Gli utensili utilizzati dalle macchine operatrici hanno il compito di asportare il materiale metallico. Il materiale metallico viene asportato sotto forma di trucciolo le cui dimensioni variano dalla profondità di passata e dalla velocita di asportazione del materiale.
I materiali particolarmente adatti alla costruzione di utensili per lavorazioni a freddo sono i seguenti:
- Acciai non legati speciali.
- Acciai legati speciali.
- Acciai legati speciali rapidi.
- Acciai ai carburi metallici sinterizzati.
- Materiali ceramici.
I requisiti richiesti ai materiali impiegati per la costruzione di utensili per lavorazioni a freddo sono i seguenti:
- Durezza a freddo: durezza che posssiede l'utensile a temperatura ambiente, dopo l'esecuzione di eventuali trattamenti termici.
- Durezza a caldo: la temperatura regime dell'utensile deve essere tale che in nessun punto si verifichi una diminuzione di durezza in grado di compromettere la capacità di taglio.
La quantità di calore prodotto durante il normale utilizzo è dovuto ai seguenti fattori:
- A Natura del materiale lavorato.
- B Sezione del truciolo.
- C Velocità di taglio.
- D Angoli degli utensili.
- E Eventuale refrigerazione.
Affinché avvenga l’asportazione di truciolo alla temperatura di regime, il tagliente deve avere una durezza maggiore o uguale a 45 HRC ed inoltre vi deve essere una differenza di durezza di almeno 400 HB nei confronti del materiale da lavorare;
Il carico unitario di rottura a compressione, e tenacità del materiale dell’utensile: debbono essere sufficientemente elevati per permettere all’utensile di resistere alle sollecitazioni, alle vibrazioni ed agli urti che insorgono durante la lavorazione;
Resistenza all’usura: rappresenta la capacità di conservare più o meno a lungo inalterati gli elementi geometrici (piani e spigoli) dei taglienti dell’utensile sottoposti all’azione abrasiva del truciolo;
Coefficinete di attrito: oltre che dai noti parametri (finitura superficiale, lubrorefrigerazione, ecc.) il coefficiente d’attrito è tanto minore quanto maggiore è la differenza tra la durezza dell’utensile e quella del materiale da lavorare;
Acciai non legati speciali
La composizione chimica percentuale di questi acciai è caratterizzata da elevati tenori di carbonio (da 1% a 1,4% mediamente) e da nessun elemento di alligazione aggiunto intenzionalmente, eccetto quelli destinati all’elaborazione della colata.
La tempra si effettua alla temperatura di 770°C / 800°C con raffreddamento in acqua ed il rinve nimento a 180°C con raffreddamento in olio che permette di conseguire una durezza minima di 62 HRC.
Hanno limitatissima durezza a caldo che li rende adatti al taglio fino a circa 300°C. La resistenza all’usura è scarsa mentre la tenacità cresce con il diminuire della percentuale di carbonio. Salvo rari casi non vi è oggi la convenienza economica al loro impiego.
Acciai legati speciali
La composizione chimica di questi acciai è caratterizzata dalla presenza di elementi di alligazione (Cr, Mo, Ni, V, W) il cui compito è quello di aumentare la durezza a caldo, la tenacità, la resistenza all’usura e di diminuire la deformabilità alla tempra.
La tempra si effettua alla temperatura di 770°C / 800°C con raffreddamento in acqua ed il rinvenimento a 180°C con raffreddamento in olio che permette di conseguire una durezza minima di 62 HRC.
Hanno limitatissima durezza a caldo che li rende adatti al taglio fino a circa 300°C. La resistenza all’usura è scarsa mentre la tenacità cresce con il diminuire della percentuale di carbonio. Salvo rari casi non vi è oggi la convenienza economica al loro impiego.
Hanno limitata durezza a caldo e pertanto sono impiegati per lavorazioni lente e particolari.
Acciai legati speciali rapidi
Sono comunemente denominati acciai rapidi quelli che non contengono cobalto e acciai superrapidi quelli che contengono cobalto perché consentono elevate velocità di taglio essendo sensibili al rinvenimento solo ad alte temperature.
Gli elementi di alligazione (Co, Cr, Mo, V, W) hanno il compito di conferire all’acciaio fondamentalmente la durezza a caldo, la resistenza all’usura e la tenacità. Questi tipi di acciai sono particolarmente indicati nella costruzione di utensili che richiedono elevati valori di resistenza meccanica (frese, creatori, punte elicoidali, ecc.).
Gli acciai rapidi permisero al loro apparire non solo velocità di taglio quattro o cinque volte superiori rispetto a quelle degli acciai non legati al carbonio, ma soprattutto una prevedibilità di comportamento per una valutazione quantitativa che consentì di formulare la legge di taylor durata utensile , legge matematica formulata (in realtà semiempiriche) sul taglio dei materiali metallici.
Sono stati recentemente introdotti gli acciai rapidi risolforati allo scopo di migliorarne la lavorabilità. La risolforazione consiste nell’incorporazione dosata di una piccola quantità di zolfo (0,1%) che, reagendo con gli elementi di alligazione, forma solfuri e disolfuri. Questi attribuiscono proprietà di autolubrificazione interna che si esplica nell’alto grado di lavorabilità dell’acciaio rapido consentendo la produzione di creatori, di frese, ecc. per i quali sono richieste ottime finiture superficiali spesso ottenibili senza rettificatura.
Per lavorazioni parzialmente o completamente automatizzate vi è l’esigenza di utensili costruiti con acciai rapidi ad alta affidabilità. In particolare si rammenta il procedimento ASP (Asea Stora - Process) e l’acciaio rapido ASP 23 che può essere considerato il tipo standard per lavorazioni a freddo (1,27% C, 4,2% Cr, 5% Mo, 6,4% W, 3,1% V).
Carburi metallici sinterizzati
Il nome Widia , dato inizialmente dalla Krupp a questo prodotto, deriva dalla combinazione delle le parole tedesche « Wie-Diamant », intendendosi con tale nome definire la elevatissima durrezza accompagnata da straordinarie proprietà di taglio.
Inoltre, a differenza del procedimento seguito per la stellite, nella preparazione del Widia si evita di far passare i carburi metallici allo stato fuso. In tal modo si eliminano dal prodotto le strutture fragili e la scarsa compattezza dovute ad impurità e soffiature.
Composizione. I carburi metallici sinterizzati per la fabbricazione di utensili si possono dividere in due categorie:
- Base di solo carburo di wolframio (WC) con legante metallico (Co) impiegati per lavorare materiali a truciolo corto (ghisa, ottone, bronzo, alluminio).
- Base di solo carburo di wolframio con legante metallico (Co) additivato con carburo di titanio (TiC) per migliorare la conducibilità termica.
Talvolta vengono aggiunti carburi di niobio (NbC), di tantalio (TaC), ecc., singolarmente o in miscela tra loro per avere questi vantaggi:
- Evitare l’ingrossamento dei grani di carburo di wolfrarnio durante la fase di sinterizzazìone.
- Trasmettere rapidamente il calore all’esterno.
- Diminuire l’usura e la conseguente erosione a cratere sulla faccia dell’utensile dovuta agli elevati sforzi di taglio ed al notevole sviluppo di calore.
Preparazione. Ci sono molti procedimenti per la preparazione dei metalli duri. Uno tra i più impiegati è il seguente: Il triossido di wolframio si riduce in un forno elettrico in presenza di idrogeno, quindi il wolframio puro ottenuto viene mescolato al nero fumo in polvere.
La miscela, posta in un forno elettrico alla temperatura di circa l500°C, dà origine a dei cristalli di carburo di wolframio (WC). Il carburo di wolframio viene macinato alla granulometria idonea e mescolato al cobalto in polvere con l’aggiunta eventuale di altri carburi.
Si procede ora alla fabbricazione dei compatti mediante compressione a freddo in appositi stampi per la preparazione delle piastrine (pressione da 0,2 a 2,5 MPa). Segue una prima sinterizzazione (presinterizzazione) a circa 1000°C per conferire ai compatti una maggiore omogeneità.
Nella successiva sinterizzazione a fase liquida (con riscaldamento in atmosfera inerte dei compatti alla temperatura di 1400°C / 1600°C) la sola polvere di cobalto raggiunge la fusione, cementando cosi i granuli dei carburi e dando origine ad un agglomerato omogeneo e resistente.
Proprietà. I carburi sinterizzati a base di carburi di wolframio hanno come caratteristiche predominanti:
- Un elevato modulo di elasticità normale (2 / 3 volte superiore a quello dell’acciaio).
- Una notevole resistenza a compressione (da 4 a 6 kN/mm).
- Una mediocre resistenza a flessione e a torsione.
- una elevata durezza a caldo (da 1300 HV ad un massimo di 1800 HV).
- un’ottima resistenza all’abrasione ed un basso coefficiente d’attrito che consente al truciolo di scorrere agevolmente sulla faccia di taglio.
Il metallo duro, anche raggiungendo la temperatura di circa 900°C, conserva una durezza considerevole. Ha inoltre un basso coefficiente di dilatazione termica (circa 1/3 dell’acciaio) che conferisce al metallo duro la resistenza agli shock termici ed un’elevata conducibilità termica capace di asportare calore dal pezzo durante l’asportazione di truciolo.
Proprietà negative di questo materiale sono la resilienza trascurabile e la limitata resistenza alle sollecitazioni di fatica (che risulta elevata quando si tratti solo di carichi di compressione).
Perciò questo materiale deve essere usato sotto forma di placchetta saldata o di inserto fissato meccanicamente ad un codolo di acciaio.
Le placchette e gli inserti accentrano in sè le caratteristiche di taglio e cedono il compito di resistere alle sollecitazioni generate dagli sforzi di taglio.
La forma e le dimensioni delle placchette (e deglì inserti) escluse quelle che servono per lavori speciali sono stabilite da norme unificate.
Materiali ceramici
Sono materiali indicati per utensili da taglio poiché accoppiano le buone caratteristiche meccaniche e di conducibilità termica dei metalli con la refrattarietà dei materiali ceramici. Presentano mediocre resistenza agli sbalzi termici, notevole durezza a caldo, elevata resistenza all’abrasione e alla craterizzazione ed in genere sensibile fragilità che si attenua con particolari procedimenti di fabbricazione.
Composizione. Commercialmente i materiali in oggetto si suddividono in ceramici e metalceramici (cermets = ceramic metals).
Per i ceramici la sostanza base è l’allumina cristalizzata (Al203), il cui contenuto normalmente varia dal 90 al 99%. Il resto è costituito da ossidi di silicio, magnesio, cromo, titanio, manganese, ecc., alcuni dei quali aggiunti per esplicare una particolare funzione ed altri presenti nella forma di impurezze.
Attualmente i cermets per utensili da taglio disponibili sul mercato sono numerosissimi e le loro composizioni variano da fabbricante a fabbricante.
- Base di Al203 con un metallo (ad esempio 2 / 10% di Mo).
- Miscele di Al203 e carburi metallici (fino al 40% di MO2C, VC, ecc.).
- Miscele di Al203 (70%) e TiC (25 / 28%) con legami metallici.
Fabbricazione. Le placchette gli inserti ceramici e metalceramici sono ottenuti per sinterizzazione delle polveri dei costituenti, preventivamente macinate al prefissato grado di finezza (2 / 3 um per i ceramici, 0,8 / 1,2 um per i cermets). Le principali fasi della fabbricazione sono le seguenti:
- Pressatura a freddo.
- Sinterizzazione.
- Molatura.
- Verifica.
1. Pressatura a freddo. in adatte forme delle polveri intimamente mescolate per i ceramici; pressatura a caldo ad alta temperatura per i cermets per conferire al prodotto una struttura più compatta e, di conseguenza, una maggiore resistenza meccanica ed agli urti.
2. Sinterizzazione. in forno ad atmosfera controllata alla temperatura di 1650 / 1750 °C essendo la temperatura di fusione di circa 2050°C.
La massa volumica e la struttura cristallina sono regolate in questa operazione: da esse dipendono le proprietà della placchetta. La massa volumica teorica è 3,98 kg/dm; la massa volumica normale del sinterato è 3,9 e pertanto la porosità massima è circa il 2%.
La dimensione dei cristalli non dovrebbe aumentare dopo la sinterizzazione rispetto alla dimensione della polvere. L’aumento della grossezza può essere evitato aggiungendo altre polveri oppure regolando esattamente la temperatura di cottura.
Il diagramma di figura 2.6 mostra che nella prima fase di riscaldo la massa volumica cresce, raggiunge un valore massimo e poi tende a diminuire. La dimensione dei cristalli invece si mantiene circa costante nella prima fase, per crescere poi rapidamente. Pertanto le migliori caratteristiche si ottengono nell’intervallo di cottura che deve essere limitato a pochi gradi (4 °C).
Le placchette di allumina e di metalli (o di carburi metallici) sono spesso ottenute attraverso la dispersione del metallo per infiltrazione allo stato fuso nelle cavità porose dell’allumina preventivamente sinterizzata. L’infiltrazione si ottiene regolando la porosità del sinterizzato ed estraendo l’aria dai pori per mezzo di un operazione sotto vuoto.
3. Molatura. Si esegue con mole diamantate a tazza su rettifiche, per eliminare le deformazioni del ritiro (20%), per dimensionare, definire gli angoli ti aglio, arrotondare gli spigoli, levigare.
4. Verifica. Si esegue con microscopio binoculare per rilevare le scheggiature degli spigoli con esame in luce nera dopo immersione in una sostanza penetrante fluorescente per rilevare le microfessure.
