Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Opotřebení břitů nástrojů ze slinutých karbidů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Opotřebení břitů nástrojů ze slinutých karbidů

V první části našeho třídílného seriálu věnovanému opotřebení nástrojů ze SK jsme se zabývali rozborem průběhu řezného procesu, zatížení břitu nástroje a fyzickým a chemickým procesům ovlivňujícím opotřebení břitu nástrojů. Dnešní prostor patří rozboru konkrétních druhů opotřebení.

Intenzita mechanických typů opotřebení je závislá na poměru tvrdostí obráběného materiálu a slinutého karbidu za podmínek, které existují v kontaktních plochách mezi břitem a obráběným materiálem. Na řezné teplotě je závislá jen tehdy, pokud ovlivňuje poměr tvrdosti nástrojového a obráběného materiálu Hsk/Hobr za podmínek, které existují v kontaktních plochách. Naproti tomu je intenzita chemického opotřebení od určité řezné teploty na řezné rychlosti jednoznačně závislá bez ohledu na poměr tvrdosti.

Abrazivní opotřebení

U abrazivního opotřebení se předpokládá, že příčinou otěru čela a hřbetu je postupné mechanické narušování povrchu těchto funkčních ploch břitu. Tvrdé strukturní složky obráběného materiálu odřezávají - obrušují - povrch břitu.
Při obrábění ocelí a litiny je abrazivní účinek jejich strukturních složek různý.
Cementit a markenzit jsou často považovány za hlavní abrazivní strukturní složky. Podstatu a základní zákonitosti procesu opotřebení slinutých karbidů však nelze abrazivním účinkem cementitu a martenzitu vysvětlit. Mikrotvrdost cementitu - karbidu železa Fe3C - je cca 800 HV [2], kdežto karbidy titanu, wolframu, tantalu a niobu, které jsou hlavními strukturními složkami slinutého karbidu, mají mimořádně vysokou tvrdost, a to TiC 2000 - 3000 HV;
WC 1700 - 2500 HV, tuhý roztok WC+TiC 2400 - 2500 HV a karbid Cr 1300 HV [2].
Je zřejmé, že abrazivní opotřebení slinutých karbidů cementitem je s ohledem na velký rozdíl tvrdostí mezi cementitem a hlavními strukturními složkami slinutých karbidů nepravděpodobné.
Abraze však může hrát významnější roli při obrábění legovaných ocelí a litin, které obsahují karbidotvorné legury, jako je chrom, wolfram, molybden a vanad. Při vyšším obsahu uhlíku se mohou v jejich struktuře vyskytnout volné karbidy těchto prvků. Jejich tvrdost už dosahuje tvrdosti strukturních složek slinutých karbidů a povlaků.
Abraze se jako převládající mechanismus otěru vyskytuje při obrábění některých nekovových materiálů, např. kamene, některých odlitků a výkovků znečištěných pískem nebo okujemi. Abraze je rovněž významná při obrábění austenitických ocelí i některých superslitin, kdy se vytvářejí silně zpevněné povrchové vrstvy obrobků, které při následném obrábění vytvářejí charakteristické hluboké vruby na břitu. Na vzniku tohoto opotřebení se však nepochybně podílí i oxidace.

Adhezní opotřebení

Vysoké tlaky a chemicky čisté povrchy čela a hřbetu nástroje a obráběného materiálu v místě styku (v kontaktních plochách) vytvářejí podmínky pro adhezní opotřebení. Vzájemný styk třísky s čelem a hřbetu za podmínek bodového dotyku nastává při nízkých řezných teplotách jen ve vrcholcích mikronerovnosti.
Ve vrcholcích mikronerovností dochází následkem vysokých tlaků k místní plastické deformaci. Působením místní plastické deformace, především v obráběném materiálu, se na vrcholcích nerovností obnaží chemicky čistý materiál, vzrostou místní teploty a vzniknou adhezní spoje - mikroskopické svary. Při relativním pohybu obou ploch probíhá plynulý proces vzniku a odtrhávání mikrosvarů. Vrcholky mikronerovností, na kterých svary vznikají, jsou namáhány na střih, a tím se tyto svary porušují. K odtržení dochází zpravidla v některém z obou materiálů. Nejčastěji se vytrhává materiál obrobku - a jeho částice zůstávají nalepeny na čele a hřbetě nástroje. Objem odtržené částice obráběného materiálu obvykle značně převyšuje objem částic odtržených ze slinutého karbidu vzhledem k podstatně nižší tvrdosti obráběného materiálu v porovnání s tvrdostí nástrojového materiálu - SK. K porušení povrchu slinutého karbidu dochází obvykle v místech oslabení vlivem nehomogenit struktury, mikropórovitosti, nerovnoměrnosti chemického složení a trhlin. Adhezní opotřebení funkčních ploch břitu je tudíž výsledkem opakovaného vzniku a porušování mikrosvarů.
Velikost vytrhávaných částic a tím i intenzita opotřebení břitu závisí na poměru tvrdosti materiálu a slinutého karbidu v kontaktní ploše na čele a hřbetu.
T. N. Loladze [2] odvodil obecný vztah pro trvanlivost břitu při adhezním opotřebení
kde T ......... trvanlivost břitu
vc ........ řezná rychlost
H1........ tvrdost nástrojového materiálu ve styčné ploše
H2 ....... tvrdost obráběného materiálu ve styčné ploše
k, z ...... konstanty
Z rovnice vyplývá, že při adhezním opotřebení neplatí Taylorův vztah , protože konstanta C je závislá na poměru tvrdostí.
Na čáře znázorňující závislost trvanlivosti na řezné rychlosti odpovídá oblast převládajícího adhezního opotřebení úseku, ve kterém trvanlivost břitu s rostoucí řeznou rychlostí roste až do určitého maxima vc´. Tato řezná rychlost byla někdy považována za optimální řeznou rychlost. Po překročení tohoto maxima se již trvanlivost s rostoucí řeznou rychlostí jednoznačně zmenšuje (přímková část závislosti logT - logvC).
Podle některých údajů [2] odpovídá maximu trvanlivosti řezná teplota cca 800 °C, dosahovaná při mezné řezné rychlosti vc. Při řezných rychlostech vc > vc´ se trvanlivost břitu s rostoucí řeznou rychlostí zmenšuje, i když poměr tvrdostí Hsk/Hobr dále vzrůstá. (Tvrdost obráběného materiálu se zmenšuje rychleji než tvrdost SK.) V procesu opotřebení začíná převládat kvalitativně odlišný typ opotřebení - difuzní a oxidační otěr, který je již jednoznačně závislý na řezné teplotě. Současně začíná platit Taylorův vztah .
Adhezní opotřebení hraje významnou roli zejména při obrábění litiny, kdy vzniká tříska, která vykazuje minimální plastickou deformaci. V kontaktní ploše čelo - tříska nedochází ke vzniku vnitřního tření a následkem toho je zde řezná teplota podstatně nižší. Vznikají tak podmínky pro vznik dotyku ve vrcholcích (viz schematické znázornění vzniku adhezního opotřebení). Naproti tomu při obrábění ocelí je podíl adheze na opotřebení břitu menší. Významnější roli hraje při nízkých řezných rychlostech, tedy při nízkých řezných teplotách a při tvorbě nárůstku.

Difuzní a oxidační opotřebení

Jakmile překročí řezná teplota 800 - 900 °C, stává se difuze jednotlivých strukturních složek obráběného materiálu a slinutého karbidu převládajícím mechanismem procesu opotřebení čela i hřbetu vyměnitelné břitové destičky. Opotřebení jejího břitu za vysokých teplot nezávisí již na poměru tvrdostí, nýbrž (poněvadž jde o chemické opotřebení) na teplotě a chemické aktivitě materiálu obrobku a druhu slinutého karbidu (resp. na jeho chemickém složení).
E. M. Trent [3] upozornil jako první na difuzní procesy mezi materiálem obrobku a slinutým karbidem. Difuze (resp. chemické reakce) jsou podle jeho předpokladu příčinou vzniku výmolu na čele. Trent však předpokládá, že maximální teploty ve styku třísky s čelem dosahují při obrábění oceli hodnot 1300 - 1325 °C. Za těchto podmínek předpokládá, že vznikne mezi odcházející třískou a čelem tenká vrstva tekuté fáze, kterou tvoří slitina oceli a slinutého karbidu (resp. některých jeho strukturních složek). V této tekuté vrstvě se plynule rozpouštějí karbidy a pojící fáze SK. Tekoucí vrstva je unášena třískou a tím dochází k vymílání čela. Karbid wolframu se rozpouští rychleji než karbid titanu, a proto jsou podle Trenta slinuté karbidy systému WC+WCTiC+Co odolnější proti tomuto chemickému opotřebení.
Výsledky měření teplot ve styku třísky s čelem nástroje uveřejněné různými autory prokazují, že maximální řezné teploty měřené termočlánkem jsou nižší než předpokládal Trent.
T. N. Loladze, který se zabýval opotřebením nástrojů SK, dokazuje, že vznik tekuté fáze mezi třískou a čelem není nutný pro vznik chemické reakce mezi materiálem obrobku a slinutým karbidem. Ve své teorii difuzního opotřebení předpokládá, že k počátku chemických reakcí dochází již při teplotách nižších než 900 - 1000 °C, jichž se běžně dosahuje při obrábění slinutými karbidy při vyšších řezných rychlostech.
Difuze v kovech je obvykle velmi pomalým procesem a ke vzniku určité difuzní vrstvy je zapotřebí i desítek hodin. Proto nutně vzniká otázka, zda může dojít k vzájemné difuzi obou materiálů v té míře, že se stane rozhodujícím jevem procesu opotřebení břitu nástroje SK. Doba kontaktu jednotlivých částic obou materiálů je velmi krátká a je řádově 0,01 až 0,001s.
Ve styčných plochách hřbetu a čela s obrobkem existují při vyšších řezných rychlostech podmínky urychlující difuzi. Teplota je nejvýznamnějším činitelem. Jestliže dosáhne 800 - 900 °C, vzroste rychlost difuze 109krát [2] proti rychlosti při pokojové teplotě. Difuzi urychlují vysoké tlaky a skutečnost, že ve styčných plochách dochází ke tření chemicky čistých povrchů obou materiálů. Oxidické povrchové vrstvy neexistují a tudíž nebrání vzájemné difuzi obou materiálů.
Difuze probíhá stále v počátečním stadiu, kdy existuje maximální koncentrační spád difundujících prvků. Protože obráběný materiál i slinutý karbid obsahují větší množství prvků, které s větší či menší rychlostí navzájem difundují, je tento typ opotřebení složitý fyzikálně-chemický proces. Ze slinutého karbidu difundují do ocelové třísky uhlík, wolfram a kobalt. Z třísky naopak difunduje železo do povrchových vrstev slinutého karbidu. Průběh difuzního opotřebení je závislý na základním chemickém složení slinutého karbidu a je odlišný u materiálů typu WC+Co a WC+WCTiC+Co.
Nejrychleji difunduje ze slinutého karbidu do ocelové třísky uhlík, obsažený v karbidu wolframu, čímž vzniká na povrchu SK křehká fáze ?. Tato fáze je podvojným karbidem typu WxCoyCz. Současně difunduje do povrchové vrstvy slinutého karbidu železo a vzniká zde karbid Fe2W2C [2]. Povrchová vrstva se tím přeměnila ve směs karbidů WC+(Fe2W2C) + WxCoyCz. Tato vrstva je méně otěruvzdorná a značně křehčí než výchozí struktura. Zároveň se vznikem defektní - narušené - povrchové vrstvy probíhá difuzní rozpouštění wolframu a kobaltu v železe. Difuzní opotřebení nástroje SK proto probíhá v podstatě dvěma směry. Jednak probíhá plynulé difuzní rozpouštění karbidů v železe g, jednak narušování a oslabování povrchových vrstev slinutého karbidu, které po určité době způsobí, že se náhle odtrhne celá skupina karbidů. Celkové opotřebení SK je potom výsledkem obou procesů. Závisí především na řezné rychlosti, bude-li hlavní příčinou opotřebení stržení narušené povrchové vrstvy nebo plynulé rozpouštění karbidů (difuze uhlíku) v obráběném materiálu. Se stoupající řeznou rychlostí roste podíl difuzního rozpouštění strukturních složek SK na celkovém opotřebení, kdežto podíl strhávání narušených povrchových vrstev se zmenšuje.
Opotřebení slinutých karbidů, obsahujících kromě karbidu wolframu karbid titanu, popř. i karbid tantalu, niobu, probíhá poněkud jinak než u slinutých karbidů WC+Co. I v tomto případě probíhá opotřebení buď difuzním rozpouštěním karbidu v železe g nebo periodickým strháváním křehké povrchové vrstvy slinutého karbidu, která vznikla oduhličením a difuzí železa.
V struktuře slinutých karbidů této soustavy je kromě volného karbidu wolframu ještě tuhý roztok karbidu wolframu v karbidu titanu. Karbid titanu se rozpouští v oceli mnohem pomaleji než karbid wolframu. Rovněž železo difunduje do slinutého karbidu, obsahujícího karbid titanu, pomaleji. Proto si lze představit průběh opotřebení při vysokých řezných rychlostech, kdy převládá plynulé difuzní rozpouštění karbidů takto: Při rychlejším rozpouštění karbidu wolframu vystupuje tuhý roztok karbidu wolframu v karbidu titanu nad rovinu styku. Po rozpuštěném karbidu wolframu zůstávají ve styku jamky, které jsou vyplněny ocelí. Povrch slinutého karbidu je pak velmi nerovný s četnými prohlubeninami po rozpuštěných zrnech WC. Mezná vrstva odcházející třísky probíhá nad vrcholky těchto nerovností. Prohlubeniny jsou zaplněny ocelí, v níž se dále rozpouštějí karbidy. Po určité době se odtrhnou neúplně rozpuštěné částečky tuhého roztoku, které vystupují nad rovinu styku. Tyto částečky jsou potom unášeny třískou a materiálem obrobku nad plochou řezu. Potom následuje intenzivnější rozpouštění WC zrn, vznikají nové prohlubně, odtrhují se přečnívající částečky karbidu titanu a celý proces se periodicky opakuje. Přísada karbidu titanu má tudíž funkci inhibitoru difuzního opotřebení. Difuze má hlavní podíl na vymílání čela při obrábění oceli, kdy dochází ke vzniku plasticky deformované třísky.
Dalším typem chemického opotřebení je oxidace vedlejšího hřbetu v místě, kde vychází ze záběru s obrobkem. Intenzivní oxidace povrchu slinutého karbidu zahřátého na vysokou teplotu vede při vyšších řezných rychlostech ke vzniku tzv. oxidační rýhy. Prohlubující se oxidační rýha vede k prolomení výmolu, který vzniká na čele difuzním opotřebením směrem na vedlejší hřbet. Tento typ opotřebení je příčinou rychlého zhoršení drsnosti obrobeného povrchu a vede zejména při intenzivních řezných podmínkách k rychlému ukončení trvanlivosti břitu.
Objev povlaků koncem 60. let 20. stol. znamenal zásadní zvrat zejména pro intenzitu difuzního i oxidačního opotřebení břitu. Vložením povlaku mezi odcházející třísku a čelo břitové destičky jako velmi účinné difuzní bariéry nabývá základní chemické složení SK (WC+Co, resp. WC+(W; Ti; Ta; Nb)C+Co) kvalitativně odlišného významu. Funkce tuhého roztoku (W; Ti; Ta; Nb)C jako primárního inhibitoru difuzního otěru ztrácí nepochybně ve značné míře svůj význam.
Podkladový materiál pro obrábění ocelí a materiálu s plasticky deformovanou třískou nemusí nutně obsahovat TiC, protože jeho funkci inhibitoru chemického, tedy převážně difuzního otěru přebírá povlak, složený výhradně z velmi tvrdé karbidové, nitridové nebo oxidové složky bez pojicího kovu. Pojicí kov, který je významným prvkem v difuzních pochodech (výměna Fe - Co) a iniciačním prvkem při vytváření povrchových defektních vrstev, není v běžných typech povlaku obsažen.
Jednoznačným kladným důsledkem je řadové snížení intenzity difuzního otěru čela břitových destiček, což vede k podstatnému růstu řezného výkonu slinutých karbidů.
Důležitým požadavkem na povlak je, aby neoslaboval povrchové vrstvy substrátu a nevytvářel defektní vrstvy (při procesu povlakování) na povrchu substrátu. Tyto defektní vrstvy (h-fáze) přinášejí možnost jejich křehkého narušení pod povlakem. Při jejich porušení v průběhu obrábění může dojít (a také často dochází) k porušení břitu v rozměru mikro- i makrovýlomů.
Dnes jsou běžné případy, kdy má povlakovaný materiál pro obrábění ocelí substrát systému WC+Co, příp. WC+TaC+Co a díky difuzní bariéře - povlaku - prokazují vynikající řezné vlastnosti.
I samotný fakt použití materiálů se strukturními gradienty, u kterých je z nejexponovanější části břitu záměrně odstraněn tuhý roztok (W, Ti)C a zvýšen obsah Co, ukazuje, že přítomnost TiC v substrátu povlakovaných materiálů není nezbytná.
Dále je zapotřebí vzít v úvahu skutečnost, že slinuté karbidy, resp. materiály substrátů obsahující tuhý roztok, tj. materiály systému WC+(W; Ti; Ta; Nb)C+Co, vykazují při určitém obsahu Co menší pevnost než materiály systému WC+Co.
Závěrem je nutno upozornit na fakt, že na opotřebení funkčních ploch břitu nástroje SK se v určitém konkrétním případě obrábění podílí současně i několik jevů popsaných výše. Tyto jevy však neprobíhají se stejnou intenzitou. Obvykle bývá jeden druh opotřebení převládajícím. Rozhodující vliv má řezná teplota.
Z mechanických typů opotřebení převládá u nástrojů ze slinutých karbidů adheze, zatímco u fyzikálně-chemických typů opotřebení bývá při vymílání čela obvykle převládající difuze a u opotřebení vedlejšího břitu v blízkosti špičky oxidace.Abrazivní opotřebení hraje u slinutých karbidů významnou roli jen v případech, kdy se v obráběném materiálu vyskytují tvrdé abrazivní částice.
V mnoha případech postupujícího opotřebení se setkáváme se zborcením ostří - plastickou deformací. Plastická deformace vzniká v důsledku nárůstu teplot nad hranici tepelné stability SK (cca 1100 °C). Může dojít k deformaci špičky vyměnitelné břitové destičky směrem do destičky. Tento jev podporuje rostoucí výmol na čele.
V praxi se setkáváme s případy, kdy použitím velmi houževnatého slinutého karbidu při intenzivních řezných podmínkách produkujících vysoké teploty v oblasti řezu dojde k "ohnutí" vyměnitelné břitové destičky.
Pokračování příště
Ing. Josef Houdek, CSc.
Ing. Karel Kouřil, Ph.D.
Literatura
[1] Ostermann G. - Über die Ursachen des Werkzeugverschleisses Industrie Anzeiger 1959 č. 6, str. 983
- Beobachtungen über den Verschleiss an Hartmetalwerkzeugen - Industrie Anzeiger 80 1958, č. 11.
[2] Loladze T. N. - Iznos režnsčego instrumenta - Masgiz 1958
- Das Zusammenwirken von Werkzeug und Werkstückstoff beim Schneiden von Metallen - Industrie Anzeiger 1959, č. 62
[3] Trent E. M. - Some Factors affecting Wear on Cemented Carbide Tools - The Machinist 1951, str. 1651

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: