6.1. Ogólna charakterystyka cermetali narz dziowych

Transkrypt

1 6. Cermetale narz dziowe 6.1. Ogólna charakterystyka cermetali narz dziowych INFORMACJE OGÓLNE Do nowoczesnych spiekanych materia ów narz dziowych, o szybko rosn cym znaczeniu w technologii obróbki skrawaniem nale cermetale narz dziowe. Cermetale narz dziowe stanowi samodzieln grup spiekanych materia ów narz dziowych. Komponentami wspó czesnych cermetali narz dziowych oprócz cz stek ceramicznych w glika tytanu TiC, azotku tytanu TiN i w glikoazotku tytanu Ti(C,N) odpowiadaj cych za twardo spieku s inne dodatki w glików i azotków cz sto z o onych: (Ti,Ta)N, (Ti,Mo)C, (Ti,W)C, (Ti,Ta,W)C, (Ti,Ta,Mo,W,Nb)(C,N) oraz faza wi ca sk adaj ca si najcz ciej z kobaltu i niklu. Pierwsze cermetale narz dziowe zosta y wyprodukowane ju w 1931 roku (Metallwerk Plansee), lecz nie znajduj obecnie szerszego zastosowania z powodu zbyt du ej krucho ci i z ej lutowalno ci. Nast pn generacj cermetali narz dziowych wprowadzono w latach pi dziesi tych XX wieku w firmie Ford Motor Co. W tych cermetalach narz dziowych jako no nik twardo ci wykorzystano ceramiczne cz stki TiC stapiane z Mo 2 C w trakcie procesu spiekania z faz ciek, z faz wi c zawieraj c równie nikiel. Kolejn generacj cermetali narz dziowych, zawieraj cych azotek tytanu TiN, zwanych spiekami spinoidalnymi Rudy ego (firma Teledyne) wprowadzono w 1974 roku. W spiekach spinoidalnych przybli ony stosunek N/(C+N) jest mniejszy ni 0,3. Dodatek twardych cz stek TiN powoduje wzrost odporno ci na zu ycie oraz zmniejszenie odkszta cenia plastycznego ostrzy skrawaj cych. Cermetale narz dziowe produkowane w latach osiemdziesi tych XX wieku charakteryzuj si wi kszym ni 0,3 stosunkiem N/(C+N). Dodatek kobaltu do fazy wi cej oraz tantalu i/lub niobu do z o onych w glikoazotków wp ywa na popraw w asno ci skrawnych cermetali narz dziowych. Rozwój cermetali narz dziowych zwi zany by g ównie z optymalizacj sk adu chemicznego zarówno fazy wi cej, jak i odpowiedzialnych za twardo spieku z o onych faz o maksymalnej twardo ci i modyfikowanym sk adzie chemicznym, zwi zanym m.in. z podnoszeniem st enia azotu (rys. 6.1) oraz zmniejszaniem wielko ci ziarn. 6. Cermetale narz dziowe 87

2 Open Access Library Volume 8 (14) 2012 Rysunek 6.1. Zale no twardo ci i wytrzyma o ci na p kanie ró nych generacji spiekanych cermetali narz dziowych (oznaczenia gatunków wed ug firmy Sumitomo) STRUKTURA I W ASNO CI CERMETALI NARZ DZIOWYCH Cermetale, podobnie jak inne spiekane materia y narz dziowe, np. w gliki spiekane, wytwarzane s metod metalurgii proszków (rys. 5.1). Formowanie jest najcz ciej przeprowadzane przez jednoosiowe prasowanie, natomiast spiekanie, zale nie od sk adu chemicznego, przebiega w temperaturze C (z udzia em fazy ciek ej) w piecu pró niowym. W celu polepszenia w asno ci (zmniejszenia porowato ci spieku) stosowane jest izostatyczne spiekanie na gor co HIP (j. ang.: Hot Isostatic Pressing). Dla spiekanych cermetali narz dziowych typow jest struktura rdzeniowo-p aszczowa (rys. 6.2) b d ca no nikiem twardo ci, powoduj ca e cermetale s niewra liwe na rozrost ziarn podczas spiekania, uzyskuj c w efekcie drobnoziarnist struktur. Niklowo-kobaltowa faza wi ca zapewnia odpowiedni zwil alno cz stek ceramicznych, powoduj c stabilne wi zanie poszczególnych ziarn oraz wymagan ci gliwo. Zwi kszanie st enia kobaltu w fazie wi cej powoduje jednak wyra ne zmniejszenie odporno ci na zu ycie cierne spiekanych cermetali narz dziowych. 88 L.A. Dobrza ski, G. Matula

3 Rysunek 6.2. Schematyczna struktura cermetalu narz dziowego (wed ug M. Wysieckiego) Jedn z charakterystycznych cech spiekanych cermetali narz dziowych jest ich g sto, zawieraj ca si najcz ciej w granicach 6-7,5 g/cm 3, wynikaj ca z obecno ci azotków i w glików tytanu. Wytwarzanie cermetali narz dziowych o polepszonych w asno ciach, takich jak wytrzyma o na zginanie, powoduje szersze zainteresowanie tym materia em w obróbce skrawaniem. W porównaniu z w glikami spiekanymi, wspó czesne spiekane cermetale narz dziowe wykazuj wi ksz wytrzyma o na zginanie i du ci gliwo. Cermetale narz dziowe charakteryzuj si nast puj cymi w asno ciami: ma g sto ci, niskim wspó czynnikiem tarcia, du twardo ci i odporno ci na zu ycie (dobry sp yw wiórów i brak tendencji do tworzenia si narostu), du wytrzyma o ci na zginanie, wiadcz c o du ej ci gliwo ci, wystarczaj co du odporno ci na p kanie, du stabilno ci kraw dzi skrawaj cych, 6. Cermetale narz dziowe 89

4 ograniczon wra liwo ci na szoki termiczne, du odporno ci na utlenianie w podwy szonej temperaturze, du odporno ci chemiczn, dobr jako ci powierzchni obrobionych elementów, Open Access Library Volume 8 (14) 2012 relatywnie nisk cen g ównych sk adników (TiC, Ni) w porównaniu z podstawowymi sk adnikami w glików spiekanych (WC, Co) Zastosowanie cermetali narz dziowych ZASTOSOWANIE CERMETALI NARZ DZIOWYCH Zastosowanie p ytek wieloostrzowych wykonanych ze spiekanych cermetali narz dziowych mo e wp ywa na ró ne aspekty procesu skrawania (tabl. 6.1). W porównaniu z w glikami spiekanymi, ostrza ze spiekanych cermetali narz dziowych wykazuj wy sz twardo w podwy szonej temperaturze oraz odporno na utlenianie zapewniaj c im wymagan stabilno w wy szej temperaturze i przy wy szych pr dko ciach skrawania. Spiekane cermetale narz dziowe stwarzaj mo liwo skrawania na sucho, bez udzia u cieczy ch odz co-smaruj cych, w wyniku mniejszej przewodno ci cieplnej ni w gliki spiekane. Ma a przewodno cieplna spiekanych cermetali narz dziowych powoduje odprowadzanie znacznej cz ci ciep a powstaj cego w procesie skrawania z wiórami i nie jest Tablica 6.1. Charakterystyka i efekty procesu skrawania ostrzami ze spiekanych cermetali narz dziowych W asno ci procesu lub narz dzia Ma e tarcie Ma a sk onno do dyfuzji Ma a przewodno cieplna ostrza Wysoka sprawno Du a wytrzyma o cieplna D ugi okres trwa o ci ostrza Niewielka cieralno powierzchni przy o enia ostrza Przystosowany amacz wiórów Charakterystyka oddzia ywania wysoka jako obrobionej powierzchni mo liwa obróbka na sucho, ma e nagrzewanie si obrabianego przedmiotu niepotrzebne zaokr glanie kraw dzi, ostre ostrze du a pr dko skrawania, zmniejszony czas obróbki niski koszt wymiany narz dzi wysoka sta o i powtarzalno wymiarów, ma y koszt regulacji amanie wiórów równie przy ich ma ych przekrojach 90 L.A. Dobrza ski, G. Matula

5 odbierana przez obrabiany materia. Du a wytrzyma o cieplna cermetali oraz stabilno wymiarowa zwi zana z zachowaniem ostrych kraw dzi skrawaj cych, pozwala na znacz ce zwi kszenie pr dko ci skrawania, bez utraty wysokiej jako ci obrobionych powierzchni. Cermetale narz dziowe, mimo tak dobrych w asno ci, wykazuj wady, w porównaniu np. do w glików spiekanych, do których nale przede wszystkim: mniejsza odporno na kruche p kanie, mniejsza odporno na odkszta cenia, zwi zana z mniejsz przewodno ci tych materia ów oraz mo liwo p kni cieplnych podczas przerywanego skrawania, w wyniku wi kszej rozszerzalno ci cieplnej. Wspó cze nie g ówny zakres zastosowania spiekanych cermetali narz dziowych zwi zany jest z obróbk skrawaniem stali niestopowych i wysokostopowych, np. stali nierdzewnych i kwasoodpornych oraz eliw sferoidalnych, a tak e stali automatowych i stopów metali nie elaznych. G ównym sposobem obróbki spiekanymi cermetalami narz dziowymi, oprócz toczenia jest tak e wytaczanie, rowkowanie, toczenie gwintów oraz frezowanie, gdzie szczególnie wymagana jest wysoka stabilno wymiarowa. 6. Cermetale narz dziowe 91