Sborník str. 363-370 VLIV MIKROSTRUKTURY SLINUTÝCH KARBIDŮ NA ŽIVOTNOST NÁSTROJŮ A STROJNÍCH SOUČÁSTÍ Antonín Kříž Západočeská univerzita, Univerzitní 22, 306 14,
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.). 8000 Trend výroby kovových prášků 7000 Množství tun v 1000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 Pulvergranulat 0 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
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
Karbidy Kobalt WC TiC TaC Co Mletí Prášková várka Kulový mlýn Stlačení Výlisek Matrice Tvarování Slinování Vakuum Předslinování Mechanické zpracování např. broušení Pulvermetallurgische Fertigung
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
TSF ISO - K TSM ISO - K S36T ISO- P30-P40
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
TEM "Treppeneffekt" může vzniknout přítomností karbidu vanadu 8/22 Nr.:Ako3
eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung Šíření trhliny 2 µm WC Trhlinka Submiron WC-Co WC Vazba Co
Lomová houževnatost K IC K IC = 6,2 HV50 L MPa m 1/2
Průběh trhliny následkem vtisku HV eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung Velikost zrna 1-2µm elikost zrna <0,5µm
eschäftsbereich Verschleiß orschung und Entwicklung [Mpa] 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 HV30 [N/mm²] 3000 2500 2000 1500 1000 500 0.5 µm 0.7 µm 1-2 µm 3 µm Pevnost v ohybu <0.5µm 6 9 12 15 Co [%] Tvrdost 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Co [%] 0.7 µm 1µm [MN/m 3/2 ] 32 27 22 17 12 7 Lomová houževnatost (K IC ) 3 µm 1-2 µm 0.7 µm 0 4 8 12 16 20 Co [%]
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.
Opotřebené plochy zachycené pomocí řádkovacího elektronového mikroskopu
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
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=1608. 0 V 0,2 V 0,25 Si 0,27 Si 0,27
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.
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
Tribologická analýza PIN-on-DISC č.testu 1 2 3 4 5 Parametry tribologického testu R [mm] v [cm/s] Ball Zatížení [N] 2 4 Al 2 O 3 10 3,5 5 ČSN 14109 2 5 5 Si 3 N 4 2 2 4 Al 2 O 3 15 1 2 Al 2 O 3 15 Počet cyklů 10000 2500 2500 10000 20000 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.
5 4 5 4 Vzorek č. 1 Vzorek č. 2
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.
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.
DĚKUJI ZA POZORNOST Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: http://www.ateam.zcu.cz