Materiały narzędziowe

Wstęp

Materiały narzędziowe są to materiały stosowane do wyrobu części roboczych lub całych narzędzi. Główne własności materiałów narzędziowych.

Wymagania:
H – twardość
R – twardość mierzymy na twardościomierzu Rocvella
C - skala
a) twardość narzędzia – powinna przewyższać twardość materiału narzędziowego od 20 – 30 HRC, np. stal szybkotnąca hartowana to ok. 63 HRC. Narzędziem z tej stali można obrabiać materiały o twardości od 33-43 HRC.
b) Odporność na wysoką temp.
Podczas skrawania narzędzie nagrzewa się przy dużych prędkościach do wysokich temp. Może wtedy osiągnąć temp. Wyższą od temp. opuszczania danego materiału narzędziowego przez co ostrze ulega szybkiemu stępieniu. Wzrostowi temp. narzędzia możemy zapobiec stosując chłodzenie.
c) Odpowiednia wytrzymałość
Rodzaj wymaganej wytrzymałości zależy od rodzaju narzędzia.
d) Odporność na ścieranie
Właściwość ta wymagana jest od wszystkich narzędzi. Szczególnie zaś od tych, które podczas obróbki muszą zachować odpowiedni wymiar (np. rozwiertak).
e) Zachowanie się podczas hartowania
Po hartowaniu pożądane jest aby była zachowana odpowiednia twardość, odpowiednia głębokość, oraz nieprzegrzewalność stali. Narzędzia hartujemy w oleju lub w powietrzu.

Materiały narzędziowe

Stale narzędziowe niestopowe (węglowe) – stale te posiadają małą zawartość fosforu i siarki. Posiadają zawartość węgla w granicach (0,38-1,3%). Odznaczają się niską temperaturą skrawania do ok. 250◦C, a potem tracą własności. Mają małą odporność na ścieranie. Ich twardość zależy od zawartości węgla i waha się w granicach 56-62 HRC. Stale te hartujemy w wodzie. Ze stali niestopowych wykonujemy narzędzia o mało skomplikowanych kształtach.

Stale narzędziowe niestopowe

Stale niestopowe płytko hartujące:

N7E do N13 E

Stale niestopowe głęboko hartujące:

N5 do N13

Stal zgrzewalna

N42 do N52
N – stal narzędziowa
7 – zawartość węgla wyrażona w 0,1 częściach %
E – płytko hartująca

Te gatunki stali wykorzystuje się np. na chwyty narzędzi. Ze stali narzędziowych niestopowych wykonuje się narzędzia do obróbki ręcznej metali np. wiertła do drewna. Narzędzia te nie mogą pracować z dużymi szybkościami skanowania.

Stale narzędziowe stopowe oprócz węgla, niewielkich ilości manganu i krzemu, oraz szkodliwych domieszek fosforu i siarki, zawierają inne składowe:

- chrom, - nikiel, - mangan i krzem, - wolfram, - woligdem, - wanad, - kobalt

Składniki stopowe dodaje się w celu uzyskania pewnych określonych własności. Lepszych własności fizycznych i chemicznych.
Oznaczenie stali:
NWV – wolframowo-wenodowa
NCG – stal kobaltowa

Stale stopowe do pracy na zimno – mogą pracować tylko w temp. do około 180◦C.
Przeznaczenie stali:
- narzędzia do obróbki ręcznej

Oznaczenie stali:
WWS – wolframowo krzemowa
WCV – chromowa wanadowa
Stale stopowe do pracy na gorąco - nie są stosowane na narzędzia skrawające. Stosuje się je na narzędzia przeznaczone do obróbki plastycznej metali nagrzewanych do temp. plastyczności.

Oznaczenie stali:
SW 18 – stal szybkotnąca wolframowa – 18%
SK 5 – stal kobaltowa

Stale szybkotnące – stale te zaliczamy do stali stopowych.
Stale te zachowują twardość i zdolność skrawania przy szybkościach i grubościach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się narzędzi do temp. 650◦
Twardość tych narzędzi wynosi 61-63 HRC

Przeznaczenie:
Ze stali tych wykonuje się narzędzia przeznaczone do obróbek mechanicznych.
Stale szybkotnące są stalami drogimi dlatego należy je stosować na ostrza narzędzi.

Narzędziowe stopy lane – satelity.

Satelity są to stopy kobaltu, chromu, wolframu, manganu, węgla, i krzemu. Stosuje się je na narzędzia skrawające lane np. frezy, płytki skrawające itp. Stosowane są one przede wszystkim tam, gdzie wymagana jest duża trwałość, twardość i odporność na działanie chemikaliów np. kwasu siarkowego. Narzędzia odlewa się w formach. Po zastygnięciu twardość stelitu wynosi około 61 HRC. Odporność na temp. to 700-800◦C. Narzędzia wykonane ze satelitów nie podlegają obróbce cieplnej. Są bardzo odporne na ścieranie. Satelity są trudno obrabialne i podlegają tylko szlifowaniu czyli ostrzeniu ostrza. Żelazo w satelitach występuje w ilości od 3-10%. Obecnie stosuje się również na materiały stelitopodobne zawierające głównie żelazo i krzem. Żelazo zastępuje wolfram i kobalt. W materiałach stelitopodobnych żelazo występuje w ilości przekraczającej 50%.

Materiały narzędziowe ceramiczne – węgliki spiekane

Węgliki spiekane otrzymuje się w 3 fazach:
1. wytwarzanie proszków węglików metali trudno topliwych, głównie wolframu i tytanu. Oddzielnie wytwarza się proszek kobaltowy.
2. prasowanie w formach wymieszanych proszków, aby otrzymać odpowiedni kształt płytki ostrza narzędzia
3. spiekanie w piecu tunelowym w temp. 1400-1600◦C, przez określony czas, w którym to proszek kobaltu ulegnie prawie stopieniu i połączy pozostałe proszki węglików

Składniki węglików
Podstawowymi składnikami węglików spiekanych ą węglik wolframu lub węglik wolframu i tytanu związanych kobaltem. Dodatek węglika tytanu wpływa na zwiększenie twardości, oraz odporności na zużycie.

Własności skrawające węglików
Węgliki spiekane odznaczają się najlepszymi spośród wszystkich materiałów narzędziowych własnościami skrawającymi, przewyższającymi znacznie własności stali szybkotnącej. Charakteryzują się one dużą twardością, oraz dużą odpornością na ścieranie nawet w wysokiej temp. do ok. 700-1000◦C. Poważną wadą węglików spiekanych jest ich kruchość. Narzędzia wykonane z ostrzami z węglików spiekanych źle znoszą zmienne obciążenia, a jeszcze gorzej prace z uderzeniami. Do obróbki skrawaniem używa się następującej grupy węglików spiekanych.
1. Węgliki wolframowo-kobaltowo-tytanowe stosowane do obróbki stali i staliwa oznaczone: S10, S20, S30.
2. Węgliki wolframowo-kobaltowe stosowane do obróbki żeliwa i stopów lekkich oznaczone H10, H20.

Ponadto istnieje grupa węglików wolframowych stosowana na końcówki narzędzi pomiarowych, oraz końcówki głów oznaczona jako: G10, G20.

Spiekane tlenki metali.

Spiekane tlenki metali są to materiały narzędziowe ceramiczne. Podstawowym materiałem wyjściowym do produkcji płytek jest tlenek glinu (Al2O3).
Ponadto zawierają niewielkie ilości innych składników jak tlenek magnezu, oraz tlenki innych metali. Produkcja tych płytek odbywa się w następujących etapach:
a) wytworzenie tlenków metali
b) wytworzenie proszków tlenków metali
c) zmieszanie tlenków w odpowiedniej temp.
d) wytworzenie kształtek (płytek) – odbywa się to w formach przez prasowanie lub odlewanie pod ciśnieniem
e) spiekanie w temp. powyżej 1700◦C. Płytki takie odznaczają się wielką odpornością na ścieranie, oraz nie tracą własności skrawających do temp. 1200◦C. Poważną wadą wytwarzanych płytek są znacznie niższe wskaźniki wytrzymałościowe, oraz skomplikowany proces technologiczny.

W przemyśle używa się 2 rodzajów spiekanych tlenków metali
1. Białe – przeznaczone do obróbki żeliwa szarego i stali miękkich dużymi prędkościami skrawania.
2. Płytki czarne - przeznaczone do obróbki twardych żeliw i stali hartowanych, oraz do obróbki wszystkich materiałów (wykończeniowej).

Diament – materiał narzędziowy.

Diament jest to czysty węgiel występujący w postaci kryształu. Rozróżnia się diamenty:
a) naturalne – wydobywanie w kopalniach diamentów
b) sztuczne – otrzymywane w laboratoriach
Diament odznacza się największą wytrzymałością na ścieranie, oraz największą twardością. Diamentów używa się w przemyśle do toczenia metali nieżelaznych, gumy, fibry, ebonitu, bakelitu, a także stosuje się do wyrobu narzędzi ściernych.
Diament sztuczny otrzymuje się z grafitu, prasując go pod dużym ciśnieniem przy jednoczesnym nagrzewaniu do temp. ok. 4500◦C. Diamenty sztuczne są droższe niż naturalne.

Materiały na części chwytowe narzędzi.

Chwyty narzędzi walcowe, stożkowe, oraz pryzmatyczne najczęściej wykonywane są ze stali:
a) konstrukcyjnej wyższej jakości (45 lub 55)
b) stali narzędziowej niestopowej o zawartości węgla od 0,6%
Korpus narzędzi wielostożkowych wykonywane są ze stali konstrukcyjnej stopowej do ulepszania cieplnego. Korpusy głowic frezowych wykonywane są z żeliwa stopowego, a o dużych gabarytach ze stopu aluminium.