Materiały stosowane na narzędzia skrawające.
Wymagania stawiane materiałom narzędziowym.
1. Materiały narzędziowe są to materiały stosowane do wyrobu części roboczych narzędzi. Chwyty oraz korpusy są wykonywane z materiałów narzędziowych tylko wtedy, gdy ze względu na ich wymiary nie mogą być łączone z części roboczą.
2. Materiałom narzędziowym stawia się odpowiednie wymagania dotyczące:
a) twardości – twardość narzędzia powinna przewyższać twardość materiału obrabianego od 20 do 30 HRC,
b) odporności na wysoką temperaturę – podczas obróbki z dużymi prędkościami skrawania wytwarza się duża ilość ciepła. Ciepło to wpływa negatywnie na narzędzie przyspieszając jego zużycie (ścieranie, stopniowa utrata własności skrawających na skutek odpuszczania się)
c) wytrzymałości – tę cechę powinny odznaczać się wszystkie narzędzia, rodzaj wymaganej wytrzymałości zależy od warunków pracy narzędzia:
• przeciągacz – na rozciąganie,
• wiertło, gwintownik – na skręcanie,
• nóż tokarski – na zginanie,
• narzędzia pracujące z uderzeniami – na udarność.
d) odporności na ścieranie - zależy ona od:
• twardości materiału narzędziowego,
• struktury stali,
• temperatury skrawania,
• rodzaju występującego tarcia podczas skrawania ,
• rodzaju materiału obrabianego,
• rodzaju użytych smarów,
odporność stali na ścieranie wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla.
e) zachowania się stali podczas hartowania – obejmuje takie cechy jak:
• szybkość chłodzenia podczas hartowania konieczna do uzyskania wymaganej twardości
• głębokość hartowania zależy od rodzaju narzędzia i warunków pracy np. narzynki, gwintowniki - duża twardość powierzchni roboczych i możliwie duża ciągliwość rdzenia,
• wielkość odkształceń podczas hartowania zależy od szybkości chłodzenia (olej, powietrze
zapewniają mniejsze odkształcenia)
• odporność na przegrzanie,
f) struktury stali -struktura powinna być drobnoziarnista,
Rodzaje materiałów narzędziowych
I.
Materiały stosowane na narzędzia skrawające:
II.
1. Stale narzędziowe węglowe,
2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno,
3. Stale narzędziowe wysokostopowe (stale szybkotnące).
4. Materiały narzędziowe spiekane:
a) węgliki spiekane,
b) spieki ceramiczne,
c) cermetale,
d) twarde stopy narzędziowe (stelity),
e) supertwarde materiały polikrystaliczne.
5. Materiały ścierne,
6. Diament,
Pod względem składu chemicznego są najprostszymi stalami narzędziowymi, ponieważ nie zawierają innych składników stopowych poza węglem, manganem i krzemem, które wchodzi w skład wszystkich stali. Własności poszczególnych odmian są uzależnione od zawartości węgla, która wynosi 0.38 - 1.3 %.
Własności skrawające stal uzyskuje za pomocą obróbki cieplne)
Wady:
• mała odporność na wysoką temperaturę (w temperatur/c 200 -250°C stal traci własności
skrawające),
• wymaga podczas hartowania szybkiego odprowadzania ciepła, powoduje to znaczne
odkształcenia,
• nie można wykonywać narzędzi o małych przekrojach poniżej l mm oraz o zbyt dużych i
złożonych kształtach.
Ze względu na hartowność stal można podzielić na;
• płytko hartują się (w oznaczeniu litera E),
• głęboko hartują się,
Oznaczenie stali – znak stali ma na początku literę N, następnie liczbę określającą średni zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu i litery określającej klasę stali. Jeśli na końcu znajduje się litera E, to oznacza ona stal płytko się hartują, litera Z oznacza stal zgrzewalną, a jeśli na końcu znaku niema litery, to stal należy do głęboko hartującej się.
Główne gatunki stali oraz zastosowanie:
N13E, N13, N12E, N12, pilniki, skrobaki, narzędzia grawerskie,
N11E, N11, wiertła, noże krążkowe, szczęki do maszyn do wyrobu
N10E, N10, gwoździe,
N9E, N9, przebijaki, matryce do pracy na zimno,
N8E, N8, narzędzia do drewna,
N7E, N7, młotki kowalskie, szczypce ślusarskie,
N6, narzędzia kowalskie.
Temperatura kucia w zależności od gatunku 1050 - 800 °C. Temperatura hartowania w zależności od gatunku 760 - 810 C° ośrodek chłodzenia – woda. Twardość po hartowaniu 61-63 HRC,
Stale narzędziowe stopowe
Stale narzędziowe stopowe oprócz węgla C, niewielkiej piloci manganu Mn i krzemu Si, oraz szkodliwych domieszek fosforu P ( powoduje kruchość stali na zimno) i siarki S zawierają inne składniki stopowe: chrom Cr, nikiel Ni, mangan Mn, krzem Si, wolfram W, molibden Mo, wanad V, kobalt, Co.
W celu uzyskania pewnych określonych własności. Wpływ poszczególnych składników stopowych na własności stali.
chrom – zwiększa odporność stali na ścieranie
nikiel, mangan – zmniejszają szybkość chłodzenia potrzebną do zahartowania.
krzem – zwiększa wytrzymałość i twardość stali oraz jej sprężystość
wolfram i molibden – zwiększają odporność stali na wysoką temperaturę.
wanad – wpływa na tworzenie się struktury drobnoziarnistej, zwiększa odporność na obciążenia dynamiczne oraz zwiększa twardość i odporność na ścieranie w wysokiej temperaturze
kobalt – wpływa dodatnio na twardość i wytrzymałość stali, zmniejsza jej wrażliwość na przegrzanie (błędy popełnione podczas obróbki hartowania) zmniejsza zmiany objętościowe stali po obróbce cieplnej.
Stale narzędziowe stopowe dzielimy na:
• do pracy na zimno
• do pracy na gorąco
• szybkotnącą.
Stale szybkotnące zachowują twardość i zdolność skrawania przy prędkościach skrawania i grubościach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się narzędzi do temperatury 650 °C. Twardość stali szybkotnących po obróbce cieplnej wynosi 64-68 HRC. Stal szybkotnącą oznacza się literą S, następnie literą oznaczającą główny składnik stopowy stali oraz liczbą określającą średnią zawartość tego składnika w procentach. SW18, S ,/9, SW7M, SW12, SK5, SK5V, SK5M, SK10Y,
Stal narzędziową stopową do pracy na zimno oznacza się literą N, a następnie literami określającymi zawarte w stali zasadnicze pierwiastki stopowe lub ich grupę oraz cyfrę, służącą do odróżniania poszczególnych gatunków stali, zawierających te same pierwiastki stopowe. Litery określające zawarte w stali pierwiastki stopowe oznaczają:
W - wolfram, C - chrom, S - krzem, Z - grupa krzem-chrom-wolfram.
V - wanad, M - mangan, L - molibden, P - grupa chrom-nikiel-wanad.
NV, NMV, NCV1, NCMS, NC5, NC6, NC10, NC11, NC11LV, NZ2, NZ3, NW1, NMWV, NWC,
NCLV, NW9, NPW.
Oznaczenia stali narzędziowych stopowych do pracy na gorąco. Oznacza się literą W, następnie literami określającymi zawarte w stali ważniejsze składniki stopowe. W oznaczeniach dochodzi litera N, oznaczająca nikiel.WNW2.
Zastosowanie stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno piłki do metali, pilniki igiełkowe, kluczykowe, i do ostrzenia pił, gwintowniki, narzynki, wiertła, pogłębiacze, sprawdziany do pracy na gorąco narzędzia do odkuwek, matryce do tłoczenia na gorąco, formy do odlewów pod ciśnieniem, Szybkotnących gwintowniki, narzynki, wiertła, frezy. Przeciągacze, noże tokarskie i strugarskie W ęgliki spiekane metali trudno topliwych
Węgliki spiekane są wytwarzane metodą metalurgii proszków. W skład węglików wchodzą:
• węglik wolframu WC, (składnik podstawowy)
• węglik tytanu TiC,
• węglik tantalu TaC,
• węglik niobu NbC,
• kobalt ( materiał wiążący),
Przebieg wytwarzania: w młynie kulowym następuje mieszanie sproszkowanych węglików z odpowiednią ilością sproszkowanego kobaltu, następnie prasowanie są przy ciśnieniu 1000 -1500 at.
Wstępne spiekanie przeprowadza się przy temp. ok. 750 °C. Nadanie płytkom ostatecznego kształtu realizuje się za pomocą: frezowania, piłowania, szlifowania (należy pamiętać, że w czasie końcowego spiekania następuje ok. 18 % skurcz liniowy i prawie 50% skurcz objętościowy w stosunku do kształtu pierwotnego. Ostateczne spiekanie przeprowadza się w temp. ok. 1500°C (powyżej temperatury topnienia kobaltu).
Własności węglików – zależą od ich składu chemicznego, tj. od zawartości węglików wolframu, tytanu, tantalu, niobu i materiału wiążącego kobaltu, a także od wielkości ziarna proszków i od metod wytwarzania.
Węgliki charakteryzują się:
• dużą twardości ( zależnie od składu chemicznego ok.82-92 HRA (90HRC),
• dużą odpornością na ścieranie
• zachowują własności skrawne do temperatury ok. 1000 °C,
• są wrażliwe na zmiany temperatur podczas skrawania, (np. skrawanie przerywane)
• są wrażliwe na obciążenia udarowe, udarność węglików jest 2-3 razy mniejsza niż stali
hartowanej,
a) PN-81/H-89500 przewiduje podział gatunków węglików na trzy podstawowe grupy.
• do obróbki skrawaniem (gatunki S, U, H),
• do obróbki plastycznej (G),
• do wierceń górniczych (B, G),
b) znak gatunku węglika składa się z liter i cyfr.
Litery na początku znaku wskazują na ich przeznaczenie o litera S (według ISO- P -kolor niebieski) -
gatunki stosowane do obróbki materiałów dających długi wiór (głównie stali, staliwa, żeliwa ciągliwego),
• litery SM - stosowane do frezowania stali,
• litera U (według ISO - M- kolor żółty) - stosowane do obróbki materiałów dających zarówno długi, jak i krótki wiór,(stal nierdzewna, stopy żaroodporne).
• litera H (według ISO- K- kolor czerwony) - stosowane do obróbki materiałów dających krótki wiór (głównie żeliwa oraz stopów aluminium), Cyfry występujące w oznaczeniu gatunku są
znakami umownymi. Ze wzrostem cyfry wzrasta ciągliwość gatunku węglika i maleje odporność
na ścieranie.
Litery na końcu znaku gatunku oznaczają:
• litera S - gatunki zawierające węgliki tantalu i niobu,
• litera X - gatunki przeznaczone przede wszystkim do frezowania żeliwa,
Płytki powlekane.
W celu podniesienia odporności na zużycie płytek wieloostrzowych wprowadzono pokrywanie ich
warstwami:
• węglik, tytanu (TiC) - zapewnia dużą odporność na ścieranie, dobrze przyczepia się do podłoża, (którym jest materiał rodzimy płytki),
• azotku tytanu ( TiN) - chroni ostrze przed tworzeniem się na nim narostu oraz zmniejsza
współczynnik tarcia między ostrzem a materiałem skrawanym (wiórem). Przyczynia się to do
dość znacznego zmniejszenia sił skrawania.
• węglikoazotku tytanu (TiCN) - stosuje się przede wszystkim tam gdzie skrawanie ma charakter przerywany oraz związane jest z dużym obciążeniem ostrza np. przy frezowaniu i gwintowaniu.
• tlenku glinu (AkOs) - nadaje ostrzu dużą odporność na wysoką temperaturę,
Płytek powlekanych nie zaleca się stosować do skrawania: aluminium, tytanu, cynku, cyny, i niklu oraz ich stopów ze względu na duże powinowactwo węglików i azotków tytanu do tych metali.
Spieki ceramiczne i cermetale.
Spieki ceramiczne - powstają w wyniku prasowania i spiekania w temperaturze 1500 -2000°C
sproszkowanych tlenków aluminium wraz z niewielkimi dodatkami magnezu i tlenku krzemu.
Cechy charakterystyczne: kolor – biały
Zalety:
• - duża twardość, ok.2400 HV3, dla porównania węgliki nie powlekane ok.1790 HV3,(Vickersa)
• - duża odporność na ścieranie,
• - duża odporność na wysoką temperaturę do 1200°C,
• - duża wytrzymałość na ściskanie,
• - przy nagrzewaniu nie utleniają się,
• - nie wykazują skłonności do tworzenia się narostu,
• - można stosować prędkości skrawania 2-3 krotnie większe od prędkości stosowanych przy
skrawaniu płytkami z węglików spiekanych,
Wady:
• - gorsze własności wytrzymałościowe w porównaniu z węglikami spiekanymi (wytrzymałość na
zginanie 2-3 razy niższa niż węglików spiekanych, niska wytrzymałość na rozciąganie i udarność)
• - skomplikowany proces technologiczny,
Cermetale – są to spieki ceramiczno-metalowe, powstają w wyniku spiekania proszków ceramicznych (tlenek aluminium) z metalowymi, takimi jak:
• węglik tytanu (cermetal tytanowy- twardość większa od twardości węglików spiekanych),
• węglik wolframu (cermetal wolframowy), po spiekaniu mają kolor czarny,
• chrom molibden, nikiel,
Cermetale charakteryzują się:
• lepszymi własności wytrzymałościowymi w porównaniu ze spiekami ceramicznymi,
• lepszym przewodnictwem cieplnym od węglików spiekanych.
Zastosowanie spieków ceramicznych oraz cermetali do obróbki średnio dokładnej i dokładnej, żeliwa szarego, twardego żeliwa stopowego, i stali hartowanej w warunkach bardzo spokojnej bez udarowej pracy ostrza na obrabiarkach sztywnych, szybkobieżnych odpornych na drgania.
Twarde stopy narzędziowe (stelity), diament oraz supertwarde materiały polikrystaliczne.
Stelity – są to lane stopy zawierające: kobalt, chrom, wolfram, żelazo, węgiel, nikiel i wanad.
Charakteryzują się własnościami pośrednimi, między stalą szybkotnącą a węglikami spiekanymi,
• twardość stelitów wynosi około 61 HRC,
• są odporne na ścieranie,
• własności skrawne tracą w temperaturze 700-800°C,
• nie wymagają obróbki cieplnej,
• mają mały współczynnik tarcia,
• odznaczają się dużą odpornością na działanie chemiczne (szczególnie kwasu siarkowego, zarówno na zimno, jak i na gorąco),
• są wykorzystywane do napawania ostrzy narzędzi, wykonuje się z nich również małe noże
wstawiane.
Diament – jest minerałem, naturalną odmianą węgla o regularnym układzie, charakteryzuje się:
• największą odpornością na ścieranie,
• największą twardości (nie jest jednakowa we wszystkich kierunkach),
• małym współczynnikiem tarcia,
• powyżej 1700°C przechodzi w grafit,
• stosuje się go do obróbki wykańczającej przedmiotów wykonanych z metali nieżelaznych i ich stopów (aluminium, brąz, stopy łożyskowe).
śelazo w podwyższonych temperaturach przyspiesza grafityzację diamentu, czyli jego przechodzenie od krystalicznej postaci węgla do postaci niekrystalicznej, czyli do postaci grafitu, co znacznie przyspiesza zużycie ostrza.
• do obróbki gumy, fibry, ebonitu, bakielitu, papieru,
• do profilowania ściernic,
• do wyrobu ściernic, pilników,
Supertwarde materiały polikrystaliczne – produkowane są na bazie syntetycznego diamentu i azotku boru. Materiały te powstały dzięki rozwojowi techniki wysokich ciśnień i wysokich temperatur. Materiały te można podzielić na dwie grupy:
pierwsza – to materiały oparte na sztucznym diamencie, nazywane krótko karbonado, stosuje sieje do obróbki metali nieżelaznych, węglików spiekanych, tworzyw sztucznych,
druga – to materiały oparte na azotku boru o twardości zbliżonej twardości diamentu zwane kompozytami, stosuje sieje do obróbki stali, żeliw i stopów trudno obrabialnych.
Z materiałów supertwardych nie wykonuje się całych płytek, gdyż są bardzo drogie, lecz małe wkładki, które wlutowuje się do płytki. Narzędzia z ostrzami wykonanymi z supertwardych materiałów polikrystalicznych stosuje się do wykańczającej obróbki części maszyn z dużymi prędkościami skrawania przy małych głębokościach i posuwach.