Obróbka Skrawaniem 04 Materiały narzędziowe

1. Obróbka Skrawaniem -podstawy, dynamika, diagnostyka 4. Materiały narzędziowe

2. Plan wykładu Obróbka skrawaniem • Wstęp • Pojęcia podstawowe • Geometria ostrza • Materiały narzędziowe • Proces tworzenia wióra • Siły skrawania • Dynamika procesu skrawania • Ciepło w procesie skrawania, metody chłodzenia • Zużycie i trwałość ostrza • Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania • Skrawalność • Obróbka materiałów stosowanych w przemyśle lotniczym Materiały narzędziowe strony 52-95

3. 4 Materiały narzędziowe • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych

4. Wymaganiastawianemateriałom narzędziowym • Twardość • zwłaszcza twardość na gorąco, tak że twardość i wytrzymałość są zachowane w temperaturach występujących przy skrawaniu • do wykonania skrawania narzędzie musi być ok. 30 HRC twardsze niż materiał obrabiany • Wytrzymałość • narzędzie musi wytrzymywać znaczne i zmienne obciążenia, nie ulegając złamaniom czy wykruszeniom • Odporność na zużycie • by mogło skrawać przez odpowiednio długi czas między przeostrzeniami czy wymianami • Stabilność chemiczna • w odniesieniu tak do materiału obrabianego jak cieczy chłodzącej • Racjonalnie niski koszt • by zapewnić ekonomiczną obróbkę

5. Wybór materiału ostrza • Zależy od: • sposobu obróbki skrawaniem • wielkości naddatku (obróbka zgrubna czy wykańczająca) • materiału obrabianego (gatunek, kształt, stan powierzchni) • sztywności i mocy obrabiarki

6. Materiał części chwytowej • wytrzymałość wystarczająca do przeniesienia sił skrawania • zdolność do tłumienia drgań • dobra przewodność cieplna • rozszerzalność cieplna podobna do rozszerzalności materiału części roboczej • niski koszt Z reguły stale konstrukcyjne stopowe

7. Materiały narzędziowe diament (PCD) Przyszłość regularny azotek boru (CBN) węglikispiekane pokrywane odporność na zużycie, twardość ceramika cermetale węglikispiekane drobnoziarniste węglikispiekane stale narzędziowe stal szybkotnąca wytrzymałość, udarność B.Shaw, IMTS 2004

8. Zależność twardości podstawowych materiałów narzędziowych od temperatury

9. Rozwój możliwych do zastosowania prędkości skrawania CIRP Encyclopedia of Production Engineering

10. Zastosowanie materiałów narzędziowych na świecie (2004) inne4% PCD,CBN Ceramika 9% 5% Cermet 7% stal szybkotnąca28% węgliki 47%

11. 4 Materiały narzędziowe • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde Stale narzędziowe

12. Stale narzędziowe węglowe noże krążkowe do cięcia papieru, gumy, tworzyw sztucznych noże do drewna Skład: 0.5-1.4% węgla oraz niewielką ilość (0.15-0.35%, powiedzmy ok. 0.3%) dodatków stopowych Mn, Si, Cr, Ni i Cu. Struktura: martenzytyczna Twardość: w stanie zmiękczonym 200 HB, zahartowane 60HRC.. ale tracą ją ok. 200 °C Zastosowanie: obróbka ręczna materiałów o dobrej skrawalności, • Podział na: • Płytko hartujące się: mała wrażliwość na przegrzanie, do małych narzędzi (D<20mm): N7E-N12E • Głęboko hartujące się, do większych narzędzi, zawierające nieco więcej dodatków: N5-N12 • Cyfra w oznaczeniu odpowiada zawartości węgla w 0.1%

13. Stale narzędziowe stopowe Skład: 0.75-2.1% węgla oraz większą ilość (zwykle do powiedzmy 3%) dodatków stopowych Mn, Si, Cr, W i V. Struktura: martenzytyczna Twardość: zahartowane 62HRC.. ale tracą ją ok. 300 °C Zastosowanie: takie samo jak stali węglowych - są nieco droższe i nieco lepsze. Polskie gatunki: NV, NMV, NC5... NC11, itd

14. 4 Materiały narzędziowe • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde Stale szybkotnące

15. Stale szybkotnące HSS wynalezione pod koniec XIX wieku przez F.W. Taylora i M. White’a • pierwsze 5 lat stosowania: • w USA wydano na narzędzia z niej zrobione 20 milionów dolarów • wzrost wartości produkcji o 8 miliardów dolarów! • Stale narzędziowe: • węglowe, ok. 0.3% dodatków - 200°C, • stopowe, ok. 3% dodatków - 300 °C, • a gdyby tak... ze 30% dodatków?

16. Stale szybkotnące • Najbardziej wytrzymały materiał narzędziowy • Drugi pod względem częstości stosowania • Traci właściwości przy ok. 550°C • Materiał, którym skrawa się.... najwolniej! 

17. Obróbka cieplna stali szybkotnących • Nagrzewanie do hartowania 3-4 stopniowe (zła przewodność cieplna:) • Chłodzenie w kąpieli solnej (550°C) lub oleju (80-200°C), a dalsze w powietrzu. • Odpuszczanie co najmniej 2krotne: przemiana austenitu szczątkowego i usunięcie kruchości ponadto wtórne utwardzanie F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

18. Obróbka cieplna stali szybkotnących Wtórne utwardzanie wynika z tworzenia się wewnątrz martenzytu bardzo drobnych cząsteczek węglików z W, V, i Mo rozpuszczonych wcześniej w żelazie.

19. Segregacja węglików w stalach szybkotnących • lub spiekanie • Grupowanie się węglików metali trudnotopliwych • Wynika z nierównomiernego krzepnięcia wlewka • Pogarsza wytrzymałość • Zwalczanie: • wielokrotne przekuwanie... O. Grinder, PM Production and Applications of HSS, 2005

20. Wytrzymałość HSS konwencjonalnych i spiekanych • brak segregacji • wyższa wytrzymałość i udarność przy tej samej twardości • izotropowe właściwości – mniejsze odkształcenia w czasie hartowania • lepsza szlifowalność • wyższy, bardziej powtarzalny okres trwałości narzędzi PM (powder metallurgy) HSS: wytrzymałość twardość

21. Narzędzia z HSS pokrywane azotkiem tytanu(TiN) Początek w latach 80tych

22. Stal szybkotnąca pokryta TiN

23. Uchwyt narzędziowy (katoda) Pokrywanie narzędzi TiN metodą PVD Wysokie napięcie łuk elektryczny elektron kropelka atom Gaz neutralny (argon) Gaz aktywny (azot) Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD - physical vapour deposition) Plazma Odparowywany materiał CIRP Encyclopedia of Production Engineering Pokrywane narzędzia Pompa próżniowa Materiał pokrywający (tytan) Parownik

24. Zużywanie się narzędzia z HSS pokrywanych TiN

25. Wpływ pokrycia na właściwości HSS • zwiększa twardość powierzchni i odporność na zużycie ścierne i adhezyjne • redukuje współczynnik tarcia wióra o powierzchnię natarcia • lepsze odprowadzanie wiórów • mniejsze siły skrawania • mniej wytwarzanego ciepła • redukcja narostu • redukuje ilość ciepła wnikającego do narzędzia (bariera cieplna) • zwiększa odporność na utlenianie • poprawia jakość powierzchni obrobionej

26. Gatunki stali narzędziowych i szybkotnących Stale narzędziowe Stale szybkotnące

27. 4 Materiały narzędziowe • Ogólna charakterystyka materiałów narzędziowych • Stale narzędziowe • Stale szybkotnące • Węgliki spiekane • Spieki ceramiczne • Materiały supertwarde Węgliki spiekane

28. Węgliki spiekane Podstawowy, najczęściej stosowany materiał narzędziowy • wprowadzone w latach 30-tych • 60-95% WC+TiC+TaC+NbC (1-10mm) + Co • wysoka twardość (1500-1700 HV) w szerokim zakresie temperatur, stosunkowo wysoka wytrzymałość i przewodność cieplna • niska rozszerzalność cieplna

29. Wytwarzanie węglików spiekanych

30. Węgliki spiekane • WC-Co • wyższa wytrzymałość na zginanie i udarność, • lepiej znoszą niskie prędkości skrawania i zużycie ścierne, • lepsza przewodność cieplna, • WC-TiC-TaC-NbC-Co • odporne na zużycie dyfuzyjne – obróbka stali • Znacznie mniej wytrzymałe niż HSS • Znacznie bardziej odporne na zużycie • Zachowują właściwości do ok. 900°C • Dwie podstawowe grupy:

31. Struktura typowych węglików spiekanych Średnio- grubo ziarniste Ekstra grubo- ziarniste Ultra drobno ziarniste Grubo- ziarniste Średnio- ziarniste Sub mikronowe Drobno- ziarniste Nano ziarniste > 5.0 μm 3.5 - 5.0 μm 2.1 - 3.4 μm 1.4 - 2.0 μm 1.0 - 1.3 μm 0.5 - 0.9 μm 0.2 - 0.5 μm < 0.2 μm Medium coarse Ultra fine Fine Extra coarse Coarse Extra fine Medium >1 µm <1 µm Narzędzia skrawające wytrzymałe, odporne na zużycie, Narzędzia skrawające Odporne na uderzenia Przemysł wydobywczy

32. Zależność odporności na zużycie od zawartości kobaltu, twardości i wielkości ziarna

33. Struktura typowych węglików spiekanych Ziarno 0.8–1.3μm0.5–0.8 μm Standardowa Submikronowa Drobnoziarnista Toczenie żeliwa białego Trwałość ostrza (min) (B):Wytrzymałość na zginanie (N/mm2) Płytka wymienna SPGN 120308 Ostra krawędź kr=75° (H)Twardość HV30 (H):Twardość HV30 F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

34. Węgliki spiekane ultra drobnoziarniste Podwyższona wytrzymałość i odporność na zużycie zwłaszcza małych narzędzi np. wierteł o średnicach 0,05-0,2 mm Ziarno 0.2–0.5 μm

35. Pokrywanie węglików spiekanych metodą CVD Początek w latach 60-tych Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD - chemical vapour deposition) Węglik K30 pokryty TiAlN CIRP Encyclopedia of Production Engineering • HT-CVD (high temperature CVD, 900–1100°C) • MT-CVD (medium temperature CVD, 700–900°C) • PA-CVD (Plasma activated CVD, 450–650°C)

36. Węgliki pokrywane TiN Al2O3 TiCN TiC rdzeń TiN – niskie tarcie, odporność na narost Al2O3 – odporność na adhezję i dyfuzję, twardość na gorąco, niska przewodność cieplna: bariera cieplna TiC, TiCN – wysoka twardość, odporność na ścieranie rdzeń – wysoka wytrzymałość

37. Wpływ pokrycia na promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej R= promień krawędzi przed pokryciem + S – grubość pokrycia = Promień zaokrąglenia krawędzi po pokryciu Powierzchnia natarcia Chropowata powierzchnia Gładka powierzchnia CemeCon

38. Wpływ pokrycia ostrza z WS na zużycie ostrza CIRP Encyclopedia of Production Engineering

39. Właściwości różnych pokryć Al2O3 TiC Ti (C, N) Ti (Al, N) TiN ZrN Stabilność chemiczna odporność na zużycie współczynnik tarcia

40. Podwyższenie wytrzymałości przez zwiększenie zawartości kobaltu pod pokryciem IC 825 IC 825 IC 848 IC 9025 IC 848 IC 8025 IC8048 TiN Al2O3

41. Pokrywanie węglików metodą PVD CIRP Encyclopedia of Production Engineering

42. Typy pokryć PVD • Proces PVD zachodzi w temperaturze poniżej 600° • Może być stosowany do ostrych naroży TiCN TiN TiCN + TiN TiAlN • Pierwsze były pokrycia azotkiem tytanu TiN • Kolejna generacja – węgliko-azotek tytanu TiCN. • Stosowana jest kombinacja tych pokryć • Dodanie aluminium do TiN dało TiAlN • wyższą twardość, • odporność na utlenianie i wytrzymałość w temperaturach do 900° CIRP Encyclopedia of Production Engineering

43. Właściwości i zastosowanie pokryć PVD TiAlN • Pokrycie TiAlN 2-6 mm, metodą PVD • Właściwości: • 3000-3500 HV • doskonała twardość na gorąco • świetna odporność na utlenianie • mała przewodność cieplna • ostra krawędź skrawająca • przy wysokich temperaturach powstaje warstewka ochronna tlenków Al • Zastosowanie • materiały trudnoobrabialne • obróbka z wysokimi prędkościami (HSM) • obróbka na sucho • obróbka żeliwa i stali nierdzewnych • frezowanie i toczenie stopów tytanu

44. Porównanie pokrywania metodą CVD i PVD Proces CVD PVD temperatura 800° - 1100° C200° - 500°C warstwy pokrywającewęgliki, azotki, tlenkiTiN,TiCN, TiAlN całkowita grubość pokrycia 2 – 15 mm2 – 5 mm kierunkowość ze wszystkichkierunkowe pokrycia stron charakterystyka więcej możliwychostra krawędź skrawająca, ogólna kombinacji pokryć,gorsze przyleganiepokrycia, dobre przyleganiemniejsze naprężenia między,pokrycia rdzeniem i pokryciem

45. Rozkład naprężeń w pokryciu i rdzeniu CVD Coating (5-10 mm) PVD Coating (2-6 mm) rdzeń rdzeń Tensile Stress Tensile Stress Depth (mm) Depth (mm) 5 10 5 10 Compression Stress Compression Stress Coating Substrate Coating Substrate Pokrycie CVD Pokrycie PVD głębokość (mm) głębokość (mm) naprężenia ściskające naprężenie rozciągające naprężenia ściskające naprężenie rozciągające pokrycie rdzeń rdzeń pokrycie

46. CVD aktywowane plazmowo 450–650°C ! F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

47. Rozwój metod pokrywania materiałów narzędziowych CVD PVD Rynek narzędzi niepokrywane L. A. Dobrzański, A. . Dobrzańska-Danikiewicz, 2011

48. Zestawienie metod pokrywania F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011

49. Porównanie właściwości pokryć • Zużycie ścierne • Zużycie wytrzymałościowe (statyczne i dynamiczne) • Zużycie adhezyjne 4. Deformacje plastyczne 5. Wykruszenia, pęknięcia 6. Możliwość utworzenia ostrej krawędzi 1 2 3 4 5 6 B. Ljungberg, M. Castner, Coating Improvements For Steel Turning

50. Cermetale Węglik tytanu (TiC) i węgliko-azotek tytanu (TiCN) ze spoiwem kobaltowo-niklowym (Co-Ni) F. Klocke, Manufacturing Processes 1: Cutting, Springer 2011