Lezione_1_-_4_Dec_2010_-_Materiali_degli_utensili

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Tecnologie e Sistemi di Lavorazione

I materiali degli utensili per il taglio dei metalli La scelta del materiale

La lavorazione

Il materiale

La velocità La qualità

Il costo

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Le caratteristiche principali • Durezza a freddo

Alta

Elementi di lega Trattamenti termici

• Durezza a caldo

Alta

“Temperatura di regime” Per acciai da 250°C a 600°C

• Tenacità

Alta

Utensili politaglienti (taglio interrotto) Complementare alla durezza

• Resistenza all’usura

Alta

Invarianza dei profili Durata dell’utensile

• Conducibilità termica

Alta

Smaltimento del calore

• Coefficiente d’attrito

Basso

Riscaldamento zona di taglio

• Costo

Basso

Materiale e riaffilatura D2

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La classificazione dei materiali per utensili • Acciai per utensili - Acciai speciali al carbonio - Acciai debolmente legati - Acciai fortemente legati • Leghe fuse • Carburi metallici sinterizzati • Materiali ceramici • Cermets • Diamanti D3

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La classificazione dei materiali per utensili

Intervalli nelle proprietà di diverse tipologie di materiali per utensili. HIP significa pressatura isostatica a caldo. Complementarità tra le proprietà di durezza e tenacità

Valori di durezza per alcuni materiali per utensili da taglio in funzione della temperatura (durezza a caldo). L’ampio intervallo di valori per ogni categoria di materiali deriva dalla varietà di composizione chimica e di trattamenti disponibili.

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La classificazione dei materiali per utensili

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Acciai speciali al carbonio • Alto tenore di carbonio (0,6-1,5%, Si e Mn sotto 0,25%, S e P impurità) • Processo termico di tempra (riscaldamento fino a 800-850°C, raffreddamento in acqua e rinvenimento a 300°C) Durezza Tenacità, tensioni residue • Buona durezza a freddo (60-65 HRC che cresce con %C e diminuisce con T di taglio oltre i 250°C) • Scarsa resistenza all’usura, buona tenacità, buona lavorabilità, basso costo • Utilizzo in applicazioni a bassa velocità di taglio e con forme del tagliente precise (operazioni di finitura quali filettature, alesature) D6

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Acciai debolmente legati Alto tenore di carbonio (0,6-1,5%) e presenza di elementi alliganti al di sotto del 5% (W, Mo, Cr, Va) per migliorare durezza, resistenza all’usura, resilienza e tenacità: • W e Mo migliorano la durezza a caldo • Cr affina le dimensioni del grano, migliora la resistenza all’usura e la temprabilità • Va migliora la tenacità

• Stessi trattamenti termici degli acciai speciali

• Durezza a freddo fino a 65 HRC con brusca caduta oltre i 300°C come temperatura di taglio • Applicazioni limitate dalla bassa durezza alle alte temperature: lavorazioni a mano (alesatori), cesoie a macchina, lavorazioni con bassa produzione di calore D7

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Acciai fortemente legati • Medio tenore di carbonio (0,7-0,9%) ed alliganti oltre il 5% High Speed Steels • Durezza simile agli altri acciai (62-64 HRC) ma capacità di conservarla fino a 500°C per i rapidi e 600°C per i superrapidi (elevato tenore di Co!) • Alliganti > Durezza - Carbonio (presente anche come grafite o cementite Fe3C) < Tenacità > Durezza a caldo (WC e carburi complessi di Fe) < Velocità critica di tempra (autotemprante)

- Tungsteno (12-21%) - Cromo (3-5%)

> Durezza e resistenza ad usura (carburi di Cr, affinatore grani, martensite) < Ossidazione ad alta temperatura

- Molibdeno (0,5-1,1%)

- Vanadio (1-3%) - Cobalto (2,5-7%) - Zolfo ( Resistenza ad usura, durezza a caldo, temprabilità (formazione di carburi, simile a W e Cr)

> Resistenza ad usura, affinatore grani, durezza a caldo, capacità di taglio > Migliora la tenacità ma induce fragilità se oltre il 3-4% > Durezza a caldo (soluzione continua in ferrite ed austenite) > Temperatura di tempra maggiore (solubilizzazione carburi) Impurità o aggiunto (potere autolubrificante) D8

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Acciai fortemente legati L’influenza del tenore di cobalto sugli acciai fortemente legati differenza tra acciai rapidi e superrapidi

Effetto del contenuto di cobalto sulle proprietà meccaniche degli utensili in carburo di tungsteno. Da notare che la durezza è direttamente proporzionale alla resistenza a compressione e inversamente proporzionale all’usura.

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Processo di fabbricazione degli utensili ad acciai rapidi e superrapidi Fucinatura Ricottura a 850-900°C

Eliminazione tensioni residue (tenacità)

Profilatura

Ottenimento degli angoli caratteristici

Riscaldamento a 960°C Immersione in bagno di sale Raffreddamento

Rinvenimento (560-580°C)

Fusione della cementite con carburi insoluti 1250-1320°C, breve tempo Soluzione dei carburi complessi In acqua o olio (a seconda di VCT) Struttura martensitica (durezza) Raffreddamento scalare per ridurre le tensioni residue Riscaldamento lento in sabbia (tensioni residue) Durezza secondaria (precipitazione dei carburi)

Affilatura (Indurimento superficiale)

Composti duri in superficie (nitruro di Ti) Pallinatura, diamantatura, nitrurazione

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• Durezza secondaria: Trasformazione austenite del processo di tempra e precipitazione carburi residui

• Utilizzo di acciai rapidi e superrapidi - Limitato dall’introduzione dei carburi metallici sinterizzati - Utensili di profilo complesso - Produzioni di piccole serie D11

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• Utensili in acciaio superrapido rivestiti in TiN

Profili di usura su utensili da taglio in acciaio rapido non rivestito e rivestito con nitruro di titanio. Da notare che il labbro d’usura è minore per l’utensile rivestito. D12

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Leghe fuse (stelliti) • Cobalto (50%), cromo (25-35%) e tungsteno (10-15%), con piccole % di Fe, Mo, C (stelliti) • Di scarso utilizzo (importanza storica) • Notevoli proprietà ma alte temperature di produzione (pericolo di ossidazione) - Durezza 57-58 HRC (fino a 800-850°C) - Alta resistenza ad usura • Alta fragilità (generata dal sistema di produzione che fonde i carburi) • Non sono fucinabili né temprabili (si lavorano alla mola) • Prodotto in forma di placchette per steli di acciaio al carbonio (collegamento per brasatura o meccanico) • Stellitaggio (deposizione per fusione su materiali più duttili per avere un buon compromesso tra durezza a caldo e tenacità)

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Carburi metallici sinterizzati • Metà anni ’20 WIDIA (wie diamant) • Inizialmente WC (fino a 94%) e cobalto (6-10%) Durezza Legante metallico Resistenza ad abrasione • In seguito (da prove di taglio) si inserirono TiC (per resistenza ad usura del tagliente), TaC (durezza e resistenza a craterizzazione, fragilità), NbC (compensa la fragilità dovuta al TaC, durezza a caldo, resistenza ad usura e ad ossidazione) • Alta resistenza ad usura ed alla compressione • Alta durezza (74-78 HRC fino a T di taglio di circa 1000-1300°C) D14

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• Processo di fabbricazione

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• Immagini di placchette in WC-Co e steli

Metodi per fissare gli inserti sul portautensili (Fonte: Valenite) (a) fissaggio meccanico (b) spina di fissaggio (c) Esempi di inserti fissati utilizzando spine di fissaggio non filettate, assicurate a loro volta con viti laterali.

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• Scarsa tenacità, bassa resistenza agli shock termici, costo relativamente elevato • Utilizzo in placchette (come per le leghe fuse) - Bloccaggio a staffa (semplice ma ostacola il flusso del truciolo) - Bloccaggio a vite o a leva (superficie libera ma minore resistenza meccanica per la necessità di avere inserti forati)

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• Nomenclatura ISO - Gruppo K (in prevalenza WC in matrice di Co – buona tenacità) Lavorazione di ghise a truciolo corto, acciai temprati, materiali non ferrosi, plastica, legno

- Gruppo M (presenza di TiC – resistenza al’usura e alla craterizzazione) Acciai in getti, ghise e leghe resistenti al calore

- Gruppo P (TiC, TaC, NbC – resistenza all’usura, craterizzazione e ossidazione) Lavorazione di ghise malleabili a truciolo lungo, acciai (anche inossidabili)

Tenacità

Scala da 1 a 50

Elevato Sforzo di taglio Avanzamento

1

50

Velocità di taglio Basso Sforzo di taglio

Resistenza ad usura

• Placchette rivestite (tagliente 3-4 volte più duro, VT raddoppiate) - Diffusione in fase gassosa - Lavorazione dei materiali duri (meno fragili e più economici dei ceramici) - Rivestimenti di TiC, TiN, Al2O3, multistrati

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• Rivestimenti di TiC, TiN, Al2O3, multistrati

Rivestimenti multi-strato su substrato in carburo di tungsteno. Tre strati alternati di ossido di alluminio sono separati da strati molto sottili di nitruro di titanio. Sono stati realizzati inserti con fino a 13 strati di rivestimento. Gli spessori tipici dei rivestimenti sono nell’ordine di 2-10 m. Le principali proprietà sono: resistenza all’usura, tenacità, elevata capacità termica, resistenza meccanica superiore

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Materiali ceramici • Alta resistenza a compressione e ad usura, altissima durezza, alta refrattarietà • Lavorazione di materiali molto duri e ad alta velocità per aumentare la temperatura di regime e ‘duttilizzare’ l’utensile in corrispondenza della punta • Estrema fragilità (fissaggio allo stelo per brasatura di superfici metallizzate o dispositivi meccanici su inserti di metallo duro) • Geometria ottimizzata del tagliente (sollecitazione di compressione, assenza di vibrazioni, alte VT) • Al2O3 (fino a 99%) con ossidi metallici (Cr,Si) • Sinterizzazione (1600-1800°C dopo compressione a freddo, oppure sinterizzazione metrice ceramica e successivo inserimento di ossidi metallici successivo mediante tecnica ‘sotto-vuoto’) • Compositi con whiskers di SiC (aumentano la tenacità degli utensili ceramici) D20

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Diamanti • Molto duri e molto fragili (macchine veloci, stabili, senza vibrazioni) • Alta durata del tagliente, finitura paragonabile alla rettifica (micron, dovuta alla precisione del tagliente ed al basso coefficiente di attrito) • Naturali, sintetici (riscaldamento della grafite in bagno di sale ad alta pressione con fusione della grafite e ricristallizzazione nella forma di diamante) o sinterizzati (dalla polvere a 2400°C e 7 GPa) – Placchette • Diamanti policristallini (strato di diamante e legante depositato su carburo)

• Non adatti a lavorare i materiali ferrosi (innesco di reazioni chimiche con ossigeno)

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Cermets • Ceramic Metals

• Sinterizzati di Al2O3 (carburi o nitruri di Si, carburi di B) con fino il 40% di carburi metallici (Mo, Cr, Va) • Buona tenacità, refrattarietà e resistenza all’usura

Altri materiali • Nitruro di boro policristallino (altissima durezza, chimicamente inattivo, riaffilabile con utensili diamantati) Lavorazione di materiali ferrosi duri (da 45 HRC in poi)

• Boruri metallici (Ti, Zr, Mo, Ni, alta durezza con alto modulo elastico, buona resistenza ad usura e costo inferiore ai carburi) • Coronite (circa 50% di nitruro di titanio in matrice di acciaio trattato, combina resistenza ad usura del primo con tenacità del secondo) D22

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Carburo rivestito con diamante o NBC

Strato in nitruro di boro cubico policristallino o in diamante su un inserto in carburo di tungsteno.

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L’EVOLUZIONE DEI MATERIALI PER UTENSILI

Tempo richiesto per asportare con utensili realizzati in diversi materiali; è indicato il periodo in cui questi materiali sono stati introdotti. Da notare che nell’arco di un secolo il tempo di lavorazione è stato ridotto di due ordini di grandezza. Fonte: Sandvik Coromant.

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