Transcript NÁSTROJOVÉ MATERIÁLY
DTB Technologie obrábění Téma 3
NÁSTROJOVÉ MATERIÁLY
Úvod
•
Požadavky
•
Tvrdost, odolnost proti opotřebení, tepelná vodivost, pevnost v ohybu, houževnatost - při vysokých teplotách - po dostatečně dlouhou dobu Druhy nástrojových materiálů Nástrojové oceli, slinuté karbidy, cermety, řezná keramika, supertvrdé materiály
Zařazení nástrojových materiálů podle normy ISO 513 [H-I1/58]
Oblasti použití nástrojových materiálů [H-I1/57a]
Technologické parametry řezných materiálů [H-I1/57]
1 Nástrojové oceli
Rozdělení, označování, vlastnosti a užití nástrojových ocelí [H-I1/59]
• • • • •
3.1 Nástrojové oceli nelegované Teplota břitu do 200° C, řezné rychlosti do 15 m.min
-1 Tepelné zpracování kalení - 750 až 770° C do vody nebo 790 až 890° do oleje, popouštění při 100 až 250° C, tvrdost 64 HRC
•
3.2 Nástrojové oceli legované Karbidotvorné legující prvky Cr, V, W, Mo – vytváří tvrdé a až do vysokých teplot stálé karbidy.
Další legující prvky Ni, Si, Co nejsou karbidotvorné.
Teplota břitu 250 až 350° C, řezné rychlosti 15 až 25 m.min
-1 Tepelné zpracování kalení - 250 až 350° C do oleje, popouštění při 100 až 250° C, tvrdost 64 HRC Použití všechny druhy řezacích, stříhacích a tvářecích nástrojů
1.3 Rychlořezné oceli
• • • •
RO – rychlořezné ocelHSS – High Speed Steel Obsahují karbidotvorné prvky W, Cr. V a nekarbidotvorný Co Uhlíku obsahují méně než 1% Teplota břitu 500 až 600° C, řezné rychlosti 25 až 50 m.min
-1 Tepelné zpracování kalení - 1210 až 1270° C na vzduchu nebo do oleje, popouštění při 550 až 580° C, tvrdost 64 HRC Použití – vysocevýkoné řezné nástroje
• • • • •
Rychlořezné oceli vyrobené práškovou metalurgií Tekutá ocel se rozprašuje tryskami a potom lisuje do polotovarů Velmi jemná struktura a rovnoměrné rozložení karbidů Zlepšená houževnatost a stálost Výroba ocelí s vyšším obsahem legur Metoda ASP (Anti-Segregation-Process)
• •
Rychlořezné oceli povlakované Zvýšení trvanlivosti nástrojů Metoda PVD (Physical Vapour Deposicion = fyzikální napařování) – pod 600° C
• • •
2 Slinuté karbidy
Slinuté karbidy – SK – produkt práškové metalurgie – různé karbidy a kovové pojivo Karbid wolframu WC, karbid titanu TiC, karbid tantalu TaC, karbid niobu NbC, pojivo kobalt Co SK nepovlakované, SK povlakované
2.1 Nepovlakované slinuté karbidy
• •
Slinuté karbidy typu P – WC+TiC+Co Obrábění materiálů, které tvoří dlouhé třísky – oceli na odlitky, temperovaná litina, feritické korozivzdorné oceli. Modrá barva.
Označení: P05, P10, P20, P30, P40, P50 SK skupiny P [H-I1/61]
• •
Slinuté karbidy typu M – WC+TiC+TaC+Co Obrábění materiálů, které tvoří dlouhé a střední třísky - lité oceli, manganové oceli, austenické korozivzdorné oceli, tvárné litiny. Žlutá barva.
Označení: M10, M20, M30, M40 SK skupiny M [H- I1/61]
• •
Slinuté karbidy typu K – WC+CO Obrábění materiálů, které tvoří krátké a drobivé třísky – litiny, neželezné slitiny a nekovové materiály. Červená barva.
Označení: K05, K10, K20, K30, K40 Hrubozrnný SK skupiny K [H-I1/61]
Jemnozrnný SK skupiny K [H-I1/61]
Složení a vlastnosti slinutých karbidů skupiny P, M, K [KP/62, H-I1/62]
Slinuté karbidy typu N Obrábění neželezných kovů – slitiny hliníku, nekovové materiály. Zelená barva.
Označení: N05, N10, N25 Slinuté karbidy typu S Obrábění žáropevných slitin na bázi Ni, Co, Fe, Ti. Hnědá barva.
Označení: S05, S10, S25, S30 Slinuté karbidy typu H Obrábění zušlechtěných ocelí o pevnosti nad 1500 MPa a tvrzených kokilových litin. Šedá barva.
Označení: H01, H05, H10, H15, H25
• • • •
2.2 Povlakované slinuté karbidy
Otěruvzdorné vrstvy na běžných SK Jednovrstvé povlaky – TiC nebo TiCN, případně TiN – tlouštˇka až 13 µm Vícevrstvé povlaky - dvě, tři a více vrstev – TiC+Al 2 O 3 , TiC+TiN, TiC+TiCN+TiN, TiC+Al 2 O 3 +TiN Pozitiva povlakování Zvýšená trvanlivost břitu Nižší řezné síly Možnost vyšších řezných a posuvových rychlostí Možnost obrábění nasucho Snažší obrábění tvrdých materiálů do 65 HRC
Vícevrstvý povlak (Kennametal USA) [H-I1/66]
Metody povlakování Metoda CVD – Chemical Vapour Deposition = chemické napařování z plynné fáze probíhá za vysokých teplot (900 až 1200° C) vrstvy až 13 µm nelze povlakovat ostré hrany Metoda PVD – Phisical Vapour Deposition = fyzikální napařování probíhá za nižších teplot (pod 600° C) vyžaduje důkladnější přípravu povrchu umožňuje povlakovat ostré hrany
Základní vlastnosti vybraných povlaků [H-I1/70]
• • • • •
3 Cermety
Řezný materiál obsahující tvrdé částice (TiC, TiN, TiCN, TaN) v kovovém pojivu (Ni, Mo, Co) CERamics + METal – kombinace vysoké tvrdosti a houževnatosti Vlastnosti Vysoká pevnost hřbetních ploch a odolnost proti vymílání Vysoká chemická stabilita a tvrdost za tepla Nízký sklon k tvorbě nárůstku a k opotřebení oxidací Použití Obrábění na čisto, stabilní obráběcí proces, o brábění „nasucho“ Složení vybraných cermetů Krupp Widia Gmb označení TTI TiC+TiN+Co Sumitomo označení T12A TaN+TiN+Mo+Ni
Schéma struktury cermetu [H-I1/73]
4 Řezná keramika
4.1 Oxidická keramika
• • •
Řezná keramika na bázi oxidu hlinitého Al 2 O 3 Čistá keramika Al 2 O 3 Polosměsná keramika Al 2 O 3 +ZrO 2 +CoO Směsná keramika Al 2 O 3 +TiC, Al 2 O 3 +ZrO 2 +TiO Al 2 O 3 +TiC+TiN
Čistá Druh Vybrané druhy řezné keramiky [KP/66] Označení Složení Vlastnosti Použití Polo směsná DISAL 100 99% Al 2 O 3 DISAL 210 DISAL 220 DISAL 230 Al 2 O 3 + + ZrO 2 Vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení za vysokých teplot (1200 o C). Řezné rychlosti až 1000 m.min
-1 Obrábění šedé litiny a konstrukčních ocelí nepřerušovaným řezem.
Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení za vysokých teplot, Zvýšená houževnatost Obrábění šedé, sférické i temperované litiny, zušlechtěných konstrukčních ocelí i rychlořezných ocelí Směsná DISAL 310 DISAL 320 Al 2 O 3 + + TiC Vysoká tvrdost a houževnatost, zvýšená odolnost proti teplotním šokům Obrábění kalených ocelí plynulým i přerušovaným řezem, lze použít chladicí kapalinu.
Dokončovací frézování.
Čistá keramika Al 2 O 3 [H-Il/75]
Polosměsná keramika Al 2 O 3 +15% ZrO 2 [H-I1/75]
Směsná keramika Al 2 O 3 +TiC [H-I1/75]
4.2 Nitridová keramika
• • • •
Řezná keramika na bázi nitridu křemíku Si 3 N 4 , Si 3 N 4 +TiN, Si 3 N 4 +Y 2 O 3 Vysoká odolnost proti mechanickému porušení břitu Vysoká tvrdost za tepla Použití – obrábění litin za sucha, řezná rychlost až 400 m.min
-1
Nitridová keramika Si 3 N 4 +TiC [H-I1/75]
4.3 Vyztužená keramika
• • • •
Oxidická nebo nitridová keramika vyztužená vlákny SiC (whiskery) - (20 až 30) % objemu Whiskery – vlákna o průměru d(0,5 až 1,0) µm a délce l = (10až20)d Zvýšená odolnost proti vydrolování a vylamování ostří Vyšší odolnost proti oxidaci Vyšší řezné výkony
Nitridová keramika Si 3 N 4 vyztužená SiC whiskery [H- I1/75]
• • • •
5 Super tvrdé řezné materiály
Nejtvrdší řezné materiály Polykrystalický kubický nitrid bóru PKNB a polykrystalický diamant PD Vysoká pořizovací cena Segmenty využívané na vyměnitelných břitových destičkách
Fyzikální vlastnosti supertvrdých řezných materiálů [H-I1/78]
• • •
5.1 Polykrystalický nitrid bóru
Provedení - monolitní vyměnitelná destička - povlak nanesený na SK - řezná část připojená na SK Vlastnosti - obsah CBN 60 až 93% - vysoká tvrdost za tepla až do 2000 - vysoká lomová houževnatost - vysoká tepelná vodivost - vysoká odolnost proti abrazivnímu opotřebení - dobrá chemická stabilita během obrábění Použití Obrábění - kalené oceli, tvrzené litiny
Mikrostruktura kubického nitridu bóru [Garant146]
Obecné trendy vlastností PKNB [Garant147]
• • •
5.2 Polykrystalický diamant
Provedení - jemné krystaly diamantu jsou spojovány slinováním za vysokých teplot a tlaků - břity z PD jsou zakotveny ve vyměnitelné břitové destičce ze SK Vlastnosti - nejtvrdší materiál - nelze použít k obrábění železných materiálů, afinita s uhlíkem - nevhodný k obrábění houževnatých a vysokopevných materiálů - vyžaduje stabilní podmínky obrábění, tuhé stroje a nástroje - umožňuje aplikaci vysokých řezných rychlostí Použití Obrábění neželezných a nekovových materiálů
Porovnání nákladů na obrábění nástrojem z SK a PKD [ Garant148]
6 Brousicí materiály
6.1 Standardní brousicí materiály
Brousicí materiály typu Brousicí materiály typu Al 2 O 3 (umělý korund, elektrit) SiC (karborundum) Označování standardních brousicích materiálů dle ČSN ISO 525 (22 4503) Charakteristiky - druh, zrnitost, tvrdost, struktura, pojivo Příklad označení A 36 L V Zrnitost Tvrdost 36 L Struktura 5 Pojivo V střední střední polohutná keramické
Specifikace brousicích materiálů Al 2 O 3 a SiC - ČSN 22 4501 a ČSN ISO 525 (22 4503) Charakteristika Vyjádření ČSN 22 4501 Označení ČSN ISO 525 (22 4502) C Druh Zrnitost SiC černý SiC zelený Al 2 O 3 bílý Al 2 O 3 barvený Al 2 O 3 růžový Al 2 O 3 manganový Al 2 O 3 hnědý Al 2 O 3 zirkonový Al 2 O 3 mikrokrystalický Al 2 O 3 polokřehký velmi hrubá hrubá střední jemná velmi jemná zvlášť jemná C 48 C 49 A 99 B A 99 A 94 A 98 M A 96 A 97 E A 97 M A 97 P 250, 200, 160 125, 100, 80, 63 50, 40, 32, 25 20, 16, 12, 10 8, 6, 6 4, 3, M32, M22, M15 A není 4,5,6,7,8,10,12,14,16, 20,22,24 30,36,40,46,54,60 70,80,90,100,120,150,180 220,240,280,320,360, 400,500,600,800,1000,1200 není Tvrdost Struktura Pojivo velmi měkký měkký střední tvrdý velmi tvrdý zvlášť tvrdý velmi hutný hutný polohutný pórovitý velmi pórovitý zvlášť pórovitý keramické silikátové pryžové pryžové s výztuží umělá pryskyřice umělá pryskyřice s výztuží G, H I, J, K L, M, N, O P, Q, R, S T, U V, W, Z 1, 2 3, 4 5, 6 7, 8 9, 10 11, 12, 13 V S R RF B BF, BF-Flex šelakové magneziové polyuretanové E Mg U není A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K L,M,N,O,P,Q R,S,T,U,V,W,X,Y není není 0,1,2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14 atd.
V není R RF B BF E Mg není
• • • •
Doporučení pro volbu standardních brousicích materiálů Druh – podle materiálu obrobku Al 2 O 3 – ocel, ocel na odlitky, temperovaná litina, tvrdý bronz Zrnitost – podle požadované drsnosti broušené plochy, čím vyšší požadavek, tím jemnější zrnitost ČSN ISO 525 Zrnitost vyjadřuje počet ok kontrolního síta na jeden palec (25,4 mm) x 10 = rozměr zrna v µm)
čím vyšší číslo, tím jemnější zrno ČSN 22 0541 - Zrnitost vyjadřuje rozměr brousicího zrna (zrnitost čím vyšší číslo, tím hrubší zrno Tvrdost - je identifikovaná soudržností hmoty brousicího materiálu.
Pravidlo „Čím tvrdší broušený materiál, tím měkčí materiál brousicí“ . Samoostření, uvolňování otupených zrn Struktura - vyjadřuje vzdálenost mezi brousicími zrny nebo také hutnost. Čím menší číslo, tím je vzdálenost mezi zrny menší a hutnost větší a naopak. Hutná struktura – broušení tvrdých a křehkých materiálů. Pórovitá struktura materiály – broušení houževnatých materiálů
• • • •
6.2 Diamantové brousicí materiály
Diamantové brousicí materiály jsou naneseny na pracovní část brousicího nástroje Pojiva – kovová a pryskyřicová Charakteristika - základní surovina diamantových zrn - druh diamantového prášku - zrnitost - koncentrace diamantů Použití - broušení tvrdých a těžko obrobitelných materiálů - jemné dokončovací broušení - ostření řezných nástrojů se slinutými karbidy - dokončovací broušení a lapování
• • • •
6.3 Brousicí materiály z kubického nitridu bóru
Zrna kubického nitridu bóru jsou nanesena na pracovní část brousicího nástroje Pojiva – organická, kovová a keramická Charakteristika - zrnitost - koncentrace KNB Použití - broušení tvrdých a těžko obrobitelných materiálů - ostření řezných nástrojů se slinutými karbidy - tvarové broušení zplna