Gyorsacél vagy keményfém? Melyiket válaszd a hatékony munkához?
Ha napi szinten forgácsolsz, pontosan tudod, hogy a szerszámválasztás nem csak a geometrián múlik. A lelke mindennek a szerszámanyag. Nem mindegy, hogy egy egyszerű szerkezeti acélt kell átfúrnod, vagy egy hőálló rozsdamentes anyaggal küzdesz a CNC-n. Ebben a bejegyzésben rendet teszünk a HSS, a keményfém és a speciális anyagok között, hogy legközelebb már rutinosan nyúlj a megfelelő szerszámért.
A három legfontosabb tulajdonság
Mielőtt belemennénk a típusokba, emlékezzünk a "szent háromságra", ami meghatározza egy szerszám képességeit:
- Keménység: Hogy a szerszám éle ne kopjon el idő előtt.
- Szívósság: Hogy ne törjön el az első rezgésnél vagy ütésnél.
- Hőállóság: Hogy a súrlódástól keletkező hőtől ne lágyuljon ki az él.
1. Gyorsacélok (HSS) – A sokoldalú klasszikusok
A HSS (High Speed Steel) forradalmasította a megmunkálást, mert nagyobb vágósebességet tett lehetővé, mint a sima szerszámacélok. A Perfor kínálatában három fő kategóriával találkozol leggyakrabban:
HSS (Sima gyorsacél)
Általános felhasználásra, puha acélokhoz, alumíniumhoz kiváló. Ha nem nagy a sorozat és fontos az ár-érték arány, ez a te választásod. Jó az éltartama, és nem rideg.
HSSE (Kobaltos gyorsacél)
Itt már 5% vagy 8% kobaltot adnak az ötvözethez. Ez drasztikusan megnöveli a hőállóságot. Ha saválló (rozsdamentes) anyagot fúrsz, a kobaltos fúró nem opció, hanem alapkövetelmény.
HSSE-PM (Porkohászati gyorsacél)
Ez a kategória a HSS és a keményfém között helyezkedik el. A porkohászati eljárásnak köszönhetően a szerszám anyaga sokkal homogénebb, így az éltartama és a szívóssága is kiemelkedő. Ott használjuk, ahol a keményfém már túl rideg lenne (pl. rezgésre hajlamos gépeken), de a sima HSS kevés.
2. Keményfém (VHM) – A termelékenység királya
A VHM (Vollhartmetall) volfrám-karbidból és kobalt kötőanyagból készül. Itt már nem acélról beszélünk, hanem egy szinterezett kerámia-szerű anyagról. Előnye: Elképesztő keménység és hőállóság. Akár 3-5-ször nagyobb vágósebességet is bír, mint a HSS. Hátránya: Rideg. Ha a gép nem elég merev, vagy üt a tokmány, a keményfém szerszám pattan. Professzionális CNC gépekre ez a legjobb választás.
3. Szuperkemény anyagok: PKD, CBN és Kerámia
Ezek már a "nehézsúlyú" bajnokok:
- PKD (Polikristályos gyémánt): Alumínium és koptató műanyagok megmunkálásához. Acélhoz tilos használni!
- CBN (Köbös bórnitrid): Edzett acélok esztergálásához és marásához, ahol a keményfém már elvérzik.
- Kerámia: Extrém hőállóság, főleg öntvények és hőálló szuperötvözetek nagysebességű megmunkálásához.
Nézzük mindezt egy kicsit részletesebben és ne feledkezzünk el arról sem, hogy mind a gyorsacél, mind a keményfém forgácsolási tulajdonságait drasztikusan javítják a hő- és kopásálló bevonatok. A szerszámbevonatok ismertetése után feltesszük a kérdést: Kobalt, vagy bevonat?
Milyen anyagból készülnek a forgácsoló szerszámok?
Szénacél (HCS)
A szénacél a legolcsóbb szerszámanyag, jó mechanikai tulajdonságai vannak és keményre edzhető, de nem hő- és korrózióálló, ezért használata korlátozott: kézi vagy szúrófűrészek, olcsó körkivágók, kések, ollók, stb.
Króm-vanádium acél (CrV)
Elsősorban a minőségi kéziszerszámok, például reszelők, csavarkulcsok anyaga, de készülhet belőle olcsó kézi menetfúró, menetmetsző. A króm-vanádium acél olyan vasötvözet, amely az acélra jellemző szén mellett ötvözőelemként krómot és vanádiumot is tartalmaz. Mind a króm, mind a vanádium keményebbé teszi az acélt. A króm segít növelni a kopásállóságot és a korrózióállást is. A króm és a szén egyaránt növelheti a rugalmasságot.
Gyorsacél (HSS)
A gyorsacél (High-Speed Steel) a forgácsoló szerszámokhoz általánosan használt volfram, molibdén, króm, vanádium ötvözésű szerszámacél, amely jó keménységgel és hőállósággal rendelkezik, így képes „nagy” sebességgel vágni anélkül, hogy túl gyorsan elhasználódna. Nevét 1900 körül kapta megkülönböztetésül az akkori szénacél szerszámoktól.
Kobaltos gyorsacél (HSSE, HSS-Co)
A gyorsacél szokásos ötvözőelemein kívül 5%, 8% esetleg 10% krómot is tartalmaz, ami a keménység mellett jelentősen növeli a hőállóságát, így segítve a korrózióálló acélok és más nehezen forgácsolható ötvözetek megmunkálását.
Porkohászati gyorsacél (HSS-PM, HSSE-PM)
A porkohászati eljárás előnye, hogy az ötvöző elemeket finom por formájában keverik össze, majd magas hőmérsékleten préselik. Mivel a porok homogénebbek, a porkohászati gyorsacél finomabb és egyenletesebb szerkezettel rendelkezik, így nagyobb keménységre edzhető, megőrizve az anyag szívósságát. Így a szerszámok hosszabb élettartamot és jobb teljesítményt nyújtanak nagy igénybevételű alkalmazások során.
Keményfém (VHM)
Nagy keménységű karbidokból és kobaltból álló korszerű szerszámanyag. CNC és más merev gépeken végzett termelékeny fémforgácsoláshoz tömör keményfém szerszámokat használnak a gyorsacélhoz képest többszörös sebességgel.
Keményfém lapka (TCT)
Kemény anyagok, kőzetek kisgépes megmunkálásához és intenzív faforgácsoláshoz a forrasztott keményfém lapkás szerszámok terjedtek el.
Mikrószemcsés keményfém
Minél kisebb a gyártásnál használt szemcsenagyság, annál nagyobb a szerszám teherbírása.
Nagy termelékenységű fémforgácsoló szerszámokhoz.
Gyémánt (PKD)
A legkeményebb anyag, a szén köbös rácsszerkezetű módozata, amely szintetikusan is előállítható. Szerszámként szemcsés, vagy polikristályos (PKD) formában használják erősen koptató hatású kőzetek megmunkálásához és keményfém szerszámok élezéséhez, valamint könnyűfémek nagy sebességű forgácsolásához. Egy speciális szerszám a gyémánt felületsimító, amely a fémalkatrészek felületi érdességét javítja forgácsolás nélkül.
Köbös bórnitrid (CBN)
A gyémánthoz hasonló rácsszerkezetű anyag, amely nem mutat affinitást a vassal szemben, ezért a vas alapú anyagok megmunkálásánál előnyösebb, mint a gyémánt.
Mi az a bevonat?
A bevonat a szerszám felületére néhány mikron vastagságban felvitt kemény anyagréteg. A bevonat keménysége gyorsacél szerszámoknál általában az alapanyag keménységének 3-4-szerese, keményfémeknél az eleve keményebb alapanyag 2-3-szorosa.
Fontos jellemzője a különböző anyagokból álló bevonatoknak a nagy mikrókeménység mellett a magas hőállóság és a kis súrlódási tényező.
A bevonatnak három fő feladata van:
- Egyrészt a súrlódás csökkentése a forgács távozásának megkönnyítése érdekében.
- Másrészt a hőszigetelés, hogy a forgácsolásnál keletkező hő nagy része ne a szerszámba jusson, hanem a forgáccsal távozzon,
- Harmadrészt pedig a kopásállóság növelése, amit a bevonat nagy keménysége biztosít.
A bevonatos szerszám termelékenyebben dolgozik, nagyobb forgácsolási sebességgel és előtolással használható, éltartama pedig sokkal nagyobb, mint a bevonat nélkülié. Ez különösen fontos a nehezebben forgácsolható korrózióálló és nagyszilárdságú acéloknál.
Mikor gazdaságos a bevonatos szerszám?
Akkor gazdaságos, ha sokat forgácsolunk, vagy problémás anyagot kell megmunkálni.
Bár a bevonatos szerszám ára magasabb, a megmunkálási költségek sokkal kisebbek, mert a rövidebb műveleti idő következtében kisebbek a gépóra, a bér- és az általános üzemi költségek.
Emellett kevesebb szerszámra van szükség a nagyobb éltartam következtében, továbbá ritkábban kell szerszámot cserélni, élezni, ami időmegtakarítást jelent.
Ráadásul a kisebb súrlódás és a lassúbb kopás a munkadarab felületminőségét és méretpontosságát is javíthatja.
Az alábbi videóból látható, hogy a bevonatos fúró gyorsabban dolgozik:
Egy hasonló tesztet házilag is elvégeztünk, melynek eredménye ► itt látható.
Milyen bevonatok vannak?
Különböző célra gyártott szerszámokra más és más anyag-összetételű és természetesen különböző tulajdonságú bevonatok kerülnek, amelyeket általában a színükről lehet felismerni.
A legelterjedtebb bevonat gyorsacél és keményfém szerszámoknál egyaránt a titán-nitrid, de különböző célra használnak titán-alumínium-nitridet, alumínium-króm-nitridet, titán-alumínium-króm-nitridet, molibdén-diszulfidet és ezek többrétegű kombinációját.
Általában a bevonat keménysége a legfontosabb, de lágy alumíniumnál a súrlódási tényező, száraz forgácsolásnál a hőállóság a döntő. Korrózióálló és más nehezen forgácsolható anyagok megmunkálásánál ezeket a szempontokat össze kell hangolni, amin folyamatosan dolgoznak a szakemberek és újabb és újabb bevonatokat fejlesztenek ki. Az üveg és karbonszál erősítésű kompozit anyagokhoz és fogtechnikai ötvözetekhez például a gyémánt bevonat a legjobb.
A PERFOR választékban előforduló bevonatok:
TiN
Titán-nitrid bevonat (keménység: 2300 HV, hőállóság: 600°C, súrlódási tényező: 0,40)
HELICA
AlCrN alapú (keménység: 3000 HV, hőállóság: 1100°C, súrlódási tényező: 0,25)
ALCRONA
AlCrN (keménység: 3200 HV, hőállóság: 1100°C, súrlódási tényező: 0,35)
FUTURA
TiAlN (keménység: 3300 HV, hőállóság: 900°C, súrlódási tényező 0,30-0,35)
FLAM
TiN+TiAlN (keménység: 3000 HV, hőállóság: 700°C)
BLADE
TiAlN+TiCN (keménység: 3300 HV, hőállóság: 700°C)
HardCut
TiAlCN (keménység: 3900 HV, hőállóság: 700°C)
UltraCut
AlTiN (keménység: 4000 HV, hőállóság: 950°C)
HardX
TiAlN (keménység: 3500 HV)
GraphX
Gyémánt (keménység: 8000 HV)
AlCut
MoS2 (keménység: 120 HV, hőállóság: 800°C)
RedX
TiAlN (keménység: 3500 HV, hőállóság: 900°C)
HiCut
Ti2CN (keménység: 3300 HV, hőállóság: 600°C)
A bevonatos szerszám újraélezése
Végül egy gyakori kérdés: Mi történik a bevonattal a szerszám újraélezése után?
Két lehetőség van.
A nagyértékű keményfém szerszámok utánélezését végző cégek általában az újra-bevonatolást is vállalják.
A házilag élezett szerszámoknál a bevonat az egyik felületen eltűnik, ezért a továbbiakban hatása nem lesz 100%-os, de jelentős marad. Például a csigafúró hátfelületén nem lesz bevonat, de a forgácsképzési folyamatban döntő szerepet játszó homlokfelületen, a horonyban és a szerszámot megvezető élszalagon megmarad.
Kobalt, vagy bevonat?
A kobalt a szerszám anyagának az ötvözőeleme, amely az gyártás során kerül be az acélba a többi ötvözőelemmel együtt. A kobaltos gyorsacél (HSSE, HSS-Co) általában 5% vagy 8% kobaltot tartalmaz. A kobalt növeli a fúró keménységét és a hőelvezetést, ami lehetővé teszi a keményebb anyagok, például a rozsdamentes acél vagy a nagy szilárdságú ötvözetek hatékony fúrását.
A bevonat viszont a készre köszörült szerszám felületére felvitt vékony, kemény réteg, például titán-nitrid (TiN), titán-karbonitrid (TiCN) vagy titán-alumínium-nitrid (TiAlN). Bevonatolni lehet az egyszerű gyorsacél, a kobaltos gyorsacél és a keményfém szerszámokat is. A bevonat csökkenti a súrlódást, jobban ellenáll a magas hőmérsékletnek és a kopásnak, ezért ezekkel a fúrókkal gyorsabban lehet dolgozni.
Összefoglalva mind a kobalt, mind a bevonat növeli a fúró éltartamát és teljesítményét. A nagyobb szilárdságú és rozsdamentes acél, vagy más kemény anyag fúrásánál célszerű kobaltos fúrót használni bevonattal.
Felületkezelés
Bár nem bevonat, de a téma kapcsán említést teszünk a szerszámok felületkezeléséről.
Bevonat-nélküli szerszámoknál néha felületkezelést alkalmaznak, amely olcsó eljárás, de a forgácsolási tulajdonságokat kismértékben javítja. Két leggyakoribb formája az oxidálás és a nitridálás.
Az oxidálás, vagy eloxálás, más néven gőzölés, vaporizálás a felületi réteget oxigénnel dúsítják, sötét szürke színű vasoxid (Fe3O4) képződik, ami segíti a kenőanyag megtapadását, csökkenti az adhéziós kopást.
A nitridálás az öntöttvasnál keletkező porszerű forgács tapadását gátolja, ami különösen a menetfúróknál fontos.
Szerző: Bánkuti József üzemmérnök
