Materiali Avanzati per Utensili da Taglio: Proprietà, Rivestimenti e Gestione dell'Usura

Classificato in Tecnologia

Scritto il 03 Dicembre 2025 in italiano con una dimensione di 15,42 KB

Proprietà Fondamentali dei Materiali per Utensili da Taglio

Articolo 3.1 – Proprietà dei Materiali

Durezza a Caldo:: Capacità di un materiale di mantenere la sua durezza, resistenza alla deformazione plastica e resistenza all'usura alle alte temperature.
Robustezza (Tenacità):: La capacità di un materiale di dissipare l'energia in deformazione plastica prima di raggiungere la rottura (break).
Duttilità:: La capacità di un materiale di deformarsi plasticamente senza fratture.
Resistenza all'Impatto Meccanico:: Capacità di un materiale di assorbire energia d'urto senza produrre cricche o danni.
Resistenza all'Usura (Abrasione):: Resistenza offerta da un materiale all'erosione causata dal contatto con un altro materiale.
Resistenza allo Shock Termico:: Capacità di un materiale di resistere a cicli rapidi di temperatura durante la lavorazione interrotta.
Durezza:: Resistenza offerta da un materiale alla penetrazione, al graffio, alla scalfittura, ecc.

Caratteristiche e Classificazione dei Materiali per Utensili da Taglio

Acciaio ad alta velocità (HSS), leghe di cobalto, carburi sinterizzati (non rivestiti), carburi rivestiti, ceramica, nitruro di boro cubico (CBN), diamante policristallino.

Proprietà Desiderabili e Sfide

Desiderabili: Durezza a caldo, resistenza all'usura, alta velocità di taglio, costi dei materiali contenuti.
Sfide (Trade-offs): Tenacità, resistenza agli urti, resistenza all'usura, resistenza all'astillamento, resistenza all'impatto termico.

Acciaio ad Alta Velocità (HSS)

Introduzione: Dominatore del XX secolo.

Proprietà: Elevata tenacità, buona resistenza all'usura, relativamente poco costoso.
Adatto Per: Utensili con ampi angoli di attacco e positivi / Taglio interrotto / Macchine utensili con bassa rigidità, soggette a vibrazioni / Utensili complessi e in un unico pezzo / Punte, maschi e ingranaggi.
Limiti: Bassa velocità di taglio dovuta a bassa resistenza termica.
Tipi: Serie M (Molibdeno) e Serie T (Tungsteno). La serie M offre maggiore resistenza all'abrasione, minore distorsione durante il trattamento termico ed è meno costosa della serie T. Il 95% degli HSS sono di tipo M.

Leghe di Cobalto (Stellite)

Introduzione: Sviluppate nel 1915.

Composizione: Co 38-53%, Cr 30-33% e W 10-20%.
Proprietà: Minore tenacità rispetto all'HSS / Buona resistenza all'usura / Mantengono la durezza a temperature più elevate rispetto all'HSS.
Adatte Per: Taglio approssimativo, profondo e continuo / Alta velocità di avanzamento (doppia rispetto all'HSS).
Limitazioni: Non adatte per la finitura / Meno adatte per operazioni di taglio interrotto rispetto all'HSS.

Carburi Sinterizzati (Non Rivestiti)

Introduzione: Conosciuti come carburi sinterizzati o cementati. Sviluppati per la prima volta nel 1930. Sono i materiali più utilizzati e versatili, oltre che convenienti.

Proprietà: Alto modulo elastico / Alta durezza in un ampio intervallo di temperature / Alta conduttività termica / Bassa dilatazione termica / Relativamente poco costosi.
Confronto con HSS e Leghe di Cobalto: Hanno tenacità e resistenza agli urti simili. Migliorano la resistenza e la durezza a caldo. Possono essere utilizzati in modo più efficace per velocità di taglio elevate (alte temperature).
Tipi: Carburo di Tungsteno (WC) e Carburo di Titanio (TiC).

Utensili Rivestiti: L'Era dei Rivestimenti Avanzati

L'alba dei rivestimenti per utensili da taglio: Sviluppo di nuovi materiali (leghe) a partire dal 1960. Offrono elevata resistenza e tenacità.

Vantaggi dei Rivestimenti

Attrito ridotto.
Aumento dell'adesione intermolecolare.
Aumento della resistenza all'usura.
Agiscono come una barriera alla diffusione.
Maggiore durezza a caldo e resistenza agli urti.

Gli utensili rivestiti possono avere una durata 10 volte superiore. Permettono velocità di taglio più alte (aumentando la produttività). Il 40-80% degli utensili da taglio utilizzati sono rivestiti.

Dettagli Tecnici dei Rivestimenti

Materiali Utilizzati: TiN (Nitruro di Titanio), TiC (Carburo di Titanio), TiCN (Carbonitruro di Titanio) e Al₂O₃ (Ossido di Alluminio).
Spessore: 2-15 µm.
Metodi di Deposizione: Deposizione Chimica da Fase Vapore (CVD) e Deposizione Fisica da Fase Vapore (PVD). Il CVD è il metodo più frequentemente utilizzato per il rivestimento multistrato di carburi e ceramiche.
PVD: Utilizzato per rivestimenti in TiN su carburi. Offre maggiore resistenza del tagliente, meno attrito, minore tendenza alla formazione di tagliente di riporto. Gli obiettivi sono più lisci e uniformi (2-4 µm).

Obiettivi dei Rivestimenti

I rivestimenti mirano a:

Aumentare la durezza a temperature elevate (resistenza all'usura).
Garantire stabilità chimica e neutralità (resistenza all'usura).
Avere bassa conducibilità termica (per evitare l'aumento di temperatura nel substrato).
Garantire compatibilità e buona adesione al substrato.
Avere bassa porosità (mantenendo l'integrità e la resistenza).

Materiali di Rivestimento Specifici

Rivestimenti in Nitruro di Titanio (TiN, colore dorato):
- Basso attrito, elevata durezza, resistenza alle alte temperature.
- Buona adesione al substrato.
- Migliorano la vita degli utensili HSS e in metallo duro.
- Buone prestazioni ad alte velocità di taglio e avanzamento.
- Minore usura del fianco rispetto agli utensili non rivestiti.
- Svantaggio: Cattivo comportamento a bassa velocità (adesione del truciolo); richiede l'uso di fluidi da taglio.
Rivestimenti in Carburo di Titanio (TiC):
- Implementati su inserti in carburo di tungsteno.
- Conferiscono elevata resistenza all'usura del fianco durante la lavorazione di materiali abrasivi.
Rivestimenti in Ceramica (Al₂O₃):
- Neutralità chimica, bassa conducibilità termica.
- Resistenza all'usura a cratere e maggiore resistenza all'usura del fianco a temperature elevate.
- L'ossido di alluminio utilizzato è molto stabile e si lega debolmente al supporto.
Rivestimento Commerciale di Diamante (Policristallino):
- Substrati rivestiti: WC (e nitruro di silicio, SiN).
- Le tecniche PVD e CVD depositano strati sottili.
- Efficacia nella lavorazione di metalli non ferrosi e materiali abrasivi: leghe di alluminio e silicio, materiali compositi rinforzati con fibre e matrice metallica, e grafite.
- Vita utile 10 volte superiore rispetto ad altri rivestimenti.

Altri Rivestimenti

Carbonitruro di Titanio (TiCN): Più duro e resistente del TiN.
Alluminio Nitruro di Titanio (TiAlN).
Carburi di Cromo (CrC).
Nitruro di Zirconio (ZrN).
Nitruro di Afnio (HfN).
Rivestimenti Nano e Rivestimenti Compositi.

Ceramiche e Materiali Ultrahard

Ceramica a Base di Allumina (Al₂O₃)

Introduzione: Presentate nel 1950.

Formato: Formate prevalentemente da Al₂O₃ a grana fine e alta purezza. Sono pressate a freddo per dare la forma dell'inserto e sinterizzate ad alta temperatura. L'aggiunta di TiC e ZrO₂ aumenta la tenacità e la resistenza agli shock termici.
Proprietà: Resistenza all'abrasione ed elevata durezza a caldo. Chimicamente più stabili di HSS e carburo, quindi hanno meno probabilità di formare tagliente di riporto.
Limitazioni: Bassa tenacità (low toughness) che può portare a fallimenti prematuri.
Applicazioni: Efficaci ad alta velocità e taglio continuo (lavorazione di fusioni). Lavorazione a secco o con abbondante fluido da taglio (per mitigare lo shock termico).

Cermet (Ceramica a Matrice Metallica)

Introduzione: Apparsi per la prima volta nel 1950.

Formazione: Matrice particolata ceramica-metallica. Tipicamente 70% Al₂O₃ + 30% TiC.
Svantaggi: Costo elevato e fragilità.
Vantaggi: Stabilità e resistenza alla formazione di tagliente di riporto. Molto migliorati negli ultimi decenni (tenacità, resistenza e affidabilità). I loro benefici si collocano tra i carburi e le ceramiche metalliche.
Applicazioni: Passate di sgrossatura e finitura leggera ad alta velocità. Il design del rompitruciolo è critico nei cermet.

Nitruro di Boro Cubico (CBN)

Dopo il diamante, il nitruro di boro cubico (CBN) è il materiale più duro che esista.

Formato: Il CBN viene unito a un substrato di carburo tramite sinterizzazione ad alta temperatura e pressione.
Proprietà: Il carburo fornisce la resistenza all'impatto. Lo strato di CBN fornisce resistenza all'usura molto alta e resistenza del tagliente.

Ceramica a Base di Nitruro di Silicio (SiN)

Introduzione: Prima apparizione nel 1970.

Formato: SiN con aggiunte di Al₂O₃, TiC e ossido di ittrio.
Proprietà: Elevata tenacità, durezza a caldo, resistenza agli urti termici.
Limitazioni: A causa della sua affinità chimica con il ferro ad alte temperature, gli utensili a base di SiN non sono adatti per la lavorazione degli acciai.

Diamante Policristallino (PCD)

La sostanza più dura conosciuta.

Proprietà: Basso attrito, elevata resistenza all'usura, capacità di mantenere la sua punta affilata.
Utilizzo: Vengono utilizzati quando è richiesta una buona finitura superficiale e una buona precisione dimensionale.

Fluidi da Taglio: Funzioni e Applicazione

I fluidi da taglio vengono utilizzati per:

Ridurre l'attrito e l'usura.
Raffreddare la zona di taglio.
Ridurre le forze e il consumo energetico.
Rimuovere il truciolo dalla zona di taglio.
Proteggere la superficie lavorata dalla corrosione ambientale.

Tipi di Fluidi da Taglio

Oli: Per operazioni a bassa velocità (V) dove l'aumento di temperatura (T) non è significativo.
Emulsioni: (Olio, acqua e additivi). Per operazioni ad alta velocità (V) dove l'aumento di T è significativo.
Semisintetici: Emulsioni chimiche contenenti olio minerale diluito in acqua e additivi che riducono le dimensioni delle particelle di olio.
Sintetici: Additivi chimici, diluiti in acqua e privi di olio.

Metodi di Applicazione dei Fluidi da Taglio

Raffreddamento per Alluvione: Il metodo più comune.
Raffreddamento a Nebbia o Foschia: Modalità di spruzzo. Fornisce fluido ad aree inaccessibili. Necessita di ventilazione per evitare l'inalazione.
Sistema ad Alta Pressione: Aumenta la velocità di dissipazione del calore. Agisce come rompitruciolo.
Utilizzo del Sistema Interno all'Utensile: Facilita l'alimentazione del fluido alla zona di taglio. Applica liquido ad alta pressione attraverso stretti passaggi sia sull'utensile che sul mandrino.

Effetti e Considerazioni sui Fluidi da Taglio

La scelta dei fluidi da taglio deve tenere conto di:

Materiale del pezzo e della macchina utensile.
Considerazioni biologiche.
L'ambiente (inquinamento).

Lavorazione Quasi a Secco (MQL) o a Secco

Questi metodi portano a:

Miglioramento della qualità dell'aria negli impianti di produzione.
Riduzione dei rischi per la salute.
Riduzione del costo delle operazioni di lavorazione.
Ulteriore miglioramento della qualità della superficie.

Vita dell'Utensile: Usura e Fallimento

Fattori di Stress e Usura

Gli utensili da taglio sono sottoposti a:

Stress localizzato sulla punta dell'utensile.
Alte temperature.
Scorrimento del truciolo sulla faccia di attacco.
Scorrimento dell'utensile sulla superficie lavorata.

L'usura progressiva della lama e la sua velocità dipendono da:

Materiale del pezzo.
Geometria dell'utensile.
Parametri di processo.
Caratteristiche della macchina utensile.

La vita dell'utensile diminuisce rapidamente con l'aumentare della velocità di taglio. È influenzata dalle condizioni di lavoro e dipende dal tipo di materiale (microstruttura) del pezzo.

Quando è Richiesta la Sostituzione degli Utensili da Taglio?

La superficie del pezzo comincia a deteriorarsi.
Le forze di taglio aumentano in modo significativo.
La temperatura aumenta in modo significativo.

Tipi di Usura

Usura a Cratere

Si trova sulla faccia di attacco. È attribuita a:

Temperatura nell'interfaccia utensile-truciolo.
Affinità chimica tra utensile e pezzo in lavorazione.

I fattori che influenzano l'usura del fianco influenzano anche la craterizzazione. Il rivestimento degli utensili è efficace nel ridurre al massimo la craterizzazione. La profondità massima di craterizzazione (KT) si trova nella zona di massima temperatura dell'interfaccia utensile-truciolo.

Usura del Fianco (Tip Wear)

Arrotondamento della punta dell'utensile. Influenza la formazione del truciolo. Causa attrito dello strumento sul pezzo, provocando alte temperature e tensioni residue.

Usura a Intaglio (Notch o Slot)

Si verifica al limite in cui il truciolo non è in contatto con l'utensile. Può creare uno strato indurito che può causare gravi scheggiature.

Astilamento (Scheggiatura)

Rottura di un piccolo pezzo del bordo dell'utensile. Non è un processo graduale. Le cause principali sono l'impatto meccanico e la fatica termica.

Monitoraggio della Condizione dell'Utensile

Metodo Diretto

Richiede l'interruzione delle operazioni per l'ispezione:

Misure ottiche (microscopio).
Contatto dell'utensile con un sensore dopo ogni ciclo di lavorazione.

Metodo Indiretto

Utilizza sensori di taglio per elaborare i segnali (online):

Emissione acustica, forza, accelerazione, e così via.
I segnali raccolti vengono elaborati, analizzati e interpretati.

Tramite sistemi on-line l'usura può essere stimata in tempo reale.