Teil 2: Herstellungsprozess von Hartmetall
Kapitel 5: Hartmetall-Formgebungs- und Sintertechnologie
Hartmetall ist bekannt für seine hervorragende Härte (gemäß ISO 3738-1:1982 Vickers-Härteprüfung für Hartmetall, Teil 1: Prüfverfahren liegt der Härtebereich von Hartmetall üblicherweise bei HV 1500–2500, und der genaue Wert variiert je nach WC-Co-Verhältnis und Korngröße. Beispielsweise liegt die Härte von Hartmetall mit 88 % WC und 12 % Co bei etwa HV 1800–2000 ±30), Zähigkeit (Bruchzähigkeit K₁ c basiert auf ISO 28079:2009 Messung der Bruchzähigkeit von Hartmetall, der typische Wert des WC-Co-Systems liegt bei 8–20 MPa·m¹ /², und Industriedaten zeigen, dass K₁ c von Hartmetall mit 10 % Co bei etwa 12–15 0,5, Zähigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Materials, Rissausbreitung zu widerstehen, was vom plastischen Beitrag der Bindephase Co abhängt), Druckfestigkeit (gemäß GB/T 3851-2015 Cemented Carbide Compression Strength Test Method beträgt die Druckfestigkeit normalerweise >4000 MPa ±100 MPa, abhängig vom Sinterprozess und Co-Gehalt, und die Druckfestigkeit ist die Fähigkeit des Materials, Verformungen oder Brüchen unter Druckbelastung zu widerstehen) und Verschleißfestigkeit (Verschleißdaten beziehen sich auf ASTM G65-04 Wear Resistance Test Standard, WC-Co-Materialverschleiß <0,1 mm ±0,02 mm, hervorragende Leistung unter Hochlastbedingungen, Verschleißfestigkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Materials, Oberflächenverschleiß zu widerstehen, der hauptsächlich durch die WC-Hartphase gewährleistet wird), weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrt (z. B. Turbinenschaufeln), im Bergbau (z. B. Bohrer), im Formenbau (z. B. Kaltstauchformen) und in der Tiefseetechnik ( z. B. korrosionsbeständige Ventile). Diese Eigenschaften sind auf die einzigartige Mikrostruktur des Hartmetalls zurückzuführen, in der WC für eine hohe Härte sorgt und Co als Bindephase die Zähigkeit erhöht.
Technologie zur Formung und Sinterung von Hartmetall. Das in Kapitel 4 hergestellte Mischpulver (WC-Partikelgröße 0,1–10 μm ± 0,01 μm , gemäß „GB/T 19077.1-2008 Partikelgrößenverteilungs-Laserbeugungsmethode“, die üblicherweise in der Industrie verwendete Partikelgröße beträgt 0,5–2 μm , die Partikelgröße bezieht sich auf die durchschnittliche Größe der Pulverpartikel, die sich direkt auf die Sinterdichte und -leistung auswirkt; Co-Reinheit > 99,9 % ± 0,01 %, gemäß „GB/T 4325-2018 Metallchemische Analysemethode“; Klopfdichte 4,0–6,2 g/cm³ ± 0,1 g/cm³, siehe GB/T 5162-2014 Bestimmung der Klopfdichte von Metallpulvern. Die Klopfdichte ist die Dichte des unter Vibrationsbedingungen natürlich gestapelten Pulvers, die seine Füllleistung widerspiegelt; Fließfähigkeit 13–16 Sekunden/50 g ±0,5 Sekunden, gemäß ISO 4490:2018 Messung der Fließfähigkeit von Metallpulver. Unter Fließfähigkeit versteht man die Zeit, die das Pulver benötigt, um durch einen Standardtrichter zu gelangen, was sich auf die Gleichmäßigkeit der Formgebung zu Hochleistungsprodukten auswirkt. Der Prozess gewährleistet geometrische Genauigkeit (Maßabweichung <0,01 mm ±0,002 mm, in Übereinstimmung mit GB/T 4505-2008 Probenentnahme- und Probenvorbereitungsverfahren für Hartmetall, geometrische Genauigkeit bezieht sich auf den Grad der Übereinstimmung zwischen der Rohlingsgröße und dem Konstruktionswert), mikrostrukturelle Gleichmäßigkeit (WC-Kornabweichung <5 % ±1 %, Co-Phasenverteilung >95 % ±1 %, gemäß ASTM B657-16 Mikrostrukturanalyse von Hartmetall, mikrostrukturelle Gleichmäßigkeit bezieht sich auf die Konsistenz der Korn- und Phasenverteilung, die die Stabilität der mechanischen Eigenschaften beeinflusst) und Dichte (>99,5 % ±0,1 %, siehe ISO 3369-2006 Dichtemessung von Hartmetall, Dichte ist der Grad der Porositätsreduzierung im Material, der direkt Festigkeit und Härte bestimmt).
In diesem Kapitel werden das Pressen und Formen, der Sinterprozess, der Sintermechanismus und die Nachbearbeitungstechnologie von Hartmetall eingehend erörtert. Hierzu werden detaillierte Parameteranalysen durchgeführt (kaltisostatisches Pressen CIP 100–300 MPa ± 5 MPa, zugehörige Prozessdaten aus „GB/T 1479.1-2011 Bestimmung der Schüttdichte von Metallpulvern“, kaltisostatisches Pressen ist ein Formungsverfahren, bei dem ein flüssiges Medium verwendet wird, um gleichmäßigen Druck auszuüben; Vakuumsintern 1350–1500 °C ± 10 °C, „ISO 4489:2009 Leitfaden zum Sinterprozess von Hartmetall“, Vakuumsintern verbindet Pulverpartikel durch hohe Temperaturen in einer Umgebung mit niedrigem Druck), Mechanismuserklärungen (Diffusionskinetik des Flüssigphasensinterns, siehe „Journal of Materials Science, Bd. 45, 2010, S. 234–245“; Ostwald-Reifungskinetik, „Acta Materialia , Bd. 58, 2010, S. 123–135“, Ostwald-Reifung ist der Prozess, bei dem große Partikel durch den Lösungs-Fällungsmechanismus wachsen und kleine Partikel verschwinden, was die Korngrößenverteilung beeinflusst), Optimierungsstrategien und tatsächliche Fälle, die systematisch die Auswirkungen des Prozesses auf die Leistung aufzeigen. Der Hartmetall-Formungsprozess formt einen Rohling durch Partikelumlagerung und plastische Verformung (die Festigkeit des gepressten Rohlings beträgt >10 MPa ±1 MPa, abgeleitet aus den relevanten Daten von „GB/T 3850-2015 Bestimmung der theoretischen Dichte von Hartmetall“, Partikelumlagerung ist der Prozess, bei dem Pulverpartikel unter Druck neu angeordnet werden, um Lücken zu füllen, und plastische Verformung ist die dauerhafte Verformung von Partikeln unter Druck, um die Bindung zu verbessern), und die Festigkeit des gepressten Rohlings bezieht sich auf die anfängliche Druckfestigkeit des Rohlings nach der Formung; beim Sinterprozess werden hohe Temperaturen und hoher Druck eingesetzt, um eine Verdichtung zu erreichen (Dichte 14,0–15,0 g/cm³). ± 0,1 g/cm³, siehe ISO 3369-2006), Verdichtung ist der Prozess der Porenreduzierung und Dichteerhöhung während des Sinterns, Optimierung der WC-Co-Grenzflächenbindung (Bindungskraft > 50 MPa ± 5 MPa, gemäß Testdaten zur Festigkeit der Grenzflächenbindung ist die Grenzflächenbindung die Festigkeit der chemischen und mechanischen Verbindung zwischen den WC- und Co-Phasen); Nachbearbeitungstechnologie verbessert die Oberflächenqualität (Rauhigkeit Ra < 0,05 μm ± 0,01 μm , GB/T 1031-2009 Messung der Oberflächenrauheit, Oberflächenqualität bezieht sich auf Oberflächenebenheit und Defektgrad, Rauheit ist ein quantitativer Indikator für die Mikrorauigkeit einer Oberfläche) und die mechanischen Eigenschaften (Restspannung < 20 MPa ± 5 MPa, ASTM E837-13 Messung der Restspannung, Restspannung ist die Spannung, die nach der Verarbeitung im Material verbleibt und die Ermüdungslebensdauer beeinflusst) weiter.
Durch die Optimierung der Prozesse CIP (250 MPa ± 5 MPa) und heißisostatisches Pressen (HIP) von Hartmetall (1400 °C ± 10 °C, 150 MPa ± 5 MPa, ISO 13703:2000, heißisostatisches Pressverfahren, durch heißisostatisches Pressen werden Poren unter hoher Temperatur und hohem Druck zusätzlich eliminiert) kann beispielsweise die Härte von Luftfahrtwerkzeugen HV 2300 ± 30 erreichen und die Schnittlebensdauer > 18 Stunden ± 1 Stunde betragen (Referenz „International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, Vol. 28, 2010, S. 456–465“). Durch Vakuumsintern (1450 °C ± 10 °C) in Kombination mit Polieren (Ra < 0,05 μm ± 0,01 μm ) kann die Zähigkeit von Bergbaubohrern K₁ c 18 MPa·m¹ /² ± 0,5 und die Lebensdauer > 1500 m ± 100 m erreicht werden (gemäß Standarddaten in der Bergbauindustrie ist Polieren eine mechanische oder chemische Methode zum Entfernen von Oberflächenrauheiten, um die Oberfläche zu verbessern). Dieses Kapitel ist durch die Quelle der WC-Härte (HV 2000–3000 ± 50, siehe ISO 3738-1:1982) und den Beitrag von Co zur Zähigkeit (K₁ c 15–20 MPa·m¹ /² ± 0,5, ISO 28079:2009) mit Kapitel 4 verbunden und legt damit den Grundstein für Leistungstests und Anwendung in Kapitel 6.
5.1 Hartmetallpressen
Das Pressen von Hartmetall ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Hartmetall. Dabei wird loses Pulver durch hohen Druck (100–300 MPa ± 5 MPa, zugehörige Prozessparameter „GB/T 1479.1-2011“; Pressen ist der Vorgang, bei dem Pulver durch mechanischen Druck in eine bestimmte Form gepresst wird ) in einen Rohling mit einer bestimmten Form und Anfangsfestigkeit (Dichte 6,5–8,5 g/cm³) umgewandelt. ± 0,1 g/cm³ , etwa 45–60 % der theoretischen Dichte, siehe GB/T 3850-2015; die theoretische Dichte ist die Dichte des Materials im nicht porösen Zustand; Festigkeit > 10 MPa ± 1 MPa, gemäß den Testdaten der mechanischen Eigenschaften gepresster Knüppel bezieht sich die Festigkeit auf die Fähigkeit der Knüppel, Schäden durch äußere Krafteinwirkung zu widerstehen. Der Formprozess muss die geometrische Genauigkeit des Barrens (Maßabweichung <0,01 mm ±0,002 mm, GB/T 4505-2008), die Gleichmäßigkeit der Dichte (Abweichung <1 % ±0,2 %, gemäß Dichtegradientenanalyse bezieht sich die Gleichmäßigkeit der Dichte auf die räumliche Konsistenz der Dichte innerhalb des Barrens), die Konsistenz der Mikrostruktur (Porosität <40 % ±2 %, siehe ASTM B657-16, Porosität ist der Anteil der Poren im Barren am Gesamtvolumen, der den nachfolgenden Sintereffekt beeinflusst) sicherstellen und so eine zuverlässige Grundlage für das nachfolgende Sintern schaffen.
Der Kern der Hartmetall-Presstechnologie besteht in der Partikelneuanordnung, Kompression und anfänglichen Bindung (Partikelneuanordnung ist der Vorgang, bei dem sich Pulverpartikel unter Druck neu anordnen, um Lücken zu verringern, Kompression ist der Vorgang, bei dem äußere Kräfte angewendet werden, um Partikel zu verformen und Lücken zu füllen, und anfängliche Bindung ist der Vorgang, bei dem durch mechanische Verzahnung oder Mikrobindung eine anfängliche Festigkeit zwischen Partikeln entsteht). Dabei spielen Partikeldynamik (basierend auf dem Hagen-Poiseuille-Fließmodell, viskoser Widerstand ~10 ⁻ ³ Pa·s ±10 ⁻⁴ Pa·s , Journal of the American Ceramic Society, Bd. 92, 2009, S. 678–685) und plastische Deformation eine Rolle (Co-Partikeldehnung > 10 % ± 1 %, basierend auf experimentellen Daten zum plastischen Fließen, plastische Deformation ist der Vorgang der irreversiblen Deformation von Materialien unter Spannung, wodurch der Kontakt zwischen Partikeln verstärkt wird). In diesem Abschnitt werden das unidirektionale Pressen von Hartmetall, das kaltisostatische Pressen (CIP) von Hartmetall und die Formkonstruktion im Detail analysiert. Dabei werden Theorie und Praxis kombiniert, um Prozessoptimierung und technische Anwendung zu untersuchen.
Die Qualität des Pressens beeinflusst den Sintereffekt direkt. Beispielsweise können gleichmäßige Knüppel (Dichteabweichung <0,5 % ± 0,1 %) die Sinterschrumpfungsabweichung (<0,1 % ± 0,02 %, gemäß Materials Science and Engineering A, Bd. 527, 2010, S. 1234–1241; Sinterschrumpfung ist das Phänomen der Knüppelvolumenreduzierung während des Sinterns) reduzieren und die Produkthärtekonsistenz (Abweichung <± 30 HV, ISO 3738-1:1982) verbessern. Optimierte Formen (Reibungskoeffizient <0,1 ±0,02, gemäß Schmierstoffforschungsdaten ist der Reibungskoeffizient ein quantitativer Indikator für den Gleitwiderstand zwischen Form und Pulver) können Entformungsfehler reduzieren (Rissrate <0,5 % ±0,1 %, gemäß Formfehleranalyse sind Entformungsfehler Risse oder Deformationen, die durch Spannungsabbau des Blocks nach dem Formen entstehen) und die Formlebensdauer verlängern (>10⁵-fach ±10⁴-fach, Wear, Band 267, 2009, S. 345–352). Durch die Analyse der Pressparameter, Formmaterialien und Pulvereigenschaften bietet dieser Abschnitt technische Unterstützung für die Herstellung von Hochleistungshartmetallen (z. B. für Luftfahrtwerkzeuge und Bergbaubohrer).
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