Ceramika

narzędziowa

Struktura, własności i

zastosowanie

Ceramika narzędziowa

•

INŻYNIERSKIE MATERIAŁY CERAMICZNE

INŻYNIERSKIE MATERIAŁY CERAMICZNE

•

CERMETALE INŻYNIERSKIE

CERMETALE INŻYNIERSKIE

•

KOMPOZYTY CERAMICZNE

KOMPOZYTY CERAMICZNE

•

NOWOCZESNE MATERIAŁY NARZĘDZIOWE

NOWOCZESNE MATERIAŁY NARZĘDZIOWE

Ceramika inżynierska wytwarzana jest w wyniku
spiekania w wysokiej temperaturze bez udziału
fazy ciekłej bardzo czystych związków, takich jak
tlenki, węgliki, azotki ale także diament i
wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną.
Ceramiczne materiały konstrukcyjne stosowane
są na części (narzędzia skrawające) , powinny
charakteryzować się dobrą odpornością na
ścieranie i dobrymi własnościami mechanicznymi
oraz odpornością na korozję w wysokich
temperaturach. Narzędzia skrawające wykonane
z ceramiki sialonowej lub ceramiki Al

2

O

3

o dużej

gęstości

mogą

pracować

przy

większych

szybkościach skrawania i mają większą trwałość
niż najlepsze narzędzia metalowe.

Podział ceramiki

inżynierskiej:

Ceramika inżynierska dzieli się na:

•

materiały ceramiczne tlenkowe,

•

materiały ceramiczne nietlenkowe.

Materiały ceramiczne

tlenkowe:

• Al

2

O

3

-

korund

-

charakteryzuje

się

dużą

ogniotrwałością, odpornością na ścieranie oraz małą

odpornością na zmiany temperatury,

• ZrO

2

-dwutlenek cyrkonu - materiały ceramiczne z

jego dodatkiem mają znaczną odporność na zużycie i

ścieranie. Grubość warstwy odpornej na ścieranie może

być ponadto zwiększona przez dodatkową obróbkę

mechaniczną. Cząsteczki ZrO

2

mogą być dodawane do

innych materiałów ceramicznych, np. złożonych z

tlenków aluminium, azotków krzemu i węglików

krzemu, polepszając ich odporność na pękanie.

Własności wytrzymałościowe i ciągliwe tych materiałów

są

wykorzystywane

jedynie

do

nieznacznie

podwyższonej temperatury. Materiały te są stosowane

na noże przemysłowe oraz narzędzia skrawające.

Rys.1 Struktura materiału ceramicznego o osnowie Al

2

O

3

(ciemniejsze) i

TiO

2

(jaśniejsze), pow. 640x.

Rys.2 Bezporowate tworzywo korundowe trawione termicznie przez
przetrzymywanie w temperaturze 1600°C w atmosferze H

2

przez

20 min. Światło odbite, powiększenie 200x

Rys.1 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al

2

O

3

gatunku IN11, stosowany przy dużych

prędkościach skrawania stali i żeliwa.

Mater

iał

Prędkość skrawania

(m/min)

Posuw

(mm/obr)

Głębokość

skrawania (mm)

Żeliwo

200-600

0,1-0,3

1-4

Stal

200-40

0,1-0,3

1-4

Tablica 1. Warunki obróbki skrawaniem (Al

2

O

3

gatunek IN11).

Przykładowa obróbka (Al

2

O

3

gatunek IN11)

- IN11

Wykres 1. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al

2

O

3

gatunek IN11)

Z

u

ży

w

a

n

ie

s

ię

k

ra

w

ę

d

zi

p

ły

tk

i

[m

m

]

Czas obróbki skrawaniem [min]

Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 500m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał:

Żeliwo

szare

(FC30,HB200)

- gatunek

konkurencyjny

Rys.2 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al

2

O

3

-TiCN gatunku IN22, przeznaczony do obróbki

średniodokładnej stali, żeliwa, żeliwa białego.

Materiał

Prędkość skrawania

(m/min)

Posuw

(mm/obr)

Głębokość

skrawania (mm)

Stal

niskostopowa

50-150

0,05-0,12

0,2-1,5

Stal>HRC50

30-200

0,05-0,20

0,2-1,5

Stal

wysokostopowa

30-200

0,05-0,20

0,2-1,5

Żeliwo białe

100=300

0,05-0,30

1,0-3,0

Tablica 2. Warunki obróbki skrawaniem (Al

2

O

3

-TiCN gatunek IN22).

Wykres 2. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al

2

O

3

-TiCN gatunek IN22)

Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 100m/min
f = 0,10 mm/obr
ap = 0,5mm
Materiał: SKD11 (HRC 58-
60)

- gatunek konkurencyjny

- IN23

Czas obróbki skrawaniem [min]

Z

u

ży

w

a

n

ie

s

ię

k

ra

w

ę

d

zi

p

ły

tk

i

[m

m

]

- IN22

Rys.3 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al

2

O

3

-TiC gatunku IN23, przeznaczony do obróbki

średniodokładnej dokładnej żeliwa szarego i żeliwa sferoidalnego.

Materiał

Prędkość skrawania

(m/min)

Posuw

(mm/obr)

Głębokość

skrawania (mm)

Żeliwo szare

200-600

0,1-0,4

1-4

Żeliwo

sferoidalne

100-400

0,05-0,2

1-3

Tablica 3. Warunki obróbki skrawaniem (Al

2

O

3

-TiC gatunek IN23.

Przykładowa obróbka (Al

2

O

3

-TiCN gatunek IN22)

- gatunek konkurencyjny

Wykres 3. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al

2

O

3

-TiC gatunek IN23)

Czas obróbki skrawaniem [min]

Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 500m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał: Żeliwo szare (FC30,
HB200)

Z

u

ży

w

a

n

ie

s

ię

k

ra

w

ę

d

zi

p

ły

tk

i

[m

m

]

- IN22

- IN23

Materiały ceramiczne

nietlenkowe

SiC

- karborund – spośród kilku metod otrzymywania węglika

krzemu, powszechnie stosowaną w skali wielkoprzemysłowej jest metoda
Achesona, polegająca na ogrzaniu mieszaniny 40% koksu, 50% piasku, 7%
trocin i 3% soli kuchennej w piecu elektrycznym rdzeniowo-oporowym do
temperatury 2700°C. Węglik krzemu charakteryzuje się wysoką
twardością, bardzo dużą odpornością na utlenianie w temperaturze do
1500°C. W atmosferze utleniającej na powierzchni elementu z SiC tworzy
się cienka warstwa SiO2 chroniąca element przed dalszym utlenianiem do
temperatury 1500 °C.

Jako materiał ścierny węglik krzemu używany jest w dwóch

gatunkach:

a) węglik krzemu zielony 99C, uważany jest za bardziej kruchy i

znajduje zastosowanie w obróbce twardych metali,

b) węglik krzemu czarny 98C, jest stosowany w obróbce żeliwa,

aluminium, brązu, ceramiki.

Si

3N

4

-azotek krzemu - ma zbliżone własności do SiC, jednak jego

odporność na utlenianie i wytrzymałość mechaniczna w
wysokiej temperaturze są nieco niższe

B

4

C

- węglik boru - jest supertwardym i niezwykle lekkim materiałem.

Pod względem twardości zajmuje on trzecią pozycję po diamencie i
regularnym azotku boru. Jest stosowany w obróbce luźnym ziarnem lub
pastami do dogładzania i polerowania w precyzyjnej obróbce końcowej
twardych metali, stali hartowanych, węglików spiekanych. Jego wadą są złe
własności mechaniczne w wysokich temperaturach.

Rys. 1 Rys. 2 Rys. 3 Rys. 4 Rys. 5
Rys. 6

Rys.1 Struktura cząstek SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 15x, mikroskop skaningowy
Rys.2 Struktura płytek SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 150x, mikroskop skaningowy
Rys.3 Struktura włókien SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 150x, mikroskop skaningowy
Rys.4 Struktura granicy ziaren Si3N4 i SiC w cienkiej folii, pow. 3600000x,
wysokorozdzielczy mikroskop elektronowy transmisyjny
Rys.5 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si3N4
wzmacnianego 20% cząstek SiC, pow. 2500x, mikroskop skaningowy
Rys.6 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si3N4
wzmacnianego 20% płytek SiC, pow. 2500x, mikroskop skaningowy

Rys.1 Uszkodzone powłoki TiC+TiN na ceramice azotowej Si

3

N

4

przy

obciążeniu 75N, powiększenie 200x, , skaningowy mikroskop elektronowy.
Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki Ti(C,N)+

Al

2

O

3

+TiN naniesionych na podłoże

z ceramiki azotowej Si

3

N

4

, skaningowy mikroskop elektronowy.

Rys.3 Topografia powierzchni powłoki Ti(C,N)+

Al

2

O

3

+TiN naniesionych na podłoże

z ceramiki azotowej Si

3

N

4

, skaningowy mikroskop elektronowy.

Ceramika azotkowa pokryta Si3N4 wielowarstwowo metodą CVD

wykazuje znaczny wzrost twardości.

Rys.1 Rys.2 Rys.3

Powierzchnia ceramika azotkowej pokrytej

Si

3

N

4

wielowarstwowo

metodą CVD cechuje się dużą niejednorodnością. W strukturach
widoczne są defekty powierzchniowe typowe dla pokryć uzyskanych w
procesach CVD w kształcie porów, kraterów i pęknięć.

Rys.4 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Si

3

N

4

pokrywany CVD gatunku IS80, przeznaczony do obróbki zgrubnej żeliwa.

Materiał

Prędkość skrawania

(m/min)

Posuw

(mm/obr)

Głębokość

skrawania (mm)

Żeliwo

szare

200-1,000

0,1-0,5

2-5

Tablica 4 Warunki obróbki skrawaniem (Si

3

N

4

pokrywany CVD,

gatunek IS80).

Przykładowa obróbka (Si

3

N

4

pokrywany CVD, gatunek IS80)

- IS80

Wykres 4. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Si

3

N

4

pokrywany CVD, gatunek IS80)

Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 400m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał: Żeliwo szare (FC30,
HB200)

Z

u

ży

w

a

n

ie

s

ię

k

ra

w

ę

d

zi

p

ły

tk

i

[m

m

]

Czas obróbki skrawaniem [min]

- gatunek konkurencyjny

Przykład Si

3

N

4

gatunku IS8 zastosowany w ceramice narzędziowej:

Rys.5 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Si

3

N

4

gatunku IS8,

przeznaczony do obróbki zgrubnej stali wysokostopowych, żeliwa sferoidalnego.

Rodzaj

obróbki

skrawanie

m

Materiał

Prędkość

skrawania

(m/min)

Posuw

(mm/obr)

Głębokość

skrawania

(mm)

Toczenie

Żeliwo szare

200-800

0,1-0,6

2-5

Żeliwo

sferoidalne

50-300

0,05-0,3

1-3

Frezowanie

Żeliwo szare

100-1,000

0,1-0,4

1-4

Tablica 5. Warunki obróbki skrawaniem (Si

3

N

4

gatunek IS8)

CERMETALE

INŻYNIERSKIE

Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych,
np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych
w osnowie metali lub ich stopów. Materiały te bywają
również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w
skład

materiałów

kompozytowych.

Cermetale

są

wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem
w

wysokiej

temperaturze,

najczęściej

niższej

od

temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z
tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej,
podobnie jak stopy metali.

Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy
materiałów inżynierskich są :



węgliki spiekane,



cermetale narzędziowe.

WĘGLIKI SPIEKANE

Materiałami tradycyjnie wytwarzanymi metodami metalurgii
proszków i powszechnie stosowanymi są spiekane
węgliki metali. Węgliki spiekane są materiałami składającymi się
z węglików metali trudno topliwych, głównie W, a
także Ti, Ta i Nb, o udziale objętościowym ok. 65÷95% oraz
metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt. Ponadto mogą być
produkowane węgliki spiekane, w których metalem
wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z
kobaltem. Węgliki spiekane do obróbki skrawaniem są
wytwarzane z węglików wolframu (WC) od 56%÷94%, węglików
tytanu (TiC), węglików tantalu (TaC) i węglików niobu
(NbC) o łącznym udziale do 35% oraz jako materiału wiążącego
kobaltu (Co) w ilości od 5,5%÷14%. Węgliki spiekane odznaczają
się bardzo dużą twardością oraz odpornością na ścieranie i
zachowują te własności do temperatury 700÷800°C

.

Węgliki

spiekane produkowane są w szeregu gatunków przeznaczonych
do różnych zastosowań w obróbce skrawaniem. Różnią się one
składem chemicznym, własnościami fizykomechanicznymi
i użytkowymi. Własności węglików
spiekanych zależą głównie od składu chemicznego, składu
fazowego węglików, kształtu i wielkości jego ziarn oraz udziału
objętościowego strukturze. Składy chemiczne gatunków i ich
własności przedstawione są w

tablicy 1

. Celem podniesienia

odporności na zużycie płytek wieloostrzowych wprowadzono ich
pokrywanie warstwami węglika tytanu (TiC), azotku tytanu (TiN)
i węglikoazotku tytanu (TiC,N) oraz tlenkiem glinu (Al

2

O

3

) -

tablica nr 2

.

Rys.1 Mikrostruktura gatunku NT20 pokrytego wielowarstwowo węglikiem tytanu,
węglikoazotkiem tytanu, tlenkiem glinu, węglikoazotkiem tytanu i azotkiem tytanu. Zgład
trawiony, powiększenie 1000x.

Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na podłoże z węglika
spiekanego typu W2, skaningowy mikroskop elektronowy.

Rys.3 Topografia powierzchni powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na podłoże z węglika
spiekanego typu W2, skaningowy mikroskop elektronowy.

Gatunek

Skład chemiczny-ciężar w [%]

Średnia

wielkość

ziarna

[µm]

Wytrzymałość na

zginanie Rg

[N/mm

2

]

Gęstość

[g/cm

3

]

Twardość

HV

30

WC

Co

TiC

TaC+Nb
C

S10S

56

9

20

15

2-3

1600

10,1

1600

S20S

58

10,5

16,5

15

2-4

1700

10,6

1550

SM25

69,5

9,5

6,5

14,5

1-2

2000

12,6

1550

S30S

78,5

8

8,5

5

2-3

1800

12,4

1500

S40S

79

14

4

3

2-3

2400

13,0

1200

U10S

84,5

5,5

6,5

3,2

1-2

1700

13,2

1600

H10S

91

4,5

-

4,5

1-2

1700

15,0

1650

H15X

93,5

6

-

0,5

1-2

1900

14,8

1550

H20S

92

5,5

-

2,5

1-2

1800

14,8

1550

B2*

)

91

9

-

-

-

2300

14,8

1200

Tablica 1. Skład chemiczny i własności węglików spiekanych.
*

)

W tym gatunku wykonuje się płytki podporowe łamacze wiór

Węgliki pokrywane

Ozna

czeni

e

Metoda

pokrycia

Budowa warstwy

Grubość

pokrycia

[µm]

NT15

CVD

TiC+ Al

2

O

3

+TiN

8

NT20

CVD

TiC+Ti(C,N)

+Al

2

O

3

+TI(C,N)

+TiN

10

NT25

CVD

TiC+TiN

8

NT30

CVD

TiC + Al

2

O

3

+ TiN

10

NT35

CVD

TiC+TiN

8

NTH1

CVD

TiC +Ti(C,N)

+Al

2

O

3

+ TiN

10

NTH2

CVD

TiC+TiN

8

N25B

CVD

TiC+Ti(C,N)+TiN

5

N25M

CVD

TiC+Ti(C,N)+TiN

5

TC35

CVD

TiC

6

Tablica 2. Rodzaje pokryć węglików spiekanych

Główne korzyści płynące ze stosowania płytek wieloostrzowych to:
- znacznie zwiększona trwałość, ok. 2-krotnie w porównaniu z płytkami
niepokrywanymi przy nie zmienionych parametrach skrawania,
- możliwość zintensyfikowania obróbki przez zastosowanie większych
szybkości skrawania przy tym samym okresie trwałości,
- zmniejszenie tarcia, temperatury ostrza oraz sił skrawania prowadzące do
obniżenia poboru mocy obrabiarki,

-zmniejszenie zapasów magazynowych przez zastąpienie gatunków
konwencjonalnych gatunkami pokrywanymi.

Najwyższy wzrost odporności na zużycie płytek wieloostrzowych uzyskano
przez wydzielenie kombinacji pokryć wielowarstwowych składających się
m.in. z warstwy Al2O3 – gatunki NT15, NTH1, NT20 i NT30. Pozwoliło to na
zastosowanie ok. 30% wyższej szybkości skrawania w porównaniu z
płytkami pokrywanymi włącznie warstwami związków tytanu.
Obecnie przeważająca liczba płytek pokrywanych stosowana jest do operacji
toczenia, przy których warunki pracy są łatwiejsze niż podczas frezowania.

Węgliki spiekane wykazują dużą odporność na działanie
wysokiej temperatury - 1000°C nie tracą swej dużej twardości
(rys.4) i odporności na ścieranie. Umożliwia to ich stosowanie
do skrawania z dużą szybkością. Do podstawowych własności
użytkowych węglików spiekanych należą bardzo dobre
własności skrawne, ulegające polepszeniu ze zmniejszeniem
stężenia kobaltu oraz ze zwiększeniem udziału węglika TiC w
węgliku

spiekanym.

Polepszeniu

własności

skrawnych

spowodowanych zwiększeniem twardości węglików spiekanych
towarzyszy zmniejszenie ciągliwości, której miarą jest m.in.
wytrzymałość na zginanie (rys.5).

0 250 500 750 1000

TEMPERATURA [°C]

Rys.4 Wpływ temperatury na twardość węglików spiekanych na osnowie
kobaltu WC-Co
i WC-TiC-Co oraz stali szybkotnących

500

1000

1500

2000

T

W

A

R

D

O

Ś

Ć

[H

V

]

1200 1300 1400 1500 1600
1700

TWARDOŚĆ [HV30]

Rys.5 Zależność prędkości skrawania i odporności na ścieranie oraz

wytrzymałości na

zginanie i ciągliwości od twardości węglików grupy zastosowań P wg ISO

( VB=0,3 mm, ε=10min, a=2 mm, s= 0,46 mm, materiał obrabiany-stal

0,6%C)

2500

500

1000

1500

2000

0

3000

300

250

200

150

100

50

0

W

Y

T

R

Z

Y

M

A

Ł

O

Ś

Ć

N

A

Z

G

IN

A

N

IE

,

R

g

[M

P

a

]

P

R

Ę

D

K

O

Ś

Ć

S

K

R

A

W

A

N

IA

,

V

[m

/m

in

]

Rodzaj

pokrycia

Oznaczenie

Zakres wg ISO

Zastosowanie

NT15

(HC)

P05-P30

Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki dokładnej stali,
staliwa, żeliwa, stali wysokostopowych nierdzewnych przy dużych

prędkościach skrawania (do 400 m/min) oraz małych przekrojach warstwy
skrawanej. Wymaga stosowania sztywnych układów: obrabiarka –uchwyt –

przedmiot - narzędzie.

M05-M25

K05-K20

NT20

(HC)

P20-P35

Gatunek pokrywany wielowarstwowo z udziałem: TiC; TiC,N; TiN; Al

2

O

3

,

przeznaczony do obróbki średniodokładnej stali, staliwa, stali nierdzewnej

oraz żeliwa szarego i sferoidalnego przy dużych prędkościach skrawania i
odpowiednio wysokich posuwach.

M10-M30

K20-K30

NT25

(HC)

P10-P30

Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki dokładnej i
średniodokładnej stali, staliwa i żeliwa ciągliwego przy dużych

prędkościach skrawania i odpowiednio wysokich posuwach.

M10-M25

NT30

(HC)

P15-P45

Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i

zgrubnej stali, staliwa, stali wysokostopowych i nierdzewnych oraz żeliwa
ciągliwego przy odpowiednio dużych prędkościach skrawania i posuwach w

trudnych warunkach.

M15-M35

NT35

(HC)

P15-P40

Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i

zgrubnej stali, staliwa, żeliwa ciągliwego przy odpowiednio dużych
prędkościach skrawania i posuwach w trudnych warunkach.

M15-M35

NTH1

(HC)

M05-M20

Gatunek pokrywany wielowarstwowo, przeznaczony do obróbki dokładnej i
średniodokładnej wszystkich gatunków żeliw przy dużych prędkościach

skrawania

K05-K20

NTH2

(HC)

M10-M25

Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i

zgrubnej żeliwa ciągliwego, szarego oraz kruchych materiałów dających
krótki wiór przy odpowiednio dużych prędkościach skrawania i posuwach w

trudnych warunkach.

K10-K25

TC35

(HC)

P15-P40

Gatunek pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i zgrubnej

stali, staliwa, stali nierdzewnych przy odpowiednio dużych prędkościach
skrawania i posuwach w trudnych warunkach.

M10-M25

N25B

(HC)

P15-P40

Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do frezowania stali i żeliwa
wiórem odpryskowym o dużym przekroju i zmiennej grubości. Można

stosować przy średnich prędkościach skrawania oraz dużych przekrojach
warstwy skrawanej.

M25-M35

K25-K35

N25M

(HC)

P15-P40

Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do przecinania, rowkowania.

Odporny na zmęczeniowe obciążenie dynamiczne. Można go stosować przy
dużych i średnich prędkościach skrawania.

M25-M35

Płytki pokrywane stosowane do frezowania muszą

charakteryzować się doskonałą wytrzymałością na uderzenia i
odpornością na ciągłe zmiany cieplne na ostrzu. Gatunkiem
spełniającym w szerokim zakresie te wymagania jest gatunek
N25B pokrywany wielowarstwowo, przeznaczony do frezowania
stali i żeliw. Produkuje się również płytki wieloostrzowe do
przecinania pokrywane wielowarstwowo w gatunku N25M.
Prawidłowe wykorzystanie płytek pokrywanych wymaga w wielu
przypadkach przeprowadzenia prób testowych, pozwalających
na dobór odpowiedniego gatunku, prędkości skrawania, posuwu
dla obrabianego materiału i stosowanej obrabiarki.

Symbole literowe charakteryzujące przeznaczenie twardego

materiału skrawającego:

HW

-niepokrywany węglik spiekany zawierający głównie

węglik wolframu (WC)

HT

-niepokrywany węglik spiekany, również tzw. cermet

zawierający głównie węglik tytanu (TiC) lub azotki tytanu (TiN),
względnie oba te składniki zawierający głównie węglik

HC

–węgliki spiekane jak wyżej, lecz pokrywane

Grupa

ISO

Oznaczenie

Zakres wg

ISO

Zastosowanie

ISO

P

S10S

(HT)

P10-P20

Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliwa oraz staliwa
niskostopowego przy dużych prędkościach skrawania i małych posuwach.

S20S

(HT)

P15-P25

Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliwa przy dużych

prędkościach skrawania i umiarkowanych posuwach.

SM25

(HT)

P15-P40

Podstawowy gatunek do frezowania stali i żeliwa wiórem odpryskowym o dużym przekroju i

zmiennej grubości. Odporny na zmęczeniowe obciążenie dynamiczne. Można go stosować
przy dużych i średnich prędkościach skrawania oraz dużych przekrojach warstwy skrawanej.

M25-M35

S30S

(HT)

P25-P35

Gatunek przeznaczony do obróbki średniodokładnej zgrubnej stali i staliwa przy małych
prędkościach skrawania oraz znacznych przekrojach warstwy skrawanej w trudnych

warunkach obróbki.

S40S

(HT)

P40-P50

Gatunek przeznaczony do obróbki zgrubnej stali i odlewów staliwnych z małymi prędkościami

skrawania przy dużych głębokościach przekrojach posuwach przekrojach szczególnie
trudnych warunkach niekorzystnych warunkach obróbki.

ISO

M

U10S

(HT)

M10-M25

Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliw i żeliw przy

średnich i małych prędkościach skrawania i średnich przekrojach wióra. Gatunek
uniwersalny, nadaje się do obróbki stali manganowych, nierdzewnych, żaroodpornych,

żarowytrzymałych oraz metali kolorowych. Stosowany do toczenia i frezowania.

K10-K20

ISO

K

H10S

(HW)

K10-K20

Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej wszystkich gatunków żeliw,

stali stopowych, austenitycznych stopów metali kolorowych oraz materiałów niemetalicznych
dających krótki wiór.

H15X

(HW)

M15-M25

Gatunek podstawowy do frezowania wszystkich gatunków żeliw. Można go również stosować

do zgrubnego toczenia żeliw, metali nieżelaznych, żaroodpornych stopów niklu.

K15-K30

H20X

(HW)

K15-K25

Gatunek przeznaczony do obróbki średniodokładnej i zgrubnej żeliw przy umiarkowanych
prędkościach skrawania i średnich oraz dużych posuwach w niekorzystnych i trudnych

warunkach obróbki. Nadaje się do obróbki stopów miedzi, stopów lekkich, materiałów
żaroodpornych, żarowytrzymałych oraz tworzyw sztucznych.

Tablica 4. Gatunki węglików spiekanych niepokrywanych do obróbki skrawaniem i ich klasyfikacja wg

grup

zastosowania zgodnie z

ISO 513

W zależności od przeznaczenia węgliki spiekane są wytwarzane w
postaci różnych kształtek. Powszechnie są używane narzędzia składane
z wieloostrzowymi płytkami wymiennymi z wieloma ostrzami,
nieostrzonymi w czasie eksploatacji. Płytki wieloostrzowe są stosowane
do obróbki skrawaniem do różnych typów noży składanych, do
składanych głowic frezowych oraz do różnych innych narzędzi
składanych. Mogą mieć one różne kształty, np. z otworem lub bez
otworu do mocowania, a także mogą być stosowane jako płytki
podporowe. Płytki z węglików spiekanych mogą być przylutowywane za
pomocą lutowi twardych do stalowych trzonków narzędzi. W ten sposób
są wytwarzane niektóre narzędzia skrawające oraz główne narzędzia
górnicze.

CERMETALE

NARZĘDZIOWE

Cermetale narzędziowe stanowią samodzielną grupę

spiekanych materiałów narzędziowych. Komponentami

współczesnych cermetali narzędziowych oprócz cząstek

ceramicznych węglika tytanu TiC, azotku tytanu TiN

i węglikoazotku tytanu Ti(C,N) odpowiadających za twardość

spieku są inne dodatki węglików i azotków często złożonych:

(Ti,Ta)N, (Ti,Mo)C, (Ti,W)C, (Ti,Ta,W)C, (Ti,Ta,Mo,W,Nb)(C,N)

oraz faza wiążąca składająca się najczęściej z kobaltu i niklu.

Cermetale,

podobnie

jak

inne

spiekane

materiały

narzędziowe, np. węgliki spiekane, wytwarzane są metodą

metalurgii proszków. W celu polepszenia własności

(zmniejszenie

porowatości

spieku)

stosowane

jest

izostatyczne spiekanie na gorąco HIP. Dla spiekanych

cermetali narzędziowych typową jest struktura rdzeniowo-

płaszczowa będąca nośnikiem twardości, powodująca że

cermetale są niewrażliwe na rozrost ziarn podczas spiekania,

uzyskując w efekcie drobnoziarnistą strukturę. Niklowo-

kobaltowa faza wiążąca zapewnia odpowiednią zwilżalność

cząstek

ceramicznych,

powodując

stabilne

wiązanie

poszczególnych

ziarn

oraz

wymaganą

ciągliwość.

Zwiększenie stężenia kobaltu w fazie wiążącej powoduje

jednak wyraźne zmniejszenie odporności na zużycie cierne

spiekanych cermetali narzędziowych

.

Rys.1 Schemat struktury cermetalu narzędziowego (opracowany wg M. Wysieckiego)

Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN

naniesionej na podłoże

z cermetalu typu C4, skaningowy mikroskop elektronowy

.

Zalety i wady cermetali

narzędziowych:

Zalety:

• wysoką twardością,

• odpornością na utlenianie

zapewniającą im wymaganą

stabilność w wyższej

temperaturze i przy wyższych

prędkościach skrawania,

• możliwością skrawania na

sucho, bez udziału cieczy

chłodząco – smarujących,

• mała przewodnością cieplną,

która powoduje

odprowadzanie znacznej

części ciepła powstającego w

procesie skrawania z wiórami

i nie jest odbierana przez

obrabiany materiał,

• dużą wytrzymałością cieplną.

• stabilnością wymiarową.

Wady:

• mniejsza odporność na

kruche pękanie,

• mniejsza odporność na

odkształcenia, związana z

mniejszą przewodnością

tych materiałów,

• możliwość pęknięć

cieplnych podczas

przerywanego skrawania, w

wyniku większej

rozszerzalności cieplnej.

Cermetale narzędziowe złożone z drobnych

cząstek krystalicznej ceramiki (np. węglików)

rozmieszczonych na osnowie metalowej, np.

WC w osnowie Co, przeznaczone są na

narzędzia skrawające. Przykładem może być

cermetal bez niklu w płytkach wykańczających

Wiper (rys.3). Nowe tokarskie płytki Wiper,

wykonywane

z

niezawierającego

niklu

cermetalu, łączą w sobie najlepsze cechy

zarówno standardowych cermetali, jak i

węglików spiekanych. Udarność tego gatunku

została

znacząco

poprawiona

dzięki

innowacyjnej technologii produkcji i sprawuje

się on bardzo dobrze, tak przy toczeniu na

sucho, jak i na mokro, w niskowęglowych,

przywierających stopach, przy niskich i

przy wysokich prędkościach skrawania.

Rys. 3 Wykres zależności głębokości skrawania do posuwu dla cermetalu narzędziowego oraz
cermetalu narzędziowego bez niklu w płytkach wykańczających Wiper.

CT5015
Nowy, przekonstruowany, niepowlekany gatunek cermetalu do
toczenie wykańczającego i półwykańczającego.
CG1525
Nowy, przekonstruowany, złocisty gatunek cermetalu, zapewniający
najwyższe
bezpieczeństwo toczenia .

Cechy charakterystyczne:
-ujemne i dodatnie geometrie,
- zwiększona udarność.
- do stopów niskowęglowych.
- do obróbki na sucho i na mokro.
- dobre własności zarówno przy niskich, jak
i przy wysokich prędkościach skrawania.
Cermetale są najlepsze do precyzyjnej
obróbki wykańczającej:

Tablica 1. Gatunki cermetali narzędziowych do obróbki skrawaniem i ich klasyfikacja wg grup zastosowania zgodnie z ISO 513.

Własności procesu

Charakterystyka

-małe tarcie, mała skłonność

do dyfuzji

-wysoka jakość obrobionej

powierzchni

-wysoka sprawność

-niepotrzebne

zaokrąglenie

krawędzi, ostre ostrze

-długi okres trwałości ostrza -niski koszt wymiany narzędzi
-niewielka

ścieralność

powierzchni

przyłożenia

ostrza

-wysoka stałość i powtarzalność

wymiarów, mały koszt regulacji

-duża wytrzymałość cieplna

-duża prędkość skrawania,

-przystosowany łamacz wiór -łamanie wiórów również przy ich

małych przekrojach

Tablica. Charakterystyka i efekty procesu skrawania ostrzami ze spiekanych cermetali narzędziowych

Zakres zastosowania spiekanych cermetali narzędziowych związany
jest z obróbką skrawaniem stali niskostopowych i wysokostopowych.

Głównym

sposobem

obróbki

spiekanymi

cermetalami

narzędziowymi, jest toczenie, wytaczanie, rowkowanie, toczenie
gwintów oraz frezowanie (wymagana jest wysoka stabilność
wymiarowa) Zastosowanie płytek wieloostrzowych wykonanych ze
spiekanych cermetali narzędziowych wpływa na proces skrawania co
ilustruje tabela nr

KOMPOZYTY

CERAMICZNE

Kompozyty

dzielimy

na

umacniane

cząstkami

(dyspersyjnie) i włóknami (włókniste). Te z

kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i

ciągłymi.

Możliwe

są

różne

kombinacje

przy

komponowaniu kompozytów. Np. osnowa metaliczna,

polimerowa, ceramiczna, a cząstki lub

włókna

mogą

być

metalowe,

ze

związków

międzymetalicznych, ceramiczne, węglowe (grafit),

polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna

borsic). Kompozyty ceramiczne są to tworzywa

składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach

nieosiągalnych

w

żadnym

innym

materiale.

Charakteryzują się dobrymi własnościami cieplnymi,

mechanicznymi

oraz

chemicznymi.

Kompozyty

pozwalają na otrzymywanie lekkich, mocnych

i elastycznych konstrukcji. Przykłady materiałów

kompozytowych o osnowie ceramicznej

wzmacnianych

włóknami

ciągłymi

zostały

przedstawione w tabeli nr 1. Do najbardziej znanych

kompozytów należą żelazo - beton, eternit, szkło

zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale.

Są nimi narzędzia (np. węgliki spiekane) i

materiały

żarowytrzymałe

(np.

łopatki

turbin

gazowych).

Materiały

kompozytowe

o

osnowie

ceramicznej znajdują m.in. zastosowanie jako płytki do

zbrojenia narzędzi skrawających oraz elementy odporne

na korozję.

OSNOWA

WŁÓKNA

WZMACNIAJĄC

E

SiC

SiC

SiC, SiOC, SiNC

SiC

SiC-Si

SiC

Azotki-SiC

SiC

Aluminokrzemki

Al

2

O

3

Al

2

O

3

SiC, Al

2

O

3

Si

3

N

4

C

Tablica 1. Przykłady materiałów kompozytowych o osnowie ceramicznej
wzmacnianych włóknami ciągłymi

Rys.1 Struktura cząstek SiC do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop
skaningowy (powiększenie 15x).
Rys.2 Struktura płytek do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop skaningowy
(powiększenie 150x).
Rys.3 Struktura włókien do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop skaningowy
(powiększenie 150x).
Rys.4 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al

2

O

3

wzmacnianego cząstkami SiC,

mikroskop skaningowy (powiększenie 250x).
Rys.5 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al

2

O

3

wzmacnianego włóknami SiC,

mikroskop skaningowy

(powiększenie 800x).
Rys.6 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al

2

O

3

wzmacnianego cząstkami TiN,

mikroskop skaningowy

(powiększenie 2500x).
Rys.7 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si

3

N

4

wzmacnianego cząstek SiC, mikroskop

skaningowy (powiększenie 2500x).

Rys.8 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si

3

N

4

wzmacnianego włókien SiC, mikroskop

skaningowy (powiększenie 2500).

Rys.1 Rys.2 Rys.3 Rys.4 Rys.5 Rys.6 Rys.7
Rys.8

Rys. 1 Fotografia mikroskopowa przedstawiająca drogę pękania w kompozytach o zawartości
5 % objętości TiB

2

. Pęknięcia zostały wytworzone przez nakłucie powierzchni próbki

piramidką Vickers’a.

Rys.2 Fotografia mikroskopowa przedstawiająca drogę pękania w kompozytach o zawartości 30
% objętości TiB

2

. Pęknięcia zostały wytworzone przez nakłucie powierzchni próbki piramidką

Vickers’a.

Rys.1 Morfologia proszku kompozytowego (36%mol SiC-64%Si

3

N

4

), pow. 1500x

Rys.2 Morfologia proszku kompozytowego (63%mol SiC-27%Si

3

N

4

), pow. 3500x

Rys.3 Morfologia proszku kompozytowego (86%mol SiC-13%Si

3

N

4

), pow. 2000x.

Rys.4 Czysty węglik krzemu, powiększenie 200x

Wyroby z azotku krzemu i węglika krzemu charakteryzują się

bardzo wysokimi własnościami mechanicznymi. Azotek krzemu

posiada wyższą od węglika krzemu wytrzymałość mechaniczną a

ponadto odporność na kruche pękanie i odporność na nagłe

zmiany temperatury. Węglik krzemu charakteryzuje się wyższą

sztywnością, twardością, odpornością na pełzanie w wysokich

temperaturach. Połączenie ich w jednym tworzywie stanowi

interesujący kompozyt ceramiczny.

Rys.1 Rys.2 Rys.3
Rys.4

Rys.3 Otrzymywanie proszku kompozytowego Si

3

N

4

-SiC.

Rys.4 Otrzymywanie węglika krzemu

Zalety i wady kompozytów

ceramicznych:

Zalety:

•

poprawą odporności na

pękanie oraz innych

wskaźników

wytrzymałościowych,

•

odpornością na działanie

wysokich temperatur,

•

odpornością na

gwałtowne zmiany

temperatur,

•

wysokimi własnościami

mechanicznymi.

Wady:

• mała wytrzymałość

na rozciąganie,

• niska odporność na

obciążenia

dynamiczne,

• wrażliwość na

drgania

mechaniczne i

oddziaływanie

środowiska ciekłego.

Nowoczesne materiały

narzędziowe

Płytki ceramiczne

W porównaniu z innymi materiałami narzędziowymi,

spieki ceramiczne wyróżniają się w zakresie wytrzymałści,

twardości, odporności na szoki termiczne i

stabilności chemicznej, szczególnie przy obróbce stopów

na bazie niklu i żelaza. Płytki ceramiczne są zalecane w

pierwszej kolejności do obróbki – od wykańczającej do

zgrubnej – żeliwa szarego, stopów żaroodpornych, stali

hartowanych, żeliwa sferoidalnego i w

pewnym zakresie również do obróbki stali.

Płytki z przestrzennego

azotku boru (CBN)

Twardość przestrzennego azotku boru (CBN) jest niższa

tylko od twardości diamentu i przynajmniej dwa razy

większa

od

twardości

każdego

innego

materiału

narzędziowego. Płytki z CBN mogą podnieść wydajność

wielu trudnych przypadków skrawania metali do 10 razy

przewyższając skuteczność węglików czy ceramiki w

zakresie

trwałości

i/lub

objętościowej

wydajności

skrawania. Płytki z CBN są w pierwszym rzędzie stosowane

do obróbki wykańczającej stali, żeliwa szarego i stopów

żaroodpornych.

Diament jest najtwardszym ze wszystkich znanych
materiałów.

Umożliwia

on

obróbkę

metali

nieżelaznych oraz materiałów niemetalicznych
szybciej i taniej niż za pomocą narzędzi z
węglików spiekanych. Ostre krawędzie skrawające
często oddzielają wiór od materiału obrabianego i
znacznie obniżają tendencję do narostu. Stosujemy
płytki diamentowe aby otrzymać znakomitą jakość
powierzchni i dobrą ekonomikę obróbki
wykańczającej i półwykańczającej w stabilnych
warunkach.

Płytki

diamentowe

Literatura uzupełniająca

1. J. Raabe. „Ceramika funkcjonalna”, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1997
2. L.A. Dobrzański „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały
inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego”,
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002
3. R. Pampuch „Podstawy inżynierii materiałów ceramicznych”, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 1971
4. R. Pampuch „Siedem wykładów o ceramice”, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa 2001
5. M.F. Aschby, D.R.M. Jones „Materiały inżynierskie”, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa 1996
6. J. Garbarski „Materiały i kompozyty niemetalowe”, Wydawnictwo Politechniki
Świętokrzyskiej, Kielce 2001
7. M. Kordek „ Ceramika szlachetna i techniczna”, Uczelniane Wydawnictwo
Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2001
8. K. Przybyłowicz „Metaloznawstwo” Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2003
9. Katalog firmy: Sandvik Baildonit S.A
10. Katalog firmy: Iscar
11. Kwartalnik: „Materiały ceramiczne” Nr.1’2002
12. Kwartalnik: „Inżynieria materiałowa” Nr.6’2003