Cermet (кермет): альтернатива твёрдому сплаву

Кермет: если твердосплавные решения уже не актуальны

Безусловно, за двадцатилетний период моей деятельности на станках с ЧПУ и универсальных агрегатах мне пришлось видеть многое.

Ранее, бывало, твердый сплав виделся абсолютным решением, и превзойти его возможности, казалось, невозможно.

Однако впоследствии возникли задачи, где от режущего приспособления требовалось достичь поистине невероятного: поверхности с Ra 0.4 мкм, прецизионности по IT6, а также высокой скорости обработки, чтобы производственный график соблюдался.

Именно тогда, собственно, мною и был впервые опробован кермет.

Поначалу, честно говоря, я относился к нему скептически – всего лишь титан с керамикой, не более чем забава, думалось.

Но, выяснилось, в руках опытного мастера при корректном использовании он может демонстрировать исключительные результаты там, где традиционный твердый сплав, напротив, бессилен.

Конечно, не постоянно, но в определенных сегментах, стоит признать, это моё по-настоящему незаменимое решение.

Когда твердосплавный инструмент "сдаёт позиции": типичные обстоятельства для кермета

Предположим, к примеру: перед вами стоит задача обработки вала, изготовленного из стали 40Х, посредством токарного станка.

При этом длина составляет 300 мм, а диаметр — 50 мм.

Допустимый разброс по диаметру установлен в пределах ±0.015 мм, при шероховатости Ra 0.8 мкм.

Стандартная пластина с покрытием TiN/TiCN, обычно, устанавливается.

После этого, собственно, процесс работы запускается.

Начальные 50-70 мм детали, безусловно, обрабатываются превосходно, но затем — внезапно возникают сложности!

Начинают образовываться наволакивание, а также наклеп на поверхности, и, что наиболее досадно, отмечаются микросколы на режущей кромке.

Режущий инструмент, кстати, утрачивает свою остроту, допусковые значения начинают отклоняться, а уровень шероховатости резко увеличивается до Ra 1.6 мкм.

По этой причине, как следствие, ведётся снижение рабочих режимов, и пластина требует замены, что влечет за собой потери времени, простои оборудования и, в конечном счёте, финансовые издержки.

Заказчик, естественно, проявляет недовольство.

Возможен, вдобавок, и иной сценарий.

Осуществляется, допустим, обработка нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.

Целью является чистовое точение для формирования поверхности с зеркальным эффектом.

Стандартный твердый сплав, к сожалению, даже при наличии полированной стружечной канавки, склонен к "залипанию".

Образование нароста ведётся, при этом стружка не удаляется, а прочно прилипает к кромке.

В итоге, поверхность изделия становится шероховатой, с явно выраженными рваными фрагментами.

Вследствие налипания стружки, температура в зоне резания, несомненно, повышается, вызывая пластическое искажение режущей кромки.

Ресурсы работы сокращаются с предполагаемых 30 минут до критических 5-7 минут, что, как очевидно, совершенно нерентабельно.

Я лично сам столкнулся с подобной ситуацией, когда стремился получить Ra 0.4 на удлиненном штоке из 12Х18Н10Т – мне пришлось перебирать режимы обработки до десяти раз, прежде чем я догадался испытать кермет.

Керметы (cermets), по сути, представляют собой композитные вещества, составленные из упрочнённых фаз керамического типа (наиболее часто это карбиды либо нитриды титана – TiC, TiN, TiCN) и металлического связующего компонента (кобальт, никель).

Их ключевое отличие от традиционных твёрдых сплавов, базирующихся на карбиде вольфрама, выражается в повышенной устойчивости к износу при высоких температурных режимах, а также пониженной химической активности относительно обрабатываемого материала.

Как раз эти характеристики дают им возможность превосходить твердый сплав в специфических обстоятельствах.

Согласно информации от Sandvik Coromant, например, их керметы марок CT5015/CT5025 дают до 30% большей стойкости при чистовом точении сталей, нежели схожие твердосплавные разновидности с покрытием.

Полезная рекомендация: Если вами была встречена сложность наволакивания материала на режущую кромку или зафиксирован ускоренный износ инструмента по причине повышенной температуры при чистовой обработке сталей и нержавейки, рассмотрите возможность применения кермета прежде всего. Незначительный тестовый прогон, несомненно, покажет, оправдано ли дальнейшее инвестирование. Моя практика обычно начинается с чистового точения при скоростях резания от 200 м/мин и подаче 0.08-0.15 мм/об.

TiCN: основной компонент кермета и его достоинства

Большая часть современных керметов, как известно, задействует карбонитрид титана (TiCN) в качестве базовой твердой фазы.

Данный факт, безусловно, не случаен.

TiCN, стоит отметить, совмещает в себе оптимальные характеристики карбида титана (высокая твёрдость и устойчивость к износу) и нитрида титана (отличная термостойкость и низкий коэффициент трения).

Каков же практический выигрыш от этого?

Рассмотрим, допустим, чистовую обработку легированной стали марки 45Х.

Задействуя пластину Kennametal KC730D (разновидность кермета с TiCN в основе), мне удалось, к слову, увеличить скорость резания со 180 м/мин (при работе стандартным твердосплавом с PVD-покрытием) до 250 м/мин, причём была достигнута шероховатость Ra 0.6 мкм, что оказалось на 25% превосходнее, нежели указывалось в чертеже.

И, что немаловажно, ресурс инструмента, фактически, возрос почти на 40% – с 25 до 35 минут эксплуатации на одной режущей кромке.

Одно из главных достоинств TiCN-керметов — это их свойство сохранять остроту режущей кромки на гораздо более длительный период.

В отличие от твёрдых сплавов, чья острота способна утрачиваться из-за абразивного воздействия либо выкрашивания, керметы, наоборот, демонстрируют меньшую подверженность этим явлениям при соблюдении определенных режимов.

Таким образом, данный факт даёт возможность достигать более устойчивых допусков на всём протяжении обработки партии деталей.

Пример: в ходе точения серий из 1000 небольших осей для приборов, мною было замечено, что при задействовании керметов Dormer Pramet T2025, отклонение по диаметру не выходило за пределы 0.01 мм на протяжении 150-200 единиц, в то время как с типовыми твердосплавными пластинами (марка P20) данное допусковое значение начинало "уплывать" уже после 70-80 изделий, что требовало непрерывной корректировки.

Следовательно, это способствует экономии рабочего времени оператора и уменьшению процента дефектных изделий.

Ещё один немаловажный аспект — химическая безразличность.

В процессе обработки низкоуглеродистых сталей либо нержавейки, где присутствует выраженная склонность к формированию нароста на режущей кромке, TiCN-керметы, несомненно, демонстрируют существенное преимущество.

Их химическая активность с материалом детали понижена, что, в свою очередь, уменьшает вероятность прилипания стружки и появления наростов.

Однажды мною был принят заказ на партию из 500 втулок, выполненных из стали марки 20.

Цель — добиться показателя Ra 0.8.

На твердосплавном инструменте, к сожалению, нарост постоянно формировался, и станок приходилось останавливать для очистки режущей кромки.

При переключении на кермет Iscar IC20N, стоит сказать, эта проблема полностью исчезла.

Время цикла при этом сократилось на 15%, а качество поверхности оставалось стабильно высоким.

Полезная рекомендация: Когда кермет выбирается, рекомендуется обращать внимание на его цветовой оттенок.

Светло-серый или серебристый тон нередко указывает на высокую концентрацию нитрида титана (TiN) в его составе, что говорит о хорошей термостойкости и сопротивляемости прилипанию.

Темно-серый или черный цвет, напротив, свидетельствует о большем содержании карбида титана (TiC), что даёт высокую твердость и износостойкость.

Иногда, кстати, изготовители добавляют незначительные объёмы оксидов алюминия для улучшения общих свойств.

У Mitsubishi, к примеру, существует линейка VP10RT, которая демонстрирует отличные результаты на нержавеющей стали.

Ограничения и типичные промахи при работе с керметом

Кермет – не универсальное волшебное решение, у него, несомненно, имеются собственные особенности и определённые лимиты.

Основной его недостаток – повышенная хрупкость.

Его структура, безусловно, значительно более хрупкая, нежели у традиционного твёрдого сплава.

Это означает, что керметы плохо выдерживают ударные воздействия, прерывистый режим резания, а также вибрации.

Я сам, признаться, оказался в подобной западне.

Предстояло выполнить обработку детали с проточкой и последующим переходом к прерывистому резанию, где инструмент регулярно прерывал контакт с заготовкой.

Мною был установлен кермет, я тогда рассчитывал получить безупречную поверхность.

Через 10 минут – пластина, увы, разлетелась в крошку.

Моя ошибка заключалась в том, что я не принял во внимание специфику кермета и не снизил подачу при выходе из зоны резания.

При ударе о краешек детали кермет, естественно, не выдержал и произошёл скол.

Тогда мною было понято, что для проведения подобных операций предпочтительнее оставаться на твердом сплаве, обладающем высокой ударной вязкостью (например, марках K20/K30).

Ещё одна распространённая ошибка — это использование кермета на устаревших, изношенных станках.

Если станок обладает "люфтом", имеются биения шпинделя или инструмента, то стабильная работа кермета будет крайне затруднена.

Его повышенная хрупкость не допускает никаких колебаний.

Я наблюдал, как на одном старом станке 1К62, где задняя бабка не удерживала соосность, оператор пытался вести чистовую обработку с помощью кермета.

Итог – постоянные сколы и выкрашивания фиксировались.

Пришлось вновь обратиться к твердому сплаву, хотя качество поверхности и было хуже, однако инструмент, по крайней мере, не ломался каждые пять минут.

Третья ошибка, с которой я часто сталкиваюсь, – это неправильно выбранная геометрия пластины.

Многие полагают, что раз кермет создан под чистовую обработку, то любая пластина с острым углом будет пригодна.

Но это не так, конечно.

Для керметов правильное строение стружечной канавки и радиус у вершины имеют чрезвычайно важное значение.

Чрезмерно малый радиус (например, R0.2) при высокой подаче может спровоцировать выкрашивание.

Чересчур большой радиус (R0.8-R1.2), как следствие, не даёт необходимой остроты и может вызвать вибрации на тонкостенных элементах.

Обычно мною задействуются радиусы от R0.4 до R0.8 мм для большинства чистовых операций.

Также важно акцентировать внимание на угле у вершины – предпочтительнее пластины с углом 55-80 градусов (например, CNMG, DNMG, WNMG), поскольку они обладают большей прочностью кромки, чем пластины с острым углом (например, VCMT).

Полезная рекомендация: Всегда проверяйте техническое состояние станка перед тем, как задействовать кермет.

Люфты, биения – это, фактически, приговор для него.

Кроме того, не следует пытаться снимать крупные припуски с помощью кермета.

Этот инструмент предназначен для финишной и получистовой обработки, где припуск на одну сторону не превышает 0.3-0.5 мм.

Если требуется снять миллиметр-два, сначала ведётся черновая операция твердым сплавом, а уже затем задействуется кермет.

Сферы применения кермета: чистовое точение, фрезерование и растачивание

Основное поле деятельности кермета — чистовое точение сталей и нержавеющих сплавов.

Особенно хорошо он себя проявляет при обработке закаленных сталей с уровнем твердости до 40-45 HRC, где обычный твердый сплав уже начинает интенсивно изнашиваться.

Например, при точении валов из стали 40ХН2МА после термообработки (35-38 HRC) кермет Walter WNMG-F1 VP100 позволил получить шероховатость Ra 0.6 мкм и допуск ±0.01 мм, что было недостижимо твердосплавными пластинами P30.

При этом стойкость составила 20 минут на кромку, что в два раза превзошло показатели твердого сплава.

Помимо точения, керметы находят свое использование в чистовом фрезеровании и растачивании.

Для фрезерования, правда, их задействуют реже, и исключительно для выполнения очень чистых операций, где минимальный припуск, а точность и качество поверхности весьма высоки.

Причина — всё та же хрупкость; фрезерование, по своей сути, представляет собой прерывистое резание.

Но для финишной обработки боковых поверхностей либо торцов, где необходимо получить Ra 0.8 мкм, керметные фрезы Iscar FFQ4 D08-4-0.8-04 продемонстрировали отличные результаты на чугуне СЧ20, давая стабильную поверхность без наволакивания.

В растачивании керметы, несомненно, незаменимы при работе с отверстиями, где требуется высокая точность и низкий уровень шероховатости.

Особо это актуально для глубоких и тонких отверстий, где критична стабильность процесса.

Мною задействовались расточные резцы с керметными пластинами Mitsubishi VP15TF для обработки отверстий диаметром 25 мм, длиной 100 мм, в корпусах из стали 45.

Требовался допуск H7 (+0.021/0 мм) и Ra 0.8 мкм.

Керметные пластины дали стабильность диаметра по всей длине отверстия и требуемую шероховатость.

При этом стойкость наблюдалась на уровне 25-30 отверстий на одну кромку, что, конечно, очень хороший показатель.

Полезная рекомендация: При работе с керметом в процессе растачивания или фрезерования, старайтесь обеспечить максимальную жесткость системы СПИД (Станок-Приспособление-Инструмент-Деталь).

Вылет инструмента, следует учитывать, должен быть минимальным, а крепление детали – максимально жестким.

Любые вибрации, несомненно, мгновенно выведут кермет из строя.

И всегда, разумеется, используйте охлаждение – это способствует отведению тепла и продлевает срок службы инструмента, даже если кермет термостойкий.

Рекомендации по выбору кермета: на что следует обратить внимание

Корректный подбор кермета – это 80% гарантии успеха.

Невозможно просто взять любую пластину и ожидать чуда, надо признать.

Вот несколько ключевых пунктов, на которые я всегда ориентируюсь:

1. Материал заготовки: Для сталей (особенно с низким и средним показателем прочности) хорошо подходят керметы с высоким содержанием TiCN. Для нержавеющих сталей, где склонность к прилипанию выше, рекомендуется выбирать марки с более значительным содержанием TiN и полированной стружечной канавкой (например, GC2015 от Sandvik Coromant или KC730D от Kennametal). Для чугунов керметы задействуются реже, но, разумеется, существуют специализированные разновидности.
2. Вид операции и параметры резания: Керметы созданы под чистовые и получистовые операции. Снимаемый припуск, соответственно, не должен превышать 0.3-0.5 мм на одну сторону. Подачи обычно составляют 0.08-0.25 мм/об. Скорости резания – высокие, от 180 до 350 м/мин, иногда и более, до 400 м/мин для определённых марок и материалов. Если вы имеете дело с прерывистым резанием, то ищите керметы с упрочнённой кромкой (обычно обозначаются как "M" или "H" геометрии) или же рассмотрите вариант с твердым сплавом.
3. Геометрия стружечной канавки: Для чистовой обработки рекомендуется выбирать геометрии с острыми, положительными углами и эффективно сформированной стружечной канавкой, которая результативно отводит стружку. Пример – геометрии "MF", "SF" у Sandvik Coromant, "F" у Walter. Это способствует уменьшению сил резания и получению более качественной поверхности. Для получистовой обработки, где припуск несколько больше, могут быть использованы более прочные геометрии, например, "MP" или "M".
4. Радиус у вершины: Универсальным вариантом являются R0.4-R0.8 мм. Для тонкой чистовой обработки с минимальной подачей может быть использован R0.2 мм, но здесь требуется осторожность, так как он более хрупкий. Для чуть более прочной кромки на получистовой обработке – R0.8 мм.
5. Изготовитель и разновидность: У каждого крупного изготовителя, безусловно, имеются собственные линейки керметов. Sandvik Coromant (GC2015, GC2025), Kennametal (KC730D, KC735D), Iscar (IC20N, IC30N), Mitsubishi (VP10RT, VP15TF), Walter (VP100), Dormer Pramet (T2025, T3025). Рекомендуется изучить каталоги, ознакомиться с советами по применению для конкретного материала и задачи. Зачастую в них содержатся таблицы, которые значительно облегчают выбор.

Мой личный опыт: Я всегда приступаю к изучению каталога изготовителя. Например, Sandvik Coromant предлагает превосходные рекомендации по использованию керметов для различных групп материалов ISO P, M, K. Для чистового точения стали P (P01-P15) ими нередко рекомендовался GC2015 с геометрией MF. И это почти всегда работает, кстати. Если не уверены, лучше обратитесь в техническую поддержку – они зачастую предоставляют очень квалифицированные консультации.

Заключительные положения

Кермет – это не просто ещё один материал, предназначенный для изготовления инструмента.

Это, безусловно, специализированное решение для весьма конкретных задач, где требуется исключительная чистота поверхности, высокая точность и стабильность размеров при работе со сталями и нержавеющими сталями.

Он не сможет полностью заменить твёрдый сплав, особенно при черновой обработке или в сложных условиях резания.

Но там, где твёрдый сплав начинает "мылить" поверхность, где нужен минимальный наклёп, или когда требуется максимально использовать режимы чистовой обработки – кермет становится совершенно незаменимым помощником.

Главное – понимать его сильные и слабые стороны, правильно подбирать рабочие режимы и быть уверенным в жёсткости вашей технологической системы.

С помощью кермета мне удалось достичь таких результатов, которые ранее казались невыполнимыми, и это не просто голословные утверждения – это, безусловно, итог многолетней работы непосредственно за станком.