Skärverktygsmaterial

Introduktion

Valet av skärverktygets material och sort är en viktig faktor när man planerar en framgångsrik skärande bearbetning.

Grundläggande kunskap om varje skärverktygsmaterial och dess egenskaper är viktigt för att kunna göra rätt val. Du bör då ta hänsyn till materialet i arbetsstycket som ska bearbetas, typen av komponent och dess form, bearbetningsförhållandena och vilken grad av ytkvalitet som krävs för varje operation.

Det här avsnittet innehåller information om respektive skärverktygsmaterial, fördelar samt rekommendationer för bästa resultat.

Skärverktygsmaterial har olika kombinationer av hårdhet, seghet och slitstyrka, och har delats in i flera sorter med specifika egenskaper. I allmänhet bör ett skärverktygsmaterial som är framgångsrikt i sin applikation vara:

• Hårt, för att stå emot fasförslitning och deformation
• Segt, för att stå emot bulkbrott
• Icke-reaktivt gentemot materialet i arbetsstycket
• Kemiskt stabilt för att stå emot oxidering och diffusionsförslitning
• Motståndskraftigt mot plötsliga temperaturförändringar

Skärverktygsmaterial av belagd hårdmetall

• Beläggning – CVD
• Beläggning – PVD
• Hårdmetall

Vad är ett skärverktygsmaterial av belagd hårdmetall?

Belagd hårdmetall står för närvarande för 80–90 % av alla skärverktygsskär. Dess framgång som verktygsmaterial beror på dess unika kombination av slitstyrka och seghet och dess förmåga att formas i komplicerade former.

Belagd hårdmetall kombinerar hårdmetall med en beläggning. Tillsammans bildar de en sort som är specialanpassad för sin applikation.

Belagd hårdmetall är förstavalet för en mängd olika verktyg och applikationer.

Beläggning – CVD

Definition och egenskaper

CVD står för Chemical Vapor Deposition (kemisk ångdeponering). CVD-beläggningen skapas genom kemiska reaktioner i temperaturer på mellan 700–1 050 °C.

CVD-beläggningar har en hög slitstyrka och utmärkt vidhäftning på hårdmetall.

Den första CVD-belagda hårdmetallen var beläggningen med ett lager titankarbid (TiC). Aluminiumoxidbeläggningar (Al2O3) och titannitridbeläggningar (TiN) introducerades senare. Mer nyligen har de moderna titankarbonitridbeläggningarna (MT-Ti(C,N) eller MT-TiCN, även kallad MT-CVD) tagits fram för att förbättra gradernas egenskaper genom sin förmåga att hålla gränssnittet av hårdmetall intakt.

Moderna CVD-beläggningar kombinerar MT-Ti(C,N), Al2O3 och TiN. Beläggningarnas egenskaper har förbättrats kontinuerligt vad gäller vidhäftning, seghet och förslitning med hjälp av mikrostrukturella optimeringar och efterbehandlingar. Se Inveio™-teknik.

MT-Ti(C,N) – Dess hårdhet ger slitstyrka, vilket ger minskad fasförslitning.

CVD-Al2O3 – Kemiskt inaktiv med låg värmeledningsförmåga, vilket gör den motståndskraftig mot gropförslitning. Den fungerar också som en värmebarriär för att förbättra motståndet mot plastisk deformation.

CVD-TiN – Förbättrar slitstyrkan och används för identifiering av förslitna skäreggar.

Efterbehandlingar – Förbättrar eggsegheten i intermittenta skärförlopp och minskar kletningstendenserna.

Applikationer

CVD-belagda sorter är förstavalet i en mängd olika applikationer där slitstyrka är av stor vikt. Sådana applikationer återfinns i allmän svarvning och uppborrning av stål, med motstånd mot gropförslitning tack vare de tjocka CVD-beläggningarna; allmän svarvning av rostfritt stål och för frässorter i ISO P, ISO M, ISO K. Vid borrning används CVD-sorter vanligtvis i periferiskären.

Beläggning – PVD

Definition och egenskaper

PVD-beläggningar (Physical Vapor Deposition, fysikalisk ångdeponering) bildas i relativt låga temperaturer (400–600 °C). I processen ingår att metall joniseras och sedan reagerar med t.ex. kväve för att bilda en hård nitridbeläggning på skärverktygets yta.

PVD-beläggningar ger sorterna större slitstyrka tack vare deras hårdhet. Tryckspänningar i ytan ger också ökad eggseghet och motstånd mot kamsprickor. Se Zertivo™-teknik.

Nedan beskrivs de huvudsakliga beståndsdelarna i en PVD-beläggning. Moderna beläggningar är kombinationer av dessa beståndsdelar i flera skikt. Multiskikt består av flera tunna lager, i nanometerintervall, vilket gör beläggningen ännu hårdare.

PVD-TiN – Titannitrid var den första PVD-beläggningen. Den har allround-egenskaper och är gul till färgen.

PVD-Ti(C,N) – Titankarbonitrid är hårdare än TiN och tillför motstånd mot fasförslitning.

PVD-(Ti,Al)N – Titanaluminiumnitrid är mycket hårt och har bra motståndmot oxidering vilket förbättrar den totala slitstyrkan.

PVD-oxid – Används för sin kemiska inaktivitet och sitt förbättrade motstånd mot gropförslitning.

Applikationer

PVD-belagda sorter rekommenderas för sega, men vassa, skäreggar, liksom för kletande material. Sådana applikationer är utbredda och inkluderar alla solida pinnfräsar och borr, och en majoritet av alla sorter för spårstickning, gängning och fräsning. PVD-belagda sorter används också flitigt i finbearbetande applikationer och till centrumskär vid borrning.

Hårdmetall

Definition och egenskaper

Hårdmetall är ett pulvermetallurgiskt material; ett kompositmaterial av volframkarbidpartiklar (WC) och ett bindmedel rikt på metallisk kobolt (Co). Hårdmetaller för skärande bearbetning består av mer än 80 % av volframkarbid. Ytterligare blandkarbider är andra viktiga beståndsdelar, särskilt i sintrade sorter med gradienter. Kroppen av hårdmetall tillverkas antingen genom axialpressning eller formsprutning och sintras sedan till full densitet.

WC-kornstorleken är en av de viktigaste parametrarna vid justering av en sorts förhållande mellan hårdhet och seghet. Ju finare kornstorlek desto högre hårdhet vid ett givet bindmedelsinnehåll.

Mängden och sammansättningen av bindmedlet styr sortens seghet och motståndskraft mot plastisk deformation. Vid lika stor WC-kornstorlek ger en ökad mängd bindmedel en segare sort, som är mer benägen till förslitning på grund av plastisk deformation. För låg bindmedelshalt kan leda till sprött material.

Blandkarbider, vilka även kallas y-fas, tillsätts normalt för att öka varmhållfastheten och för att skapa gradienter.

Gradienter används för att kombinera förbättrat motstånd mot plastiskdeformation med eggseghet. Blandkarbider som koncentrerats i skäreggen förbättrar varmhållfastheten där det behövs. Utöver skäreggen, förhindrar ett bindmedel rikt på volframkarbid sprickor och spånhamring.

Applikationer

Medelfin till grov WC-kornstorlek

Medelfin till grov WC-kornstorlek ger hårdmetallerna en kombination av hög varmhållfasthet och seghet. Dessa används i kombination med CVD- eller PVD-beläggningar för sorter för alla områden.

Fina WC-korn eller WC-korn i submikrometerstorlek

Fina WC-korn eller WC-korn i submikrometerstorlek används för vassa skäreggar med PVD-beläggning för att förbättra den vassa eggens slitstyrka. De har också ett överlägset motstånd mot termisk och mekanisk cyklisk last. Exempel på typiska applikationer är solida hårdmetallborr, solida hårdmetallpinnfräsar, skär för avstickning och spårsvarvning, fräsning och sorter för finbearbetning.

Hårdmetall med gradient

De fördelaktiga egenskaperna hos gradienter används framgångsrikt, i kombination med CVD-beläggningar, som förstaval för svarvning och avstickning och spårsvarvning i stål och rostfritt stål.

Skärverktygsmaterial av obelagd hårdmetall

Vad är ett skärverktygsmaterial av obelagd hårdmetall?

Obelagda hårdmetallsorter utgör en mycket liten del av det totala skärverktygssortimentet. Dessa sorter innehåller antingen enbart WC/Co eller har även en viss andel blandkarbid.

Applikationer

Vanliga applikationer är bearbetning av HRSA (varmhållfasta superlegeringar) eller titanlegeringar och svarvning av härdade material vid låg hastighet.

Förslitningen av obelagda hårdmetallsorter är snabb men kontrollerad, med en självslipande funktion.

Skärverktygsmaterial av cermet

Vad är skärverktygsmaterial av cermet?

Cermet är en hårdmetall med titanbaserade hårda partiklar. Namnet cermet kombinerar orden keramisk (ceramic på engelska) och metall. Ursprungligen bestod cermet av TiC och nickel. Moderna cermetsorter är nickelfria och har en specialdesignad struktur med kärnpartiklar i titankarbonitrid Ti(C,N), en andra hård fas av (Ti,Nb,W)(C,N) och ett W-rikt koboltbindmedel.

Ti(C,N) gör sorten slitstark, den andra hårda fasen ökar motståndskraften mot plastisk deformation och mängden kobolt styr segheten.

Jämfört med hårdmetall har cermet bättre slitstyrka och mindre tendens att kleta. Å andra sidan har den sämre motstånd mot termisk chock. Cermeter kan också vara PVD-belagda för bättre slitstyrka.

Applikationer

Cermetsorter används i kletande applikationer där löseggsbildning är ett problem. Deras självskärpande förslitningsbild håller nere skärkrafterna även efter en längre tid i ingrepp. Vid finbearbetning möjliggör detta en lång skärlivslängd med snäva toleranser och fina ytor.

Typiska applikationer är t.ex. finbearbetning i rostfria stål, nodulärt gjutjärn, stål med låg kolhalt och ferritiska stål. Cermeter kan också användas för felsökning i alla järnmetaller.

Tips:

• Använd låg matning och litet skärdjup
• Byt skäreggen när fasförslitningen når 0,3 mm
• Undvik värmesprickor och brott genom att arbeta utan skärvätska

Skärverktygsmaterial av keramik

Vad är skärverktygsmaterial av keramik?

Alla keramiska skärverktyg har utmärkt slitstyrka vid höga skärhastigheter.

Det finns ett stort utbud av keramiska sorter för många olika applikationer.

Oxidkeramer är aluminiumoxidbaserade (Al2O3), med tillsats av zirkon (ZrO2). Detta ger ett material som är mycket kemiskt stabilt, men som saknar motstånd mot termisk chock.

(1) Blandkeramer består av aluminiumoxid med tillsats av titankarbid (TiC) eller titankarbonitrid Ti(CN)). Detta förbättrar segheten och värmeledningsförmågan.

(2) Fiberförstärkta keramer använder kiselkarbidfibrer (SiCw) för att öka segheten betydligt och göra det möjligt att använda skärvätska. Fiberförstärkta keramer är idealiska för bearbetning av Ni-baserade legeringar.

(3) Kiselnitridkeramer (Si3N4) är en annan grupp keramiska material. Deras fiberlika kristaller bildar ett slitstarkt material med hög seghet. Kiselnitridsorterna fungerar bra i grått gjutjärn, men deras dåliga kemiska stabilitet begränsar användningen i andra arbetsmaterial.

Sialonsorter (SiAlON) kombinerar styrkan hos ett slitstarkt kiselnitridnätverk med förbättrad kemisk stabilitet. Sialonsorter är idealiska för bearbetning av varmhållfasta superlegeringar (HRSA).

(1) Blandkeramer

(2) Fiberförstärkta keramer

(3) Kiselnitridkeramer

Applikationer

Keramiska sorter kan användas inom många olika applikationer och material, oftast vid svarvning i hög hastighet men även vid spårstickning och fräsning. Varje keramisk sorts specifika egenskaper möjliggör hög produktivitet vid korrekt användning. Kunskap om när och hur man ska använda keramiska sorter är viktigt för att lyckas.

Bland keramernas allmänna begränsningar märks deras motståndskraft mot termisk chock och brottseghet.

Skärverktygsmaterial av polykristallin kubisk bornitrid

Vad är skärverktygsmaterial av polykristallin kubisk bornitrid?

Polykristallin kubisk bornitrid, CBN, är ett material med utmärkt varmhållfasthet som kan användas vid mycket hög skärhastighet. Det är också mycket segt och har bra motståndskraft mot termisk chock.

Moderna CBN-sorter är keramiska kompositer med en CBN-halt på 40–65 %. Det keramiska bindmedlet ger CBN ytterligare slitstyrka, sorten är annars känslig för kemisk förslitning. En annan grupp sorter är högkoncentrerade CBN-sorter, med 85 % till nästan 100 % CBN. Dessa sorter kan ha ett metalliskt bindmedel för att förbättra sin seghet.

CBN är lött på en hårdmetall för att bilda ett skär. Tekniken Safe-Lok™ ökar CBN-skäreggarnas vidhäftning på negativa skär ytterligare.

Applikationer

CBN-sorter används i huvudsak för finsvarvning i härdat stål, med en hårdhet över 45 HRc. Över 55 HRc är CBN det enda skärverktyget som kan ersätta traditionella slipningsmetoder. Mjukare stål, under 45 HRc, innehåller en högre halt ferrit, vilket ger en ökad förslitning på grund av kemisk upplösning.

CBN kan också användas för grovbearbetning i hög hastighet av grått gjutjärn, vid både svarvning fräsning.

Skärverktygsmaterial av polykristallin diamant

Vad är skärverktygsmaterial av polykristallin diamant?

PCD är en komposit av diamantpartiklar som har sintrats ihop med ett metalliskt bindmedel. Diamant är det hårdaste materialet och följaktligen det mest motståndskraftiga mot nötning. I skärverktyg har det bra motståndskraft mot förslitning, men saknar kemisk stabilitet vid höga temperaturer och löses lätt upp i järn.

Applikationer

PCD-verktyg är begränsade till icke-järnmetaller, t.ex. aluminium också med hög kiselhalt, metallmatriskompositer (MMC) och kolfiberförstärkta plaster (CFRP). PCD med riklig kylning kan också användas vid superfin bearbetning av titan.

Sandvik Coromant-sorter

Information om Sandvik Coromants sortiment av skär och sorter finns här.

Med hjälp av denna information kan du välja skär eller sort baserat på bearbetningsmaterial eller applikation.