Hardmetaal is een legeringsmateriaal dat wordt vervaardigd door middel van poedermetallurgie, waarbij een harde verbinding van een vuurvast metaal en een bindmetaal wordt gebruikt. Hardmetaal heeft een reeks uitstekende eigenschappen, zoals een hoge hardheid, slijtvastheid, goede sterkte en taaiheid, hittebestendigheid en corrosiebestendigheid. Vooral de hoge hardheid en slijtvastheid zijn opmerkelijk; deze blijven vrijwel onveranderd, zelfs bij een temperatuur van 500 °C, en behouden hun hoge hardheid nog steeds bij 1000 °C. Hardmetaal wordt veel gebruikt als gereedschapsmateriaal, bijvoorbeeld voor draaigereedschap, freesgereedschap, schaafgereedschap, boren, kottergereedschap, enz., voor het bewerken van gietijzer, non-ferrometalen, kunststoffen, chemische vezels, grafiet, glas, steen en gewoon staal. Het kan ook worden gebruikt voor het bewerken van moeilijk te bewerken materialen zoals hittebestendig staal, roestvrij staal, hoogmangaanstaal, gereedschapsstaal, enz. De snijsnelheid van nieuwe hardmetalen gereedschappen is tegenwoordig honderden keren hoger dan die van koolstofstaal.
Toepassing van gecementeerd hardmetaal
(1) Gereedschapsmateriaal
Hardmetaal is het meest gebruikte gereedschapsmateriaal en kan worden gebruikt voor het maken van draaigereedschap, freesgereedschap, schaafgereedschap, boren, enz. Wolfraam-kobaltcarbide is geschikt voor het bewerken van ferro- en non-ferrometalen met korte spanen en voor de bewerking van niet-metalen materialen zoals gietijzer, messing, bakeliet, enz. Wolfraam-titanium-kobaltcarbide is geschikt voor de langdurige bewerking van ferrometalen zoals staal. Van de verschillende legeringen zijn die met een hoger kobaltgehalte geschikt voor voorbewerking en die met een lager kobaltgehalte voor nabewerking. Hardmetaal voor algemeen gebruik heeft een veel langere levensduur dan andere hardmetaalsoorten voor moeilijk te bewerken materialen zoals roestvrij staal.
(2) Vormmateriaal
Gesinterd hardmetaal wordt voornamelijk gebruikt voor koudbewerkingsmatrijzen, zoals koudtrekmatrijzen, koudponsmatrijzen, koudextrusiematrijzen en koudponsmatrijzen.
Voor koudvervormingsmatrijzen van hardmetaal is een goede slagvastheid, breuktaaiheid, vermoeiingssterkte, buigsterkte en slijtvastheid vereist onder de slijtvaste werkomstandigheden van impact of sterke impact. Meestal worden legeringen met een gemiddeld tot hoog kobaltgehalte en een gemiddelde tot grove korrelstructuur gebruikt, zoals YG15C.
Over het algemeen is de relatie tussen slijtvastheid en taaiheid van hardmetaal tegenstrijdig: een toename van de slijtvastheid leidt tot een afname van de taaiheid, en een toename van de taaiheid leidt onvermijdelijk tot een afname van de slijtvastheid. Daarom is het bij de keuze van legeringssoorten noodzakelijk om te voldoen aan de specifieke gebruikseisen, afhankelijk van het te bewerken object en de bewerkingsomstandigheden.
Als de gekozen staalsoort gevoelig is voor vroegtijdige scheurvorming en beschadiging tijdens gebruik, moet de staalsoort met een hogere taaiheid worden gekozen; als de gekozen staalsoort gevoelig is voor vroegtijdige slijtage en beschadiging tijdens gebruik, moet de staalsoort met een hogere hardheid en betere slijtvastheid worden gekozen. De volgende staalsoorten zijn: YG15C, YG18C, YG20C, YL60, YG22C, YG25C. Van links naar rechts geldt: hoe lager de hardheid, hoe lager de slijtvastheid en hoe hoger de taaiheid; en omgekeerd geldt het tegenovergestelde.
(3) Meetinstrumenten en slijtvaste onderdelen
Hardmetaal wordt gebruikt voor slijtvaste oppervlakte-inlays en onderdelen van meetinstrumenten, precisielagers van slijpmachines, geleidingsplaten en geleidingsstangen van centerloze slijpmachines, draaibankbladen en andere slijtvaste onderdelen.
Bindmiddelen zijn over het algemeen metalen uit de ijzergroep, zoals kobalt en nikkel.
Bij de productie van hardmetaal wordt gekozen voor een poeder met een deeltjesgrootte tussen 1 en 2 micron en een zeer hoge zuiverheid. De grondstoffen worden volgens de voorgeschreven samenstelling gedoseerd en vervolgens in een natte kogelmolen met alcohol of een ander medium fijngemalen. Het mengsel wordt gezeefd, gegranuleerd, geperst en verhit tot een temperatuur dicht bij het smeltpunt van het bindmetaal (1300-1500 °C). De geharde fase en het bindmetaal vormen dan een eutectische legering. Na afkoeling verdelen de geharde fasen zich in het rooster van het bindmetaal en hechten zich stevig aan elkaar tot een massief geheel. De hardheid van hardmetaal hangt af van het gehalte aan geharde fase en de korrelgrootte; hoe hoger het gehalte aan geharde fase en hoe fijner de korrels, hoe groter de hardheid. De taaiheid van hardmetaal wordt bepaald door het bindmetaal. Hoe hoger het gehalte aan bindmetaal, hoe hoger de buigsterkte.
In 1923 voegde Schlerter uit Duitsland 10% tot 20% kobalt toe aan wolframcarbidepoeder als bindmiddel en ontwikkelde zo een nieuwe legering van wolframcarbide en kobalt. De hardheid van deze legering was na diamant de hoogste. Dit was het eerste gecementeerde hardmetaal. Bij het snijden van staal met een gereedschap van deze legering slet de snijkant snel en kon deze zelfs barsten. In 1929 voegde Schwarzkov in de Verenigde Staten een bepaalde hoeveelheid wolframcarbide en titaniumcarbide toe aan de oorspronkelijke samenstelling, wat de prestaties van het gereedschap bij het snijden van staal aanzienlijk verbeterde. Dit was wederom een belangrijke mijlpaal in de ontwikkeling van gecementeerd hardmetaal.
Gesinterd hardmetaal heeft een reeks uitstekende eigenschappen, zoals een hoge hardheid, slijtvastheid, goede sterkte en taaiheid, hittebestendigheid en corrosiebestendigheid. Vooral de hoge hardheid en slijtvastheid blijven vrijwel onveranderd, zelfs bij een temperatuur van 500 °C, en behouden een hoge hardheid bij 1000 °C. Hardmetaal wordt veel gebruikt als gereedschapsmateriaal, bijvoorbeeld voor draaigereedschap, freesgereedschap, schaafgereedschap, boren, kottergereedschap, enz., voor het bewerken van gietijzer, non-ferrometalen, kunststoffen, chemische vezels, grafiet, glas, steen en gewoon staal. Het kan ook worden gebruikt voor het bewerken van moeilijk te bewerken materialen zoals hittebestendig staal, roestvrij staal, hoogmangaanstaal, gereedschapsstaal, enz. De snijsnelheid van nieuwe hardmetalen gereedschappen is tegenwoordig honderden keren hoger dan die van koolstofstaal.
Hardmetaal kan ook worden gebruikt voor het maken van rotsboorgereedschap, mijnbouwgereedschap, boorgereedschap, meetinstrumenten, slijtvaste onderdelen, metaalslijpmiddelen, cilindervoeringen, precisielagers, sproeiers en metalen mallen (zoals draadtrekmatrijzen, boutmatrijzen, moermatrijzen en diverse bevestigingsmatrijzen; de uitstekende prestaties van hardmetaal hebben de voorheen gebruikte stalen mallen geleidelijk aan vervangen).
Later kwamen er ook gecoate hardmetalen gereedschappen op de markt. In 1969 ontwikkelde Zweden met succes een gereedschap met een titaniumcarbidecoating. De basis van dit gereedschap is wolfraam-titanium-kobaltcarbide of wolfraam-kobaltcarbide. De dikte van de titaniumcarbidecoating op het oppervlak is slechts enkele microns, maar vergeleken met gereedschappen van hetzelfde legeringsmerk wordt de levensduur met een factor 3 verlengd en de snijsnelheid met 25% tot 50% verhoogd. In de jaren zeventig verscheen een vierde generatie gecoate gereedschappen voor het bewerken van moeilijk te bewerken materialen.
Hoe wordt hardmetaal gesinterd?
Gecementeerd hardmetaal is een metaalmateriaal dat wordt vervaardigd door middel van poedermetallurgie van carbiden en bindmetalen, bestaande uit één of meer vuurvaste metalen.
Mbelangrijke producerende landen
Er zijn meer dan 50 landen in de wereld die hardmetaal produceren, met een totale productie van 27.000-28.000 ton. De belangrijkste producenten zijn de Verenigde Staten, Rusland, Zweden, China, Duitsland, Japan, het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, enzovoort. De wereldwijde markt voor hardmetaal is in principe verzadigd en de concurrentie is zeer fel. De Chinese hardmetaalindustrie begon zich eind jaren 50 te ontwikkelen. Van de jaren 60 tot de jaren 70 groeide deze industrie snel. Begin jaren 90 bereikte de totale productiecapaciteit van hardmetaal in China 6000 ton en de totale productie 5000 ton, waarmee China na Rusland en de Verenigde Staten de derde plaats wereldwijd bekleedde.
WC-snijder
①Wolfraam- en kobalt-gecementeerd hardmetaal
De belangrijkste bestanddelen zijn wolframcarbide (WC) en bindmiddel kobalt (Co).
De kwaliteitsaanduiding is samengesteld uit "YG" ("hard en kobalt" in het Chinese Pinyin) en het percentage gemiddeld kobaltgehalte.
YG8 betekent bijvoorbeeld dat het gemiddelde WCo-gehalte 8% bedraagt, en de rest bestaat uit wolfraam-kobaltcarbide of wolfraamcarbide.
TIC-messen
②Wolfraam-titanium-kobaltcarbide
De belangrijkste bestanddelen zijn wolframcarbide, titaniumcarbide (TiC) en kobalt.
De kwaliteitsaanduiding is samengesteld uit "YT" ("hard, titanium", twee karakters in het Chinese Pinyin-voorvoegsel) en het gemiddelde gehalte aan titaniumcarbide.
YT15 betekent bijvoorbeeld een gemiddeld WTi-gehalte van 15%, en de rest bestaat uit wolframcarbide en wolfram-titanium-kobaltcarbide met kobaltgehalte.
Wolfraam-titanium-tantaalgereedschap
③Wolfraam-titanium-tantalum (niobium) gecementeerd hardmetaal
De belangrijkste bestanddelen zijn wolframcarbide, titaniumcarbide, tantaalcarbide (of niobiumcarbide) en kobalt. Dit type hardmetaal wordt ook wel algemeen hardmetaal of universeel hardmetaal genoemd.
De kwaliteitsaanduiding is samengesteld uit "YW" (het Chinese fonetische voorvoegsel van "hard" en "wan") plus een volgnummer, zoals YW1.
Prestatiekenmerken
Hardmetalen gelaste inzetstukken
Hoge hardheid (86～93HRA, equivalent aan 69～81HRC);
Goede thermische hardheid (tot 900-1000℃, behoudt 60 HRC);
Goede slijtvastheid.
Hardmetalen snijgereedschappen zijn 4 tot 7 keer sneller dan snelstaal en hebben een 5 tot 80 keer langere levensduur. Bij de productie van matrijzen en meetinstrumenten is de levensduur 20 tot 150 keer langer dan die van gelegeerd gereedschapsstaal. Het kan harde materialen met een hardheid van ongeveer 50 HRC bewerken.
Gecementeerd hardmetaal is echter bros en moeilijk te bewerken, en het is lastig om gereedschappen met complexe vormen uit één stuk te maken. Daarom worden vaak messen met verschillende vormen gemaakt, die vervolgens door middel van lassen, lijmen, mechanisch klemmen, enz. op het gereedschapslichaam of de matrijs worden bevestigd.
Speciaal gevormde staaf
Sinteren
Bij het sinteren van hardmetaal wordt het poeder tot een staaf geperst, die vervolgens in een sinteroven wordt verhit tot een bepaalde temperatuur (sintertemperatuur), gedurende een bepaalde tijd op die temperatuur wordt gehouden (houdtijd) en daarna wordt afgekoeld om een hardmetaalmateriaal met de gewenste eigenschappen te verkrijgen.
Het sinterproces van hardmetaal kan worden onderverdeeld in vier basisstappen:
1: Tijdens de fase van het verwijderen van het vormmiddel en het voorverhitten ondergaat het gesinterde lichaam de volgende veranderingen:
Bij het verwijderen van het vormmiddel, met de temperatuurstijging in de beginfase van het sinterproces, ontleedt of verdampt het vormmiddel geleidelijk, waardoor het gesinterde lichaam wordt uitgesloten. Het type, de hoeveelheid en het sinterproces verschillen.
De oxiden op het oppervlak van het poeder worden gereduceerd. Bij de sintertemperatuur kan waterstof de oxiden van kobalt en wolfraam reduceren. Als het vormmiddel onder vacuüm wordt verwijderd en gesinterd, is de koolstof-zuurstofreactie niet sterk. De contactspanning tussen de poederdeeltjes wordt geleidelijk geëlimineerd, het bindende metaalpoeder begint te herstellen en te herkristalliseren, oppervlaktediffusie treedt op en de briketteringssterkte verbetert.
2: Sinterfase in de vaste fase (800℃ – eutectische temperatuur)
Bij de temperatuur vóór het verschijnen van de vloeibare fase worden, naast de voortzetting van het proces in de vorige fase, de reactie en diffusie in de vaste fase geïntensiveerd, de plastische vervorming versterkt en het gesinterde lichaam aanzienlijk gekrompen.
3: Sinterfase in de vloeibare fase (eutectische temperatuur – sintertemperatuur)
Wanneer de vloeibare fase in het gesinterde lichaam verschijnt, is de krimp snel voltooid, gevolgd door een kristallografische transformatie om de basisstructuur en de structuur van de legering te vormen.
4: Afkoelingsfase (sintertemperatuur – kamertemperatuur)
In dit stadium ondergaan de structuur en fasesamenstelling van de legering enkele veranderingen onder verschillende afkoelingsomstandigheden. Deze eigenschap kan worden gebruikt om het hardmetaal te verhitten en zo de fysische en mechanische eigenschappen te verbeteren.
Geplaatst op: 11 april 2022
