Materialer til skærende værktøj

Introduktion

Valget af materiale og kvalitet for det skærende værktøj er en vigtig faktor i planlægningen af vellykket spåntagende bearbejdning.

Grundlæggende viden om hvert enkelt materiale til det skærende værktøjer og dets ydelse er vigtig for at træffe det rette valg. Overvejelserne omfatter det emnemateriale, der skal bearbejdes, komponentens type og form, bearbejdningsforholdene og den grad af overfladekvalitet, som kræves for hver enkelt operation.

Dette afsnit giver informationer om hvert materiale til skærende værktøjer, deres fordele og anbefalinger for bedst brug.

Materialer til det skærende værktøj har forskellige kombinationer af hårdhed, sejhed og slidstyrke og opdeles i forskellige kvaliteter med specifikke egenskaber. Generelt skal materiale til et skærende værktøj, som er velegnet inden for dets applikationsområde, have følgende egenskaber:

• Hårdt, for at modstå fasslid og deformation
• Sejt, for at modstå substratbrud
• Reagerer ikke med emnematerialet
• Kemisk stabilt, for at modstå oxidering og diffusion
• Modstandsdygtigt over for pludselige termiske ændringer

Belagt hårdmetalmateriale til skærende værktøj

• Belægning – CVD
• Belægning – PVD
• Hårdmetal

Hvad er CVD-belagt hårdmetalmateriale til skærende værktøj?

Belagt hårdmetal repræsenterer aktuelt 80-90 % af alle skær. Dets succes som materiale til det skærende værktøj skyldes dets enestående kombination af slidstyrke og sejhed og dets evne til at blive formet i komplekse former.

Belagt hårdmetal kombinerer hårdmetal med en belægning. Sammen udgør de en kvalitet, der tilpasses til applikationen.

Belagte hårdmetalkvaliteter er førstevalg til et bredt udvalg af værktøjer og applikationer.

Belægning – CVD

Definition og egenskaber

CVD står for Chemical Vapor Deposition (aflejring af kemiske dampe). CVD-belægningen dannes ved hjælp af kemiske reaktioner ved temperaturer på 700-1050°C.

CVD-belægninger har en høj slidstyrke og perfekt vedhæftning til hårdmetal.

Det første CVD-belagte hårdmetal var enkeltlagsbelægningen titanhårdmetal (TiC). Aluminiumoxidbelægninger (Al2O3) og titannitridbelægninger (TiN) kom til senere. Senere blev der udviklet de moderne titancarbonitrid-belægninger (MT-Ti(C,N) eller MT-TiCN, også kaldet MT-CVD) for at forbedre kvaliteternes egenskaber ved hjælp af deres evne til at holde hårdmetalfladen intakt.

Moderne CVD-belægninger kombinerer MT-Ti(C,N), Al2O3 og TiN. Belægningens egenskaber er løbende blevet forbedret, hvad angår vedhæftning, sejhed og slid, ved hjælp af mikrostrukturelle optimeringer og efterbehandlinger. Se Inveio™-teknologi.

MT-Ti(C,N) – Dets hårdhed giver abrasiv slidstyrke og dermed reduceret fasslid.

CVD-Al2O3 – Kemisk inaktivt med lille termisk ledningsevne, hvilket gør det modstandsdygtigt over for grubeslid. Det fungerer også som termisk barriere for at forbedre modstandsevnen mod plastisk deformation.

CVD-TiN – Forbedrer slidstyrken og anvendes til slidregistrering.

Efterbehandlinger – Forbedrer skærkantsejheden ved afbrudt spån og reducerer tendenser til at klæbe.

Applikationer

CVD-belagte kvaliteter er førstevalg inden for et bredt udvalg af applikationer, hvor slidstyrken er vigtig. Sådanne applikationer findes i almindelig drejning og opboring af stål med modstandsdygtighed over for grubeslid, der skyldes de tykke CVD-belægninger, almindelig drejning af rustfrit stål og til fræsekvaliteter i ISO P, ISO M og ISO K. Ved boring anvendes der normalt CVD-kvaliteter i periferiskæret.

Belægning – PVD

Definition og egenskaber

PVD-belægninger (Physical Vapor Deposition = aflejring af fysiske dampe) dannes ved relativt lave temperaturer (400-600 °C). Processen omfatter fordampning af et metal, som reagerer med f.eks. nitrogen og danner en hård nitridbelægning på det skærende værktøjs overflade.

PVD-belægninger tilføjer slidstyrke til en kvalitet på grund af deres hårdhed. Deres trykspændinger tilføjer også skærkantsejhed og modstandsdygtighed over for kantafbræk. Se Zertivo™-teknologi.

De vigtigste indholdsstoffer i PVD-belægningen beskrives nedenfor. Moderne belægninger er kombinationer af disse indholdsstoffer i ordnede lag og/eller lamelbelægninger. Lamelbelægninger har flere tynde lag, i nanometer-området, som gør belægningen endnu hårdere.

PVD-TiN – Titannitrid var den første PVD-belægning. Den har all-round-egenskaber og en gylden farve.

PVD-Ti(C,N) – Titancarbonitrid er hårdere end TiN og tilfører modstandsdygtighed over for fasslid.

PVD-(Ti,Al)N – Titanaluminiumnitrid har stor hårdhed kombineret med modstandsdygtighed over for oxidering, hvilket forbedrer den generelle slidstyrke.

PVD-oxider – Anvendes på grund af den kemiske stabilitet og forbedrede grubeslidstyrke.

Applikationer

PVD-belagte kvaliteter anbefales til seje og skarpe skærkanter til brug i klæbende materialer. Sådanne applikationer er udbredte og omfatter alle solide pindfræsere og bor og størstedelen af kvaliteter til sporstikning, gevindskæring og fræsning. PVD-belagte kvaliteter anvendes også hyppigt til sletbearbejdning og er den vigtigste skærkvalitet til boring.

Hårdmetal

Definition og egenskaber

Hårdmetal er et pulverformet, metallurgisk materiale; en sammensætning af hårdmetalpartikler (WC) og et bindemiddel, der er rigt på metallisk kobolt (Co). Hårdmetal til spåntagende applikationer består af mere end 80 % hårdfase-WC. Ekstra kubisk carbonitrid er en anden vigtig komponent, især i gradientsintrede kvaliteter. Hårdmetalkroppen formes, enten ved hjælp af pulverkomprimering eller sprøjtestøbning, i en form, som derefter sintres til fuld massefylde.

WC-kornstørrelse er en af de vigtigste parametre for justering af en kvalitets hårdhed/sejhed; jo mindre kornstørrelsen er, jo højere er hårdheden med et bestemt indhold af binderfase.

Mængden og sammensætningen af den Co-rige binder er afgørende for kvalitetens sejhed og modstandsdygtighed over for plastisk deformation. Med den samme WC-kornstørrelse vil en øget mængde af bindemiddel resultere i en sejere kvalitet, som er mere udsat for slid på grund af plastisk deformation. Et for lavt indhold af bindemiddel kan medføre, at materialet bliver skørt.

Kubisk carbonitrid, der også kaldes γ-fase, tilsættes generelt for at øge hårdheden under høje temperaturer og forme gradienter.

Gradienter anvendes til at kombinere forbedret modstandsdygtighed over for plastisk deformation med skærkantsejhed. Kubisk carbonitrid koncentreret i skærkanten forbedrer hårdheden under ekstremt høje temperaturer, når der er behov for det. Ud over skærkanten forhindrer et bindemiddel med stort indhold af hårdmetal revner og sprækker på grund af spånhamring.

Applikationer

Medium til grov WC-kornstørrelse

Medium til grove WC-kornstørrelser giver hårdmetaller en overlegen kombination af hårdhed ved ekstremt høje temperaturer og sejhed. Disse anvendes sammen med CVD- og PVD-belægninger i kvaliteter til alle områder.

Fin eller ultrafin (submikron) WC-kornstørrelse

Fine eller ultrafine WC-kornstørrelser anvendes til skarpe skærkanter med en PVD-belægning for yderligere at forbedre den skarpe skærkants styrke. De får også en overlegen modstandsevne mod termiske og mekaniske, cykliske belastninger. Typiske applikationer er solide hårdmetalbor, solide hårdmetalpindfræsere, afstiknings-, sporstiknings-, samt fræseskær og kvaliteter til sletbearbejdning.

Hårdmetal med gradient

Gradienters fordelagtige dobbelte egenskab anvendes med succes sammen med CVD-belægninger i mange førstevalgskvaliteter til drejning samt afstikning og sporstikning i stål og rustfrit stål.

Ubelagt hårdmetalmateriale til skærende værktøj

Hvad er ubelagt hårdmetalmateriale til skærende værktøj?

Ubelagte hårdmetalkvaliteter udgør en meget lille del af det samlede udvalg af skærende værktøjer. Disse kvaliteter er enten ren WC/Co eller har et stort indhold af kubisk carbonitrid.

Applikationer

Typiske applikationer af dette materiale til skærende værktøjer er bearbejdning af HRSA (varmebestandige superlegeringer) eller titanlegeringer og drejning af hærdede materialer ved lav hastighed.

Slidfrekvensen på ubelagte hårdmetalkvaliteter er høj, men kontrolleret, med en selvskærpende egenskab.

Cermet-materiale til skærende værktøjer

Hvad er cermet-materiale til skærende værktøjer?

Cermet er hårdmetal med titanbaserede hårde partikler. Navnet cermet er en sammensætning af ordene ceramic (keramik) og metal. Oprindeligt var cermet et kompositmateriale bestående af TiC og nikkel. Moderne cermet er nikkelfrit og har en designet struktur af titancarbonitrid-kernepartikler Ti(C,N), en anden hård fase af (Ti,Nb,W)(C,N) og et koboltbindemiddel med stort W-indhold.

Ti(C,N) tilføjer slidstyrke til kvaliteten, den anden hårde fase øger modstandsdygtigheden mod plastisk deformation, og mængden af kobolt styrer sejheden.

Sammenlignet med hårdmetal har cermet forbedret slidstyrke og reduceret tendens til klæbning. På den anden side har den også mindre trykstyrke og dårlig modstandsevne mod termisk chok. Cermet-skær kan også få PVD-belægning og dermed forbedret slidstyrke.

Applikationer

Cermet-kvaliteter anvendes i klæbende applikationer, hvor løsægsdannelse er et problem. Deres selvskærpende slidmønster holder skærekræfterne lave, selv efter lange intervaller i indgreb. Ved sletbearbejdning sikrer dette lang værktøjslevetid og snævre tolerancer og giver spejlblanke overflader.

Typiske applikationer er sletbearbejdning i rustfrit stål, nodulært støbejern, stål med lavt kulstofindhold og ferritisk stål. Cermet-kvaliteter kan også anvendes til problemløsning i alle jernholdige materialer.

Tips:

• Brug lav tilspænding og spåndybde
• Skift skærkanten, når fassliddet når op på 0,3 mm
• Undgå termiske revner og sprækker ved at bearbejde uden kølevæske

Keramisk materiale til skærende værktøjer

Hvad er keramisk materiale til skærende værktøjer?

Alle keramiske skærende værktøjer har perfekt slidstyrke ved høje skærehastigheder.

Der findes et udvalg af keramiske kvaliteter til forskellige applikationer.

Oxidkeramik er aluminiumoxidbaseret (Al2O3) keramik tilsat zirconium (ZrO2) for at reducere revnedannelse. Dette danner et materiale, som kemisk er meget stabilt, men som ikke har modstandsstyrke over for termiske chok.

(1) Blandede keramiske materialer er partikelforstærkede ved hjælp af tilsætning af kubiske carbider eller carbonitrider (TiC, Ti(C,N)). Det forbedrer sejheden og termisk ledeevne.

(2) Whisker-forstærkede keramiske materialer er silicium-hårdmetal-whisker-forstærket (SiCw) keramik med markant øget sejhed, der gør det muligt at bruge køling. Whisker-forstærkede keramiske skær er ideelle til bearbejdning af Ni-baserede legeringer.

(3) Siliciumnitridbaserede keramik (Si3N4) er en anden gruppe af keramiske materialer. Deres aflange krystaller danner et selvforstærket materiale med stor sejhed. Siliciumnitridbaserede kvaliteter er gode til gråt støbejern, men manglende kemisk stabilitet begrænser deres brug i andre emnematerialer.

Sialon (SiAlON) kombinerer styrken fra et selvforstærket siliciumnitrid-netværk med forbedret kemisk stabilitet. Sialon-kvaliteter er ideelle til bearbejdning af varmebestandige superlegeringer (HRSA).

(1) Blandede keramiske skær

(2) Whisker-forstærkede keramiske skær

(3) Siliciumnitridbaserede keramiske skær

Applikationer

Keramiske kvaliteter kan anvendes til et bredt udvalg af applikationer og materialer, oftest til højhastighedsdrejning, men også til sporstikning og fræsning. De specifikke egenskaber for hver enkelt keramisk kvalitet muliggør høj produktivitet, når de anvendes korrekt. Viden om hvornår og hvordan de keramiske kvaliteter skal anvendes er vigtig for at få succes.

Generelle begrænsninger for keramiske skær omfatter deres modstandsevne mod termisk chok og sejhed i forhold til brud.

Polykrystallinsk kubisk bornitridmateriale til skærende værktøjer

Hvad er polykrystallinsk kubisk bornitridmateriale til skærende værktøjer?

Polykrystallinsk kubisk bornitrid, CBN, er et materiale til skærende værktøjer med perfekt hårdhed under ekstremt høje temperaturer, der kan anvendes ved meget høje skærehastigheder. Det har også god sejhed og modstandsdygtighed over for termisk chok.

Moderne CBN-kvaliteter er keramiske kompositmaterialer med et CBN-indhold på 40-65 %. Det keramiske bindemiddel tilfører slidstyrke til CBN, som ellers er tilbøjeligt til kemisk slid. En anden gruppe af kvaliteter er kvaliteterne med et højt indhold af CBN, med 85 % til næsten 100 % CBN. Disse kvaliteter kan have et metallisk bindemiddel til at forbedre deres sejhed.

CBN loddes på et hårdmetal-skær for at danne det færdige skær. Safe-Lok™-teknologien forbedrer yderligere vedhæftningen af CBN-skærspidser på negative skær.

Applikationer

CBN-kvaliteter anvendes i stort omfang til sletdrejning af hærdet stål med en hårdhed over 45 HRc. Over 55 HRc er CBN det eneste skærende værktøj, der kan erstatte traditionelt anvendte slibemetoder. Blødere stål, under 45 HRc, indeholder en større andel ferrit, som har en negativ effekt på CBN's slidstyrke.

CBN kan også bruges til højhastigheds-skrubbearbejdning af gråt støbejern ved både drejning og fræsning.

Polykrystallinsk diamantmateriale til skærende værktøjer

Hvad er polykrystallinsk diamantmateriale til skærende værktøjer?

PCD er et kompositmateriale bestående af diamantpartikler, der er sintret sammen med et metallisk bindemiddel. Diamant er det hårdeste og derfor det mest modstandsdygtige af alle materialer over for abrasivt slid. Som materiale til skærende værktøjer har det god slidstyrke, men det mangler kemisk stabilitet ved høje temperaturer og opløses let i jern.

Applikationer

PCD-værktøjer er begrænset til ikke-jernholdige materialer, som f.eks. aluminium med et højt indhold af silicium, kompositmaterialer med metalmatrix (MMC) og kulfiberforstærket plast (CFRP). PCD med kølevæskestrøm kan også anvendes i titanapplikationer ved super-sletbearbejdning.

Sandvik Coromant-kvaliteter

Du kan finde informationer om Sandvik Coromants udvalg af skær i forskellige kvaliteter her.

Med disse informationer kan du vælge skær eller kvalitet baseret på skærmateriale eller applikationsområde.