Werkstukmaterialen

Werkstukmateriaalgroepen

De verspanende industrie produceert een zeer grote verscheidenheid aan componenten, bewerkt uit vele verschillende materialen. Elk materiaal heeft zijn eigen unieke kenmerken die worden beïnvloed door legeringselementen, warmtebehandeling, hardheid, enz. Deze hebben op hun beurt weer invloed op de keuze van de gereedschapsgeometrie, de hardmetaalsoort en de snijgegevens. Om deze keuze gemakkelijker te maken, worden werkstukmaterialen onderverdeeld in zes hoofdgroepen, in overeenstemming met de ISO-norm, en elke groep heeft unieke eigenschappen met betrekking tot bewerkbaarheid:

ISO P – Staal is de grootste materiaalgroep, variërend van ongelegeerd tot hooggelegeerd materiaal en omvat stalen gietstukken en ferritische en martensitische roestvaste staalsoorten. De bewerkbaarheid is meestal goed, maar verschilt sterk afhankelijk van de hardheid van het materiaal, het koolstofgehalte, enz.

ISO M – Roestvaststaal zijn materialen die gelegeerd zijn met minimaal 12% chroom. Andere legeringen kunnen nikkel en molybdeen zijn. Verschillende omstandigheden, zoals ferritisch, martensitisch, austenitisch en austenitisch-ferritisch (duplex), creëren een breed scala aan materialen. Een overeenkomst tussen al deze materialen is dat de snijkanten worden blootgesteld aan veel hitte, kerfslijtage en snijkantsopbouw.

ISO K – Gietijzer is, in tegenstelling tot staal, een kortspanende materiaalsoort. Grijs gietijzer (GCI) en smeedbaar gietijzer (MCI) zijn vrij gemakkelijk te bewerken, terwijl nodulair gietijzer (NCI), compact gietijzer (CGI) en austempered gietijzer (ADI) moeilijker zijn. Alle gietijzersoorten bevatten SiC, dat zeer abrasief is voor de snijkant.

ISO N – Non-ferrometalen zijn zachtere metalen, zoals aluminium, koper, messing enz. Aluminium met een Si-gehalte van 13% is zeer abrasief. Over het algemeen kunnen hoge snijsnelheden en een lange standtijd worden verwacht voor wisselplaten met scherpe snijkanten.

ISO S – Hittebestendige superlegeringen omvatten een groot aantal hooggelegeerde materialen op basis van ijzer, nikkel, kobalt en titanium. Ze zijn kleverig, zorgen voor snijkantsopbouw, harden uit tijdens het werken (werkharding) en genereren warmte. Ze lijken sterk op de ISO M materialen, maar zijn veel moeilijker te snijden en verkorten de standtijd van de wisselplaatranden.

ISO H – Deze groep omvat staalsoorten met een hardheid tussen 45-65 HRc, en ook gekoeld gietijzer rond de 400-600 HB. Door de hardheid zijn ze moeilijk te bewerken. De materialen genereren warmte tijdens het snijden en zijn zeer abrasief voor de snijkant.

O (overige): niet-ISO. Thermoplasten, thermoharders, GFRP (Glass Fibre Reireinforced Polymer/Plastic), CFRP (Carbon Fibre Reinforced Plastic), koolstofvezelcomposieten, aramidevezelversterkte kunststof, hard rubber, grafiet (technisch). Verschillende industrieën maken nu op grotere schaal gebruik van composieten, met name in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

Classificatie van werkstukmateriaal met behulp van MC-codes

Het alleen verdelen van materialen in zes verschillende groepen biedt onvoldoende informatie om de juiste snijgereedschapgeometrie, hardmetaalsoort en snijgegevens te selecteren. De materiaalgroepen moeten dus verder worden opgesplitst in subgroepen. Sandvik Coromant heeft het CMC-codesysteem (Coromant Material Classification) gebruikt voor het identificeren en beschrijven van materialen van verschillende leveranciers, standaarden en markten. Met het CMC-systeem worden materialen geclassificeerd op basis van bewerkbaarheid en Sandvik Coromant biedt ook passende aanbevelingen voor gereedschappen en bewerkingsgegevens.

Om nog specifiekere aanbevelingen te kunnen doen ter verbetering van de productiviteit, heeft Sandvik Coromant een nieuwe materiaalclassificatie opgesteld. Het heeft een meer gedetailleerde structuur, omvat meer subgroepen en heeft afzonderlijke informatie over type, koolstofgehalte, productieproces, warmtebehandeling, hardheid, enz.

MC-codestructuur

De structuur is zo opgezet dat de MC-code een verscheidenheid aan werkstukmateriaaleigenschappen en -kenmerken kan weergeven door een combinatie van letters en cijfers.

Voorbeeld 1

De code P1.2.Z.AN
P is de ISO-code voor staal
1 is de materiaalgroep ongelegeerd staal
2 is de materiaalsubgroep voor koolstofgehalte >0,25% ≤ 0,55 % C
Z is het fabricageproces: gesmeed/gewalst/koudgetrokken
AN is de warmtebehandeling, gegloeid, geleverd met hardheidswaarden

Voorbeeld 2

N1.3.C.AG
N is de ISO-code voor non-ferrometalen
1 is de materiaalgroep aluminium
3 is de subgroep aluminium met Si-gehalte 1-13%
C is het productieproces: gieten
AG is voor de warmtebehandeling: veroudering

Door niet alleen de samenstelling van het materiaal te beschrijven, maar ook het fabricageproces en de warmtebehandeling, die ongetwijfeld van invloed zijn op de mechanische eigenschappen, is een nauwkeuriger beschrijving beschikbaar. Dit kan vervolgens worden gebruikt om verbeterde snijgegevens-aanbevelingen te genereren.

Bewerkbaarheidsdefinitie

Er zijn meestal drie belangrijke factoren die moeten worden geïdentificeerd om de bewerkbaarheid van een materiaal te bepalen, dat wil zeggen het vermogen om te worden bewerkt.

1. Classificatie van het werkstukmateriaal vanuit een metallurgisch/mechanisch oogpunt.
2. De te gebruiken snijkantgeometrie, op micro- en macroniveau.
3. Het snijgereedschapmateriaal (soort) met de juiste bestanddelen, bijv. gecoat hardmetaal, keramiek, CBN of PCD, enz.

Bovenstaande selecties hebben de grootste invloed op de bewerkbaarheid van het betreffende materiaal. Andere factoren die hierbij een rol spelen zijn onder andere: snijgegevens, snijkrachten, warmtebehandeling van het materiaal, oppervlaktehuid, metallurgische insluitingen, opspangereedschap, algemene bewerkingsomstandigheden, etc.

Bewerkbaarheid heeft geen directe definitie, in tegenstelling tot hardmetaalsoorten of getallen. In brede zin omvat het de mogelijkheid van het werkstukmateriaal om bewerkt te worden, de slijtage die het veroorzaakt op de snijkant en de spaanvorming die kan worden verkregen. In deze opzichten is een laaggelegeerd koolstofstaal gemakkelijker te snijden in vergelijking met de meer veeleisende austenitische roestvaststaalsoorten. Het laaggelegeerde staal wordt geacht beter bewerkbaar te zijn dan het roestvaststaal. Het begrip "goede bewerkbaarheid" betekent meestal een ongestoorde snijwerking en een redelijke standtijd. De meeste evaluaties van de bewerkbaarheid voor een bepaald materiaal worden gemaakt met behulp van praktijktests en de resultaten worden vergeleken met de resultaten van een ander type materiaal onder ongeveer dezelfde omstandigheden. Bij deze tests wordt rekening gehouden met andere factoren, zoals microstructuur, neiging tot aankleven, bewerkingsmachine, stabiliteit, geluid, standtijd, enz.

ISO P staal

• MC-codes voor staal
• Ongelegeerd staal – P 1.1-1.5
• Laaggelegeerd staal – P 2.1-2.6
• Hooggelegeerd staal – P 3.0-3.2

Wat is ISO P-staal?

• Staal is de grootste werkstukmateriaalgroep op het gebied van metaalbewerking
• Staalsoorten kunnen niet-gehard zijn, of gehard en ontlaten met een gangbare hardheid tot 400 HB. Staal met een hardheid boven ca. 48 HRC en tot 62-65 HRC behoort tot ISO H
• Staal is een legering met ijzer als hoofdbestanddeel (op Fe-basis)
• Ongelegeerde staalsoorten hebben een koolstofgehalte van minder dan 0,8% en zijn uitsluitend samengesteld uit ijzer (Fe), zonder andere legeringselementen
• Gelegeerd staal heeft een koolstofgehalte van minder dan 1,7 % en bevat legeringselementen zoals Ni, Cr, Mo, V en W
• Laaggelegeerd staal bevat legeringselementen van minder dan 5%
• Hooggelegeerd staal bevat meer dan 5% legeringselementen

Bewerkbaarheid in het algemeen

• De bewerkbaarheid van staal verschilt, afhankelijk van de legeringselementen, de warmtebehandeling en het productieproces (gesmeed, gewalst, gegoten, enz.)
• Over het algemeen is spaanbeheersing relatief eenvoudig en soepel
• Koolstofarm staal produceert langere spanen die kleverig zijn en scherpe snijkanten vereisen
• Specifieke snijkracht k_c1: 1400-3100 N/mm
• Snijkrachten, en daarmee het vermogen dat nodig is om ze te bewerken, blijven binnen een beperkt bereik

Legeringselementen

C beïnvloedt de hardheid (een hoger gehalte verhoogt de abrasieve slijtage). Een laag koolstofgehalte <0,2% verhoogt de adhesieve slijtage, wat zal leiden tot snijkantsopbouw en slechte spaanbreking.

Cr, Mo, W, V, Ti, Nb (hardmetaalvormers) – verhogen de abrasieve slijtage.

O heeft een grote invloed op de bewerkbaarheid; Het vormt niet-metalen, oxidische en abrasieve insluitingen.

Al, Ti, V, Nb worden gebruikt als fijnkorrelige behandeling van staal. Ze maken het staal taaier en moeilijker te bewerken.

P, C, N in ferriet, verlaagt de ductiliteit, waardoor de adhesieve slijtage toeneemt.

Positief effect

Pb in vrij verspanend staal (met laag smeltpunt) vermindert de wrijving tussen spaan en wisselplaat, verlaagt slijtage en verbetert de spaanbreking.

Ca, Mn (+S) vormen zachte, smerende sulfiden. Een hoog S-gehalte verbetert de bewerkbaarheid en spaanbreking.

Zwavel (S) heeft een gunstig effect op de bewerkbaarheid. Kleine verschillen, zoals die tussen 0,001% en 0,003%, kunnen aanzienlijke gevolgen hebben voor de bewerkbaarheid. Dit effect wordt gebruikt in vrijverspanende staalsoorten. Typisch is een zwavelgehalte van ongeveer 0,25%. Zwavel vormt zachte insluitsels van mangaansulfide (MnS) die een smerende laag vormen tussen de spaan en de snijkant. MnS zal ook de spaanbreking verbeteren. Lood (Pb) heeft een soortgelijk effect en wordt vaak gebruikt in combinatie met S in vrij verspanende staalsoorten in gehaltes van ongeveer 0,25%.

Zowel positief als negatief

Si, Al, Ca vormen oxide-insluitingen die de slijtage verhogen. Insluitingen in staal hebben een belangrijke invloed op de bewerkbaarheid, ook al vertegenwoordigen ze slechts een zeer klein percentage van de totale samenstelling. Deze invloed kan zowel negatief als positief zijn. Aluminium (Al) wordt bijvoorbeeld gebruikt om de ijzersmelt te deoxideren. Aluminium vormt echter hard abrasief aluminiumoxide (Al2O3), dat een nadelig effect heeft op de bewerkbaarheid (vergelijk de aluminiumoxide-coating op een wisselplaat). Dit negatieve effect kan echter worden tegengegaan door calcium (Ca) toe te voegen, dat een zachte schil vormt rond schurende deeltjes.

• Gietstaal heeft een ruwe oppervlaktestructuur, die zand en slakken kan bevatten, en stelt hoge eisen aan de taaiheid van de snijkant
• Gewalst staal vertoont een vrij grote korrelgrootte, waardoor de structuur ongelijk is, waardoor variaties in de snijkrachten ontstaan
• Gesmeed staal heeft een kleinere korrelgrootte en is uniformer van structuur, wat minder problemen oplevert bij het snijden

MC-codes voor staal

Staalsoorten worden, vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid, ingedeeld in ongelegeerde, laaggelegeerde, hooggelegeerde en gesinterde staalsoorten.

Ongelegeerd staal – P 1.1-1.5

Definitie

In ongelegeerde staalsoorten bedraagt het koolstofgehalte doorgaans slechts 0,8%, terwijl gelegeerde staalsoorten extra legeringselementen bevatten. De hardheid varieert van 90 tot 350HB. Een hoger koolstofgehalte (>0,2%) maakt verharding van het materiaal mogelijk.

Gemeenschappelijke componenten

Overheersende toepassingen zijn onder meer: constructiestaal, constructiestaal, diepgetrokken en gestanste producten, staal voor drukvaten en een verscheidenheid aan gietstaalsoorten. Algemene toepassingen zijn onder meer: assen, assen, buizen, smeedstukken en gelaste constructies (C<0,25%).

Bewerkbaarheid

Moeilijkheden bij spaanbreking en neiging tot aankleven (snijkantsopbouw) vereisen speciale aandacht bij staalsoorten met een laag koolstofgehalte (< 0,25%). Hoge snijsnelheden en scherpe snijkanten en/of geometrieën, met een positief spaanvlak en dun gecoate soorten, verminderen de neiging tot aankleven. Bij draaien wordt aanbevolen dat de snedediepte dicht bij of groter blijft dan de neusradius om de spaanbreking te verbeteren. Over het algemeen is de bewerkbaarheid zeer goed voor geharde staalsoorten. Ze hebben echter de neiging om relatief grote vrijloopvlakslijtage op de snijkanten te veroorzaken.

Laaggelegeerd staal – P 2.1-2.6

Definitie

Laaggelegeerd staal is momenteel het meest gebruikte materiaal voor het verspanen van metaal. De groep omvat zowel zachte als geharde materialen (tot 50 HRc).

Gemeenschappelijke componenten

Mo- en Cr-gelegeerd staal voor drukvaten worden gebruikt voor hogere temperaturen. Algemene toepassingen zijn onder meer: assen, assen, constructiestaal, buizen en smeedstukken. Voorbeelden van componenten voor de automotive industrie zijn: drijfstangen, nokkenassen, homokineten, wielnaaf, stuurrondsels.

Bewerkbaarheid

De bewerkbaarheid van laaggelegeerd staal is afhankelijk van het legeringsgehalte en de warmtebehandeling (hardheid). Voor alle materialen in de groep zijn de meest voorkomende slijtagemechanismen kolk- en vrijloopvlakslijtage.

Geharde materialen produceren een grotere hitte in de snijzone en kunnen leiden tot plastische vervorming van de snijkant.

Hooggelegeerd staal – P 3.0-3.2

Definitie

Hooggelegeerde staalsoorten omvatten koolstofstaal met een totaal legeringsgehalte van meer dan 5%. Deze groep omvat zowel zachte als geharde materialen (tot 50 HRc).

Gemeenschappelijke componenten

Typische toepassingen van deze staalsoorten zijn onder andere: onderdelen van bewerkingsmachines, matrijzen, hydraulische componenten, cilinders en snijgereedschappen (HSS).

Bewerkbaarheid

In het algemeen neemt de bewerkbaarheid af bij hogere legeringsgehalten en hardheid. Bij 12-15% legeringselementen en hardheid tot 450 HB heeft de snijkant bijvoorbeeld een goede hittebestendigheid nodig om plastische vervorming te weerstaan.

ISO M roestvaststaal

• MC-codes voor roestvast staal
• Ferritisch en martensitisch roestvast staal – P5.0-5.1
• Austenitisch en super-austenitisch roestvaststaal – M1.0-2.0
• Duplex roestvaststaal – M 3.41-3.42

Wat is ISO M roestvast staal?

• Een legering met het element ijzer (Fe) als hoofdbestanddeel
• Heeft een chroomgehalte dat hoger is dan 12%
• Heeft over het algemeen een laag koolstofgehalte (C ≤ 0,05 %)
• Verschillende toevoegingen van Nikkel (Ni), Chroom (Cr), Molybdeen (Mo), Niobium (Nb) en Titanium (Ti) leveren verschillende eigenschappen, zoals bestendigheid tegen corrosie en sterkte bij hoge temperaturen
• Chroom combineert met zuurstof (O) om een passiverende laag Cr2O3 op het oppervlak van het staal te creëren, die een niet-corrosieve eigenschap aan het materiaal geeft

Bewerkbaarheid in het algemeen

De bewerkbaarheid van roestvaststaal verschilt afhankelijk van de legeringselementen, de warmtebehandeling en de productieprocessen (gesmeed, gegoten, enz.) Over het algemeen neemt de bewerkbaarheid af bij een hoger legeringsgehalte, maar materialen met een betere vrije bewerking of bewerkbaarheid zijn beschikbaar in alle groepen roestvaste staalsoorten.

• Langspanig materiaal
• Spaanbeheersing is redelijk in ferritische/martensitische materialen en wordt complexer in de austenitische en duplex typen
• Specifieke snijkracht: 1800-2850 N/mm
• Bewerken leidt tot hoge snijkrachten, snijkantsopbouw, hitte en geharde oppervlakken
• Een hoger stikstofgehalte (N) De austenitische structuur verhoogt de sterkte en biedt enige weerstand tegen corrosie, maar verlaagt de bewerkbaarheid, terwijl de verharding door vervorming toeneemt
• Toevoegingen van zwavel (S) worden gebruikt om de bewerkbaarheid te verbeteren
• Een hoog C-gehalte (>0,2%) zorgt voor relatief grote vrijloopvlakslijtage
• Mo en N verminderen de bewerkbaarheid. Ze bieden echter weerstand tegen zuuraanvallen en dragen bij aan een hoge temperatuursterkte
• SANMAC (Sandvik handelsnaam) is een materiaal waarvan de bewerkbaarheid wordt verbeterd door het optimaliseren van het volumeaandeel van sulfiden en oxiden zonder in te boeten aan corrosiebestendigheid

MC-codes voor roestvast staal

Identificatie van de materiaalgroep van het werkstuk

De microstructuur die een roestvast staal bereikt, hangt voornamelijk af van de chemische samenstelling, waarbij de belangrijkste legeringscomponenten chroom (Cr) en nikkel (Ni) het belangrijkst zijn (zie diagram). In werkelijkheid kan de variatie groot zijn door de invloed van andere legeringscomponenten die ernaar streven het austeniet of het ferriet te stabiliseren. De structuur kan ook worden gewijzigd door warmtebehandeling of, in sommige gevallen, door koud te werken. Precipitatiehardend ferritisch of austenitisch roestvaststaal heeft een verhoogde treksterkte.

Austenitische staalsoorten

Austenietisch-ferritische (duplex) staalsoorten

Ferritisch chroomstaal

Martensitisch chroomstaal

Ferritisch en martensitisch roestvast staal – P5.0-5.1

Definitie

Vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid worden ferritische en martensitische roestvaststaalsoorten geclassificeerd als ISO P. Het normale Cr-gehalte is 12-18%. Er zijn slechts kleine toevoegingen van andere legeringselementen aanwezig.

Martensitisch roestvaststaal heeft een relatief hoog koolstofgehalte, waardoor het hardbaar is. Ferritische staalsoorten hebben magnetische eigenschappen. De lasbaarheid is laag voor zowel ferritisch als martensitisch en gemiddeld tot lage weerstand tegen corrosie, die toeneemt met een groter Cr-gehalte.

Gemeenschappelijke componenten

Vaak gebruikt in toepassingen die een beperkt beroep doen op de corrosiebestendigheid. Het ferritische materiaal is relatief goedkoop vanwege het beperkte Ni-gehalte. Toepassingsvoorbeelden zijn: assen voor pompen, turbines, stoom- en waterturbines, moeren, bouten, warmwaterboilers, pulp- en voedselverwerkende industrie vanwege lagere eisen aan corrosiebestendigheid.

Martensitische staalsoorten kunnen worden gehard en worden gebruikt voor randen in bestekstaal, scheermesjes, chirurgische instrumenten, enz.

Bewerkbaarheid

Over het algemeen is de bewerkbaarheid goed en zeer vergelijkbaar met laaggelegeerd staal. Daarom is het geclassificeerd als een ISO P-materiaal. Een hoog koolstofgehalte (>0,2%) maakt verharding van het materiaal mogelijk. Bewerken zal leiden tot vrijloopvlak- en kolkslijtage met enige snijkantsopbouw. ISO P hardmetaalsoorten en geometrieën werken goed.

Austenitisch en super-austenitisch roestvaststaal – M1.0-2.0

Definitie

Austenitische staalsoorten vormen de primaire groep van roestvaste staalsoorten; de meest voorkomende samenstelling is 18% Cr en 8% Ni (bijv. 18/8-staalsoorten, type 304). Een staal met een betere weerstand tegen corrosie ontstaat door toevoeging van 2-3% molybdeen, dat vaak "zuurbestendig staal" (type 316) wordt genoemd. De MC-groep omvat ook super-austenitisch roestvaststaal met een Ni-gehalte van meer dan 20%. De austenitische precipitatiehardende staalsoorten (PH) hebben een warmtebehandelde austenitische structuur en een Cr-gehalte van >16% en een Ni-gehalte van >7%, met ca. 1% aluminium (Al). Een typisch precipitatiegehard staal is 17/7 PH staal.

Gemeenschappelijke componenten

Wordt gebruikt in componenten waar een goede weerstand tegen corrosie vereist is. Zeer goede lasbaarheid en goede eigenschappen bij hoge temperaturen. Toepassingen zijn onder meer: chemische, pulp- en voedselverwerkende industrie en uitlaatspruitstukken voor vliegtuigen. Goede mechanische eigenschappen worden verbeterd door koudwerken.

Bewerkbaarheid

Werkverharding resulteert in harde oppervlakken en harde spanen, die op hun beurt leiden tot kerfslijtage. Het zorgt ook voor hechting en produceert snijkantsopbouw (BUE). Het heeft een relatieve bewerkbaarheid van 60%. Door de uithardende toestand kunnen de coating en het basismateriaal van de snijkant scheuren, wat resulteert in afbrokkeling en een slechte oppervlakte-afwerking. Austeniet produceert taaie, lange, continue spanen die moeilijk te breken zijn. Het toevoegen van S verbetert de bewerkbaarheid, maar resulteert in een lagere weerstand tegen corrosie. Gebruik scherpe snijkanten met een positieve geometrie. Snijd onder de geharde laag. Houd de snedediepte constant. Genereert veel warmte bij bewerking.

Duplex roestvaststaal – M 3.41-3.42

Definitie

Door Ni toe te voegen aan een ferritisch roestvast staal op Cr-basis, wordt een gemengde basisstructuur/matrix gevormd, die zowel ferriet als austeniet bevat. Dit wordt een duplex roestvast staal genoemd. Duplexmaterialen hebben een hoge treksterkte en behouden een zeer hoge corrosiebestendigheid. Aanduidingen zoals super-duplex en hyper-duplex duiden op een hoger gehalte aan legeringselementen en een nog betere corrosiebestendigheid. Een Cr-gehalte tussen 18 en 28% en een Ni-gehalte tussen 4 en 7% zijn gebruikelijk in duplex staalsoorten en produceren een ferritisch aandeel van 25-80%. De ferriet- en austenietfase zijn meestal aanwezig bij kamertemperatuur van respectievelijk 50-50%.

Gemeenschappelijke componenten

Gebruikt in machines voor de chemische, voedingsmiddelen-, bouw-, medische-, cellulose- en papierindustrie en in processen die zuren of chloor bevatten. Vaak gebruikt voor apparatuur die verband houdt met de offshore olie- en gasindustrie.

Bewerkbaarheid

De relatieve bewerkbaarheid is over het algemeen slecht, 30%, als gevolg van een hoge vloeigrens en hoge treksterkte. Een hoger gehalte ferriet, meer dan 60%, verbetert de bewerkbaarheid. Bij het bewerken ontstaan sterke spanen, die kunnen leiden tot spaaninslag en hoge snijkrachten. Genereert veel hitte tijdens het snijden, wat kan leiden tot plastische vervorming en ernstige kraterslijtage.

Kleine instelhoeken hebben de voorkeur om kerfslijtage en braamvorming te voorkomen. Stabiliteit bij het opspannen van het gereedschap en de bevestiging van het werkstuk is essentieel.

ISO K gietijzer

• MC-codes voor gietijzer
• Smeedbaar gietijzer (MCI) K 1.1-1.2 en grijs gietijzer (GCI) K 2.1-2.3
• Nodulair gietijzer (NCI) K 3.1-3.5
• Gecompacteerd grafietijzer (CGI) K 4.1-4.2
• Isotherm gehard gietijzer (ADI) K 5.1- 5.3

Wat is ISO K gietijzer?

Er zijn 5 hoofdtypen gietijzer:

• Grijs gietijzer (GCI)
• Smeedbaar gietijzer (MCI)
• Nodulair gietijzer (NCI)
• Gecompacteerd grafietijzer (CGI)
• Isotherm gehard gietijzer (ADI)

Gietijzer is een Fe-C samenstelling met een relatief hoog percentage Si (1-3%). Het koolstofgehalte is meer dan 2%, wat de maximale oplosbaarheid van C is in de austenitische fase. Cr (chroom), Mo (molybdeen) en V (vanadium) vormen carbiden, die de sterkte en hardheid verhogen, maar de bewerkbaarheid verlagen.

Bewerkbaarheid in het algemeen

• Kortspanend materiaal met goede spaanbeheersing in de meeste omstandigheden. Specifieke snijkracht: 790 – 1350 N/mm
• Bewerkingen met hogere snelheden, vooral in gietijzersoorten met zandinsluitingen, veroorzaken abrasieve slijtage
• NCI, CGI en ADI vereisen extra aandacht vanwege de verschillende mechanische eigenschappen en de aanwezigheid van grafiet in de matrix, vergeleken met normale GCI
• Gietijzer wordt vaak bewerkt met negatieve wisselplaten, omdat deze sterke snijkanten en veilige toepassingen bieden
• De hardmetalen substraten moeten hard zijn en de coatings moeten van dikke aluminiumoxidesoorten zijn voor een goede weerstand tegen abrasieve slijtage
• Gietijzer wordt traditioneel droog bewerkt, maar kan ook onder natte omstandigheden worden gebruikt, voornamelijk om de verontreiniging van stof door koolstof en ijzer tot een minimum te beperken. Er zijn ook hardmetaalsoorten verkrijgbaar die geschikt zijn voor toepassingen met koelmiddeltoevoer

Invloed van hardheid

• De invloed van de hardheid op de bewerkbaarheid van gietijzer volgt dezelfde regels als voor elk ander materiaal
• ADI (austempered ductiel gietijzer) en CGI (gecompacteerd grafietijzer) en NCI (nodulair gietijzer) hebben bijvoorbeeld hardheden tot 300-400 HB
• HB. MCI en GCI gemiddeld 200-250 HB
• Wit gietijzer kan een hardheid van meer dan 500 HB bereiken bij snelle afkoelsnelheden, waarbij de koolstof reageert met het ijzer om een hardmetaal Fe3C (cementiet) te vormen, in plaats van aanwezig te zijn als vrije koolstof. Wit gietijzer is zeer abrasief en moeilijk te bewerken

MC-codes voor gietijzer

Vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid worden gietijzersoorten ingedeeld in smeedbaar, grijs, nodulair, gecompacteerd grafietijzer (CGI) en isotherm gehard nodulair gietijzer (ADI). Sommige van de hogere hardheden zijn te vinden in nodulair gietijzer en de ADI's.

De austempering warmtebehandeling zet nodulair gietijzer, (NCI), om in gehard gietijzer (ADI).

Smeedbaar gietijzer (MCI) K 1.1-1.2 en grijs gietijzer (GCI) K 2.1-2.3

Definitie

Smeedbaar gietijzer wordt geproduceerd uit een bijna witte ijzermatrix, die vervolgens in twee stappen een warmtebehandeling ondergaat, waardoor een structuur van ferriet + perliet + getemperd koolstof ontstaat, wat leidt tot onregelmatige grafietkorrels in vergelijking met de meer breukveroorzakende lamellaire structuur in het grijze gietijzer. Dit betekent dat het kneedbare materiaal minder gevoelig is voor scheurvorming en dat de waarden voor breuksterkte en rek hoger zijn.

Grijs gietijzer heeft het grafiet in typische vlokvorm en de belangrijkste kenmerken zijn: lage slagvastheid (bros gedrag); goede thermische geleidbaarheid, minder warmte wanneer de motor draait en lage hitte in het snijproces; Goede dempende eigenschappen, absorbeert de trillingen in de motor.

Gemeenschappelijke componenten

Componenten vervaardigd uit MCI zijn onder andere: aslagers, spoorwielen, pijpfittingen en zeer sterke tandwielen. Componenten die door GCI worden vervaardigd zijn onder andere: koekenpannen, motorblokken, cilinders voor compressoren, tandwielen en versnellingsbakbehuizingen.

Bewerkbaarheid

Smeedbaar gietijzer heeft een hogere treksterkte dan GCI en lijkt op NCI wat betreft bewerkbaarheid, maar beide hebben over het algemeen uitstekende bewerkingseigenschappen. Over het algemeen verhoogt gietijzer met een perlitische structuur de abrasieve slijtage, terwijl ferritische structuren de adhesieve slijtage verhogen.

Grijs gietijzer heeft een lage slagvastheid, genereert lage snijkrachten en de bewerkbaarheid is zeer goed. Slijtage ontstaat alleen in het snijproces door slijtage; Er is geen chemische slijtage. Grijs gietijzer wordt vaak gelegeerd met Cr om de mechanische eigenschappen te verbeteren. De hogere sterkte zal dan resulteren in een verminderde bewerkbaarheid.

Nodulair gietijzer (NCI) K 3.1-3.5

Definitie

Nodulair gietijzer heeft bolvormig grafiet en de belangrijkste kenmerken zijn een goede stijfheid (Young's module); goede slagvastheid = taai materiaal, niet broos; goede treksterkte; slechte dempingseigenschappen, absorbeert de trillingen in de motor niet; Slechte thermische geleidbaarheid, hogere hitte in het snijproces. In vergelijking met GCI verschijnt het grafiet in NCI in de vorm van knobbeltjes, wat bijdraagt aan hogere trekeigenschappen en taaiheid.

Gemeenschappelijke componenten

Naven, buizen, rollen, uitlaatspruitstukken, krukassen, differentieelhuizen, lagerkappen, uitlaatspruitstukken, bodemplaten, turbocompressorbehuizingen, koppelingsplaten en vliegwielen.

Behuizingen van turbocompressoren en uitlaatspruitstukken zijn vaak gemaakt van SiMo-gelegeerd gietijzer, dat beter bestand is tegen hitte.

Bewerkbaarheid

Nodulair gietijzer heeft sterk de neiging snijkantsopbouw te vormen. Deze tendens is sterker voor de zachtere NCI-materialen met een hoger ferritisch gehalte. Bij het bewerken van componenten met hoge ferritische gehalten en met onderbroken snedes, is adhesieslijtage vaak het overheersende slijtagemechanisme. Dit kan problemen veroorzaken met het afschilferen van de coating.

Het hechtingsprobleem is minder uitgesproken bij hardere NCI-materialen die een hoger perlitisch gehalte hebben. Hier is de kans op abrasieve slijtage en/of plastische vervorming groter.

Gecompacteerd grafietijzer (CGI) K 4.1-4.2

Definitie

CGI is een materiaal dat kan voldoen aan zowel de toenemende vraag naar sterkte als gewichtsreductie en toch een redelijke bewerkbaarheid behoudt. De thermische en dempende eigenschappen van CGI liggen tussen NCI en GCI in. De weerstand tegen metaalmoeheid is tweemaal zo goed als die van grijs ijzer. De grafietdeeltjes in CGI zijn langwerpig en willekeurig georiënteerd, zoals in grijs gietijzer, maar ze zijn korter, dikker en hebben afgeronde randen. De koraalachtige morfologie in CGI, samen met de afgeronde randen en onregelmatige hobbelige oppervlakken van de grafietdeeltjes, zorgt voor een sterke hechting tussen het grafiet en de ijzermatrix. Dit is de reden waarom de mechanische eigenschappen zo verbeterd zijn in CGI, vergeleken met grijs gietijzer. CGI met een perlitisch gehalte van minder dan 90% komt het meest voor.

Gemeenschappelijke componenten

CGI is zeer geschikt voor de productie van motoren, waar lichtere en sterkere materialen nodig zijn die meer vermogen kunnen absorberen. Alleen al het gewicht van het motorblok kan met ca. 20 procent worden gereduceerd ten opzichte van een motorblok van GCI. Andere voorbeelden zijn cilinderkoppen en schijfremmen.

Bewerkbaarheid

Vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid ligt gecompacteerd grafietijzer tussen grijs en nodulair gietijzer in. Met twee tot drie keer de treksterkte van grijs gietijzer en een lagere thermische geleidbaarheid, genereert het bewerken van CGI hogere snijkrachten en meer hitte in de snijzone. Een verhoogd gehalte aan titanium in het CGI materiaal heeft een negatieve invloed op de standtijd.

De meest voorkomende bewerkingen zijn vlakfrezen en cilinderkotteren. In plaats van cilinderkotteren kan een andere methode naar circulair frezen zowel de standtijd als de productiviteit verbeteren.

Isotherm gehard gietijzer (ADI) K 5.1- 5.3

Definitie

Isotherm gehard gietijzer vormt een familie van warmtebehandelde gietijzersoorten. De austempering warmtebehandeling zet nodulair gietijzer om in gehard gehard gietijzer (ADI), waarvan de kenmerken uitstekende sterkte, taaiheid en vermoeiingskenmerken omvatten. ADI is sterker per gewichtseenheid dan aluminium en even slijtvast als staal. De trek- en vloeigrens zijn tweemaal zo hoog als die van standaard nodulair gietijzer. De vermoeidheidssterkte is 50% hoger en kan worden verbeterd door shot peening of filetrollen.

Gemeenschappelijke componenten

ADI-gietstukken vervangen steeds vaker stalen smeedstukken en gietstukken, gelaste constructies, gecarboneerd staal en aluminium vanwege de superieure prestaties. De dominante toepassingen zijn in de auto-industrie, waar het wordt gebruikt voor ophangings- en transmissieonderdelen, enz. Het wordt ook gebruikt in de energiesector en de mijnbouw en de bouwsector.

Bewerkbaarheid

Een reductie van de standtijd met 40-50% ten opzichte van NCI kan worden verwacht. De treksterkte en ductiliteit van ADI liggen dicht bij staal, maar het spaanvormingsproces classificeert ADI als een ductiel gietijzer (gesegmenteerde spaanvorming). De microhardheid van ADI is hoger in vergelijking met staalsoorten met een vergelijkbare hardheid. Hogere ADI-kwaliteiten bevatten harde deeltjes in de microstructuur. Hoge thermische en mechanische belastingen, als gevolg van hoge sterkte en ductiliteit, zullen de slijtage in de buurt van de snijkant concentreren als gevolg van het gesegmenteerde spaanvormingsproces, en slijtage op de bovenste spaanhoek. Harding tijdens de spaanvorming resulteert in hoge dynamische snijkrachten. De snijkanttemperatuur is een belangrijke factor voor het bepalen van slijtage.

ISO N non-ferro materialen

Wat zijn ISO N non-ferro materialen?

• Deze groep bevat non-ferro, zachte metalen met hardheden onder 130 HB, met uitzondering van brons met hoge sterkte (>225HB)
• Aluminium (Al) legeringen die minder dan 12-13% silicium (Si) bevatten, vertegenwoordigen het grootste deel
• MMC: Metaalmatrix Composiet: Al + SiC (20-30%)
• Legeringen op magnesiumbasis
• Koper: elektrolytisch koper met 99,95% Cu
• Brons: koper met Tin (Sn) (10-14%) en/of aluminium (3-10%)
• Messing: koper (60-85%) met zink (Zn) (40-15%)

Bewerkbaarheid van aluminium

• Langspanig materiaal
• Relatief eenvoudige spaanbeheersing in het geval van aluminiumlegeringen
• Pure Al is stroperig en vereist scherpe snijkanten en een hoge v_c
• Specifieke snijkracht: 350–700 N/mm
• De snijkrachten, en daarmee het vermogen dat nodig is om ze te bewerken, zijn laag
• Het materiaal kan worden bewerkt met fijnkorrelige, ongecoate hardmetaalsoorten wanneer het Si-gehalte lager is dan 7-8%, en met PCD-puntsoorten voor aluminium met een hoger Si-gehalte
• Overeutectisch Al met een hoger Si-gehalte > 12% is zeer abrasief

Gemeenschappelijke componenten

Motorblok, cilinderkop, transmissiebehuizingen, behuizingen, lucht- en ruimtevaartframecomponenten.

MC-codes voor N-materialen

ISO S HRSA en titanium

• MC-codes voor S-materialen
• HRSA materialen – S 1.0-3.0
• Titanium– S 4.1-4.4

Wat is ISO S, HRSA en titanium?

• De ISO S groep is onder te verdelen in hittebestendige superlegeringen (HRSA) en titanium
• HRSA-materialen kunnen worden onderverdeeld in drie groepen: legeringen op nikkelbasis, op ijzerbasis en op kobaltbasis
• Conditie: gegloeid, oplossing warmtebehandeld, verouderd, gewalst, gesmeed, gegoten
• Eigenschappen: verhoogd legeringsgehalte (Co meer dan Ni), resulteert in een betere weerstand tegen hitte, verhoogde treksterkte en hogere corrosiebestendigheid

Bewerkbaarheid in het algemeen

= Roestvaststaal

= Warmtebehandeld (veredeld)

= Behandeling met oplossing (gegloeid)

• De fysische eigenschappen en het bewerkingsgedrag van beide variëren aanzienlijk, zowel als gevolg van de chemische aard van de legering als de precieze metallurgische verwerking die zij tijdens de fabricage ondergaat
• Gloeien en veroudering zijn bijzonder invloedrijk op de latere bewerkingseigenschappen
• Moeilijke spaanbeheersing (gesegmenteerde spanen)
• Specifieke snijkracht: 2400–3100 N/mm voor HRSA en 1300–1400 N/mm voor titanium
• Snijkrachten en benodigd vermogen zijn vrij hoog

Veroudering

Om een hogere sterkte te bereiken, kunnen hittebestendige legeringen worden "precipitatiegehard".

Door het materiaal bij hoge temperaturen te behandelen, d.w.z. verouderingsbehandeling, worden kleine intermetallische deeltjes in de legering neergeslagen. Deze deeltjes belemmeren de beweging in de kristalstructuur en als gevolg daarvan zal het materiaal moeilijker te vervormen zijn.

MC-codes voor S-materialen

Vanuit het oogpunt van bewerkbaarheid worden HRSA-staalsoorten ingedeeld in materialen op basis van ijzer, nikkel en kobalt. Titanium is onderverdeeld in commercieel zuivere alfalegeringen en bijna-alfalegeringen, alfa-/bètalegeringen en bètalegeringen.

HRSA materialen – S 1.0-3.0

Definitie

Zeer corrosiebestendige materialen die hun hardheid en sterkte behouden bij hogere temperaturen. Het materiaal wordt gebruikt tot 1000°C en is gehard door een verouderingsproces.

• De versie op nikkelbasis wordt het meest gebruikt - meer dan 50% van het gewicht van een vliegtuigmotor. Precipitatie geharde materialen zijn onder andere: Inconel 718, 706 Waspalloy, Udimet 720. Oplossing versterkt (niet uithardbaar) inclusief: Inconel 625
• Materiaal op ijzerbasis is een evolutie van austenitisch roestvaststaal en heeft de slechtste eigenschappen op het gebied van hittebestendigheid: Inconel 909, Grieks Ascolloy en A286
• Materialen op basis van kobalt hebben de beste prestaties bij hoge temperaturen en corrosiebestendigheid en worden voornamelijk gebruikt in de medische industrie: Haynes 25 (Co49Cr20W15Ni10), Stellite 21, 31
• Belangrijkste legeringselementen in HRSA-materialen
  Ni: Stabiliseert de metaalstructuur en materiaaleigenschappen bij hoge temperaturen
  Co, Mo, W: verhoog de sterkte bij verhoogde temperaturen
  Cr, Al, Si: verbeter de weerstand tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen
  C: verhoogt de kruipsterkte

Gemeenschappelijke componenten

Lucht- en ruimtevaartmotoren en krachtgasturbines in de verbrandings- en turbinesecties, olie- en gastoepassingen in de scheepvaart, medische gewrichtsimplantaten, zeer corrosiebestendige toepassingen.

Bewerkbaarheid

De bewerkbaarheid van HRSA-materialen neemt in moeilijkheidsgraad toe volgens de volgende volgorde: materialen op ijzerbasis, materialen op nikkelbasis en materialen op kobaltbasis. Alle materialen hebben een hoge sterkte bij hoge temperaturen en produceren gesegmenteerde spanen tijdens het snijden, waardoor hoge en dynamische snijkrachten ontstaan.

Slechte warmtegeleiding en hoge hardheid genereren hoge temperaturen tijdens het bewerken. De hoge sterkte, zelfhardende en hechthardende eigenschappen zorgen voor kerfslijtage bij maximale snedediepte en een extreem abrasieve omgeving voor de snijkant.

Hardmetaalsoorten moeten een goede snijkanttaaiheid en een goede hechting van de coating op het substraat hebben om een goede weerstand tegen plastische vervorming te bieden. Gebruik in het algemeen wisselplaten met een grote instelhoek (ronde wisselplaten) en kies een positieve wisselplaatgeometrie. Bij het draaien en frezen kunnen, afhankelijk van de toepassing, keramische soorten worden gebruikt.

Titanium– S 4.1-4.4

Definitie

Titaniumlegeringen kunnen worden opgesplitst in vier klassen, afhankelijk van de aanwezige structuren en legeringselementen.

• Onbehandeld, commercieel zuiver titanium
• Alfalegeringen – met toevoegingen van Al, O en/of N
• Bètalegeringen – toevoegingen van Mb, Fe, V, Cr en/of Mn
• Gemengde a+ß legeringen, waarin een mengsel van beide klassen aanwezig is

De gemengde α+β legeringen, met type Ti-6Al-4V, zijn goed voor het merendeel van de titaniumlegeringen die momenteel worden gebruikt, voornamelijk in de lucht- en ruimtevaartsector, maar ook in algemene toepassingen. Titanium heeft een hoge sterkte-gewichtsverhouding, met een uitstekende corrosiebestendigheid bij 60% van de dichtheid van staal. Dit maakt het mogelijk om dunnere wanden te ontwerpen.

Gemeenschappelijke componenten

Titanium kan worden gebruikt onder zeer zware omstandigheden, die aanzienlijke corrosie-aanvallen kunnen veroorzaken op de meeste andere bouwmaterialen. Dit is te danken aan titaniumoxide, TiO2, dat zeer resistent is en het oppervlak bedekt met een laag van ca. 0,01 mm dik. Als de oxidelaag beschadigd is en er zuurstof beschikbaar is, bouwt het titanium het oxide onmiddellijk weer op. Geschikt voor warmtewisselaars, ontziltingsapparatuur, straalmotoronderdelen, landingsgestellen en constructiedelen in de lucht- en ruimtevaart.

Bewerkbaarheid

De bewerkbaarheid van titaniumlegeringen is slecht in vergelijking met zowel algemeen staal als roestvast staal, hetgeen speciale eisen stelt aan de snijgereedschappen. Titanium heeft een slechte thermische geleidbaarheid; De sterkte blijft behouden bij hoge temperaturen, hetgeen leidt tot grote snijkrachten en hitte op de snijkant. Sterk geschoren, dunne spanen, met de neiging tot vreten, creëren een smal contactoppervlak op het spaanvlak, waardoor geconcentreerde snijkrachten dicht bij de snijkant worden gegenereerd. Een te hoge snijsnelheid veroorzaakt een chemische reactie tussen de spaan en het snijgereedschapsmateriaal, wat kan leiden tot plotselinge uitbrokkeling/breuk van de wisselplaat. Snijgereedschapsmaterialen moeten een goede hete hardheid hebben, een laag kobaltgehalte hebben en niet reageren met titanium. Meestal wordt fijnkorrelig, ongecoat hardmetaal gebruikt. Kies een positieve/open geometrie met goede snijkanttaaiheid.

ISO H gehard staal

Wat is ISO H gehard staal?

• Deze materiaalgroep bevat geharde en ontlaten staalsoorten met hardheden >45 – 68 HRC
• Veel voorkomende staalsoorten zijn carboneringsstaal (~60 HRc), kogellagerstaal (~60 HRc) en gereedschapsstaal (~68 HRc). Harde soorten gietijzer zijn wit gietijzer (~50 HRc) en ADI/Kymeniet (~40 HRc). Constructiestaal (40-45 HRc), Mn-staal en verschillende soorten hardcoatings, d.w.z. stelliet, P/M-staal en gecementeerd hardmetaal behoren ook tot deze groep
• Het draaien van harde werkstukken valt doorgaans binnen het bereik van 55-68 HRC

Bewerkbaarheid

• Gehard staal is de kleinste groep vanuit bewerkingsoogpunt en nabewerken is de meest voorkomende bewerking. Specifieke snijkracht: 2550–4870 N/mm. De bewerking levert doorgaans een behoorlijke spaanbeheersing op. Snijkrachten en benodigd vermogen zijn vrij hoog
• Het snijgereedschapsmateriaal moet goed bestand zijn tegen plastische vervorming (hete hardheid), chemische stabiliteit (bij hoge temperaturen), mechanische sterkte en bestendigheid tegen abrasieve slijtage. CBN heeft deze eigenschappen en maakt draaien in plaats van slijpen mogelijk
• Gemengde of met whiskers versterkte keramiek wordt ook gebruikt bij het draaien, wanneer het werkstuk matige oppervlakte-eisen heeft en de hardheid te hoog is voor hardmetaal
• Hardmetaal domineert in frees- en boortoepassingen en wordt gebruikt tot ca. 60 HRc

Gemeenschappelijke componenten

Typische componenten zijn: transmissie-assen, versnellingsbakhuizen, stuurrondsels, stansmatrijzen.

MC-codes voor gehard staal