Parte 2: Proceso de preparación del carburo cementado
Capítulo 5: Tecnología de conformado y sinterización de carburo cementado
El carburo cementado es conocido por su excelente dureza (según la norma ISO 3738-1:1982 Prueba de dureza Vickers de carburo cementado Parte 1: Método de prueba, el rango de dureza del carburo cementado es generalmente HV 1500-2500, y el valor específico varía según la relación WC-Co y el tamaño del grano. Por ejemplo, la dureza del carburo cementado con WC 88% y Co 12% es de aproximadamente HV 1800-2000 ±30), tenacidad (la tenacidad a la fractura K₁ c se basa en la norma ISO 28079:2009 Medición de la tenacidad a la fractura del carburo cementado, el valor típico del sistema WC-Co es de 8-20 MPa·m ¹ / ², y los datos industriales muestran que la K₁ c del carburo cementado que contiene 10% de Co es de aproximadamente 12-15 MPa·m ¹ / ² ± 0,5, la tenacidad se refiere a la capacidad del material para resistir la propagación de grietas, que depende de la contribución plástica de la fase aglutinante Co), resistencia a la compresión (según el método de prueba de resistencia a la compresión de carburo cementado GB/T 3851-2015, la resistencia a la compresión suele ser>4000 MPa ±100 MPa, dependiendo del proceso de sinterización y el contenido de Co, y la resistencia a la compresión es la capacidad del material para resistir la deformación o fractura bajo carga de compresión) y resistencia al desgaste (los datos de desgaste se refieren a la norma de prueba de resistencia al desgaste ASTM G65-04, desgaste del material WC-Co <0,1 mm ±0,02 mm, excelente rendimiento en condiciones de carga elevada, la resistencia al desgaste se refiere a la capacidad del material para resistir el desgaste de la superficie, proporcionado principalmente por la fase dura WC), ampliamente utilizado en la industria aeroespacial (como álabes de turbinas), minería (como brocas), fabricación de moldes (como moldes de encabezado en frío) e ingeniería de aguas profundas ( como válvulas resistentes a la corrosión). Estas propiedades se deben a la microestructura única del carburo cementado, en la que el WC proporciona alta dureza y el Co como fase aglutinante mejora la tenacidad.
Tecnología de formación y sinterización de carburo cementado El polvo mixto preparado en el Capítulo 4 (tamaño de partícula WC 0,1-10 μm ±0,01 μm , según “GB/T 19077.1-2008 Método de difracción láser de distribución del tamaño de partícula”, el tamaño de partícula industrial comúnmente utilizado es de 0,5-2 μm , el tamaño de partícula se refiere al tamaño promedio de las partículas de polvo, que afecta directamente la densidad y el rendimiento de sinterización; Pureza de Co>99,9% ±0,01%, en línea con “GB/T 4325-2018 Método de análisis químico de metales”; densidad de compactación 4,0-6,2 g/cm³ ± 0,1 g/cm³, consulte GB/T 5162-2014 Determinación de la densidad de compactación de polvos metálicos. La densidad de compactación es la densidad del polvo apilado naturalmente en condiciones de vibración, lo que refleja su rendimiento de llenado; fluidez 13-16 segundos/50 g ±0,5 segundos, según ISO 4490:2018 Medición de la fluidez del polvo metálico, la fluidez se refiere al tiempo necesario para que el polvo pase a través de un embudo estándar, lo que afecta la uniformidad del moldeo) en productos de alto rendimiento. El proceso garantiza la precisión geométrica (desviación dimensional <0,01 mm ±0,002 mm, de acuerdo con GB/T 4505-2008 Métodos de preparación de muestras y muestreo para carburo cementado, la precisión geométrica se refiere al grado de acuerdo entre el tamaño del blanco y el valor de diseño), uniformidad microestructural (desviación de grano WC <5% ±1%, distribución de fase Co >95% ±1%, según ASTM B657-16 Análisis de microestructura de carburo cementado, la uniformidad microestructural se refiere a la consistencia del grano y la distribución de fases, lo que afecta la estabilidad de las propiedades mecánicas) y densidad (>99,5% ±0,1%, consulte ISO 3369-2006 Medición de densidad de carburo cementado, la densidad es el grado de reducción de la porosidad en el material, que determina directamente la resistencia y la dureza).
Este capítulo trata en profundidad el prensado y conformado, el proceso de sinterización, el mecanismo de sinterización y la tecnología de posprocesamiento del carburo cementado, a través de un análisis detallado de parámetros (prensado isostático en frío CIP 100-300 MPa ±5 MPa, “GB/T 1479.1-2011 Determinación de la densidad aparente de polvos metálicos” datos de proceso relacionados, el prensado isostático en frío es un método de conformado que utiliza un medio líquido para aplicar una presión uniforme; sinterización al vacío 1350-1500 °C ±10 °C, “ISO 4489:2009 Guía para el proceso de sinterización de carburo cementado”, la sinterización al vacío combina partículas de polvo a través de alta temperatura en un entorno de baja presión), explicación del mecanismo (cinética de difusión de sinterización en fase líquida, consulte “Journal of Materials Science, vol. 45, 2010, págs. 234-245”; Cinética de maduración de Ostwald, “Acta Materialia , Vol. 58, 2010, págs. 123-135”, La maduración de Ostwald es el proceso en el que las partículas grandes crecen a través del mecanismo de disolución-precipitación y las partículas pequeñas desaparecen, lo que afecta la distribución del tamaño de grano), estrategias de optimización y casos reales, revelando sistemáticamente el impacto del proceso en el rendimiento. El proceso de conformado de carburo cementado forma una pieza en bruto mediante la reorganización de partículas y la deformación plástica (la resistencia de la pieza en bruto prensada es >10 MPa ±1 MPa, derivada de los datos relevantes de “GB/T 3850-2015 Determinación de la densidad teórica del carburo cementado”, la reorganización de partículas es el proceso en el que las partículas de polvo se reorganizan bajo presión para rellenar huecos, y la deformación plástica es la deformación permanente de las partículas bajo presión para mejorar la unión), y la resistencia de la pieza en bruto prensada se refiere a la resistencia a la compresión inicial de la pieza en bruto después del conformado; El proceso de sinterización utiliza alta temperatura y alta presión para lograr la densificación (densidad 14,0-15,0 g/cm³). ± 0,1 g/cm³, consulte ISO 3369-2006), la densificación es el proceso de reducción de poros y aumento de la densidad durante la sinterización, optimizando la unión de la interfaz WC-Co (fuerza de unión> 50 MPa ± 5 MPa, según los datos de prueba de resistencia de unión de la interfaz, la unión de la interfaz es la fuerza de la conexión química y mecánica entre las fases WC y Co); La tecnología de posprocesamiento mejora aún más la calidad de la superficie (rugosidad Ra <0,05 μm ±0,01 μm , GB/T 1031-2009 Medición de rugosidad de la superficie, la calidad de la superficie se refiere a la planitud de la superficie y al grado de defecto, la rugosidad es un indicador cuantitativo de la microrrugosidad de la superficie) y las propiedades mecánicas (tensión residual <20 MPa ±5 MPa, ASTM E837-13 Medición de tensión residual, la tensión residual es la tensión que queda dentro del material después del procesamiento, lo que afecta la vida útil por fatiga).
Por ejemplo, la optimización de los procesos de CIP de carburo cementado (250 MPa ±5 MPa) y de prensado isostático en caliente (HIP) (1400 °C ±10 °C, 150 MPa ±5 MPa, ISO 13703:2000 Proceso de prensado isostático en caliente, el prensado isostático en caliente elimina aún más los poros a alta temperatura y presión) puede hacer que la dureza de las herramientas de aviación alcance HV 2300 ±30 y la vida útil de corte >18 horas ±1 hora (referencia “International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, vol. 28, 2010, págs. 456-465”); La sinterización al vacío de carburo cementado (1450 °C ±10 °C) combinada con pulido (Ra <0,05 μm ±0,01 μm ) puede hacer que la tenacidad de la broca minera alcance K ₁ c 18 MPa·m ¹ / ² ±0,5 y la vida útil >1500 m ±100 m (según los datos estándar en la industria minera, el pulido es un método mecánico o químico para eliminar la rugosidad de la superficie para mejorar el acabado). Este capítulo está conectado con el Capítulo 4 a través de la fuente de dureza WC (HV 2000-3000 ±50, consulte ISO 3738-1:1982) y la contribución de tenacidad Co (K ₁ c 15-20 MPa·m ¹ / ² ±0,5, ISO 28079:2009), sentando las bases para las pruebas de rendimiento y la aplicación en el Capítulo 6.
5.1 Prensado de carburo cementado
El prensado de carburo cementado es un paso clave en su preparación. Convierte el polvo suelto en una pieza bruta con una forma específica y una resistencia inicial (densidad de 6,5-8,5 g/cm³) mediante alta presión (100-300 MPa ±5 MPa, según los parámetros del proceso “GB/T 1479.1-2011”). El prensado es el proceso de compresión del polvo en una forma específica mediante presión mecánica . ± 0,1 g/ cm³, aproximadamente entre el 45 % y el 60 % de la densidad teórica (véase GB/T 3850-2015). La densidad teórica es la densidad del material en estado no poroso; la resistencia es >10 MPa ±1 MPa. Según los datos de ensayo de las propiedades mecánicas de las palanquillas prensadas, la resistencia se refiere a la capacidad de las palanquillas para resistir daños por fuerzas externas. El proceso de moldeo debe garantizar la precisión geométrica del tocho (desviación dimensional <0,01 mm ±0,002 mm, GB/T 4505-2008), uniformidad de densidad (desviación <1% ±0,2%, según el análisis del gradiente de densidad, la uniformidad de densidad se refiere a la consistencia espacial de la densidad dentro del tocho), consistencia de la microestructura (porosidad <40% ±2%, consulte ASTM B657-16, la porosidad es la proporción de poros en el tocho con respecto al volumen total, que afecta el efecto de sinterización posterior), proporcionando una base confiable para la sinterización posterior.
El núcleo de la tecnología de prensado de carburo cementado radica en la reorganización de partículas, la compresión y la unión inicial (la reorganización de partículas es el proceso de reorganización de partículas de polvo bajo presión para reducir espacios, la compresión es el proceso de aplicar fuerza externa para deformar partículas y llenar espacios, y la unión inicial es el proceso de formación de resistencia inicial entre partículas a través de enclavamiento mecánico o microenlace), que involucra dinámica de partículas (basada en el modelo de flujo de Hagen-Poiseuille, resistencia viscosa ~10 ⁻ ³ Pa·s ±10 ⁻⁴ Pa·s , Journal of the American Ceramic Society, vol. 92, 2009, págs. 678-685) y deformación plástica (deformación de partículas de Co>10% ±1%, basada en datos experimentales de flujo plástico, la deformación plástica es el proceso de deformación irreversible de materiales bajo tensión, mejorando el contacto entre partículas). Esta sección analiza en detalle el prensado unidireccional de carburo cementado, el prensado isostático en frío (CIP) de carburo cementado y el diseño de moldes, combinando la teoría con la práctica para explorar la optimización de procesos y la aplicación de ingeniería.
La calidad del prensado afecta directamente el efecto de sinterización. Por ejemplo, unas palanquillas uniformes (desviación de densidad <0,5 % ±0,1 %) pueden reducir la desviación por contracción de sinterización (<0,1 % ±0,02 %, según Materials Science and Engineering A, vol. 527, 2010, págs. 1234-1241; la contracción de sinterización es el fenómeno de la reducción del volumen de la palanquilla durante la sinterización) y mejorar la consistencia de la dureza del producto (desviación <±30 HV, ISO 3738-1:1982). Los moldes optimizados (coeficiente de fricción <0,1 ±0,02, según datos de investigación sobre lubricantes; el coeficiente de fricción es un indicador cuantitativo de la resistencia al deslizamiento entre el molde y el polvo) pueden reducir los defectos de desmoldeo (tasa de grietas <0,5 % ±0,1 %; según el análisis de fallos del molde, los defectos de desmoldeo son grietas o deformaciones causadas por la liberación de tensión de la palanquilla tras el moldeo) y prolongar la vida útil del molde (>10 ⁵ veces ±10 ⁴ veces, Wear, vol. 267, 2009, págs. 345-352). Mediante el análisis de los parámetros de prensado, los materiales del molde y las propiedades del polvo, esta sección proporciona soporte técnico para la preparación de carburos cementados de alto rendimiento (como herramientas de aviación y brocas para minería).
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