Carbidum est genus materiarum instrumentorum ad machinationem celerem (HSM) latissime adhibitum, quae per processus metallurgiae pulveris producuntur et ex particulis carburi duri (plerumque carburi tungsteni WC) et compositione ligaminis metallici mollioris constant. Hodie, centenae carbura cementata WC fundata cum compositionibus diversis exstant, quorum pleraque cobaltum (Co) ut ligamen utuntur, nickel (Ni) et chromium (Cr) etiam elementa ligantia vulgo adhibita sunt, et alia etiam elementa mixturae addi possunt. Cur tot gradus carburi sunt? Quomodo fabri instrumentorum materiam instrumenti aptam pro operatione secandi specifica eligunt? Ut his quaestionibus respondeamus, primum varias proprietates inspiciamus quae carburum cementatum materiam instrumenti idealem faciunt.
duritia et tenacitas
Carburum cementatum WC-Co singularia commoda et in duritie et in tenacitate habet. Carburum tungsteni (WC) natura sua durissimum est (magis quam corundum vel alumina), et eius duritia raro decrescit cum temperatura operandi crescit. Attamen, ei deest satis tenacitatis, proprietas essentialis instrumentis secandis. Ut commodis magnae duritiae carburi tungsteni utantur et eius tenacitatem augeant, homines vincula metallica utuntur ad carburum tungsteni inter se iungendum, ita ut haec materia duritiam habeat longe excedentem illam chalybis celeris, dum plerisque operationibus secandis vim secandi sustinere potest. Praeterea, altas temperaturas secandi a machinatione celeri causatas sustinere potest.
Hodie, fere omnes cultri et inserta e materia plastica (WC-Co) obducta sunt, itaque munus materiae fundamentalis minus momenti videtur. Sed re vera, altus modulus elasticitatis materiae WC-Co (mensura rigiditatis, quae fere triplo maior est quam chalybis celeris ad temperaturam ambientem) substratum indeformabile pro obductione praebet. Matrix WC-Co etiam tenacitatem requisitam praebet. Hae proprietates sunt proprietates fundamentales materiarum WC-Co, sed proprietates materiae etiam adaptari possunt per compositionem materiae et microstructuram adaptandam cum pulveres carburi cementati producuntur. Ergo, aptitudo effectus instrumenti ad specificam machinationem magna ex parte a processu initiali fresationis pendet.
Processus molendi
Pulvis carburi tungsteni per carburationem pulveris tungsteni (W) obtinetur. Proprietates pulveris carburi tungsteni (praesertim magnitudo particularum) maxime pendent ex magnitudine particularum materiae rudis pulveris tungsteni et temperatura ac tempore carburationis. Moderatio chemica etiam critica est, et contentum carbonis constans servandum est (prope valorem stoichiometricum 6.13% ponderis). Parva quantitas vanadii et/vel chromii addi potest ante curationem carburationis ut magnitudo particularum pulveris per processus subsequentes moderetur. Diversae condiciones processus subsequentes et diversi usus processus finalis combinationem specificam magnitudinis particularum carburi tungsteni, contenti carbonis, contenti vanadii et contenti chromii requirunt, per quam varietas pulverum carburi tungsteni diversorum produci potest. Exempli gratia, ATI Alldyne, fabricator pulveris carburi tungsteni, 23 gradus normales pulveris carburi tungsteni producit, et varietates pulveris carburi tungsteni secundum requisita usorum adaptatae plus quam quinquies gradus normales pulveris carburi tungsteni attingere possunt.
Cum pulverem carburi tungsteni et ligaturam metallicam miscentur et teruntur ad certum gradum pulveris carburi cementati producendum, variae combinationes adhiberi possunt. Frequentissima copia cobalti est 3% – 25% (proportio ponderis), et si opus est resistentiam corrosionis instrumenti augere, necesse est nickel et chromium addere. Praeterea, ligatura metallica ulterius augeri potest additis aliis componentibus mixturae metallicae. Exempli gratia, additio ruthenii ad carburum cementatum WC-Co potest eius tenacitatem significanter augere sine eius duritie minuenda. Augmentum copiae ligaturae etiam potest tenacitatem carburi cementati augere, sed eius duritiam minuet.
Magnitudine particularum carburi tungsteni diminuta duritiem materiae augere potest, sed magnitudo particularum carburi tungsteni eadem manere debet per processum sinterizationis. Per sinterizationem, particulae carburi tungsteni combinantur et crescunt per processum dissolutionis et reprecipitationis. In ipso processu sinterizationis, ut materia plene densa formetur, vinculum metallicum liquidum fit (sinterizatio phasis liquidae appellatur). Celeritas accretionis particularum carburi tungsteni regi potest addendo alia carbura metallorum transitionis, inter quae carburum vanadii (VC), carburum chromii (Cr3C2), carburum titanii (TiC), carburum tantali (TaC), et carburum niobii (NbC). Haec carbura metallica plerumque adduntur cum pulvis carburi tungsteni miscetur et cum vinculo metallico molitur, quamquam carburum vanadii et carburum chromii etiam formari possunt cum pulvis carburi tungsteni carburatur.
Pulvis carburi tungsteni etiam produci potest ex materiis carburi cementati superfluis redivivis. Redivivus usus et reutilizatio carburi inutilis longam historiam in industria carburi cementati habet et pars magni momenti totius catenae oeconomicae industriae est, adiuvans ad sumptus materiarum reducendos, opes naturales conservandas et materias superfluas vitandas. Noxia abiectio. Carburum cementatum superfluum plerumque reutilizari potest per processum APT (ammonii paratungstati), processum recuperationis zinci vel per contundentiam. Hi pulveres carburi tungsteni "redivivi" plerumque meliorem et praedicabilem densificationem habent quia aream superficialem minorem habent quam pulveres carburi tungsteni directe per processum carburationis tungsteni facti.
Conditiones processus triturae mixtae pulveris carburi tungsteni et ligaminis metallici etiam parametri processus cruciales sunt. Duae artes triturationis usitatissimae sunt tritura globulorum et microtritura. Ambo processus mixturam uniformem pulverum molitorum et magnitudinem particularum reducunt. Ut opus postea pressum satis firmitatis habeat, forma operis conservetur, et operator vel manipulator opus ad operationem tollere possit, plerumque necesse est ligamen organicum addere durante tritura. Compositio chemica huius ligaminis densitatem et firmitatem operis pressi afficere potest. Ad tractationem faciliorem reddendam, expedit ligamina altae firmitatis addere, sed hoc densitatem compactionis minorem efficit et glebas producere potest quae vitia in producto finali causare possunt.
Post molituram, pulvis plerumque siccatur per atomizationem ut agglomerata libere fluentia, quae ligaminibus organicis cohaerent, producantur. Compositione ligaminis organici adaptata, fluiditas et densitas oneris horum agglomeratorum pro desiderio aptari possunt. Cribrando particulas crassiores vel subtiliores, distributio magnitudinis particularum agglomerati ulterius aptari potest ut bonum fluxum praestet cum in cavitatem formae immittitur.
Fabricatio partium
Partes e carburo fabricatae variis modis formari possunt. Pro magnitudine partis fabricatae, gradu complexitatis formae, et serie productionis, pleraeque insertiones secantes utens formis rigidis pressionis superioris et inferioris finguntur. Ut constantia ponderis et magnitudinis partis fabricatae in singulis pressionibus servetur, necesse est curare ut quantitas pulveris (massa et volumen) in cavitatem influentis prorsus eadem sit. Fluiditas pulveris praecipue regitur a distributione magnitudinis agglomeratorum et proprietatibus ligaminis organici. Partes formatae (vel "segmenta") formantur applicando pressionem formandi 10-80 ksi (kilo librarum per pedem quadratum) pulveri in cavitatem formae imposito.
Etiam sub pressione formandi altissima, particulae durae carburi tungsteni non deformantur nec franguntur, sed glutinum organicum in hiatus inter particulas carburi tungsteni premitur, ita positionem particularum figens. Quo altior pressio, eo artior nexus particularum carburi tungsteni et eo maior densitas compactionis operis. Proprietates formandi graduum pulveris carburi cementati variare possunt, secundum contentum glutinis metallici, magnitudinem et formam particularum carburi tungsteni, gradum agglomerationis, et compositionem et additionem glutinis organici. Ut informationes quantitativae de proprietatibus compactionis graduum pulveris carburi cementati praebeantur, relatio inter densitatem formandi et pressionem formandi plerumque a fabricante pulveris designatur et construitur. Haec informatio efficit ut pulvis suppeditatus cum processu formandi fabricatoris instrumenti congruat.
Magnae magnitudinis opera e carburo fabricatae vel opera e carburo fabricata cum rationibus aspectuum altis (velut caules pro fresis et terebris) typice ex pulveris carburi uniformiter pressis in sacculo flexibili fabricantur. Quamquam cyclus productionis methodi pressionis aequilibratae longior est quam methodi formae formandae, sumptus fabricationis instrumenti minor est, ita haec methodus aptior est productioni parvarum copiarum.
Haec methodus processus est pulverem in sacculum immittere, os sacculi obsignare, deinde sacculum pulvere plenum in cameram ponere, et pressionem 30-60ksi per instrumentum hydraulicum ad premendum applicare. Opera pressa saepe ad geometrias specificas ante sinterizationem machinantur. Magnitudo sacci augetur ut contractionem operis durante compactione accommodet et ut spatium sufficiens ad operationes triturae praebeatur. Cum opus post pressationem tractandum sit, requisita constantiae impletionis non tam stricta sunt quam ea methodi formandae, sed tamen expedit curare ut eadem quantitas pulveris in sacculum omni tempore impleatur. Si densitas impletionis pulveris nimis parva est, fieri potest ut pulvis in sacculo non satis sit, quo fit ut opus nimis parvum sit et abiciendum sit. Si densitas impletionis pulveris nimis alta est, et pulvis in sacculum impletus nimium est, opus tractandum est ut plus pulveris post pressam removeatur. Quamquam pulvis superfluus remotus et opera abicienda iterum adhiberi possunt, hoc facere productivitatem minuit.
Materiae e carburo etiam formae extrusionis vel injectionis formari possunt. Processus extrusionis formae aptior est ad productionem magnam partium formae axisymmetricae, dum processus injectionis formae plerumque adhibetur ad productionem magnam partium formae complexae. In utroque processu formae, genera pulveris carburi cementati suspenduntur in glutino organico quod mixturae carburi cementati crassitudinem dentifricii similem praebet. Deinde compositum vel per foramen extruditur vel in cavitatem iniicitur ad formandum. Proprietates gradus pulveris carburi cementati optimam proportionem pulveris ad glutinom in mixtura determinant, et magnam vim habent in fluiditate mixturae per foramen extrusionis vel injectione in cavitatem.
Postquam materia per formationem, pressionem isostaticam, extrusionem, vel injectionem formata est, glutinum organicum ex materia removendum est ante stadium finalem sinterizationis. Sinterizatio porositatem ex materia removet, eam plene (vel substantialiter) densam faciens. Per sinterizationem, vinculum metallicum in materia pressoformata liquidum fit, sed materia formam suam retinet sub actione coniuncta virium capillarium et nexus particularum.
Post sinterizationem, geometria materiae eadem manet, sed dimensiones reducuntur. Ut magnitudo necessaria materiae post sinterizationem obtineatur, ratio contractionis consideranda est dum instrumentum designatur. Genus pulveris carburi ad quodque instrumentum fabricandum adhibitum ita designandum est ut contractionem rectam habeat cum sub pressione idonea compactatur.
Fere omnibus casibus, curatio post-sinterizationem materiae sinterizatae requiritur. Curatio fundamentalissima instrumentorum secantium est acuere aciem secantem. Multa instrumenta geometriam et dimensiones suas post sinterizationem polire debent. Quaedam instrumenta polituram superius et inferius requirunt; alia polituram periphericam (cum vel sine acutione aciem secantem). Omnia fragmenta carburi ex politura ad usum recirculari possunt.
Obductio partis operis
Saepe opus perfectum obduci debet. Obductio haec lubricitatem et duritiem auctam praebet, necnon impedimentum diffusionis substrato, oxidationem prohibens cum temperaturis altis exponitur. Substratum e carburo cementato ad effectum obductionis maximi momenti est. Praeter proprietates principales pulveris matricis adaptandas, proprietates superficiales matricis etiam per selectionem chemicam et mutationem methodi sinterizationis adaptari possunt. Per migrationem cobalti, plus cobalti in strato externo superficiei laminae intra crassitudinem 20-30 μm respectu reliquae partis locupletari potest, ita superficiei substrati maiorem firmitatem et tenacitatem dans, eamque deformationi resistentiorem reddens.
Pro suo proprio processu fabricationis (velut methodo deparaffinationis, celeritate calefactionis, tempore sinterizationis, temperatura et tensione carburizationis), faber instrumentorum fortasse nonnullas necessitates speciales habet pro genere pulveris carburi cementati adhibiti. Quidam fabri instrumentorum materiam in furno vacuo sinterizare possunt, alii autem furno sinterizationis isostaticae calidae (HIP) uti possunt (quae materiam prope finem cycli processus pressurizat ut quaslibet residua removeat). Materiae in furno vacuo sinterizatae etiam fortasse isostatice calide per processum additionalem premuntur ad densitatem materiae augendam. Quidam fabri instrumentorum fortasse temperaturas sinterizationis vacuo altiores adhibent ad densitatem sinterizationis mixturarum cum minore contento cobalti augendam, sed haec methodus microstructuram earum crassitudinem augere potest. Ut magnitudinem granorum subtilem servet, pulveres cum minore magnitudine particularum carburi tungsteni eligi possunt. Ut apparatui productionis specifico respondeant, condiciones deparaffinationis et tensione carburizationis etiam diversas necessitates pro contento carbonii in pulvere carburi cementati habent.
Classificatio graduum
Mutationes combinationum variorum generum pulveris carburi tungsteni, compositionis mixturae et contenti ligantis metallici, generis et quantitatis inhibitoris incrementi granorum, etc., varietatem graduum carburi cementati constituunt. Hi parametri microstructuram carburi cementati eiusque proprietates determinabunt. Quaedam combinationes specificae proprietatum prioritatem pro quibusdam applicationibus processus specificis factae sunt, ita ut classificatio varia graduum carburi cementati utilis sit.
Duo systemata classificationis carburi usitatissima in applicationibus machinalibus sunt systema designationis C et systema designationis ISO. Quamquam neutrum systema proprietates materiales quae electionem graduum carburi cementati afficiunt plene reflectit, initium disputationis praebent. Pro unaquaque classificatione, multi fabri proprios gradus speciales habent, unde magna varietas graduum carburi oritur.
Gradus carburi etiam secundum compositionem distingui possunt. Gradus carburi tungsteni (WC) in tres genera fundamentalia dividi possunt: simplicia, microcrystallina et mixta. Gradus simplex praecipue ex carburo tungsteni et ligaminibus cobalti constant, sed etiam parvas quantitates inhibitorum incrementi granorum continere possunt. Gradus microcrystallinus ex carburo tungsteni et ligaminibus cobalti additis cum aliquot millesimis partibus carburi vanadii (VC) et (vel) carburi chromii (Cr3C2) constat, et magnitudo granorum eius ad 1 μm vel minus pervenire potest. Gradus mixti ex carburo tungsteni et ligaminibus cobalti constant, paucis centesimis carburi titanii (TiC), carburi tantali (TaC), et carburi niobii (NbC) continentibus. Hae additiones etiam carbura cubica propter proprietates sinterizationis notae sunt. Microstructura resultans structuram triphasicam inhomogeneam exhibet.
1) Gradus carburi simplicis
Hae classes ad secandum metallum plerumque continent 3% ad 12% cobalti (pro pondere). Magnitudines granorum carburi tungsteni plerumque inter 1-8 μm sunt. Ut in aliis classibus, magnitudine particularum carburi tungsteni reducta duritiem et firmitatem rupturae transversalis (TRS) auget, sed tenacitatem minuit. Durities generis puri plerumque inter HRA89-93.5 est; firmitas rupturae transversalis plerumque inter 175-350ksi est. Pulveres horum classium magnas quantitates materiarum redivivarum continere possunt.
Gradus simplices in C1-C4 dividi possunt in systemate graduum C, et secundum seriem graduum K, N, S, et H in systemate graduum ISO classificari. Gradus simplices cum proprietatibus intermediis classificari possunt ut gradus usus generalis (ut C2 vel K20) et ad tornandum, fresandum, planandum et perforandum adhiberi possunt; gradus cum granis minoribus vel minore contento cobalti et maiori duritia classificari possunt ut gradus finiendi (ut C4 vel K01); gradus cum granis maioribus vel altiore contento cobalti et meliore tenacitate classificari possunt ut gradus asperandi (ut C1 vel K30).
Instrumenta in gradibus Simplex facta ad machinationem ferri fusi, chalybis inoxidabilis seriei 200 et 300, aluminii et alia metalla non-ferrea, supermixturarum et chalybum durum adhiberi possunt. Hi gradus etiam in applicationibus secandis non-metallicis (e.g., ut instrumenta perforationis saxorum et geologicae) adhiberi possunt, et hi gradus magnitudinem granorum 1.5-10μm (vel maiorem) et contentum cobalti 6%-16% habent. Alius usus graduum carburi simplicis ad secandum non-metallicum est in fabricatione matricum et perforationum. Hi gradus typice magnitudinem granorum mediam cum contento cobalti 16%-30% habent.
(2) Gradus carburi cementati microcrystallini
Tales gradus plerumque 6%-15% cobalti continent. Per sinterizationem phasis liquidae, additio carburi vanadii et/vel carburi chromii incrementum granorum temperare potest ut structura granorum tenuium cum magnitudine particularum minus quam 1 μm obtineatur. Hic gradus granorum tenuium duritiem altissimam et vires rupturae transversales supra 500ksi habet. Combinatio magnae firmitatis et tenacitatis sufficientis his gradibus permittit ut angulum radentis positivum maiorem utantur, qui vires secandi minuit et tenuiores frusta producit secando potius quam premendo materiam metallicam.
Per accuratam qualitatis identificationem variarum materiarum rudis in productione graduum pulveris carburi cementati, et strictam condicionum processus sinterizationis moderationem ad formationem granorum abnormaliter magnorum in microstructura materiae prohibendam, proprietates materiae idoneas obtinere licet. Ut magnitudo granorum parva et uniformis maneat, pulvis recyclatus tantum adhiberi debet si plena moderatio materiae rudis et processus recuperationis, et probationes qualitatis diligentes adsint.
Gradus microcrystallini secundum seriem graduum M in systemate graduum ISO classificari possunt. Praeterea, aliae rationes classificationis in systemate graduum C et systemate graduum ISO eaedem sunt ac gradus puri. Gradus microcrystallini ad fabricanda instrumenta adhiberi possunt quae materias molliores in opere secant, quia superficies instrumenti machinari potest valde laevigata et aciem acutissimam servare potest.
Gradus microcrystallini etiam ad machinandas supermixturas niccoli fundatas adhiberi possunt, cum temperaturas sectionis usque ad 1200°C sustinere possint. Ad tractandas supermixturas aliasque materias speciales, usus instrumentorum gradus microcrystallini et instrumentorum gradus puri ruthenium continentium simul eorum resistentiam attritionis, resistentiam deformationis et tenacitatem augere potest. Gradus microcrystallini etiam apti sunt ad fabricationem instrumentorum rotantium, ut terebrarum quae tensionem scissionis generant. Est terebra ex gradibus compositis carburi cementati facta. In partibus specificis eiusdem terebrae, contentum cobalti in materia variat, ita ut duritia et tenacitas terebrae secundum necessitates tractationis optimizentur.
(3) Gradus carburi cementati generis mixturae metallorum
Hae classes imprimis ad partes ferreas secandas adhibentur, et earum cobalti contentum plerumque est 5%-10%, et magnitudo granorum inter 0.8 et 2 μm variat. Addendo 4%-25% carburi titanii (TiC), proclivitas carburi tungstenii (WC) ad superficiem fragmentorum ferreorum diffundi potest reduci. Robur instrumenti, resistentia attritionis crateribus, et resistentia ictui thermali augeri possunt addendo usque ad 25% carburi tantali (TaC) et carburi niobii (NbC). Additio talium carburorum cubicorum etiam duritiem rubram instrumenti auget, adiuvans ad deformationem thermalem instrumenti vitandam in sectione gravi vel aliis operationibus ubi acies secans temperaturas altas generabit. Praeterea, carburum titanii loca nucleationis praebere potest durante sinteratione, uniformitatem distributionis carburi cubici in materia augens.
Generaliter loquendo, gradus duritiei carburi cementati generis mixturae metallicae sunt HRA91-94, et firmitas fracturae transversalis est 150-300ksi. Comparati cum generibus puris, genera mixturarum metallicarum resistentiam detritionis inferiorem et firmitatem inferiorem habent, sed resistentiam attritioni adhaesivae meliorem praebent. Genera mixturarum metallicarum in C5-C8 in systemate graduum C dividi possunt, et secundum seriem graduum P et M in systemate graduum ISO classificari possunt. Genera mixturarum metallicarum cum proprietatibus intermediis ut genera usus generalis (ut C6 vel P30) classificari possunt et ad tornandum, perforandum, planandum et fresandum adhiberi possunt. Durissimi gradus ut genera poliendi (ut C8 et P01) ad operationes tornandi et perforandi poliendi classificari possunt. Hi gradus typice grana minora et contentum cobalti inferiorem habent ut duritiam et resistentiam detritionis necessarias obtineant. Tamen, proprietates similes materiae addendo plura carbura cubica obtineri possunt. Genera cum maxima tenacitate ut genera asperandi (ut C5 vel P50) classificari possunt. Hae classes typice granorum magnitudinem mediam et magnum cobalti contentum habent, cum paucis additionibus carburorum cubicorum ad tenacitatem desideratam per inhibitionem incrementi fissurarum consequendam. In operationibus tornationis interruptae, efficacia sectionis ulterius augeri potest utendo classibus supra memoratis cobalto divitibus cum altiore contento cobalti in superficie instrumenti.
Gradus mixturarum metallicarum cum minore contento carburi titanii ad machinationem ferri inoxidabilis et ferri malleabilis adhibentur, sed etiam ad machinationem metallorum non-ferreorum, ut supermixturarum niccoli fundatarum, adhiberi possunt. Magnitudo granorum horum graduum plerumque minor est quam 1 μm, et contentum cobalti est 8%-12%. Gradus duriores, ut M10, ad tornandum ferrum malleabile adhiberi possunt; gradus duriores, ut M40, ad fresandum et planandum ferrum, vel ad tornandum ferrum inoxidabile vel supermixturarum adhiberi possunt.
Gradus carburi cementati generis mixturae metallorum etiam ad usus secandi non-metallicos adhiberi possunt, praesertim ad fabricationem partium resistentium detritioni. Magnitudo particularum horum graduum plerumque est 1.2-2 μm, et contentum cobalti est 7%-10%. In his gradibus producendis, magna pars materiae rudis redivivae plerumque additur, quod efficit ut magna utilitas sumptuum in applicationibus partium detritioni sit. Partes detritioni bonam resistentiam corrosionis et magnam duritiem requirunt, quae obtineri possunt addendo carburum niccoli et chromii in his gradibus producendis.
Ut requisitis technicis et oeconomicis fabricatorum instrumentorum satisfaciat, pulvis carburi elementum primarium est. Pulveres ad apparatum machinationis et parametros processus fabricatorum instrumentorum destinati efficaciam operis finiti praestant et ad centenas graduum carburi pervenerunt. Natura recyclabilis materiarum carburi et facultas directe cum praebitoribus pulveris operandi permittunt fabricatoribus instrumentorum qualitatem productorum suorum et sumptus materiarum efficaciter moderari.
Tempus publicationis: Oct-XVIII-MMXXII
