Co to są węgliki spiekane?
Węgliki spiekane to materiał kompozytowy z osnową metaliczną (zazwyczaj kobaltową) zbrojony cząstkami spiekanych twardych metali wysokotopliwych. Węgliki wytwarzane są w technologii spiekania proszku, charakteryzują się stałą i regularną strukturą ziaren.
Jakie są zalety węglików spiekanych?
Główną zaletą węglików spiekanych jest ich wysoka twardość oraz duża odporność na zużycie. Dlatego węglikowe narzędzia i komponenty maszyn mają tak długie okresy pracy. Elementy z węglika ze spoiwem na bazie niklu cechuje wysoka odporność antykorozyjna.
Z czego zbudowane są węgliki spiekane?
W większości z węglika wolframu (WC), węglika tytanu (TiC), węglika tantalu (TaC), węglika chromu (CrC) oraz innych twardych węglików. Spoiwem jest kobalt (Co), nikiel (Ni), żelazo (Fe), chromo-nikiel (NiCr), oraz wanad (V). Najpopularniejszą kombinacją jest węglik wolframu z kobaltem. Wolfram uzyskuje się z rud wolframu występujących w takich krajach jak: Włochy, Malezja, USA, Austria, Niemcy, Hiszpania, Portugalia, Rumunia, Peru. W Polsce wolfram występuje w granitach z Paszkowic k. Jawora oraz w pegmatytach karkonoskich Szklarskiej Poręby.
Jakie pierwiastki mogą być użyte jako spoiwo?
Jako spoiwo zazwyczaj stosuje się kobalt (Co), który optymalnie wiąże cząsteczki węglików w procesie spiekania. W szczególnych przypadkach wykorzystuje się nikiel (Ni), żelazo (Fe), chromo-nikle (NiCr) oraz wanad (V).
Jak wygląda proces produkcyjny?
W ogólnym zarysie proces technologiczny przebiega następująco:
♦ wytworzenie proszków węglików metali wysokotopliwych w wyniku nawęglania tlenków metali
♦ mielenie proszku w celu uzyskania pożądanej gradacji ziarna
♦ długotrwałe mieszanie proszków węglików metali wysokotopliwych (do 150 godzin) w młynach kulowych w celu homogenizacji i utworzenia na powierzchni cząstek węglików jednorodnej warstwy lepiszcza (materiału spajającego)
♦ formowanie wyrobu poprzez prasowanie proszku pod ciśnieniem rzędu 100MPa
♦ spiekanie wstępne w temperaturze 800÷1000°C, około 1godziny
♦ odformowanie, wyjęcie z formy
♦ czyszczenie kształtek za pomocą szlifowania
♦ spiekanie ostateczne w temperaturze 1400÷1600°C do 3godzin
Co to jest spiekanie?
Spiekanie jest to proces łączenia węglików ze spoiwem w bardzo wysokiej temperaturze. Mieszanina jest podgrzewana do momentu „płynięcia” spoiwa. Szczeliny występujące pomiędzy ziarnami wypełnia płynne spoiwo, tworząc metaliczną osnowę.
Jakie są metody spiekania węglików?
Konwencjonalne spiekanie jednokierunkowe jest standardowym procesem spiekania węglików. Węgliki wysokogatunkowe do produkcji narzędzi spiekane są w nowoczesnych piecach izostatycznych HIP (Hot Isostatic Press). Proces przebiega w atmosferze ochronnej (argon) pod wysokim ciśnieniem. Finalny półprodukt jest optymalnie zagęszczony, o jednolitej strukturze rozmieszczenia ziaren, bez porów i rzadzizn.
Co to jest półprodukt?
Półproduktem nazywamy element poddany spiekaniu, ale przed obróbką wykańczającą: szlifowanie, polerowanie, drążenie itp.
Jak długo trwa produkcja?
Czas produkcji zależy od wielkości elementu, wymaganej geometrii, składu, obróbki finalnej i wielkości serii. Termin dostawy jest ustalany indywidualnie dla każdego zamówienia.
Jaka są różnice pomiędzy rodzajami węglika?
Różnice polegają na doborze składników, proporcji i ziarnistości węglików. Każdy gatunek węglika charakteryzuje się określonymi własnościami. Szczegółowy opis dostępnych gatunków węglików w zakładce „Materiały”.
Jakie występują wielkości ziaren węglików?
Nano ziarna < 0,2µm
ultra drobne ziarna 0,2 – 0,5 µm
bardzo drobne ziarno 0,5 – 0,8 µm
drobne ziarno 0,8 – 1,3 µm
średnie ziarna 1,3 – 2,5 µm
grube ziarna 2,5 – 6,0 µm
bardzo grube ziarna > 6,0 µm
Jak mogą być obrabiane półprodukty (przed spiekaniem) z węglika?
Zagęszczony półprodukt charakteryzuje się względnie wysoką twardością oraz docelową zawartością węglika. Z ekonomicznego punktu widzenia, zalecamy stosowanie narzędzi z płytkami diamentowymi oraz obróbkę na maszynach wyposażonych w wysokoobrotowe wrzeciona HSM.
Jak mogą być obrabiane półprodukty (po spiekaniu) z węglika ?
Gotowe półprodukty węgliki spiekanego mogą być poddawane obróbce wykańczającej poprzez:
♦ szlifowanie
♦ drążenie wgłębne EDM
♦ drążenie na drążarkach drutowych (wire EDM)
♦ polerowanie
♦ obróbkę mechaniczną narzędziami diamentowymi.
Inne metody posiadają niską efektywność w porównaniu do poniesionych kosztów.
Jaka jest dokładność wykonania półproduktu po spiekaniu?
Dokładność wykonania zależy ściśle od geometrii produkowanej części. Półprodukt kurczy się w procesie spiekania. Dla elementów o regularnych kształtach można z dużym prawdopodobieństwem obliczyć skurcz procesowy. Osiągane dokładności półproduktu oscylują pomiędzy 2-5µm. Części o skomplikowanych kształtach mogą być wytwarzane z dokładnością do 0,1mm.
Dlaczego łączymy części z węglika spiekanego z innymi materiałami?
Ze względu na ograniczenie kosztów, powszechne jest łączenie węglików z innymi materiałami. Innym problemem jest bardzo trudna i kosztowna obróbka mechaniczna półproduktów. Zazwyczaj tylko część robocza narzędzia wykonana z węglika spiekanego. Łączenie z innymi materiałami zapewnia również większą elastyczność i rozszerzalność cieplną produkowanego narzędzia.
Jakie materiały można łączyć z węglikami spiekanymi ?
Węgliki spiekane można łączyć metalami i niektórymi tworzywami sztucznymi. Węglik spiekany w zależności od zastosowania może być łączony z innym materiałem poprzez lutowanie, obkurczanie, klejenie, odlewanie i mechaniczne mocowanie za pomocą śrub, nitów itp.
Lutowanie
Węgliki spiekane mogą być lutowane ze stalowymi elementami. Należy zwrócić uwagę na fakt, że stal posiada dwukrotnie większą rozszerzalność cieplną od węglików spiekanych.
Klejenie
Klejenie jest szeroko stosowane w przypadku części pracujących w temperaturze ≤ 200°C, dla wyższych temperatur należy stosować połączenia lutowane. Części klejone powinny się klinować lub tworzyć tzw. zamek, a ich powierzchnie muszą posiadać szorstką strukturę po obróbce zgrubnej lub piaskowaniu.
Obkurczanie
Cieplne obkurczanie wykorzystuje się do koncentrycznego montażu narzędzi do tłoczenia i formowania na zimno. Stal w której mocuje się element roboczy (oczko, ciągadło) podgrzewa się do temperatury ponad 400°C, następnie w odpowiednio przygotowane gniazdo wciska się komponent z węglika. Po ostygnięciu stal się kurczy tworząc niezwykle trwałe połączenie.
Odlewanie
Proces polega na odlewaniu stali bezpośrednio do elementów z węglika spiekanego. W tej procedurze duży udział bierze kobalt z osnowy węglika częściowo topiąc się w strefie połączenia. Metoda ta stosowana jest jedynie dla dużych partii produkcyjnych.
Mechaniczne mocowanie
Elementy z węglika spiekanego mogą być z łatwością przykręcane, należy jednak unikać połączeń, w których gwint wykonany jest w węgliku. Ze względu na powstawanie tzw. skurczu podczas spiekania węglików, wykonanie gwintu w materiale z węglika jest bardzo trudne. Zalecamy stosowanie tulejek wlutowywanych o długości ≥1,5 x średnica. W szczególnych przypadkach gwint w części z węglika można wykonać specjalną elektrodą na drążarce wgłębnej.
Gdzie stosowany jest węglik spiekany?
Węglik spiekany znajduje zastosowanie we wszystkich przemysłowych aplikacjach, w których wymagana jest najwyższa odporność na zużycie. W zależności od aplikacji służymy pomocą w doborze odpowiedniego gatunku węglika.
Jak twardy jest węglik spiekany?
Twardość węglików uzależniona jest od składu materiału. Dostępne są miękkie gatunki o twardości od 870 HV30 (84,0 HRA), cała gama wersji pośrednich, aż po wysoce odporne na zużycie o twardości dochodzącej do 1900 HV30 (93,0 HRA).
Czy węgliki spiekane przewodzą prąd?
Tak, węgliki spiekane są dobrym przewodnikiem ze względu na udział wolframu w ich strukturze. Średnia oporność na poziomie 10-30μΩ/cm.
Czy węgliki spiekane są magnetykami?
Wykonane na bazie spoiwa kobaltowego mają dobre właściwości magnetyczne. Spieki wiązane spoiwem niklowym są mniej magnetyczne. Dostępne są specjalne rodzaje węglików o silnie zredukowanych właściwościach magnetycznych.
Czy węgliki spiekane się korodują?
Tak. Utlenianie węglików spiekanych przebiega tylko na powierzchni osnowy kobaltowej, pozostawiając ziarna węglika w stanie nienaruszonym. Struktura materiału i jego właściwości nie zmieniają się.
Czy węgliki spiekane mogą być pokrywane?
Węgliki spiekane mogą być pokrywane powłokami w procesie PVD lub CVD. Ze względu na jednolitą strukturę cząsteczkową części wykonane z węglika doskonale zachowują stabilność wymiarową po nałożeniu powłoki w temperaturze nawet powyżej 1100°C. Odpowiednie powłoki zwiększają gładkość, samosmarność i żywotność elementów z węglika.