Ceramika
narzędziowa
Struktura, własności i
zastosowanie
Ceramika
narzędziowa
Struktura, własności i
zastosowanie
Ceramika narzędziowa
•
INŻYNIERSKIE MATERIAŁY CERAMICZNE
INŻYNIERSKIE MATERIAŁY CERAMICZNE
•
•
KOMPOZYTY CERAMICZNE
KOMPOZYTY CERAMICZNE
•
NOWOCZESNE MATERIAŁY NARZĘDZIOWE
NOWOCZESNE MATERIAŁY NARZĘDZIOWE
Ceramika inżynierska wytwarzana jest w wyniku
spiekania w wysokiej temperaturze bez udziału
fazy ciekłej bardzo czystych związków, takich jak
tlenki, węgliki, azotki ale także diament i
wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną.
Ceramiczne materiały konstrukcyjne stosowane
są na części (narzędzia skrawające) , powinny
charakteryzować się dobrą odpornością na
ścieranie i dobrymi własnościami mechanicznymi
oraz odpornością na korozję w wysokich
temperaturach. Narzędzia skrawające wykonane
z ceramiki sialonowej lub ceramiki Al
2
O
3
o dużej
gęstości
mogą
pracować
przy
większych
szybkościach skrawania i mają większą trwałość
niż najlepsze narzędzia metalowe.
Podział ceramiki
inżynierskiej:
Ceramika inżynierska dzieli się na:
•
materiały ceramiczne tlenkowe,
•
Materiały ceramiczne
tlenkowe:
• Al
2
O
3
-
korund
-
charakteryzuje
się
dużą
ogniotrwałością, odpornością na ścieranie oraz małą
odpornością na zmiany temperatury,
• ZrO
2
-dwutlenek cyrkonu - materiały ceramiczne z
jego dodatkiem mają znaczną odporność na zużycie i
ścieranie. Grubość warstwy odpornej na ścieranie może
być ponadto zwiększona przez dodatkową obróbkę
mechaniczną. Cząsteczki ZrO
2
mogą być dodawane do
innych materiałów ceramicznych, np. złożonych z
tlenków aluminium, azotków krzemu i węglików
krzemu, polepszając ich odporność na pękanie.
Własności wytrzymałościowe i ciągliwe tych materiałów
są
wykorzystywane
jedynie
do
nieznacznie
podwyższonej temperatury. Materiały te są stosowane
na noże przemysłowe oraz narzędzia skrawające.
Rys.1 Struktura materiału ceramicznego o osnowie Al
2
O
3
(ciemniejsze) i
TiO
2
(jaśniejsze), pow. 640x.
Rys.2 Bezporowate tworzywo korundowe trawione termicznie przez
przetrzymywanie w temperaturze 1600°C w atmosferze H
2
przez
20 min. Światło odbite, powiększenie 200x
Rys.1 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al
2
O
3
gatunku IN11, stosowany przy dużych
prędkościach skrawania stali i żeliwa.
Mater
iał
Prędkość skrawania
(m/min)
Posuw
(mm/obr)
Głębokość
skrawania (mm)
Żeliwo
200-600
0,1-0,3
1-4
Stal
200-40
0,1-0,3
1-4
Tablica 1. Warunki obróbki skrawaniem (Al
2
O
3
gatunek IN11).
Przykładowa obróbka (Al
2
O
3
gatunek IN11)
- IN11
Wykres 1. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al
2
O
3
gatunek IN11)
Z
u
ży
w
a
n
ie
s
ię
k
ra
w
ę
d
zi
p
ły
tk
i
[m
m
]
Czas obróbki skrawaniem [min]
Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 500m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał:
Żeliwo
szare
(FC30,HB200)
- gatunek
konkurencyjny
Rys.2 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al
2
O
3
-TiCN gatunku IN22, przeznaczony do obróbki
średniodokładnej stali, żeliwa, żeliwa białego.
Materiał
Prędkość skrawania
(m/min)
Posuw
(mm/obr)
Głębokość
skrawania (mm)
Stal
niskostopowa
50-150
0,05-0,12
0,2-1,5
Stal>HRC50
30-200
0,05-0,20
0,2-1,5
Stal
wysokostopowa
30-200
0,05-0,20
0,2-1,5
Żeliwo białe
100=300
0,05-0,30
1,0-3,0
Tablica 2. Warunki obróbki skrawaniem (Al
2
O
3
-TiCN gatunek IN22).
Wykres 2. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al
2
O
3
-TiCN gatunek IN22)
Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 100m/min
f = 0,10 mm/obr
ap = 0,5mm
Materiał: SKD11 (HRC 58-
60)
- gatunek konkurencyjny
- IN23
Czas obróbki skrawaniem [min]
Z
u
ży
w
a
n
ie
s
ię
k
ra
w
ę
d
zi
p
ły
tk
i
[m
m
]
- IN22
Rys.3 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Al
2
O
3
-TiC gatunku IN23, przeznaczony do obróbki
średniodokładnej dokładnej żeliwa szarego i żeliwa sferoidalnego.
Materiał
Prędkość skrawania
(m/min)
Posuw
(mm/obr)
Głębokość
skrawania (mm)
Żeliwo szare
200-600
0,1-0,4
1-4
Żeliwo
sferoidalne
100-400
0,05-0,2
1-3
Tablica 3. Warunki obróbki skrawaniem (Al
2
O
3
-TiC gatunek IN23.
Przykładowa obróbka (Al
2
O
3
-TiCN gatunek IN22)
- gatunek konkurencyjny
Wykres 3. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Al
2
O
3
-TiC gatunek IN23)
Czas obróbki skrawaniem [min]
Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 500m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał: Żeliwo szare (FC30,
HB200)
Z
u
ży
w
a
n
ie
s
ię
k
ra
w
ę
d
zi
p
ły
tk
i
[m
m
]
- IN22
- IN23
Materiały ceramiczne
nietlenkowe
- karborund – spośród kilku metod otrzymywania węglika
krzemu, powszechnie stosowaną w skali wielkoprzemysłowej jest metoda
Achesona, polegająca na ogrzaniu mieszaniny 40% koksu, 50% piasku, 7%
trocin i 3% soli kuchennej w piecu elektrycznym rdzeniowo-oporowym do
temperatury 2700°C. Węglik krzemu charakteryzuje się wysoką
twardością, bardzo dużą odpornością na utlenianie w temperaturze do
1500°C. W atmosferze utleniającej na powierzchni elementu z SiC tworzy
się cienka warstwa SiO2 chroniąca element przed dalszym utlenianiem do
temperatury 1500 °C.
Jako materiał ścierny węglik krzemu używany jest w dwóch
gatunkach:
a) węglik krzemu zielony 99C, uważany jest za bardziej kruchy i
znajduje zastosowanie w obróbce twardych metali,
b) węglik krzemu czarny 98C, jest stosowany w obróbce żeliwa,
aluminium, brązu, ceramiki.
-azotek krzemu - ma zbliżone własności do SiC, jednak jego
odporność na utlenianie i wytrzymałość mechaniczna w
wysokiej temperaturze są nieco niższe
B
4
C
- węglik boru - jest supertwardym i niezwykle lekkim materiałem.
Pod względem twardości zajmuje on trzecią pozycję po diamencie i
regularnym azotku boru. Jest stosowany w obróbce luźnym ziarnem lub
pastami do dogładzania i polerowania w precyzyjnej obróbce końcowej
twardych metali, stali hartowanych, węglików spiekanych. Jego wadą są złe
własności mechaniczne w wysokich temperaturach.
Rys. 1 Rys. 2 Rys. 3 Rys. 4 Rys. 5
Rys. 6
Rys.1 Struktura cząstek SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 15x, mikroskop skaningowy
Rys.2 Struktura płytek SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 150x, mikroskop skaningowy
Rys.3 Struktura włókien SiC do wzmacniania materiału kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 150x, mikroskop skaningowy
Rys.4 Struktura granicy ziaren Si3N4 i SiC w cienkiej folii, pow. 3600000x,
wysokorozdzielczy mikroskop elektronowy transmisyjny
Rys.5 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si3N4
wzmacnianego 20% cząstek SiC, pow. 2500x, mikroskop skaningowy
Rys.6 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si3N4
wzmacnianego 20% płytek SiC, pow. 2500x, mikroskop skaningowy
Rys.1 Uszkodzone powłoki TiC+TiN na ceramice azotowej Si
3
N
4
przy
obciążeniu 75N, powiększenie 200x, , skaningowy mikroskop elektronowy.
Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki Ti(C,N)+
Al
2
O
3
+TiN naniesionych na podłoże
z ceramiki azotowej Si
3
N
4
, skaningowy mikroskop elektronowy.
Rys.3 Topografia powierzchni powłoki Ti(C,N)+
Al
2
O
3
+TiN naniesionych na podłoże
z ceramiki azotowej Si
3
N
4
, skaningowy mikroskop elektronowy.
Ceramika azotkowa pokryta Si3N4 wielowarstwowo metodą CVD
wykazuje znaczny wzrost twardości.
Rys.1 Rys.2 Rys.3
Powierzchnia ceramika azotkowej pokrytej
Si
3
N
4
wielowarstwowo
metodą CVD cechuje się dużą niejednorodnością. W strukturach
widoczne są defekty powierzchniowe typowe dla pokryć uzyskanych w
procesach CVD w kształcie porów, kraterów i pęknięć.
Rys.4 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Si
3
N
4
pokrywany CVD gatunku IS80, przeznaczony do obróbki zgrubnej żeliwa.
Materiał
Prędkość skrawania
(m/min)
Posuw
(mm/obr)
Głębokość
skrawania (mm)
Żeliwo
szare
200-1,000
0,1-0,5
2-5
Tablica 4 Warunki obróbki skrawaniem (Si
3
N
4
pokrywany CVD,
gatunek IS80).
Przykładowa obróbka (Si
3
N
4
pokrywany CVD, gatunek IS80)
- IS80
Wykres 4. Wykres przedstawia zależność zużywania się krawędzi płytki od czasu obróbki skrawania, (Si
3
N
4
pokrywany CVD, gatunek IS80)
Operacja: Toczenie
Parametry warunkowe:
Vc = 400m/min
f = 0,20 mm/obr
ap = 2mm
Materiał: Żeliwo szare (FC30,
HB200)
Z
u
ży
w
a
n
ie
s
ię
k
ra
w
ę
d
zi
p
ły
tk
i
[m
m
]
Czas obróbki skrawaniem [min]
- gatunek konkurencyjny
Przykład Si
3
N
4
gatunku IS8 zastosowany w ceramice narzędziowej:
Rys.5 Struktura i płytki materiału ceramicznego o osnowie Si
3
N
4
gatunku IS8,
przeznaczony do obróbki zgrubnej stali wysokostopowych, żeliwa sferoidalnego.
Rodzaj
obróbki
skrawanie
m
Materiał
Prędkość
skrawania
(m/min)
Posuw
(mm/obr)
Głębokość
skrawania
(mm)
Toczenie
Żeliwo szare
200-800
0,1-0,6
2-5
Żeliwo
sferoidalne
50-300
0,05-0,3
1-3
Frezowanie
Żeliwo szare
100-1,000
0,1-0,4
1-4
Tablica 5. Warunki obróbki skrawaniem (Si
3
N
4
gatunek IS8)
CERMETALE
INŻYNIERSKIE
Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych,
np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych
w osnowie metali lub ich stopów. Materiały te bywają
również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w
skład
materiałów
kompozytowych.
Cermetale
są
wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem
w
wysokiej
temperaturze,
najczęściej
niższej
od
temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z
tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej,
podobnie jak stopy metali.
Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy
materiałów inżynierskich są :
WĘGLIKI SPIEKANE
Materiałami tradycyjnie wytwarzanymi metodami metalurgii
proszków i powszechnie stosowanymi są spiekane
węgliki metali. Węgliki spiekane są materiałami składającymi się
z węglików metali trudno topliwych, głównie W, a
także Ti, Ta i Nb, o udziale objętościowym ok. 65÷95% oraz
metalu wiążącego, którym jest zwykle kobalt. Ponadto mogą być
produkowane węgliki spiekane, w których metalem
wiążącym jest nikiel, molibden oraz żelazo lub ich stopy z
kobaltem. Węgliki spiekane do obróbki skrawaniem są
wytwarzane z węglików wolframu (WC) od 56%÷94%, węglików
tytanu (TiC), węglików tantalu (TaC) i węglików niobu
(NbC) o łącznym udziale do 35% oraz jako materiału wiążącego
kobaltu (Co) w ilości od 5,5%÷14%. Węgliki spiekane odznaczają
się bardzo dużą twardością oraz odpornością na ścieranie i
zachowują te własności do temperatury 700÷800°C
.
Węgliki
spiekane produkowane są w szeregu gatunków przeznaczonych
do różnych zastosowań w obróbce skrawaniem. Różnią się one
składem chemicznym, własnościami fizykomechanicznymi
i użytkowymi. Własności węglików
spiekanych zależą głównie od składu chemicznego, składu
fazowego węglików, kształtu i wielkości jego ziarn oraz udziału
objętościowego strukturze. Składy chemiczne gatunków i ich
własności przedstawione są w
. Celem podniesienia
odporności na zużycie płytek wieloostrzowych wprowadzono ich
pokrywanie warstwami węglika tytanu (TiC), azotku tytanu (TiN)
i węglikoazotku tytanu (TiC,N) oraz tlenkiem glinu (Al
2
O
3
) -
.
Rys.1 Mikrostruktura gatunku NT20 pokrytego wielowarstwowo węglikiem tytanu,
węglikoazotkiem tytanu, tlenkiem glinu, węglikoazotkiem tytanu i azotkiem tytanu. Zgład
trawiony, powiększenie 1000x.
Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na podłoże z węglika
spiekanego typu W2, skaningowy mikroskop elektronowy.
Rys.3 Topografia powierzchni powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN naniesionej na podłoże z węglika
spiekanego typu W2, skaningowy mikroskop elektronowy.
Gatunek
Skład chemiczny-ciężar w [%]
Średnia
wielkość
ziarna
[µm]
Wytrzymałość na
zginanie Rg
[N/mm
2
]
Gęstość
[g/cm
3
]
Twardość
HV
30
WC
Co
TiC
TaC+Nb
C
S10S
56
9
20
15
2-3
1600
10,1
1600
S20S
58
10,5
16,5
15
2-4
1700
10,6
1550
SM25
69,5
9,5
6,5
14,5
1-2
2000
12,6
1550
S30S
78,5
8
8,5
5
2-3
1800
12,4
1500
S40S
79
14
4
3
2-3
2400
13,0
1200
U10S
84,5
5,5
6,5
3,2
1-2
1700
13,2
1600
H10S
91
4,5
-
4,5
1-2
1700
15,0
1650
H15X
93,5
6
-
0,5
1-2
1900
14,8
1550
H20S
92
5,5
-
2,5
1-2
1800
14,8
1550
B2*
)
91
9
-
-
-
2300
14,8
1200
Tablica 1. Skład chemiczny i własności węglików spiekanych.
*
)
W tym gatunku wykonuje się płytki podporowe łamacze wiór
Węgliki pokrywane
Ozna
czeni
e
Metoda
pokrycia
Budowa warstwy
Grubość
pokrycia
[µm]
NT15
CVD
TiC+ Al
2
O
3
+TiN
8
NT20
CVD
TiC+Ti(C,N)
+Al
2
O
3
+TI(C,N)
+TiN
10
NT25
CVD
TiC+TiN
8
NT30
CVD
TiC + Al
2
O
3
+ TiN
10
NT35
CVD
TiC+TiN
8
NTH1
CVD
TiC +Ti(C,N)
+Al
2
O
3
+ TiN
10
NTH2
CVD
TiC+TiN
8
N25B
CVD
TiC+Ti(C,N)+TiN
5
N25M
CVD
TiC+Ti(C,N)+TiN
5
TC35
CVD
TiC
6
Tablica 2. Rodzaje pokryć węglików spiekanych
Główne korzyści płynące ze stosowania płytek wieloostrzowych to:
- znacznie zwiększona trwałość, ok. 2-krotnie w porównaniu z płytkami
niepokrywanymi przy nie zmienionych parametrach skrawania,
- możliwość zintensyfikowania obróbki przez zastosowanie większych
szybkości skrawania przy tym samym okresie trwałości,
- zmniejszenie tarcia, temperatury ostrza oraz sił skrawania prowadzące do
obniżenia poboru mocy obrabiarki,
-zmniejszenie zapasów magazynowych przez zastąpienie gatunków
konwencjonalnych gatunkami pokrywanymi.
Najwyższy wzrost odporności na zużycie płytek wieloostrzowych uzyskano
przez wydzielenie kombinacji pokryć wielowarstwowych składających się
m.in. z warstwy Al2O3 – gatunki NT15, NTH1, NT20 i NT30. Pozwoliło to na
zastosowanie ok. 30% wyższej szybkości skrawania w porównaniu z
płytkami pokrywanymi włącznie warstwami związków tytanu.
Obecnie przeważająca liczba płytek pokrywanych stosowana jest do operacji
toczenia, przy których warunki pracy są łatwiejsze niż podczas frezowania.
Węgliki spiekane wykazują dużą odporność na działanie
wysokiej temperatury - 1000°C nie tracą swej dużej twardości
(rys.4) i odporności na ścieranie. Umożliwia to ich stosowanie
do skrawania z dużą szybkością. Do podstawowych własności
użytkowych węglików spiekanych należą bardzo dobre
własności skrawne, ulegające polepszeniu ze zmniejszeniem
stężenia kobaltu oraz ze zwiększeniem udziału węglika TiC w
węgliku
spiekanym.
Polepszeniu
własności
skrawnych
spowodowanych zwiększeniem twardości węglików spiekanych
towarzyszy zmniejszenie ciągliwości, której miarą jest m.in.
wytrzymałość na zginanie (rys.5).
0 250 500 750 1000
TEMPERATURA [°C]
Rys.4 Wpływ temperatury na twardość węglików spiekanych na osnowie
kobaltu WC-Co
i WC-TiC-Co oraz stali szybkotnących
500
1000
1500
2000
T
W
A
R
D
O
Ś
Ć
[H
V
]
1200 1300 1400 1500 1600
1700
TWARDOŚĆ [HV30]
Rys.5 Zależność prędkości skrawania i odporności na ścieranie oraz
wytrzymałości na
zginanie i ciągliwości od twardości węglików grupy zastosowań P wg ISO
( VB=0,3 mm, ε=10min, a=2 mm, s= 0,46 mm, materiał obrabiany-stal
0,6%C)
2500
500
1000
1500
2000
0
3000
300
250
200
150
100
50
0
W
Y
T
R
Z
Y
M
A
Ł
O
Ś
Ć
N
A
Z
G
IN
A
N
IE
,
R
g
[M
P
a
]
P
R
Ę
D
K
O
Ś
Ć
S
K
R
A
W
A
N
IA
,
V
[m
/m
in
]
Rodzaj
pokrycia
Oznaczenie
Zakres wg ISO
Zastosowanie
NT15
(HC)
P05-P30
Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki dokładnej stali,
staliwa, żeliwa, stali wysokostopowych nierdzewnych przy dużych
prędkościach skrawania (do 400 m/min) oraz małych przekrojach warstwy
skrawanej. Wymaga stosowania sztywnych układów: obrabiarka –uchwyt –
przedmiot - narzędzie.
M05-M25
K05-K20
NT20
(HC)
P20-P35
Gatunek pokrywany wielowarstwowo z udziałem: TiC; TiC,N; TiN; Al
2
O
3
,
przeznaczony do obróbki średniodokładnej stali, staliwa, stali nierdzewnej
oraz żeliwa szarego i sferoidalnego przy dużych prędkościach skrawania i
odpowiednio wysokich posuwach.
M10-M30
K20-K30
NT25
(HC)
P10-P30
Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki dokładnej i
średniodokładnej stali, staliwa i żeliwa ciągliwego przy dużych
prędkościach skrawania i odpowiednio wysokich posuwach.
M10-M25
NT30
(HC)
P15-P45
Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i
zgrubnej stali, staliwa, stali wysokostopowych i nierdzewnych oraz żeliwa
ciągliwego przy odpowiednio dużych prędkościach skrawania i posuwach w
trudnych warunkach.
M15-M35
NT35
(HC)
P15-P40
Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i
zgrubnej stali, staliwa, żeliwa ciągliwego przy odpowiednio dużych
prędkościach skrawania i posuwach w trudnych warunkach.
M15-M35
NTH1
(HC)
M05-M20
Gatunek pokrywany wielowarstwowo, przeznaczony do obróbki dokładnej i
średniodokładnej wszystkich gatunków żeliw przy dużych prędkościach
skrawania
K05-K20
NTH2
(HC)
M10-M25
Gatunek podwójnie pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i
zgrubnej żeliwa ciągliwego, szarego oraz kruchych materiałów dających
krótki wiór przy odpowiednio dużych prędkościach skrawania i posuwach w
trudnych warunkach.
K10-K25
TC35
(HC)
P15-P40
Gatunek pokrywany, przeznaczony do obróbki średniodokładnej i zgrubnej
stali, staliwa, stali nierdzewnych przy odpowiednio dużych prędkościach
skrawania i posuwach w trudnych warunkach.
M10-M25
N25B
(HC)
P15-P40
Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do frezowania stali i żeliwa
wiórem odpryskowym o dużym przekroju i zmiennej grubości. Można
stosować przy średnich prędkościach skrawania oraz dużych przekrojach
warstwy skrawanej.
M25-M35
K25-K35
N25M
(HC)
P15-P40
Gatunek potrójnie pokrywany, przeznaczony do przecinania, rowkowania.
Odporny na zmęczeniowe obciążenie dynamiczne. Można go stosować przy
dużych i średnich prędkościach skrawania.
M25-M35
Płytki pokrywane stosowane do frezowania muszą
charakteryzować się doskonałą wytrzymałością na uderzenia i
odpornością na ciągłe zmiany cieplne na ostrzu. Gatunkiem
spełniającym w szerokim zakresie te wymagania jest gatunek
N25B pokrywany wielowarstwowo, przeznaczony do frezowania
stali i żeliw. Produkuje się również płytki wieloostrzowe do
przecinania pokrywane wielowarstwowo w gatunku N25M.
Prawidłowe wykorzystanie płytek pokrywanych wymaga w wielu
przypadkach przeprowadzenia prób testowych, pozwalających
na dobór odpowiedniego gatunku, prędkości skrawania, posuwu
dla obrabianego materiału i stosowanej obrabiarki.
Symbole literowe charakteryzujące przeznaczenie twardego
materiału skrawającego:
HW
-niepokrywany węglik spiekany zawierający głównie
węglik wolframu (WC)
HT
-niepokrywany węglik spiekany, również tzw. cermet
zawierający głównie węglik tytanu (TiC) lub azotki tytanu (TiN),
względnie oba te składniki zawierający głównie węglik
HC
–węgliki spiekane jak wyżej, lecz pokrywane
Grupa
ISO
Oznaczenie
Zakres wg
ISO
Zastosowanie
ISO
P
S10S
(HT)
P10-P20
Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliwa oraz staliwa
niskostopowego przy dużych prędkościach skrawania i małych posuwach.
S20S
(HT)
P15-P25
Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliwa przy dużych
prędkościach skrawania i umiarkowanych posuwach.
SM25
(HT)
P15-P40
Podstawowy gatunek do frezowania stali i żeliwa wiórem odpryskowym o dużym przekroju i
zmiennej grubości. Odporny na zmęczeniowe obciążenie dynamiczne. Można go stosować
przy dużych i średnich prędkościach skrawania oraz dużych przekrojach warstwy skrawanej.
M25-M35
S30S
(HT)
P25-P35
Gatunek przeznaczony do obróbki średniodokładnej zgrubnej stali i staliwa przy małych
prędkościach skrawania oraz znacznych przekrojach warstwy skrawanej w trudnych
warunkach obróbki.
S40S
(HT)
P40-P50
Gatunek przeznaczony do obróbki zgrubnej stali i odlewów staliwnych z małymi prędkościami
skrawania przy dużych głębokościach przekrojach posuwach przekrojach szczególnie
trudnych warunkach niekorzystnych warunkach obróbki.
ISO
M
U10S
(HT)
M10-M25
Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej stali, staliw i żeliw przy
średnich i małych prędkościach skrawania i średnich przekrojach wióra. Gatunek
uniwersalny, nadaje się do obróbki stali manganowych, nierdzewnych, żaroodpornych,
żarowytrzymałych oraz metali kolorowych. Stosowany do toczenia i frezowania.
K10-K20
ISO
K
H10S
(HW)
K10-K20
Gatunek przeznaczony do obróbki dokładnej i średniodokładnej wszystkich gatunków żeliw,
stali stopowych, austenitycznych stopów metali kolorowych oraz materiałów niemetalicznych
dających krótki wiór.
H15X
(HW)
M15-M25
Gatunek podstawowy do frezowania wszystkich gatunków żeliw. Można go również stosować
do zgrubnego toczenia żeliw, metali nieżelaznych, żaroodpornych stopów niklu.
K15-K30
H20X
(HW)
K15-K25
Gatunek przeznaczony do obróbki średniodokładnej i zgrubnej żeliw przy umiarkowanych
prędkościach skrawania i średnich oraz dużych posuwach w niekorzystnych i trudnych
warunkach obróbki. Nadaje się do obróbki stopów miedzi, stopów lekkich, materiałów
żaroodpornych, żarowytrzymałych oraz tworzyw sztucznych.
Tablica 4. Gatunki węglików spiekanych niepokrywanych do obróbki skrawaniem i ich klasyfikacja wg
grup
zastosowania zgodnie z
ISO 513
W zależności od przeznaczenia węgliki spiekane są wytwarzane w
postaci różnych kształtek. Powszechnie są używane narzędzia składane
z wieloostrzowymi płytkami wymiennymi z wieloma ostrzami,
nieostrzonymi w czasie eksploatacji. Płytki wieloostrzowe są stosowane
do obróbki skrawaniem do różnych typów noży składanych, do
składanych głowic frezowych oraz do różnych innych narzędzi
składanych. Mogą mieć one różne kształty, np. z otworem lub bez
otworu do mocowania, a także mogą być stosowane jako płytki
podporowe. Płytki z węglików spiekanych mogą być przylutowywane za
pomocą lutowi twardych do stalowych trzonków narzędzi. W ten sposób
są wytwarzane niektóre narzędzia skrawające oraz główne narzędzia
górnicze.
CERMETALE
NARZĘDZIOWE
Cermetale narzędziowe stanowią samodzielną grupę
spiekanych materiałów narzędziowych. Komponentami
współczesnych cermetali narzędziowych oprócz cząstek
ceramicznych węglika tytanu TiC, azotku tytanu TiN
i węglikoazotku tytanu Ti(C,N) odpowiadających za twardość
spieku są inne dodatki węglików i azotków często złożonych:
(Ti,Ta)N, (Ti,Mo)C, (Ti,W)C, (Ti,Ta,W)C, (Ti,Ta,Mo,W,Nb)(C,N)
oraz faza wiążąca składająca się najczęściej z kobaltu i niklu.
Cermetale,
podobnie
jak
inne
spiekane
materiały
narzędziowe, np. węgliki spiekane, wytwarzane są metodą
metalurgii proszków. W celu polepszenia własności
(zmniejszenie
porowatości
spieku)
stosowane
jest
izostatyczne spiekanie na gorąco HIP. Dla spiekanych
cermetali narzędziowych typową jest struktura rdzeniowo-
płaszczowa będąca nośnikiem twardości, powodująca że
cermetale są niewrażliwe na rozrost ziarn podczas spiekania,
uzyskując w efekcie drobnoziarnistą strukturę. Niklowo-
kobaltowa faza wiążąca zapewnia odpowiednią zwilżalność
cząstek
ceramicznych,
powodując
stabilne
wiązanie
poszczególnych
ziarn
oraz
wymaganą
ciągliwość.
Zwiększenie stężenia kobaltu w fazie wiążącej powoduje
jednak wyraźne zmniejszenie odporności na zużycie cierne
spiekanych cermetali narzędziowych
.
Rys.1 Schemat struktury cermetalu narzędziowego (opracowany wg M. Wysieckiego)
Rys.2 Powierzchnia przełomu powłoki TiN+ (Ti,Al,Si)N+TiN
naniesionej na podłoże
z cermetalu typu C4, skaningowy mikroskop elektronowy
.
Zalety i wady cermetali
narzędziowych:
Zalety:
• wysoką twardością,
• odpornością na utlenianie
zapewniającą im wymaganą
stabilność w wyższej
temperaturze i przy wyższych
prędkościach skrawania,
• możliwością skrawania na
sucho, bez udziału cieczy
chłodząco – smarujących,
• mała przewodnością cieplną,
która powoduje
odprowadzanie znacznej
części ciepła powstającego w
procesie skrawania z wiórami
i nie jest odbierana przez
obrabiany materiał,
• dużą wytrzymałością cieplną.
• stabilnością wymiarową.
Wady:
• mniejsza odporność na
kruche pękanie,
• mniejsza odporność na
odkształcenia, związana z
mniejszą przewodnością
tych materiałów,
• możliwość pęknięć
cieplnych podczas
przerywanego skrawania, w
wyniku większej
rozszerzalności cieplnej.
Cermetale narzędziowe złożone z drobnych
cząstek krystalicznej ceramiki (np. węglików)
rozmieszczonych na osnowie metalowej, np.
WC w osnowie Co, przeznaczone są na
narzędzia skrawające. Przykładem może być
cermetal bez niklu w płytkach wykańczających
Wiper (rys.3). Nowe tokarskie płytki Wiper,
wykonywane
z
niezawierającego
niklu
cermetalu, łączą w sobie najlepsze cechy
zarówno standardowych cermetali, jak i
węglików spiekanych. Udarność tego gatunku
została
znacząco
poprawiona
dzięki
innowacyjnej technologii produkcji i sprawuje
się on bardzo dobrze, tak przy toczeniu na
sucho, jak i na mokro, w niskowęglowych,
przywierających stopach, przy niskich i
przy wysokich prędkościach skrawania.
Rys. 3 Wykres zależności głębokości skrawania do posuwu dla cermetalu narzędziowego oraz
cermetalu narzędziowego bez niklu w płytkach wykańczających Wiper.
CT5015
Nowy, przekonstruowany, niepowlekany gatunek cermetalu do
toczenie wykańczającego i półwykańczającego.
CG1525
Nowy, przekonstruowany, złocisty gatunek cermetalu, zapewniający
najwyższe
bezpieczeństwo toczenia .
Cechy charakterystyczne:
-ujemne i dodatnie geometrie,
- zwiększona udarność.
- do stopów niskowęglowych.
- do obróbki na sucho i na mokro.
- dobre własności zarówno przy niskich, jak
i przy wysokich prędkościach skrawania.
Cermetale są najlepsze do precyzyjnej
obróbki wykańczającej:
Tablica 1. Gatunki cermetali narzędziowych do obróbki skrawaniem i ich klasyfikacja wg grup zastosowania zgodnie z ISO 513.
Własności procesu
Charakterystyka
-małe tarcie, mała skłonność
do dyfuzji
-wysoka jakość obrobionej
powierzchni
-wysoka sprawność
-niepotrzebne
zaokrąglenie
krawędzi, ostre ostrze
-długi okres trwałości ostrza -niski koszt wymiany narzędzi
-niewielka
ścieralność
powierzchni
przyłożenia
ostrza
-wysoka stałość i powtarzalność
wymiarów, mały koszt regulacji
-duża wytrzymałość cieplna
-duża prędkość skrawania,
-przystosowany łamacz wiór -łamanie wiórów również przy ich
małych przekrojach
Tablica. Charakterystyka i efekty procesu skrawania ostrzami ze spiekanych cermetali narzędziowych
Zakres zastosowania spiekanych cermetali narzędziowych związany
jest z obróbką skrawaniem stali niskostopowych i wysokostopowych.
Głównym
sposobem
obróbki
spiekanymi
cermetalami
narzędziowymi, jest toczenie, wytaczanie, rowkowanie, toczenie
gwintów oraz frezowanie (wymagana jest wysoka stabilność
wymiarowa) Zastosowanie płytek wieloostrzowych wykonanych ze
spiekanych cermetali narzędziowych wpływa na proces skrawania co
ilustruje tabela nr
KOMPOZYTY
CERAMICZNE
Kompozyty
dzielimy
na
umacniane
cząstkami
(dyspersyjnie) i włóknami (włókniste). Te z
kolei dzielimy na umacniane włóknami ciętymi i
ciągłymi.
Możliwe
są
różne
kombinacje
przy
komponowaniu kompozytów. Np. osnowa metaliczna,
polimerowa, ceramiczna, a cząstki lub
włókna
mogą
być
metalowe,
ze
związków
międzymetalicznych, ceramiczne, węglowe (grafit),
polimerowe, lub o złożonej budowie (np. włókna
borsic). Kompozyty ceramiczne są to tworzywa
składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach
nieosiągalnych
w
żadnym
innym
materiale.
Charakteryzują się dobrymi własnościami cieplnymi,
mechanicznymi
oraz
chemicznymi.
Kompozyty
pozwalają na otrzymywanie lekkich, mocnych
i elastycznych konstrukcji. Przykłady materiałów
kompozytowych o osnowie ceramicznej
wzmacnianych
włóknami
ciągłymi
zostały
przedstawione w tabeli nr 1. Do najbardziej znanych
kompozytów należą żelazo - beton, eternit, szkło
zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale.
Są nimi narzędzia (np. węgliki spiekane) i
materiały
żarowytrzymałe
(np.
łopatki
turbin
gazowych).
Materiały
kompozytowe
o
osnowie
ceramicznej znajdują m.in. zastosowanie jako płytki do
zbrojenia narzędzi skrawających oraz elementy odporne
na korozję.
OSNOWA
WŁÓKNA
WZMACNIAJĄC
E
SiC
SiC
SiC, SiOC, SiNC
SiC
SiC-Si
SiC
Azotki-SiC
SiC
Aluminokrzemki
Al
2
O
3
Al
2
O
3
SiC, Al
2
O
3
Si
3
N
4
C
Tablica 1. Przykłady materiałów kompozytowych o osnowie ceramicznej
wzmacnianych włóknami ciągłymi
Rys.1 Struktura cząstek SiC do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop
skaningowy (powiększenie 15x).
Rys.2 Struktura płytek do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop skaningowy
(powiększenie 150x).
Rys.3 Struktura włókien do wzmocnienia materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej, mikroskop skaningowy
(powiększenie 150x).
Rys.4 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al
2
O
3
wzmacnianego cząstkami SiC,
mikroskop skaningowy (powiększenie 250x).
Rys.5 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al
2
O
3
wzmacnianego włóknami SiC,
mikroskop skaningowy
(powiększenie 800x).
Rys.6 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Al
2
O
3
wzmacnianego cząstkami TiN,
mikroskop skaningowy
(powiększenie 2500x).
Rys.7 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si
3
N
4
wzmacnianego cząstek SiC, mikroskop
skaningowy (powiększenie 2500x).
Rys.8 Struktura przełomu materiału kompozytowego o osnowie ceramicznej Si
3
N
4
wzmacnianego włókien SiC, mikroskop
skaningowy (powiększenie 2500).
Rys.1 Rys.2 Rys.3 Rys.4 Rys.5 Rys.6 Rys.7
Rys.8
Rys. 1 Fotografia mikroskopowa przedstawiająca drogę pękania w kompozytach o zawartości
5 % objętości TiB
2
. Pęknięcia zostały wytworzone przez nakłucie powierzchni próbki
piramidką Vickers’a.
Rys.2 Fotografia mikroskopowa przedstawiająca drogę pękania w kompozytach o zawartości 30
% objętości TiB
2
. Pęknięcia zostały wytworzone przez nakłucie powierzchni próbki piramidką
Vickers’a.
Rys.1 Morfologia proszku kompozytowego (36%mol SiC-64%Si
3
N
4
), pow. 1500x
Rys.2 Morfologia proszku kompozytowego (63%mol SiC-27%Si
3
N
4
), pow. 3500x
Rys.3 Morfologia proszku kompozytowego (86%mol SiC-13%Si
3
N
4
), pow. 2000x.
Rys.4 Czysty węglik krzemu, powiększenie 200x
Wyroby z azotku krzemu i węglika krzemu charakteryzują się
bardzo wysokimi własnościami mechanicznymi. Azotek krzemu
posiada wyższą od węglika krzemu wytrzymałość mechaniczną a
ponadto odporność na kruche pękanie i odporność na nagłe
zmiany temperatury. Węglik krzemu charakteryzuje się wyższą
sztywnością, twardością, odpornością na pełzanie w wysokich
temperaturach. Połączenie ich w jednym tworzywie stanowi
interesujący kompozyt ceramiczny.
Rys.1 Rys.2 Rys.3
Rys.4
Rys.3 Otrzymywanie proszku kompozytowego Si
3
N
4
-SiC.
Rys.4 Otrzymywanie węglika krzemu
Zalety i wady kompozytów
ceramicznych:
Zalety:
•
poprawą odporności na
pękanie oraz innych
wskaźników
wytrzymałościowych,
•
odpornością na działanie
wysokich temperatur,
•
odpornością na
gwałtowne zmiany
temperatur,
•
wysokimi własnościami
mechanicznymi.
Wady:
• mała wytrzymałość
na rozciąganie,
• niska odporność na
obciążenia
dynamiczne,
• wrażliwość na
drgania
mechaniczne i
oddziaływanie
środowiska ciekłego.
Nowoczesne materiały
narzędziowe
Płytki ceramiczne
W porównaniu z innymi materiałami narzędziowymi,
spieki ceramiczne wyróżniają się w zakresie wytrzymałści,
twardości, odporności na szoki termiczne i
stabilności chemicznej, szczególnie przy obróbce stopów
na bazie niklu i żelaza. Płytki ceramiczne są zalecane w
pierwszej kolejności do obróbki – od wykańczającej do
zgrubnej – żeliwa szarego, stopów żaroodpornych, stali
hartowanych, żeliwa sferoidalnego i w
pewnym zakresie również do obróbki stali.
Płytki z przestrzennego
azotku boru (CBN)
Twardość przestrzennego azotku boru (CBN) jest niższa
tylko od twardości diamentu i przynajmniej dwa razy
większa
od
twardości
każdego
innego
materiału
narzędziowego. Płytki z CBN mogą podnieść wydajność
wielu trudnych przypadków skrawania metali do 10 razy
przewyższając skuteczność węglików czy ceramiki w
zakresie
trwałości
i/lub
objętościowej
wydajności
skrawania. Płytki z CBN są w pierwszym rzędzie stosowane
do obróbki wykańczającej stali, żeliwa szarego i stopów
żaroodpornych.
Diament jest najtwardszym ze wszystkich znanych
materiałów.
Umożliwia
on
obróbkę
metali
nieżelaznych oraz materiałów niemetalicznych
szybciej i taniej niż za pomocą narzędzi z
węglików spiekanych. Ostre krawędzie skrawające
często oddzielają wiór od materiału obrabianego i
znacznie obniżają tendencję do narostu. Stosujemy
płytki diamentowe aby otrzymać znakomitą jakość
powierzchni i dobrą ekonomikę obróbki
wykańczającej i półwykańczającej w stabilnych
warunkach.
Płytki
diamentowe
Literatura uzupełniająca
1. J. Raabe. „Ceramika funkcjonalna”, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1997
2. L.A. Dobrzański „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały
inżynierskie z podstawami projektowania materiałowego”,
Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2002
3. R. Pampuch „Podstawy inżynierii materiałów ceramicznych”, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 1971
4. R. Pampuch „Siedem wykładów o ceramice”, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa 2001
5. M.F. Aschby, D.R.M. Jones „Materiały inżynierskie”, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa 1996
6. J. Garbarski „Materiały i kompozyty niemetalowe”, Wydawnictwo Politechniki
Świętokrzyskiej, Kielce 2001
7. M. Kordek „ Ceramika szlachetna i techniczna”, Uczelniane Wydawnictwo
Naukowo-Dydaktyczne AGH, Kraków 2001
8. K. Przybyłowicz „Metaloznawstwo” Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2003
9. Katalog firmy: Sandvik Baildonit S.A
10. Katalog firmy: Iscar
11. Kwartalnik: „Materiały ceramiczne” Nr.1’2002
12. Kwartalnik: „Inżynieria materiałowa” Nr.6’2003