ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับวัสดุเครื่องมือคาร์ไบด์

คาร์ไบด์เป็นวัสดุเครื่องมือสำหรับงานตัดเฉือนความเร็วสูง (HSM) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ซึ่งผลิตโดยกระบวนการโลหะผง ประกอบด้วยอนุภาคคาร์ไบด์แข็ง (โดยทั่วไปคือทังสเตนคาร์ไบด์ WC) และองค์ประกอบพันธะโลหะที่อ่อนตัวลง ปัจจุบันมีคาร์ไบด์ซีเมนต์หลายร้อยชนิดที่มีองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ซึ่งส่วนใหญ่ใช้โคบอลต์ (Co) เป็นสารยึดเกาะ นิกเกิล (Ni) และโครเมียม (Cr) ก็เป็นองค์ประกอบสารยึดเกาะที่นิยมใช้กันทั่วไป และยังสามารถเติมธาตุผสมอื่นๆ ลงไปได้อีกด้วย เหตุใดจึงมีเกรดคาร์ไบด์มากมาย? ผู้ผลิตเครื่องมือเลือกวัสดุเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับงานตัดเฉพาะทางอย่างไร? เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ เรามาพิจารณาคุณสมบัติต่างๆ ที่ทำให้คาร์ไบด์ซีเมนต์เป็นวัสดุเครื่องมือที่เหมาะสมกันก่อน

ความแข็งและความเหนียว

คาร์ไบด์ซีเมนต์ WC-Co มีข้อได้เปรียบเฉพาะตัวทั้งในด้านความแข็งและความเหนียว ทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) มีความแข็งมากโดยเนื้อแท้ (มากกว่าคอรันดัมหรืออะลูมินา) และความแข็งจะลดลงเมื่ออุณหภูมิใช้งานเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ทังสเตนคาร์ไบด์ยังขาดความเหนียวเพียงพอ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่จำเป็นสำหรับเครื่องมือตัด เพื่อใช้ประโยชน์จากความแข็งสูงของทังสเตนคาร์ไบด์และเพิ่มความเหนียว ผู้คนจึงใช้พันธะโลหะเพื่อยึดทังสเตนคาร์ไบด์เข้าด้วยกัน ทำให้วัสดุนี้มีความแข็งสูงกว่าเหล็กกล้าความเร็วสูงมาก ในขณะเดียวกันก็สามารถทนต่อแรงตัดได้เกือบทุกชนิด นอกจากนี้ ทังสเตนคาร์ไบด์ยังสามารถทนต่ออุณหภูมิในการตัดสูงที่เกิดจากการตัดเฉือนความเร็วสูงได้อีกด้วย

ปัจจุบันมีดและเม็ดมีด WC-Co เกือบทั้งหมดได้รับการเคลือบผิว ดังนั้นบทบาทของวัสดุฐานจึงดูไม่สำคัญนัก แต่ในความเป็นจริงแล้ว โมดูลัสความยืดหยุ่นสูงของวัสดุ WC-Co (ซึ่งเป็นหน่วยวัดความแข็ง ซึ่งสูงกว่าเหล็กกล้าความเร็วสูงประมาณสามเท่าที่อุณหภูมิห้อง) เป็นตัวกำหนดพื้นผิวที่ไม่เสียรูปสำหรับการเคลือบ เมทริกซ์ WC-Co ยังให้ความเหนียวตามที่ต้องการ คุณสมบัติเหล่านี้เป็นคุณสมบัติพื้นฐานของวัสดุ WC-Co แต่คุณสมบัติของวัสดุยังสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการปรับองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคของวัสดุเมื่อผลิตผงคาร์ไบด์ซีเมนต์ ดังนั้น ความเหมาะสมของประสิทธิภาพของเครื่องมือสำหรับงานตัดเฉือนเฉพาะทางจึงขึ้นอยู่กับกระบวนการกัดเริ่มต้นเป็นส่วนใหญ่

กระบวนการกัด

ผงทังสเตนคาร์ไบด์ได้มาจากการคาร์บูไรซิ่งผงทังสเตน (W) คุณสมบัติของผงทังสเตนคาร์ไบด์ (โดยเฉพาะขนาดอนุภาค) ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคของผงทังสเตน อุณหภูมิ และเวลาในการคาร์บูไรซิ่ง การควบคุมทางเคมีก็มีความสำคัญเช่นกัน และต้องรักษาปริมาณคาร์บอนให้คงที่ (ใกล้เคียงกับค่าสโตอิชิโอเมตริกที่ 6.13% โดยน้ำหนัก) อาจเติมวาเนเดียมและ/หรือโครเมียมปริมาณเล็กน้อยก่อนการคาร์บูไรซิ่งเพื่อควบคุมขนาดอนุภาคของผงในกระบวนการต่างๆ เงื่อนไขกระบวนการปลายน้ำที่แตกต่างกันและการใช้งานในขั้นตอนสุดท้ายที่แตกต่างกัน จำเป็นต้องใช้ขนาดอนุภาคของทังสเตนคาร์ไบด์ ปริมาณคาร์บอน ปริมาณวาเนเดียม และปริมาณโครเมียม ซึ่งสามารถผลิตผงทังสเตนคาร์ไบด์ได้หลากหลายชนิด ตัวอย่างเช่น ATI Alldyne ซึ่งเป็นผู้ผลิตผงคาร์ไบด์ทังสเตน ผลิตผงคาร์ไบด์ทังสเตนเกรดมาตรฐาน 23 เกรด และผงคาร์ไบด์ทังสเตนหลากหลายชนิดที่ปรับแต่งตามความต้องการของผู้ใช้สามารถทำได้มากกว่าผงคาร์ไบด์ทังสเตนเกรดมาตรฐานถึง 5 เท่า

เมื่อผสมและบดผงทังสเตนคาร์ไบด์และพันธะโลหะเพื่อให้ได้ผงซีเมนต์คาร์ไบด์เกรดที่ต้องการ สามารถใช้ส่วนผสมต่างๆ ได้ โดยทั่วไปปริมาณโคบอลต์ที่ใช้มากที่สุดคือ 3% – 25% (อัตราส่วนน้ำหนัก) และหากต้องการเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเครื่องมือ จำเป็นต้องเติมนิกเกิลและโครเมียม นอกจากนี้ พันธะโลหะยังสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นได้โดยการเติมส่วนผสมโลหะผสมอื่นๆ เช่น การเติมรูทีเนียมลงในซีเมนต์คาร์ไบด์ WC-Co สามารถเพิ่มความเหนียวได้อย่างมีนัยสำคัญโดยไม่ลดความแข็ง การเพิ่มปริมาณสารยึดเกาะสามารถเพิ่มความเหนียวของซีเมนต์คาร์ไบด์ได้เช่นกัน แต่จะทำให้ความแข็งลดลง

การลดขนาดอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์สามารถเพิ่มความแข็งของวัสดุได้ แต่ขนาดอนุภาคของทังสเตนคาร์ไบด์จะต้องคงเดิมในระหว่างกระบวนการเผาผนึก ในระหว่างการเผาผนึก อนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์จะรวมตัวกันและเติบโตผ่านกระบวนการละลายและการตกตะกอน ในกระบวนการเผาผนึกจริง พันธะโลหะจะกลายเป็นของเหลว (เรียกว่าการเผาผนึกแบบเฟสของเหลว) เพื่อให้ได้วัสดุที่มีความหนาแน่นสูง อัตราการเติบโตของอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์สามารถควบคุมได้โดยการเติมคาร์ไบด์โลหะทรานซิชันอื่นๆ ได้แก่ วาเนเดียมคาร์ไบด์ (VC), โครเมียมคาร์ไบด์ (Cr3C2), ไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC), แทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC) และไนโอเบียมคาร์ไบด์ (NbC) โดยปกติแล้ว คาร์ไบด์โลหะเหล่านี้จะถูกเติมลงไปเมื่อผงทังสเตนคาร์ไบด์ถูกผสมและบดด้วยพันธะโลหะ แม้ว่าวาเนเดียมคาร์ไบด์และโครเมียมคาร์ไบด์ก็สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อผงทังสเตนคาร์ไบด์ถูกคาร์บูไรซ์เช่นกัน

ผงทังสเตนคาร์ไบด์สามารถผลิตได้โดยใช้วัสดุซีเมนต์คาร์ไบด์ที่ผ่านการรีไซเคิลแล้ว การรีไซเคิลและการนำเศษคาร์ไบด์กลับมาใช้ใหม่มีประวัติศาสตร์อันยาวนานในอุตสาหกรรมซีเมนต์คาร์ไบด์ และเป็นส่วนสำคัญของห่วงโซ่เศรษฐกิจทั้งหมดของอุตสาหกรรม ช่วยลดต้นทุนวัสดุ ประหยัดทรัพยากรธรรมชาติ และหลีกเลี่ยงวัสดุเหลือใช้ การกำจัดที่เป็นอันตราย โดยทั่วไปแล้ว ซีเมนต์คาร์ไบด์ที่ผ่านการรีไซเคิลแล้วสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้โดยกระบวนการ APT (แอมโมเนียมพาราทังสเตต) กระบวนการกู้คืนสังกะสี หรือการบด ผงทังสเตนคาร์ไบด์ที่ "รีไซเคิล" เหล่านี้มักจะมีความหนาแน่นที่ดีกว่าและคาดการณ์ได้ เนื่องจากมีพื้นที่ผิวน้อยกว่าผงทังสเตนคาร์ไบด์ที่ผลิตขึ้นโดยตรงผ่านกระบวนการคาร์บูไรซิ่งทังสเตน

สภาวะการประมวลผลของการบดผสมผงทังสเตนคาร์ไบด์และพันธะโลหะก็เป็นพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญเช่นกัน เทคนิคการบดที่นิยมใช้กันมากที่สุดสองวิธีคือ การบดแบบลูกบอล (ball milling) และการบดแบบไมโคร (micromilling) ทั้งสองวิธีนี้ช่วยให้ผงที่บดแล้วผสมกันอย่างทั่วถึงและลดขนาดอนุภาคลง เพื่อให้ชิ้นงานที่กดอัดแล้วมีความแข็งแรงเพียงพอ คงรูปทรงของชิ้นงาน และช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานหรือเครื่องมือสามารถหยิบชิ้นงานขึ้นมาใช้งานได้ มักจำเป็นต้องเติมสารยึดเกาะอินทรีย์ในระหว่างการบด องค์ประกอบทางเคมีของสารยึดเกาะนี้อาจส่งผลต่อความหนาแน่นและความแข็งแรงของชิ้นงานที่กดอัด เพื่อให้ง่ายต่อการจัดการ ขอแนะนำให้เติมสารยึดเกาะที่มีความแข็งแรงสูง แต่วิธีนี้จะทำให้ความหนาแน่นของการอัดตัวลดลงและอาจทำให้เกิดก้อนเนื้อที่อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

หลังจากการบดแล้ว ผงจะถูกทำให้แห้งด้วยการพ่นฝอยเพื่อให้ได้กลุ่มก้อนที่ไหลได้อย่างอิสระและยึดติดกันด้วยสารยึดเกาะอินทรีย์ การปรับองค์ประกอบของสารยึดเกาะอินทรีย์ทำให้สามารถปรับอัตราการไหลและความหนาแน่นของประจุของกลุ่มก้อนเหล่านี้ได้ตามต้องการ โดยการคัดกรองอนุภาคที่หยาบหรือละเอียดกว่าออกไป การกระจายขนาดอนุภาคของกลุ่มก้อนจึงสามารถปรับแต่งเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่ามีการไหลที่ดีเมื่อบรรจุลงในโพรงแม่พิมพ์

การผลิตชิ้นงาน

ชิ้นงานคาร์ไบด์สามารถขึ้นรูปได้หลากหลายวิธี ขึ้นอยู่กับขนาดของชิ้นงาน ระดับความซับซ้อนของรูปทรง และชุดการผลิต เม็ดมีดตัดส่วนใหญ่จะถูกขึ้นรูปโดยใช้แม่พิมพ์แข็งแบบกดด้านบนและด้านล่าง เพื่อรักษาความสม่ำเสมอของน้ำหนักและขนาดของชิ้นงานในระหว่างการกดแต่ละครั้ง จำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าปริมาณผง (มวลและปริมาตร) ที่ไหลเข้าสู่โพรงนั้นเท่ากันทุกประการ การไหลของผงส่วนใหญ่ถูกควบคุมโดยการกระจายขนาดของก้อนรวมและคุณสมบัติของสารยึดเกาะอินทรีย์ ชิ้นงานที่ขึ้นรูป (หรือ “แผ่นเปล่า”) ขึ้นรูปโดยใช้แรงกดขึ้นรูป 10-80 ksi (กิโลกรัมปอนด์ต่อตารางฟุต) ลงบนผงที่บรรจุลงในโพรงแม่พิมพ์

แม้ภายใต้แรงกดขึ้นรูปที่สูงมาก อนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ที่แข็งจะไม่เสียรูปหรือแตกหัก แต่สารยึดเกาะอินทรีย์จะถูกกดลงในช่องว่างระหว่างอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ จึงช่วยตรึงตำแหน่งของอนุภาค ยิ่งแรงกดสูงขึ้นเท่าใด การยึดเกาะของอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ก็จะยิ่งแน่นขึ้น และความหนาแน่นของการอัดตัวของชิ้นงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น คุณสมบัติการขึ้นรูปของผงคาร์ไบด์ซีเมนต์แต่ละเกรดอาจแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับปริมาณของสารยึดเกาะโลหะ ขนาดและรูปร่างของอนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ ระดับการเกาะตัว และองค์ประกอบและการเติมสารยึดเกาะอินทรีย์ เพื่อให้ข้อมูลเชิงปริมาณเกี่ยวกับคุณสมบัติการอัดตัวของผงคาร์ไบด์ซีเมนต์แต่ละเกรด ผู้ผลิตผงมักจะออกแบบและสร้างความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของการอัดตัวและแรงกดขึ้นรูป ข้อมูลนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าผงที่จัดหามานั้นเข้ากันได้กับกระบวนการขึ้นรูปของผู้ผลิตเครื่องมือ

ชิ้นงานคาร์ไบด์ขนาดใหญ่หรือชิ้นงานคาร์ไบด์ที่มีอัตราส่วนภาพสูง (เช่น ก้านสำหรับดอกกัดและดอกสว่าน) มักผลิตจากผงคาร์ไบด์เกรดที่ผ่านการอัดอย่างสม่ำเสมอในถุงที่มีความยืดหยุ่น แม้ว่าวงจรการผลิตของวิธีการอัดแบบสมดุลจะยาวนานกว่าวิธีการขึ้นรูป แต่ต้นทุนการผลิตของเครื่องมือจะต่ำกว่า ดังนั้นวิธีนี้จึงเหมาะสำหรับการผลิตแบบล็อตเล็กมากกว่า

วิธีการนี้คือการใส่ผงลงในถุง ปิดปากถุงให้สนิท จากนั้นนำถุงที่บรรจุผงไว้เต็มถุงไปไว้ในห้อง แล้วใช้แรงดัน 30-60ksi ผ่านอุปกรณ์ไฮดรอลิกเพื่อกด ชิ้นงานที่ผ่านการกดมักจะถูกกลึงให้เป็นรูปทรงเฉพาะก่อนการเผาผนึก ขนาดของถุงจะถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นเพื่อรองรับการหดตัวของชิ้นงานในระหว่างการอัด และเพื่อให้มีระยะขอบที่เพียงพอสำหรับการบด เนื่องจากชิ้นงานจำเป็นต้องผ่านกระบวนการหลังจากการกด ข้อกำหนดสำหรับความสม่ำเสมอของการบรรจุจึงไม่เข้มงวดเท่ากับวิธีการขึ้นรูป แต่ก็ยังควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้บรรจุผงในปริมาณเท่ากันลงในถุงทุกครั้ง หากความหนาแน่นของการบรรจุผงน้อยเกินไป อาจทำให้ผงในถุงไม่เพียงพอ ส่งผลให้ชิ้นงานมีขนาดเล็กเกินไปและต้องถูกกำจัดทิ้ง หากความหนาแน่นของการบรรจุผงสูงเกินไป และผงที่บรรจุลงในถุงมากเกินไป ชิ้นงานจำเป็นต้องผ่านกระบวนการเพื่อกำจัดผงเพิ่มเติมหลังจากการกด แม้ว่าผงส่วนเกินที่ถูกกำจัดและชิ้นงานที่ถูกทิ้งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ แต่การทำเช่นนี้จะทำให้ประสิทธิภาพการผลิตลดลง

ชิ้นงานคาร์ไบด์สามารถขึ้นรูปได้โดยใช้แม่พิมพ์อัดรีดหรือแม่พิมพ์ฉีด กระบวนการขึ้นรูปด้วยการอัดรีดเหมาะสำหรับการผลิตชิ้นงานรูปทรงแกนสมมาตรจำนวนมาก ในขณะที่กระบวนการฉีดขึ้นรูปมักใช้สำหรับการผลิตชิ้นงานรูปทรงซับซ้อนจำนวนมาก ในกระบวนการขึ้นรูปทั้งสองแบบ ผงคาร์ไบด์ซีเมนต์เกรดต่างๆ จะถูกแขวนลอยอยู่ในสารยึดเกาะอินทรีย์ที่ทำให้ส่วนผสมคาร์ไบด์ซีเมนต์มีความข้นคล้ายยาสีฟัน จากนั้นสารประกอบจะถูกอัดรีดผ่านรูหรือฉีดเข้าไปในโพรงเพื่อขึ้นรูป คุณสมบัติของเกรดผงคาร์ไบด์ซีเมนต์เป็นตัวกำหนดอัตราส่วนที่เหมาะสมที่สุดของผงต่อสารยึดเกาะในส่วนผสม และมีอิทธิพลสำคัญต่อความสามารถในการไหลของส่วนผสมผ่านรูอัดรีดหรือการฉีดเข้าไปในโพรง

หลังจากขึ้นรูปชิ้นงานด้วยการขึ้นรูป การกดอัดแบบไอโซสแตติก การอัดรีด หรือการฉีดขึ้นรูป จำเป็นต้องกำจัดสารยึดเกาะอินทรีย์ออกจากชิ้นงานก่อนขั้นตอนการเผาผนึกขั้นสุดท้าย การเผาผนึกจะกำจัดรูพรุนออกจากชิ้นงาน ทำให้ชิ้นงานมีความหนาแน่นเต็มที่ (หรือเกือบเต็ม) ในระหว่างการเผาผนึก พันธะโลหะในชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดจะกลายเป็นของเหลว แต่ชิ้นงานยังคงรูปร่างเดิมภายใต้แรงยึดเกาะและแรงยึดเกาะของอนุภาค

หลังจากการเผาผนึก รูปทรงของชิ้นงานจะยังคงเดิม แต่ขนาดจะลดลง เพื่อให้ได้ขนาดชิ้นงานตามที่ต้องการหลังการเผาผนึก จำเป็นต้องพิจารณาอัตราการหดตัวเมื่อออกแบบเครื่องมือ เกรดของผงคาร์ไบด์ที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือแต่ละชิ้นต้องได้รับการออกแบบให้มีการหดตัวที่ถูกต้องเมื่อถูกอัดภายใต้แรงดันที่เหมาะสม

ในเกือบทุกกรณี จำเป็นต้องมีการอบชุบชิ้นงานที่ผ่านการเผาผนึกหลังการเผาผนึก วิธีการขั้นพื้นฐานที่สุดของเครื่องมือตัดคือการลับคมคมตัด เครื่องมือหลายชนิดจำเป็นต้องเจียรรูปทรงและขนาดหลังจากการเผาผนึก เครื่องมือบางชนิดจำเป็นต้องเจียรด้านบนและด้านล่าง ในขณะที่บางชนิดจำเป็นต้องเจียรรอบนอก (ไม่ว่าจะลับคมคมตัดหรือไม่ก็ตาม) เศษคาร์ไบด์ทั้งหมดจากการเจียรสามารถนำไปรีไซเคิลได้

การเคลือบชิ้นงาน

ในหลายกรณี ชิ้นงานที่เสร็จแล้วจำเป็นต้องได้รับการเคลือบ การเคลือบนี้ช่วยเพิ่มความลื่นและเพิ่มความแข็ง รวมถึงเป็นเกราะป้องกันการแพร่กระจายของสารตั้งต้น ช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชันเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูง สารตั้งต้นคาร์ไบด์ซีเมนต์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของสารเคลือบ นอกจากการปรับแต่งคุณสมบัติหลักของผงเมทริกซ์แล้ว คุณสมบัติพื้นผิวของเมทริกซ์ยังสามารถปรับแต่งได้ด้วยการคัดเลือกทางเคมีและการเปลี่ยนวิธีการเผาผนึก การเคลื่อนที่ของโคบอลต์ทำให้โคบอลต์มีความเข้มข้นมากขึ้นในชั้นนอกสุดของพื้นผิวใบมีดภายในความหนา 20-30 ไมโครเมตร เมื่อเทียบกับส่วนอื่นๆ ของชิ้นงาน ส่งผลให้พื้นผิวของสารตั้งต้นมีความแข็งแรงและความเหนียวที่ดีขึ้น ทนทานต่อการเสียรูปมากขึ้น

ผู้ผลิตเครื่องมืออาจมีข้อกำหนดพิเศษบางประการเกี่ยวกับเกรดของผงคาร์ไบด์ซีเมนต์ที่ใช้ ขึ้นอยู่กับกระบวนการผลิตของตนเอง (เช่น วิธีการกำจัดขี้ผึ้ง อัตราความร้อน เวลาในการเผา อุณหภูมิ และแรงดันไฟฟ้าในการคาร์บูไรซิ่ง) ผู้ผลิตเครื่องมือบางรายอาจเผาชิ้นงานในเตาสุญญากาศ ในขณะที่บางรายอาจใช้เตาเผาแบบอัดไอโซสแตติกร้อน (HIP) (ซึ่งจะสร้างแรงดันให้กับชิ้นงานใกล้สิ้นสุดรอบกระบวนการเพื่อกำจัดเศษตกค้าง) ชิ้นงานที่เผาในเตาสุญญากาศอาจจำเป็นต้องถูกอัดไอโซสแตติกร้อนผ่านกระบวนการเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของชิ้นงาน ผู้ผลิตเครื่องมือบางรายอาจใช้อุณหภูมิการเผาสูญญากาศที่สูงขึ้นเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของการเผาของส่วนผสมที่มีปริมาณโคบอลต์ต่ำกว่า แต่วิธีนี้อาจทำให้โครงสร้างจุลภาคของส่วนผสมหยาบลง เพื่อรักษาขนาดเกรนให้ละเอียด สามารถเลือกผงทังสเตนคาร์ไบด์ที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่าได้ เพื่อให้ตรงกับอุปกรณ์การผลิตเฉพาะ เงื่อนไขการกำจัดขี้ผึ้งและแรงดันไฟฟ้าในการคาร์บูไรซิ่งยังมีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับปริมาณคาร์บอนในผงคาร์ไบด์ซีเมนต์

การแบ่งเกรด

การเปลี่ยนแปลงของผงทังสเตนคาร์ไบด์ชนิดต่างๆ ส่วนผสม ปริมาณสารยึดเกาะโลหะ ชนิดและปริมาณของสารยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช ฯลฯ ก่อให้เกิดเกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์หลากหลายชนิด พารามิเตอร์เหล่านี้จะกำหนดโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของคาร์ไบด์ซีเมนต์ การผสมผสานคุณสมบัติเฉพาะบางประการกลายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานเฉพาะทางบางประเภท ทำให้การจำแนกเกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์ต่างๆ มีความสำคัญอย่างยิ่ง

ระบบการจำแนกประเภทคาร์ไบด์ที่นิยมใช้กันมากที่สุดสองระบบสำหรับงานตัดเฉือน ได้แก่ ระบบการกำหนด C และระบบการกำหนด ISO แม้ว่าระบบทั้งสองระบบจะไม่ได้สะท้อนคุณสมบัติของวัสดุที่มีอิทธิพลต่อการเลือกเกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์อย่างครบถ้วน แต่ก็เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการอภิปราย สำหรับการจำแนกประเภทแต่ละประเภท ผู้ผลิตหลายรายมีเกรดพิเศษของตนเอง ส่งผลให้มีเกรดคาร์ไบด์ที่หลากหลาย

เกรดคาร์ไบด์สามารถจำแนกตามองค์ประกอบได้เช่นกัน เกรดทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) สามารถแบ่งออกได้เป็นสามประเภทพื้นฐาน ได้แก่ แบบง่าย แบบไมโครคริสตัลไลน์ และแบบผสม เกรดแบบซิมเพล็กซ์ประกอบด้วยทังสเตนคาร์ไบด์และสารยึดเกาะโคบอลต์เป็นหลัก แต่อาจมีสารยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชในปริมาณเล็กน้อย เกรดไมโครคริสตัลไลน์ประกอบด้วยทังสเตนคาร์ไบด์และสารยึดเกาะโคบอลต์ที่เติมวาเนเดียมคาร์ไบด์ (VC) และ (หรือ) โครเมียมคาร์ไบด์ (Cr3C2) ลงไปหลายพันส่วน และขนาดเกรนอาจเล็กถึง 1 ไมโครเมตรหรือน้อยกว่า เกรดโลหะผสมประกอบด้วยทังสเตนคาร์ไบด์และสารยึดเกาะโคบอลต์ที่มีไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) แทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC) และไนโอเบียมคาร์ไบด์ (NbC) อยู่ไม่กี่เปอร์เซ็นต์ สารที่เติมเข้าไปเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าคิวบิกคาร์ไบด์เนื่องจากคุณสมบัติการเผาผนึก โครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้นแสดงโครงสร้างสามเฟสที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน

1) เกรดคาร์ไบด์แบบธรรมดา

เกรดเหล่านี้สำหรับการตัดโลหะมักประกอบด้วยโคบอลต์ 3% ถึง 12% (โดยน้ำหนัก) ขนาดของเกรนทังสเตนคาร์ไบด์มักจะอยู่ระหว่าง 1-8 ไมโครเมตร เช่นเดียวกับเกรดอื่นๆ การลดขนาดอนุภาคของทังสเตนคาร์ไบด์จะเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงการแตกตามขวาง (TRS) แต่ลดความเหนียวลง ความแข็งของทังสเตนคาร์ไบด์บริสุทธิ์มักจะอยู่ระหว่าง HRA89-93.5 และความแข็งแรงการแตกตามขวางมักจะอยู่ระหว่าง 175-350ksi ผงของเกรดเหล่านี้อาจมีวัสดุรีไซเคิลจำนวนมาก

เกรดแบบง่ายสามารถแบ่งได้เป็น C1-C4 ในระบบเกรด C และสามารถจำแนกตามเกรด K, N, S และ H ในระบบเกรด ISO เกรดแบบง่ายที่มีคุณสมบัติปานกลางสามารถจัดประเภทเป็นเกรดสำหรับงานทั่วไป (เช่น C2 หรือ K20) และสามารถใช้สำหรับการกลึง การกัด การไส และการเจาะ เกรดที่มีขนาดเกรนเล็กกว่า หรือมีปริมาณโคบอลต์น้อยกว่า และมีความแข็งสูงกว่า สามารถจัดประเภทเป็นเกรดสำหรับงานตกแต่งผิว (เช่น C4 หรือ K01) ส่วนเกรดที่มีขนาดเกรนใหญ่กว่า หรือมีปริมาณโคบอลต์สูงกว่า และมีความเหนียวสูงกว่า สามารถจัดประเภทเป็นเกรดงานหยาบ (เช่น C1 หรือ K30)

เครื่องมือที่ผลิตจากเกรด Simplex สามารถใช้กับงานตัดเหล็กหล่อ สเตนเลสสตีลซีรีส์ 200 และ 300 อลูมิเนียมและโลหะที่ไม่ใช่เหล็กอื่นๆ ซูเปอร์อัลลอย และเหล็กกล้าชุบแข็ง เกรดเหล่านี้ยังสามารถใช้ในการตัดที่ไม่ใช่โลหะ (เช่น เครื่องมือขุดเจาะหินและธรณีวิทยา) และมีขนาดเกรนตั้งแต่ 1.5-10 ไมโครเมตร (หรือใหญ่กว่า) และมีปริมาณโคบอลต์ 6%-16% การใช้งานตัดที่ไม่ใช่โลหะอีกประการหนึ่งของเกรดคาร์ไบด์แบบเรียบคือการผลิตแม่พิมพ์และแม่พิมพ์เจาะ โดยทั่วไปเกรดเหล่านี้จะมีขนาดเกรนปานกลางและมีปริมาณโคบอลต์ 16%-30%

(2) เกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์ไมโครคริสตัลไลน์

เกรดเหล่านี้มักมีโคบอลต์ 6%-15% ในระหว่างการเผาผนึกด้วยเฟสของเหลว การเติมวาเนเดียมคาร์ไบด์และ/หรือโครเมียมคาร์ไบด์สามารถควบคุมการเจริญเติบโตของเกรนเพื่อให้ได้โครงสร้างเกรนละเอียดที่มีขนาดอนุภาคน้อยกว่า 1 ไมโครเมตร เกรดเกรนละเอียดนี้มีความแข็งสูงมากและมีความแข็งแรงในการแตกร้าวตามขวางสูงกว่า 500 กิโลซิลิเมตร การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงสูงและความเหนียวที่เพียงพอทำให้เกรดเหล่านี้สามารถใช้มุมคายบวกที่กว้างขึ้น ซึ่งช่วยลดแรงตัดและทำให้ได้เศษโลหะที่บางลงโดยการตัดแทนที่จะดันวัสดุโลหะ

ด้วยการระบุคุณภาพวัตถุดิบต่างๆ อย่างเข้มงวดในการผลิตผงคาร์ไบด์ซีเมนต์เกรดต่างๆ และการควบคุมสภาวะกระบวนการเผาผนึกอย่างเข้มงวดเพื่อป้องกันการเกิดเกรนขนาดใหญ่ผิดปกติในโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ ทำให้สามารถได้คุณสมบัติของวัสดุที่เหมาะสม เพื่อรักษาขนาดเกรนให้เล็กและสม่ำเสมอ ควรใช้ผงรีไซเคิลรีไซเคิลเฉพาะในกรณีที่มีการควบคุมวัตถุดิบและกระบวนการกู้คืนอย่างสมบูรณ์ และมีการทดสอบคุณภาพอย่างละเอียด

เกรดไมโครคริสตัลไลน์สามารถจำแนกตามเกรด M ในระบบเกรด ISO ได้ นอกจากนี้ วิธีการจำแนกประเภทอื่นๆ ในระบบเกรด C และระบบเกรด ISO ก็เหมือนกับเกรดบริสุทธิ์ เกรดไมโครคริสตัลไลน์สามารถนำไปใช้ผลิตเครื่องมือที่ตัดวัสดุชิ้นงานที่อ่อนกว่าได้ เนื่องจากพื้นผิวของเครื่องมือสามารถกลึงได้เรียบเนียนมากและสามารถรักษาความคมของคมตัดได้อย่างดีเยี่ยม

เกรดไมโครคริสตัลไลน์ยังสามารถใช้ในการกลึงซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบได้ เนื่องจากสามารถทนต่ออุณหภูมิในการตัดได้สูงถึง 1,200°C สำหรับการแปรรูปซูเปอร์อัลลอยและวัสดุพิเศษอื่นๆ การใช้เครื่องมือเกรดไมโครคริสตัลไลน์และเครื่องมือเกรดบริสุทธิ์ที่มีรูทีเนียมสามารถปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอ ความต้านทานการเสียรูป และความเหนียวได้ในเวลาเดียวกัน เกรดไมโครคริสตัลไลน์ยังเหมาะสำหรับการผลิตเครื่องมือหมุน เช่น ดอกสว่านที่ก่อให้เกิดแรงเฉือน มีดอกสว่านที่ทำจากเกรดคอมโพสิตของคาร์ไบด์ซีเมนต์ ในบางส่วนของดอกสว่านเดียวกัน ปริมาณโคบอลต์ในวัสดุจะแตกต่างกันไป ทำให้สามารถปรับความแข็งและความเหนียวของดอกสว่านให้เหมาะสมตามความต้องการในการแปรรูป

(3) เกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์ชนิดโลหะผสม

เกรดเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับตัดชิ้นส่วนเหล็ก โดยมีปริมาณโคบอลต์ 5%-10% และขนาดเกรนอยู่ระหว่าง 0.8-2 ไมโครเมตร การเติมไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) 4%-25% จะช่วยลดแนวโน้มการแพร่กระจายของทังสเตนคาร์ไบด์ (WC) บนพื้นผิวของเศษเหล็ก การเพิ่มแทนทาลัมคาร์ไบด์ (TaC) และไนโอเบียมคาร์ไบด์ (NbC) มากถึง 25% สามารถปรับปรุงความแข็งแรงของเครื่องมือ ความต้านทานการสึกหรอแบบหลุม และความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ การเติมคาร์ไบด์คิวบิกเหล่านี้ยังช่วยเพิ่มความแข็งสีแดงของเครื่องมือ ช่วยหลีกเลี่ยงการเสียรูปเนื่องจากความร้อนของเครื่องมือในการตัดหนักหรืองานอื่นๆ ที่คมตัดจะก่อให้เกิดอุณหภูมิสูง นอกจากนี้ ไทเทเนียมคาร์ไบด์ยังสามารถสร้างจุดนิวเคลียสในระหว่างการเผาผนึก ซึ่งช่วยเพิ่มความสม่ำเสมอของการกระจายตัวของคาร์ไบด์คิวบิกในชิ้นงาน

โดยทั่วไปแล้ว เกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์ชนิดโลหะผสมมีช่วงความแข็งอยู่ที่ HRA91-94 และมีค่าความแข็งแรงการแตกหักตามขวางอยู่ที่ 150-300ksi เมื่อเปรียบเทียบกับเกรดบริสุทธิ์ เกรดโลหะผสมจะมีความต้านทานการสึกหรอต่ำและมีความแข็งแรงต่ำกว่า แต่มีความต้านทานการสึกหรอจากการยึดติดที่ดีกว่า เกรดโลหะผสมสามารถแบ่งได้เป็น C5-C8 ในระบบเกรด C และสามารถจำแนกตามเกรด P และ M ในระบบเกรด ISO เกรดโลหะผสมที่มีคุณสมบัติปานกลางสามารถจัดประเภทเป็นเกรดสำหรับงานทั่วไป (เช่น C6 หรือ P30) และสามารถใช้สำหรับการกลึง การต๊าป การไส และการกัด เกรดที่มีความแข็งสูงสุดสามารถจัดประเภทเป็นเกรดสำหรับงานตกแต่งผิว (เช่น C8 และ P01) สำหรับงานกลึงตกแต่งผิวและงานคว้าน โดยทั่วไปเกรดเหล่านี้จะมีขนาดเกรนเล็กกว่าและมีปริมาณโคบอลต์ต่ำกว่าเพื่อให้ได้ความแข็งและความต้านทานการสึกหรอตามที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม สมบัติของวัสดุที่ใกล้เคียงกันสามารถได้จากการเติมคาร์ไบด์คิวบิกเพิ่มเติม เกรดที่มีความเหนียวสูงสุดสามารถจัดประเภทเป็นเกรดสำหรับงานกัดหยาบ (เช่น C5 หรือ P50) โดยทั่วไปเกรดเหล่านี้มีขนาดเกรนปานกลางและมีปริมาณโคบอลต์สูง โดยมีการเติมคาร์ไบด์คิวบิกในปริมาณน้อยเพื่อให้ได้ความเหนียวตามต้องการโดยยับยั้งการเติบโตของรอยแตกร้าว ในงานกลึงแบบมีสะดุด ประสิทธิภาพการตัดสามารถปรับปรุงได้อีกโดยใช้เกรดที่อุดมด้วยโคบอลต์ดังที่กล่าวมาข้างต้นซึ่งมีปริมาณโคบอลต์สูงบนพื้นผิวเครื่องมือ

เกรดโลหะผสมที่มีปริมาณไทเทเนียมคาร์ไบด์ต่ำกว่าจะใช้สำหรับการตัดเฉือนเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กเหนียว แต่ก็สามารถใช้สำหรับการตัดเฉือนโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลักได้เช่นกัน โดยทั่วไปแล้วขนาดเกรนของเกรดเหล่านี้น้อยกว่า 1 ไมโครเมตร และมีปริมาณโคบอลต์ 8%-12% เกรดที่แข็งกว่า เช่น M10 สามารถใช้สำหรับการกลึงเหล็กเหนียว ส่วนเกรดที่เหนียวกว่า เช่น M40 สามารถใช้สำหรับการกัดและไสเหล็ก หรือสำหรับการกลึงเหล็กกล้าไร้สนิมหรือซูเปอร์อัลลอย

เกรดคาร์ไบด์ซีเมนต์ชนิดโลหะผสมยังสามารถนำไปใช้งานตัดเฉือนที่ไม่ใช่โลหะได้ โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการสึกหรอ ขนาดอนุภาคของเกรดเหล่านี้โดยทั่วไปอยู่ที่ 1.2-2 ไมโครเมตร และมีปริมาณโคบอลต์อยู่ที่ 7%-10% ในการผลิตเกรดเหล่านี้ มักจะเติมวัตถุดิบรีไซเคิลในปริมาณสูง ส่งผลให้คุ้มค่าต้นทุนสูงในการใช้งานชิ้นส่วนสึกหรอ ชิ้นส่วนสึกหรอต้องการความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีและความแข็งสูง ซึ่งสามารถทำได้โดยการเติมนิกเกิลและโครเมียมคาร์ไบด์ในการผลิตเกรดเหล่านี้

เพื่อตอบสนองความต้องการทางเทคนิคและเศรษฐกิจของผู้ผลิตเครื่องมือ ผงคาร์ไบด์จึงเป็นองค์ประกอบสำคัญ ผงที่ออกแบบมาสำหรับอุปกรณ์การตัดเฉือนและพารามิเตอร์กระบวนการของผู้ผลิตเครื่องมือ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของชิ้นงานสำเร็จรูป และส่งผลให้มีเกรดคาร์ไบด์หลายร้อยเกรด คุณสมบัติในการรีไซเคิลของวัสดุคาร์ไบด์และความสามารถในการทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์ผงโดยตรง ช่วยให้ผู้ผลิตเครื่องมือสามารถควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์และต้นทุนวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพ