TECHNOLOGIE VÝROBY NÁSTROJŮ

Aplikační oblasti materiálů pro řezné nástroje jsou vymezeny jejich fyzikálními, tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Nástrojové materiály s vysokou tvrdostí lze použít při vyšších řezných rychlostech a malých průřezech třísky (dokončovací obrábění), kde převládá spíše tepelné zatížení nad mechanickým. Materiály s vysokou houževnatostí lze použít při vyšších posuvových rychlostech (hrubovací obrábění), kde v důsledku většího průřezu třísky převládá mechanické zatížení nad tepelným.

Pro vysoko výkonné obrábění se dnes používají nástroje převážně ze slinutého karbidu (vyráběného lisováním karbidického prášku s práškem pojivového kovu a následného slinování při teplotě blízké tavení pojiva) většinou s povrchovou úpravou zlepšující vlastnosti nástroje. A stále častěji se využívá řezná keramika, cermety a super tvrdé řezné materiály jako je diamant a kubický nitrid boru.

Tvrdokov - vysoce odolný materiál proti opotřebení

Použití tvrdokovu jako materiálu s vysokou odolností proti opotřebení je dáno jeho vlastnostmi: vysokou tvrdostí, vysokou pevností v tlaku, vysokým modulem pružnosti, dostatečnou houževnatostí, nepatrnou tepelnou roztažností, dobrou obrobitelností a nepatrnou tendencí k zavaření za studena.

Nejdůležitějšími mechanickými vlastnostmi jsou tvrdost, pevnost a houževnatost. Jejich znalost představuje důležitý základ pro správnou volbu druhu tvrdokovu. U tvrdokovů se všeobecně charakterizuje tvrdost Vickersovou zkouškou (ISO 3878) a pevnost zkouškou ohybem (ISO 3327). Charakteristika houževnatosti křehkých materiálů je relativně problematická. Používá se zkouška houževnatosti, která se může zjistit např. ze zatížení vzorku s jemným zářezem nebo z délky trhliny při Vickersově zkoušce otiskem. Pro určování houževnatosti tvrdokovů není k dispozici žádná norma ISO, ale jen doporučení svazu odborníků pro práškovou metalurgii - obor tvrdokovů.

Mechanické vlastnosti tvrdokovů

Mechanické vlastnosti se mohou u tvrdokovů velmi měnit. U tvrdokovů z WC-Co, které se používají přednostně při odolnosti proti opotřebení, jsou nejhlavnějšími prvky obsah Co a velikost zrna WC. Pevnost tvrdokovu v tlaku je jednoznačně vyšší než v ohybu, zatímco pevnost v tahu je jen asi 50 % pevnosti v ohybu. Z toho v podstatě vyplývá pravidlo používat tvrdokov tak, aby se vyhnul velkému zatížení v tahu. Zvětšení zrna WC vede zpravidla ke snížení tvrdosti a ke zvýšení houževnatosti. V podstatě lze konstatovat, že tvrdost charakterizuje odpor k abrazivnímu opotřebení, zatímco pevnost v ohybu a houževnatost charakterizuje chování trhliny a lomu.
Nejdůležitější vlastností, kterou se tvrdokov vyznačuje, je odolnost proti opotřebení. Tato vlastnost představuje kombinaci vyjmenovaných základních vlastností a ukazuje vztah k specifikaci použití. Opotřebení představuje úbytek povrchové vrstvy a nejlépe je lze vyzkoušet při praktickém testu, ale možné jsou i zkoušky v laboratorních podmínkách.

Druhy tvrdokovů

Rozlišujeme dvě hlavní skupiny tvrdokovů, jednak tvrdokovy WC-Co s nejširším použitím, jednak tvrdokovy obsahující příměsi karbidu, skládají se v zásadě z WC-TiC-TaNbC-Co. Poslední se používají pro obrábění. Vedle nich existují speciální tvrdokovy s odlišnými pojidly, např. Ni, Fe, Cr, eventuálně s odlišnými karbidy, např. Cr3C2, Mo2C, VC. K tvrdokovům se řadí také cermet, např. na bázi TiCN-NiMo-Co, který rovněž nachází použití v obrábění.
Označení tvrdokovů podle velikosti zrna karbidu se provádí např. podle těchto kategorií: nano, velmi jemné, jemnější, jemné, střední, hrubé a velmi hrubé. V posledních letech jde trend vývoje především ve směru jemnozrnných tvrdokovů, jakož i tvrdokovů se speciálními vlastnostmi, např. odolností proti korozi, odolností proti tepelné a mechanické změně a erozi.

Povlakování

Základní metody

1. Metoda PVD (Physical Vapour Deposition- fyzikální napařování)

Tato metoda patří mezi nejvyužívanější. Hlavním charakterem je nízká pracovní teplota a to pod 500°C, je tedy vhodná i na povlakování nástrojů z rychlořezné oceli (HSS), kdy nedojde k tepelnému ovlivnění nástroje.

Povlak je nejčastěji vytvářen:
- napařováním (materiál povlaku je odpařován),
- naprašováním (fyzikální odprašovací proces),
-iontovou implantací (hybridní PVD proces povlakování, u kterého je povrch substrátu bombardován svazkem částic s vysokou energií.

2. Metoda CVD (Chemical Vapour deposition- chemické napařování z plynné fáze)

Je to hlavní metoda povlakování slinutých karbidů, která probíhá za vysokých teplot v rozmezí 1000-1200°C.

Povlak je nejčastěji vytvářen:
- tepelným indukováním,
- plazmatickým aktivováním,
- elektronovým indukováním,
- fotonovým indukováním

3. Metoda PCVD (plazmaticky aktivované CVD metody) a MTCVD (Middle Temperature Chemical Vapour deposition- CVD za středních hodnot)

Od klasické CVD metody se liší nižšími pracovními teplotami PCVD 400-600°C a MTCVD 700-850°C. Přičemž nemění její princip (vytváření povlaku z plynné fáze).

Vlastnosti vrstev

Mezi základní a nejdůležitější vlastnosti vrstev patří:

• otěruvzdornost - u řezných nástrojů prodlužují i několikanásobně jejich životnost,
• tepelná odolnost - povlaky odolávají teplotám až 800 °C (povlaky na bázi Cr a Al) a zároveň tvoří tepelnou bariéru. Této vlastnosti se využívá při vysokorychlostním obrábění, kde 78 % tepla vznikajícího při řezu je odváděno třískou,
• korozivzdornost - ochrana, kterou poskytují, závisí na mikropórovitosti a schopnosti některých prvků obsažených v povlaku vytvářet ochranné vrstvy. Zde lze zmínit povlaky obsahující hliník, např. TiAlN a uhlíkové povlaky,
• snížení třecího odporu - nízký koeficient tření mají např. MoS2, WC/C a DLC (Diamond Like Carbon),
• tloušťka - nejčastěji je měřena pomocí kalotestu (probroušení kulového vrchlíku a následný odečet optickým mikroskopem), zpravidla se pohybuje v rozmezí 1-4 μm,
• adheze - přilnavost povlaků na výchozí materiál, nejjednodušším měřením bývá pozorování okrajů vpichu vzniklého Rockwellovým hrotem,
• mikrotvrdost - k nejtvrdším patří DLC povlaky, jejichž mikrotvrdost přesahuje 30 GPa. Pro srovnání např. u galvanicky připraveného "tvrdochromu" lze naměřit max. 9 GPa.

Běžně užívané povlaky

Na řezné nástroje se nanášejí nejčastěji níže uvedené povlaky:

- TiN (nitrid titanu) - základní a nejdéle používaná vrstva. Mikrotvrdost od 20 do 25 GPa, barva zlatá. Je použitelný téměř ve všech aplikacích. Výhodou TiN je dobrá elasticita a adheze. Navíc většina povlakovacích středisek má právě s touto vrstvou největší zkušenosti,

- TiAlN (titan aluminium nitrid) - mikrotvrdost 25 až 33 GPa, barva od růžovofialové po černošedou. V oblasti řezných nástrojů stále zvyšuje podíl na trhu na úkor ostatních vrstev, především TiN, i přes vyšší výrobní náklady. Má výbornou odolnost vůči vysokým teplotám. V současné době ideální pro vysokorychlostní obrábění. Jeho zajímavou vlastností je vytváření povrchové vrstvy Al2O3, jež při řezu přispívá ke snížení tření, zvýšení difúzní odolnosti a zlepšení řezných vlastností,

- DLC - diamantu podobné uhlíkové povlaky s velmi nízkým koeficientem tření a vysokou tvrdostí (do 60 GPa), barva černá. Používají se především v automobilovém průmyslu na povlakování dílů (čerpadla, zámky apod.) Nevhodné jsou na nástroje obrábějící ocel.