Volhardmetalen gereedschappen
Van circulair tot 3D-printen
Volhardmetalen gereedschappen zijn niet meer weg te denken uit de moderne verspaning. Onderzoekers denken een oplossing te hebben gevonden om met deze gereedschappen droog te kunnen verspanen. En andere zetten in op 3D printen met hardmetaal.
Volhardmetalen (VHM) gereedschappen worden veel gebruikt in de verspaning. Ze bestaan uit Wolfraamcarbide en een zachter metaal als bindmiddel. Wolfraamcarbide (wolfraam en koolstof) is hard (als diamant, vandaar de benaming Widia, wie Diamant op z’n Duits) en heeft als bijkomend voordeel dat deze hardheid amper verandert naarmate de temperatuur stijgt. Dat is ideaal voor de verspaning. Er wordt veelal kobalt als bindmiddel aan toegevoegd. Fabrikanten kunnen door wolfraamcarbide te sinteren de eigenschappen sturen en het snijmateriaal nog harder maken. Via de sinterparameters kan men het percentage kobalt in de buitenste lagen, grofweg 20-30 μm, verhogen. Hierdoor verbetert de taaiheid, wat tot gevolg heeft dat het meer weerstand biedt tegen vervorming. Dankzij de elasticiteit van het substraat kan men een coating duurzaam aanbrengen op een hardmetalen gereedschap.
Volhardmetalen gereedschappen om droog te verspanen of voor 3D-printen met hardmetaal
Verschillende processen
Fabrikanten van hardmetalen gereedschappen gebruiken niet allemaal hetzelfde proces om de gereedschappen te maken. Afgezien van hun eigen substraat en procesparameters, kunnen ze sinteren in een vacuümoven of deze stap combineren met Hot Isostatic Pressing. Behalve met temperatuur wordt het poeder dan met druk verder verdicht. Met deze processtap hebben de fabrikanten invloed op de dichtheid en de hoeveelheid kobalt die voor een gereedschap nodig is. Hierdoor kan eveneens de microstructuur van het hardmetaal veranderen. Er bestaan dan ook honderden hardmetaalgradaties, vaak afgestemd op het bewerken van een specifiek materiaal of met specifieke doelen voor ogen. Een vrij recente ontwikkeling binnen de academische wereld is het ongecoat substraat aanvullend nog een cryogene nabehandeling te geven. Hierbij wordt het materiaal gekoeld tot -193 °C en blijft het ongeveer 27 uur in een omgeving met deze extreem lage temperatuur. Daarna wordt de temperatuur langzaam teruggebracht op kamertemperatuur en eventueel verwarmd tot 200 °C. Dit laatste heeft overigens slechts een beperkte meerwaarde Het WC-Co substraat verandert hierdoor niet qua microstructuur, maar er treedt wel een effect op, namelijk dat de flanken van de hardmetalen gereedschappen 4 tot 7% minder slijtage vertonen.
Microstructuren of coatings
Tegenwoordig worden de meeste VHM gereedschappen gecoat. Deze laag voorkomt oxidatie doordat de temperatuur aan de zijkant oploopt, verhoogt de hardheid en zorgt voor een smerende werking. Dat laatste wordt in de praktijk aangevuld met een koelsmeermiddel. Daar willen sommige bedrijven vanaf omdat men een duurzamer productieproces wil of dat de cleanliness-eisen daarna zeer grondige reiniging vergen. Wereldwijd zijn er de laatste jaren meerdere onderzoeken gedaan naar het droog frezen met VHM gereedschappen. In een recent onderzoek brengt men microstructuren in het oppervlak van de frees. Daarmee verbeteren de tribologische eigenschappen van de frees. Deze mechanische microstructuren (MµT) blijken goed te werken als men deze combineert met een molybdeen disulfide coating. Daarmee presteren de VHM gereedschappen zodanig dat droog verspanen een reëel alternatief kan zijn voor verspanen met koelvloeistoffen. Aan de Universiteit van Johannesburg zijn testen gedaan met het droog frezen van 316L met VHM gereedschappen, waar op zo’n microtextuur was aangebracht met vonkeroderen. De structuur zit op de flanken van de frees. De testen toonden aan dat deze gereedschappen veruit beter zijn dan ongecoate frezen, zowel wat slijtagegedrag betreft, spaanvorming als ook de MRR (Material Removal Rate). De texturen verlagen de snijkrachten op het gereedschap en dragen zo bij aan de langere standtijd en betere verspaningsprestaties. In Johannesburg heeft men een groot aantal testen gedaan met verschillende snijcondities. Daaruit blijkt dat hogere snelheden met een gemiddelde voedig en snedediepte de ideale condities zijn voor het droog frezen van 316L met getextureerde VHM frezen. Aan een Turkse universiteit onderzoekt men de mogelijkheden van nanocomposiet coatings in combinatie met een cryogene nabehandeling om droog verspanen mogelijk te maken. Zo’n nanocomposiet coating is een zelfsmerende laag. Onder dezelfde snijcondities presteren deze gereedschappen beter. Hierbij hebben de onderzoekers gekeken naar zowel de snijkrachten, de temperatuur die optreedt aan de snijkant, de wrijvingscoëfficient, de slijtage en de kwaliteit van het oppervlak van het werkstuk. Om de levensduur van de coating te verlengen, experimenten wetenschappers met een cryogene nabehandeling van de coating. Een TiAlSiN/TiSiN/TiAlN dunne coating die na het aanbrengen een cryogene nabehandeling ondergaat, heeft een langere levensduur. Testen wijzen uit dat dit varieert van een 30% langere standtijd tot zelfs 110%. De test werd gedaan door Inconel 718 te frezen met een snijsnelheid van 30 m/min.
Een vrij recente ontwikkeling binnen de academische wereld is het ongecoat substraat aanvullend nog een cryogene nabehandeling te geven
Waarom circulariteit nodig is
De markt voor wolfraamcarbide, hardmetaal, is de laatste jaren nogal in beweging geweest. Dat komt met name door de sterke positie van China in de wereldmarkt voor wolfraam, het basiselement van hardmetaal. China bezit ongeveer 80% van de wereldproductie dankzij eigen mijnen. Het land heeft nagenoeg dezelfde dominante positie in de markt voor APT, een tussenproduct dat nodig is voor de productie van hardmetaal. Maatregelen in China hebben daarom direct invloed op de prijzen. De reserves worden geschat op 7 miljoen ton, voldoende om een eeuw lang nog vooruit te kunnen, maar dan is het op. Daarom hebben inmiddels vrijwel alle producenten van hardmetalen gereedschappen recyclageprogramma’s opgezet. Dikwijls denken verspaners in eerste instantie aan het verzamelen van versleten wisselplaten voor deze programma’s, maar ook volhardmetalen gereedschappen worden gerecycled tot nieuwe. In een zinkproces worden ze ontbonden tot poeders of de fabrieken gebruiken een chemisch proces om de versleten gereedschappen op te lossen tot hun atomaire componenten. De eigenschappen van nieuwe frezen gemaakt met dit gerecycleerd basismateriaal blijven goed, in sommige opzichten verbeteren ze zelfs omdat de gerecycleerde poeders een kleiner oppervlak hebben. Hierdoor is de densiteit bij de verdere verwerking tot gereedschap beter voorspelbaar. Afhankelijk van het type gereedschap, kan tot wel 40% recycled wolfraamcarbide in een nieuw hardmetalengereedschap zijn verwerkt. Circulariteit kan in dit geval direct geld opleveren omdat sommige fabrikanten betalen bij de terugname van de gereedschappen. Maar bedrijven dragen zo vooral bij aan een betere ecologische voetdruk.
Hardmetaal en 3D-printen
Is 3D-printen al doorgedrongen tot de hardmetaalwereld? Ja. Er zijn al gereedschapfabrikanten die de eerste hardmetalen gereedschappen printen. Of men 3D-print direct de eindproducten met hardheden die vergelijkbaar zijn met diamant.
Echt gangbaar voor serieproductie is 3D-metaalprinten van wolfraamcarbides nog niet. Waarschijnlijk nog lang niet. Maar dat neemt niet weg dat de hardmetaalindustrie met meer dan gemiddelde interesse de ontwikkelingen in additive manufacturing volgt. Aan de ene kant zoeken gereedschapsfabrikanten een technologie om sneller prototypes te kunnen maken, aan de andere kant willen ze doorlooptijden bij de productie van speciale, vaak klantspecifieke gereedschappen verkorten door 3D-printen in te zetten. Hiervoor wordt EBM-technologie (elektronenstraal) ingezet naast selective lasermelting en is binder jetting in ontwikkeling.
Twee metalen in één product
Het meest harde materiaal dat men momenteel kan 3D-printen, heeft een hardheid die ligt tussen 68 en 72 HRC (bij maximaal 750 °C. Daarmee zit men ver boven de hardheid van een standaard gereedschapstaal en zijn deze gereedschappen in trek voor bewerkingen waarbij de slijtage extreem hoog ligt. Een van de meest interessante aspecten van deze productietechniek is echter dat men specifieke eigenschappen kan combineren in één product door twee poeders in hetzelfde gereedschap te gebruiken. Denk bijvoorbeeld aan een hardmetalen schacht waar op het snijdend deel wordt geprint met een hardere materiaalsoort. Op die manier kan men bijvoorbeeld extreme hardheid combineren met goede slijtvastheid. Omdat de carbides in het poeder evenredig verspreid zijn, haalt men een vergelijkbare harde structuur als bij gesinterde hardmetalen gereedschappen, vergelijkbaar met die van een diamant. Het grote voordeel blijft de vormvrijheid die additive manufacturing biedt. Hierdoor kan men intern door de gereedschappen koelkanalen laten lopen. Deze kunnen bij de gangbare productietechnieken alleen naderhand aangebracht worden en niet in een optimale geometrie, wat met 3D-printen wel kan. Deze vormvrijheid is eveneens een pluspunt omdat men hiermee nieuwe geometrieën kan ontwikkelen voor betere snijprestaties of langere standtijden. Tot nog toe wordt de vormvrijheid namelijk beperkt door de bestaande productietechnieken zoals persen en extruderen. De extreem hoge hardheid heeft wel het nadeel dat de noodzakelijke nabewerking niet gemakkelijk is. Lasertechnologie is hiervoor de meest voor de hand liggende oplossing.
Zonder kobalt
Binnen het Amerikaanse leger loopt echter al enige tijd een onderzoek naar het 3D printen met een kobaltvrij hardmetaalpoeder. Dit zou kunnen leiden tot een hogere sterkte, hogere hardheid en betere slijtageweerstand. Daarnaast heeft men dus niet langer kobalt nodig, een materiaal dat schaarser dreigt te worden en bij de winning nogal een grote ecologische voetafdruk kent. Het Amerikaanse leger heeft in 2020 een nieuw FE-gebaseerd nanomateriaal gepatenteerd, dat men gebruikt voor de matrix in de gecementeerde hardmetalen producten.
