VLIV MIKROSTRUKTURY SLINUTÝCH KARBIDŮ NA ŽIVOTNOST NÁSTROJŮ A STROJNÍCH SOUČÁSTÍ

Transkript

1 Sborník str VLIV MIKROSTRUKTURY SLINUTÝCH KARBIDŮ NA ŽIVOTNOST NÁSTROJŮ A STROJNÍCH SOUČÁSTÍ Antonín Kříž Západočeská univerzita, Univerzitní 22, ,

2 Prášková metalurgie - progresivní technologie umožňující získat materiály vysokých užitných vlastností a mnoha aplikací. Slinuté karbidy patří k nejdůležitějším výrobkům práškové metalurgie. Jejich využití je u materiálů pro nástroje a součásti odolné opotřebení. Používají se na břitové destičky nástrojů k obrábění a na činné plochy některých tvářecích nástrojů (průvlaky, protlačovací nástroje apod.) a součásti, kde se využívá jejich specifických vlastností jako je vysoká tvrdost a tím spojena otěruvzdornost (drtiče, lisovací desky apod.) Trend výroby kovových prášků 7000 Množství tun v Pulvergranulat

3 Hlavní složkou těchto materiálů je karbid wolframu (hexagonální mřížka), karbid titanu event. tantalu (mřížka kubická) o tvrdosti 2000 až 3200 HV a kobalt jako pojivo. WC C Co W W 2 O 5 WO 3

4 Karbidy Kobalt WC TiC TaC Co Mletí Prášková várka Kulový mlýn Stlačení Výlisek Matrice Tvarování Slinování Vakuum Předslinování Mechanické zpracování např. broušení Pulvermetallurgische Fertigung

5 Mechanické vlastnosti (v závislosti na velikosti zrna a obsahu kobaltu) VYSOKÁ TVRDOST (=odlnost proti poškození) Obsah kobaltu Velikost zrna Obsah kobaltu Velikost zrna Pevnost v ohybu Další důležité vlastnosti: - Žárupevnost - Korozní odolnost - Odolnost proti únavovému poškození - Lomová houževnatost -... Obsah kobaltu Velikost zrna Lomová houževnatost K IC

6 TSF ISO - K TSM ISO - K S36T ISO- P30-P40

7 Velikost primárního zrna α-jemný α- střední Struktura slinutého karbidu Průměrná velikost karbidu wolframu Obchodní značení FEIN SUBMICRON SUPERFINE 1 mikron 0,7 mikronu 0,5 mikronu H10T TSM TSF α - hrubý

8 TEM "Treppeneffekt" může vzniknout přítomností karbidu vanadu 8/22 Nr.:Ako3

9 eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung Šíření trhliny 2 µm WC Trhlinka Submiron WC-Co WC Vazba Co

10 Lomová houževnatost K IC K IC = 6,2 HV50 L MPa m 1/2

11 Průběh trhliny následkem vtisku HV eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung Velikost zrna 1-2µm elikost zrna <0,5µm

12 eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung [Mpa] HV30 [N/mm²] µm 0.7 µm 1-2 µm 3 µm Pevnost v ohybu <0.5µm Co [%] Tvrdost Co [%] 0.7 µm 1µm [MN/m 3/2 ] Lomová houževnatost (K IC ) 3 µm 1-2 µm 0.7 µm Co [%]

13 Drtiče kamenné suti Provoz ve Švýcarsku provoz BODIO. Drtič je umístěn za razícími štíty pro ražení tunelu. ROTOR STATOR Vzorek 1: Vydržel cca 21 provozních hodin. Vzorek 2: Vydržel podstatně déle.

14 Opotřebené plochy zachycené pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu

15 Metalografická analýza V1.1 Zrna byla v následujícím velikostním rozsahu: pod 0,8 µm (7%); 0,8-1,5µm (70%); 1,5-2,5µm (13%); 2,5-3,5µm (8%); víc jak 3,5µm (2% - pouze ojediněle) V2.1 Zrna byla v následujícím velikostním rozsahu: pod 1,5µm (5%); 1,5-2,5µm (62%); 2,5-3,5µm (25%); 3,5-4,5µm (5%); nad 4,5 µm (3% - pouze ojediněle) Mechanismus opotřebení V1.1 V2.1

16 Souvislost mezi strukturou a trvanlivostí břitu řezného nástroje Odvalovací fréza z materiálu č.1 vykazovala větší trvanlivost, zatímco u nástroje z materiálu č.2 nastalo rychlé poškození vyštípnutím břitu. Tento proces se několikrát opakoval se stejným výsledkem. C 1,73 C 1,8 W 93,2 W 93 Vzorek 1 Co 4,5 Vzorek 2 Co 4,7 Nb 0,2 Nb Hodnota tvrdosti u vzorku materiálu 1 79HRC a u vzorku materiálu 2 80HRC. Vzorek materiálu č. 1 měl průměrnou tvrdost HV=1574, vzorek materiálu č. 2 dosahoval průměrné hodnoty HV= V 0,2 V 0,25 Si 0,27 Si 0,27

17 Lomová houževnatost K IC Pro materiál 1 byla stanovena hodnota lomové houževnatosti K IC =13,7 MPa.m 1/2. Pro materiál 2 byla stanovena hodnota lomové houževnatosti K IC =12,9 MPa.m1 /2. Dosaženým výsledkům lomové houževnatosti odpovídal i strukturní stav analyzovaných materiálů. Přestože materiál č. 1 dosahoval nepatrně větších hodnot velikosti zrna, přesto neměl tak výrazný rozptyl hodnot, jako materiál č. 2. Vedle velikosti zrna a chemického složení popř. kvality slinovaného materiálu, má rovněž významný vliv homogenita velikosti karbidických zrn. Vzorek č. 1 má průměrnou hodnotu velikosti zrna 0,6µm a největší pozorované zrno mělo velikost 1,8 µm. Vzorek č. 2 měl průměrnou hodnotu velikosti karbidického zrna 0,5µm, největší pozorovaná zrna měla velikost až 3 µm.

18 Na rozvoj trhliny má také významný vliv rozhraní mezi karbidem wolframu a pojivem kobaltu. U materiálu č. 1 bylo pozorováno ze strukturního rozboru, že na rozhraní je ještě další fáze, která by mohla výrazně přispět k zastavení šířící se trhliny. U firmy Ceratizit (Rakousko) využívají tzv. Treppen efektu. Cílem je v lokalitě, kde je karbidické zrno nejchoulostivější zabránit šíření trhliny právě přítomností jiného karbidu. V případě materiálu č. 1 by to mohl být karbid niobu, který byl analyzován při chemické analýze GD-OES. Na rozhraní karbidických zrn WC je ještě další fáze

19 Tribologická analýza PIN-on-DISC č.testu Parametry tribologického testu R [mm] v [cm/s] Ball Zatížení [N] 2 4 Al 2 O ,5 5 ČSN Si 3 N Al 2 O Al 2 O 3 15 Počet cyklů Označení jednotlivých testů Prakticky jedinou výraznější odlišností je chování vzorku materiálu 2 během extrémního testu č. 5. Pouze v tomto případě došlo k výraznějšímu porušení vzorku č. 2 oproti vzorku materiálu 1.

20 Vzorek č. 1 Vzorek č. 2

21 Z dosažených výsledků vyplývají rozdíly mezi analyzovanými materiály: V prvkové analýze bylo zjištěno, že materiál 1 obsahuje navíc nepatrné množství niobu. V obou případech stanovení tvrdosti dle Vickerse i Rockwella bylo zjištěno nepatrně vyšších hodnot u materiálu 2. Lomová houževnatost K IC byla vyšší u materiálu 1. Tento sice nepatrný rozdíl má pravděpodobně za následek rozdílné chování nástrojů v kritických podmínkách zatížení při obrábění. Lomová houževnatost je odrazem strukturního stavu. Materiál 1 má průměrnou hodnotu velikosti zrna 0,6µm a největší pozorovaná zrna dosahovala velikosti 1,8 µm. Materiál 2 je nepatrně jemnější struktury sprůměrnou velikostí zrna 0,5µm, přičemž největší pozorovaná zrna měla velikost až 3 µm. Vedle průměrné velikost zrna, kam nejsou započítána výrazně odlišná zrna (v tomto případě nad 1 µm, je důležitým ukazatelem rovněž maximální velikost a homogenita struktury. Materiál 1 má z tohoto pohledu lepší strukturní stav oproti materiálu 2. Rozsáhlá tribologická analýza potvrdila, že u materiál 1 je v kritických zatíženích odolnější proti kontaktnímu namáhání oproti materiálu 2. Při dlouhých cyklech zatížení a vyšších zátěžných silách došlo u materiálu 2 k vytvoření viditelné kontaktní stopy, zatímco na povrchu vzorku 1 nebyly žádné stopy pozorovány. Koeficienty tření dosahovaly shodných hodnot.

22 Závěr Z obou uvedených příkladů je zřejmé, že navrhnout vhodný typ slinutého karbidu, včetně jeho struktury, je velmi obtížné a mnohdy je třeba sledovat mnoho protichůdných vlivů. Oba příklady potvrdily, že malá velikost zrna nemusí být dostatečnou podmínkou pro lepší užitné vlastnosti. Tato zkušenost je v dnešní době o to víc cennější, neboť vývojový trend se ubírá cestou co nejmenší velikosti karbidických fází bez ohledu na průmyslové aplikace a poznatky.

23 DĚKUJI ZA POZORNOST Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: