VLIV POVRCHU NA UŽITNÉ VLASTNOSTI VÝROBKU. Antonín Kříž

Transkript

1 , Jihlava, Česká republika VLIV POVRCHU NA UŽITNÉ VLASTNOSTI VÝROBKU Antonín Kříž Tento příspěvek vznikl na základě dlouhodobé spolupráce s průmyslovou společností HOFMEISTER s.r.o. a řešení průmyslového projektu FI-IM4/226, který je hrazen z rozpočtu MPO i spolufinancován z prostředků firmy. Tato prezentace je ke stažení na:

2 Na semináři Technologie tepelného zpracování kovových povrchů Jihlava byla presentována přednáška INTEGRITA POVRCHU V OBLASTI TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ Byly uvedeny: souvislosti mezi stavem povrchu a tepelným zpracováním základní pojmy k integritě povrchu faktory ovlivňující integritu povrchu první praktické ukázky sledování integrity povrchu 2

3 DŮLEŽITOST POVRCHU Když povrchu rozumíme, tak lze odvodit celou řadu souvislostí a praktických dopadů. Finální vlastnosti výrobků jsou významně ovlivňovány vlastnostmi povrchových a podpovrchových vrstev. Objem provozních lomů v současnosti tvoří více než z 90% únavových poškození. Toto poškození má nejčastěji svoje iniciační místo na povrchu součásti. Výjimkou bývají některé významné strukturní, metalografické i konstrukční chyby (vměstky, trhliny, povrchově překalená vrstva materiálu, zápichy aj.), které mohou přesunout iniciaci dále od povrchu. Z tohoto důvodu je nutné vlastnostem povrchu věnovat značnou pozornost.

4 Pro komplexní posouzení povrchových stavů byla zavedena INTEGRITA POVRCHU Jejím cílem bylo komplexně podchytit povrchový stav, neboť zde působí mnoho vlivů, které ovlivňují výsledné vlastnosti. Tyto vlivy působí společně a lze je rozdělit na vnější a vnitřní. Vnější vlivy: Mechanické (provozní napětí) Chemické (koroze) Fyzikální (záření, bludné proudy apod.) Kombinace více vlivů (koroze pod napětím, elektrochemická koroze, ale také technologické procesy např. obrábění, tepelné zpracování, tváření) Vnitřní vlivy: Zbytková napětí Morfologie povrchu (drsnost) Materiálové a mechanické vlastnosti povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní stav, povrchová úprava např. vrstvy, povlaky) Přítomnost povrchových a podpovrchových vad a heterogenní struktura (uhlík v litině, vměstky, řediny) 4

5 INTEGRITA POVRCHU - norma ANSI B Symbol integrity povrchu 5

6 Jiný pohled na integritu povrchu Geometrická přesnost Drsnost povrchu a jeho profil Tvrdost Změna struktury Zbytková napětí Chemicko-tepelné změny opaly, oduhličení, nauhličení Trhliny praskliny Změny fyzikálních i chemických vlastností Pro porozumění řeči povrchu je nutné vnímat všechny výše uvedené faktory v požadovaných souvislostech. 6

7 INTEGRITA POVRCHU Integrita povrchu zahrnuje celou řadu faktorů, které je nutné nejen změřit, ale je zapotřebí jim také rozumět. Integrita povrchu dává dobré výsledky pouze, když všechny výsledky jsou ve správném souznění. Těžkosti tohoto souznění jsou zachyceny v tomto příspěvku.

8 Drsnost povrchu a jeho profil Využití konfokálního mikroskopu Olympus LEXT 3000 Profil v 3D náhledu 8

9 Měření příčné drsnosti Ra - 0,4509 µm Wt 0,4676 µm 9

10 Měření plošné drsnosti Lineární drsnost Ra 0,6 µm Plošná drsnost SRa - 0,39µm 10

11 Nosná (Abbotova) křivka profilu Dva odlišné povrchy se stejnou hodnotou Abbotovy křivky profilu 11

12 Profil povrchu 12

13 Změna struktury Narušení povrchu dřeva řezem Narušení povrchové litinové vrstvy grafitem 13

14 Zbytková napětí Měření zbytkových napětí je věnována celá řada publikací. Problém nastává nejen s volbou metody stanovující s určitou (ne)přesností, ale také s její interpretací a využitelností v samotné praxi. Pro zjištění zbytkových napětí se používají metody přímého a nepřímého zjištění: - mechanické (odleptávání, odvrtávání) založené zejména na měření deformací po odstranění části vzorku - optické - magnetické (pomocí Barkhausenova šumu) - ultrazvukové (princip: vztah mezi napětím a rychlostí ultrazvukových vln v materiálu -difrakce (využívající rozptyl buď rentgenového záření, nebo toku neutronů) 14

15 Měření zbytkových napětí RTG difrakční analýzou u otvorů z oceli C45 Struktura je heterogenní V oblasti feritu je větší deformace Rozložení tlakových zbytkových napětí po obvodě vyvrtaného otvoru 15 Rozložení zbytkových napětí u odlišně zhotovených otvorů soustružení, vrtání

16 Trhliny - praskliny 16

17 Změny fyzikálních i chemických vlastností Povrch vyvrtané litiny ČSN oblast 1 pouze vrtáno; oblast 2 přechodová oblast do tvářeného povrchu; oblast 3 tvářený povrch; 4 zahlazený povrch. Pološný podíl koroze 0,35 vzorek 240/1 podíl korozního napadení 0,3 vzorek 800/1 0,25 vzorek 240/2 0,2 vzorek 800/2 0,15 0,1 0, čas [m in] Koroze u vzorku broušeného papírem 240 papírem

18 Dalším úskalím je po správném vyhodnocení stavu povrchu vyřazení nevhodných výrobků na základě predikování jejich chování v provozu. Ačkoliv je již publikována celá řada literárních pramenů pojednávající o integritě povrchu, přesto se ještě nedostaly tyto poznatky do povědomí strojírenských firem, aby je bylo možné zařadit do kritéria posuzující kvalitu výrobku. Je nutné hledat souvislosti mezi laboratorně naměřenými výsledky popisující povrchový stav a reálnými vlastnostmi, nebo další možností je použít ověřenou metodu, která poskytuje přímé vazby na užitné vlastnosti. Jedním z těchto měření je metoda IMPACT TESTU. Tato analýza byla presentována na minulém ročníku konference METAL

19 19 Impact kráter snímek ŘEM

20 Co se může na povrchu přihodit?! Místy na obrobeném povrchu (především v případech konkurenčních nástrojů) jsou patrné objekty s odlišnou orientací stop po vrtacím nástroji. Jedná se o vytrhaný a překlopený materiál. Mechanismus odtrhávání Nejdříve dochází k popraskání povrchové vrstvy. Část této vrstvy se odtrhne a dojde k jejímu překlopení o 180 a opětnému zalisování 20

21 Co se na povrchu přihodilo! Obráběný materiál C45 Je viditelné praskání a odlupování zpevněné povrchové vrstvy. Průměrná tloušťka zpevněné vrstvy je 12,0 ± 4,3 μm. Tloušťka zpevněné vrstvy je u tohoto vrtáku nejvyšší (až 18 μm). 21

22 Praktické využití integrity povrchu Nástroj od firmy BAUBLIES Stupeň deformace v souvislosti s obrobeným povrchem Válečkovaný povrch obsahuje tlakové napětí a tím nabízí alternativu tepelnému, chemickému popř. CHMTZ zpracování. 22

23 Výsledky vztahující se k integritě povrchu vrtaných otvorů o délce 3D s přesností IT6-IT7 V projektu jsou řešeny nástroje pro obrábění hliníkové slitiny AA6082 ve stavu T6, nástrojové oceli , uhlíkové oceli , šedé litiny ČSN a niklové slitiny Inconel 718. Záměrně byly voleny takto odlišné materiály, protože záměrem firmy je postihnout celou výrobkovou řadu vrtáků pro všechny svoje stávající i budoucí zákazníky. Presentace praktických výsledků se věnuje dosaženým výsledkům, které byly získány z analýzy integrity povrchu vyvrtaných otvorů v litině ČSN

24 Podmínky experimentu Byly hodnoceny vyvrtané otvory zhotovené třemi různými vrtacími nástroji, které byly odlišné konstrukce. Jejich označení je A; B; C. Rozměry vrtaných válečků: d = 26 mm, l = 36 mm. Po vyvrtání otvorů o průměru 12mm byly válečky podélně rozřezány na jednotlivé elementy, tak aby na nich bylo možné analyzovat obrobený povrch. Byly provedeny tyto experimenty: - Topografie povrchu ve 2D a 3D; - Drsnost povrchu; - Mikrostruktura povrchu; - Mikrotvrdost; - Nanoindentační měření mikrotvrdosti; - Scratch test; - Korozní testy; - Impact test. Testované vzorky výřez z vyvrtaného dílu 24

25 Stav povrchu vrtaných otvorů Snímky povrchů jednotlivých otvorů byly vzájemně porovnány a to nejen vizuálně, ale také pomocí obrazové analýzy. Princip vytrhávání povrchové části vrtaného otvoru Stav povrchu elementu vrtaného nástrojem A B 25 C

26 Nástroj A 1 Stav povrchu Objem vytrhaného povrchu [%] 37,06 2 B 1 49,63 2 C ,68

27 Stopy na obrobeném povrchu bez vazby na podmínky obrábění a stav nástroje A. Nejnižší množství vytrhaného povrchu vykazuje element vrtaný nástrojem A a to 37 % z celkové měřené plochy. Naopak nejvyšší množství vytrhaného povrchu, zhruba 57 %, způsobuje vrtací nástroj C. Vrtací nástroj B vytváří přibližně 50 % vytrhaného povrchu. 27

28 Stav povrchu vrtaných otvorů ve 3D Povrch - nástroj A Povrch - nástroj B 28 Povrch - nástroj C

29 Při vizuálním hodnocení snímků pořízených konfokálním mikroskopem je zřejmé, že nejvyšší kvalitu povrchu dosahuje povrch vytvořený nástrojem A. Je to dáno především tím, že tato obrobená plocha disponuje nejmenším množstvím vytrhaného povrchu. Tento závěr potvrzují také níže uvedené snímky představující reprezentativní lokální profily povrchu (délka 640 mm) jednotlivých vrtaných otvorů. Profil povrchu otvoru vrtaném nástrojem A B C 29

30 Mikrostruktura povrchu V případě nástroje A je obrobený povrch více rovinný než v následujících případech nástrojů B; C. Lze také najít místa, kde je povrch narušen vytržením podpovrchového grafitu. Povrch nástroj A Povrch nástroj B Povrch nástroj C 30

31 Tenká zpevněná povrchová vrstva nástroj A 31

32 Povrchová a podpovrchová mikrotvrdost Tool - borer Průměr povrch Odchylk a Průměr jádro Odchylk a A 298,8 106,24 285,2 90,64 B , ,2 C 300,2 74,08 356,6 33,28 Nanoindentační měření mikrotvrdosti Umístění vtisků v jednotlivých oblastech Nanoindentační měření bylo provedeno při zatížení 250mN po dobu 12s. Hodnoceny byly tři elementy posledních válečků vrtaných analyzovanými nástroji. Měření bylo provedeno v oblasti základního materiálu tj. vrtáním 32 neovlivněné oblasti (a). Další oblastí byl obrobený povrch (b).

33 Ze všech třech hodnocených vzorků dosahuje element vrtaný nástrojem A v obráběné oblasti b nejvyšší nanoindentační mikrotvrdosti. Průměrná hodnota je HIT=6677±575 MPa. Nástroj B vytváří zpevněný povrch s průměrnou hodnotou nanoindentační mikrotvrdosti HIT=6528 ± 1079 MPa. Průměrný podíl elastické deformace u nástroje B je nejvyšší ze všech nástrojů, a to 27,2%. Nejnižší průměrný podíl elastické deformace 24,5 % vykazuje element vrtaný nástrojem C. Průměrná hodnota nanoindentační mikrotvrdosti HIT v případě nástroje C je HIT= 6529 ± 1079 MPa. Průměrné zvýšení nanoindentační mikrotvrdosti HIV z oblasti a do oblasti b je v případě nástrojů B a C shodný, a to o 47 %. U nástroje A je tento nárůst 55 %, tj. následkem vrtání a doprovázející plastické deformace došlo k největšímu zpevnění. 33

34 Výsledky nanoindentační mikrotvrdosti HIT v jednotlivých oblastech 34

35 Analýza povrchu metodou SCRACH TEST 3D snímek vrypu zdokumentovaný pomocí konfokálního mikroskopu Princip měření objemu vrypu 35

36 Tool A [mm ] A B C D Aritmetický průměr 0,0287 0,0283 0,0288 0,0261 0,02798±0,00063 Z hodnot objemu vrypů scrach testu na obrobeném povrchu litiny je zřejmé, že největší objem vrypu, a tedy i nejnižší povrchovou tvrdost vykazuje element obrobený nástrojem A. Naopak nejmenší objem vrypu byl naměřen na elementu vrtaném nástrojem B. 36?

37 Testy korozní odolnosti Korozním prostředím byl zvolen 3 % roztok NaCl v destilované vodě. Teplota okolí při testu se pohybovala od C. Dokumentace byla provedena pomocí stereolupy vždy po 5 minutách. Snímky byly hodnoceny pomocí obrazové analýzy LUCIA a získané výsledky byly zobrazeny do grafů. Nejrychleji korodovaly vzorky vrtané nástrojem B. Ostatní vyvrtané díry vykazovaly v průběhu testu velmi podobné vlastnosti. Tool B 0,7 0,35 0,6 0,3 0,5 START 0,4 CENT ER END 0,3 0,2 0,1 0,25 START 0,2 CENT ER END 0,15 0,1 0, čas [min] 37 zkorodovaná plocha zkorodovaná plocha Tool A čas [min]

38 Testování odolnosti povrchu při cyklické kontaktní analýze Vzorky byly podrobeny stejnému zatížení úderům s nejnižší nastavitelnou energií. Cílem testu bylo citlivě zachytit vlastnosti povrchových oblastí, u kterých se očekávalo odlišné ovlivnění jednotlivými řeznými nástroji. Z analýz kráterů vyplývá, že rozměry kráterů nedosahují výrazných rozdílů. Je to způsobeno tím, že stav obrobených povrchů nedosahuje výrazných odlišností, které by byly zvolenými podmínkami impact testu postižitelné. Při detailnějším prozkoumání rozměrů i charakterů defektů v kráteru byl povrch obrobený nástrojem C hodnocen lépe, než zbývající dva nástroje. 38

39 ZÁVĚR Nástroj A B C 1. Množství vytrhaných částic Nestejnoměrnost povrchu Tloušťka efektivního zpevnění Procentuální pokrytí povrchu zpevněnou vrstvou Teplotní ovlivnění během obrábění na povrchu obrobku Nezaznamenáno 6. Změny během vrtání jednoho otvoru Změny mezi prvním (zářez) a posledním otvorem Výsledky korozních testů Kontaktní namáhání Impact test Součet bodového hodnocení (nejvyšší počet nejlepší) Pořadí