ÚSPĚCHY A PROBLÉMY PŘI REALIZACI TENKÝCH VRSTEV V PRAXI REALIZATION OF THIN LAYERS IN PRACTISE PROBLEMS, EXPERIENCES AND ACHIEVEMENTS.

Transkript

1 Abstrakt ÚSPĚCHY A PROBLÉMY PŘI REALIZACI TENKÝCH VRSTEV V PRAXI REALIZATION OF THIN LAYERS IN PRACTISE PROBLEMS, EXPERIENCES AND ACHIEVEMENTS Josef FAJT PILSEN TOOLS s.r.o., Tylova 57, Plzeň, Česká republika, Aplikační vývoj tenkých vrstev má ve firmě PILSEN TOOLS již dlouholetou tradici. V příspěvku jsou shrnuty zkušenosti výrobce speciálních rychlořezných nástrojů při využívání tenkých vrstev ke zvýšení jejich životnosti. Jsou uvedeny i výsledky zkoumání vzájemných vazeb procesních a technologických parametrů na nástrojích z různých materiálů. Abstract Aplication development of thin layers fable hase long tradition in PILSEN TOOLS company.this subscription draw up all experiences of special tool HSS manufacturer with thin layers exploatation to increase tool life. You can find here the investigation s results of proces and technological relationship of parameters on tools made of different material. 1. ÚVOD Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém, neboť vrstva pro svoji tloušťku dosahuje společně se substrátem specifických vlastností a chování. Samotné tenké vrstvy mají na rozdíl od objemových materiálů rozdílné vlastnosti a to nejen z důvodů svojí tloušťky, ale i následkem depozičních procesů, které lze označit jako nerovnovážné a iniciující vznik metastabilních fází. Výsledky procesu deposice jsou silně ovlivněny optimalizací deposičních parametrů, které mohou hrát roli až v takové míře, že i když předpoklady fyzikální dávají jisté možnosti, až optimalizací lze dosáhnout žádaného výsledku. Obrábění těžkoobrobitelných materiálů je doprovázeno celou řadou jevů, které přímo či nepřímo ovlivňují řezný proces a celý systém stroj nástroj obrobek. Vznikají mnohem vyšší nároky na vhodně zvolený materiál nástroje a vhodně zvolenou tenkou otěruvzdornou vrstvu. Během řezného procesu vzniká a průběžně narůstá opotřebení funkčních ploch nástroje, které způsobuje změnu koeficientu tření k horšímu. Proto je nutné zvolit na dobře vyrobený nástroj vhodnou tenkou vrstvu ve vazbě na obráběný materiál. Teprve zkoušky obráběním však prokáží, zda zhotovená vrstva vždy přináší předpokládané výsledky! 2. OBLASTI ŘEŠENÍ Těžiště řešení optimalizace nástrojů a vrstev bylo zaměřeno zvl. na tyto oblasti: 2.1. výběr dodavatele vrstvy 2.2. volba druhů otěruvzdorných vrstev pro obrábění 2.3. uplatnění povrchových úprav při tváření 2.4. možnost obrábění za sucha 1

2 2.1. Výběr dodavatele tenkých vrstev Pro potřeby výrobce nástrojů v tuzemsku jsou nejoperativnější výrobci vrstev v republice. Proto jako výrobci nástrojů /odvalovací frézy, protahovací trny, frézy, závitové nářadí, kalibry, apod./ průběžně oslovujeme dále vyjmenované dodavatele povlaků, kteří s různými výsledky kvality, případně cen, ale i potřebných rozměrů komor pro velké nástroje vyhovují našim požadavkům při zkouškách i v praxi: - Cemecon - CzechCoating - Gühring - HVM - LISS Platit - Oerlikon Balzers - PVD Pro - SHM - VÚHŽ Firmy mají různé označení pro své tenké vrstvy ve svých katalogových materiálech, či na webových stránkách, kde si zákazník může vybrat podle potřeby. Protože však není v silách odběratele posoudit vždy vhodnost jednotlivých vrstev na svůj případ, je nutné, aby výrobci vrstev měli v obchodním oddělení svého odborníka, který doporučí vhodný produkt ve vazbě nástroj obrobek! Toto je zvlášť nutné v kusové výrobě nástrojů, kde drahý, mnohdy speciální nástroj je rentabilní opatřit pro zvýšení životnosti relativně levným otěruvzdorným povlakem a není prostor pro ověřovací zkoušky, apod. Nestačí jen obchodní jednání a udání ceny. Vyšší cena vrstvy nemusí být pro zákazníka z ekonomického hlediska nepříznivá při vysoké kvalitě a dosažení odpovídající trvanlivosti nástroje, případně množství odebraného materiálu do jeho opotřebení, jak ukazují některé výsledky dále! Příklad 1: Porovnávací dlouhodobé zkoušky 2-břitých fréz ø10 mm, ČSN , z rychlořezné oceli tenká vrstva od výše uvedených firem. Zadaná vrstva TiAlN u všech dodavatelů označeny symboly a, b, c, d, e, f, g, h, i. Nepovlakované frézy označeny v diagramech symbolem ch. Řezné podmínky: v c = 45 m/min, f = 0,05 mm/zub, a = 5 mm, b = 1,5 mm, maximální opotřebení VB = 0,15 mm, chlazeno emulsí. Obráběná ocel zušlechtěná na ca 900 MPa. Obráběcí centrum MCV 750A. 2

3 Závislost Q/nástroj Odebrané množství (kg) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 a b c d e f g h ch i Nástroj Diagram 1: Q ( VB= 0,15 mm) Diagram 2: Kč / 1 cm3 Závislost N/nástroj 30 29,3 25 Náklady odebraného množství 1 cm 3 (Kč) ,1 6,3 7,9 9,8 8,9 15,4 15,5 11,6 7,1 5 0 a b c d e f g h ch i Nástroj Komentář k výsledkům: Z pohledu odebraného množství při dlouhodobé zkoušce se nejlepším nástrojem jeví nástroj od výrobce povlaku /c/. Z pohledu nákladů byl nejlepší nástroj od výrobce /b/, který měl nejmenší náklady na odebrání určitého množství materiálu. Nástroj bez vrstvy /ch/ odebral určité množství materiálu s téměř 2 násobnými náklady než nástroj s povlakem /b/. Naopak nástroj /h/ by stejné množství materiálu odebral téměř za 3 násobnou cenu oproti nenapovlakovanému /ch/. Nástroje /f/ a /g/ měli stejné odebrané množství, ale vyšší cenu, jak nepovlakovaný /ch/. Z toho vyplývá, že jsou tedy též horší. U ostatních nástrojů se povlak vyplatí Volba druhů otěruvzdorných vrstev pro obrábění Volbou materiálu rychlořezného nástroje po optimalizaci konstrukce lze v určitém rozsahu zvyšovat životnost. Praktická zkušenost ukazuje, že rozdíly mezi chemickým složením běžných a moderních 3

4 nástrojových ocelí nejsou příliš výrazné, je však velký rozdíl mezi jejich vlastnostmi. Je to způsobeno zejména lepším metalurgickým zpracováním, kvalitnějším prokováním a lepší homogenitou mikrostruktury moderních ocelí. Kromě klasicky vyráběných ocelí v současnosti často využíváme i oceli vyráběné práškovou metalurgií. Zhotovený nástroj z těchto materiálů je podkladem nosným základem pro různou tenkou vrstvu. Nejstarší vrstva TiN je dnes překonána mnoha typy, strukturami, chemickými prvky kombinovanými vrstvami, od homogenních vrstev, gradientních, multivrstev až po nanokompozitní povlaky. Jde hlavně o chem. složení typu: TiN, TiAlN, TiCN, Al2O3, ZrO2, CrAlN, TiAlSiN a CrAlSiN, CrN, CrC, DLC a další. Dnes zaznamenáváme čtyři hlavní směry vývoje PVD aplikací - kombinace vrstev, zjemňování jejich struktury, zdokonalování vlastností dotováním prvků a nové vrstvy. Cílem je zvýraznění užitných vlastností, především zvýšení schopnosti korozní ochrany. V současnosti již známým trendem kombinace vrstev jsou tzv. multivrstvy, kde se střídají alespoň dva druhy vrstev. Stále sice platí, že jejich tloušťka zpravidla nepřesahuje 4 µm, ale vlastnosti mění rapidně ve prospěch vyšší tvrdosti i houževnatosti. Zvláštním druhem multivrstev jsou tzv. supermřížky s tloušťkou jedné vrstvy řádově několik nanometrů, kde se zlepšují mezivrstevné vazby a výsledná kvalita povlaku. Do oblasti výzkumu nových vrstev lze stále ještě zařadit velmi tvrdé vrstvy DLC, jejichž vlastnosti a možnosti přípravy zdaleka nejsou ještě prozkoumány a slibují široké možnosti uplatnění ve všech oblastech užití PVD povlaků. Příklad 2: Pro zadaný proces obrábění z příkladu 1 navrhly a dodaly vybrané firmy na frézy povlaky dle níže uvedené legendy. V diagramu je porovnání výsledků zkoušek: Procentuální vyjádření odebraného materiálu vzhledem k nepovlakovaným frézám 160,00 150,00 140,00 130,00 120,00 110,00 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, Diagram 3: Q /%/ Legenda k vrstvám v diagramu: 1 = AlWCr, 2 = AlCrN / Si3N4, 3 = TiAlN nano, 4 = TiAlN nano, 5 = TiCN, 6 = bez povlaku 4

5 Komentář k výsledkům: Nástroje bez povlaku /ozn.6/ dosáhl určeného opotřebení později, než nástroje 4 a 5, což ukazuje na nesprávně zvolený typ vrstvy dodavatelem. Naopak vrstvy 1, 2, 3 dosáhly lepších výsledků o 30 až 53% v odebraném množství materiálu, než nástroj bez povlaku 6, kde byl stanoven základ 100%. Průměrná hodnota trvanlivosti v minutách 25,5 26,8 30,15 17,95 17,05 19, Diagram 4: T /min/ Příklad 3: Uplatnění tenkých vrstev při obrábění antikorozní austenitické oceli obrobitelnost 8b: Obr. 1. Obráběcí proces Obr. 2. Frézy s vrstvou: TiAlN, TiCN+PLC Fig. 1. Machining process Fig. 2. Mills + layers: TiAlN, TiCN+PLC Byly porovnávány frézy dle obr. 2. s nástrojem bez vrstvy za stejných podmínek. Po vyhrubování a dokončení 24 zubů na obráběné tyči byl rozdíl v opotřebení všech nástrojů VB v rámci 0,1 mm! Zkouška ukázala, že v tomto případě není deponovaná vrstva přínosem, vložené náklady se nevrátí! 2.3. Uplatnění povrchových úprav při tváření V této oblasti je třeba rozlišovat tváření za studena nebo za tepla. Tomu odpovídá i tepelné zpracování a kvalita povrchu nástroje. Tváření za studena / lisování, stříhání, apod./ vyžaduje zpravidla leštěný povrch a vyšší tvrdost, zatímco za tepla rozhoduje tepelná odolnost a případně rázová houževnatost nástrojového materiálu. Správná hodnota zušlechtění tvářecího nástroje z určitého nástrojového materiálu podstatně ovlivňuje jeho životnost. Při nižší hodnotě může docházet k předčasné degradaci tvaru, při příliš vysoké se snižuje houževnatost a hrozí destrukce. Nitridace přináší zvl. v oblasti zápustek vyšší odolnost povrchu proti otěru. Poměrně malé zvýšení nákladů na nitridaci přináší zefektivnění výroby a procesu. V tabulce uvedené nevýhody však mohou být pro některé 5

6 typy zápustek degradační. Např. u nástrojů s hlubokými dutinami může od nitridovaného povrchu vzniknout vlivem pnutí trhlinka, která se následně lavinovitě šíří a je příčinou destrukce. V některých případech se naopak využije odolný návar na styčnou plochu zápustky s výkovkem, zvl. v místech intenzivního otěru nástroje. Výše uvedené vstupní předpoklady pro zvýšení životnosti tvářecího nástroje je nutno ověřit případ od případu, nelze doporučit jednoznačný postup pro všechny typy zápustek. Záleží na tvaru výkovku, výrobním zařízení, použité technologii, ale např. i na používaném mazacím prostředku, apod.! Přehled základních možností povrchového zpracování, které vedou ke zvýšení odolnosti proti opotřebení je znázorněn v Tabulce 1: Tab 1. Přehled technologií povrchového zpracování tvářecích nástrojů Technologie Výhody Nevýhody Nitridace, karbonizace Poměrně dobrá tvrdost a odolnost proti opotřebení (závisí i na základním materiálu) a další technologie, založené především na difúzi Trhliny (způsobené např. tepelnou únavou) se mohou snadno šířit do základního materiálu Poměrně dobrá tepelná stabilita Povlaky PVD Je možné dosáhnout velmi vysoké Nízká houževnatost, při tvrdosti, odolnosti proti dynamickém namáhání může mechanickému opotřebení a tepelné docházet k prolamování a stability odlupování povlaku. Keramické povlaky Velmi vysoká tvrdost a odolnost Nízká houževnatost vrstvy, při nebo jiné tepelné proti mechanickému opotřebení, dynamickém namáhání může nástřiky dobrá tepelná stabilita docházet k jejímu odlupování Table 1. The overwiev of the surface treatment technologies forging dies Velmi tenké PVD vrstvy o vysoké tvrdosti, nanesené na relativně měkkém substrátu tvářecím nástroji pro práci za tepla, se uplatní jen zřídka. Jiné je to v případě nástrojů pro tváření za studena, zvl. měkkých materiálů, barevných kovů, slitin, apod. Příklad 4: Porovnání trvanlivosti matrice s tvrdým chromem a s tenkou vrstvou CrN při lisování mosazi. Při vytvarování a vystřižení výrobků z plechu, dosáhl nástroj s tenkou vrstvou CrN o 50-70% vyšší trvanlivosti, což představuje několik desítek tisíc kusů, při nákladech v řádu 100,-Kč Možnost obrábění za sucha Novým ekologickým trendem je obrábění bez řezné kapaliny. Jako výrobce protahovacích trnů jsme ověřovali protahování za sucha, bez použití řezného oleje. Příklad 5a: Protahovací trn ČSN s kluznou tenkou vrstvou TiCN+TiN při obrábění oceli za sucha: šířka trnu B = 10 mm, tažná rychlost v = 1,4 m/min, tl. třísky a = 0.08 mm, nemazáno 6

7 Obr. 3. Protahovací trn + TiCN+TiN Fig. 3. Pull broaches + TiCN+TiN Komentář k výsledkům: Vzhledem k malé řezné rychlosti a tloušťce třísky docházelo brzy k nalepování třísky na čele i hřbetu nástroje, špatné kvalitě obrobeného povrchu a vlivem zadírání k velkému odporu a vysoké tažné síle. Použitá tenká vrstva není vhodná k protahování oceli za sucha! Příklad 5b: Test protahovacího trnu s modifikátorem třecích ploch FASTEX: Rychlořezný nástroj, ohřátý nad 55 C, byl ošetřen přípravkem dle předpisu s cílem snížení tření. Přípravek, snižující tření v mezních podmínkách, je směs esterů, kombinovaných s vysoce čistou a upravenou kapalinou na uhlovodíkové bázi. Obráběno stejně jako u příkladu 5a. Obr. 4. Aplikace FASTEX Fig. 4. Application FASTEX Obr. 5. Nástroj po obrábění Fig. 5. Tool for machining Komentář k výsledkům: Modifikátor tření FASTEX, aplikovaný na protahovací trn, neumožnil dlouhodobé obrábění bez přídavného mazání. Po vyrobení ca 10ti drážek nedocházelo k odchodu třísek, které ulpívaly na čele trnu a bylo třeba je odstraňovat mechanicky viz obr. 5. Později docházelo i k nalepování na jeho hřbet. Proto není možno realizovat tuto technologii pomocí uvedeného prostředku! 7

8 3. ZÁVĚR Výše uvedené výsledky ukazují, že je možné volbou vhodné tenké vrstvy dosáhnout výrazně vyšší životnosti nástrojů. Je však nutno volit ověřeného dodavatele na povlakování konkrétního nástroje ve vazbě na obráběný materiál. Rozdíly ve výsledcích trvanlivosti vrstev na shodném nástroji ze zkoušek ukazují diagramy 1 až 4. Přičemž ne všichni výrobci umí doporučit správnou vrstvu tak, aby v daném procesu přinesla očekávaný efekt. To se ukázalo např. při obrábění antikorozního materiálu, nebo i při obrábění bez procesní kapaliny. Přesto mají nástroje s povrchovou úpravou své nezastupitelné místo ve výrobě, zvyšují užitné hodnoty výrobků s požadovanou vysokou životností. Vývoj tenkých vrstev rychle pokračuje a negativní výsledky mohou být brzy překonány. To přináší užitek jak výrobcům nářadí, tak hlavně jeho uživatelům pro zvýšení produktivity, či rentability výroby. PODĚKOVÁNÍ Tento projekt byl realizován za finanční podpory z prostředků státního rozpočtu prostřednictvím MPO, FT-TA4/082. LITERATURA [1] Fajt, J. -,,Zvyšování efektivity tvářecích nástrojů Sborník mezinárodní konference Nástroje 2006,Zlín, Univerzita T.Bati ve Zlíně. [2] Fajt J. : Význam vlastností tenkých vrstev pro výrobce řezných nástrojů. Vrstvy a povlaky Trenčín 2008, ISBN [3] Fajt J. : Výroba řezných nástrojů s otěruvzdornými tenkými vrstvami. Strojírenská technologie Plzeň Plzeň 2009, ISBN [4] Kouba A. : Optimalizace typu otěruvzdorného povlaku na vybraný nástroj. Diplomová práce. ZČU v Plzni