Slinuté karbidy

Slinuté karbidy (SK) jsou dvoufázový nebo vícefázový materiál tvořený velmi tvrdými karbidovými částicemi v kovové vazbě, připravený technologií práškové metalurgie. Základními karbidy pro výrobu nepovlakovaných a povlakovaných alternativ pro obráběcí nástroje je karbid wolframu WC a kubické karbidy TiC, TaC a NbC v kobaltovém pojivu. Kubické karbidy zlepšují zejména chemickou stabilitu a snižují výskyt tepelných trhlin při obrábění ocelí. Rozměry karbidických částic se pohybují v rozsahu 0,8 až 10 m, běžný objem pojiva je 5 až 40 %. Obecně lze vlastnosti slinutých karbidů řídit zejména typem a velikostí částic, typem a množstvím pojiva a použitým procesem výroby.

Z hlediska použití lze k hlavním skupinám obrábění podle ČSN ISO 513/1994 přiřadit následující složení:
skupina P: WC + TiC + Co
skupina M: WC + TiC + TaC/NbC + Co
skupina K: WC + Co

Šedesátiletý vývoj SK zajistil precizní řízení výroby, optimální chemické složení a zvýšení výkonnosti a spolehlivosti, zmenšení velikosti částic pod 1 um zlepšilo pevnostní charakteristiky a houževnatost. Vyvážené vlastnosti SK a úspěšná aplikace povlaků (budou popsány samostatně) zabezpečily karbidům prvenství z hlediska celkového objemu úběru materiálů. Jejich významné postavení bude bezpochyby nadále zachováno, i když některé aplikace přebírají tvrdé a velmi tvrdé materiály. Slinuté karbidy naopak zvyšují podíl v oblasti nástrojů dosud vyráběných z RO, např. vrtáků v provedení monolitním a skládaném. Nezastupitelné místo mají SK i jako podkladový materiál pro supertvrdé materiály - KBN a diamanty.

V porovnání s RO jsou slinuté karbidy tvrdší a otěruvzdornější, mají větší pevnost v tlaku, ale jsou méně houževnaté. Mají vyšší tuhost (více než dvojnásobné E) a proto se využívají jako konstrukční materiál pro štíhlé vyvrtávací tyče. Karbidy skupiny K (WC-Co) mají výbornou tepelnou a teplotní vodivost, která se využívá u nástrojů pro operace vyžadující dostatečný odvod tepla z místa řezu.

Slinuté karbidy jsou dostupné v širokém sortimentu vyměnitelných řezných destiček (standardní jsou uvedeny v ISO 1832/1985) a různých řezných elementů. Destičky jsou připraveny přesným lisováním nebo dále broušeny, většinou na hřbetech, jejich břit má rozlišnou úpravu. V malém objemu jsou nabízeny destičky určené pro pájené nástroje. Pájené nástroje jsou oproti skládaným přesnější, lépe odvádějí teplo z řezu, ale jsou v provozu ekonomicky náročnější. Vedle monolitních osových nástrojů jsou komerčně dostupné různé další obráběcí nástroje, včetně odvalovacích fréz pro malé moduly a broušené polotovary pro výrobu operačních nástrojů. Úspěšné přeostřování nástrojů z SK vyžaduje moderní ostřičky a vhodné brousící nástroje s diamantovým brusivem.

Slinuté karbidy v nepovlakované a povlakované formě mají velmi širokou oblast aplikace a lze je použít pro obrábění většiny technických materiálů, jak je uvedeno v ČSN ISO 513. V nabídce výrobců bývají nepovlakované karbidy doporučovány zejména pro obrábění hliníku, žárupevných a Ti slitin, frézování ocelí, pro speciální účely a jako alternativní volba k povlakovaným druhům. V nepovlakované formě se také vyskytují různé monolitní karbidové nástroje, vyráběné většinou broušením polotovarů z jemnozrnných SK.

Povlakované slinuté karbidy

Povlakované vyměnitelné břitové destičky z SK byly na trhu představeny koncem 60. let. Následoval vývoj tzv. čtyř generací tenkých otěruvzdorných povlaků, vytvářených vysokoteplotním procesem CVD a optimalizace podkladového SK. Výsledkem je podstatný technický a ekonomický přínos díky výborné kombinaci řezných charakteristik. Poslední varianty CVD procesem povlakovaných SK dovolují zvýšit řeznou rychlost o 200 až 300% oproti nepovlakovaným druhům. Povlaky také významně rozšířily rozsah použití jednoho typu; někteří výrobci nabízejí pro běžné obrábění kovových materiálů pouze tři povlakované varianty (v ISO skupině M) a tři druhy utvářečů třísky.

Prvním materiálem, použitým pro CVD povlakování karbidů skupiny WC + Co, byl karbid titanu (TiC). V četnosti výskytu byl doplněn vrstvami TiN, TiCN a Al₂O₃. Uvedené povlaky se liší fyzikálními vlastnostmi, pevnostními charakteristikami, adhezí k podkladu, odolností proti různým druhům opotřebení a koeficientem tření, viz tab. 1. Povlak TiC má barvu šedou, TiN zlatou, Al₂O₃ je transparentní, barva TiCN je ovlivněna poměrem C : N. Posledním významným průmyslově realizovaným typem je diamantový povlak o tloušťce 5 až 8m, připravovaný plasmovým procesem CVD. Lze jej aplikovat na existující destičky s utvářeči složitých tvarů, které jsou levnější, než tvarově jednodušší destičky osazené kompakty z polykrystalického diamantu, připraveného za vysokých tlaků a teploty, se stejnou oblastí aplikace. V současnosti jsou jemnozrnné jednofázové CVD povlaky TiC, TiN nebo Al2O3 používány výjimečně. Většina komerčních povlaků je vícevrstvých anebo s rozdílnou morfologií struktury jednotlivých vrstev

Existují CVD povlaky složené až z 15 vrstev. Hlavní důvody pro vícevrstvé variace jsou následující: kombinace vlastností různých povlaků (morfologií) zlepšuje řezné charakteristiky břitu, povlaky mají univerzálnější použití výhodné z hlediska výrobce i spotřebitele, posloupnost vrstev umožňuje ovlivňovat přilnavost povlaku k podkladovému karbidu při obrábění. Na houževnatost povlaku má velký vliv tloušťka povlaku, s rostoucí tloušťkou povlak "křehne". Pro plynulý řez je vhodná celková tloušťka všech vrstev 8 až 12 m, pro přerušovaný řez 4 až 6 m.

Také podkladový SK a jeho povrchová vrstva jsou důležitými faktory pro chování povlakované břitové destičky v provozu. Podklad musí zachovat tvar při pracovních teplotách a tlacích a musí být odolný proti křehkému porušení. S ohledem na přilnavost povlaku nesmí povrchová vrstva obsahovat volný uhlík nebo křehkou eta fázi. U poslední generace povlakovaných SK se využívá tzv. gradientní slinování, kterým se řídí rozdílné rozložení pojící fáze v podpovrchových vrstvách podkladu. Vyšší obsah CO u povrchu zajišťuje houževnatý břit při zachování kladných vlastností podložky.

Také tvar, velikost a kvalita ostří vyměnitelných destiček určených pro povlakování rozhoduje o provozním chování, zvláště v záběhové části řezání. Proto je většina destiček pro CVD povlaky speciálně upravena zaoblením jehož velikost kolísá v rozmezí 20 až 50 m. Povlakované destičky se zaobleným ostřím jsou nevhodné pro obrábění s posuvy menšími než 0,1 mm.

Pro vyměnitelné destičky vyžadujícími ostrý břit nebo vysokou pevnost při pozitivní geometrii monolitní (popř. pájené) nástroje se používají většinou PVD procesy, v menší míře velmi tenké CVD povlaky (2 Ţm). Jedno nebo dvoufázové PVD povlaky o tloušťce 3 až 5 m poskytují zhruba 50% zvýšení řezné rychlosti nebo dvoj až třínásobné zvýšení trvanlivosti oproti nepovlakovaným karbidům. Na houževnatých podložkách jsou vhodné zejména pro obrábění ocelí malými a středními řeznými rychlostmi (např. pro upichování) a při nestabilních pracovních podmínkách. Ostrý břit dovoluje použití posuvů od 0,04 mm.

Povlakované vyměnitelné destičky z SK jsou přednostně doporučované pro téměř všechny operace soustružením, větší část operací vrtáním a frézováním, a t o pro převážnou část strojírenských materiálů, včetně některých těžkoobrobitelných. Odhaluje se, že více než 75 % soustružnických operací a asi 40 % frézovacích operací je dnes realizováno povlakovanými SK. Jednotlivé druhy pokrývají širokou aplikační oblast, v ISO klasifikaci např. P10 až P40, M10 až M25 nebo K01 až K20. Rostoucí spotřebu vykazují i povlakované nástroje monolitní.