A keményfémek gazdaságossága
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.
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.
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.