Materiały narzędziowe

Wprowadzenie

Wybór odpowiedniego materiału narzędziowego i jego gatunku to istotny czynnik, który należy uwzględnić przy planowaniu obróbki.

Przy doborze materiału wskazane jest wykorzystanie podstawowej wiedzy o materiałach do produkcji narzędzi i ich właściwościach. Dotyczy to także wiedzy o obrabianym materiale, rodzaju i kształcie komponentu, warunkach obróbki i wymaganiach co do jakości wykończenia powierzchni dla danego zastosowania.

Niniejszy rozdział zawiera informacje o każdym z materiałów narzędziowych, jego zaletach i zaleceniach odnośnie najlepszego zastosowania.

Materiały narzędziowe cechują się różnymi połączeniami twardości, udarności i odporności na zużycie oraz dzielą się na różne gatunki o specyficznych właściwościach. Zasadniczo materiał narzędziowy odpowiedni dla danego zastosowania powinien być:

• Twardy i tym samym odporny na ścieranie i odkształcenia powierzchni przystawienia
• Wytrzymały i odporny na złamania
• Niezdolny do reakcji chemicznej z materiałem przedmiotu obrabianego
• Stabilny chemicznie, aby nie ulegać utlenianiu ani dyfuzji
• Odporny na nagłe zmiany temperatury

Węglik spiekany z pokryciem jako materiał narzędziowy

• Pokrycie – nakładane metodą CVD
• Pokrycie – nakładane metodą PVD
• Węglik spiekany

Czym charakteryzuje się węglik spiekany z pokryciem jako materiał narzędziowy?

Węglik spiekany z pokryciem to obecnie materiał, z którego wykonanych jest 80-90% wszystkich płytek do narzędzi skrawających. O jego sukcesie jako materiału narzędziowego zdecydowało wyjątkowe połączenie odporności na zużycie i udarności, a także możliwość formowania w skomplikowane kształty.

Węglik spiekany z pokryciem to połączenie węglika spiekanego i pokrycia. Razem stanowią gatunek opracowany pod kątem swojego zastosowania.

Gatunki węglika spiekanego z pokryciem stanowią pierwszy wybór w przypadku bardzo różnorodnych narzędzi i zastosowań.

Pokrycie – nakładane metodą CVD

Definicja i właściwości

CVD oznacza osadzanie chemiczne z fazy gazowej (Chemical Vapor Deposition). Pokrycie CVD powstaje podczas reakcji chemicznych przy temperaturach 700-1050°C.

Pokrycia CVD cechuje duża odporność na zużycie i doskonałe przywieranie do węglika spiekanego.

Pierwszy gatunek węglika spiekanego z pokryciem CVD miał jednowarstwowe pokrycie z węglika tytanu (TiC). Później wprowadzono pokrycia z tlenku glinu (Al2O3) i azotku tytanu (TiN). Niedawno powstały nowoczesne pokrycia z węgloazotku tytanu (MT-Ti(C,N) lub MT-TiCN, zwane również MT-CVD), aby ulepszyć właściwości gatunku dzięki ochronie połączenia z węglikiem spiekanym.

Nowoczesne pokrycia CVD są połączeniem MT-Ti(C,N), Al2O3 i TiN. Właściwości pokryć były stale ulepszane pod kątem adhezji, udarności i zużywalności poprzez optymalizację mikrostruktury i różne rodzaje obróbki wykończeniowej. Patrz technologia Inveio™.

MT-Ti(C,N) - Jego twardość zapewnia odporność na zużycie ścierne, co zmniejsza zużycie powierzchni przystawienia.

CVD-Al2O3 - Chemicznie obojętne o niskiej przewodności cieplnej, dzięki czemu jest odporne na zużucie kraterowe. Stanowi również barierę cieplną, która zwiększa odporność na odkształcenia plastyczne.

CVD-TiN - Zwiększa odporność na zużycie i jest używane do wykrywania zużycia.

Obróbki wykończeniowe - Poprawiają udarność krawędzi w skrawaniu przerywanym i ograniczają tendencję do przywierania.

Zastosowania

Gatunki z pokryciem CVD stanowią pierwszy wybór w przypadku szeregu zastosowań, w których ważna jest odporność na zużycie. Mowa tu głównie o toczeniu i wytaczaniu ogólnym stali, w trakcie którego grube pokrycia CVD chronią przed zużyciem kraterowym; dotyczy to także toczenia ogólnego stali nierdzewnych i gatunków frezarskich do obróbki materiałów z grup ISO P, ISO M, ISO K. W przypadku wiercenia gatunki z pokryciem CVD są zazwyczaj stosowane do płytek zewnętrznych.

Pokrycie – nakładane metodą PVD

Definicja i właściwości

Pokrycia wykonane techniką fizycznego osadzania z fazy gazowej (Physical Vapor Deposition, PVD) wykonuje się w stosunkowo niskich temperaturach (400-600°C). Proces ten polega na odparowaniu metalu, który reaguje np. z azotem, tworząc twarde pokrycie z azotku na powierzchni narzędzia skrawającego.

Pokrycia PVD dzięki swojej twardości zwiększają odporność gatunku na zużycie. Ponadto ich naprężenia ściskające przyczyniają się do zwiększenia udarności krawędzi i odporności na pęknięcia grzebieniowe. Patrz Technologia Zertivo™.

Najważniejsze składniki pokryć PVD są opisane poniżej. W nowoczesnych pokryciach PVD stosuje się połączenia tych składników w ułożonych kolejno warstwach i/lub pokrycia lamelarne. Pokrycia lamelarne składają się z licznych cienkich warstw w zakresie nanometrów, które sprawiają, że powłoka jest jeszcze twardsza.

PVD-TiN - Azotek tytanu był pierwszym pokryciem typu PVD. Cechują go uniwersalne właściwości i złoty kolor.

PVD-Ti(C,N) - Węgloazotek tytanu jest twardszy niż TiN i zwiększa odporność na starcie powierzchni przyłożenia.

PVD-(Ti,Al)N - Azotek tytanowo-glinowy cechuje się dużą twardością w połączeniu z odpornością na utlenianie, co zwiększa odporność na zużycie.

Tlenek PVD - Stosowany ze względu na swoją obojętność chemiczną i większą odporność na zużycie kraterowe.

Zastosowania

Zaleca się stosowanie gatunków z pokryciem PVD do produkcji udarnych, lecz ostrych krawędzi skrawających, jak również do obróbki materiałów przywierających. Tego rodzaju zastosowania są częste i obejmują wszystkie monolityczne frezy trzpieniowe i wiertła, a także większość gatunków używanych do obróbki rowków, gwintowania i frezowania. Gatunki z pokryciem PVD są również często używane do obróbki wykończeniowej oraz do produkcji płytki środkowej do zastosować wiertarskich.

Węglik spiekany

Definicja i właściwości

Węglik spiekany to proszkowy materiał metaliczny; kompozyt złożony z cząsteczek węglika wolframu (WC) i zaprawy z dużą ilością metalicznego kobaltu (Co). Węgliki spiekane używane w obróbce skrawaniem składają się z ponad 80% twardej fazy WC. Innym ważnym składnikiem są regularne węgloazotki, zwłaszcza w gatunkach spiekanych z gradientem. Korpus z węglika spiekanego wykonuje się metodą prasowania proszku lub formowania wtryskowego, a następnie jest on spiekany w celu osiągnięcia pełnej gęstości.

Wielkość ziaren WC jest jednym z najważniejszych parametrów służących do dostosowania relacji między twardością i udarnością danego gatunku; drobniejsze ziarna to większa twardość przy danej zawartości fazy spoiwa.

Ilość i skład bogatego w kobalt spoiwa umożliwia kontrolę udarności gatunku i jego odporności na odkształcenia plastyczne. Przy tej samej wielkości ziaren WC zwiększenie ilości spoiwa zwiększy udarność gatunku, który będzie jednak podatny na zużycie wywołane odkształceniem plastycznym. Zbyt mała ilość spoiwa może sprawić, że materiał będzie kruchy.

Regularne węgloazotki, znane również jako faza γ, dodaje się zasadniczo w celu zwiększenia twardości w wysokich temperaturach i wytworzenia gradientów.

Gradienty stosowane są w celu połączenia lepszej odporności na odkształcenia plastyczne z udarną krawędzią. Regularne węgloazotki skupione w krawędzi skrawającej zwiększają twardość w wysokich temperaturach tam, gdzie jest ona potrzebna. Poza krawędzią skrawającą spoiwo bogate w struktury węglika wolframu zapobiega powstawaniu szczelin i pęknięć powodowanych przez uderzenia wiórów.

Zastosowania

Średnie i grube ziarna WC

Średnie i grube ziarna WC sprawiają, że węgliki spiekane cechują się doskonałym połączeniem dużej twardości w wysokich temperaturach i udarności. Używa się ich w połączeniu z pokryciami CVD lub PVD w gatunkach stosowanych we wszystkich obszarach.

Drobne lub submikronowe ziarna WC

Drobne lub submikronowe ziarna WC używane są do produkcji ostrych krawędzi skrawających z pokryciem PVD, aby jeszcze bardziej zwiększyć siłę ostrej krawędzi. Dodatkową zaletą jest doskonała odporność na cykliczne obciążenia termiczne i mechaniczne. Często stosowane są do produkcji wierteł pełnowęglikowych, pełnowęglikowych frezów trzpieniowych, płytek do odcinania i obróbki rowków, frezowania i gatunków do obróbki wykończeniowej.

Węglik spiekany z gradientem

Korzystne podwójne właściwości gradientów są z powodzeniem wykorzystywane w połączeniu z pokryciami CVD w wielu gatunkach pierwszego wyboru do toczenia, odcinania i obróbki rowków w stali i stali nierdzewnej.

Niepokrywany węglik spiekany jako materiał narzędziowy

Czym charakteryzuje się niepokrywany węglik spiekany jako materiał narzędziowy?

Niepokrywany węglik spiekany stosowany jest w bardzo niewielkiej części całego asortymentu narzędzi skrawających. Gatunki te stanowią zwykłe połączenie WC/Co lub cechują się dużą zawartością regularnych węgloazotków.

Zastosowania

Typowe zastosowania tego materiału narzędziowego to obróbka materiałów z grupy HRSA (superstopów żaroodpornych) lub stopów tytanowych i toczenie materiałów hartowanych z małą prędkością.

Tempo zużywania się gatunków z niepokrywanego węglika spiekanego jest szybkie, ale kontrolowane, z funkcją samoostrzenia.

Cermetal jako materiał narzędziowy

Czym charakteryzuje się cermetal jako materiał narzędziowy?

Cermetal to węglik spiekany z twardymi cząsteczkami na bazie tytanu. Nazwa „cermetal” to połączenie słów „ceramika” i „metal”. Pierwotnie cermetal był połączeniem kompozytowym TiC i niklu. Nowoczesne cermetale nie zawierają niklu i posiadają specjalnie stworzoną strukturę złożoną z cząsteczek węgloazotku tytanu Ti(C,N), drugiej fazy twardej (Ti,Nb,W)(C,N) oraz spoiwa o dużej zawartości kobaltu.

Ti(C,N) zwiększa odporność gatunku na zużycie, druga faza twarda zwiększa odporność na deformację plastyczną, a odpowiednia ilość kobaltu reguluje udarność.

W porównaniu z węglikiem spiekanym cermetal cechuje się lepszą odpornością na zużycie i mniejszą tendencją do przywierania. Z drugiej strony ma jednak niższą wytrzymałość na ściskanie i odporność na szok termiczny. Cermetale mogą również mieć pokrycie PVD, aby zwiększyć odporność na zużycie.

Zastosowania

Gatunki cermetalowe używane są do zastosowań, w których występuje tendencja do przywierania i problemem jest tworzenie się narostu. Jego mechanizm samoostrzenia w miarę zużywania się utrzymuje siły skrawania na niskim poziomie nawet po długim czasie zagłębienia. Zastosowanie tego materiału do obróbki wykończeniowej umożliwia znaczną trwałość narzędzia i dokładne klasy wykonania oraz uzyskiwanie lśniących powierzchni.

Typowe zastosowania to obróbka wykończeniowa stali nierdzewnych, żeliw sferoidalnych, stali niskowęglowych i ferrytycznych. Cermetali można również używać do rozwiązywania problemów z obróbką wszelkich metali nieżelaznych.

Porady:

• Stosować niewielki posuw i głębokość skrawania
• Wymieniać krawędź płytki, gdy zużycie powierzchni bocznej osiągnie 0,3 mm
• Unikać powstawania pęknięć cieplnych i szczelin wskutek obróbki bez użycia chłodziwa

Ceramiczny materiał narzędziowy

Czym charakteryzuje się ceramiczny materiał narzędziowy?

Wszystkie ceramiczne narzędzia skrawające cechuje doskonała odporność na zużycie przy wysokich prędkościach skrawania.

Istnieje cały szereg gatunków ceramicznych mających wiele zastosowań.

Ceramika oksydowana powstaje na bazie tlenku aluminium (Al2O3) z dodatkiem cyrkonu (ZrO2) zapobiegającego pęknięciom. W rezultacie powstaje materiał bardzo stabilny chemicznie, ale niezbyt odporny na gwałtowne zmiany temperatury.

(1) Ceramika mieszana jest wzmacniana cząsteczkowo poprzez dodanie regularnych węglików lub węgloazotków (TiC, Ti(C,N)). Charakteryzuje się lepszą udarnością i przewodnością cieplną.

(2) Ceramika wzmacniana wiskerami powstaje przy wykorzystaniu wiskerów z węglika krzemu (SiCw), co znacznie zwiększa udarność i umożliwia używanie chłodziwa. Ceramika wzmacniana wiskerami idealnie nadaje się do obróbki stopów na bazie niklu.

(3) Ceramika na bazie azotku krzemu (Si3N4) to inna grupa materiałów ceramicznych. Ich wydłużone kryształy tworzą samoutwardzający się materiał o dużej udarności. Gatunek na bazie azotku krzemu zapewniają dobry przebieg obróbki żeliwa szarego, ale brak wystarczającej stabilności ogranicza jego zastosowanie w innych materiałach obrabianych.

Sialon (SiAlON) to gatunki łączące wytrzymałość samoutwardzającej się struktury azotku krzemu i dużą stabilność chemiczną. Gatunki Sialon idealnie nadają się do obróbki stopów żaroodpornych (HRSA).

(1) Ceramika mieszana

(2) Ceramika wzmacniana wiskerami

(3) Ceramika na bazie azotku krzemu

Zastosowania

Gatunki ceramiczne mogą być wykorzystywane w wielu obszarach zastosowań i materiałach, najczęściej podczas toczenia z wysokimi prędkościami, lecz także do obróbki rowków i frezowania. Przy prawidłowym stosowaniu specyficzne właściwości każdego z gatunków ceramicznych umożliwiają osiągnięcie wysokiej produktywności. Aby osiągnąć sukces, należy wiedzieć, kiedy i jak używać gatunków ceramicznych.

Ogólne ograniczenia stosowania gatunków ceramicznych to ich poziom odporności na szok termiczny i odporności na pękanie.

Polikrystaliczny regularny azotek boru jako materiał narzędziowy

Czym charakteryzuje się polikrystaliczny regularny azotek boru jako materiał narzędziowy?

Polikrystaliczny regularny azotek boru, CBN, to materiał narzędziowy o doskonałej twardości w wysokich temperaturach, który może być stosowany przy bardzo dużych prędkościach skrawania. Ponadto wykazuje on dobrą udarnością i odpornością na gwałtowne zmiany temperatury.

Nowoczesne gatunki o zawartości CBN to ceramiczne kompozyty o zawartości CBN 40-65%. Ceramiczne spoiwo zapewnia dodatkową odporność CBN na zużycie, który przy jej braku jest materiałem podatnym na zużycie chemiczne. Inną grupą są gatunki o dużej zawartości CBN, zawierające od 85% do 100% CBN. Gatunki te mogą posiadać metaliczne spoiwo poprawiające ich udarność.

CBN jest nakładany metodą lutowania na węglik spiekany, aby utworzyć płytkę. Technologia Safe-Lok™ zwiększa siłę połączenia końcówek skrawających z CBN na płytkach ujemnych.

Zastosowania

Gatunki z CBN są przeważnie używane do wytaczania wykończeniowego stali hartowanych o twardości przekraczającej 45 HRc. Przy twardości powyżej 55 HRc CBN to jedyne narzędzie skrawające, które może zastąpić tradycyjne metody szlifowania. Bardziej miękkie stale, o twardości poniżej 45 HRc, zawierają większą ilość ferrytu, co ma negatywny wpływ na odporność CBN na zużycie.

CBN może być również wykorzystywany do obróbki zgrubnej żeliwa szarego z dużą prędkością, zarówno toczenia, jak i frezowania.

Diament polikrystaliczny jako materiał narzędziowy

Czym charakteryzuje się diament polikrystaliczny jako materiał narzędziowy?

PCD to materiał zbudowany z cząsteczek diamentu spieczonych z metalicznym spoiwem. Diament jest najtwardszym, a więc również najbardziej odpornym na ścieranie, ze wszystkich materiałów. Jako materiał narzędziowy cechuje się dobrą odpornością na zużycie, ale także brakiem odpowiedniej stabilności chemicznej w wysokich temperaturach oraz łatwo rozpuszcza się w żelazie.

Zastosowania

Zastosowanie narzędzi z PCD jest ograniczone do materiałów nieżelaznych, takich jak aluminium o dużej zawartości krzemu, kompozyty metalowe (MMC) oraz tworzywa wzmacniane włóknem węglowym (CFRP). PCD z doprowadzaniem chłodziwa pod niskim ciśnieniem można również stosować do obróbki superwykończeniowej tytanu.

Gatunki Sandvik Coromant

Informacje o asortymencie płytek i gatunków Sandvik Coromant można znaleźć tutaj.

Dzięki tym informacjom mogą Państwo wybrać płytkę lub gatunek na podstawie materiału skrawającego lub obszaru zastosowania.