Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili

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1 Materiali per utensili da taglio: usura e durata degli utensili Riferimenti: Levi/Zompì cap. 4 Santochi/Giusti cap. 8 1 Introduzione Il comportamento di un utensile influenza in maniera determinante la qualità ed il costo delle parti lavorate: Sgrossatura: l utensile deve asportare elevati volumi di truciolo; Finitura: l utensile deve permettere l ottenimento di finiture superficiali adeguate. La capacità di un utensile di soddisfare tali esigenze dipende dal tipo e dalle proprietà del materiale impiegato per la sua costruzione, dalla sua geometria e dai parametri di lavorazione. L utensile è soggetto a sollecitazioni meccaniche e termiche che si manifestano come usura progressiva e talvolta come collasso improvviso. Ogni utensile è caratterizzato da un tempo di vita utile (durata) durante il quale può eseguire, con le prestazioni desiderate, una data operazione con parametri di taglio definiti. 2 1

2 Principali requisiti dei materiali per utensili da taglio Elevata durezza, soprattutto ad elevate temperature Elevata tenacità, intesa sia come capacità di resistere agli urti che sollecitano l utensile in condizioni di taglio interrotto, sia come capacità di deformarsi sotto carico prima di rompersi Elevata resistenza alla deformazione plastica che può presentarsi a causa delle elevate sollecitazioni meccaniche e termiche agenti sull utensile Elevata resistenza all usura, causata dallo strisciamento del truciolo sul petto e della superficie lavorata sul dorso dell utensile Elevata conducibilità termica, allo scopo di favorire lo smaltimento del calore dalla zona di taglio Elevata inerzia chimica per evitare che si esalti il fenomeno dell usura Basso coefficiente d attrito, allo scopo di impedire eccessivi riscaldamenti nella zona di taglio 3 Materiali per utensili 1) Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati 2) Acciai rapidi e superrapidi (High-Speed Steels, HSS) 3) Leghe fuse di cobalto (Stelliti) 4) Carburi metallici sinterizzati 5) Carburi metallici rivestiti 6) Materiali ceramici 7) Nitruro di boro cubico (CBN) 8) Nitruro di silicio 9) Diamante policristallino (PCD) 4 2

3 Proprietà meccaniche e fisiche dei materiali per utensili 5 Acciai al carbonio ed acciai debolmente legati Caratteristiche: elevata tenacità, basso costo, facilmente riaffilabili e profilabili, limitata durezza, resistenza all usura relativamente bassa Usati nella costruzione di utensili per lavorazioni eseguite a bassa v t Composizione chimica di due acciai al carbonio per utensili Composizione chimica di acciai debolmente legati per utensili Cr: migliora la resistenza all usura W: migliora la durezza a caldo Mn: migliora la temprabilità V: migliora la tenacità 6 Al crescere del tenore di C aumentano durezza e resistenza all usura ma diminuisce la tenacità 3

4 Acciai rapidi e superrapidi Elevato tenore di C (0.7 1%) con aggiunte di elementi di lega. Consentono v t notevolmente superiori rispetto agli acciai al C e debolmente legati grazie a T di rinvenimento maggiori. Largamente diffusi per utensili da taglio di forma complessa (punte elicoidali, punte da centro, frese di forma, maschi filettatori, alesatori multitaglienti). Gli acciai rapidi si suddividono in due gruppi: al molibdeno (serie M): fino al 10% di Mo con Cr, V e W al tungsteno (serie T): 13 19% di W con Cr e V Serie M caratterizzata da migliore resistenza all abrasione, minori distorsioni durante i trattamenti termici e minore costo Resistenza all usura migliorata mediante rivestimento di TiN Gli acciai superrapidi (4 15% di Co) non subiscono la dissociazione a caldo dei carburi doppi e mantengono elevata durezza fino a 600 C. 7 Composizione chimica di alcuni acciai rapidi e superrapidi per utensili 8 4

5 Andamento della durezza di un acciaio % Co in funzione della temperatura di rinvenimento 9 Leghe fuse di cobalto (stelliti( stelliti) Composizione chimica: Co=38 58%, Cr=30 33%, W=10 20% Composizione % di tre diversi tipi di stellite Durezza a T ambiente pari a quella degli acciai rapidi ma con valori adeguati alle condizioni di taglio anche a T elevate Chimicamente più stabili rispetto agli acciai rapidi Buona resistenza all usura Maggior rigidezza rispetto agli acciai rapidi Maggiore fragilità rispetto agli acciai rapidi che non ne consente l uso in condizioni di taglio interrotto Disponibili solo in forme relativamente semplici Costo elevato 10 5

6 Carburi metallici sinterizzati (metalli duri) Costituiti da una fase dura di carburi metallici (WC, TiC, TaC, NbC), dal 50 al 95%, inglobata in una matrice metallica con funzione di legante. Prodotti mediante tecniche di metallurgia delle polveri Durezza a caldo molto elevata velocità di taglio elevata Elevata conducibilità termica Basso coefficiente di dilatazione termica Elevata stabilità chimica Modulo di Young maggiore (2-3 volte) rispetto agli acciai rapidi Tenacità notevolmente più bassa rispetto agli acciai 11 Carburi metallici sinterizzati Variazione di alcune caratteristiche e proprietà meccaniche dei carburi sinterizzati in funzione della % di cobalto 12 6

7 Carburi metallici sinterizzati Carburi di tungsteno (WC): Fase legante a base di Co Taglio di ghisa o di materiali non ferrosi Resistenza all usura inadeguata per craterizzazione nelle lavorazioni su acciaio a causa di una migrazione per diffusione di atomi di W e C dal petto dell utensile al truciolo Durezza a caldo e soprattutto resistenza all usura per craterizzazione accresciute aggiungendo TiC, TaC e NbC Carburi di titanio (TiC): Fase legante a base di Ni e Mo Maggiore resistenza all usura e minore tenacità rispetto al WC Velocità di taglio più elevate nella lavorazione di acciai legati e ghise rispetto al WC 13 Fabbricazione dei carburi metallici sinterizzati Fasi del processo tecnologico di produzione del carburo di tungsteno 14 7

8 Durezza a caldo dei materiali per utensili 15 Inserti La costruzione di un utensile da taglio in un solo materiale non consente di soddisfare appieno i principali requisiti di resistenza richiesti (elevata durezza e resistenza all usura dei taglienti, elevata resistenza agli urti del corpo) Con lo sviluppo degli inserti in carburi metallici sinterizzati è stato possibile costruire utensili di tipo composito per soddisfare le diverse esigenze Alcune forme tipiche di inserti per operazioni di tornitura e fresatura 16 8

9 Collegamento dell inserto allo stelo Utensile da tornio con placchetta riportata mediante brasatura Carburo metallico sinterizzato Problemi: Rischi di fessurazioni o scheggiature dell inserto durante la brasatura Difficoltà nel sostituire l inserto usurato Acciaio da costruzione 17 Bloccaggio a vite: Collegamento dell inserto allo stelo semplice da realizzare poche parti di ricambio ingombro ridotto deflusso del truciolo non ostacolato richiede l impiego di inserti forati Bloccaggio a staffa: consente l impiego di inserti non forati con inserti piani permette di interporre fra staffa e inserto una piastrina rompitruciolo 18 9

10 Collegamento dell inserto allo stelo Bloccaggio a leva: adatto per il bloccaggio meccanico di inserti fragili (ad es. in materiali ceramici) Bloccaggio con scanalatura prismatica: accoppiamento stabile smontaggio rapido 19 Classificazione ISO dei carburi metallici sinterizzati Acciai low C, inox, ghise mall. Inox aust., acciaio Mn, ghise legate Tenacità Ghisa, acciaio temprato, non ferrosi Resist. usura 20 10

11 Utensili rivestiti Ottenuti riportando su inserti in carburo metallico (recentemente anche su utensili in HSS) uno o più strati di materiale molto duro per aumentare: la resistenza all usura la resistenza alle sollecitazioni termiche senza ridurne la tenacità TiN Al 2 O 3 WC TiC 21 Utensili rivestiti Requisiti dei materiali da ricoprimento: - elevata durezza ad alta temperatura - stabilità chimica rispetto al materiale in lavorazione - bassa conducibilità termica - buon legame con il substrato per evitare scheggiature - porosità molto bassa - basso coefficiente d attrito col truciolo 22 11

12 Principali materiali utilizzati per il rivestimento Nitruro di titanio (TiN) basso coefficiente di attrito, elevata durezza e resistenza alle alte temperature, buona adesione al substrato Carburo di titanio (TiC) elevata resistenza ad usura sul fianco nella lavorazione di materiali abrasivi Ossido di alluminio (Al 2 O 3 ) resistenza alle alte temperature, bassa conducibilità termica, elevata resistenza all usura sul fianco e per craterizzazione, difficoltà di adesione al substrato poiché chimicamente poco reattivo 23 Rivestimenti multistrato Inserti rivestiti a strato doppio e triplo (spessori: 2 12 µm) per combinare le diverse proprietà di ciascun materiale di rivestimento. Esempi: substrato + TiC + TiN substrato + TiC + Al 2 O 3 substrato + TiC + Al 2 O 3 + TiN Strato interno: deve garantire buona adesione al substrato Strato esterno: deve garantire buona resistenza all usura e fungere da barriera termica Strato intermedio: deve essere compatibile per la realizzazione di un legame stabile con gli altri strati 24 12

13 Processi di fabbricazione degli inserti rivestiti 1) Deposizione chimica mediante vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD): Utilizzato per il rivestimento di utensili in HSS sagomati e molto affilati (es: frese a candela, punte elicoidali) 2) Deposizione con materiale di ricoprimento allo stato di plasma (Physical Vapor Deposition, PVD): Utilizzato per il rivestimento di inserti di carburi metallici sinterizzati e per ricoprimenti con più strati di materiali diversi 25 Materiali ceramici Componente principale: Al 2 O 3 con tenori anche > 99% Altri componenti eventualmente presenti: TiC e ZrO per incrementare alcune proprietà fisiche e meccaniche (conducibilità termica, tenacità, resistenza agli shock termici) Ceramica bianca: composta quasi esclusivamente da Al 2 O 3 ottenuta con pressatura delle polveri a freddo e successiva sinterizzazione a temperature elevate ( C) Ceramica nera (CERMET): composta indicativamente dal 70% di Al 2 O 3 e dal 30% di TiC altri CERMET contengono MoC, NbC e TaC ottenuta mediante pressatura e sinterizzazione a temperature elevate 26 13

14 Materiali ceramici Collegamento al corpo dell utensile mediante bloccaggio a staffa (inserto privo di foro centrale) per la minore resistenza al taglio Caratteristiche: elevatissima durezza a caldo ottima resistenza all usura che consente di lavorare ad altissime v t stabilità chimica maggiore degli altri materiali per utensili elevata fragilità che provoca un degrado prematuro dell inserto (attenuato con MU rigide e taglio non interrotto) non idonei alla lavorazione di Al, Ti e rispettive leghe per la marcata affinità chimica di alcuni dei loro componenti Campi di impiego: lavorazione di semifinitura o finitura di parti in ghisa ed in acciaio adottando valori elevati di v t e bassi di a lavorazione di acciai dopo trattamenti termici di indurimento superficiale evitando successive operazioni di rettificatura 27 Materiali ceramici Alcune forme di inserti in materiale ceramico Profili di raccordo fra petto e fianco del tagliente 28 14

15 Materiali ceramici a base di nitruro di silicio Ricadono nella famiglia dei ceramici anche se hanno proprietà meccaniche e tecnologiche che differiscono sostanzialmente da quelli a base di Al 2 O 3 Componente principale: Si 3 N 4 a cui vengono aggiunti Al 2 O 3, TiC e Y 2 O 3 Processo produttivo: sinterizzazione Esempio: Sialon (Silicon - Aluminum - Oxygen - Nitrogen): conserva elevata durezza a temperature superiori a quelle dei carburi metallici è più tenace della ceramica a base Al 2 O 3 e presenta migliore resistenza agli shock termici Campi di impiego: lavorazioni su ghise e superleghe a base Ti (non sugli acciai) 29 Nitruro di boro cubico (Cubic( Boron Nitride,, CBN) Caratteristiche: elevatissima durezza (inferiore solo al diamante) ottima resistenza all usura per abrasione buona stabilità chimica (chimicamente inerte rispetto a Fe e Ni) Processo produttivo: sintesi a temperature e pressioni elevate Utilizzo: costruzione di inserti e di mole abrasive inserti prodotti riportando, sopra un inserto in carburo, in prossimità del tagliente, uno strato sottile di CBN mediante brasatura soluzioni più recenti prevedono la realizzazione di inserti con riporto di CBN realizzato durante la sinterizzazione del carburo o in CBN integrali ma più piccoli Ottime prestazioni in operazioni di finitura su acciaio temprato (Ra=0.3 μm e tolleranze molto contenute) ed una durata del tagliente più elevata rispetto agli inserti in carburo e in ceramico Operano, come i ceramici, prevalentemente in condizioni di taglio a secco 30 15

16 Diamante policristallino (Poly Crystalline Diamond, PCD) Caratteristiche: elevatissima durezza (seconda solo al diamante naturale) basso attrito elevata resistenza all usura capacità di mantenere a lungo l affilatura del tagliente Utilizzo: costruzione di inserti e di mole inserti ottenuti riportando, mediante sinterizzazione, uno strato di particelle di diamante a grana molto fine su un substrato in carburo Campi di impiego: la forte affinità con il Fe non consente di lavorare parti in ghisa o acciaio lavorazione di leghe non ferrose e di materiali non metallici fortemente abrasivi ottenimento di tolleranze dimensionali molto strette e finiture superficiali elevate 31 Processi di fabbricazione degli inserti in PCD Schema del processo di fabbricazione di un inserto in PCD 32 16

17 Proprietà e campi di impiego dei materiali per utensili 33 Evoluzione temporale dei principali materiali per utensili 34 17

18 Degrado ed usura degli utensili da taglio Durante la lavorazione l utensile, strisciando contro il truciolo e la superficie lavorata, si usura. Tagliente nuovo 35 Zona usurata Degrado ed usura degli utensili da taglio Principali cause di degrado delle caratteristiche di un utensile a) usura per abrasione b) usura per adesione c) usura per diffusione d) scheggiatura e) deformazione plastica 36 18

19 Degrado ed usura degli utensili da taglio Usura: perdita o asportazione progressiva di materiale dalla superficie di un corpo. Originata da cause diverse che di rado agiscono singolarmente: Usura per abrasione: prodotta dallo scorrimento di una superficie dura e rugosa su una superficie più tenera. Usura per adesione: originata dalle elevate pressioni di contatto fra truciolo e utensile che provocano vere e proprie saldature fra le sporgenze delle superfici a contatto Usura per diffusione: prodotta dalla migrazione di atomi attraverso l interfaccia utensile-truciolo ed è originata da processi di mutua solubilità fra alcuni componenti dei due materiali a contatto 37 Degrado e usura degli utensili da taglio Scheggiatura: asportazione di particelle metalliche in prossimità del tagliente per effetto di urti o pressioni eccessive Deformazione plastica: si manifesta quando la temperatura della zona di taglio raggiunge valori tali da causare una riduzione della tensione di scorrimento plastico del materiale dell utensile ed una deformazione dello stesso 38 19

20 Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio a)per usura dorsale e craterizzazione b)per scheggiatura c)per sollecitazione di fatica d)per deformazione plastica 39 Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio 40 20

21 Caratteristiche geometriche di un tagliente usurato Usura sul petto: si manifesta attraverso la formazione di una cavità o cratere originata prevalentemente per diffusione Usura sul fianco: si manifesta mediante il labbro d usura, caratterizzato da una serie di striature // alla direzione di taglio originate da fenomeni di abrasione In entrambi i casi l utensile subisce una perdita di materiale e un alterazione: della forma delle dimensioni 41 Labbro d usurad Provocato dallo strisciamento del dorso sulla superficie lavorata Sempre presente in maggiore o minore misura Influenza la finitura superficiale e la precisione dimensionale Principali dimensioni: larghezza misurata attraverso il valore medio (VB) o quello massimo (VB max ) lunghezza b (coincide con la profondità di taglio) distanza tra tagliente principale usurato e originario (N) 42 21

22 Modalità di degrado e usura degli utensili da taglio 43 Cratere d usurad Causato dall usura per diffusione che si manifesta a T elevate Presente solo negli inserti in materiali che consentono di raggiungere v t elevate (ad es. i carburi metallici sinterizzati) Non è presente nella lavorazione dei materiali fragili che danno origine ad un truciolo interrotto (ad es. ghisa) Determina l indebolimento dell inserto Principali dimensioni: profondità massima (KT) larghezza (KL) distanza del centro del cratere dal tagliente originario (KM) distanze dei bordi del cratere dal tagliente originario (KB e KF) 44 22