Progres sigur, cu paşi mici

Progresul continuu al „modestei” plăcuțe din carbură se caracterizează prin revoluție și evoluție. Carbura metalică este materialul cu duritate ridicată, utilizat pe scară largă la producerea sculelor din carbură, destinate prelucrărilor prin așchiere. Într-un context industrial, atunci când ne referim în general la carbură sau la carbură de tungsten, înțelegem de fapt că este vorba despre acest material dur, obținut prin sinterizare.

Sculele din carbură prezintă multe avantaje. În majoritatea covârșitoare a cazurilor, utilizându-le, obținem calități superioare ale suprafețelor prelu­crate, iar prelucrarea se poate face mult mai repede, în comparație cu sculele din oțel rapid. Mai mult, sculele din carbură au rezistență net superioară la temperaturile înalte, degajate în imediata vecinătate a suprafețelor prelucrate: de fapt, aceasta este și caracteristica principală care stă la baza prelucrărilor ultra-rapide pe care sunt capabile să le realizeze. Carburile aduc în mod natural performanțe superioare la prelucrarea materialelor tenace (ex: oțeluri înalt aliate sau inoxidabile), precum și la prelucrarea materialelor dure.

Utilizarea carburilor metalice a început încă din anii '30 ai secolului tre­cut. De atunci, carbura a devenit de departe cel mai popular material utilizat în producerea sculelor așchietoare. În timp ce sculele cu dimensiuni relativ reduse sunt realizate integral din carbură, altele, mai mari, utilizează car­bura numai în zona așchietoare. Inițial, în cazul celei de-a doua soluții, zona așchietoare se braza pe un corp de oțel. În jurul anilor '40, producătorii de scule au început să adopte metoda de montare mecanică pe corpuri de oțel a unor segmente de carbură metalică, acestea devenind astfel înlocuibile după uzare. Această inovație a adus chiar și o montare mai sigură decât prin brazare și este cunoscută acum ca o adevărată piatră de hotar nu numai în zona pro­ducerii sculelor, cât și în progresul uriaș făcut de industriile prelucrătoare, cu referire în mod special la creșterea productivității.

Astfel, a fost imediat posibilă creșterea încărcării sculei și amplificarea elementelor regimului de așchiere. În plus, metoda a adus avantaje economice impresionante, asigurând înlocuirea rapidă a elementului așchietor, odată ce s-a uzat sau s-a spart în așchiere. Astfel, și producția de scule s-a împărțit imediat în două: cea de scule suporți și cea de plăcuțe din carbură. În funcție de forma geometrică a plăcuțelor, acestea pot fi indexate prin metode diferite, cum ar fi rotirea acestora sau prin întoarcerea și așezarea pe fața opusă celei inițiale.

Inițial, noile segmente așchietoare s-au făcut cunoscute sub diferite denumiri, precum: plăcuțe consumabile, plăcuțe interschimbabile, plăcuțe înlo­cuibile. |n orice caz, astăzi, termenul generic cel mai răspândit este „plăcuțe indexabile”.

Tehnologia utilizată la producerea plăcuțelor indexabile are la bază pulberile din carburi metalice și include următoarele etape:

• Pregătirea mixturii -pulberea finală
• Presarea pulberii
• Sinterizarea
• Procesul post sinterizare
• Acoperirea

De fapt, aceste etape au rămas aceleași pe perioada câtorva decade. Totuși, știința și procesele tehnologice în sine au evoluat enorm și au avut un impact semnificativ asu­pra procesului de fabricație a plăcuțelor.

În trecut, procesul de fabricație se baza în mare măsură pe operațiuni manuale. Prin urmare, abor­darea unor procese complexe legate de realizarea pulberilor era foarte dificilă sau chiar imposibil de realizat. Introducerea echipamentelor industriale moderne, controlate cu ajutorul computerului și pretabile la automatizare, au adus stabilitate superioară proceselor, control mult mai bun și siguranță fără precedent. Astfel, propritățile mecanice ale plăcuțelor s-au uniformizat, au devenit mult mai predicti­bile și repetabile.

În final, calitatea plăcuțelor a crescut considerabil, acestea au câștigat mult în acuratețe, toleranțele au fost mult reduse.

Astăzi, o presă obișnuită destinată presării plăcuțelor este un dispozitiv cu un grad mare de tehnici­tate, controlat prin intermediul unui computer. Un poanson poate fi realizat din mai multe „sub-poan­soane”, fiecare acționat separat. Anumite prese oferă chiar posibilitatea presării pe mai multe direcții. Astfel, acest progres remarcabil în tehnologia presării permite producerea unor plăcuțe cu o configurație extrem de complexă, caracterizată, spre exem­plu, prin înălțimi diferite ale colțurilor așchietoare (figura 1). Se asigură astfel, direct din presare, geo­metria de așchiere optimă, care garantează nu numai așchiere ușoară și stabilă, dar și precizie deosebită a suprafeței rezultate (figura 2). În plus, avantajele aduse de sistemele moderne CAD/CAM fac posibile atât îmbunătățirea proiectării, cât și cea a realizării componentelor matriței de presare. De asemenea, se poate simula cu mare acuratețe procesul de realizare a unor produse sinterizate noi, chiar atunci când se află numai în stadii incipiente ale fazei de proiectare. Astfel, pot fi luate decizii de modificare pe parcursul proiectării, având ca rezultat îmbunătățirea considerabilă și rapidă a noului produs.

FIGURA 1  Plăcuța de frezare H690 TNKX 1005.. – prevăzută cu diferențe de înălțime ale muchiilor așchietoare

FIGURA 2. Plăcuța de strunjire CNMG 090404- F3P, cu spărgător de șpan complex realizat din pre­sarea pulberii. Geometria optimizată asigură strunjirea productivă a unei game largi de oțeluri și fonte

Tehnici noi, moderne, legate de sinterizarea plăcuțelor MASTER ridică și ele calitatea procesului. Sinterizarea mai multor substraturi din carbură asigură obținerea unui strat superior subțire, cu conținut ridicat de cobalt. Acesta reprezintă o barieră extrem de eficientă împotriva dezvoltării fisurilor și garantează rezistență mare la spargere, micșorând fragilitatea superficială. Astăzi, substraturile de acest tip sunt în special utilizate în realizarea sculelor/ plăcuțelor destinate strunjirii.

Înaintea anilor '80 carburile erau neacoperite. Ulterior, cu intenția de a crea carburi cu grad mare de universalitate, aplicabile unor game largi de mate­riale, producătorii au inventat sorturi care conțineau diferiți aditivi. Adoptarea tehnologiilor de acoperire a schimbat dramatic lumea prelucrărilor: acum, majoritatea covârșitoare a carburilor sunt acoperite. Această nouă tehnologie permite direcționarea din ce în ce mai precisă a carburilor către prelucrări ale unor grupe specifice de materiale.

Substraturile, conținând mai mulți aditivi, au structură mai uniformă, mai stabilă, permițând astfel un control mai facil pe parcursul producției.

De asemenea, introducerea carburilor acoperite și permanenta cercetare din acest domeniu au per­mis creșterea continuă a vitezelor de așchiere. Spre exemplu, cu 30 ani în urmă, la strunjirea fontelor cenușii se utiliza viteza de aprox 100m/min cu plăcuțe Iscar din carbura IC20 – neacoperită. Astăzi, carbura acoperită IC 5005 asigură viteze de până la 600 m/min.

Pe de altă parte, frezarea oțelului inoxidabil mar­tensitic se realiza – în aceeași perioadă – cu carbura neacoperită IC50M, cu 80 m/min. Acum, valori ale vitezei de aprox. 300 m/min sunt obișnuite când utilizăm carbura acoperită IC5500. Aceste valori impresionante arată clar cât de mult au influențat în bine carburile acoperite, ce progres uriaș a fost realizat în zona vitezelor de așchiere.

Tehnologiile de acoperire se dezvoltă con­tinuu, în două direcţii principale:

•  C.V.D. (Chemical Vapor Deposition) și
• P.V.D. (Physical Vapor Deposition)

Cel mai important rezultat al progresului din domeniul CVD a fost introducerea acoperirilor alu­mino-ceramice. Rezultatul este că se poate prelu­cra cu viteze foarte ridicate, datorită proprietăților excelente de izolare termică, a durității ridicate, a stabilității chimice la temperaturi înalte.

Acoperirile PVD au fost dezvoltate către finele anilor ’80. Ele au adus un progres uriaș în rezolvarea problemelor din domeniul nano-tehnologiei, care au blocat o perioadă îndelungată îmbunătățirea multor tipuri de prelucrări. Acoperirile PVD au adus prac­tic un surplus enorm de rezistență la uzură, prin introducerea straturilor NANO. Asemenea acoperiri (figura 3) sunt de fapt combinații de straturi NANO, cu grosime de până la 50 nm (nanometri). Rezistența acestor acoperiri este incomparabil mai mare față de cele realizate cu metodele convenționale.

Tehnologiile moderne permit chiar ca ambele metode – CVD și PVD – să fie combinate pe aceeași plăcuță. Este o dovadă în plus că se poate asigura un foarte bun control asupra proprietăților acoperirilor. În particular, calitatea de carbură ISCAR DT7150 are substrat tenace și acoperire dublă MTCVD și TiAlN-PVD. Această acoperire a fost inițial dezvol­tată pentru creșterea productivității în prelucrarea fontelor dure.

 FIGURA 3. Structura stratului NANO, din aco­perirea IC807

Un alt mare progres adus tehnologiei de realizare a plăcuțelor este tratamentul SUMO-TEC, o metodă post-acoperire de îmbunătățire atât a tenacității, cât și a rezistenței la uzură, în final având ca scop amplificarea productivității. La acoperirile CVD, din cauza diferenței dintre coeficienții de dilatare termică, între substrat și straturile de acoperire iau naștere tensiuni interne, care dau naștere microfi­surilor de suprafață. Pe de altă parte, în cazul aco­peririlor PVD, se formează micro-picături pe suprafața acoperită. Acești factori influentează negativ zona de degajare și scurtează viața plăcuței. Prin aplicarea tratamentelor SUMO-TEC (post-acoperire) aceste defecte se reduc considerabil și în unele cazuri chiar se îndepărtează în totalitate, durabilitatea și productivitatea fiind amplificate (figura 4 şi 5).

Cercetarea continuă în domeniul tehnologiilor de producere a plăcuțelor au dus la găsirea unor zone noi de perfecționare. Metodele moderne de presare și sinterizare, procesele de acoperire, trata­mentele post-acoperire, noile posibilități de realizare a tratamentelor de suprafață, optimizarea geometri­ilor de așchiere au optimizat plăcuțele pentru a face față cerințelor din ce în ce mai dure impuse de prelucrările eficiente ale industriilor prelucrătoare.

Noua carbură ISCAR IC6025, recent dezvoltată, este destinată strunjirii materialelor aparținând gru­pei ISO M (oțeluri inoxidabile, austenitice și duplex).

Acoperirea se face în mai multe straturi, ceea ce oferă și posibilitatea aplicării tratamentului post acoperire. Carbura a dus la îmbunătățiri majore ale productivității, în special în strunjirea materialelor din industria aeronautică (figura 6).

Printre carburile foarte performante dezvoltate recent, ISCAR introduce pe piață și IC806, pentru strunjirea și canelarea aliajelor rezistente la temperaturi ridicate. IC806 se alătură familiei de carburi SUMO-TEC PVD, pentru prelucrarea cu precădere a INCONEL 718.

Principala calitate a acestei carburi este sta­bilitatea ridicată în condiții de temperatură ridicată și mediu puternic coroziv. Aceste tipuri de materiale sunt utilizate în industria aerospațială, în compo­nente plasate în zona fierbinte a motorului, precum și în diverse sectoare din industria petrolieră/gaze naturale.

 FIGURA 6. Structura carburii IC6025, destinată prelucrării materialelor din domeniul M

Microstructura INCONEL 718 este austenitică, având limita de curgere și rezistența la tracțiune extrem de ridicate. Marea problemă întâmpinată la prelucrarea INCONEL 718 este temperatura extrem de ridicată degajată în imediata vecinătate a muchiei așchietoare. Aceasta se datorează elementelor abrazive din compoziție (Nichel 50-55%, Crom 17-21%), principalii vinovați pentru uzurile rapide, smulgerile în zona muchiei, spargerile plăcuțelor în final. Durabilitatea este astfel scăzută, deformațiile muchiilor așchietoare sunt mari, chiar la viteze de așchiere reduse.

Altă situație complexă asociată prelucrării INCONEL este creată de defor­marea acestuia în timpul prelucrării. Aceasta se datorează sensibilității meta­lurgice, a tensiunilor reziduale și a auto-durificării pe parcursul procesului de așchiere.

Scopul ISCAR este să prelucreze în mod eficient acest material unic și pentru aceasta a fost dezvoltată calitatea IC806. Este vorba despre un substrat submicronic, cu acoperire TiAlN și tratament SUMO-TEC, toate ducând la o soluție finală cu proprietăți anti-uzură net superioare.