Производство твердосплавных пластин — целая наука

Реклама. ООО «ДОМИНИК», ИНН 7411018600
Erid: 4CQwVszH9pWvp5VARXb

История применения твёрдого сплава в качестве металлорежущего инструмента начинается с XX века. До этого времени самым распространённым материалом для обработки конструкционных и нержавеющих сталей, а также чугуна была быстрорежущая сталь. Уже в начале XX века металлорежущие станки могли выдавать достаточно высокие скорости резания и подачи. Казалось бы, чем быстрее происходит обработка, тем меньше будет затрат, а себестоимость деталей станет ниже. Но всё оказалось не так просто.

Как лампочка спасла металлообработку

Развитие металлообработки упёрлось в потолок, так как при увеличении скорости резания происходит и повышение выделения тепла в этой зоне. Инструменты из быстрорежущих сталей не могли сопротивляться огромному теплу, выделяемому при обработке сталей: либо они быстро выходили из строя, либо станкам приходилось работать на заниженных режимах резания, что нивелировало их преимущества.

Конечно, химики и материаловеды пытались разрешить эту проблему и выпускали различные модифицированные быстрорежущие стали, которые всё равно не могли работать на высоких скоростях и подачах. Казалось, это предел технических возможностей в металлообработке.

Но всё изменилось благодаря обыкновенной лампочке накаливания. Именно она позволила преодолеть технический тупик в металлообработке. В лампочках накаливания используется вольфрамовая нить, которая прекрасно сопротивляется теплу и имеет высокую твёрдость.

Немецкая группа компаний предпринимателя Фридриха в 1925 году купила патент у одного из производителей электрических лампочек. Ввиду наличия этого патента появилась возможность использовать карбид вольфрама в качестве напаек режущего инструмента. Это оказалось очередной революцией в металлообработке. С момента первого применения твёрдого сплава в металлообработке прошло почти 100 лет.

Первые инструменты с твердосплавными напайками содержали 94% карбида вольфрама и 6% кобальта. Твердосплавные вставки на то время имели невиданную твёрдость и теплостойкость, поэтому их стали называть алмазными. Очень долгое время компания Фридриха скрывала состав и технологию производства твёрдого сплава от конкурентов. Они пытались повторить технологию получения таких напаек, но не могли это сделать на протяжении длительного времени, так как полагали, что это быстрорежущая сталь с улучшенными свойствами.

Следующим новаторством в металлообработке было появление сменных твердосплавных пластин.

Современная технология производства твердосплавных пластин

Производство твердосплавных пластин — это сложная и длительная высокотехнологическая цепочка процессов, которая непрерывно совершенствуется. Начинается она с добычи основных компонентов, из которых состоят твердосплавные пластины, — карбида вольфрама и кобальта. Карбид вольфрама является основным веществом твердосплавных пластин (порядка 95–96%). Это теплостойкий и твёрдый материал, благодаря которому сплав становится более износо- и термостойким. Кобальт же становится своего рода клеем, за счёт которого частицы карбида вольфрама сцепляются между собой.

Кобальт и вольфрам добывают на рудниках, и первоначально они выглядят как большие глыбы. Основным поставщиком кобальта на мировой рынок является Демократическая Республика Конго, а вольфрама — Вьетнам, Китай, Канада, Россия и другие страны. После добычи сырьё доставляют на специальные перерабатывающие комбинаты, где происходят такие процессы, как промывка, сушка руды и её перемалывание в порошок. После перемалывания вольфрам подвергается так называемому науглероживанию: его насыщают углеродом в специальных печах. Так и получается карбид вольфрама, который используется в качестве основного вещества при изготовлении твердосплавных пластин. После этого готовые порошки попадают на соответствующие заводы.

Одним из таких предприятий является завод ОКЕ Precision Cutting Tools, который входит в тройку самых крупных заводов Китая. На его примере мы постараемся рассказать и показать, как сегодня выглядит и работает современное производство твердосплавных пластин.

Уже на заводе порошки ещё раз просеивают, просушивают и помещают в специальные барабаны для смешивания. Сам карбид вольфрама плохо поддаётся прессованию: он малопластичный и рассыпчатый, поэтому в смесь добавляют дополнительные вещества, такие как воск, парафин, каучук, этиленгликоль, бензин и т. д. Замес порошка происходит в вакуумном барабане при постоянной температуре. Благодаря такому способу порошок приобретает способность склеиваться под воздействием давления, при этом имеет рассыпчатую консистенцию муки.

На протяжении всей технологической цепочки производства твердосплавных пластин в цехах поддерживается постоянная температура 23–25 ℃, а также влажность. В таких условиях порошок (а впоследствии и заготовки пластин) не впитывает или не отдаёт лишней влаги.

Бренд ОКЕ Precision Cutting Tools является одним из крупнейших в Китае, в его состав входит несколько заводов (сейчас ещё один вводится в эксплуатацию). Технологическая цепочка изготовления пластин на всех заводах идентична, разница только в том, что на новых предприятиях в бóльшем количестве есть новое оборудование, современные модели печей и пресс-автоматов, мощность которых составляет порядка 40–50 т. В последние устанавливают пресс-формы и загружают готовый к прессованию порошок. Так формируются стружколом, центральное отверстие и внешняя форма пластины. На выходе из пресс-автомата пластины складываются на большой поддон. Весь процесс автоматизирован и требует минимального участия человека: тот необходим только в качестве наладчика или оператора.

Поддоны с заготовками пластин ставят друг на друга и загружают в специальные печи, где изделия проходят сушку при температуре 165 ℃. Из смеси испаряются воск и спирт, но заготовки пластин всё ещё остаются хрупкими и при нажатии легко разрушаются. Чтобы заготовки стали твёрдыми и имели однородную структуру, их помещают в специальные герметичные печи. Такой процесс называется спеканием.

Первая стадия спекания происходит в вакууме, вследствие этого в структуре пластины исчезают поры и пузырьки; на второй стадии камера печи заполняется аргоном под давлением 10–12 МПа, в результате чего пластины доспрессовываются со всех сторон, убираются кратеры и пузырьки, структура материала становится однородной. Благодаря разным фазам нагрева и выдержке при различных температурах в результате получается твердосплавная пластина с необходимыми характеристиками.

Процесс спекания — очень ответственный этап изготовления пластин, так как при нагревании материала начинается рост зёрен карбида вольфрама и кобальта. Как мы знаем, чем больше зерно, тем пластина быстрее изнашивается, поэтому процессы нагрева и охлаждения в печи являются не линейными (нагрели, а потом остудили), а ступенчатыми (нагрели, подождали, потом опять нагрели, подождали и т. д.). Для таких операций на заводе ОКЕ установлены собственные высокочувствительные вакуумные печи с ЧПУ. После спекания пластины становятся твёрдыми, имеют заданную микроструктуру. Затем происходит предварительная операция шлифовки: пластины помещаются в специальную чистящую машину.

Следующая стадия — шлифование. На этом этапе пластины шлифуются по базовым плоскостям (которые соприкасаются с посадочным местом в корпусе инструмента), а также (при необходимости) — по задним и передним углам. Пластины укладывают на специальные кассеты — подносы — и загружают в шлифовальные станки, где им придают окончательные размеры. Это трудоёмкий процесс, так как каждую пластину надо установить в определённое посадочное место формы. Операция монотонная, поэтому на заводах ОКЕ её выполняют автоматические манипуляторы, которые распознают положение пластин на подносе, а затем раскладывают их в специальные формы для последующей шлифовки.

После шлифовки пластины отправляются на мойку, где их промывают в специальном растворе с ультразвуком. Следующей остановкой являются гальванические цеха для нанесения защитных покрытий.

Большой скачок в металлообработке произошёл после 1970-х годов с созданием твердосплавных пластин с покрытием. Первые пластины с покрытием появились ещё в 1969 году: они имели дополнительную тепловую защиту, которая значительно увеличивала их стойкость. Сегодня существует множество типов покрытий, предназначенных для обработки различных материалов. Двумя самыми распространёнными являются следующие: CVD — химическое осаждение из паровой фазы, PVD — физическое осаждение паровой фазы. На заводах ОКЕ по производству твердосплавных пластин применяются оба варианта. В зависимости от типа покрытия пластины отправляются в специализированные гальванические цеха, где для каждого типа покрытия используется свой вид оборудования.

При CVD-покрытии пластины размещают на специальных приспособлениях, а затем устанавливают в особую герметичную печь, куда подают газы, температура которых составляет от 800 до 1 100 ℃. В силу происходящих в таких условиях химических реакций на твердосплавные пластины осаждается плёнка, которая и является защитным покрытием. Время покрытия одной партии составляет до 30 ч (чем толще требуется покрытие, тем дольше проходит реакция в камере), а толщина CVD-покрытия может варьироваться от 2 до 20 мкм.

При PVD-покрытии пластины точно так же размещают на специальных приспособлениях, а затем помещают в имеющую особое назначение печь. Здесь процесс проходит при температуре 500 ℃, а толщина покрытия составляет 2–6 мкм. В камеру также подают газы, но они конденсируются на твердосплавных пластинах (как влажный воздух превращается в воду). PVD-покрытие является очень тонким, что позволяет делать режущие кромки инструмента острыми и прочными.

После покрытия пластины просушиваются, промываются, опять сохнут и проходят контроль, после чего фасуются по коробкам и отправляются на центральный склад.

Одной из главнейших операций в процессе изготовления твердосплавных пластин является контроль. Он присутствует на каждой операции. Пластины проходят как через визуальную проверку, которую осуществляют сотрудники предприятия, так и через надзор со стороны автоматических оптических систем. Из-за этого готовые пластины имеют одинаковую величину как по внешним размерам, так и по геометрии стружколома.

Казалось бы, уже прошло почти 100 лет со дня первого использования твёрдого сплава в качестве металлорежущего инструмента, но технологический процесс изготовления пластин всё ещё оттачивается и улучшается! Как говорится, нет предела совершенству!

Сайт: www.oke-russia.ru