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
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 1400-1550 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
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
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). 6.2. 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
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