Materiały narzędziowe:

Materiały narzędziowe są to materiały stosowane do wyrobu części roboczych lub całych narzędzi. Główne własności materiałów narzędziowych.

Wymagania:

H - twardość R - twardość mierzymy na twardościomierzu Rocvella C - skala

1. twardość narzędzia - powinna przewyższać twardość materiału narzędziowego od 20 - 30 HRC, np. stal szybkotnąca hartowana to ok. 63 HRC. Narzędziem z tej stali można obrabiać materiały o twardości od 33-43 HRC.

2. Odporność na wysoką temp.

Podczas skrawania narzędzie nagrzewa się przy dużych prędkościach do wysokich temp. Może wtedy osiągnąć temp. Wyższą od temp. opuszczania danego materiału narzędziowego przez co ostrze ulega szybkiemu stępieniu. Wzrostowi temp. narzędzia możemy zapobiec stosując chłodzenie.

c) Odpowiednia wytrzymałość
Rodzaj wymaganej wytrzymałości zależy od rodzaju narzędzia.

d) Odporność na ścieranie

Właściwość ta wymagana jest od wszystkich narzędzi. Szczególnie zaś od tych, które podczas obróbki muszą zachować odpowiedni wymiar (np. rozwiertak).

e) Zachowanie się podczas hartowania

Po hartowaniu pożądane jest aby była zachowana odpowiednia twardość, odpowiednia głębokość, oraz nieprzegrzewalność stali. Narzędzia hartujemy w oleju lub w powietrzu.

Do materiałów narzędziowych możemy zaliczyć:

- stale narzędziowe,

- stale szybkotnące,

- węgliki spiekane,

- coronite,

- cermetale,

- ceramikę narzędziową,

- diament,

- azotek boru,

Charakterystyka poszczególnych materiałów:

Stale narzędziowe:

Stale narzędziowe niestopowe (węglowe) - stale te posiadają małą zawartość fosforu i siarki. Posiadają zawartość węgla w granicach (0,38-1,3%). Odznaczają się niską temperaturą skrawania do ok. 250◦C, a potem tracą własności. Mają małą odporność na ścieranie. Ich twardość zależy od zawartości węgla i waha się w granicach 56-62 HRC. Stale te hartujemy w wodzie. Ze stali niestopowych wykonujemy narzędzia o mało skomplikowanych kształtach.

Stale narzędziowe niestopowe

Stale niestopowe płytko hartujące: N7E do N13 E Stale niestopowe głęboko hartujące: N5 do N13 Stal zgrzewalna N42 do N52

N - stal narzędziowa 7 - zawartość węgla wyrażona w 0,1 częściach % E - płytko hartująca

Te gatunki stali wykorzystuje się np. na chwyty narzędzi. Ze stali narzędziowych niestopowych wykonuje się narzędzia do obróbki ręcznej metali np. wiertła do drewna. Narzędzia te nie mogą pracować z dużymi szybkościami skanowania.

Stale narzędziowe stopowe oprócz węgla, niewielkich ilości manganu i krzemu, oraz szkodliwych domieszek fosforu i siarki, zawierają inne składowe:

- chrom, - nikiel, - mangan i krzem, - wolfram, - woligdem, - wanad, - kobalt

Składniki stopowe dodaje się w celu uzyskania pewnych określonych własności. Lepszych własności fizycznych i chemicznych.

Stale stopowe do pracy na zimno - mogą pracować tylko w temp. do około 180◦C.

Przeznaczenie stali:

• narzędzia do obróbki ręcznej

Stale stopowe do pracy na gorąco - nie są stosowane na narzędzia skrawające. Stosuje się je na narzędzia przeznaczone do obróbki plastycznej metali nagrzewanych do temp. plastyczności.

Stale szybkotnące - stale te zaliczamy do stali stopowych.

Stale te zachowują twardość i zdolność skrawania przy szybkościach i grubościach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się narzędzi do temp. 650◦

Twardość tych narzędzi wynosi 61-63 HRC

Przeznaczenie:

Ze stali tych wykonuje się narzędzia przeznaczone do obróbek mechanicznych.

Stale szybkotnące są stalami drogimi dlatego należy je stosować na ostrza narzędzi.

Węgliki spiekane - nazwą tą określamy grupę narzędziowych materiałów spiekanych, w których strukturze od 70 do 90% objętości zajmują węgliki metali, a resztę stop wiążący.

Metalem wiążącym jest kobalt lub w węglikach spiekanych wyższej klasy - stop kobaltu z rutenem. Znane są także węgliki spiekane, w których kobalt zastąpiono tańszymi metalami - niklem i żelazem. Twardą fazą w węglikach spiekanych jest przede wszystkim węglik wolframu (WC), a także węgliki innych metali: tytanu (TiC), tantalu (TaC), niobu (NbC), molibdenu (MoC), chromu (Cr₃C₂).
Najwcześniej wytwarzane węgliki spiekane składały się z węglika wolframu i kobaltu jako fazy wiążącej. W latach trzydziestych zaczęto wprowadzać do tych materiałów węglik tytanu i węglik tantalu uzyskując poprawę własności wykonanych z nich narzędzi skrawających. W obecnie produkowanych węglikach spiekanych udział TiC sięga 35%, a TaC 7%. Węgliki VC i Cr₃C₂, dodawane w ilości około 1-2%, zapobiegają rozrostowi podczas spiekania ziarn pozostałych węglików poprawiając tym samym strukturę spieku.
W Polsce wytwarzane są węgliki spiekane oznaczone literami: S, H, U, Gi B. Podział na pięć gatunków przeprowadzono zgodnie z zaleceniami norm międzynarodowych (ISO). Węgliki gatunku S przeznaczone są do skrawania materiałów dających wiór wstęgowy, na przykład stali; węgliki gatunku H służą do skrawania materiałów dających łamiący się wiór, na przykład żeliwa. Węgliki spiekane tego gatunku służą także do obróbki marmuru, szkła, porcelany, kamienia oraz mas plastycznych i tarcicy o dużej zawartości żywicy. Węgliki gatunku U są uniwersalne i służyć mogą zarówno do skrawania stali, jak i żeliwa. Węgliki gatunku G są przeznaczone na oczka ciągadeł, wkładki matryc, kształtki do wyrobu dysz do piaskowania. Węgliki spiekane gatunku B używane są do zbrojenia narzędzi górniczych.
Węgliki spiekane produkowane są wyłącznie techniką metalurgii proszków. Pierwszy etap wytwarzania obejmuje sporządzenie mieszanki proszków odpowiednich węglików, oraz metali i jej mielenie w młynach kulowych. Kule tych młynów są wykonane z węglików spiekanych, a ścianki bębna są często również wyłożone węglikami.

Ściany bębnów młynów o uproszczonej konstrukcji są wykonane ze stali nierdzewnej, gdyż niewielkie zanieczyszczenie wsadu żelazem, chromem i niklem nie jest szkodliwe. Tym niemniej na czystość chemiczną wsadu zwraca się przy produkcji węglików spiekanych znaczną uwagę, wywiera ona bowiem istotny wpływ na jakość produktu finalnego. Obecnie, oprócz tradycyjnych młynów kulowych używa się efektywniejszych młynów wibracyjnych i młynów typu attritor. Podczas mielenia cząstki węglików pokrywają się cząstkami proszku kobaltu. Mieszanie prowadzi się na ogół na mokro, zazwyczaj w cieczy organicznej, np. heksanie, alkoholu etylowym. Do mieszanki proszków, z wyjątkiem mieszanek przeznaczonych do prasowania na gorąco, wprowadza się takie na tym etapie produkcji środek poślizgowy. Jest nim najczęściej parafina.
Mielenie jest procesem decydującym w znacznej mierze o jakości wytworzonych później węglików spiekanych. Po mieleniu mieszanka jest suszona w suszarkach próżniowych lub metodą przedmuchiwania warstwy proszku gorącym azotem. Cząstki proszku są połączone substancją smarującą tworząc aglomeraty.
Prasowanie na zimno odbywa się przy niewielkim ciśnieniu - ok. 100 MPa. Dalszy przebieg procesu wytwarzania może być różny.

Pierwszy wariant polega na spiekaniu wstępnym w atmosferze redukującej w temperaturze ok. 10000°C w czasie 0,5-1 godziny. Po tej operacji kształtki można obrabiać mechanicznie za pomocą tarcz karborundowych. Obrobione kształtki spieka się ponownie w piecach i o molibdenowych elementach grzewczych w atmosferze wodoru lub w indukcyjnych piecach próżniowych; w obu przypadkach w temperaturze 1400-1600°C w czasie 0,5-6 godzin. Dawniej stosowano w tym celu piece Tammanna. Opisana metoda wytwarzania węglików spiekanych, polegająca na dwukrotnym spiekaniu, jest obecnie rzadko stosowana i to wyłącznie w produkcji drobnych elementów.

Najczęściej wypraski z mieszanki proszków są poddawane od razu spiekaniu wysokotemperaturowemu. Stosuje się także prasowanie proszku na gorąco w matrycach grafitowych (200 MPa) lub prasowanie izostatyczne na gorąco. W obu przypadkach operacja przebiega przy, temperaturze bliskiej temperaturze spiekania i umożliwia uzyskanie węglików o najwyższej gęstości, dzięki czemu - najlepszych.
Innym sposobem formowania węglików jest wyciskanie mieszanki i proszków z plastyfikatorem. Uformowane tym sposobem kształtki są, przed spiekaniem nagrzewane do temperatury, w której odparowuje plastyfikator.
Węgliki spiekane zawierające dużo kobaltu (20-45%) można wytwarzać metodą nasycania. Uformowaną z cząstek węglików wypraskę spieka się, a następnie nasyca ciekłym kobaltem. Powierzchnie robocze narzędzi z węglików spiekanych pokrywa się obecnie warstwami materiałów o jeszcze wyższej odporności na ścieranie niż węgliki metali stanowiące twardą fazę spieku. Tym sposobem wytwarza się na przykład tak zwane płytki wieloostrzowe. Są to narzędzia skrawające jednokrotnego użytku, których nie ostrzy

się powtórnie po zużyciu krawędzi tnącej. Na powierzchnię takich płytek wykonanych z węglików spiekanych nakłada się, najczęściej, metodą chemiczną, warstwę bardzo twardego materiału. Warstwa taka posiada grubość od kilku do kilkunastu mikrometrów.

Materiałami tworzącymi taką warstwę są: węglik tytanu (TiC), azotek tytanu (TiN), węglikoazotek tytanu (TiCN), węglik hafnu (HfC), tlenek glinu (AI₂O₃) oraz borki: wanadu (VB₂) niobu (NbB₂), hafnu (HfB₂). Twardość tych związków dochodzi ,do 3000 HV.
Doboru warstw i ich kolejności dokonuje się biorąc pod uwagę twardość, stabilność termiczną, własności cierne, powinowactwo chemiczne w stosunku do materiału skrawanego, zjawiska dyfuzji składników pomiędzy warstwą i wiórem, współczynnik rozszerzalności cieplnej warstw i ich przewodnictwa cieplnego. Czynników jest więcej i dobór warstw, kolejności oraz sposobu ich nakładania stanowi dość obszerną wiedzę z zakresu wytwarzania materiałów na narzędzia skrawające.

Coronite jest to materiał narzędziowy składający się z bardzo rozdrobnionych cząsteczek TiN rozmieszczonych w osnowie żelaza. W ostatniej fazie produkcji ostrza wykonywane z tego materiału są powlekane warstwą TiN lub Ti(C,N).\

Cermetale to materiały składające się z TiC, TiN, WC, Mo₂C, TaC, NbC na osnowie metalu wiążącego (najczęściej Ni-Co) wytwarzane metodą metalurgii proszków. Stosuje się je głównie do obróbki wykańczającej, przy niewielkich naddatkach na obróbkę.

Ceramika narzędziowa jest wytwarzana metodą metalurgii proszków z tlenkiem aluminium (Al₂O₃), azotku krzemu (Si₃N₄) oraz mieszaniny tych faz z twardymi tlenkami, azotkami i węglikami. Nie zawiera metalu wiążącego. Możemy do niej zaliczyć: ceramikę białą

(Al₂O₃ z domieszkami ZrO₂, CaO, MgO), ceramikę czarną (Al₂O₃ z dodatkiem 30-40% TiC), ceramikę szarą (Si₃N₄ z dodatkami tlenków Mg, Zr, Al, Y, Hf), sialony (Si₅AlON₇) oraz ceramikę z whiskersami (Al₂O₃ lub Si₃N₄ z dodatkiem 20%whiskersów SiC)

Diament to najtwardszy materiał naturalny, odmiana węgla o sieci krystalograficznej regularnej przestrzennie centrowanej. W obróbce wiórowej jest stosowany jako monokryształ (MKD) lub polikryształ (PKD) z kobaltem jako osnową wiążącą. Diamenty używa się do obróbki metali kolorowych takich jak miedź, aluminium oraz materiałów ceramicznych tworzyw sztucznych. Niestosuje się do obróbki żelaza ponieważ dochodziło by do dyfuzji węgla z diamentu do obrabianej stali, co spowodowało by zwiększenie twardości obrabianego przedmiotu i pękanie diamentu. Diament reaguje z żelazem, straciłby swoją spójność.

Azotek boru w obróbce wiórowej stosuje się mieszaninę odmiany o strukturze regularnej (CBN) z węglikami i odmianą o strukturze heksagonalnej oraz fazy wiążącej. Azotek boru ma twardość zbliżoną twardości diamentu, lecz większą odporność chemiczną i na wysokie temperatury.

Ze względu na wysoką cenę materiałów narzędziowych tylko narzędzia i niewielkich wymiarach lub narzędzia specjalne wykonuje się jako narzędzia jednolite (z jednego kawałka materiału narzędziowego - najczęściej stali narzędziowej lub węglików spiekanych).

Rozróżniamy narzędzie:

- jednolite,

- łączone w sposób trwały - z częścią roboczą ze stali narzędziowej zgrzewaną tarciowo z częścią chwytową, z lutowanymi wkładkami z węglików spiekanych,

- składane - z elementami mocowanymi mechanicznie

Najczęściej spotykanymi elementami mocowanymi mechanicznie są płytki wieloostrzowe o bardzo różnorodnych kształtach wymiarach wykonane z węglików spiekanych, cermetali, ceramiki narzędziowej, z materiałów supertwardych.

---