Transcript
Page 1: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

MATERIALE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢIA

SCULELOR AŞCHIETOARE

2.1 Proprietăţile materialelor pentru scule

Fenomenele fizice care însoţesc prelucrarea prin aşchiere, impun

materialului din care este confecţionată partea activă a unei scule aşchietoare

următoarele proprietăţi:

rezistenţă mecanică, în special la eforturile de compresiune sau

încovoiere, suficientă pentru a suporta eforturile de aşchiere;

duritatea să fie superioară durităţii materialului de aşchiat;

termostabilitate, ceea ce reprezintă capacitatea materialului de a-şi

menţine proprietăţile mecanice, în special duritatea şi rezistenţa la

încovoiere în urma încălzirii şi menţinerii la o anumită temperatură

(temperatura de stabilitate); depăşirea temperaturii de

termostabilitate provoacă transformări structurale ireversibile, cu

scăderea pronunţată a calităţilor mecanice;

rezistenţa la uzură, la cald şi la rece.

În plus, acestor materiale li se mai cere o bună călibilitate, prelucrabilitate

prin aşchiere ridicată, conductibilitate termică suficientă pentru asigurarea evacuării

rapide a căldurii degajate în procesul de aşchiere, preţ de cost scăzut, etc.

Cu toate că aceste proprietăţi sunt determinate de compoziţia chimică şi

structura internă, calitatea materialului folosit pentru construcţia părţii aşchietoare a

sculelor este apreciată prin duriatatea sa, considerându-se că o valoare a durităţii

de 62-64 HRC este suficientă în majoritatea cazurilor.

Materialele folosite la confecţionarea sculelor aşchietoare, care corespund

proprietăţilor enumerate, sunt: oţelurile carbon de scule, oţelurile aliate,

Page 2: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

amestecurile din carburi metalice, materialele mineralo-ceramice şi materialele

extradure.

2.2 Oţeluri carbon pentru scule

Aceste materiale au conţinutul în carbon cuprins între 0,7 - 1,4 %, fără alte elemente

dealiere, prezentând o structură perlitică-feritică

sau perlitică cu carburi în exces – în starerecoaptă – şi o structură martensitică dură înstare

călită. Duritatea oţelurilor carbon pentruscule este influenţată de procentul de carbon curbele

referindu-se la: 1- stare

recoaptă, 2 – stare forjată, 3 – stare călită.

Tratamentul termic de recoacere pentru obţinerea perlitei globulare se face prin

încălzire la cca. 740°C, urmată de răcire lentă în cuptor, urmărindu-se îmbunătăţirea

prelucrabilităţii prin aşchiere.

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Călirea oţelului carbon de scule are drept scop obţinerea unei structuri

martensitice dure, încălzirea realizându-se la o temperatură la care carbonul este

dizolvat în fier γ, formând austenita. Pentru oţelurile hipoeutectoide OSC 7 şi OSC

8, după diagrama Fe – C, temperaturile de călire depăşesc cu 40 - 60°C linia critică

superioară AC3, iar pentru oţelurile hipereutectoide OSC 9 – OSC 13 temperaturile

de călire depăşesc cu 40 - 60°C linia critică inferioară, respectiv linia A1. Creşterea

exagerată a temperaturii de călire trebuie evitată, întrucât aceasta poate duce la

decarburare, la producerea de fisuri, precum şi la pătrunderea exagerată a călirii,

cu deformarea materialului.

Aceste oţeluri prezintă o călibilitate redusă, stratul de călire având o

adâncime cuprinsă între 3 şi 8 mm.

Viteza de răcire trebuie să fie ridicată, pentru a trece în martensită o cantitate

cât mai mare de austenită, motiv pentru care se foloseşte drept agent apa sau apa

cu săruri.

Page 3: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

Duritatea după călire este de 64 – 67 HRC, oţelul prezentându-se tensionat,

fragil şi sensibil la fisurare. Pentru înlăturarea cestor inconveniente, se practică o

revenire, în urma căreia duritatea scade la 61 – 63 HRC, iar starea de tensiuni

interne se diminuează.

Revenirea constă din încălzire la cca. 150 - 240°C, revenire joasă, urmată de

răcire lentă. Pentru sculele care necesită o tenacitate mai ridicată (cazul burghielor

cu diametre sub 1 mm), pentru a le asigura o rezistenţă mai mare la şocuri, se

măreşte temperatura de revenire la 200 - 240°C, ceea ce duce, însă, la o reducere

a durităţii, până la 58 – 61 HRC.

Principalele neajunsuri ale oţelului carbon sunt următoarele: termostabilitate

scăzută (200 - 250°C), dictată de temperatura de revenire, pericolul decarburării

stratului superficail în timpul operaţiilor de rectificare sau ascuţire, deformare la

tratament termic, adâncime redusă de călire.

În prezent, oţelurile carbon de scule se folosesc la construcţia sculelor care

lucrează cu viteze reduse – sub 20 m/min – sau a sculelor cu acţionare manuală,

respectiv fileiere, tarozi sau alezoare.

Oţelurile carbon de scule sunt standardizate prin STAS 1700 – 80.

2.3 Oţeluri aliate pentru scule

Acestea conţin, pe lângă carbon în proporţie de 0,7 – 2,2%, şi alte elemente

de aliere, precum: wolfram, crom, vanadiu, nichel, molibden, mangan, etc.,

elemente care conferă acestor oţeluri proprietăţi superioare.

Dintre mărcile uzuale, pot fi enumerate oţelurile cu crom, C 120, C 15, cele

aliate cu wolfram, VCW 45, VCW 50, precum şi cele aliate cu mangan, VM 18.

Procentele de materiale de aliere se situează, în general, sub 6% pentru

fiecare element. Prezenţa lor asigură oţelurilor o termostabilitate crescută, 350° -

400°C, fapt pentru care vitezele de aşchiere pot atingr valori de 30 – 35 m/min.

Elementele de aliere au drept scop principal îmbunătăţirea călibilităţii oţelului,

mărind duritatea după călire şi adâncimea stratului călit.

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Page 4: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

O importanţă deosebită în construcţia sculelor prezintă oţelul C 120, datorită

proprietăţilor sale. Prezenţa carburilor dure de crom îi asigură o rezistenţă sporită la

uzura abrazivă, iar procentajul ridicat de carbon şi crom îi asigură proprietăţi de

autocălire (motiv pentru care sculele prelucrate la cald trebuie răcite foarte lent).

Călirea se realizează prin încălzire la temperatura de 950° - 1050°C, cu

răcire directă în ulei sau baie de KNO3, încălzită la 400° - 500°C.

Temperatura de revenire variază în funcţie de temperatura de călire, fiind

cuprinsă în limitele 150° - 200°C, pentru călirile joase, respectiv 220° - 270°C

pentru călirile înalte.

Pentru sculele de precizie ridicată, de forme complexe, cu variaţii

dimensionale minime după tretamentul termic, se recomandă călirea sub 0°C, cu

răcire în băi de săruri, la temperaturi de − 70° - − 90°C. Sculele se introduc în

refrigerator învelite în azbest.

Oţelul C 120 are proprietatea remarcabilă de a fi stabil faţă de deformaţiile

cauzate de tratamentul termic, în special dacă se efectuează o răcire în trepte, fapt

ce îl recomandă pentru confecţionarea broşelor, filierelor sau tarozilor.

2.4 Oţeluri rapide

Aceste materiale au un conţinut înalt de materiale de aliere, wolframul, de

exemplu, ajungând la 20%, ceea ce determină o termostabilitate ridicată a

acestora, cuprinsă între 600° şi 650°C, putând lucra la viteze de aşchiere de până

la trei ori mai mari decât sculele din oţeluri carbon de scule (50 – 60 m/min).

Mărcile de oţeluri rapide româneşti sunt de la Rp1 la Rp5, cel mai uzual fiind

oţelul Rp3, care are în compoziţie 18% W, 4% C, 1% V. Acest tip de oţeluri sunt

standardizate conform STAS 7382-88.

Influenţa elementelor de aliere se manifestă astfel:

Carbonul, în procent de până la 0,6%, determină formarea structurii

martensitice dure, precum şi proprietăţile de rezistenţă mecanică la şocuri,

rezistenţă la uzură la rece, etc. Majorarea procentului de carbon nu este favorabilă,

acest lucru determinând creşterea conţinutului de austenită reziduală.

Page 5: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

Wolframul reprezintă elementul principal de aliere, prezentându-se sub forma

carburilor complexe de wolfram şi fier, Fe3W3C, în care se dizolvă vanadiu. Aceste

carburi asigură oţelului rapid termostabilitate ridicată (cca. 600°C), duritate de 63 –

65 HRC, precum şi rezistenţă la uzură, la rece şi la cald.

S-a constatat că, odată cu creşterea procentului de wolfram, de la 8 – 9%,

până la 18%, procentul de wolfram din soluţia solidă – martensită nu creşte, deci

nici termostabilitatea nu se măreşte. Pe această bază, s-au elaborat mărcile de oţel

rapid Rp5, Rp9, Rp10, Rp11, de înlocuire, care conţin numai 9% W, dar care, având

un procent redus de carburi nedizolvate, manifestă o rezistenţă scăzută la uzură la

rece.

Cromul determină o creştere a călibilităţii, dar, mărirea procentajului peste 5

– 6%, duce la creşterea conţinutului de austenită reziduală şi la scăderea

pronunţată a prelucrabilităţii.

Vanadiul trece în carbură de vanadiu, cu duritate foarte ridicată, imprimând

oţelului rapid o rezistenţă la uzură crescută.

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Cobaltul conduce la creşterea termostabilităţii oţelului rapid, conţinutul

raţional de cobalt fiind de 5 – 15%.

Tratamentul termic al oţelului rapid se compune din călire la temperatură

înaltă, 1270 - 1290°C, pentru Rp3, iar pentru evitarea fisurării, acasta se face în

două sau trei trepte. Menţinerea la temperatura de călire se realizează în funcţie de

configuraţia piesei, fiind recomandată între 6 – 8 secunde/ mm de gosime a piesei

călite.

Răcirea se recomandă a fi efectuată în trepte şi, ca mediu, băile de azotat de

potasiu, încălzite la 400° - 500°C.

Revenirea are drept scop detensionarea martensitei primare, transformarea

austenitei reziduale în martensită şi uniformizarea durităţii. Consecinţa imediată a

revenirii este creşterea uşoară a durităţii, mărirea termostabilităţii şi a calităţilor

mecanice ale materialului sculei.

Revenirea oţelului rapid este înaltă, la cca. 550° - 570°C, şi se recomandă a

fi repetată de 2 – 3 ori, pentru micşorarea procentului de austenită reziduală.

Page 6: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

Uneori, acest proces poate fi continuat prin tratament sub 0°C, până la aproximativ

−80°C .

O îmbunătăţire substanţială a proprietăţilor materialelor pentru scule

aşchietoare se obţine prin practicarea tratamentelor termo-chimice, respectiv

cianurare, sulfizare, fosfatare, cromare.

2.5 Carburi metalice sinterizate (metalo-ceramice)

Materialele sinterizate din carburi metalice utilizate în construcţia părţii

aşchietoare a sculelor se compun din carburi de wolfram, titan şi tantal, legate între

ele cu ajutorul unui liant, respectiv cobaltul. Procesul de sinterizare se referă la

tratamentul termic aplicat pulberilor de carburi, omogenizate prin amestecare şi

presate în matriţă, pentru stabilirea formei, tratament care constă în încălzire în

cuptoare cu vacuum, la temperaturi între 1300° - 1600°C, urmată de revenire.

Datorită proprietăţilor lor generale, referitoare la duritate peste 80 HRC,

rezistenţă mare la uzură şi, în special, o mare stabilitate termică, până la 900°C,

carburile metalice se utilizează la prelucrarea prin aşchiere a majorităţii materialelor

metalice şi nemetalice, cu viteze de aşchiere foarte mari, comparativ cu sculele

confecţionate din celelalte materiale (100 – 300 m/min).

Greutatea specifică a materialelor sinterizate permite aprecierea porozităţii,

care se găseşte, în general, în limitele 1 – 2%. O porozitate redusă, deci o greutate

specifică ridicată, indică o calitate înaltă a materialului aşchiat.

Conductivitatea termică redusă a materialelor metalo-ceramice le face

sensibile la variaţii de temperatură. Operaţiile de lipire a plăcuţelor dure pe corpul

sculei, precum şi operaţiile de ascuţire şi rectificare trebuie relizate în condiţii

speciale, pentru evitarea fisurării.

Duritatea carburilor metalice sinterizate creşte odată cu mărirea conţinutului

de carburi şi scade odată cu creşterea procentajului de cobalt.

Rezistenţa la uzură a carburilor sinterizate este superioară oţelului rapid, iar

rezistenţa la compresiune a acestor materiale este foarte ridicată, cca. 400 daN/

mm2 şi creşte odată cu creşterea durităţii.

Page 7: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Rezistenţa la încovoiere este, în general, scăzută şi, legat de aceasta, este

scăzută rezistenţa la şocuri, aceasta fiind cu atât mai mică, cu cât rezistenţa la

compresiune şi duritatea sunt mai ridicate, deci, cu cât conţinutul de cobalt este mai

redus.

Plasticitatea scăzută şi fragilitatea sunt dezavantajele esenţiale ale carburilor

metalice sinterizate. La unele tipuri de carburi, odată cu creşterea temperaturii în

procesul de aşchiere, creşte plasticitatea şi scade fragilitatea. De aceea, în

domeniul vitezelor mici şi mijlocii, durabilitatea acestor materiale poate fi mai mică

decât a oţelului rapid, fapt ce nu le recomandă pentru utilizare.

În ceea ce priveşte compoziţia amestecului de carburi metalice, aceste

materiale se împart în două mari grupe:

Amestecuri conţinând carbură de wolfram şi titan, sinterizate în liant

de cobalt, simbolizate, conform I.S.O., prin P şi M;

Amestecuri conţinând carbură de wolfram, avâd ca liant cobaltul,

simbolizate prin K.

Indicaţiile de utilzare a acestor varietăţi de carburi metalice sinterizate au în

vedere compoziţia materialului prelucrat, tipul operaţiei (degroşare, finisare),

precum şi tipul de aşchie degajată (aşchie de curgere, aşchie de rupere, etc.).

Materialele din grupele P şi M sunt indicate la prelucrarea oţelului şi a

materialelor neferoase, care dau aşchii de curgere, având o bună rezistenţă la

uzură şi stabilitate termică ridicată, determinate de prezenţa carburii de titan.

În cazul prelucrării materialelor care dau aşchii de rupere, cazul fontelor, se

recomandă folosirea amestecurilor care conţin numai carbură de wolfram, respectiv

grupa K, care este mai puţin dură decât carbura de titan, dar mai tenace.

De asemenea, sunt elaborate plăcuţe din carburi metalice, acoperite

superficial cu un strat foarte rezistent la uzură, carbură de titan, nitrură de titan, sau

cu un strat dublu carbură de titan şi oxid de aluminiu, sau acoperire cu pulbere de

diamant. Asemenea materiale “sandwich” permit creşterea vitezelor de aşchiere la

finisare cu 30 – 50%.

Materialele metalice sinterizate pentru scule se produc sub formă de plăcuţe,

destinate fie lipirii pe corpul sculei, fie fixării mecanice, numite plăcuţe schimbabile,

şi care nu se ascut. Formele si dimensiunile plăcuţelor schimbabile sunt prevăzute

Page 8: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

în STAS 1930/0 – 1930/5 – 1980, iar ale celor pentru lipire în STAS 6373/1 –

6373/4 – 1986.

2.6 Materiale mineralo – ceramice

Aceste materiale rezultă prin sinterizarea pulberilor de oxid de aluminiu,

Al2O3, sau în amestec cu alte carburi metalice, carbura de titan, fără liant, fiind

livrate sub formă de plăcuţe pentru armarea părţii active a sculelor.

Sunt caracterizate printr-o rezistenţă la uzură foarte mare, o duritate

superioară (90 – 92 HRA), o stabilitate la cald foarte ridicată – până la 1100°C –

ceea ce permite prelucrări cu viteze de aşchiere de 200 -–600 m/min. În schimb, au

o fragilitate ridicată, utilizarea lor fiind limitată la prelucrări de finisare, în absenţa

şocurilor.

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Geometria tăişului din materiale mineralo-ceramice are unghiul de degajare

cu valori negative, pentru a transforma solicitarea de încovoiere a părţii aşchietoare

într-o solicitare preponderent de compresiune.

2.7 Materiale extradure

O largă răspândire au sculele care folosesc ca parte activă materiale cu

duritate mai mare decât a carburilor sinterizate. Acestea sunt cunoscute sub

denumirea de materiale extradure, în acestă categorie intrând diamantul şi nitrura

cubică de bor.

Page 9: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

2.7. 1 Diamantul

Este folosit sub formă de monoicristal sau pulbere înglobată într-o masă de

liant, respectiv corpuri abrazive. Diamantul industrial este, în general, de tip sintetic,

obţinut din grafit de puritate 99,8%, la o presiune cuprinsă în limitele 0,7⋅105 –

1,5⋅105 daN/cm2 şi la temperatura de 3000°C. Culoarea diamantului sintetic variază

de la cenuşiu la verde deschis. Dimensiunile cristalelor acoperă domeniul 0,2 – 0,3

mm, având un număr mare de muchii aşchietoare, prevăzute cu unghiuri de

ascuţire β = 70° - 110° şi raze de bontire de ordinul a 6 – 10 μm. În cazul strunjirii,

cristalele care armează cuţitele au unghiuri de degajare negative, −3° - −8°, iar

suprafaţa de aşezare se şlefuieşte, pentru a obţine raze de bontire de până la 5 –

10 μm.

Diamantul natural este cel mai dur material, având microduritatea de 10 000

daN/mm2, faţă de 4000 – 9000 daN/mm2 la nitrura cubică de bor, de 2300 daN/mm2

la materialele mineralo-ceramice, de 1500 daN/mm2 la materialele metalo-ceramice

şi de 850 daN/mm2 la oţelul rapid.

De asemenea, prezintă o bună conductivitate termică, de 9 ori mai mare

decât SiC şi de 3÷5 ori mai mare decât a carburilor metalice. Rezistenţa la uzură

este de 100÷200 de ori mai mare decât a materialelor abrazive (SiC, Al2O3) la

prelucrarea oţelurilor, respectiv de 3000÷6000 de ori mai mare la prelucrarea

carburilor metalice.

Utilizarea diamantului este raţională la prelucrarea materialelor neferoase,

având în vedere că prelucrarea materialelor feroase este însoţită de difuzia atomilor

de carbon în reţeaua fierului, ceea ce determină uzura rapidă a cristalelor de

diamant.

2.7.2 Nitrura cubică de bor (N.C.B.)

Este o sare a acidului azotic, cristalizată în sistemul cubic, în urma unui

tratament termic şi de presare (3500°K şi 105 daN/mm2). Denumirea comercială

Page 10: Materiale Pentru Scule Aschietoare - Refacut

este Borazon (SUA) sau Elbor, cu liant metalic nichel – cobalt şi Cubonit (Rusia),

Amborit, cu liant ceramic sau Semibor.

Procesul de obţinere a NCB din nitrura de bor, cristalizată în sistemul

hexagonal, este asemănător celui de obţinere a diamantului sintetic.

Câteva proprietăţi fizice ale NCB: densitate 3,45 g/cm3, duritate (HV) max.

9000 daN/mm2, stabilitate termică 1300°C.

Materiale utilizate în construcţia sculelor aşchietoare

Se remarcă duritatea foarte mare a NCB, apropiată ca valoare de cea a

diamantului, precum şi stabilitatea termică superioară acestuia. Trebuie remarcat

că, spre deosebire de diamant, NCB nu prezintă tendinţa de a reacţiona cu fierul

(diamantul are tendinţa de grafitizare la temperaturi de 700 - 800°C şi de reacţiona

chimic cu fierul).

Acest material este folosit, în special, pentru confecţionarea sculelor

abrazive. Cristalele de NCB, avâd mărimi cuprinse între 15 – 600 μm, sunt livrate

sub formă simplă, metalizate sau înglobate câte două – trei cristale într-un liant dur

(răşini, carburi metalice, sticlă).