Brasatura materiali ceramici

I taglienti per utensili sono costruiti con materiali la cui evoluzione è stata continua e complessa nel tempo. L’esigenza di aumentare i rendimenti produttivi delle macchine utensili e la necessità di lavorare materiali con caratteristiche diverse e di difficile lavorabilità hanno spinto la ricerca alla progettazione di nuovi materiali per gli utensili da taglio. Per sopportare le velocità di taglio e ridurre i tempi di produzione aumentando così la produttività il tagliente deve avere caratteristiche particolari:

• Coefficiente d’attrito basso per evitare eccessivi riscaldamenti nella zona di taglio;
• Conducibilità termica buona per scambiare velocemente il calore prodotto nella zona di taglio e mantenere la temperatura del tagliente a valori accettabili;
• Costo contenuto, comprensivo sia del costo del materiale che del costo di ri-affilatura del tagliente;
• Durezza a caldo di almeno 20 HRC superiore a quella del materiale da lavorare (la durezza dovuta all’attrito tra tagliente e pezzo deve essere mantenuta alle alte temperature);
• Durezza a freddo del tagliente, grazie all’aggiunta di elementi in lega e ai trattamenti termici che garantiscono una buona durezza a temperatura ambiente;
• Resistenza all’usura per strisciamento nel tempo dovuta al materiale da lavorare e al truciolo delle superfici e spigoli di taglio;
• Tenacità ovvero resistenza agli urti per evitare la rottura del tagliente.

I principali materiali ceramici brasabili sono:

CBN (cubic boron nitride) composto chimico formato da boro e azoto sottoposto ad alta pressione e temperatura usato come abrasivo, è simile al diamante ma con elevata resistenza e durezza (90-95 HRC) alle alte temperature (2000 °C) Ha una buona conduttività termica, possiede una limitata reattività chimica con i metalli fino a 1200 °C e una resistenza all’ossidazione a caldo fino a 1200 °C. È un materiale relativamente fragile e molto costoso.

Gli ossidi ceramici (Al₂O₃, MgO, ZrO₂), sono fabbricati mediante la pressatura e sinterizzazione ad alta temperatura di polveri, godono di elevata durezza alle alte temperature ed alto livello di stabilità chimica, di contro hanno scarsa resistenza agli shock termici e ridotta tenacità. Sono particolarmente adatti per finiture di pezzi in acciaio temprato, con durezze non molto elevate, e ghisa. Aggiungendo il carburo di Titanio all’ossido di alluminio si ottiene Al₂TiO₅ con un notevole miglioramento delle proprietà meccaniche in particolare la durezza a caldo e la conducibilità termica.

Nitruri ceramici (Si₃N₄), sono usati nella lavorazione delle superleghe a base di nichel e della ghisa in condizioni di taglio particolarmente gravose o di taglio interrotto. Hanno un basso coefficiente di espansione termica, una bassa tenacità e bassa densità. Queste ceramiche al nitruro di silicio hanno un’elevata resistenza all’usura alle alte temperature (1700 °C), una elevata durezza, una discreta tenacità e una buona resistenza allo shock termico e agli agenti chimici. Hanno costi di fabbricazione elevati e non sono consigliabili nelle lavorazioni degli acciai a causa della forte reattività chimica con i materiali ferrosi. Il truciolo provoca un fenomeno di usura per diffusione e la conseguente craterizzazione dell’utensile.

Cermets (materiale composito ceramico+metallo) è un sinterizzato in cui le particelle ceramiche sono a base di carburi di titanio TiC, carbonitruri di titanio TiCN, nitruri di titanio TiN aventi particelle metalliche (Co e Ni) come leganti. Gli inserti sono caratterizzati da elevata resistenza all’usura sul fianco e per craterizzazione, elevata stabilità chimica e durezza a caldo, bassa tendenza alla formazione di tagliente di riporto, bassa tendenza all’usura per ossidazione. I Cermets sono vantaggiosi nell’impiego ad elevate velocità di taglio in combinazione con bassi avanzamenti e piccole profondità di passata con esigenze di massima precisione e finitura speculare. Ottimi risultati sono stati riscontrati nella lavorazione degli acciai, acciai inox, acciai alto legati e ghisa sferoidale.

Cermets rivestiti sono materiali compositi (ceramico+metallo) ricoperto con TiZrN o TiN attraverso la tecnica PVD (physical vapor deposition).

La brasatura dei materiali può avvenire solo in determinate condizioni di riscaldamento (processo) con speciali materiali d’apporto per la brasatura (leghe):