Nowoczesne materiały ceramiczne na ostrza skrawające

FORUM NARZĘDZIOWE OBERON
F
NUMER 01 (46) 2011
N
Nowoczesne materiały ceramiczne na ostrza skrawające
Oprac.: K. Czechowski, J. Stós, J. Wszołek; IZTW
Na ostrza narzędzi skrawających w ok. 50% zastosowanie mają
węgliki spiekane, a w ok. 40% stal szybkotnąca. Z wymienionymi
grupami materiałów narzędziowych w wielu przypadkach skutecznie
konkurują materiały ceramiczne (w tym supertwarde), których stosowanie sięga 10 % narzędzi [1].
Wymagania stawiane idealnemu materiałowi narzędziowemu są
następujące [2]:
• wysoka twardość, także w wysokich temperaturach, sprzyjająca dobrej odporności na zużywanie ścierne,
• małe rozmiary ziaren pozwalające na uzyskanie ostrej krawędzi skrawającej,
• dobra ciągliwość (wysoka wytrzymałość na rozerwanie i odporność na kruche pękanie), pozwalająca na utrzymanie ostrej
krawędzi skrawającej bez wykruszeń pod działaniem siły skrawania,
• dobra przewodność cieplna, pozwalająca na odprowadzenie
ciepła ze strefy skrawania,
• stabilność cieplna, pozwalająca na utrzymanie właściwości fizycznych w temperaturze skrawania,
• niskie powinowactwo chemiczne lub reaktywność względem
obrabianego materiału.
Nie istnieje materiał narzędziowy, który spełnia wszystkie wymagania stawiane materiałowi idealnemu. Zwykle ze wzrostem twardości (odporności na zużywanie ścierne) maleje ciągliwość (odporność
na kruche pękanie). Stopień ważności powyższych wymagań jest
zależny od konkretnego przypadku obróbki.
Bardzo duży wpływ na osiągi techniczne narzędzi i ich efektywność ekonomiczną wywierają powłoki odporne na zużywanie. Coraz
częściej stosowane jest nanoszenie powłok na ceramikę narzędziową i materiały supertwarde, co pozwala zwiększyć okres trwałości
ostrza o 30 do 40%. Powłoki nanoszone metodą PVD, obok spełniania podobnej roli jak w przypadku powłok nanoszonych na węgliki spiekane (wysoka odporność na zużywanie, izolacja termiczna,
niski współczynnik tarcia), zmniejszają skłonność do powstawania
pęknięć lub wykruszeń, co jest szczególnie istotne w obróbce przerywanej [3].
W Instytucie Zaawansowanych Technologii Wytwarzania (IZTW)
rozwijane są narzędzia skrawające z ostrzami z materiałów ceramicznych, w tym powlekanych (rys. 1 i 2). Płytki skrawające wykonywane
są jako standardowe (tablica 1) do mocowania w typowych oprawkach narzędziowych i jako specjalne do szczególnych zastosowań.
Rys. 1. Płytki skrawające IZTW z ostrzami z materiałów ceramicznych (a)
i przykład jednej z ich wersji specjalnych do frezowania gładkościowego (b)
20
Rys. 2. Przykład powłoki PVD na ceramicznej płytce skrawającej (a)
i wpływ powłok na trwałość ostrzy z ceramiki TW (b)
Płytki ceramiczne gat. TA (Al2O3) zaleca się do toczenia żeliwa
szarego i stali węglowej normalizowanej lub utwardzonej do 300 HB,
a z powłokami PVD do obróbki ww. materiałów przy ich gorszej skrawalności. Płytki gat. TAZ (Al2O3 + ZrO2) mogą być stosowane do toczenia i frezowania elementów ze stali węglowej i żeliwa szarego.
Do obróbki stali ulepszonych cieplnie, o twardości 40-58 HRC nadają się płytki ceramiczne gat.: TW (Al2O3 + TiC), w tym z powłokami
PVD zwiększającymi trwałość ostrzy, jak i TW-N (Al2O3 + TiC + TiN),
a także TACN, o składzie Al2O3 + ZrO2 + Ti(C,N); zalecane zarówno
do toczenia, jak i frezowania. W IZTW wykonywane są również ostrza
z polikrystalicznego regularnego azotku boru (PCBN) do obróbki stali
o twardości najczęściej 52-68 HRC (ostrza mogą być powlekane).
Tablica 1. Standardowe płytki wieloostrzowe wykonywane w IZTW
z ostrzami z materiałów ceramicznych (oznaczenia wg ISO 1832:2004)
Symbol
Długość
boku
[mm]
Grubość
płytki
[mm]
Promień
naroża
[mm x 10]
SNGN; SNUN
12
04; 07
08; 12; 16;
20; 24
TNGN; TNUN
16
04; 07
08; 12; 16
RNGN; RNUN
12
04
00
Ścin - faza
T02020
(0,20 mm x 20°);
T01020
(0,10 mm x 20°)
Literatura:
[1] Oczoś K.E.: Kierunki zwiększania produktywności procesów
skrawania. Mechanik, 2007, nr 5-6, 325-348.
[2] Lantrip J.: New Tools Needed. New cutting tool materials are
required for new generation airframes. CTE, 2008, August,
72,74,76-78,80-82,84.
[3] Premiere für die CBN-Beschichtung. Höhere Beständigkeit für
CBN-Werkzeuge. Werkst.u.Betr., 2009, t.142, nr 3, 26.
Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania
The Institute of Advanced Manufacturing Technology
dawniej Instytut Obróbki Skrawaniem
previously Intitute of Metal Cutting
30-011 Kraków, ul. Wrocławska 37a, Poland
tel. +48 12 63 17 333, tel. dyr. +48 12 63 17 100, fax +48 12 63 39 490
www.ios.krakow.pl, [email protected]