Główne wymagania dotyczące materiałów narzędziowych to twardość, odporność na zużycie, ciepło itp. Zgodność z tymi kryteriami umożliwia cięcie. Aby wniknąć w warstwy powierzchniowe obrabianego produktu, ostrza do cięcia części roboczej muszą być wykonane z mocnych stopów. Twardość może być naturalna lub nabyta.
Na przykład stal narzędziowa produkowana fabrycznie jest łatwa do cięcia. Po obróbce mechanicznej i termicznej oraz szlifowaniu i ostrzeniu wzrasta ich wytrzymałość i twardość.
Jak określa się twardość?
Charakterystykę można zdefiniować na różne sposoby. Stale narzędziowe mają twardość Rockwella, twardość ma oznaczenie liczbowe, a także literę HR ze skalą A, B lub C (na przykład HRC). Wybór materiału narzędzia zależy od rodzaju obrabianego metalu.
Najbardziej stabilna wydajność i niskie zużycie ostrzy, którezostały poddane obróbce cieplnej, można osiągnąć HRC 63 lub 64. Przy niższej wartości właściwości materiałów narzędziowych nie są tak wysokie, a przy dużej twardości zaczynają się kruszyć ze względu na kruchość.
Metale o twardości 30-35 HRC są doskonale obrabiane narzędziami żelaznymi, które zostały poddane obróbce cieplnej przy twardości HRC 63-64. Zatem stosunek wskaźników twardości wynosi 1:2.
Do obróbki metali o HRC 45-55 należy używać narzędzi opartych na twardych stopach. Ich indeks to HRA 87-93. Materiały na bazie syntetycznej można stosować na stalach hartowanych.
Wytrzymałość materiałów narzędziowych
Podczas procesu cięcia na część roboczą przykładana jest siła 10 kN lub większa. Wywołuje wysokie napięcie, które może doprowadzić do zniszczenia narzędzia. Aby tego uniknąć, materiały do cięcia muszą mieć wysoki współczynnik bezpieczeństwa.
Najlepszą kombinację cech wytrzymałościowych mają stale narzędziowe. Wykonana z nich część robocza doskonale wytrzymuje duże obciążenia i może pracować przy ściskaniu, skręcaniu, zginaniu i rozciąganiu.
Wpływ krytycznej temperatury nagrzewania na ostrza narzędzi
Gdy podczas cięcia metali wydziela się ciepło, ich ostrza w większym stopniu nagrzewają się - powierzchnie. Gdy temperatura jest poniżej poziomu krytycznego (dla każdego materiału ma swoją własną)struktura i twardość nie zmieniają się. Jeśli temperatura ogrzewania staje się wyższa niż dopuszczalna norma, spada poziom twardości. Temperatura krytyczna nazywana jest czerwoną twardością.
Co oznacza termin „czerwona twardość”?
Czerwona twardość jest właściwością metalu, która świeci na ciemnoczerwono po podgrzaniu do temperatury 600 °C. Termin ten sugeruje, że metal zachowuje swoją twardość i odporność na zużycie. W swej istocie jest to zdolność do wytrzymywania wysokich temperatur. Dla różnych materiałów obowiązuje limit, od 220 do 1800 ° C.
Jak można zwiększyć wydajność narzędzia skrawającego?
Materiały narzędziowe narzędzia skrawającego charakteryzują się zwiększoną funkcjonalnością przy jednoczesnym zwiększeniu odporności na temperaturę i poprawie odprowadzania ciepła wytwarzanego na ostrzu podczas cięcia. Ciepło podnosi temperaturę.
Im więcej ciepła jest odprowadzane z ostrza w głąb urządzenia, tym niższa temperatura na jego powierzchni styku. Poziom przewodności cieplnej zależy od składu i ogrzewania.
Na przykład zawartość takich pierwiastków jak wolfram i wanad w stali powoduje spadek jej przewodności cieplnej, a domieszka tytanu, kob altu i molibdenu powoduje jej wzrost.
Co określa współczynnik tarcia ślizgowego?
Współczynnik tarcia ślizgowego zależy od składu i właściwości fizycznych stykających się par materiałów, a także od wartości naprężeń na powierzchniach,poddawany tarciu i poślizgowi. Współczynnik wpływa na odporność materiału na zużycie.
Interakcja narzędzia z materiałem, który został poddany obróbce, przebiega z ciągłym ruchomym kontaktem.
Jak zachowują się materiały instrumentalne w tym przypadku? Rodzaje z nich zużywają się jednakowo.
Charakteryzują się:
- możliwość usuwania metalu, z którym się styka;
- zdolność do wykazania odporności na zużycie, czyli odporności na ścieranie innego materiału.
Zużycie ostrza zdarza się cały czas. W wyniku tego urządzenia tracą swoje właściwości, a także zmienia się kształt ich powierzchni roboczej.
Odporność na zużycie może się różnić w zależności od warunków skrawania.
Na jakie grupy dzielą się stale narzędziowe?
Główne materiały instrumentalne można podzielić na następujące kategorie:
- cermet (stopy twarde);
- cermetale lub ceramika mineralna;
- azotek boru na bazie materiału syntetycznego;
- syntetyczne diamenty;
- Stale narzędziowe na bazie węgla.
Żelazo narzędziowe może być węglowe, stopowe i szybkie.
Stale narzędziowe na bazie węgla
Do wyrobu narzędzi zaczęto używać materiałów węglowych. Ich prędkość cięcia jest niska.
Jak oznaczane są stale narzędziowe? Materiały są oznaczone literą (na przykład „U” oznacza węgiel), a także liczbą (wskaźniki dziesiątych części procenta zawartości węgla). Obecność litery „A” na końcu oznaczenia wskazuje na wysoką jakość stali (zawartość takich substancji jak siarka i fosfor nie przekracza 0,03%).
Materiał węglowy ma twardość 62-65 HRC i jest odporny na niskie temperatury.
Gatunki materiałów narzędziowych U9 i U10A są używane do produkcji pił, a serie U11, U11A i U12 są przeznaczone do gwintowników ręcznych i innych narzędzi.
Poziom odporności temperaturowej stali serii U10A, U13A wynosi 220°C, dlatego zaleca się stosowanie narzędzi wykonanych z takich materiałów przy prędkości skrawania 8-10 m/min.
Żelazo stopowe
Stopem może być chrom, chrom-krzem, wolfram i chrom-wolfram z domieszką manganu. Takie serie są oznaczone numerami, a także mają oznaczenia literowe. Pierwsza lewa cyfra wskazuje współczynnik zawartości węgla w dziesiątych częściach, jeśli zawartość pierwiastka jest mniejsza niż 1%. Liczby po prawej reprezentują średnią zawartość stopu w procentach.
Materiał narzędziowy klasy X jest odpowiedni do produkcji gwintowników i narzynek. Stal B1 nadaje się do wykonywania małych wierteł, gwintowników i rozwiertaków.
Odporność temperaturowa substancji stopowych wynosi 350–400 °C, więc prędkość cięcia jest półtora raza większa niż w przypadkustop węgla.
Do czego używa się stali wysokostopowych?
Do produkcji wierteł, pogłębiaczy i gwintowników stosowane są różne materiały narzędzi do szybkiego skrawania. Są one oznaczone zarówno literami, jak i cyframi. Ważnymi składnikami materiałów są wolfram, molibden, chrom i wanad.
HSS są podzielone na dwie kategorie: normalna i wysoka wydajność.
Stale o normalnych parametrach
Kategoria żelaza o normalnym poziomie wydajności obejmuje gatunki R18, R9, R9F5 oraz stopy wolframu z domieszką molibdenu serii R6MZ, R6M5, które zachowują twardość co najmniej HRC 58 przy 620 ° C. Nadaje się do stali węglowych i niskostopowych, żeliwa szarego i stopów nieżelaznych.
Stale o wysokiej wydajności
Ta kategoria obejmuje gatunki R18F2, R14F4, R6M5K5, R9M4K8, R9K5, R9K10, R10K5F5, R18K5F2. Są w stanie utrzymać HRC 64 w temperaturach od 630 do 640 °C. Ta kategoria obejmuje supertwarde materiały narzędziowe. Przeznaczony jest do żelaza i stopów trudnych w obróbce, a także tytanu.
Hardmetale
Takie materiały to:
- cermet;
- ceramika mineralna.
Kształt płytek zależy od właściwości mechaniki. Narzędzia te działają z dużą prędkością skrawania w porównaniu z materiałem o dużej prędkości.
Ceramika metalowa
Węgliki cermetalowe to:
- wolfram;
- tytan wolframowy;
- wolfram z dodatkiem tytanu i tantalu.
Seria VK obejmuje wolfram i tytan. Narzędzia oparte na tych komponentach mają zwiększoną odporność na zużycie, ale ich poziom odporności na uderzenia jest niski. Urządzenia na tej podstawie służą do obróbki żeliwa.
Stop wolframowo-tytanowo-kob altowy ma zastosowanie do wszystkich rodzajów żelaza.
Synteza wolframu, tytanu, tantalu i kob altu jest stosowana w szczególnych przypadkach, gdy inne materiały są nieskuteczne.
Gatunki węglików charakteryzują się wysoką odpornością na temperaturę. Materiały wykonane z wolframu mogą zachować swoje właściwości o HRC 83-90, a wolframu z tytanem - o HRC 87-92 w temperaturze od 800 do 950°C, co pozwala na pracę z dużymi prędkościami skrawania (od 500 m/min do 2700 m /min podczas obróbki aluminium).
Do obróbki części odpornych na rdzę i wysokie temperatury stosuje się narzędzia z serii stopów drobnoziarnistych OM. Gatunek VK6-OM nadaje się do wykańczania, podczas gdy VK10-OM i VK15-OM nadają się do półwykańczania i obróbki zgrubnej.
Jeszcze bardziej wydajne podczas pracy z „trudnymi” częściami są supertwarde materiały narzędziowe z serii BK10-XOM i BK15-XOM. Zastępują węglik tantalu węglikiem chromu, dzięki czemu są trwalsze nawet w wysokich temperaturach.
Aby zwiększyć poziom wytrzymałości litej płyty, posługują się powłoką ochronną. Stosuje się węglik tytanu, azotek i karbonit, które nakłada się bardzo cienką warstwą. Grubość wynosi od 5 do 10 mikronów. W rezultacie powstaje warstwa drobnoziarnistego węglika tytanu. Płytki te mają trzykrotnie dłuższą żywotność niż płytki niepowlekane, zwiększając prędkość skrawania o 30%.
W niektórych przypadkach stosowane są materiały cermetalowe, które uzyskuje się z tlenku glinu z dodatkiem wolframu, tytanu, tantalu i kob altu.
Ceramika mineralna
Ceramika mineralna TsM-332 jest używana do narzędzi skrawających. Posiada odporność na wysokie temperatury. Wskaźnik twardości HRC wynosi od 89 do 95 przy 1200 °C. Ponadto materiał charakteryzuje się odpornością na zużycie, co pozwala na obróbkę stali, żeliwa i stopów metali nieżelaznych przy dużych prędkościach skrawania.
Do produkcji narzędzi skrawających używany jest również cermet serii B. Oparty jest na tlenku i węgliku. Wprowadzenie węglika metalu oraz molibdenu i chromu do składu ceramiki mineralnej pomaga zoptymalizować właściwości fizyczne i mechaniczne cermetalu oraz eliminuje jego kruchość. Zwiększa się prędkość cięcia. Półwykańczająca i wykańczająca narzędzie na bazie cermetalu nadaje się do żeliwa szarego, stali trudnoobrabialnej i wielu metali nieżelaznych. Proces prowadzony jest z prędkością 435-1000 m/min. Ceramika do cięcia jest odporna na temperaturę. Jego twardość to HRC90-95 w 950-1100 °С.
Do obróbki utwardzonego żelaza, trwałego żeliwa oraz włókna szklanego stosuje się narzędzie, którego część tnąca wykonana jest z substancji stałych zawierających azotek boru i diamenty. Indeks twardości elbora (azotek boru) jest mniej więcej taki sam jak diamentu. Jego odporność na temperaturę jest dwukrotnie wyższa od tej ostatniej. Elbor wyróżnia się obojętnością na materiały żelazne. Granica wytrzymałości polikryształów na ściskanie wynosi 4-5 GPa (400-500 kgf/mm2), a przy zginaniu - 0,7 GPa (70 kgf/mm 2). Odporność na temperaturę do 1350-1450 °C.
Na uwagę zasługują również kulki diamentowe na bazie syntetycznej serii ASB oraz carbonado serii ASPK. Aktywność chemiczna tych ostatnich wobec materiałów zawierających węgiel jest wyższa. Dlatego stosuje się go przy ostrzeniu elementów wykonanych z metali nieżelaznych, stopów z dużą zawartością krzemu, materiałów twardych VK10, VK30, a także powierzchni niemetalicznych.
Żywotność frezów karbonadowych jest 20-50 razy większa niż w przypadku stopów twardych.
Które stopy są używane w przemyśle?
Materiały instrumentalne są wydawane na całym świecie. Gatunki stosowane w Rosji, USA i Europie w większości nie zawierają wolframu. Należą do serii KNT016 i TN020. Modele te stały się zamiennikiem marek T15K6, T14K8 i VK8. Służą do obróbki stali na konstrukcje, stali nierdzewnej i materiałów narzędziowych.
Nowe wymagania dotyczące materiałów narzędziowych ze względu na niedobór wolframu ikob alt. Właśnie z tym czynnikiem w USA, krajach europejskich i Rosji stale rozwijane są alternatywne metody otrzymywania nowych stopów twardych, które nie zawierają wolframu.
Na przykład materiały narzędziowe z serii Titan 50, 60, 80, 100 produkowane przez amerykańską firmę Adamas Carbide Co zawierają węglik, tytan i molibden. Zwiększenie liczby wskazuje na stopień wytrzymałości materiału. Charakterystyka materiałów narzędziowych tego wydania oznacza wysoki poziom wytrzymałości. Na przykład seria Titan100 ma wytrzymałość 1000 MPa. Jest konkurentką ceramiki.
