Węgliki spiekane – co to jest właściwie?

Węgliki spiekane należą do materiałów kompozytowych. Dokładnie rzecz biorąc, chodzi tutaj o stopy z bardzo twardych metali (węgliki) i metalu spajającego. 
Typowe są bardzo duża
twardość i niezwykle
wysoka odporność na zużycie

 

Węgliki spiekane – co jest w ich środku?

Węgliki spiekane są produkowane przeważnie w połączeniu węglika wolframu z kobaltem (WC + Co). Jako materiały twarde stosowane są oprócz wolframu (WC) także tytan (TiC), tantal (TaC), chrom (CrC) i inne węgliki. Najczęściej stosowanymi spoiwami są kobalt (Co), nikiel (Ni), żelazo (Fe) i nikiel z chromem (NiCr).

 

WĘGLIKI SPIEKANE – KTO JE WYNALAZŁ?

W roku 1914 Lohman i Voigtländer opatentowali swój odlewany twardy metal, ale ze względu na jego kruchość nie mogli się z nim początkowo przebić na rynku. Udało się to dopiero dziewięć lat później, kiedy Karl Schröter i Heinrich Baumhauer opracowali węgliki spiekane. Ich patent w roku 1923 zakupiła firman Osram. Zastosowanie przemysłowe rozpoczęło się w roku 1926 od rolek. Firma Krupp Hartmetall z powodzeniem wprowadziła ten materiał na rynek pod nazwą widia „wie Diamant” (z niemieckiego „jak diament”). W ZSRR węgliki spiekane są znane od roku 1929 jako pobiedit, od firmy o tej samej nazwie.

 

WĘGLIK WOLFRAMU – WOLFRAM CO?

Ze względu na jego nadzwyczajną twardość  WĘGLIK WOLFRAMU est często porównywany z diamentem. Jest on pozyskiwany z najważniejszych rud wolframu - wolframitu i szelitu. Są one wydobywane głównie w Chinach, Rosji, Kanadzie, Austrii i Portugalii. Węglik wolframu jest wytwarzany poprzez dodanie węgla do proszku wolframu. Proces ten nazywa się  NAWĘGLANIEM. Chodzi przy tym o proces obróbki metalu, w którym węgiel jest dodawany do powierzchni metalu, który ma niewielką zawartość węgla i ostatecznie zwiększa twardość metalu. 

 

Wszystko kwestią wiązania? Zgadza się!?

Jako spoiwo główne stosowany jest kobalt, gdyż pozytywnie wpływa na proces spiekania. Jeżeli celem jest uzyskanie większej odporności na korozję, to właściwym wyborem jest spoiwo z niklu. Ogólnie rzecz biorąc najczęściej stosowanymi spoiwami są w dzisiejszej produkcji węglików spiekanych kobalt (Co), nikiel (Ni), żelazo (Fe) i nikiel z chromem (NiCr).

 

Jeden materiał, wiele zalet - to oferują węgliki spiekane!

Węgliki spiekane mogą być stosowane w niezwykle elastyczny sposób i oferują wiele zalet. Dla większości klientów firmy DURIT najważniejszymi jest przy tym pięć następujących właściwości.

Odporność na zużycie

W licznych procesach przemysłowych dochodzi do operacji ścierania się międzyróżnymi materiałami, z których jeden zużywa się wcześniej. Węgliki spiekane oferują tutaj, także dzięki ich wielostronnym możliwościom zastosowania, optymalne możliwości znacznego zmniejszenia przedwczesnego zużycia.

Twardość

Stopień twardości węglików spiekanych jest określany metodą Vickersa. Stosowana jest przy tym siła ciężaru równego 30 kg lub 294 niutonów, aby na zdefiniowanym diamencie wytworzyć dające się zmierzyć wciśnięcie wgłębnika na powierzchni. Twardość elementu z węglików spiekanych rośnie wraz z malejącą zawartością spoiwa i malejącą wielkością ziaren.

Wytrzymałość na ściskanie

W porównaniu z innymi materiałami węgliki spiekane cechuje niezwykła wytrzymałość na ściskanie. Rośnie ona wraz z malejącą zawartością spoiwa i malejącą wielkością ziaren. Gatunki węglików spiekanych o niewielkiej wielkości ziaren węglika wolframu i niskiej zawartości spoiwa mają typową wytrzymałość na ściskanie równą w przybliżeniu 7000 N/mm².

 

Produkcja węglików spiekanych wyjaśniona w skrócie - tak się to robi!

Proszek z węglika wolframu i wybranego spoiwa jest mieszany i mielony w żądanym składzie. Na koniec jest on suszony. Powstały z tego granulat jest następnie wciskany do formy. Tutaj do wyboru są różne rodzaje bezpośredniego i pośredniego formowania. Następnie wypraska, zwana także wypraską surową z proszków jest obrabiana mechanicznie. Na zakończenie odbywa się spiekanie w temperaturze ok. 1300–1500 °C.

 

Proszek, wypraska, wypraska surowa - co to jest właściwie?

Wypraska z proszków znajdująca się w stanie kredy jest fachowo nazywana
jako wypraska surowa. Podczas spiekania wyraźnie zmniejszają się porowatość i objętość.

 

Spiekanie - całkiem ładna gorąca metoda.

Spiekanie jest metodą produkcji lub zmiany materiałów - procesem cieplnym z wyłączeniem tlenu. Procesy spiekania mają duże znaczenie w produkcji ceramiki i metalurgii. W produkcji węglików spiekanych węgliki wolframu są na stałe wiązane w matrycy spoiwa. W tym celu spoiwo w wyprasce surowej jest ogrzewane aż do fazy ciekłej. Wypełnia ono występujące przestrzenie pośrednie i otacza węgliki. Podczas spiekania izostatycznego HIP, po osiągnięciu fazy ciekłej jest wciskany argon pod wysokim ciśnieniem. Drzewo węgliki spiekane są jeszcze raz zagęszczane i uzyskują jednolitą strukturę bez porów.

 

Półfabrykat - przeznaczony do dalszej obróbki.

Pojęcie półfabrykatu oznacza obrabiany przedmiot, który musi być poddany dalszej obróbce. W produkcji węglików spiekanych chodzi przy tym o element występujący po spiekaniu. Dobrze wiedzieć: półfabrykaty firmy DURIT mają bardzo mały naddatek na szlifowanie - dla optymalnej dalszej obróbki.

 

Jak długo jeszcze do gotowego elementu konstrukcyjnego z węglików spiekanych?

Nie każda węglik spiekany jest taki sam. Czas trwania produkcji zależy od wielkości

elementu, żądanych kształtów geometrycznych oraz od wymaganej jakości. Nie można więc ogólnie powiedzieć, ile czasu trwa ich wykonanie - jest to określane indywidualnie dla każdego elementu konstrukcyjnego.

 

Jakie gatunki węglików spiekanych i do czego?

W zależności od składu i mikrostruktury węgliki spiekane mają bardzo różne właściwości. Zasadniczo wyróżnia się następujące trzy typy.

» GD

Węgliki spiekane do obróbki plastycznej, ochrony przed zużyciem i korozją

» BD

Węgliki spiekane do obróbki plastycznej i dla górnictwa

» KD

Węgliki spiekane do obróbki skrawaniem

 

Spoiwo, udział spoiwa, wielkości ziaren - to robi różnicę!

Elementy z węglików spiekanych są produkowane przeważnie indywidualnie i do całkiem specyficznych wymagań. Z tego wynika, że wskutek najróżniejszych celów spełniają one całkiem różne właściwości. Zasadniczo odróżniają się one spoiwem, udziałem spoiwa oraz wielkością ziaren.

 

Od drobnego nanoziarna aż do bardzo dużego ziarna - wielkość ziaren.

Harmonia twardości i odporności na zużycie z jednej strony oraz ciągliwość z drugiej strony czynią węgliki spiekane tak wyjątkowymi. Dokładne właściwości są określane na podstawie składu. Wskutek zmian struktury można osiągnąć lub wzmocnić specjalne właściwości. Tak więc obowiązuje: 

Im drobniejsze jest ziarno, tym twardszy jest materiał.

Im grubsze jest ziarno, tym WIĘKSZA jest odporność na pękanie.

» nanoziarno < 0,2 µm

» ziarno ultradrobne 0,2 – 0,5 µm

» ziarno bardzo drobne 0,5 – 0,8 µm

» ziarno drobne 0,8 – 1,3 µm

» ziarno normalne 1,3 – 2,5 µm

» ziarno grube 2,5 – 6,0 µm

» ziarno bardzo grube > 6,0 µm

 

Co z czym? Z jakimi materiałami można łączyć węgliki spiekane?

Węgliki spiekane można obrabiać w sposób wszechstronny. Materiał ten można zatem lutować, kurczyć, kleić, skręcać śrubami, zaciskać, czy też prasować. W związku z tym węgliki spiekane można łączyć z wieloma innymi materiałami: oprócz odpowiednich tworzyw sztucznych w rachubę wchodzą wszystkie materiały metalowe.

 

Jakie sposoby mocowania są możliwe?

Jaki sposób mocowania jest sensowny, to zależy w gruncie rzeczy od dziedziny zastosowania obrabianego przedmiotu. W końcu węgliki spiekane oferują w tym względzie liczne opcje: m. in. lutowanie, klejenie, kurczenie, odlewanie lub mocowanie mechaniczne.

 

Lutowanie węglików spiekanych

Węgliki spiekane można przylutować do odpowiednich elementów stalowych. Należy przy tym zwrócić uwagę na odpowiednie dla lutowania ukształtowanie elementów z węglików spiekanych. Należy przy tym pamiętać, że węgliki spiekane w porównaniu ze stalą konstrukcyjną mają mniej więcej rozszerzalność cieplną równą tylko połowie tej wartości dla stali.

 

Klejenie węglików spiekanych

Zanim sklei się węgliki spiekane, powierzchnię klejenia należy odpowiednio obrobić i mechanicznie nadać jej szorstkości. Stosowane kleje mają dobrą wytrzymałość cieplną do 200 °C.

 

Kurczenie węglików spiekanych

Termokurczenie jest idealnym zamocowaniem dla obracających się narzędzi w obróbce plastycznej. Oprawa ze stali jest przy tym podgrzewana do 450 °C i następnie wstawiany jest rdzeń z węglików spiekanych.

 

Odlewanie węglików spiekanych

Elementy staliwne można łączyć bezpośrednio z elementami z węglików spiekanych zawierających kobalt za pomocą specjalnej metody odlewania. Powstaje przy tym strefa mieszana z węglików spiekanych i staliwa o znakomitej przyczepności.

 

Mocowanie mechaniczne węglików spiekanych

Węgliki spiekane można bez problemu łączyć na śruby. Pod względem konstrukcyjnym w materiale nośnym powinien być przewidziany gwint. Należy pamiętać, że wykonywanie gwintów w elementach wykonanych całkowicie z węglików spiekanych jest z reguły bardzo kosztowne.

 

Jak dokładnie można obrobić węgliki spiekane?

To jak precyzyjnie można obrobić węgliki spiekane, zależy od geometrii obrabianego przedmiotu. Elementy konstrukcyjne z konturami można ekonomicznie obrobić częściowo tylko w wyprasce surowej. Wskutek skurczu wypraski surowej podczas procesu spiekania można zrealizować dokładność w zakresie dziesiętnych. W przypadku brył obrotowych lub o regularnych kształtach geometrycznych precyzja jest znacznie większa: z dokładnością do 3 µm.

 

Twarde, twardsze, węgliki spiekane - może być tak twardy!

Twardość węglików spiekanych jest ustalana w całej Europie w stopniach Vickersa. W USA preferuje się badanie metodą Rockwella (HRA). W rzeczywistości węgliki spiekane posiadają bardzo szerokie spektrum twardości. Sięga ona od gatunków „miękkich” o twardości 750HV30 do gatunków o wysokiej odporności na zużycie o twardości do 2000HV30.

 

WĘGLIKI SPIEKANE MOGĄ RDZEWIEĆ?

Tak, ale nie w taki sposób, jak to ma miejsce w przypadku stali. W przypadku węglików spiekanych, związanych kobaltem może nastąpić utlenienie powierzchniowe  kobaltu, które jednak nie niszczy właściwej struktury, jak to ma miejsce w przypadku stali.

 

Czy węgliki spiekane przewodzą prąd elektryczny?

Na pytanie, czy węgliki spiekane przewodzą prąd elektryczny, należy wyraźnie odpowiedzieć, że tak. Wskutek zawartości węglika wolframu są one nawet bardzo dobrym przewodnikiem. Średni opór wynosi 20 µΩ/cm.

 

Czy węgliki spiekane są magnetyczne?

Wskutek zastosowania kobaltu i niklu jako materiałów na spoiwo węgliki spiekane mają właściwości magnetyczne. Za pomocą specjalnej metody spiekania można mocno zmniejszyć możliwość magnesowania węglików spiekanych związanych niklem.

 

Czy węgliki spiekane można powlekać?

Węgliki spiekane można powlekać metodą PVD lub CVD. Metodę PVD wskutek niskich temperatur powlekania równych około 450 °C należy preferować w zestawieniu z metodą CVD, w której temperatury powlekania wynoszą 900–1100 °C. Węgliki spiekane są często wykorzystywane jako podstawa do powlekania, gdyż mają dużą wytrzymałość na ściskanie i np. podczas stosowania elementów powlekanych nie występuje efekt skorupki jajka.