Kā izgatavot volframa metālu griešanas instrumentiem
Volframs ir pazīstams kā viens no svarīgākajiem metāliem apstrādes un ražošanas pasaulē, īpaši griezējinstrumentu pielietojumos. Tā priekšrocības ir ļoti augstā kušanas temperatūra, cietība, nodilumizturība un stabilitāte ekstremālās darba temperatūrās. Tomēr ir svarīgi saprast, ka nozarē "volframa griezējinstrumentos" gandrīz nekad netiek izmantots tīrs volframs, bet gan volframa karbīds (WC) kombinācijā ar saistvielu, piemēram, kobaltu (Co) vai niķeli. Šī kombinācija rada cementēta karbīda materiālu (sinterētu karbīdu), kas ir daudz piemērotāks metāla griešanai nekā tīrs volframs.
Šajā rakstā ir aplūkots, kā ražot uz volframa bāzes materiālus griezējinstrumentiem, sākot no rūdas avota līdz gataviem ieliktņiem vai griezējgabaliem.
Sākot no
1. Volframa avoti: no rūdas līdz koncentrātam
Volframs dabā parasti ir atrodams minerālos volframītā ((Fe,Mn)WO_4) un šelītā ((CaWO_4). Sākotnējais ražošanas posms ir rūdas ieguve un apstrāde, lai iegūtu koncentrātu ar augstu volframa saturu.
Process ietver:
– Rūdas drupināšana un malšana, lai iegūtu mazus daļiņu izmērus.
– Gravitācijas atdalīšana (jo volframa minerāli ir relatīvi smagi).
– Flotācija vai magnētiskā atdalīšana (atkarībā no rūdas veida).
– Koncentrāta žāvēšana kā izejviela ķīmiskajai stadijai.
Šī posma rezultāts nav volframa metāls, bet gan volframa minerālu koncentrāts, kas ir gatavs ķīmiskai apstrādei.
Sākot no
2. Ķīmiskā ekstrakcija: APT (amonija paravolframāta) iegūšana
Mūsdienu volframa rūpniecība plaši izmanto procesus, kuros kā primāro starpproduktu ražo APT (amonija paravolframātu). APT tiek uzskatīts par “standartu”, pateicoties tā augstajai tīrības pakāpei un vieglajai pārstrādei dažādos volframa izstrādājumos.
Izklāsts:
1. Koncentrāta izskalošana, izmantojot sārmainu šķīdumu (piemēram, NaOH) vai skābi atkarībā no minerāla veida.
2. Volframs izšķīst, veidojot volframāta savienojumus šķīdumā.
3. Šķīduma attīrīšana, lai atdalītu tādus piemaisījumus kā molibdēns, fosfors, arsēns un silīcija dioksīds.
4. APT kristalizācija, pielāgojot pH, temperatūru un pievienojot amonjaku, lai veidotos APT kristāli.
Pēc tam šo APT kalcinē volframa oksīdā.
Sākot no
3. Kalcinēšana: APT pārvēršana volframa oksīdā (WO₃)
APT tiek karsēts noteiktā temperatūrā, lai atdalītu ūdeni un amonija komponentus, iegūstot volframa trioksīdu (WO₃). Šis solis ir svarīgs, jo WO₃ ir galvenā izejviela, no kuras ražo:
– volframa metāla pulveris (tīrs volframa pulveris) vai
– volframa karbīda pulveris (WC pulveris) griezējinstrumentiem.
Temperatūras un kalcinēšanas laika kontrole ietekmē:
– oksīda daļiņu izmērs,
- virsmas laukums,
– reaģētspēja reducēšanas procesa laikā.
Sākot no
4. Redukcija: no WO₃ līdz volframa pulverim (W)
Lai iegūtu volframa metālu, WO₃ tiek reducēts, izmantojot ūdeņraža gāzi augstā temperatūrā. Reakcija parasti notiek pakāpeniski, piemēram, pirms tīra W iegūšanas veidojas starpposma oksīdi. Process tiek veikts īpašā krāsnī stingrā kontrolē, lai nodrošinātu:
– augsta tīrība,
– zems skābekļa līmenis,
– pulvera graudu izmērs pēc nepieciešamības.
Rezultāts ir volframa pulveris, ko var izmantot noteiktiem pielietojumiem. Tomēr griezējinstrumentu ražošanā nozare biežāk pāriet uz volframa karbīda veidošanas posmu.
Sākot no
5. Karburizācija: volframa karbīda (WC) ražošana
Lai volframs būtu piemērots kā griezējinstruments, to parasti pārvērš volframa karbīdā (WC). Šo procesu sauc par carburizāciju, kas ietver volframa pulvera reakciju ar oglekļa avotu (piemēram, melno ogli) augstā temperatūrā kontrolētā atmosfērā.
Galvenie mērķi:
– veido stabilu WC fāzi,
– novērst nevēlamu fāžu, piemēram, pārmērīga \(W_2C\), veidošanos,
– kontrolēt WC graudu izmēru, jo tas ievērojami ietekmē nodilumizturību un stingrību.
Iegūtais WC pulveris pēc tam tiek klasificēts (sijāts/mērīts pēc izmēru sadalījuma), lai nodrošinātu kvalitātes vienmērību.
Sākot no
6. Sajaukšana ar saistvielu: “Cementēta karbīda” pagatavošana
WC pats par sevi ir ļoti ciets, bet trausls. Griešanas instrumentu ražošanai WC sajauc ar saistvielu (parasti 6–12 % kobalta daudzām apstrādes vajadzībām), lai izveidotu materiālu ar šādu vielu kombināciju:
– augsta cietība (no WC),
– (saistvielas) izturība un plaisāšanas izturība.
Jaukti posmi:
1. Svēršana: WC un saistvielas sastāva svēršana atbilstoši klasei.
2. Lodīšu dzirnavas/berzes dzirnavas: intensīva sajaukšana ar vidēm un šķidrumiem (bieži izmantojot organiskos šķīdinātājus) viendabīguma nodrošināšanai.
3. Pagaidu organiskā vaska/saistvielas pievienošana, lai atvieglotu formēšanas procesu (presēšanu).
4. Žāvēšana, līdz tas kļūst par drukāšanai gatavu pulveri (granulas).
Šajā posmā piesārņojuma kontrole ir ļoti svarīga. Pat neliels netīrumu daudzums var ievērojami pasliktināt instrumenta veiktspēju.
Sākot no
7. Formēšana (blīvēšana): presēšana ieliktņa formā
Pēc tam sajauktais pulveris tiek veidots “zaļā kompaktā masā” (neapstrādātā veidā pirms saķepināšanas). Divas izplatītas metodes:
– Vienpusēja presēšana: presēšana veidnē līdz standarta ieliktņu formām.
– Aukstā izostatiskā presēšana (CIP): vienmērīgs spiediens no visiem virzieniem, piemērots vienmērīgāka blīvuma nodrošināšanai.
Zaļais kompaktais materiāls joprojām ir trausls, bet jau atgādina griezējinstrumenta galīgo formu.
Sākot no
8. Sintēšana: blīvēšana un mikrostruktūras veidošanās
Izšķirošais solis ir sintēšana augstā temperatūrā (parasti virs 1300 °C, atkarībā no sastāva). Cementētā karbīdā sintēšana bieži notiek kā šķidrās fāzes sintēšana: saistviela (piemēram, Co) izkūst un palīdz sacietēt struktūru, aizpilda poras un “salīmē” WC graudus kopā.
Labus saķepināšanas rezultātus raksturo:
– augsts blīvums (zema porainība),
– vienmērīgs saistvielas sadalījums,
– WC graudu izmērs atbilstoši šķirnei (smalks, vidējs, rupjš),
– līdzsvarota izturība un cietība.
HIP (karstā izostatiskā presēšana) bieži tiek veikta pēc saķepināšanas, lai aizvērtu mikroporas un palielinātu izturību pret plaisām.
Sākot no
9. Apdare: slīpēšana, EDM un izmēru kontrole
Pēc saķepināšanas cementētais karbīds ir tik ciets, ka galīgo formu veido:
– slīpēšana ar dimanta ripu,
– EDM specifiskām ģeometrijām (īpaši, ja ir sarežģīti elementi),
– slīpēšana un malu sagatavošana, lai griešanas mala viegli nešķembotu.
Šajā posmā tiek noteiktas instrumenta ģeometriskās īpašības: klīrensa leņķis, uzgaļa rādiuss un virsmas raupjums.
Sākot no
10. Pārklājums (pēc izvēles, bet bieži): uzlabo griešanas veiktspēju
Daudziem karbīda griezējinstrumentiem ir pārklājums, lai uzlabotu:
– nodilumizturība,
- oksidēšanās izturība,
– veiktspēja pie lieliem griešanas ātrumiem.
Izplatītākās pārklāšanas tehnoloģijas:
– CVD (piemēram, TiC, TiCN, Al₂O₃)
– PVD (piemēram, TiAlN, AlTiN)
Pārklājuma izvēle ir atkarīga no sagataves materiāla (tērauds, nerūsējošais tērauds, čuguns, supersakausējums), griešanas apstākļiem un dzesēšanas šķidruma stratēģijas.
Sākot no
11. Kvalitātes kontrole: cietības, blīvuma un struktūras testi
Pirms laišanas tirgū ieliktņi/instrumenti tiek pārbaudīti, izmantojot:
– vardarbība (Vikersa metode),
– blīvums un porainība,
– TRS (šķērsvirziena plīšanas izturības) tests,
– mikrostruktūras pārbaude (graudu izmērs, saistvielu sadalījums),
– izmēru un virsmas defektu pārbaude.
Volframa karbīda instrumentu kvalitāti lielā mērā nosaka procesa konsekvence no pulvera līdz saķepināšanai.
Sākot no
Secinājums
Volframa materiāla ražošana griezējinstrumentiem nav vienkārši volframa kausēšana kalta formā, bet gan virkne procesu: sākot no rūdas koncentrāta, rafinēšanas līdz APT, WO₃ iegūšanas, reducēšanas līdz volframa pulverim, cementēšanas līdz WC, sajaukšanas ar saistvielu, presēšanas, sintēšanas, apdares un pārklāšanas. Visbiežāk nozarē izmantotais gala rezultāts ir uz WC-Co bāzes izgatavots volframa karbīds, jo tas nodrošina ideālu cietības un izturības kombināciju griešanai.
Ja vēlaties, varu izveidot tehniskāku šī raksta versiju ar procesa plūsmas shēmu, vispārīgiem temperatūras parametriem katram posmam un karbīda marku sastāva piemēriem virpošanai, frēzēšanai un urbšanai.
