Materiały narzędziowe
Rozwój technologii obróbki skrawaniem niesie za sobą coraz większe wymagania stawiane stosowanym narzędziom, a dokładnie materiałom, z których są wykonane. Ostrza narzędzi skrawających pracują w bardzo trudnych warunkach. Na powierzchnie robocze ostrza oddziałuje wysoka temperatura oraz duże naciski jednostkowe. Pracy narzędzia towarzyszą zjawiska sprzyjające zużywaniu się ostrza, takie jak: adhezja, dyfuzja, utlenianie czy zmęczenie materiału. Czym powinny charakteryzować się materiały narzędziowe?
Materiały narzędziowe wymagania
– duża twardość,
– duża udarność,
– duża wytrzymałość na: ściskanie, skręcanie, zginanie i rozciąganie,
– odporność zmęczeniowa,
– zachowanie właściwości skrawanych w wysokich temperaturach,
– odporność na szoki termiczne i mechaniczne,
– dobra przewodność cieplna,
– mała rozszerzalność cieplna,
– odporność na zużycie: ścierne, adhezyjne, dyfuzyjne i chemiczne,
– stabilność krawędzi skrawającej,
– jednorodność właściwości materiału,
– niska cena.
W artykule zostaną przedstawione materiały narzędziowe oraz powłoki stosowane na narzędziach skrawających. Można wyróżnić kilka grup materiałów narzędziowych:
- Stale narzędziowe niestopowe i stopowe
Stale narzędziowe niestopowe
Stale narzędziowe niestopowe składają się z 0,5÷1,4 C oraz niewielkich ilości dodatków stopowych: Mn, Si, Ni, Cu (0,15÷0,35). Po zahartowaniu mają około 60 HRC, tracą właściwości przy 200°C.
Zastosowanie: narzędzia do obróbki ręcznej
Stale narzędziowe stopowe
W skład stali narzędziowych stopowych wchodzi 0,4÷2,1 C, a także zawierają większą ilość dodatków stopowych (w sumie do 3%). Po zahartowaniu ok. 62 HRC, tracą właściwości przy ok. 300°C.
Zastosowanie: skrawanie do kilku m/min
- Stale szybkotnące
Twardość do 63 HRC, zachowują właściwości do 550°C. Wyróżnić można dwa rodzaje:
Stale szybkotnące wolframowe
0,7% C, 12÷20%W, 4%Cr, 12 %Co
Stale szybkotnące molibdenowe
- ale mniej W, a więcej Mo (np. SW18)
Zastosowanie: noże tokarskie, wiertła.
- Węgliki spiekane
Materiał narzędziowy uzyskany metodami metalurgii proszkowej z ziaren metali trudno topliwych: wolframu, tytanu, tantalu i niobu. Wysoka twardość ok. 1500÷1700 HV, tracą właściwości przy 850°C. Rodzaje:
Węgliki spiekane wolframowo-kobaltowe
(im więcej kobaltu tym mniej odporne na zużycie ścierne),
Węgliki spiekane wolframowo-tytanowo-tantalowe
(odporne na zużycie, ale mniej wytrzymałe udarowo).
Zastosowanie: frezy monolityczne, noże tokarskie, wiertła.
- Cermatale
Połączenie metali i ceramiki metodą metalurgii proszków. Podstawowe materiały wiążące struktury twarde to kobalt i nikiel.
Zalety: duża twardość i odporność na zużycie, duża odporność na zginanie oraz odporność na temperaturę
Zastosowanie: Do obróbki wykańczającej różnych gatunków stali, żeliw sferoidalnych i stopów metali nieżelaznych. Głównie do toczenia, wytaczania i frezowania.
- Ceramika narzędziowa
– Ceramika tlenkowa (tlenek glinu wzmocniony tlenkiem cyrkonowym)
Zastosowanie: zgrubne i wykańczające toczenie wzdłużne, duże prędkości skrawania, bez stosowania cieczy chłodząco smarujących (obróbka na sucho).
– Ceramiki mieszane (oprócz tlenku glinu, węglik tytanu i/lub azotek tytanu. Większa twardość, wytrzymałość na zmiany cieplne i odpornoś na ścieranie).
Te materiały narzędziowe są idealne do obróbki wykańczającej i dokładnej żeliw, toczenie zahartowanej stali lub utwardzonego żeliwa (do 64 HRC).
– Ceramiki beztlenkowe na bazie azotku krzemu
Największa odporność na kruche pękanie spośród ceramicznych materiałów technicznych.
Zastosowanie: obróbka zgrubna żeliw, także w niekorzystnych warunkach skrawania, jak np. obróbka przerywana, materiał skuteczny w procesie frezowania żeliw, nawet z dodatnią geometrią ostrza.
– Polikrystaliczne regularne azotki bor
Odznaczają się nadzwyczajną trwałością w podwyższonych temperaturach i wytrzymałością na ściskanie przy dobrej odporności na kruche pękanie.
Zastosowanie: narzędzia do toczenia, frezowania i rozwiercania materiałów typu stal zahartowana (55-65 HRC), np. stal łożyskowa, stal nawęglana czy stal wysokochromowa, stal szybkotnąca (50-62 HRC), żeliwo utwardzone.
- Materiały supertwarde
Diament naturalny, monokrystaliczny
Jest to najtwardszy znany materiał (8000÷10000 HV), bardzo odporny na ścieranie oraz cechuje się bardzo dobrą przewodnością cieplną. Wadą tego materiału jest mała odporność na wysokie temperatury, a także duża reaktywność z żelazem i niklem w podwyższonej temperaturze – prowadzi do przyspieszonego zużycia dyfuzyjnego podczas skrawania stopów metali
Te materiały narzędziowe znajdują zastosowanie na: narzędzia do obróbki stopów metali kolorowych, węglików spiekanych, metalowych materiałów kompozytowych, tworzyw sztucznych zbrojonych włóknami,
porcelany.
Diament polikrystaliczny
Proszek diamentowy otrzymany w procesie syntezy posiada ziarna o wymiarach 1÷60 μm. Podczas spiekania stosuje się ciśnienia 5÷8 GPa i temperaturę 1073÷2773 K. Spiek po spieczeniu z podłożem węglikowym tnie się elektroerozyjnie na żądane kształtki.
Te materiały narzędziowe mają zastosowanie takie jak w przypadku diamentu monokrystalicznego (naturalnego), przy czym ze względu na możliwość dowolnego kształtowania ostrza są one także stosowane do skrawania kształtującego, a nawet zgrubnego.
Regularny azotek baru(polikrystaliczny)
Wytwarzany przy użyciu technologii sztucznych diamentów, a następnie spiekany. Po spieczeniu półproduktu w postaci litego krążka BN lub krążka z BN na podłożu węglikowym, tnie się go laserowo na płytki wieloostrzowe. Płytki są wlutowywane w naroża narzędzi skrawających. Ostrza są szlifowane i docierane lub gładzone. Jest odporny na wysokie temperatury (do 1400°C) oraz nie utlenia się,
Zastosowanie: do obróbki: zahartowanych stali, twardych żeliw, stopów niklu i kobaltu.
Powłoki stosowane na ostrza skrawające
Głównym celem nakładania powłok jest uzyskanie poprawy właściwości skrawanych ostrzy poprzez ograniczenie zużycia ostrza. Pełnią one następujące zadania:
– Zmniejszenie współczynnika tarcia w strefie kontaktu narzędzia z wiórem i przedmiotem obrabianym,
– Zwiększenie twardości warstw wierzchnich powierzchni roboczych narzędzia,
– Stworzenie bariery dla wnikania ciepła w narzędzie,
– Ograniczenie dyfuzji,
– Zmniejszenie zmian chemicznych w warstwach wierzchnich ostrza,
– Zmniejszenie sił skrawania,
– Obniżenie temperatury skrawania,
– Zmniejszenie nagrzewania narzędzia i przedmiotu obrabianego,
– Zmniejszenie skłonności do tworzenia się narostu,
– Zmniejszenie chropowatości obrobionych powierzchni,
– Ułatwienie transportu wióra w rowkach wiórowych,
– Możliwość skrawania bez stosowania płynów obróbkowych,
– Zwiększenie okresu trwałości ostrza,
– Ułatwienie wizualnej oceny stanu zużycia ostrza.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (używany jest skrótowiec CVD, od ang. chemical vapour deposition) – metoda obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu polepszenia albo zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału.
Narzędzia PCD, z pokryciem diamentowym.
