Nowoczesne materiały narzędziowe - wykład PDF

Preview

Summary

Notatki z wykładów wraz z wykresami i komentarzami....

Description

08.12.2016'

WYMAGANIA(STAWIANE(NOWOCZESNYM(MATERIAŁOM(NARZĘDZIOWYM( • •

duża%twardość,%zdecydowanie%większa%od%twardości%materiału%obrabianego( duża%wytrzymałość%na%ściskanie,%rozciąganie,%skręcanie%i%zginanie(

•

duża%odporność%na%zużycie%(ścierne,%adhezyjne,%dyfuzyjne%i%chemiczne)(

• •

duża%udarność( duża%odporność%na%zmęczenie%mechaniczne%i%cieplne(

• •

duża%ciągliwość( duża%odporność%na%zmianę%zdolności%skrawnych%w%podwyższonej%temp.(

• •

dobra%przewodność%cieplna( duże%ciepło%właściwe(

KLASYFIKACJA(MATERIAŁÓW(NARZĘDZIOWYCH( • konwencjonalne%stale%szybkotnące( • •

spiekane%stale%szybkotnące( spiekane%wysoko%wydajne%materiały%narzędziowe( %

( UDZIAŁ(GŁÓWNYCH(GRUP(MATERIAŁÓW(NARZĘDZIOWYCH(W(PROCESACH(OBRÓBKI(SKRAWANIEM(W( NIEMCZECH(WG(STANU(Z(POCZĄTKU(LAT(90:( • Polikrystaliczne%(supertwarde)%materiały%narzędziowe%–%1%( • •

Ceramika%narzędziowa%–%4%( Węgliki%spiekane%–%50%(

•

Stale%szybkotnące%–%45%(

ZALETY(I(WADY(STALI(SZYBKOTNĄCYCH( ü korzystna%cena% ü dobra%obrabialność% ü duża%ciągliwość% wiertła,%rozwiertaki,%gwintowniki,%frezy%przeciągacze% Narzędzia%te%można%stosować%w%przypadku,%gdy%wymagana%jest%obróbka%ze%stosunkowo%małymi% prędkościami%skrawania%lub%wtedy,%gdy%inne%materiały%narzędziowe%ze%względu%na%ich%małą% ciągliwość%nie%mogą%być%wykorzystane.%Dotyczy%to%materiałów%o%złej%skrawalności%lub% niestabilnych%warunków%skrawania.% • •

względnie%mała%odporność%na%zużycie%ścierne% najniższa%twardość%spośród%materiałów%narzędziowych%

• •

pogorszenie%się%zdolności%skrawnych%w%podwyższonych%temp.%skrawania% narzędzia%te%można%stosować%w%przypadku%pracy%z%małymi%prędkościami%

PYTANIE:%Dlaczego%stale%szybkotnące%są%lepsze%od%konwencjonalnych?% Wykres:(SCHEMATYCZNE'PORÓWNANIE'METOD'WYTWARZANIA'PÓŁWYROBÓW'ZE'STALI'SZBKOTNĄCEJ' a)'SPIEKANEJ' b)'KONWENCJONALNEJ'

% KONWENCJONALNE(STALE(SZYBKOTNĄCE%-%10%gatunków%należących%do%trzech%grup:%wolframowej% (podstawowej),%molibdenowej%i%kobaltowej.%Najczęściej%stosowanym%gatunkiem%stali%jest%SW7M.% Przykłady:%SW18,%SW7M%(M2)% SPIEKANE(STALE(SZYBKOTNĄCE%–%lepsze%właściwości%skrawne%od%stali%konwencjonalnych,%zwłaszcza%dotyczy%to% obróbki%stali%trudnoskrawalnych%przy%większych%prędkościach%skrawania.%Wynika%to%z%ich%jednorodnej%struktury.% Ponadto,%ponieważ%technologia%spiekania%umożliwia%wytworzenie%stali%o%znacznie%większym%stężeniu%węgla%i% pierwiastków%stopowych%niż%w%stalach%konwencjonalnych,%przy%zachowaniu%porównywalnej%ciągliwości%można% uzyskać%większą%ich%twardość%a%w%konsekwencji%większą%odporność%na%ścieranie.%Pasmowe%rozłożenie%węglików% nawet%przy%mniejszej%twardości%powoduje%natomiast%zmniejszenie%ich%ciągliwości%co%wyniki%z%mniejszych% wartości%na%zginanie%stali%konwencjonalnych.% Spiekane%stale%szybkotnące%umożliwiają%znacznie%lepsze%formowanie%plastyczne%na%gorąco,%obróbkę% mechaniczną.%Są%także%bardziej%podatne%na%obróbkę%cieplną.%Ponadto%po%hartowaniu%i%odpuszczaniu%wykazują% dużą%stabilność%wymiarową.%Charakteryzują%się%też%lepszą%szlifowalnością.%

Wykres:(SCHEMAT'WYTWARZANIA' a)'GOTOWYCH'WYROBÓW' b)'PÓŁWYROBÓW' ZE'SPIEKANYCH'STALI'SZYBKOTNĄCYCH'

% Wykres:(ZALEŻNOŚĆ'TWARDOŚCI'STALI'ASP23'OD'TEMP.'AUSTENITYZOWANIA( Twardość%po%3-krotnym%odpuszczaniu%w%temp.%833K%po%1h.%

( Wykres:(ZALEŻNOŚĆ'WYTRZYMAŁOŚCI'NA'ZGINANIE((NIEWYRAZNY(SLAJD)( Twardość:%66-67HRC% Prędkość%skrawania:%max.30m/min% Od%góry:%izostatyczna%obróbka% Zakres%między%dwoma%górnymi%krzywymi:%spiekane% Wytrzymałość%na%zginanie%ok.4000% Zakres%między%dwoma%dolnymi%krzywymi:%konwencjonalne% Wytrzymałość%na%zginanie%ok.2000%

( Wykres:(PORÓWNANIE'OKRESU'TRWAŁOŚCI'WIERTEŁ'WYKONANYCH'ZE'SPIEKANEJ'I'KONWENCJONALNEJ'STALI' SZYBKOTNĄCEJ'PRZY'WIERCENIU'STALI'KWASOODPORNEJ'

( OBRÓBKA(POWIERZCHNIOWA(STALI(SZYBKOTNĄCYCH( • Narzędzia%najczęściej%poddawane%są%obróbce%azotowania%i%jego%pochodnym.%Twardość%920-1400HV.% •

Najważniejszym%rezultatem%jest%wzrost%trwałości%ostrza.( Pokrycia%przeciwzużyciowe:( Warstwy%TiN%wysokotemperaturową%CVD%(1270K)%temp.%wyższa%niż%temp.%odpuszczania%stali% szybkotnących.% Metoda%PACVD%obniżenie%temp.% Najbardziej%popularna%metoda%PVD%–%TiN,%Ti(CN),%(Ti,Al)N%(Ti,Zr)N,%CrN.% Warstwy%(Ti,Al)N%ze%względu%na%lepszą%izolację%termiczną%nadają%się%bardziej%do%skrawania%ciągłego.%Z% kolei%warstwa%Ti(CN)%jest%bardziej%przydatna%do%skrawania%przerywanego%(frezowanie),%ponieważ%jej% większa%przewodność%cieplna%sprzyja%przejmowaniu%większej%ilości%ciepła%przez%płaszczyznę%natarcia%

narzędzia%chroniąc%w%ten%sposób%wrażliwą%na%wysokie%temperatury%krawędź%skrawającą.%Warstwa% Ti(CN)%charakteryzuje%się%największą%ciągliwością%i%odpornością%na%zużycie%ścierne.% Wykres:(PORÓWNANIE'OKRESÓW'TRWAŁOŚCI'NARZĘDZI'(NOŻY'TOKARSKICH'I'FREZÓW)'POKRYTYCH'RÓŻNYMI' WARSTWAMI'(TECHNIKĄ'PVD)'O'GRUBOŚCI's=3µm,'SKRAWANIE'PRZY'UŻYCIU'EMULSJI'3%

' ' PORÓWNANIE(KOSZTÓW((obecnie%różnica%w%cenie%między%spiekanymi%a%konwencjonalnymi%jest%prawie% zerowa)% Mimo%znacznie%lepszych%właściwości%użytkowych%spiekanych%stali%szybkotnących%ich%szersze%zastosowanie% ograniczone%jest%wysoką%ceną,%która%ciągle%spada.%Niektóre%wyroby%tj.%płytki%narzędziowe%wykonane%ze% spiekanych%stali%są%obecnie%tańsze%o%ok.40%%od%płytek%wykonanych%ze%stali%konwencjonalnych.% % Wykres:(PORÓWNANIE'ZMIAN'CENY'STALI'SZYBKOTNĄCEJ'KONWENCJONAJNEJ(S)'I'SPIEKANEJ(PM)'w'latach:' 1980-2000'

(

15.12.2016'

Coronite( • Ciągliwość%jest%zbliżona%do%stali%szybkotnących(

• Odporność%na%ścieranie%jest%zbliżona%do%węglików%spiekanych( Podstawowym%składnikiem%Coronite%jest%TiN%w%postaci%ekstremalnie%rozdrobnionych%cząstek%(wielkość%0,10,2µm),%które%są%rozmieszczone%w%osnowie%żelaza.%Objętościowy%udział%fazy%TiN%wynosi%35-60%.%Na%jedno% ziarno%stali%przypada%1000%ziaren%Coronite.% Technologia%wytwarzania%polega%na%izostatycznym%sprasowaniu%na%zimno%proszku%Coronite.%Wytworzona% wypraska%jest%podgrzewana%do%temp.1470K%i%poddaje%się%ją%prasowaniu.%Następnie%obróbka%cieplna,%szlifowanie% i%pokrywanie%warstwą%TiN%lub%Ti(CN).%Duża%ciągliwość,%mała%skłonność%do%tworzenia%narostu,%bardzo%duża% odporność%na%zużycie%dyfuzyjne%i%wycieranie%rowka%w%płaszczyźnie%natarcia%oraz%doskonała%ostrość%krawędzi% skrawających.%Obecnie%wykonuje%się%z%Coronite%frezy%trzpieniowe%i%walcowo-czołowe.% % Wykres:(PORÓWNANIE'SKRAWNOŚCI'FREZÓW'TRZPIENIOWYCH,'WYKONANYCH'Z'RÓŻNYCH'MATERIAŁÓW'

( WĘGLIKI(SPIEKANE( Udział%węglików%spiekanych%w%operacjach%toczenia,%frezowania,%strugania,%wiercenia%dochodzi%do%80%.%W%skład% węglików%spiekanych%wchodzą%wybrane%węgliki%metali%wysokotopliwych%(o%udziale%objętościowym%65-98%%i% metal%wiążący).%Materiały%te%mają%tzw.%twardość%naturalną%i%nie%są%poddawane%obróbce%cieplnej.% • •

Wybrane%węgliki%metali%wysokotopliwych%w%osnowie%metalu,%a%dokładnie%Co% Można%stosować%CVD,%LPCVD%

•

Węgliki%można%pokrywać%TiC,%TiN,%Ti(CN),%Al2O3%(Al2O3%rzadko%stosowane%i%nieekologiczne%–%źródłem%Al% jest%AlCl3)%

% Wykres:(KOLEJNOŚĆ'WPROWADZANIA'DO'PRODUKCJI'POSZCZEGÓLNYCH'GRUP'GATUNKÓW'WĘGLIKÓW' SPIEKANYCH'ORAZ'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'POKRYWANYCH'

( Stosowane%następujące%metody%wytwarzania%węglików%spiekanych:% • Wstępne%spiekanie,%mechaniczne%formowanie%i%spiekanie%końcowe% •

Prasowanie%jednoosiowe%i%spiekanie%

• •

Wyciskanie%i%spiekanie% Prasowanie%na%gorąco%

•

Wstępne%spiekanie%i%izostatyczne%prasowanie%na%gorąco.%

Dzieli%się%je%na%następujące%grupy:% • Węgliki%spiekane%WC+Co% •

Węgliki%spiekane%WC+(Ti,Ta,Nb)C+Co%

WC%węglik%wolframu%charakteryzuje%się:% • bardzo%dobrą%zwilżalnością%z%kobaltem% •

dużą%wytrzymałością%na%zginanie%

• •

bardzo%dużą%wartością%modułu%Younga% bardzo%dobrą%przewodnością%cieplną%

Ponadto%po%termicznej%dysocjacji%na%W%i%C%ulega%w%temp.%spiekania%dobremu%rozpuszczaniu%w%kobalcie,%co%jest% niezbędnym%warunkiem%dobrej%ciągliwości.%Do%temp.870K%zmniejszenie%ich%twardości%jest%niewielkie,%a%do% temp.1270K%zachowują%na%tyle%dużą%twardość,%że%w%dalszym%ciągu%jest%możliwe%skrawanie.% Ze%wzrostem%zawartości%kobaltu%zmniejsza%się%twardość%a%wzrasta%wytrzymałość%na%zginanie.% Wykres:(WPŁYW'ZAWARTOŚCI'KOBALTU'NA' a)'WYTRZYMAŁOŚĆ'NA'ZGINANIE' b)'TWARDOŚĆ' WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'TYPU'WC+Co'

( Zastosowanie%metody%HIP%po%operacji%spiekania%powoduje%znaczny%wzrost%wytrzymałości%na%zginanie% niezależnie%od%zawartości%kobaltu.%Jest%on%spowodowany%wypełnieniem%porów%i%uzyskaniem%ciągłości% wydzieleni%węglikowych.% Wykres:(WPŁYW'DOGĘSZCZANIA'IZOSTATYCZNEGO'NA'GORĄCO'(HIP)'NA'WYTRZYMAŁOŚĆ'NA'ZGINANIE' WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'WC+Co,'O'RÓŻNYM'STĘŻENIU'Co'

(

05.01.2017'

Węgliki%podzielono%także%wg%wielkości%cząstek%WC:% • •

Ultradrobnoziarniste%(średnica%poniżej%0,5µm)% Drobnoziarniste%(średnica%poniżej%1,5%µm)%

• •

Standardowe%(średnica%1,5-3,0µm)% Gruboziarniste%(średnica%3-30µm)%

Im%drobniejszy%–%tym%droższy.%Wraz%ze%zmniejszeniem%się%średnicy%ziaren%wzrasta%zarówno%twardość%jak%i% ciągliwość.%Mniejsze%ziarno%dużo%bardziej%wpływa%na%ciągliwość%niż%twardość.%Mniejsze%ziarno%zwiększa%okres% trwałości%narzędzi%z%węglików%spiekanych.%

Wykres:(WPŁYW'WIELKOŚCI'CZĄSTEK'WC'NA'TWARDOŚĆ'I'WYTRZYMAŁOŚĆ'NA'ZGINANIE'WĘGLIKÓW' SPIEKANYCH'TYPU'WC+6Co'

( Wykres:(PORÓWNANIE'OKRESÓW'TRWAŁOŚCI'NARZĘDZI'Z'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'WC+6Co' ULTRADROBNOZIARNISTYCH'Z'DROBNOZIARNISTYMI'I'STANDARDOWYMI'PRZY'SKRAWANIU'CIĄGŁYM'ŻELIWA' UTWARDZONEGO'

( Węgliki%spiekane%typu%WC+Co%przy%małym%stężeniu%kobaltu%charakteryzują%się%dużą%wrażliwością%na%uderzenia.% Ponadto%krawędzie%skrawające%ulegają%często%wykruszaniu%wskutek%zmęczenia.%Dlatego%dodaje%się%dodatki.% Węglik%TiC%wykazuje%większą%od%węglika%WC%odporność%na%ścieranie%w%wysokiej%temp.%oraz%wielokrotnie% mniejszą%skłonność%do%zgrzewania%z%materiałem%obrabianym.%Dodatek%TiC%powoduje%wzrost%twardości%przy% jednoczesnym%zmniejszeniu%wytrzymałości%na%ściskanie.% Dodatek%TaC%oraz%NbC%sprzyja%polepszeniu%twardości%i%wytrzymałości%na%zginanie%w%wysokiej%temp.%Dodatkowo% dodatki%TaC%i%NbC%zmniejszają%skłonność%do%erozji%materiału%ostrza%spowodowanej%przywieraniem%wiórów.% Wykres:(WPŁYW'RÓŻNYCH'WĘGLIKÓW'NA'ZUŻYCIE'POWIERZCHNI' a)'PRZYŁOŻENIA' b)'NATARCIA' OSTRZA'NARZĘDZIA'Z'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'W'ZALEŻNOŚCI'OD'ZAWARTOŚCI'KOBALTU( Materiał%skrawany:%stal%St7,%prędkość%skrawania%vc=80m/min.%

% CERMETALE(są%wytwarzane%metodą%metalurgii%proszków.%Spiekanie%przebiega%w%temp.1670-1820K%(z%udziałem% fazy%ciekłej)%w%piecu%próżniowym%albo%HIP.% Eliminujemy%WC%na%korzyść%innych%węglików%np.%TiC,%VC,%TaC,%NbC.%% Modyfikujemy%osnowę:%zastępujemy%Co%innymi%metalami:%Ni,%Mo,%Cr,%Al% Wykres:(SCHEMAT'MORFOLOGII'FAZ'WYSTĘPUJĄCYCH'W'MIKTOSTRUKTURZE'' a)'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'TYPU'HW-P10' b)'CERMETALU'TYPU'HT-P15'

( Wykres:(PORÓWNANIE'WYTRZYMAŁOŚCI'NA'ZGINANIE'RÓŻNYCH'GENERACJI'CERMETALI'Z'15%'ZAWARTOŚCIĄ' FAZY'WIĄŻĄCEJ'

( Cermetale%różnią%się%od%węglików%spiekanych%składem%chemicznym%a%także%gęstością.%% Charakterystyczne%cechy%cermetali:% •

3

mała%gęstość%(6-7,5g/cm ),%mniejsza%niż%węglików%spiekanych,%

• •

korzystna%cecha,% duża%wytrzymałość%na%zginanie,%większa%niż%węglików%spiekanych,%%

• •

mniejsza%przewodność%cieplna%–%niekorzystna%cecha,%% duża%odporność%na%utlenianie%w%podwyższonych%temp.,%

•

lepsze%właściwości%skrawne%w%porównaniu%do%węglików%spiekanych.%

Wykres:(PORÓWNANIE'WYTRZYMAŁOŚCI'NA'ZGINANIE'KONWENCJONALNYCH'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'I' CERMETALI'IDENTYCZNYCH'GRUP'ZASTOSOWAŃ'

( Korzystniejsze%własności%cermetali%wynikają%przede%wszystkim%z%zachowania%przez%nie%dużej%odporności%na% zużycie%w%wysokich%temp.%co%jest%najprawdopodobniej%efektem%wielokomponentowej%mikrostruktury%oraz% osnowy%wiążącej%Ni-Co,%która%w%odróżnieniu%od%kobaltowej%osnowy%węglików%spiekanych%jest%silnie%nasycona% składnikami%stopowymi.%Do%wad%tych%materiałów%należy%przede%wszystkim%ograniczona%wrażliwość%na%szoki% termiczne.% Wykres:(PORÓWNANIE'ODPORNOŚCI'NA'UTLENIANIE'KONWENCJONALNYCH'WĘGLIKÓW'SPIEKANYCH'I' CERMETALI'

( Wykres:(PORÓWNANIE'SKRAWNOŚCI'FREZÓW'WALCOWO-CZOŁOWYCH'O'ŚREDNICY'D=160mm'Z'WĘGLIKÓW' SPIEKANYCH'TTM'(HW-P25)'ORAZ'CERMETALU'TTI-15'(HT-P10-P25)'

( WĘGLIKI(SPIEKANE(I(CERMETALE(POKRYTE(TWARDYMI(WARSTWAMI:( Węgliki%spiekane%przeznaczone%do%pokrywania%mają%odmienny%skład%od%węglików%konwencjonalnych.%W% kobaltowej%osnowie%stężenie%wolframu%powinno%być%możliwie%małe%(...