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Cemented carbide

Circular saw blade with tungsten-carbide inserts Cemented carbides are a class of hard materials used extensively for cutting tools , as well as in other industrial applications...

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Circular saw blade with tungsten-carbide inserts

Cemented carbides are a class of hard materials used extensively for cutting tools, as well as in other industrial applications. It consists of fine particles of carbide cemented into a composite by a binder metal. Cemented carbides commonly use tungsten carbide (WC), titanium carbide (TiC), or tantalum carbide (TaC) as the aggregate. Mentions of "carbide" or "tungsten carbide" in industrial contexts usually refer to these cemented composites.

Most of the time, carbide cutters will leave a better surface finish on a part and allow for faster machining than high-speed steel or other tool steels. Carbide tools can withstand higher temperatures at the cutter-workpiece interface than standard high-speed steel tools (which is a principal reason enabling the faster machining). Carbide is usually superior for the cutting of tough materials such as carbon steel or stainless steel, as well as in situations where other cutting tools would wear away faster, such as high-quantity production runs. In situations where carbide tooling is not required, high-speed steel is preferred for its lower cost.

Construction

Cemented carbides are metal matrix composites where carbide particles act as the aggregate and a metallic binder serves as the matrix (analogous to concrete, where a gravel aggregate is suspended in a cement matrix). The structure of cemented carbide is conceptually similar to that of a grinding wheel, but the abrasive particles are much smaller; macroscopically, the material of a carbide cutter appears homogeneous.

The process of combining the carbide particles with the binder is referred to as sintering or hot isostatic pressing (HIP). During this process, the material is heated until the binder enters a liquid phase while the carbide grains (which have a much higher melting point) remain solid. At this elevated temperature and pressure, the carbide grains rearrange themselves and compact together, forming a porous matrix. The ductility of the metal binder serves to offset the brittleness of the carbide ceramic, resulting in the composite's high overall toughness and durability. By controlling various parameters, including grain size, cobalt content, dotation (e.g., alloy carbides) and carbon content, a carbide manufacturer can tailor the carbide's performance to specific applications.

El primer carburo cementado desarrollado fue el carburo de tungsteno (introducido en 1927), que utiliza partículas de carburo de tungsteno unidas por un aglutinante de cobalto. Desde entonces, se han desarrollado otros carburos cementados, como el carburo de titanio, más adecuado para el corte de acero, y el carburo de tantalio, más resistente que el carburo de tungsteno. [ 1 ]

Propiedades físicas

Se ha descubierto que el coeficiente de expansión térmica del carburo de tungsteno cementado varía con la cantidad de cobalto utilizada como aglutinante metálico. Para muestras con un 5,9 % de cobalto, se observa un coeficiente de Se midió 4,4 μm/(m·K) , mientras que las muestras de cobalto al 13% tienen un coeficiente de alrededor de5,0  μm/(m·K) . Ambos valores solo son válidos de 20 °C (68 °F) a 60 °C (140 °F) debido a la no linealidad en el proceso de expansión térmica. [ 2 ]    

Aplicaciones

Insertos para el corte de metales

Insertos de carburo de tungsteno

El carburo es más caro por unidad que otros materiales típicos para herramientas y es más frágil, lo que lo hace susceptible a astillarse y romperse. Para compensar estos problemas, la punta de corte de carburo suele ser un pequeño inserto para una herramienta de punta más grande cuyo vástago está hecho de otro material, generalmente acero para herramientas al carbono. Esto ofrece la ventaja de usar carburo en la interfaz de corte sin el alto costo y la fragilidad de fabricar toda la herramienta con carburo. La mayoría de las fresas frontales modernas usan insertos de carburo, así como muchas herramientas de torno y fresas de extremo . Sin embargo, en las últimas décadas, las fresas de extremo de carburo sólido también se han vuelto más comunes, siempre que las características de la aplicación hagan que las ventajas (como tiempos de ciclo más cortos) superen las desventajas (mencionadas anteriormente). Asimismo, las herramientas modernas de torneado (torno) pueden utilizar un inserto de carburo en una herramienta de carburo, como una barra de mandrinar, que son más rígidas que los portainsertos de acero y, por lo tanto, menos propensas a la vibración, lo cual es de particular importancia con barras de mandrinar o roscar que pueden necesitar alcanzar una profundidad en una pieza muchas veces mayor que el diámetro de la herramienta.

Recubrimientos de inserción

Para aumentar la vida útil de las herramientas de carburo, a veces se les aplica un recubrimiento. Cinco de estos recubrimientos son TiN ( nitruro de titanio ), TiC (carburo de titanio), Ti(C)N ( carburo-nitruro de titanio ), TiAlN ( nitruro de titanio y aluminio ) y AlTiN ( nitruro de aluminio y titanio ). (Están empezando a aparecer recubrimientos más novedosos, conocidos como DLC ( carbono tipo diamante ), que permiten obtener la potencia de corte del diamante sin la reacción química indeseada entre el diamante real y el hierro [ 3 ] ). La mayoría de los recubrimientos generalmente aumentan la dureza y/o la lubricidad de la herramienta. Un recubrimiento permite que el filo de corte de la herramienta atraviese el material limpiamente sin que este se adhiera. El recubrimiento también ayuda a disminuir la temperatura asociada con el proceso de corte y aumenta la vida útil de la herramienta. El recubrimiento generalmente se deposita mediante deposición química de vapor (CVD) térmica y, para ciertas aplicaciones, con el método de deposición física de vapor (PVD) mecánica . Sin embargo, si la deposición se realiza a una temperatura demasiado alta, se forma una fase eta de un carburo terciario de Co 6 W 6 C en la interfaz entre el carburo y la fase de cobalto, lo que puede provocar un fallo de adhesión del recubrimiento.

Insertos para herramientas de minería

Las herramientas de corte para minería y construcción de túneles suelen estar equipadas con puntas de carburo cementado, las llamadas "brocas de botón". El diamante artificial solo puede reemplazar a las puntas de carburo cementado cuando las condiciones son ideales, pero como la perforación de roca es un trabajo arduo, las brocas de botón de carburo cementado siguen siendo el tipo más utilizado en todo el mundo.

Rodillos para aplicaciones de laminado en caliente y en frío.

Desde mediados de la década de 1960, las acerías de todo el mundo han aplicado carburo cementado a los rodillos de sus laminadoras para el laminado en caliente y en frío de tubos, barras y perfiles planos.

Otras aplicaciones industriales

Esta categoría contiene un número incontable de aplicaciones, pero se puede dividir en tres áreas principales:

  • Componentes de ingeniería
  • Piezas de desgaste
  • Herramientas y piezas en bruto para herramientas

Algunas áreas clave donde se utilizan componentes de carburo cementado:

Hoja giratoria de una sierra de mesa cortando madera en ángulo.
  • Componentes automotrices
  • Herramientas para el embutido profundo de latas de dos piezas.
  • Cortadoras rotativas para el corte de alta velocidad de fibras artificiales.
  • Herramientas para el conformado de metales en aplicaciones de trefilado y estampado , como por ejemplo matrices de trefilado.
  • Anillos y casquillos, generalmente para aplicaciones de sellado y protección contra impactos.
  • Trabajos de carpintería, por ejemplo, para aplicaciones de aserrado y cepillado.
  • Pistones para bombas de alto rendimiento (por ejemplo, en instalaciones de energía nuclear ).
  • Boquillas, por ejemplo, boquillas de alto rendimiento para aplicaciones de perforación petrolífera .
  • Herramientas y componentes para techos y colas de alta resistencia al desgaste.
  • Bolas para rodamientos y bolígrafos

Usos no industriales

Joyería

El carburo de tungsteno se ha popularizado en la joyería nupcial debido a su extrema dureza y alta resistencia a los arañazos. Sin embargo, dada su fragilidad , es propenso a astillarse, agrietarse o romperse en joyería. Una vez fracturado, no se puede reparar.

Historia

El desarrollo inicial de los carburos cementados y sinterizados tuvo lugar en Alemania en la década de 1920. [ 4 ] ThyssenKrupp afirma [en presente histórico ]: « El carburo de tungsteno sinterizado fue desarrollado por la " Sociedad de estudio Osram para iluminación eléctrica" ​​para reemplazar a los diamantes como material para el mecanizado de metales. Al no disponer del equipo necesario para explotar este material a escala industrial, Osram vendió la licencia a Krupp a finales de 1925. En 1926, Krupp lanzó al mercado el carburo sinterizado bajo el nombre de WIDIA (acrónimo de WIe DIAmant = como el diamante)». [ 5 ] / ˈ v iː d i ə / El Manual de Maquinaria [ 4 ] indica que la introducción comercial de las herramientas de carburo tuvo lugar en 1927. Burghardt y Axelrod [ 6 ] indican que su introducción comercial en Estados Unidos se produjo en 1928. El desarrollo posterior tuvo lugar en varios países. [ 4 ]

Aunque la publicidad era un tanto exagerada (ya que los carburos no eran del todo iguales al diamante), las herramientas de carburo ofrecían una mejora en las velocidades y avances de corte tan notable que, al igual que el acero de alta velocidad dos décadas antes, obligó a los diseñadores de máquinas herramienta a replantearse todos los aspectos de los diseños existentes, con la vista puesta en una mayor rigidez y en mejores cojinetes del husillo .

Durante la Segunda Guerra Mundial, Alemania sufrió una escasez de tungsteno. Se descubrió que el tungsteno en carburo cortaba el metal con mayor eficacia que el tungsteno en acero de alta velocidad, por lo que, para ahorrar tungsteno, se utilizaron carburos para el mecanizado de metales en la medida de lo posible.

The Widia name became a genericized trademark in various countries and languages,[5] including English (widia, /ˈwɪdiə/), although the genericized sense was never especially widespread in English ("carbide" is the normal generic term). Since 2009, the name has been revived as a brand name by Kennametal,[7] and the brand subsumes numerous popular brands of cutting tools.

Uncoated tips brazed to their shanks were the first form. Clamped indexable inserts and a variety of coatings have been made in the decades since.[4] Carbide cutting surfaces now come in a variety of configurations.[8]

Regarding fine-grained hardmetal, an attempt has been made to follow the scientific and technological steps associated with its production; this task is not easy, though, because of the restrictions placed by commercial, and in some cases research, organisations, in not publicising relevant information until long after the date of the initial work. Thus, placing data in an historical, chronological order is somewhat difficult. However, it has been possible to establish that as far back as 1929, approximately 6 years after the first patent was granted, Krupp/Osram workers had identified the positive aspects of tungsten carbide grain refinement. By 1939, they had also discovered the beneficial effects of adding a small amount of vanadium and tantalum carbide. This effectively controlled discontinuous grain growth.[9]

What was considered 'fine' in one decade was considered not so fine in the next. Thus, a grain size in the range 0.5–3.0 μm was considered fine in the early years, but by the 1990s, the era of the nano-crystalline material had arrived, with a grain size of 20–50 nm.

Pobedit

Pobedit (Russian: победи́т) is a sintered carbide alloy of about 90% tungsten carbide as a hard phase, and about 10% cobalt (Co) as a binder phase, with a small amount of additional carbon. Developed in the Soviet Union in 1929, it is described as a material from which cutting tools are made. Later a number of similar alloys based on tungsten and cobalt were developed, and the name of 'pobedit' was retained for them as well.[10][11][12]

El pobedit se produce generalmente mediante metalurgia de polvos en forma de placas de diferentes formas y tamaños. El proceso de fabricación es el siguiente: se mezclan un polvo fino de carburo de tungsteno (u otro carburo refractario) y un polvo fino de un material aglutinante como cobalto o níquel, y luego se prensan para darles la forma adecuada. Las placas prensadas se sinterizan a una temperatura cercana al punto de fusión del metal aglutinante, lo que da como resultado una sustancia muy compacta y sólida.

Las placas de este material compuesto superduro se utilizan en la fabricación de herramientas de corte y perforación de metales; generalmente se sueldan a las puntas de las herramientas. No se requiere tratamiento térmico posterior. Los insertos de pobedit en las puntas de las brocas siguen estando muy extendidos en Rusia.

Según la comunidad de War Thunder , Pobedit es conocido coloquialmente como " Stalinium " y a menudo se bromea al respecto cuando se habla de tanques soviéticos indestructibles .

Véase también

Referencias

  1. ↑ Childs, Thomas (2000). "A6.2 Carburos cementados y cermets" . Mecanizado de metales: teoría y aplicaciones . Butterworth-Heinemann. págs. 388–389 . ISBN  978-0-340-69159-5.
  2. ↑ Hidnert, Peter (enero de 1937). "Expansión térmica del carburo de tungsteno cementado" . Journal of Research of the National Bureau of Standards . 18 (1): 47– 52. doi : 10.6028/jres.018.025 .
  3. ↑ Wang, Hongchao; Jin, Zhuji; Li, Xuehua; Niu, Hao; Guo, Xingchen; An, Zhibo (2022). "Perspectiva sobre el mecanismo de grafitización de la interfaz entre hierro y diamante: un estudio DFT". Diamond and Related Materials . 127 109213. Elsevier BV. Bibcode : 2022DRM...12709213W . doi : 10.1016/j.diamond.2022.109213 . ISSN 0925-9635 . 
  4. 1 2 3 4 Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (1996), Green, Robert E.; McCauley, Christopher J. (eds.), Machinery's Handbook (25.ª ed.), Nueva York: Industrial Press , pág. 744, ISBN   978-0-8311-2575-2, OCLC 473691581 . 
  5. 1 2 ThyssenKrupp AG, 1926 Krupp comercializa metal para herramientas WIDIA , Essen , Alemania, archivado del original el 25 de marzo de 2016 , recuperado el 2 de marzo de 2012 .
  6. ↑ Burghardt, Henry D.; Axelrod, Aaron (1954). Operación de máquinas herramienta . Vol. 2 (3.ª ed.). McGraw-Hill. pág. 453. LCCN 52011537 .    
  7. ↑ Widia.com , consultado el 22 de octubre de 2010 .
  8. ↑ "Materiales para herramientas de corte - Información técnica/Fórmula de corte | MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION" . www.mmc-carbide.com . Archivado del original el 14 de agosto de 2025. Consultado el 15 de junio de 2026 .
  9. ↑ Spriggs, Geoffrey E. (1995). "Una historia del metal duro de grano fino". International Journal of Refractory Metals and Hard Materials . 13 (5): 241– 255. doi : 10.1016/0263-4368(95)92671-6 .
  10. ↑ «Победит [ Pobedit ] » . Большая советская энциклопедия [Gran Enciclopedia Soviética] (en ruso) (3 ed.). Советская энциклопедия [Enciclopedia soviética]. 1975 . Consultado el 21 de junio de 2020 . 
  11. ↑ Васильев, Н. Н.; Исаакян, О. Н.; Рогинский, Н. О.; Смолянский, Я. B.; Сокович, В. A.; Хачатуров, Т. С. (1941). "ПОБЕДИТ [ Pobedit ] " . Технический железнодорожный словарь [Diccionario técnico ferroviario] (en ruso). Трансжелдориздат [Transseldorizdat].
  12. ↑ el diccionario gratuito: pobedit

Lecturas adicionales

  • Schubert, W.-D.; Lassner, E.; Böhlke, W (junio de 2010). "Carburos cementados: una historia de éxito" (PDF) . Boletín informativo de ITIA .
  • "Carburos cementados en la Unión Soviética: la historia desconocida" . Tungsteno (Boletín informativo de ITIA) .

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