NÁSTROJ NEFUNGUJE, KDO ZA TO MŮŽE? Vstupní přednáška pro problematiku: Nástrojové oceli Slinuté karbidy Depozice tenkých vrstev Předmět SMA Doc.Dr.Ing. Antonín Kříž
3/37
Čas jsou peníze 4/37
Systém tenká vrstva-substrát Vrstva Rozhraní Substrát Deponované tenké vrstvy je třeba chápat jako systém. Jestliže bude špatný substrát (polotovar, tepelné zpracování), geometrie, aplikace.. pak sebelepší vrstva nezabrání selhání nástroje. 5/37
Komplexní řešení cesta k úspěchu 6/37
Volba polotovaru Nástrojová ocel Slinutý karbid Cermet Keramika Klasická HSS ocel 350 Kč/kg 7/37 Slinuté karbidy Cermety Prášková HSS ocel 800 Kč/kg
Volba polotovaru slinutý karbid Jaké chemické složení, jakou zrnitost? Ne každá sorta SK je vhodná pro zvolenou depozici! TSF 8/37 TSM P- skupina
Trendy ve volbě polotovaru Evropští uživatelé nástrojů jsou velmi konzervativní, Češi zdrženliví Slinuté karbidy 9/37
Kvalita polotovaru Karbidické vycezeniny kalící trhlina - problém při tepelném zpracování 10/37
Kvalita tepelného zpracování Nástrojové oceli je třeba pro dosažení požadovaných vlastností tepelně zpracovat. V případě takto zničené oceli nelze provést žádnou opravu než nástroj poslat do šrotu. Je důležité používat takové oceli, které UMÍ kalírna tepelně zpracovat problémové jsou kobaltové oceli 11/37
Geometrie nástroje často opomíjený faktor ostatní kombinace 50% řezné materiály 19% geometrie řezných nástrojů 1% tenké vrstvy 30% Rozdělení hlavních nároků patentových přihlášek v oboru řezných nástrojů v Německu. r. 2002 Zdroj: Evropský patentový úřad Mnichov 12/37
Změna geometrie nástroje způsobila výrazné zlepšení trvanlivosti 13/37 Zdroj: Ceme Con, Kunden Magazin fur Beschichtungstechnologie, Tools, Nr. 21, May 2004
Makrogeometrie břitu řezného nástroje Varianty makrogeometrie břitu nástroje 1 2 3 14/37
Porovnání variant geometrií 15/37 Nástroj číslo Varianta I. Varianta II. Varianta III. Opotřebení 1,77 1,69 1,92 Vzhled povrchu 2,15 2,46 1,54 Otřepy 1,46 1,08 2,38 Průměr 1,79 1,75 1,95 Pořadí 2 1 3
Geometrie nástroje by se měla měnit i podle nadeponované vrstvy TiAlN 7 000 TiAlSiN 15 000 TiAlN s kluznou vrstvou 10 000 16/37
Při návrzích geometrie je třeba využívat všech dostupných možností a znalostí Mezi takové patří také počítačové modelování řezných procesů 17/37
Vedle geometrie je třeba sledovat také stav břitu po broušení 18/37
Předdepoziční úprava může něco vylepšit, ale velké defekty neopraví! PŘED 19/37 PO OMLETÍ
Volba vrstvy Je podle čeho vybírat? Není to cesta do neznáma?
U některých zákazníků je důležitá barva nástroje
Zákazník byl nespokojen s kvalitou vrstvy kvůli její barvě a nedával ji v provozu žádnou šanci. Byla nadeponována povrchová vrstva TiN a vše bylo v pořádku Koncepce vrstvy MARWIN SI SHM Šumperk 22/37
Až když barva nástroje vyhovuje, pak se teprve testuje Na zlaté zbarvení reagují naše smysly příznivěji než na ostatní barvy 23/37
Začátek průmyslové aplikace tenkých vrstev v oblasti řezných nástrojů 1968 CVD depozice vrstvy TiC na řezné destičce ze slinutého karbidu 1968 - Firma Ceratizit začátek průmyslové aplikace tenkých vrstev 21.8.1968 konec svobody v ČSSR 24/37
Co všechno může depoziční proces změnit? Negativně Pozitivně 25/37
Depozicí vrstvy nesmí dojít k degradaci vlastností substrátu W Ti Co C Úbytek kobaltu Změna obsahu uhlíku na povrchu substrátu následkem nevhodných parametrů CVD depozice (častý proces u TiCN) 26/37 N Al Změna obsahu kobaltu na povrchu substrátu následkem nevhodných parametrů PVD depozice - iontového čištění
Substrát základní materiál Vlastnosti materiálu Rychlořezná ocel Kvalitní materiál je nutnou Depozicí vrstvy nesmí dojít k popuštění materiálu podmínkou pro kvalitní nástroj deponovaná vrstva nemůže zachránit materiálové prohřešky! 27/37
Vedle geometrie je důležité i správné ostří a stav povrchu Břit nástroje Pevně uchycené nečistoty na povrchu mohou způsobit problémy s adhezí tenké vrstvy. Problémy s adhezí mohou nastat také v případě nevhodného stavu řezné hrany. Vrstva musí být k substrátu pro dosažení dobrých vlastností dobře zakotvena. 28/37
Nejen defekty před depozicí chyba u výrobce nástrojů, ale také nesouvislá vrstva na plochách a břitu mají za následek degradaci požadovaných vlastností. 29/37
Podle jakých kritérií rychle a levně poznat špatnou vrstvu? Testování vzorků zkušební vzorek Stanovení tloušťky vrstev Tribologické analýzy Analýza GD-OES hloubkové koncentrační profily Mikrotvrdost systému tenká vrstva-substrát Adhezivně-kohezivní chování systému tenká vrstva-substrát a) vnikací metoda b) scratch test Zkoušky o vyšší teplotě Povrchové kontaktní zkoušky Impact test 30/37
Jaká zkouška dává důvěryhodné poznatky? 20,381 hmax- maximální hloubka proniknutí indentoru 18,381 16,381 Zatížení (N) 14,381 Lmax- maximální zatížení indentoru hf - hloubka proniknutí indentoru po odlehčení S- sklon (směrnice) počátečního úseku odlehčovací křivky 12,381 Odlehčení S Lmax 10,381 8,381 Zatížení hmax 6,381 4,381 hf 2,381 0,381 0,009 0,019 0,029 0,039 0,049 0,059 0,069 0,079 0,089 0,099 0,109 0,119 0,129 0,139 0,149 Ta, která se nejvíce přiblíží praxi a odhalí nejrychleji závadu a příčinu nefunkčnosti popř. další využití systému. Hloubka průniku (µ m)
Cíl laboratorních testů 32/37
Další hodnocené faktory při technologických zkouškách Jakost obrobené plochy Tvar třísek Složky řezného odporu 3000 14 Kroutící moment Řezná síla 2500 12 2000 295 děr 8 Fx[N] Mk [Nm] 10 1500 1000 6 4 500 2 0 10 0 10 30 100 205 293 Počet děr 295 297 330 30 100 205 293 Počet děr 293 děr 295 297 330
Rozhodujícím faktorem pro vhodnou aplikaci nástroje nejsou výsledky laboratorních testů, ale: Větší trvanlivost nástroje (využití v hromadné výrobě, automaty) Obrobený povrch s vyšší jakostí (lepší povrch při stejné ceně vyšší jakost) Obrábění s minimálním množstvím procesní kapaliny (ekologie, cena, starosti s recyklací a skladováním) Reprodukovatelnost výsledků alespoň z 80% Odstranění starých vrstev z nástrojů bez nutnosti následného přeostření 34/37
České firmy zabývající se depozicí tenkých vrstev Depozice se v praxi neřídí jen podle jasných výsledků, ale velký vliv má i odběratel, značnou roli hraje čas, kterého se na konci výrobního procesu nedostává, ale také konzervativní přístup neumožňující rychlé prosazení nových trendů.
Stále jsme na startovní čáře a stále nějaký závod začíná. Mnohdy jsme v pozici malého dítěte, který jde cestou pokus omyl. 36/37
Závěr Tenkou vrstvu ve spojení s nástrojem lze považovat za citlivý systém, kdy mnoho faktorů spolurozhoduje o konečných užitných vlastnostech. Aby vše správně fungovalo je třeba hledat vzájemné vazby. Tyto vazby lze vytvořit pouze za předpokladu, že je profesionální přístup dodavatele polotovaru, výrobce nástrojů, zkušebních laboratoří, výrobců tenké vrstvy a konečného uživatele. Mnohdy se společné zájmy těchto subjektů vytváří dlouhou dobu a musí být založeny na profesionalitě, důvěře a komunikaci. Depozice vrstvy 37/37 Vývoj vrstvy a její testování Uživatel nástroje Výrobce nástroje