gör att fördelarna (som kortare cykeltider) överväger nackdelarna (som nämns ovan). Moderna svarvverktyg kan också använda ett hårdmetallskär på ett hårdmetallverktyg såsom en borrstång, som är styvare än stålskärshållare och därför mindre benägna att vibrationera, vilket är särskilt viktigt med borr- eller gängstänger som kan behöva nå in i en del till ett djup som är många gånger verktygets diameter.

Sätt in beläggningar

För att öka livslängden på hårdmetallverktyg är de ibland belagda. Fem sådana beläggningar är TiN ( titannitrid ), TiC ( titankarbid ), Ti(C)N ( titankarbidnitrid ), TiAlN ( titaniumnitrid) och AlTiN ( aluminiumtitannitrid ). (Nyare beläggningar, känd som DLC ( citat behövs like carbon ) börjar komma till ytan, vilket möjliggör skärkraften hos diamant utan den oönskade kemiska reaktionen mellan riktig diamant och järn [ ] .) De flesta beläggningar ökar i allmänhet ett verktygs hårdhet och/eller smörjbarhet. En beläggning gör att skäreggen på ett verktyg kan passera rent genom materialet utan att materialet fastnar på sig. Beläggningen hjälper också till att minska temperaturen i samband med skärprocessen och öka verktygets livslängd. Beläggningen avsätts vanligtvis via termisk kemisk ångdeposition (CVD) och, för vissa applikationer, med den mekaniska fysikaliska ångdeponeringsmetoden (PVD). Men om avsättningen utförs vid för hög temperatur, bildas en eta-fas av en Co 6 W 6 C tertiär karbid vid gränsytan mellan karbid- och koboltfasen, vilket kan leda till att beläggningen misslyckas med vidhäftning.

Insatser för gruvverktyg

Gruv- och tunnlingsskärverktyg är oftast försedda med hårdmetallspetsar, de så kallade "button bits". Konstgjord diamant kan ersätta hårdmetallknapparna endast när förhållandena är idealiska, men eftersom bergborrning är ett tufft jobb förblir hårdmetallknappar den mest använda typen i hela världen.

Rullar för varm- och kallvalsapplikationer

Sedan mitten av 1960-talet har stålverk runt om i världen applicerat hårdmetall på valsarna i sina valsverk för både varm- och kallvalsning av rör, stänger och plattor.

Andra industriella tillämpningar

Denna kategori innehåller ett oräkneligt antal ansökningar, men kan delas upp i tre huvudområden:

  • Konstruerade komponenter
  • Slitdelar
  • Verktyg och verktygsämnen

Några nyckelområden där hårdmetallkomponenter används:

Spinnande blad av en bordssåg som skär trä i vinkel

Icke-industriell användning

Smycke

Volframkarbid har blivit ett populärt material inom bröllopssmyckesindustrin på grund av dess extrema hårdhet och höga motståndskraft mot repor. På grund av dess sprödhet är den benägen att spricka, spricka eller splittras i smycken. När den har brutits kan den inte repareras.

Historia

Den första utvecklingen av cementerade och sintrade karbider skedde i Tyskland på 1920-talet. ThyssenKrupp säger [i historisk nutid ], "Sintrad volframkarbid utvecklades av 'Osram study Society for electrical lighting' för att ersätta diamanter som material för bearbetning av metall. Osram säljer inte utrustningen för att exploatera detta material i industriell skala. licensen till Krupp i slutet av 1925. 1926 släppte Krupp sinterkarbid på marknaden under namnet WIDIA ( akronym för WIe DIAmant = som diamant)." / ˈ v iː d i ə / Machinery's Handbook anger datumet för hårdmetallverktygens kommersiella introduktion som 1927. Burghardt och Axelrod anger datumet för deras kommersiella introduktion i USA som 1928. Efterföljande utveckling skedde i olika länder.

Även om marknadsföringen var något hyperbolisk (karbider är inte helt lika med diamant), erbjöd hårdmetallverktyg en förbättring av skärhastigheter och matningar så anmärkningsvärt att det, precis som höghastighetsstål hade gjort två decennier tidigare, tvingade maskinverktygskonstruktörer att tänka om varje aspekt av befintliga konstruktioner, med ett öga mot ännu mer styvhet och ännu bättre spindellager .

Under andra världskriget var det brist på volfram i Tyskland. Det visade sig att volfram i karbid skär metall mer effektivt än volfram i snabbstål, så för att spara på användningen av volfram användes karbider för metallskärning så mycket som möjligt.

Widia [ de ] blev ett generiskt varumärke i olika länder och språk, inklusive engelska (widia, / ˈ w ɪ d i ə / ), även om den generiska betydelsen aldrig var särskilt utbredd på engelska ("carbide" är den normala generiska termen ). Sedan 2009 har namnet återupplivats som ett varumärke av Kennametal , och varumärket omfattar många populära märken av skärande verktyg. För tydlig kommunikations skull kan återupplivandet av varumärket Widia naturligtvis ytterligare avskräcka användningen av den generiska betydelsen. [ originalforskning? ]

Obelagda spetsar lödda på skaften var den första formen. Fastspända vändskär och dagens breda utbud av beläggningar är framsteg som gjorts under decennierna sedan. För varje decennium som har gått har användningen av karbid blivit mindre "speciell" och mer allmänt förekommande. [ originalforskning? ]

När det gäller finkornig hårdmetall har ett försök gjorts att följa de vetenskapliga och tekniska steg som är förknippade med dess produktion; Denna uppgift är dock inte lätt på grund av de restriktioner som kommersiella, och i vissa fall forskningsorganisationer, sätter på att inte offentliggöra relevant information förrän långt efter datumet för det första arbetet. Att placera data i en historisk, kronologisk ordning är därför något svårt. Det har dock varit möjligt att fastställa att så långt tillbaka som 1929, ungefär 6 år efter det första patentet beviljades, hade Krupp/Osram-arbetare identifierat de positiva aspekterna av förädling av volframkarbidkorn. År 1939 hade de också upptäckt de fördelaktiga effekterna av att tillsätta en liten mängd vanadin och tantalkarbid. Detta kontrollerade effektivt diskontinuerlig spannmålstillväxt .

Det som ansågs "bra" under ett decennium ansågs inte vara så bra under nästa. Således ansågs en kornstorlek i intervallet 0,5–3,0 μm vara bra under de första åren, men på 1990-talet hade eran för det nanokristallina materialet kommit, med en kornstorlek på 20–50 nm.

Pobedit

Pobedit (ryska: победи́т ) är en sintrad karbidlegering av cirka 90 % volframkarbid som hårdfas, och cirka 10 % kobolt (Co) som bindefas, med en liten mängd ytterligare kol. Det utvecklades i Sovjetunionen 1929, det beskrivs som ett material från vilket skärverktyg tillverkas. Senare utvecklades ett antal liknande legeringar baserade på volfram och kobolt, och namnet "pobedit" behölls även för dem.

Pobedit produceras vanligtvis genom pulvermetallurgi i form av plattor av olika former och storlekar. Tillverkningsprocessen är som följer: ett fint pulver av volframkarbid (eller annan eldfast karbid) och ett fint pulver av bindemedelsmaterial som kobolt eller nickel blandas båda och pressas sedan till lämpliga former. Pressade plattor sintras vid en temperatur nära bindemetallens smältpunkt, vilket ger en mycket tät och fast substans.

Plattorna i denna superhårda komposit används för tillverkning av skärande och borrverktyg; de är vanligtvis lödda på skärverktygsspetsarna. Värmeefterbehandling krävs inte. Pobedit-insatserna vid spetsarna av borrkronor är fortfarande mycket utbredda i Ryssland.

Se även

Bibliografi


Vidare läsning

externa länkar

Media relaterade till hårdmetaller på Wikimedia Commons


Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Cemented_carbide&oldid=1133174306 "