炭化タングステンはなぜ理想的な工具材料なのですか?

タングステンカーバイドは、粉末冶金によって製造される最も広く使用されているタイプの高速機械加工(HSM)工具材料であり、硬質カーバイド(通常はタングステンカーバイドWC)粒子とより柔らかい金属結合からなる。組成。現在、異なる組成を有する数百のWC系炭化タングステンがあり、そのほとんどは結合剤としてコバルト(Co)を使用している。ニッケル(Ni)およびクロム(Cr)も一般的に使用されているバインダー元素であり、他の添加剤を添加することができる。いくつかの合金元素

超硬グレードが多いのはなぜですか?工具メーカーはどのように特定の切削加工に適した工具材料を選択するのですか?これらの質問に答えるために、まず炭化タングステンを理想的な工具材料にするさまざまな特性を理解しましょう。  

タングステンカーバイドとは何ですか? - 硬さと靭性の一致

 WC-Coタングステンカーバイドは、硬度と靭性の両方において独自の利点を持っています。炭化タングステン(WC)自体は非常に高い硬度(コランダムまたはアルミナを超える)を有し、その硬度は動作温度が上昇してもめったに低下しない。しかしながら、それは十分な靭性を欠いており、これは切削工具にとって本質的な性質である。タングステンカーバイドの高い硬度を利用してその靭性を改善するために、金属結合剤がタングステンカーバイドを結合するために使用され、その結果材料はほとんどの切削プロセスに耐えることができるが高速度鋼の硬度をはるかに超える。切削力さらに、高速加工による高温切削にも耐えることができます。

    今日では、ほとんどすべてのWC-Co工具とインサートがコーティングされているので、マトリックス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、それはWC-Co材料の高い弾性率(剛性の尺度、WC-Coの室温弾性率は高速度鋼のそれの約3倍である)がそのための非変形性基材を提供する。コーティング。 WC − Coマトリックスもまた必要な靭性を提供する。これらの特性はWC-Co材料の基本特性ですが、炭化タングステン粉末を製造する際の材料組成や微細構造に合わせて調整することもできます。したがって、特定のプロセスに対する工具性能の適合性は、初期ミリングプロセスに大きく依存します。    

タングステンカーバイドのミリングプロセスは何ですか?

    タングステンカーバイド粉末は、タングステン(W)粉末を浸炭することによって得られる。炭化タングステン粉末の性質、特にその粒径は、主に未加工タングステン粉末の粒径ならびに浸炭の温度および時間に依存する。化学的制御もまた重要であり、そして炭素含有量は一定に保たれなければならない(理論比6.13重量%に近い)。後工程で粒径を制御するために、浸炭処理の前に少量のバナジウムおよび/またはクロムを添加してもよい。異なる下流プロセス条件および異なる最終処理用途は、特定の炭化タングステン粒子サイズ、炭素含有量、バナジウム含有量、およびクロム含有量の組み合わせを必要とし、これらの組み合わせにおける変動は様々な異なる炭化タングステン粉末を製造することができる。

    炭化タングステン粉末を混合し、金属結合剤と一緒に粉砕して特定の等級の炭化タングステン粉末を製造するときには、様々な組み合わせを使用することができる。最も一般的に使用されるコバルト含有量は3〜25重量%であり、そしてニッケルおよびクロムは工具の耐食性を高めるために必要とされる。また、他の合金成分を添加することにより金属結合をさらに向上させることができる。例えば、ニオブをWC − Co炭化タングステンに添加すると、その硬度を低下させることなく靭性を著しく改善することができる。結合剤の量を増やすと、炭化タングステンの靭性も高めることができるが、それはその硬度を低下させるであろう。

    炭化タングステン粒子のサイズを小さくすると材料の硬度を高めることができるが、焼結プロセスにおいて、炭化タングステンの粒子サイズは変化しないままでなければならない。焼結時に、タングステンカーバイド粒子は、溶解および再沈殿のプロセスによって組み合わされて成長する。実際の焼結プロセスでは、完全に緻密な材料を形成するために、金属結合が液体状態になる(液相焼結と呼ばれる)。炭化タングステン粒子の成長速度は、炭化バナジウム(VC)、炭化クロム(Cr 3 C 2)、炭化チタン(TiC)、炭化タンタル(TaC)、および炭化ニオブ(NbC)を含む他の遷移金属炭化物を添加することによって制御できる。炭化タングステン粉末を浸炭するときに炭化バナジウムおよび炭化クロムも形成することができるが、これらの金属炭化物は通常、炭化タングステン粉末と金属結合剤との混合および粉砕の間に添加される。

    等級の炭化タングステン粉末はまた、リサイクルされた固体炭化物材料から製造することができる。使用済みタングステンカーバイドのリサイクルと再利用は、タングステンカーバイド業界で長い歴史があり、業界全体の経済チェーンの重要な部分であり、材料コストの削減、天然資源の節約、および廃棄物の回避に役立ちます。有害な処分。廃タングステンカーバイドは、一般に、APT(パラタングステン酸アンモニウム)法、亜鉛回収法または粉砕によって再利用することができる。これらの「リサイクルされた」炭化タングステン粉末は、それらの表面積がタングステン浸炭プロセスから直接製造された炭化タングステン粉末よりも小さいので、一般により良好で予測可能な緻密化を有する。

    タングステンカーバイド粉末を金属結合と混合するための処理条件もまた重要なプロセスパラメータである。 2つの最も一般的なミリング技術はボールミリングと超微細ミリングです。どちらの方法でも、粉砕粉末を均一に混合して粒径を小さくすることができます。ワークピースの形状を維持するのに十分な強度を有するようにワークピースをプレスし、作業者またはロボットが作業のためにワークピースを持ち上げることを可能にするために、ミリング中に有機バインダを加えることが通常必要である。そのような結合剤の化学組成は、プレス加工物の密度および強度に影響を及ぼし得る。操作を容易にするために、高強度の結合剤を添加することが好ましいが、これはより低いプレス密度をもたらしそしてハードブロックを引き起こし、最終製品に欠陥を生じさせるかもしれない。

    粉砕が完了した後、粉末は典型的には噴霧乾燥されて、有機結合剤によって凝集される自由流動塊を生成する。有機バインダーの組成を調整することによって、これらの凝集物の流動性および電荷密度を必要性に合うように調整することができる。より粗いまたはより細かい粒子をふるい落とすことによって、凝集体の粒度分布をさらに調整して、金型キャビティに装填したときの良好な流動性を確実にすることができる。

炭化タングステン工作物の製造方法は何ですか?

   炭化物工作物は様々な方法で形成することができる。ワークピースのサイズ、形状の複雑さのレベル、および製造ロットサイズに応じて、ほとんどの切削インサートは上下の圧力固定型を使用して成形されます。各プレスにおいて加工物の重量と大きさの一貫性を維持するために、キャビティに流れ込む粉末の量(質量と体積)が確実に同じになるように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。成形加工物(または「ブランク」)は、キャビティ内に装填された粉末に10〜80ksi(平方フィート/平方フィート)の成形圧力を加えることによって形成することができる。

    極端に高い成形圧力でも、硬質炭化タングステン粒子は変形または破壊されず、有機結合剤は炭化タングステン粒子間の間隙に押し込まれ、それによって粒子位置を固定するように機能する。圧力が高いほど、炭化タングステン粒子の結合はより強くなり、工作物の圧縮密度は高くなる。傾斜炭化タングステン粉末の成形特性は、金属結合剤の量、炭化タングステン粒子のサイズおよび形状、凝集体が形成される程度、ならびに有機結合剤の組成および量に応じて変わり得る。等級の炭化タングステン粉末のプレス特性に関する定量的情報を提供するために、それは通常、成形密度と成形圧力との間の対応を確立するように粉末製造業者によって設計されている。この情報は、供給された粉末が工具メーカーの成形プロセスと一致していることを保証します。

    大型の超硬加工品または高アスペクト比の超硬加工品(エンドミルやドリルビットシャンクなど)は、通常、柔軟な袋の中で炭化タングステン粉末を均一にプレスすることによって製造されます。均等化プレス法の製造サイクルは成形方法よりも長いが、工具の製造コストは低いので、この方法は小ロット生産に適している。

    この方法は、粉末をバッグに充填し、そしてバッグの口を密封し、次に粉末で充填されたバッグをチャンバー内に置きそしてプレスのために油圧装置により30〜60ksiの圧力を加えることを含む。プレス加工された加工物は通常、焼結前に特定の形状に機械加工される。バッグのサイズは、圧縮工程中の加工物の収縮を吸収し、粉砕工程に十分な余裕を持たせるために大きくされる。ワークピースはプレス成形後に加工されるので、装填量の一貫性に対する要求は成形方法ほど厳密ではないが、負荷当たりの粉末の量が同じであることを保証することが依然として望ましい。粉末の充填密度が小さすぎると、バッグに充填された粉末が不十分になり、その結果、ワークピースのサイズが小さくなり、廃棄しなければならなくなる。粉体の充填密度が大きすぎると、袋に充填されている粉体が多すぎるため、プレス成形後にさらに多くの粉体を除去するために加工物を加工する必要がある。余分な粉体や廃棄部品はリサイクルできますが、生産性が低下します。

    炭化物加工品はまた、押出成形または射出成形によって形成することができる。押出成形法は軸対称形状の工作物の大量生産により適しており、一方射出成形法は複雑な形状の工作物の大量生産に一般的に使用されている。両方の成形プロセスにおいて、等級の炭化タングステン粉末は、練り歯磨きのように炭化タングステン混合物に均一性を付与する有機結合剤中に懸濁される。次いで、混合物を穴を通して押し出すか、または金型キャビティに成形する。タングステンカーバイド粉末の等級の特性は、混合物中のバインダーに対する粉末の最適比を決定し、押出オリフィスを通って又は金型キャビティ内への混合物の流れに重要な影響を及ぼす。

    ワークピースが成形、均等化プレス、押出成形または射出成形によって形成された後、有機バインダは最終焼結段階の前にワークピースから除去される必要がある。焼結は加工物中の細孔を除去し、それを完全に(または実質的に)緻密にする。焼結時に、プレス成形ワークピース中の金属結合は液体になるが、ワークピースは毛管力と粒子接触との複合作用の下で依然としてその形状を維持することができる。

    焼結後、ワークピースの形状は変わりませんが、サイズは小さくなります。焼結後に必要なワークサイズを得るためには、工具を設計する際に収縮率を考慮する必要があります。各工具を製造するのに使用されるタングステンカーバイド粉末の等級を設計するとき、適切な圧力下でプレスされたときにそれが正しい収縮を有することを確実にしなければならない。

    ほとんどの場合、焼結ワークピースは 超硬ブランク 後焼結する必要があります。切削工具の最も基本的な処理は、刃先を鋭くすることです。多くの工具は焼結後にそれらの幾何学的形状の研削および幾何学的形状を必要とする。いくつかのツールは上下の研削を必要とします。他のものは周縁研削を必要とする(刃先を鋭くするかどうかにかかわらず)。研削からのすべての炭化物摩耗粉はリサイクルすることができます。

タングステンカーバイドのワークピースコーティングをどのように準備するのですか?

    多くの場合、完成部品はコーティングする必要があります。コーティングは、潤滑性と硬度の増加をもたらし、そして高温にさらされたときに酸化を防ぐ基材への拡散障壁を提供する。炭化タングステンマトリックスはコーティングの性能にとって重要である。カスタムマトリックス粉末の主な特性に加えて、基材の表面特性は化学的選択および焼結プロセスの変更によって調整することができます。コバルトの移動によって、より多くのコバルトを、残りの工作物に対して20〜30μmの厚さでブレード表面の最外層に濃縮することができ、それによって基材の表面層により良好な靭性を付与する。変形に対する強い抵抗力があります。

    独自の製造工程(脱ロウ方法、昇温速度、焼結時間、温度、浸炭電圧など)に基づく工具メーカーは、使用する炭化物粉末のグレードに特別な要件を課すことがあります。一部の工具製造業者は真空炉内で工作物を焼結するかもしれないが、他のものは熱間静水圧成形(HIP)焼結炉を使用するかもしれない(これはプロセスサイクルの終わり近くで工作物を加圧して残留物を除去する)。細孔)。真空炉内で焼結された工作物はまた、工作物密度を増加させるために熱間静水圧プレスプロセスを受ける必要があるかもしれない。一部の工具製造業者は、より低いコバルト含有量を有する混合物の焼結密度を増加させるためにより高い真空焼結温度を使用することがあるが、このアプローチは微細構造を粗くすることがある。微粒子サイズを維持するために、より小さな炭化タングステン粒子サイズを有する粉末を使用することができる。特定の製造装置に合わせるために、脱ロウ条件および浸炭電圧もまた、炭化タングステン粉末の炭素含有量に関して異なる要件を有する。

    これら全ての要因は、焼結される炭化タングステン工具の微細構造および材料特性に重大な影響を及ぼす。それゆえ、工具が工具に従って製造されることを確実にするために、工具製造業者と粉末供給業者との間の密接な連絡が必要である。カスタマイズされた生産工程カスタムグレードの炭化タングステン粉末。したがって、何百種類ものカーバイドグレードがあることは驚くことではありません。たとえば、ATI Alldyneは600以上の異なるグレードの粉末を製造しています。それぞれのグレードは意図するユーザーと特定の用途のために特別に設計されています。

タングステンカーバイドグレードの分類方法は?

  異なる種類の炭化タングステン粉末、混合組成および金属結合剤含有量、粒子成長抑制剤の種類および量などの組み合わせは、様々な炭化物グレードを構成する。これらのパラメータは、炭化タングステンの微細構造と特性を決定します。特定の処理用途では特定の性能の組み合わせが最初の選択肢となり、複数の超硬材種を分類することが可能になりました。

    機械加工の目的で最も一般的に使用されている2つの超硬加工分類システムは、CグレードシステムとISOグレードシステムです。これらのシステムはどちらもカーバイドグレードの選択に影響する材料特性を完全には反映していませんが、それらは議論の出発点を提供します。分類ごとに、多くのメーカーが独自の特別グレードを持っているため、さまざまなカーバイドグレードがあります。

    カーバイドグレードは組成によっても分類できます。タングステンカーバイド(WC)グレードは3つの基本的なタイプに分類することができます。単純、微結晶、合金です。単純なグレードは、主に炭化タングステンとコバルトのバインダーで構成されていますが、少量の粒子成長抑制剤を含んでいることもあります。微結晶グレードは、炭化タングステンと、数千分の数の炭化バナジウム(VC)および/または炭化クロム(Cr 3 C 2)が添加されたコバルトバインダーとからなり、その粒径は1μm未満であり得る。この合金グレードは、炭化タングステンと、数パーセントの炭化チタン(TiC)、炭化タンタル(TaC)、およびニオブカーバイド(NbC)を含むコバルトバインダーで構成されています。これらの添加剤はそれらの焼結のために立方晶炭化物とも呼ばれる。得られた微細構造は不均一な三相構造を示す。

    (1)簡易超硬グレード

    金属切削用のそのようなグレードは、典型的には、3重量%〜12重量%のコバルトを含有する。炭化タングステン粒子の大きさは通常1〜8μmの範囲である。他のグレードと同様に、タングステンカーバイドの粒径を小さくすると、その硬度と抗折強度(TRS)が増加しますが、その靭性は低下します。単純グレードの硬さは通常HRA 89-93.5です。抗折力は通常175-350 ksiです。このようなグレードの粉体には、大量のリサイクル原料が含まれている場合があります。

    簡易グレードは、CグレードシステムではC1〜C4に分類でき、ISOグレードシステムでは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。中程度の特性を持つ単純な等級は、旋削、フライス削り、平削りおよびボーリング用の一般的な等級(例:C2またはK20)として分類できます。より小さい粒度またはより低いコバルト含有量およびより高い硬度を有する等級を使用することができる。(C4またはK01のような)仕上げ等級として分類される。より大きい粒度またはより高いコバルト含有量およびより良好な靭性を有する等級は、粗い等級(例えば、C1またはK30)として分類することができます。

    単純な等級から作られた道具は鋳鉄、200と300シリーズのステンレス鋼、アルミニウムと他の非鉄金属、超合金と硬化鋼を切るのに使用することができます。これらのグレードは、1.5〜10μm(またはそれ以上)のグレインサイズと6%〜16%のコバルトレベルの非金属切削用途(岩石や地質掘削工具など)でも使用できます。他の非金属切削タイプの単純炭化物グレードは、金型とパンチの製造です。これらの等級は典型的には16%〜30%のコバルト含有量を有する中サイズの粒度を有する。

    (2)微結晶炭化物グレード

    そのような等級は通常6%-15%のコバルトを含んでいます。液相焼結において、添加された炭化バナジウムおよび/または炭化クロムは、粒成長を制御することができ、それによって、1μm未満の粒径を有する微粒子構造を得ることができる。この微粒子グレードは非常に高い硬度と500 ksi以上の抗折力を持っています。高強度と十分な靭性を兼ね備えているため、これらのグレードの工具は大きな正のすくい角を持つことができます。

    等級のタングステンカーバイド粉末の製造における様々な原材料の厳密な品質同定および焼結プロセス条件の厳密な制御を通して、材料の微細構造における異常な大きな粒子の形成を防ぐことが可能である。材料特性。粒度を小さくかつ均一に保つために、リサイクル粉末は、原材料および回収プロセスが完全に管理され、広範囲にわたる品質試験が行われる場合にのみ使用することができます。

    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。なお、CグレードシステムおよびISOグレードシステムにおけるその他の分類方法は、簡易グレードと同じです。工具の表面は非常に滑らかに機械加工され、非常に鋭い刃先を維持することができるので、微結晶グレードを使用して、より柔らかい加工物材料を切削するための工具を製造することができる。

    微結晶グレードは最大1200℃の切削温度に耐えることができるため、ニッケル基超合金の加工にも使用できます。高温合金および他の特殊材料の加工のために、マイクログレイングレードツールおよびエナメルを含む単純グレードツールの使用は同時にそれらの耐摩耗性、変形抵抗および靭性を改善することができる。微結晶グレードは、せん断応力を発生させる回転工具(ドリルビットなど)の製造にも適しています。ドリルビットの一種は、複合グレードの炭化タングステンでできています。同じビットの特定の部分における材料の特定のコバルト含有量は異なり、その結果、ドリルビットの硬度および靭性は加工の必要性に従って最適化される。

    (3)合金系超硬グレード

    これらの等級は鋼鉄部品を切断するために主に使用されます。そして、それは典型的に5%-10%のコバルト含有量と0.8-2μmの粒度範囲を持っています。 4%から25%の炭化チタン(TiC)を添加することによって、炭化タングステン(WC)が鋼鉄スクラップの表面に拡散する傾向を減らすことができる。 25%以下の炭化タンタル(TaC)および炭化ニオブ(NbC)を添加することにより、工具強度、耐クレータ摩耗性および耐熱衝撃性を改善することができる。そのような立方晶炭化物の添加はまた、工具の赤みを増し、重切削または切削刃先が高温を生じ得る他の機械加工中の工具の熱変形を回避するのを助ける。さらに、炭化チタンは焼結中に核形成部位を提供し、加工物中の立方晶炭化物分布の均一性を改善することができる。

    一般に、合金タイプの炭化物グレードは、HRA 91 - 94の硬度範囲と150 - 300 ksiの抗折強度を持っています。単純タイプと比較して、合金タイプの耐摩耗性は劣った耐摩耗性および低い強度を有するが、そのボンド耐摩耗性はより優れている。合金の等級はCの等級システムのC5-C8に分けることができ、ISOの等級システムのPおよびMの等級シリーズに従って分類することができます。中程度の特性を持つ合金グレードは、旋削、タッピング、平削りおよびフライス加工用の一般グレード(C6またはP30など)に分類できます。最も硬いグレードは、仕上げおよびボーリング用のファイングレード(C8およびP01など)に分類できます。これらの等級は、典型的には、所望の硬度および耐摩耗性を達成するために、より小さい粒度およびより低いコバルト含有量を有する。しかしながら、立方晶炭化物をさらに添加することによって同様の材料特性を得ることができる。最も回復力のあるグレードは、ラフグレード(C5またはP50など)に分類できます。これらの等級は典型的には中サイズの粒径および高いコバルト含有量を有し、添加される立方晶炭化物の量もまた亀裂伝播を抑制することによって所望の靭性を達成するためには少量である。断続旋削加工では、切削性能は、カッターの表面上により高いコバルト含有量を有するコバルトに富む等級を使用することによってさらに改善することができる。

    炭化チタン含有量の少ない合金グレードは、ステンレス鋼および可鍛鋳鉄の機械加工に使用されますが、非鉄金属(ニッケル基超合金など)の加工にも使用できます。これらの等級は典型的には1μm未満の粒度および8%〜12%のコバルト含有量を有する。可鍛性のある鋳鉄の旋削には、より硬度の高いグレード(M10など)を使用できます。鋼のフライス削りや平削り、あるいはステンレス鋼や超合金の旋削加工には、より靭性の高い材種(M40など)を使用できます。

    合金タイプのカーバイドグレードは、主に耐摩耗性部品の製造など、非金属切削用途にも使用できます。これらの等級は典型的には1.2〜2μmの粒径および7%〜10%のコバルト含有量を有する。これらの等級の生産では、大部分のリサイクルされた材料が通常加えられます、その結果、磨耗部品の適用においてより高い費用対効果をもたらします。摩耗部品には、優れた耐食性と高い硬度が必要です。これらの等級はそのような等級を作り出すときニッケルおよびクロム炭化物を加えることによって得ることができます。

    工具製造業者の技術的および経済的要件を満たすために、炭化タングステン粉末は重要な要素です。工具メーカーの加工機器とプロセスパラメータ用に設計された粉末は、完成部品の性能を保証し、数百の超硬グレードをもたらします。炭化物材料のリサイクル可能な性質および粉末供給業者と直接協働する能力は、工具製造業者がそれらの製品品質および材料コストを効果的に管理することを可能にする。

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