Nástrojové materiály

Úvod

Výběr materiálu a třídy obráběcího nástroje je důležitým faktorem, který je třeba uvážit již při samotném návrhu úspěšné obráběcí operace.

Aby bylo možné provést správnou volbu, jsou důležité elementární znalosti jednotlivých nástrojových materiálů a jejich funkčních vlastností. Mezi další faktory, které je třeba uvážit při návrhu každé operace, patří materiál obrobku, typ a tvar obráběné součásti, podmínky obrábění a požadovaný stupeň kvality obrobené plochy.

Tato sekce se zaměřuje na poskytnutí dalších informací o jednotlivých nástrojových materiálech, jejich výhodách a doporučení pro jejich nejvhodnější použití.

Nástrojové materiály se vyznačují různou kombinací tvrdosti, houževnatosti a odolnosti proti opotřebení a lze je rozdělit do celé řady tříd se specifickými vlastnostmi. Obecně lze říci, že nejvhodnější nástrojový materiál pro danou aplikaci musí být:

• Tvrdý, aby odolával opotřebení hřbetu a plastické deformaci
• Houževnatý, aby odolal celkovému (totálnímu) lomu
• Nesmí reagovat s materiálem obrobku
• Chemicky stabilní, aby odolával oxidaci a difuzi
• Odolný proti náhlým změnám teplot

Povlakované slinuté karbidy jako materiál obráběcího nástroje

• Povlakované – CVD
• Povlakované – PVD
• Slinutý karbid

Jaké jsou povlakované slinuté karbidy jako materiál obráběcího nástroje?

V současnosti povlakované slinuté karbidy představují 80–90 % veškerých břitových destiček používaných pro obráběcí nástroje. Jejich úspěch jakožto nástrojového materiálu je dán jejich unikátní kombinací odolnosti proti opotřebení a houževnatosti, ale také jejich předpoklady pro formování do složitých tvarů.

Povlakované slinuté karbidy představují kombinaci slinutého karbidu a povlaku. Společně tvoří nástrojovou třídu, která je přizpůsobena pro daný způsob aplikace.

Třídy povlakovaných slinutých karbidů představují první volbu pro široké spektrum nástrojů a aplikací.

Povlakované - CVD

Popis a vlastnosti

CVD je zkratka anglického výrazu Chemical Vapor Deposition – chemická depozice z plynné fáze. CVD povlak vzniká chemickými reakcemi při teplotách v rozmezí 700–1050 °C.

CVD povlaky mají vysokou odolnost proti otěru a skvělou adhezi ke slinutým karbidům.

Prvním povlakem naneseným na slinutý karbid metodou CVD byl jednovrstvý povlak z karbidu titanu (TiC). Povlaky z oxidu hlinitého (Al2O3) a z nitridu titanu (TiN) byly zavedeny později. V nedávné době byly vyvinuty moderní povlaky z karbonitridu titanu ((MT-Ti(C,N) nebo MT-TiCN, nazývané také MT-CVD), které umožňují zlepšení vlastností nástrojové třídy díky své schopnosti chránit povrch slinutého karbidu a udržet jej neporušený.

Moderní CVD povlaky jsou kombinací MT-Ti(C,N), Al2O3 a TiN. Vlastnosti povlaků z hlediska adheze, houževnatosti a způsobu jejich opotřebení byly průběžně zdokonalovány prostřednictvím optimalizace jejich mikrostruktury a postupů následného zpracování. Viz technologie Inveio™.

MT-Ti(C,N) - jeho tvrdost zajišťuje odolnost proti opotřebení otěrem, což má za následek menší opotřebení hřbetu.

CVD-Al2O3 - chemicky inertní s nízkou tepelnou vodivostí, což jej činí odolným proti opotřebení ve tvaru žlábku. Rovněž plní úlohu tepelné clony a pomáhá zlepšit odolnost proti plastické deformaci.

CVD-TiN - Zlepšuje odolnost proti opotřebení a je také využíván pro zjištění stupně opotřebení.

Postupy následného zpracování - zlepšují houževnatost při přerušovaném řezu a snižují tendence k ulpívání materiálu obrobku na břitu.

Použití

Třídy s CVD povlakem představují první volbu pro široké spektrum aplikací, u kterých má klíčový význam odolnost proti otěru. S takovými aplikacemi se lze setkat při všeobecném soustružení a vyvrtávání v ocelích, kde odolnost proti opotřebení ve tvaru žlábku je zajišťována CVD povlaky velké tloušťky, při všeobecném soustružení korozivzdorné oceli a u tříd pro frézování v materiálech ISO P, ISO M, ISO K. Při vrtání se třídy s CVD povlakem obvykle používají pro obvodové břitové destičky.

Povlakované – PVD

Popis a vlastnosti

PVD povlaky (Physical Vapor Deposition), které jsou nanášeny odpařením z pevné fáze, vznikají za relativně nízkých teplot (400–600 °C). Samotný proces se skládá z postupného odpaření kovu, který reaguje například s dusíkem, přičemž na povrchu obráběcího nástroje vzniká tvrdý nitridový povlak.

PVD povlaky díky své tvrdosti ještě zvyšují odolnost dané nástrojové třídy proti otěru. Jejich vnitřní tlaková pnutí také přinášejí zvýšení houževnatosti břitu a odolnosti proti tepelným hřebenovým trhlinám. Viz technologie Zertivo™.

Hlavní složky PVD povlaků jsou popsány níže. Moderní povlaky jsou kombinací těchto složek v na sebe navazujících vrstvách a/nebo mnohovrstvých povlacích. Mnohovrstvý povlak se skládá z velkého množství tenkých vrstev, s tloušťkou v řádu nanometrů, což ještě více zvyšuje tvrdost povlaku.

PVD-TiN - první povlak nanášený metodou PVD byl z nitridu titanu. Má univerzální vlastnosti a zlatou barvu.

PVD-Ti(C,N) - karbonitrid titanu je tvrdší než TiN a zvyšuje odolnost proti opotřebení hřbetu..

PVD-(Ti,Al)N - titan aluminium nitrid se vyznačuje vysokou tvrdostí v kombinaci s vysokou odolností proti oxidaci, což přispívá k celkovému zvýšení odolnosti proti opotřebení.

PVD-oxidický - je využíván pro svou chemickou netečnost a zvýšenou odolnost proti opotřebení ve tvaru žlábku.

Použití

Třídy s PVD povlakem jsou doporučeny, jsou-li zapotřebí houževnaté, ale přesto ostré břity, jakož i pro obrábění materiálů snadno ulpívajících na břitu. Takové aplikace jsou velmi rozšířené a zahrnují rovněž všechny monolitní karbidové frézy a vrtáky a většinu tříd pro zapichování, řezání závitů a frézování. Třídy povlakované metodou PVD jsou také široce využívané pro dokončovací aplikace, nebo při vrtání jako třída pro středové břitové destičky.

Slinutý karbid

Popis a vlastnosti

Slinuté karbidy jsou materiály vyráběné práškovou metalurgií – jsou směsí částic karbidu wolframu (WC) a kovového pojiva bohatého na kobalt (Co). Slinuté karbidy využívané pro kovoobráběcí aplikace obsahují více než 80 % částic tvrdé fáze WC. Další důležitou součástí jsou příměsi kubického karbonitridu titanu, zvláště u gradientně slinovaných nástrojových tříd. Tvar těla nástroje ze slinutého karbidu je vytvářen buď lisováním prášku, nebo metodou vstřikování do formy a takto vytvořený polotovar je dále slinován až na plnou hustotu.

Velikost zrna WC je jedním z nejdůležitějších parametrů majících vliv na tvrdost/houževnatost dané nástrojové třídy – při daném obsahu pojiva znamená menší velikost zrna vyšší tvrdost.

Množství a složení pojiva obohaceného o Co určuje houževnatost a odolnost dané třídy proti plastické deformaci. Při stejné velikosti zrn WC se rostoucí množství pojiva projeví zvýšením houževnatosti dané třídy, která je zároveň náchylnější k plastické deformaci. Příliš nízký obsah pojiva se může projevit křehkostí daného materiálu.

Kubické karbonitridy, často označované jako fáze γ, jsou obvykle přidávány za účelem zvýšení tvrdosti za vysokých teplot a vytvoření gradientu.

Gradienty se využívají pro získání kombinace zvýšené odolnosti proti plastické deformaci a houževnatosti břitu. Kubické karbonitridy koncentrované v blízkosti břitu zvyšují tvrdost za vysokých teplot v místě, kde je toho třeba. Ve větší vzdálenosti od břitu brání zvýšené množství pojiva ve struktuře tvořené karbidy wolframu vzniku trhlin a lomů v důsledku zasekávání třísek.

Použití

Střední až velká velikost zrn WC

Zrna WC střední až velké velikosti poskytují slinutým karbidům skvělou kombinaci vysoké tvrdosti za zvýšených teplot a houževnatosti. Toho se v kombinaci s CVD a PVD povlaky využívá u tříd pro všechny oblasti použití.

Malá nebo submikroskopická velikost zrn WC

Malá až submikroskopická velikost zrna WC se využívá u ostrých břitů s PVD povlakem pro další zvýšení pevnosti ostré řezné hrany. Výhodou je také jejich vynikající odolnost proti tepelnému a mechanickému cyklickému namáhání. Typické aplikace představují monolitní karbidové vrtáky, monolitní karbidové stopkové frézy, břitové destičky pro upichování a zapichování, karbidové třídy pro frézování a pro dokončování.

Gradientní slinuté karbidy

Dvojích vlastností získaných díky gradientu je možné, v kombinaci s CVD povlakem, s úspěchem využít u mnoha tříd sloužících jako první volba pro soustružení a upichování a zapichování při obrábění ocelí a korozivzdorných ocelí.

Nepovlakované slinuté karbidy jako materiál obráběcího nástroje

Jaké jsou nepovlakované slinuté karbidy jako materiál obráběcího nástroje?

Třídy z nepovlakovaných slinutých karbidů tvoří pouze velmi malou část celkového sortimentu obráběcích nástrojů. Tyto třídy se buď skládají přímo z WC/Co, nebo obsahují velké množství kubických karbonitridů.

Použití

Typickými aplikacemi těchto nástrojových materiálů jsou obrábění žárovzdorných (HRSA) nebo titanových slitin a soustružení tvrzených materiálů při nízkých řezných rychlostech.

Rychlost opotřebení je u tříd z nepovlakovaných slinutých karbidů značná, ale kontrolovaná, přičemž se u nich projevuje samoostřící schopnost.

Cermety jako materiál obráběcího nástroje

Jaké jsou cermety jako materiál obráběcího nástroje?

Cermet je slinutý karbid tvořený tvrdými částicemi na bázi titanu. Název cermet je kombinací slov keramika (ceramic) a kov (metal). Původně se cermety skládaly z TiC a niklu. Moderní cermety nikl neobsahují a jejich předepsané složení se skládá z částic karbonitridů titanu Ti(C,N), které jsou jejich základním stavebním prvkem, částic sekundárních tvrdých fází (Ti,Nb,W)(C,N) a kobaltového pojiva obohaceného o W.

Ti(C,N) poskytuje příslušné třídě vyšší odolnost proti otěru, sekundární tvrdé fáze zvyšují odolnost proti plastické deformaci, podíl kobaltu má rozhodující vliv na houževnatost.

Ve srovnání s běžnými slinutými karbidy má cermet vyšší odolnost vůči otěru a menší tendence k ulpívání materiálu obrobku na břitu. Na druhou stranu má cermet také nižší úroveň vnitřních tlakových pnutí, a z toho důvodu i nižší odolnost proti vzniku tepelných trhlin. Za účelem zvýšení jejich odolnosti proti otěru lze rovněž cermety opatřit PVD povlakem.

Použití

Použití cermetových tříd je vhodné pro aplikace, kde dochází k ulpívání materiálu obrobku na břitu a kde činí problémy tvorba nárůstku. Jejich typický mechanismus opotřebení se samoostřící schopností umožňuje udržení nízké úrovně řezných sil, dokonce i po velmi dlouhé době v řezu. Jejich použití pro dokončovací operace přispívá k dosažení dlouhé životnosti nástroje a úzkých tolerancí a umožňuje dosažení vysokého lesku obrobené plochy.

K typickým aplikacím patří dokončovací obrábění korozivzdorných ocelí, nodulární litiny, nízkouhlíkových ocelí a feritických ocelí. Cermety je rovněž možné použít pro řešení potíží při obrábění všech materiálů na bázi železa.

Praktické rady:

• Použijte malou rychlost posuvu a hloubku řezu
• Když opotřebení hřbetu dosáhne hodnoty 0,3 mm, otočte břitovou destičku a vyměňte břit
• Předcházejte vzniku tepelných trhlin a lomů využitím obrábění bez přívodu řezné kapaliny

Řezná keramika jako materiál obráběcího nástroje

Jaká je řezná keramika jako materiál obráběcího nástroje?

Veškeré obráběcí nástroje využívající řeznou keramiku se vyznačují mimořádnou odolností proti otěru při použití vysokých řezných rychlostí.

Existuje celá řada tříd řezné keramiky vhodných pro širokou oblast aplikací.

Oxidová keramika se skládá převážně z oxidu hlinitého (Al2O3) doplněného přísadou oxidu zirkoničitého (ZrO2), která brání vzniku a šíření trhlin. Takto vytvořený materiál je chemicky velice stabilní, ale postrádá odolnost proti tepelným šokům.

(1) Smíšená keramika je vyztužená drobnými částicemi, konkrétně přísadou kubických karbidů nebo karbonitridů (TiC, Ti(C,N)). Tím je dosaženo zvýšení houževnatosti a zlepšení tepelné vodivosti..

(2) Whiskery vyztužená keramika obsahuje whiskery karbidu křemíku (SiCw), což má za následek razantní nárůst houževnatosti a umožňuje použití řezné kapaliny. Řezná keramika vyztužená whiskery je ideální pro obrábění niklových slitin.

(3) Keramika na bázi nitridu křemíku (Si3N4) je další samostatnou skupinou keramických materiálů. Krystaly podlouhlého tvaru tvoří materiál se schopností samovyztužení a s vysokou houževnatostí. Třídy na bázi nitridu křemíku jsou velmi vhodné pro obrábění šedé litiny, ale nedostatečná chemická stabilita limituje jejich využití při obrábění ostatních typů materiálů.

Sialon (SiAlON) jsou třídy, které kombinují pevnost samovyztužitelné sítě z nitridu křemíku a vysokou chemickou stabilitu. Sialonové třídy jsou ideální pro obrábění žárovzdorných slitin (HRSA).

(1) Smíšená keramika

(2) Whiskery vyztužená keramika

(3) Keramika na bázi nitridu křemíku

Použití

Keramické třídy je možné použít pro široký okruh aplikací a materiálů; nejčastěji jsou využívány pro vysokorychlostní soustružnické operace, ale také pro zapichování a frézování. Při jejich správném použití umožňují specifické vlastnosti jednotlivých keramických tříd dosažení vysoké produktivity. Pro dosažení úspěšných výsledků jsou velice důležité znalosti o tom, kdy a jak keramické třídy používat.

Hlavními nedostatky řezné keramiky jsou její nízká odolnost proti tepelným trhlinám a malá lomová houževnatost.

Polykrystalický kubický nitrid bóru jako materiál obráběcího nástroje

Jaký je polykrystalický kubický nitrid bóru jako materiál obráběcího nástroje?

Polykrystalický kubický nitrid bóru, CBN, je materiál s mimořádně vysokou tvrdostí za tepla, který lze používat při velmi vysokých řezných rychlostech. Vyznačuje se také velmi dobrou houževnatostí a odolností proti tepelným rázům.

Moderní CBN nástrojové třídy jsou keramické kompozitní materiály s obsahem CBN 40–65 %. Keramické pojivo zvyšuje odolnost CBN, který je jinak náchylný k opotřebení chemickým otěrem, proti opotřebení. Další skupinou jsou nástrojové třídy s vysokým obsahem CBN dosahujícím 85 % až téměř 100 %. Tyto třídy mohou obsahovat kovové pojivo zvyšující jejich houževnatost.

Břitovou destičku tvoří hrot z CBN, který je připájený na nosič ze slinutého karbidu. U negativních břitových destiček je dalšího posílení spojení funkční řezné části z CBN s nosičem dosaženo díky technologii Safe-Lok™.

Použití

CBN třídy se používají převážně pro dokončovací soustružení tvrzených ocelí s tvrdostí nad 45 HRC. Přesahuje-li tvrdost 55 HRC, je CBN jediným nástrojovým materiálem, který může nahradit tradičně používané metody broušení. Měkčí oceli, s tvrdostí pod 45 HRC, obsahují vyšší množství feritu, který má negativní vliv na odolnost CBN proti otěru.

CBN lze použít také při soustružnických i frézovacích operacích pro vysokorychlostní hrubování šedé litiny.

Polykrystalický diamant jako materiál obráběcího nástroje

Jaký je jako materiál obráběcího nástroje?

Polykrystalický diamant (PCD) je kompozitní materiál, který se skládá z diamantových částic slinutých dohromady pomocí kovového pojiva. Diamant je nejtvrdší ze všech materiálů, a tudíž i nejodolnější proti otěru. Jako nástrojový materiál má velmi dobrou odolnost proti otěru, ale postrádá chemickou stabilitu za zvýšených teplot a má vysokou afinitu k železu.

Použití

Použití nástrojů z PCD je omezeno na neželezné materiály, jako například slitiny hliníku s vysokým obsahem křemíku, kompozity s kovovou matricí (MMC) a plasty vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP). S dostatečně bohatým přívodem řezné kapaliny lze PCD použít také pro velmi jemné dokončovací operace (superfinišování) při obrábění titanu.

Nástrojové třídy Sandvik Coromant

Informace o sortimentu břitových destiček a nástrojových tříd Sandvik Coromant naleznete zde.

Na základě těchto informací lze podle obráběného materiálu a oblasti použití provést volbu vhodné břitové destičky a nástrojové třídy.