Keményfémek szerkezete és gazdaságossága

A keményfémek gazdaságossága

Többlépcsős szerszám keményfém betétekkel

A modern kivágó- és sajtoló technika, de a képlékeny alakítás területén is egyre nagyobbak a követelmények a szerszámokkal szemben. A nagy teljesítményű sajtolástechnikára és finomsajtolásra valamint a hajlító és domborító berendezésekre nagy fokú precizitás jellemző, ami akár 1 μm vágási rést is jelenthet. A szerszámoknak olyan vágási mennyiséget kell elérniük, ami azonos minőség mellett az 1 és 10 milliós tartományban mozog, és a szakemberek 500 millió löketszámú élettartamra törekednek. Ezek olyan értékek, amelyek 20 évvel ezelőtt elérhetetlennek tűntek. Napjainkban a nagy teljesítményű présgépek percenként akár 2000 löketet is képesek teljesíteni. Ennek megfelelően jelentősen megnőttek a követelmények a szerszámanyagokkal szemben, mert a nagy teljesítményekhez igazodni kell.

A jó szerszám szerkezeti anyaggal szemben támasztott követelmények közé ezért nemcsak az anyag keménysége tartozik, ami a tribológiai igénybevételekkel (súrlódás) szemben garantálja az ellenállóságot, hanem más tulajdonságok is:

– magas nyomószilárdság
– alacsony hőtágulás
– jó adhéziós viselkedés
– kielégítő szívósság
– jó megmunkálhatóság.

A wolfram-karbid és kobalt bázisú keményfémek (továbbiakban KF) bizonyultak erre a legalkalmasabb anyagoknak.

Huzalos szikraforgcsolással vágott keményfém vágólap

Keményfém betétek különböző szerszám megoldásokhoz

Keményfém betétek különböző szerszám megoldásokhoz

Keményfém betétek különböző szerszám megoldásokhoz

 

Keményfém betétek különböző szerszám megoldásokhoz

Keményfém betétek különböző szerszám megoldásokhoz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A szerszámgyártásban a KF felhasználásának gazdaságossága a kivágott alkatrészek növekvő számával egyenes arányban nő. A költségszámítások szintén azt mutatják, hogy néhány millió darab kivágott alkatrésztől kezdve nagy megtakarítási lehetőségek rejlenek a KF alkalmazásában. Az acélszerszám kopása folyamatosan nő. A KF szerszám esetén a kopás egy bizonyos alapérdesség elérése után hosszú ideig szinte változatlan. Így hosszan biztosítható a sajtolt és kivágott termékek egyenletes minősége. A <<jó megmunkálhatóság>> kulcsszóhoz azonban még meg kellett találni a helyes, és egyben gazdaságos megmunkálási eljárásokat is. A KF akkoriban még újdonságnak számító szikraforgácsolással való  megmunkálásával vált ezeknek a szerszámoknak a gyártása és alkalmazása gazdaságossá.

 

Keményfém mint szerkezeti anyag

A <<keményfém>> fogalom egész egyszerűen egy anyagcsoportot jelöl, amelyre nagyon nagy keménység és magas kopással szembeni ellenálló képesség jellemző úgy, hogy a fémekre általában jellemző szívóssággal is rendelkezik.
A mi munkánkban ez alatt a karbid alapú szinterezett keményfémeket értjük. Neve ellenére az anyag csak kis részben (3…20 tömeg%) tartalmaz fémet. Ez az ötvöző anyag, amihez az összes keményfémfajta 95%-ánál tiszta kobaltot (Co) használnak, alkalmas arra, hogy a kerámia alkotó elemeket (karbidokat) egy sütésszerű folyamattal cementálják. Ezért az angol nyelvterületen a keményfémeket legtöbbször <<cemented carbides>> vagy egyszerűbben <<carbides>> névvel illetik.

A KF tehát főleg karbidokból(kerámiához hasonló anyagok) áll, amelyek az extrém keménységet és kopással szembeni ellenálló képességet – magas hőmérséklet esetén is – biztosítják. A kovalens kötést úgy hozzák létre, hogy a fémet a szénatomokkal (C) egyértelműen meghatározott arányban összekeverik.

A leggyakrabban alkalmazott karbid a wolframkarbid (WC), amit tisztán, vagy más, kis mennyiségű karbidokkal, pl.: titánkarbiddal (TiC), tantálkarbiddal (TaC), nióbiumkarbiddal (NbC), vanádiumkarbiddal (VC), molibdénkarbiddal (Mo2C) vagy krómkarbiddal (Cr2C3), összekeverve használnak. A karbidok prizma vagy kocka alakú szemcsék formájában léteznek, melyek nagysága 1…5 μm.

Keményfém Vickers-keménység összehasonlítása

Mivel a WC nem áll ellen a magas hőmérsékletnek, nem lehetséges a wolfram-monokarbid bázisú KF-ek hagyományos kohászati eljárásokkal, pl. olvasztással, ötvözéssel vagy öntéssel történő előállítása. Alternatívaként porkohászati eljárások léteznek. Vegyi, majd később mechanikai gyártási eljárásokkal nagy tisztaságú karbid- és fémporokat állítanak elő a kívánt szemcsenagyságban.

Az optimális összetétel és homogenitás elérése érdekében ezeket a porokat őrlik, majd összekeverik és ezután a kívánt formákban 1300 és 1500 °C közötti hőmérsékleten szilárdítják azokat. Ezt a hőtani folyamatot hívjuk szinterezésnek. A választott hőmérsékletnek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy a fém fázist megolvassza és az olvadék a kapilláris diffúzió segítségével a bezárja és így az anyagot egy komplett blokká alakítsa. A szinterezési folyamat végén több, mint 99,8%-os sűrűséget érnek el. Az ideális sűrűség eléréséhez a blokk a szinterezés után még 1000 – 1500 bar nyomással magas hőmérsékleten izostatikusan tömöríthető. Így lehetséges a majdnem pórusmentes anyag előállítása, amit a gyártási technológiáról elnevezve HIP (Hot Isostatic Pressing) minőségnek hívnak.

Napjainkban lehetséges e két folyamat egyesítése a különleges szinter-HIP-kohóban. Ezzel a fémes kötőanyag eloszlása homogénebb lesz és végeredményben jobb mechanikai tulajdonságokat kapunk.

A KF extrém keménysége miatt lehetőleg csak alkatrészeket szintereznek a kívánt végső formában azért, hogy a szükségtelen és nagyon költséges utómegmunkálásokat elkerüljék. Mivel azonban a szinterezés jelentős térfogatcsökkenéssel (10 – 15%) jár együtt, ezért lehetetlen a nagyon precíz – mindenek előtt összetett geometriájú – szerszámok, bélyegek és vágólapok előállítása. Ezekben az esetekben KF-blokkokat gyártanak, és a hagyományos eljárásokkal (köszörüléssel) vagy szikraforgácsolással (EDM) munkálják meg azokat. Ezt a két megmunkálási eljárást napjainkban minden szerszámgyártó széles körben alkalmazza. A köszörüléshez azonban költséges gyémánt szerszámok és hosszú megmunkálási idők szükségesek. Ezen kívül az összetett formákat, ha egyáltalán lehetséges, csak nagy ráfordítással lehet kialakítani. Ezért a szikraforgácsolás, mint a fiatalabbik gyártási eljárás, sokoldalúságának, nagy precizitásának és nagyfokú automatizálhatóságának köszönhetően, az alacsony termelési költségekkel együtt, egyre inkább elterjedt.

forrás: Galika technológiák

 

Cikkünk folytatásában jövő héten a keményfémek szikraforgácsolási lehetőségeiről és korróziójáról fogunk írni.