Materiały na narzędzia skrawające 101: Rodzaje, właściwości i powłoki

Materiały narzędziowe odnoszą się głównie do materiałów części skrawającej narzędzia. Ich wydajność jest kluczowym czynnikiem wpływającym na jakość obróbki, wydajność skrawania i trwałość narzędzia. Rozsądne zastosowanie nowych materiałów narzędziowych może nie tylko skutecznie poprawić produktywność, jakość obróbki i korzyści ekonomiczne, ale często jest kluczowym procesem obróbki niektórych trudnych do obróbki materiałów.

I. Wymagania dotyczące wydajności materiałów narzędziowych

1. Wysoka twardość

Narzędzia muszą usuwać warstwę metalu z przedmiotu obrabianego, więc twardość materiału narzędzia musi być większa niż twardość materiału przedmiotu obrabianego. Generalnie, twardość materiałów narzędziowych w temperaturze pokojowej powinna być wyższa niż 60HRC.

2. Wysoka odporność na zużycie

Materiały narzędziowe powinny charakteryzować się wysoką odpornością na ścieranie, aby były odporne na zużycie przez obrabiany przedmiot i wióry. Wydajność ta zależy od twardości materiału narzędzia oraz jego składu chemicznego i mikrostruktury.

Im wyższa twardość materiału narzędzia, tym lepsza odporność na zużycie; im bardziej odporne na zużycie węgliki stopowe w materiale narzędzia, tym drobniejsze i bardziej równomiernie rozłożone ziarna, tym lepsza odporność na zużycie.

3. Wystarczająca wytrzymałość i odporność

Podczas cięcia narzędzie jest poddawane różnym naprężeniom, uderzeniom i wibracjom. Aby zapobiec odpryskiwaniu i pękaniu, materiał narzędzia musi mieć wystarczającą wytrzymałość i odporność na obciążenia dynamiczne.

4. Wysoka odporność na ciepło

Odporność na ciepło odnosi się do zdolności materiału narzędzia do utrzymania twardości, wytrzymałości i udarności w temperaturze pokojowej w warunkach wysokiej temperatury. Można ją również wyrazić jako twardość na gorąco lub twardość w wysokiej temperaturze. Im lepsza odporność na ciepło, tym wyższa dopuszczalna twardość. prędkość cięcia w obróbce skrawaniem. Jest to kluczowy wskaźnik wydajności materiału narzędzia.

5. Dobra urabialność

Aby ułatwić produkcję, materiały narzędziowe powinny mieć dobrą obrabialność, taką jak skrawalność, szlifowalność, kowalność, spawalność i właściwości obróbki cieplnej. Dodatkowo, materiały narzędziowe, które są bogate w zasoby i tanie, powinny być wykorzystywane w jak największym stopniu.

II. Rodzaje materiałów narzędziowych

Materiały narzędziowe obejmują głównie stal narzędziową (niestopową stal narzędziową i stopową stal narzędziową), stal szybkotnącą, węglik spiekany, materiały ceramiczne i supertwarde materiały narzędziowe. Ich główne właściwości fizyczne i mechaniczne przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 Właściwości fizyczne i mechaniczne różnych materiałów narzędziowych

1. Stal narzędziowa szybkotnąca

Pełna nazwa szybkotnącej stali narzędziowej to szybkotnąca stopowa stal narzędziowa, znana również jako stal biała lub stal ostra.

Szybkotnąca stal narzędziowa to wysokostopowa stal narzędziowa z dużą ilością pierwiastków stopowych, takich jak W, Mo, Cr i V, dodawanych do stopowej stali narzędziowej. Te pierwiastki stopowe tworzą węgliki o wysokiej twardości z węglem, zapewniając szybkotnącej stali narzędziowej doskonałą odporność na zużycie.

Atomy wolframu i węgla mają silną siłę wiązania, zwiększając twardość stali w wysokich temperaturach. Rola molibdenu jest zasadniczo taka sama jak wolframu i może on uszlachetniać ziarna węglików, zmniejszać nierówności węglików w stali i poprawiać wytrzymałość stali.

Stal narzędziowa szybkotnąca jest materiałem narzędziowym o dobrych ogólnych parametrach i najszerszym zakresie zastosowań. Charakteryzuje się wysoką wytrzymałością na zginanie, dobrą ciągliwością i twardością 63~66HRC po obróbce cieplnej. Jest łatwa do szlifowania w celu uzyskania ostrej krawędzi tnącej, dlatego w produkcji często nazywana jest "ostrą stalą".

Jego odporność na ciepło wynosi 600 ~ 660 ℃, a prędkość cięcia może osiągnąć około 30 m / min podczas cięcia materiałów ze stali węglowej. Charakteryzuje się dobrą przetwarzalnością i może być stosowany do produkcji narzędzi o złożonych kształtach, takich jak wiertła, gwintowniki, narzędzia formujące, przeciągacze i narzędzia zębate. Nadaje się również do obróbki różnych materiałów, takich jak stal węglowa, stal stopowa, metale nieżelazne i żeliwo.

Szybkotnącą stal narzędziową można podzielić na zwykłą szybkotnącą stal narzędziową i wysokowydajną szybkotnącą stal narzędziową w oparciu o wydajność cięcia.

(1) Zwykła stal narzędziowa szybkotnąca

Zwykłą szybkotnącą stal narzędziową można podzielić na szybkotnącą stal narzędziową serii wolframowej i szybkotnącą stal narzędziową serii wolframowo-molibdenowej.

Najwcześniejszym gatunkiem szybkotnącej stali narzędziowej z serii wolframowej jest W18Cr4V, która charakteryzuje się dobrą ogólną wydajnością i szlifowalnością. Może być stosowany do produkcji różnych złożonych narzędzi i narzędzi wykończeniowych. Ponieważ jednak wolfram jest ważnym zasobem strategicznym, a gatunek ten zawiera dużą ilość wolframu, jego zastosowanie jest obecnie mniej powszechne i jest stopniowo wycofywane w niektórych krajach rozwiniętych.

Powszechnym gatunkiem szybkotnącej stali narzędziowej z serii wolframowo-molibdenowej jest W6Mo5Cr4V2, która charakteryzuje się dobrymi parametrami ogólnymi. Ze względu na rolę molibdenu, jego węgliki są drobnymi cząstkami i równomiernie rozmieszczone, więc jego wytrzymałość na zginanie i udarność są wyższe niż w przypadku szybkotnącej stali narzędziowej z serii wolframowej. Ma również dobrą termoplastyczność, dzięki czemu nadaje się do produkcji narzędzi walcowanych na gorąco. Materiał ten charakteryzuje się jednak wysoką wrażliwością na odwęglanie, wąskim zakresem temperatur hartowania i jest trudny do opanowania w procesie obróbki cieplnej.

W9Mo3Cr4V to stal narzędziowa szybkotnąca opracowana niezależnie przez Chiny. Jej twardość, wytrzymałość i termoplastyczność są nieco wyższe niż stali W6Mo5Cr4V2. Ma dobrą twardość i wytrzymałość, jest łatwa do walcowania i kucia, ma szeroki zakres temperatur obróbki cieplnej, niską wrażliwość na odwęglanie i niższy koszt.

(2) Wysokowydajna, szybkotnąca stal narzędziowa

Wysokowydajna, szybkotnąca stal narzędziowa to nowy rodzaj szybkotnącej stali narzędziowej, która jest ulepszeniem zwykłej szybkotnącej stali narzędziowej poprzez dostosowanie składu chemicznego i dodanie innych pierwiastków stopowych. Ten rodzaj szybkotnącej stali narzędziowej jest stosowany głównie do cięcia materiałów trudnych w obróbce, takich jak stopy wysokotemperaturowe, stopy tytanu, stal o wysokiej wytrzymałości i stal nierdzewna.

Istnieje kilka rodzajów wysokowydajnej szybkotnącej stali narzędziowej:

1) Szybkotnąca stal narzędziowa o wysokiej zawartości węgla

Udział masowy węgla jest zwiększony do 0,9% do 1,05%, powodując, że wszystkie pierwiastki stopowe w stali tworzą węgliki, poprawiając w ten sposób twardość, odporność na zużycie i odporność na ciepło stali, ale jej wytrzymałość i wytrzymałość nieznacznie spadają. Typowy gatunek to 95W18Cr4V.

2) Szybkotnąca stal narzędziowa o wysokiej zawartości wanadu

Udział masowy wanadu zwiększa się do 3% do 5%, a typowym gatunkiem jest W6Mo5Cr4V3. Ze względu na zwiększoną zawartość węglika wanadu, odporność na zużycie szybkotnącej stali narzędziowej jest lepsza i jest ona zwykle używana do cięcia stali o wysokiej wytrzymałości. Ten rodzaj szybkotnącej stali narzędziowej jest jednak trudniejszy do szlifowania niż zwykła szybkotnąca stal narzędziowa.

3) Szybkotnąca stal narzędziowa kobaltowa

Dodanie kobaltu do szybkotnącej stali narzędziowej poprawia jej twardość w wysokich temperaturach i odporność na utlenianie. Typowym gatunkiem jest W2Mo9Cr4VCo8, który charakteryzuje się dobrą wszechstronnością i jest bardzo skuteczny w obróbce materiałów trudnych w obróbce, takich jak stopy wysokotemperaturowe i stal nierdzewna.

4) Aluminiowa stal narzędziowa szybkotnąca

Aluminiowa stal narzędziowa szybkotnąca to nowy rodzaj stali narzędziowej szybkotnącej opracowany w Chinach. Poprzez dodanie niewielkiej ilości aluminium do zwykłej stali szybkotnącej, odporność na ciepło i odporność na zużycie stali szybkotnącej ulegają poprawie i ma ona dobrą wszechstronną wydajność.

Typowym gatunkiem jest W6Mo5Cr4V2Al, który osiąga wydajność skrawania kobaltowej szybkotnącej stali narzędziowej, ma dobrą obrabialność, jest niedrogi i zbliżony cenowo do zwykłej szybkotnącej stali narzędziowej. Ma jednak słabą szlifowalność i wymaga rygorystycznych procesów obróbki cieplnej.

Wraz ze wzrostem wykorzystania złożonych narzędzi o wysokiej precyzji, koszt obróbki stanowi dużą część kosztu narzędzia, podczas gdy koszt materiału stanowi mniejszą część (od 15% do 30%). Dlatego też ekonomicznie uzasadnione jest stosowanie wysokowydajnych materiałów narzędziowych. W przypadku obrabiarek, takich jak centra obróbcze, gdzie koszty wymiany narzędzi są wysokie, należy w jeszcze większym stopniu stosować wysokowydajne materiały narzędziowe.

Gatunki i główne właściwości mechaniczne wyżej wymienionych szybkotnących stali narzędziowych przedstawiono w tabeli 2.

Tabela 2 Gatunki i główne właściwości mechaniczne stali szybkotnącej

2. Twardy stop

Twardy stop to produkt metalurgii proszków wytwarzany przez spiekanie proszków węglika wolframu (WC) i węglika tytanu (TiC) jako głównych składników oraz kobaltu (Co), molibdenu (Mo) i niklu (Ni) jako spoiw w piecu próżniowym lub piecu do redukcji wodoru.

Twardość twardego stopu osiąga 89~94HRA, co odpowiada 71~76HRC, z bardzo dobrą odpornością na zużycie. Odporność na ciepło może osiągnąć 800 ~ 1000 ℃, a prędkość cięcia może osiągnąć ponad 100 m / min podczas cięcia stali średniowęglowej. Wytrzymałość na zginanie i udarność są jednak niższe niż w przypadku stali szybkotnącej, a podatność na obróbkę jest nieco gorsza niż w przypadku stali szybkotnącej.

Obecnie twardy stop stał się głównym materiałem narzędziowym w obróbce skrawaniem, szeroko stosowanym w różnych narzędziach o wyższych prędkościach skrawania, a nawet w złożonych narzędziach, takich jak frezy czołowe ze stopów twardych, frezy palcowe, narzędzia do wytaczania, wiertła, rozwiertaki itp.

Wydajność twardego stopu zależy głównie od rodzaju, zawartości i wielkości cząstek węglików metali, a także rodzaju i zawartości spoiwa. W przypadku twardych stopów, wyższy udział węglików skutkuje wyższą twardością i lepszą odpornością na zużycie; więcej spoiwa skutkuje wyższą wytrzymałością na zginanie. Ogólnie rzecz biorąc, wytrzymałość drobnoziarnistych stopów twardych jest niższa niż wytrzymałość gruboziarnistych stopów twardych o tym samym składzie, podczas gdy twardość jest wyższa niż w przypadku gruboziarnistych stopów twardych.

GB/T 18376.1-2008 klasyfikuje twarde stopy do narzędzi skrawających na sześć kategorii: K, P, M, H, S i N, w oparciu o przetwarzany materiał. Aby spełnić różne wymagania użytkowe, są one podzielone na kilka grup w zależności od ich odporności na zużycie i wytrzymałości, reprezentowanych przez dwucyfrowe liczby, takie jak 01, 10, 20, 30, 40 itp.

Tabela 3 zawiera klasyfikację, podział na grupy i zalecane warunki pracy dla pierwszych trzech kategorii. Kategoria H (H01~H30) jest używana głównie do obróbki twardych materiałów skrawających; kategoria S (S01~S30) jest używana głównie do obróbki materiałów żaroodpornych i wysokiej jakości stopów; kategoria N (N01~N30) jest używana głównie do obróbki metali nieżelaznych i materiałów niemetalicznych.

Tabela 3 Klasyfikacja, grupowanie i zalecane warunki pracy dla stopów twardych do obróbki skrawaniem

Poniżej przedstawiono kilka powszechnie stosowanych twardych stopów do cięcia:

(1) Twardy stop typu K

Jest to stop na bazie WC z Co jako spoiwem lub z dodatkiem niewielkiej ilości TaC i NbC. Stosowany jest głównie do obróbki materiałów z krótkimi wiórami, takich jak żeliwo, żeliwo chłodzone, żeliwo ciągliwe z krótkimi wiórami, żeliwo szare itp. Typowe gatunki obejmują K01, K10, K20, K30, K40 itp.

Wraz ze wzrostem liczby gatunków z 10, 20, 30 do 40 wzrasta zawartość kobaltu, co skutkuje wyższą wytrzymałością, ale niższą twardością, odpornością na ciepło i odpornością na zużycie, dzięki czemu nadaje się do obróbki zgrubnej. I odwrotnie, im więcej węglika wolframu, tym wyższa twardość, odporność na ciepło i odporność na zużycie, ale niższa wytrzymałość, dzięki czemu nadaje się do obróbki precyzyjnej.

(2) Twardy stop typu P

Jest to stop na bazie TiC i WC z Co (Ni+Mo, Ni+Co) jako spoiwem. Ze względu na obecność TiC poprawia temperaturę wiązania ze stalą i zdolność zapobiegania dyfuzji. Stosowany jest głównie do obróbki materiałów o długich wiórach, takich jak stal, staliwo, żeliwo ciągliwe o długich wiórach itp.

Typowe gatunki obejmują P01, P10, P20, P30, P40 itp. Zawartość kobaltu wzrasta sekwencyjnie, co skutkuje wyższą wytrzymałością, ale niższą twardością, odpornością na ciepło i odpornością na zużycie, dzięki czemu nadaje się do obróbki zgrubnej. I odwrotnie, im więcej TiC, tym wyższa twardość, odporność na ciepło i odporność na zużycie, ale niższa wytrzymałość, dzięki czemu nadaje się do obróbki precyzyjnej.

(3) Twardy stop typu M

Jest to stop na bazie WC z Co jako spoiwem, z dodatkiem niewielkiej ilości TiC (TaC, NbC). Dzięki dodaniu pewnej ilości rzadkich metali TaC (NbC) poprawia wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość zmęczeniową i udarność, a także twardość w wysokich temperaturach, wytrzymałość, odporność na utlenianie i odporność na zużycie.

Typowe gatunki obejmują M01, M10, M20, M30, M40 itp. Twarde stopy typu M są stopami ogólnego przeznaczenia i mogą być stosowane do obróbki stali nierdzewnej, staliwa, stali manganowej, żeliwa ciągliwego, stali stopowej, żeliwa stopowego itp.

3. Inne materiały narzędziowe

(1) Ceramika

Ceramiczne materiały narzędziowe wykonane są ze sztucznych związków, formowanych pod wysokim ciśnieniem i spiekanych w wysokich temperaturach. Mają twardość 91 ~ 95HRA, odporność na ciepło do 1200 ℃, dobrą stabilność chemiczną i niskie powinowactwo z metalami. W porównaniu do twardych stopów, mogą zwiększyć prędkość cięcia od 3 do 5 razy.

Ich największą wadą jest jednak niska wytrzymałość na zginanie i słaba udarność. Są one stosowane głównie do półwykańczania i wykańczania stali, żeliwa i materiałów o wysokiej twardości (takich jak stal hartowana) podczas cięcia ciągłego.

(2) Diament

Diamenty dzielą się na naturalne i syntetyczne, z których oba są alotropami węgla. Naturalny diament jest rzadko używany ze względu na jego wysoką cenę. Diament syntetyczny jest wytwarzany z grafitu w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, a jego twardość wynosi 10000HV.

Narzędzia diamentowe mogą precyzyjnie ciąć metale i stopy nieżelazne, ceramikę i inne materiały o wysokiej twardości i odporności na zużycie. Mają one jednak słabą stabilność chemiczną z żelazem i nie nadają się do obróbki materiałów żelaznych. Ich stabilność termiczna jest również słaba, a gdy temperatura osiągnie 800 ℃, narzędzia diamentowe ulegną karbonizacji w powietrzu, co prowadzi do szybkiego zużycia.

(3) Sześcienny azotek boru

Sześcienny azotek boru jest syntetyzowany metodami sztucznymi w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem z dodatkiem katalizatora. Ma twardość 8000 ~ 9000HV i odporność na ciepło 1400 ℃. Stosowany jest głównie do półwykańczania i wykańczania stopów wysokotemperaturowych, stali hartowanej i chłodzonych materiałów żeliwnych.

III. Powlekanie powierzchni materiałów narzędziowych

Wytrzymałość i twardość materiałów narzędziowych zazwyczaj nie mogą być zrównoważone, więc żywotność większości materiałów narzędziowych zależy głównie od zużycia. W ostatnich latach przyjęto metody powlekania powierzchni w celu właściwego rozwiązania tego problemu.

Powłoka powierzchniowa materiałów narzędziowych jest stosowana do narzędzi wykonanych ze stali szybkotnącej i twardych materiałów z węglika spiekanego. Za pomocą metod takich jak chemiczne osadzanie z fazy gazowej i napylanie próżniowe, bardzo cienka (5 ~ 12 μm) warstwa węglika tytanu (TiC) lub azotku tytanu (TiN) o wysokiej twardości, odporności na zużycie i ogniotrwałości jest osadzana na powierzchni narzędzia, tworząc złocistożółtą powłokę powierzchniową.

Ze względu na wysoką twardość i niski współczynnik tarcia powłoki, zwiększa się odporność narzędzia na zużycie. Powłoka ma również właściwości antyutleniające i antyadhezyjne, opóźniając zużycie narzędzia. W związku z tym prędkość skrawania można zwiększyć o 30% do 50%, a żywotność narzędzia można wydłużyć kilkakrotnie.