DTB Technologie obrábění Téma 3 NÁSTROJOVÉ MATERIÁLY

Úvod Požadavky Tvrdost, odolnost proti opotřebení, tepelná vodivost, pevnost v ohybu, houževnatost - při vysokých teplotách - po dostatečně dlouhou dobu Druhy nástrojových materiálů Nástrojové oceli, slinuté karbidy, cermety, řezná keramika, supertvrdé materiály

Zařazení nástrojových materiálů podle normy ISO 513 [H-I1/58]

Oblasti použití nástrojových materiálů [H-I1/57a]

Technologické parametry řezných materiálů [H-I1/57]

1 Nástrojové oceli Rozdělení, označování, vlastnosti a užití nástrojových ocelí [H-I1/59]

3.1 Nástrojové oceli nelegované Teplota břitu do 200° C, řezné rychlosti do 15 m.min-1 Tepelné zpracování kalení - 750 až 770° C do vody nebo 790 až 890° do oleje, popouštění při 100 až 250° C, tvrdost 64 HRC 3.2 Nástrojové oceli legované Karbidotvorné legující prvky Cr, V, W, Mo – vytváří tvrdé a až do vysokých teplot stálé karbidy. Další legující prvky Ni, Si, Co nejsou karbidotvorné. Teplota břitu 250 až 350° C, řezné rychlosti 15 až 25 m.min-1 kalení - 250 až 350° C do oleje, popouštění při 100 až 250° C, tvrdost 64 HRC Použití všechny druhy řezacích, stříhacích a tvářecích nástrojů

1.3 Rychlořezné oceli RO – rychlořezné ocel HSS – High Speed Steel Obsahují karbidotvorné prvky W, Cr. V a nekarbidotvorný Co Uhlíku obsahují méně než 1% Teplota břitu 500 až 600° C, řezné rychlosti 25 až 50 m.min-1 Tepelné zpracování kalení - 1210 až 1270° C na vzduchu nebo do oleje, popouštění při 550 až 580° C, tvrdost 64 HRC Použití – vysocevýkoné řezné nástroje  

Rychlořezné oceli vyrobené práškovou metalurgií Tekutá ocel se rozprašuje tryskami a potom lisuje do polotovarů Velmi jemná struktura a rovnoměrné rozložení karbidů Zlepšená houževnatost a stálost Výroba ocelí s vyšším obsahem legur Metoda ASP (Anti-Segregation-Process) Rychlořezné oceli povlakované Zvýšení trvanlivosti nástrojů Metoda PVD (Physical Vapour Deposicion = fyzikální napařování) – pod 600° C

2 Slinuté karbidy Slinuté karbidy – SK – produkt práškové metalurgie – různé karbidy a kovové pojivo Karbid wolframu WC, karbid titanu TiC, karbid tantalu TaC, karbid niobu NbC, pojivo kobalt Co SK nepovlakované, SK povlakované

2.1 Nepovlakované slinuté karbidy Slinuté karbidy typu P – WC+TiC+Co Obrábění materiálů, které tvoří dlouhé třísky – oceli na odlitky, temperovaná litina, feritické korozivzdorné oceli. Modrá barva. Označení: P05, P10, P20, P30, P40, P50 SK skupiny P [H-I1/61]

Slinuté karbidy typu M – WC+TiC+TaC+Co Obrábění materiálů, které tvoří dlouhé a střední třísky - lité oceli, manganové oceli, austenické korozivzdorné oceli, tvárné litiny. Žlutá barva. Označení: M10, M20, M30, M40 SK skupiny M [H- I1/61]

Hrubozrnný SK skupiny K [H-I1/61] Slinuté karbidy typu K – WC+CO Obrábění materiálů, které tvoří krátké a drobivé třísky – litiny, neželezné slitiny a nekovové materiály. Červená barva. Označení: K05, K10, K20, K30, K40 Hrubozrnný SK skupiny K [H-I1/61]

Jemnozrnný SK skupiny K [H-I1/61]

Složení a vlastnosti slinutých karbidů skupiny P, M, K [KP/62, H-I1/62]

Slinuté karbidy typu N Obrábění neželezných kovů – slitiny hliníku, nekovové materiály. Zelená barva. Označení: N05, N10, N25 Slinuté karbidy typu S Obrábění žáropevných slitin na bázi Ni, Co, Fe, Ti. Hnědá barva. Označení: S05, S10, S25, S30 Slinuté karbidy typu H Obrábění zušlechtěných ocelí o pevnosti nad 1500 MPa a tvrzených kokilových litin. Šedá barva. Označení: H01, H05, H10, H15, H25

2.2 Povlakované slinuté karbidy Otěruvzdorné vrstvy na běžných SK Jednovrstvé povlaky – TiC nebo TiCN, případně TiN – tlouštˇka až 13 µm Vícevrstvé povlaky - dvě, tři a více vrstev – TiC+Al2O3, TiC+TiN, TiC+TiCN+TiN, TiC+Al2O3+TiN Pozitiva povlakování Zvýšená trvanlivost břitu Nižší řezné síly Možnost vyšších řezných a posuvových rychlostí Možnost obrábění nasucho Snažší obrábění tvrdých materiálů do 65 HRC  

Vícevrstvý povlak (Kennametal USA) [H-I1/66]

Metody povlakování Metoda CVD – Chemical Vapour Deposition = chemické napařování z plynné fáze probíhá za vysokých teplot (900 až 1200° C) vrstvy až 13 µm nelze povlakovat ostré hrany Metoda PVD – Phisical Vapour Deposition = fyzikální napařování probíhá za nižších teplot (pod 600° C) vyžaduje důkladnější přípravu povrchu umožňuje povlakovat ostré hrany

Základní vlastnosti vybraných povlaků [H-I1/70]

3 Cermety Řezný materiál obsahující tvrdé částice (TiC, TiN, TiCN, TaN) v kovovém pojivu (Ni, Mo, Co) CERamics + METal – kombinace vysoké tvrdosti a houževnatosti Vlastnosti Vysoká pevnost hřbetních ploch a odolnost proti vymílání Vysoká chemická stabilita a tvrdost za tepla Nízký sklon k tvorbě nárůstku a k opotřebení oxidací Použití Obrábění na čisto, stabilní obráběcí proces, obrábění „nasucho“  Složení vybraných cermetů Krupp Widia Gmb označení TTI TiC+TiN+Co Sumitomo označení T12A TaN+TiN+Mo+Ni

Schéma struktury cermetu [H-I1/73]

4 Řezná keramika 4.1 Oxidická keramika Řezná keramika na bázi oxidu hlinitého Al2O3 Čistá keramika Al2O3 Polosměsná keramika Al2O3+ZrO2+CoO Směsná keramika Al2O3+TiC, Al2O3+ZrO2+TiO Al2O3+TiC+TiN  

Vybrané druhy řezné keramiky [KP/66] Označení Složení Vlastnosti Použití Čistá DISAL 100 99% Al2O3 Vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení za vysokých teplot (1200oC). Řezné rychlosti až 1000 m.min-1 Obrábění šedé litiny a konstrukčních ocelí nepřerušovaným řezem. Polo- směsná DISAL 210 DISAL 220 DISAL 230 Al2O3 + + ZrO2 Vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení za vysokých teplot, Zvýšená houževnatost Obrábění šedé, sférické i temperované litiny, zušlechtěných konstrukčních ocelí i rychlořezných ocelí Směsná DISAL 310 DISAL 320 + TiC Vysoká tvrdost a houževnatost, zvýšená odolnost proti teplotním šokům Obrábění kalených ocelí plynulým i přerušovaným řezem, lze použít chladicí kapalinu. Dokončovací frézování.

Čistá keramika Al2O3 [H-Il/75]

Polosměsná keramika Al2O3+15% ZrO2 [H-I1/75]

Směsná keramika Al2O3 +TiC [H-I1/75]

4.2 Nitridová keramika Řezná keramika na bázi nitridu křemíku Si3N4, Si3N4+TiN, Si3N4+Y2O3 Vysoká odolnost proti mechanickému porušení břitu Vysoká tvrdost za tepla Použití – obrábění litin za sucha, řezná rychlost až 400 m.min-1

Nitridová keramika Si3N4+TiC [H-I1/75]

4.3 Vyztužená keramika Oxidická nebo nitridová keramika vyztužená vlákny SiC (whiskery) - (20 až 30) % objemu Whiskery – vlákna o průměru d(0,5 až 1,0) µm a délce l = (10až20)d Zvýšená odolnost proti vydrolování a vylamování ostří Vyšší odolnost proti oxidaci Vyšší řezné výkony

Nitridová keramika Si3N4 vyztužená SiC whiskery [H- I1/75]

5 Super tvrdé řezné materiály Nejtvrdší řezné materiály Polykrystalický kubický nitrid bóru PKNB a polykrystalický diamant PD Vysoká pořizovací cena Segmenty využívané na vyměnitelných břitových destičkách

Fyzikální vlastnosti supertvrdých řezných materiálů [H-I1/78]

5.1 Polykrystalický nitrid bóru Provedení - monolitní vyměnitelná destička - povlak nanesený na SK - řezná část připojená na SK  Vlastnosti - obsah CBN 60 až 93% - vysoká tvrdost za tepla až do 2000 - vysoká lomová houževnatost - vysoká tepelná vodivost - vysoká odolnost proti abrazivnímu opotřebení - dobrá chemická stabilita během obrábění Použití Obrábění - kalené oceli, tvrzené litiny

Mikrostruktura kubického nitridu bóru [Garant146]

Obecné trendy vlastností PKNB [Garant147]

5.2 Polykrystalický diamant Provedení - jemné krystaly diamantu jsou spojovány slinováním za vysokých teplot a tlaků - břity z PD jsou zakotveny ve vyměnitelné břitové destičce ze SK  Vlastnosti - nejtvrdší materiál - nelze použít k obrábění železných materiálů, afinita s uhlíkem - nevhodný k obrábění houževnatých a vysokopevných materiálů - vyžaduje stabilní podmínky obrábění, tuhé stroje a nástroje - umožňuje aplikaci vysokých řezných rychlostí   Použití Obrábění neželezných a nekovových materiálů

Porovnání nákladů na obrábění nástrojem z SK a PKD [ Garant148]

6 Brousicí materiály 6.1 Standardní brousicí materiály Brousicí materiály typu Al2O3 (umělý korund, elektrit) Brousicí materiály typu SiC (karborundum)  Označování standardních brousicích materiálů dle ČSN ISO 525 (22 4503) Charakteristiky - druh, zrnitost, tvrdost, struktura, pojivo  Příklad označení A 36 L V Zrnitost 36 střední Tvrdost L střední Struktura 5 polohutná Pojivo V keramické

Specifikace brousicích materiálů Al2O3 a SiC - ČSN 22 4501 a ČSN ISO 525 (22 4503) Označení Charakteristika Vyjádření ČSN 22 4501 ČSN ISO 525 (22 4502) SiC černý C 48 C SiC zelený C 49 Al2O3 bílý A 99 B Al2O3 barvený A 99 Druh Al2O3 růžový A 94 Al2O3 manganový A 98 M A Al2O3 hnědý A 96 Al2O3 zirkonový A 97 E Al2O3 mikrokrystalický A 97 M Al2O3 polokřehký A 97 P velmi hrubá 250, 200, 160 není hrubá 125, 100, 80, 63 4,5,6,7,8,10,12,14,16, 20,22,24 střední 50, 40, 32, 25 30,36,40,46,54,60 Zrnitost jemná 20, 16, 12, 10 70,80,90,100,120,150,180 velmi jemná 8, 6, 6 220,240,280,320,360, 400,500,600,800,1000,1200 zvlášť jemná 4, 3, M32, M22, M15 velmi měkký G, H měkký I, J, K A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K Tvrdost L, M, N, O L,M,N,O,P,Q tvrdý P, Q, R, S R,S,T,U,V,W,X,Y velmi tvrdý T, U zvlášť tvrdý V, W, Z velmi hutný 1, 2 hutný 3, 4 Struktura polohutný 5, 6 0,1,2,3,4,5,6,7,8, pórovitý 7, 8 9,10,11,12,13,14 atd. velmi pórovitý 9, 10 zvlášť pórovitý 11, 12, 13 keramické V silikátové S pryžové R pryžové s výztuží RF Pojivo umělá pryskyřice B umělá pryskyřice s výztuží BF, BF-Flex BF šelakové E magneziové Mg polyuretanové U

Doporučení pro volbu standardních brousicích materiálů Druh – podle materiálu obrobku Al2O3 – ocel, ocel na odlitky, temperovaná litina, tvrdý bronz Zrnitost – podle požadované drsnosti broušené plochy, čím vyšší požadavek, tím jemnější zrnitost ČSN ISO 525 - Zrnitost vyjadřuje počet ok kontrolního síta na jeden palec (25,4 mm)  čím vyšší číslo, tím jemnější zrno ČSN 22 0541 - Zrnitost vyjadřuje rozměr brousicího zrna (zrnitost x 10 = rozměr zrna v µm)  čím vyšší číslo, tím hrubší zrno  Tvrdost - je identifikovaná soudržností hmoty brousicího materiálu. Pravidlo „Čím tvrdší broušený materiál, tím měkčí materiál brousicí“ . Samoostření, uvolňování otupených zrn Struktura - vyjadřuje vzdálenost mezi brousicími zrny nebo také hutnost. Čím menší číslo, tím je vzdálenost mezi zrny menší a hutnost větší a naopak. Hutná struktura – broušení tvrdých a křehkých materiálů. Pórovitá struktura materiály – broušení houževnatých materiálů

6.2 Diamantové brousicí materiály Diamantové brousicí materiály jsou naneseny na pracovní část brousicího nástroje Pojiva – kovová a pryskyřicová Charakteristika - základní surovina diamantových zrn - druh diamantového prášku - zrnitost - koncentrace diamantů Použití - broušení tvrdých a těžko obrobitelných materiálů - jemné dokončovací broušení - ostření řezných nástrojů se slinutými karbidy - dokončovací broušení a lapování

6.3 Brousicí materiály z kubického nitridu bóru Zrna kubického nitridu bóru jsou nanesena na pracovní část brousicího nástroje Pojiva – organická, kovová a keramická Charakteristika - zrnitost - koncentrace KNB Použití - broušení tvrdých a těžko obrobitelných materiálů - ostření řezných nástrojů se slinutými karbidy - tvarové broušení zplna

DTB Technologie obrábění Konec přednášky + Téma 3 NÁSTROJOVÉ MATERIÁLY Děkuji za pozornost