Rezni alati od tvrdog materijala oslojeni aluminijum oksidom

2

Uvod

Istorija reznih alata je obeležena periodičnim pronalazcima materijala koje imaju za posledicu dramatična poboljšanja u produktivnosti. U 1890 - oj je velikom brzinom krenuo razvoj čelika. Kasnije su došli obojeni materijali, a još kasnije, u 1920-oj, cementirani karbidi su postali dostupni. Pored razvoja karbida, mnogi drugi alati za rezanje materijala su razvijeni uključujući i karbide, kermete, keramičke alate za sečenje razne vrste, kubni bor nitrid i dijamant - ali niko nije imao neposredni i neodoljiv komercijalni uspeh kao što su oslojavani materijali.

Oslojavanje - Titanijum karbida (TIC) je uveden komercijalno 1969. Od tada, mnoštvo premaza je razvijeno i obuhvataju: titanijum nitrid (PIB), Hafnium karbid i nitrid, cirkonium nitrid, karbon nitrid, sadržaji premaza bora, i razni oksidi, uključujući i aluminijum oksid (Al, O).

Najuspešniji premazi za opštu obradu su Tic, PIB-a i Al, O,. Svaka od ovih premaza je efikasan U prilično pojednostavljenoj obradi, PIB oslojavanje je poželjno pri niskim brzinama, jer je najefikasniji u sprečavanju gomilanja metala. Tic, - zbog svoje tvrdoće na niskim i srednjim temperaturama najviše je efikasan na "Medium" brzinama gde dinamička abrazija dominira i predstavlja mehanizam neuspeha. Sloj koji obezbeđuje najveći potencijal za poboljšanje produktivnosti je i oksid. Prednost oksida, leži u činjenici da je inertan i da hemijski zadržava svoje tvrdoće višim temperaturama u odnosu na druge vrste oslojavanja.

Danas se oksidni premazi obicno dobijaju iz više proizvoda gde su sva tri od ovih premaza kombinovana u pokušaju da se ostvare najbolje osobine svakog od njih. Dva oblika Al2O3, dostupni su: Alpha formular koji je stabilna verzija, i Kappa formular. Alpha je najčešći oblik i verovatno najbolji oblik za obradu sivog liva. Nedavno K- Al2O3, je stabilizovan u tanko slojnom obliku. Njegove prednosti su fina zrna strukture, a on je generalno slobodniji od nedostataka nego Alpha obrazac. Proces taloženja za KVB i Al2O3, premaza je dobro uspostavljen. Formiranje ovog oksida može opisati pomoću sledeće reakcije:

2AlCl3 (g) + 3CO2(g) + 3H2(g) Al2O3(s) + 3CO(g) + 6HCl(g)

3

Prednosti oslojenjih materijala

Skoro svi karbidi koji se koriste u mašinskoj obradi danas su presvučeni. Što se tiče produktivnosti, prisustvo premaza omogućava značajno povećanje brzine rezanja koja se može dobiti bez habanja. Brzina rezanja je najisplatljiviji način da iskoriste premaz. Poboljšanje produktivnosti uz pomoć Al2O3 prikazano je u tabelama.

Slika 1 Moguće poboljšanje produktivnosti sa Al2O3

Povećanje brzina rezanja sa alatima oslojenjim Al2O3, može značajno da poboljša produktivnost. Poboljšanje produktivnosti je još dramatičnije kod obrade livenog gvožđa iako razlog zašto je to tako još nisu u potpunosti poznati.

4

Fleksibilnost je takođe značajna korist. Veća znanja i iskustva stečena tokom poslednje dve decenije je dovela su do razvoja raznih oslojenih proizvoda. Zbog tvrdoće, otpornosti na habanje i hemijska stabilnost koje mogu biti dobijene korišćenjem oslojenih materijala, oni imaju veću primenu u odnosu na ne oslojene materijale Na primer, za nepremazan karbid, korisnik je primoran da prihvati veliko smanjenje otpora i lom u cilju dobijanja otpora na habanje.

Praktične prednosti za to su šematski ilustrovani na slici. Generalno, određena minimalna žilavost je potrebna da bi alat bio neupotrebljiv.

Slika 2 Habanje i otpor za obložene i neobložene materijale

Sa današnjim mašininama alatkama, visoke temperature i teška čip opterećenja su zajednička i uspešan materijal alata mora da ih izdrži. Opterećenje nosećeg krila, ispupčenih bočnih ivica, i, u nekim slučajevima, isecanja, može biti smanjeno kada je alat obložen Al2O3. Otpornost, deformacije i žilavost su prvenstveno funkcije podloge i na njih ne utiče prisustvo ili odsustvo oslojenja.

Najvažnija prednost koju, Al2O3 premazi daju je difuzni otpor ili krater nose. Cratering je ozbiljan problem u obradi obojenih materijala i postaje sve značajniji kako se temperatura (brzina) se povećava. Ovaj proces može biti predstavljen, na pojednostavljen način, kao ispadanje materijala alata u radni materija. Zato ova reakcija zavisi pre svega od stabilnosti alata materijala u prisustvu radnog materijala, najvažniji sloj parametar je slobodan energija formacije u prisustvu posla materijala. Nažalost, ova računanja su veoma komplikovana i nisu učinjena. Iako tačne kalkulacije nisu uradili, iskustvo je pokazalo da se standard slobodne energije formiranja može koristiti za približno relativne performanse različitih premaza. Praktični rezultati toga su prikazani na slikama, gde se može videti da je na velikim

5

brzinama, gde su hemijski faktori relativno više važniji od mehaničkih faktora, koje premaz pruža. Najveći radni vek alata je oksidni sloj.

Slika 3 Slobodno formiranje energije i temperatura za različite materijale alata

Slika 4 Otpora protiv debljine nanosa materijala za različite alatke

6

Betonirani karbitni alati oslojeni aluminijum oksidom

Tvrdoća je još jedna važna promenljiva, iako izolacija može ostati hemijski netaknuta. Efikasnost i temperatura je povećana. Ispod temperature od 500 ° C teško je ocekivati da premaz može ostvariti najbolju otpornost na habanje. Iznad te temperature - i u mnogim operacijama čelikom gde brzina prevazilazi 200 m / min (650 sfpm) temperatura prelazi 1000 ° C i Al2O3 oslovanje je teže i obezbeđuje najbolju otpornost na habanje, i na krilu i u čip kontaktu.

Prvi stepen habanja značajno se povećava posle probijanja presvučenog sloja. Relativno niske stope habanja su oko male debljine nanosa, onda se stopa povećava.

Slika 5 Vreme za za izradu alata sa različitim debljinama nanosa Al2O3

Drugo, čak i posle nanosa premaza, stopa je povećana usled kontakta između čipa i podloge, stopa po kom je levak dubine povećan pod snažnim uticajem prisustva premaza na ivici levka.

Treće, otpor je direktno proporcionalan debljini premaza. Ova linearna zavisnost važi bez obzira na to kako neko bira da definiše rast levka.

7

Slika 6 Alat presvučen Al2O3 i TIC – brzina sečenja = 230m/min

Slika 7 Alat presvučen Al2O3 i TIC – brzina sečenja = 300m/min

8

Otpornost na habanje prvog raste sa porastom debljine sloja, onda se povećava iznad 5-6 mikrona po nivou.

Razlog za ovo izravnavanje off performansi odnosi se na činjenicu da kritički region za habanje čini da se stvori uska zona na dnu. Sloj treba da pokrije samo ovu zonu i da obezbedi kontakt između sečiva i obratka i da poboljša otpornost na habanje.. Kako se povećava brzina sečenja, tako i hemijski sloj postaje uticajniji i Al2O3 sloj obezbeđuje duži radni vek alata.

Ugrađivanje do ivice

Ugrađivanje do ivice je problem posebno na niskim brzinama i nastaje kada čestice materijala vrše pritisak na zavarenu ivicu alata. Kao što se brzine povećavaju, čip prelazi sečivo suviše brzo. Imajući ovo u vidu, serija eksperimenata je urađena gde je obim skupljanja na ivici obložen različitim premazima, meren u funkciji brzine.

Slika 8 Alat presvučen Al2O3 i TIC – brzina sečenja = 130m/min

9

Slika 9 Količina gomilanja sloja u zavisnosti od brzine za razne materijale alata

Dok su nitrid slojevi najefikasniji, Al2O3 je takođe efikasan i poželjniji nego neoslojeni materijali.

Isecanje

Dubina rezne linije isecanja je komplikovaniji neuspeh mehanizma, jer mnogi faktori mogu da doprinesu tome. Isecanje je obično uzrokovano mehaničkim sredstvima kao što je, abrazija površine ili obim rada otvrdne sloj, itd. ali može biti uzrokovana hemijska interakcija između radnog materijala i alata. Može se videti da, alat obložen Al2O3 nudi bolje performanse u odnosu na druge alate. Razlozi za ovakvo ponašanje su isti kao oni predstavljeni za otpor.

Višeslojni premazi

Danas je trend kombinovanje više prevlaka u jednom uređaju kako bi dobili prednosti svakog sastava. Pod pretpostavkom da su pojedinačni slojevi dovoljne debljine da bi bili efikasni,

10

trebalo bi da bude moguće da se dobije materijal koji je otporan na Build-a zbog prisustva PIB, otporan na abraziju i habanje zbog prisustva TIC. Iako ovaj cilj verovatno nikada neće biti u potpunosti ostvaren, poboljšanjem tehnike vezivanja i razvoja vrhunske podloge je rezultiralo veoma širok asortiman proizvoda. Multi- sloj proizvodi su zaista opšte namene. Ovi višeslojni proizvodi obično imaju premaz debljine koji se kreće od 5-15 µm (U zavisnosti od primene), ali su obično 10 - 12 µm.

Slika 10. Zarez dubine u odnosu na vreme za alate obložene PIB, TIC i A2O3

Stalna renukleacija različitih slojeva zadržava malu veličine zrna koja rezultiraju glatkijim, višeslojnim premazom. Ovo je korisno u izgrađivanju od ivice.

Premazi namenjeni za niske brzine rada - navoji, ukopavanje, odsecanje, ili teško sečenje ili brušenje - obično su tanki (-5 µm) i sastoje se od baze titanijum premaza i retko sadrže Al2O3. Na drugoj strani, umeci koji su namenjeni za operacije velikih brzina ili su namenjeni tržištu livenog gvožđa obično imaju deblje Al2O3 slojeve.

11

Literatura

J. i S. Skogsmo Vuorinen, Metalurški premazi 1990: Zbornik radova Međunarodne konferencije, Elsevier, (1990)

T.E. Hale i D.E. Zagrevanje, reznog materijala alata, ASM Conference Proceedings, ASM, str 175 (1981).

D.E. Graham i T.E. Karbid i alatke za časopis, Vol. 14, No 3, s. 34 (1982).

A.T. Santhanam i P. Tirni, "Betonirani Karbidi," Metali - Priručnik - Deveto izdanje, vol 16, ASM, str 71.

12

Sadržaj

Uvod ................................................................................................................................................ 2 

Betonirani karbitni alati oslojeni aluminijum oksidom .................................................................. 6 

Ugrađivanje do ivice ....................................................................................................................... 8 

Isecanje ........................................................................................................................................... 9 

Višeslojni premazi .......................................................................................................................... 9 

Literatura ....................................................................................................................................... 11 

Sadržaj........................................................................................................................................... 12