PRODUKTIVNÍ OBRÁBĚNÍ OCELI P91 Ing. Jan Řehoř, Ph.D. Ing. Tomáš Nikl ZČU v Plzni Fakulta strojní, Katedra technologie obrábění ZČU v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň e-mail: rehor4@kto.zcu.cz Abstract The scope of this article is to test the suitability of two types of tip (SK and cermets) for finish machining of the material P91. This steel is ferritic-martensitic and is used as castings for steam turbine components. Due to the chemical composition of steel is necessary to deploy these cutting conditions, which we are able to achieve the required accuracy and surface roughness, compared to conventional cutting conditions chosen for the more common types of steel. Difficulty working with this material is caused not only by amount of content of chromium, but also the structural combination of soft ferrite and hard martensite. Unfortunately, not much literature that would address this issue, so I wanted this article to introduce the technical community. Currently, these ferrite materials are using for nuclear power generation III. Intensive research and development around the world develop a new type of nuclear power plants and power generation IV (Gen IV). Gen IV reactors have high demands on sustainability, economy, security and reliability. Despite these high standards is expected that the use of ferritic chromium steels P91 and modified type, components for nuclear power plants in the future is more promising than austenitic steels. Key words: finishing P91 steel milling, cutting conditions, cemented carbides, cermets, the turbine body 1. ÚVOD Náplní tohoto článku je otestování vhodnosti dvou typů VBD (SK a Cermetů) pro dokončovací obrábění materiálu P91. Tato ocel je feriticko-martenzitická a používá se jako odlitky pro komponenty parních turbín. Vzhledem k chemickému složení této oceli je nutné nasadit takové řezné podmínky, kterými jsme schopni docílit požadované přesnosti a drsnosti povrchu, oproti běžným řezným podmínkám volených pro běžnější typy ocelí. Obtížnost obrábění u tohoto materiálu je způsobena nejen obsahovým množstvím chromu, ale také strukturální kombinací měkkého feritu a tvrdého martenzitu. Bohužel není mnoho literatury, která by se zabývala touto problematikou, a proto bych chtěl tímto článkem seznámit technickou veřejnost. V současné době jsou tyto feritické materiály využívány pro jaderné elektrárny III generace. Intenzivní výzkum a vývoj na celém světě vyvíjí nový typ jaderných elektráren, a to elektrárny IV generace (Gen IV). Gen IV reaktory mají vysoké nároky na udržitelnost, ekonomičnost, bezpečnost a spolehlivost. I přes tyto vysoké nároky se předpokládá, že využití feritických Cr ocelí i modifikovaného typu P91, pro komponenty jaderných elektráren v budoucnu, je slibnější než austenitických ocelí. 2. POŽADAVKY NA OBRÁBĚNÉ TĚLESO Vzhledem k tomu, že se z materiálu P91 vyrábějí komponenty parních turbín, jsou požadavky na přesnost výchozího povrchu velmi vysoké. Požadavkem je drsnost R a < 0,8 µm, rovinnost 0,02 mm na 1 m délky a minimální životnost VBD na obrobení jedné poloviny dělící roviny, což odpovídá objemu 30 cm 3 odebraného 3. TESTOVANÉ TYPY VBD 3.1 SK "Při řezném procesu dochází k velkému mechanickému a tepelnému namáhání břitu nástroje, které vede k otupování nástroje a může následně vést k jeho celkové destrukci. Rychlost otupování nástroje je samozřejmě závislá na pracovních podmínkách (např.: f, a p, v c,...). Břit řezného nástroje je několikanásobně více namáhán než strojní součást." [1] str.10 Základním požadavkem na materiály řezného nástroje je tvrdost, ta musí být vyšší než je tvrdost obráběného Rozhodující vliv na produktivitu obráběcího procesu, výrobní náklady a kvalitu práce mají hlavně řezné materiály. Na ty jsou kladeny vysoké a často protichůdné požadavky. Požadavky na řezné materiály: - pevnost a tvrdost v tlaku - houževnatost a pevnost v ohybu - pevnost za tepla a odolnost proti teplotním rázům - odolnost proti otěru - chemická stálost a chemicky neutrální chování vůči obráběným materiálům - odolnost proti vzniku trhlin a pevnost vazby vnitřních fází - vysoká řezivost (schopnost oddělovat třísku) Vzhledem k různým vlastnostem obráběných materiálů je nutné pro každý takovýto materiál volit různý materiál řezného nástroje. Nejpoužívanějšími karbidy na řezné nástroje jsou WC, TiC, TaC a NbC, jako pojivo je většinou používáno Co. V praxi se SK aplikují buď nepovlakované, nebo opatřené různými typy povlaků. 9
Nástroje se povlakují dvěmi způsoby: 1) PVD - (fyzikální metoda) pracovní teplota pod 500 C, nízká teplota je výhodná z důvodu tepelného ovlivnění nástroje. Povlak je vytvářen napařováním, naprašováním nebo iontovou implantací. Obr.1 - VBD ze Slinutého karbidu Povlaky jsou vytvářeny i při nižším tlaku v rozmezí 0,1-1,0 Pa. 2) CVD - (chemická metoda) u této metody jsou teploty vyšší a to okolo 1000 1200 C. Obecně je tento proces založen na reakci plynných sloučenin v plazmě, která se musí vytvořit v blízkosti podkladu slinutého karbidu. 3.2 Cermet "Cermety jsou řezné materiály, které obsahují tvrdé částice v kovovém pojivu. Jedná se o částice TiC, TiN, TiCN, TaN. Jako pojivo se používá Ni nebo Mo. Vyšší obsah TiC, oproti SK, způsobuje vysokou tvrdost, zároveň ale dochází k poklesu houževnatosti. Z těchto důvodů jsou cermety využívány převážně pro dokončovací operace." - Lepší a déle trvající schopnost vytváření kvalitních povrchů - Jsou vhodnější pro vytváření dobrých povrchů (drsností) - Větší odolnost proti opotřebení na hřbetě břitu Pro náročnější použití řezných nástrojů, většinou pro hrubovací operace, mají cermety následující nevýhody: - Malou odolnost proti opotřebení otěrem - Příliš malou odolnost proti nárazovým zatížením - Malou pevnost břitu při středních a vyšších posuvech - Malou houževnatost při střídavém středním až těžkém zatížení břitu - Malou odolnost proti opotřebení na čele ve tvaru žlábku 4. JEDNOTLIVÉ TESTOVANÉ VBD Zaoblení řezné hrany VBD určuje pevnost ostří. Se zvyšující se velikostí zaoblení, roste pevnost ostří, ale tím se také zvyšuje řezný odpor, což znamená narůst negativních vlivů, jako síly a teplota, působících na břit destičky. Řezné destičky mají zaoblení řezné hrany běžně 30, 40, 55 μm, hodnoty námi testovaných VBD se pohybují až na polovině, tedy 30 μm. U jediné testované nepovlakované VBD je hodnota zaoblení řezné hrany ještě o něco níže. 4.1 VBD č.1 - P10 - P20, K10 - K25 VBD s PVD povlakem, vysoce výkonná s velkým rozsahem obrábění, který kombinuje vysokou odolnost proti opotřebení s vysokou houževnatostí pro frézování legované oceli, stejně jako litiny. Aplikuje se pro střední až vyšší řeznou rychlost obrábění, pro dokončování až středně hrubé obrábění za stabilních řezných podmínek. Obr.2 - Cermetová VBD Vlastnosti: - Vysoká odolnost proti opotřebení hřbetu a opotřebení ve tvaru žlábku na čele - Malý sklon k vytváření nárůstku - Vysoká chemická stabilita a tvrdost za tepla - Malý sklon k oxidačnímu opotřebení V porovnání se slinutými karbidy na bázi wolframu opatřenými povlakem, mají cermety tyto výhody: - Neměnící se stabilitu břitu při malých a konstantních zatíženích - Větší vhodnost pro obrábění většími řeznými rychlostmi 4.2 VBD č.2 - M15 - M35, K20 - K40 Obr.3 - VBD č.1 10
Povlakovaný jemnozrnný SK s dobrou houževnatostí a výbornou odolností proti opotřebení při obrábění ocelí se zvýšenou houževnatostí, jako jsou korozivzdorné oceli, šedé litiny a tvárné litiny. suché frézování nelegovaných a kalených ocelí za středních až vysokých řezných rychlostí. Obr.6 - VBD č.4 Obr.4 - VBD č.2 4.3 VBD č.3 - K10 - K25 VBD povlakovaná TiAlN s dobrou odolností proti opotřebení při obrábění šedé litiny a to za středních až vyšších řezných rychlostí. Tento stupeň je vhodný zejména tehdy, když je použita pozitivní řezná geometrie při nepříznivých řezných podmínkách. 4.5 VBD č.5 - K10 - K25 Tato VBD je nepovlakovanou verzí VBD č. 3. Je charakterizována vyšší odolností proti opotřebení. Pro hrubování a dokončování litin, hliníkových slitin, neželezných kovů stejně jako plastů. Použití především pro nižší zatížení zubů, ale při vyšších rychlostech obrábění..7 - VBD č.5 Obr Obr.5 - VBD č.3 4.4 VBD č.4 - P20 - P40 VBD povlakovaná TiAlN s vynikající odolností proti opotřebení. Disponuje širokým spektrem použití při obrábění ocelí. Je obzvláště vhodná pro 4.6 VBD č.6 - P10 - P30 Cermetová VBD s vysokou odolností proti opotřebení při vysokých řezných rychlostech obrábění. Také je odolná proti vytváření nárůstku. Používá se převážně pro předdokončovací obrábění. Vhodné pro plynulé dokončovací obrábění, tedy nepřerušovaný řez. 11
Tab. 1 Získané hodnoty pro cermety Obr.8 - VBD č.6 4.7 VBD č.7 - P05 - P15, M05 - M15 Povlakovaný cermet určený pro dokončovací frézování ocelí za vysokých řezných rychlostí. Doporučuje se pro obrábění korozivzdorných a austenitických ocelí. Vhodné pro plynulé dokončovací obrábění, tedy nepřerušovaný řez. Z daných požadavků a hodnot získaných experimentem je patrné, že cermety, i přesto že jsou doporučované pro dokončovací obrábění korozivzdorných a austenitických ocelí, nebylo možné s nimi dosáhnout daných požadavků pro tento materiál. VBD č. 7 byla testována s chlazením, naopak VBD č. 6 byla testována bez chlazení, což se ukázalo jako nevhodná alternativa. U VBD č. 7 ve většině případů docházelo k nadměrnému opotřebení VBD, které podstatně snižovalo její životnost. Při obrábění s VBD č. 6 docházelo k nalepování odebíraného materiálu na již obrobený povrch a tím samozřejmě tento povrch znehodnocoval. Obrábění bez přívodu chladicí kapaliny se tedy neosvědčilo. Je nutné záplavové chlazení. Tab.2 Hodnoty opotřebení a trvanlivosti pro SK r.9 - VBD č.7 Ob 5. VÝSLEDKY TESTOVÁNÍ V následujících tabulkách a grafech jsou znázorněny jednotlivé výsledky testovaných VBD, při daných řezných podmínkách. Při testování byla hodnocena trvanlivost, opotřebení VBD na čele i hřbetě a objem odebraného V tabulce jsou zvýrazněny hodnoty opotřebení, které již překračovali stanovenou mezní hodnotu pro opotřebení (0,2 mm). Tyto VBD tedy nevykazují výraznou trvanlivost, vlivem nadměrného opotřebení, tím pádem ani minimálního požadovaného objemu odebraného Porovnáním obou tabulek je zřejmé, že použití SK na korozivzdornou ocel P91 bylo o poznání vhodnější než použití Cermetů. Některé SK dokonce dosahovaly větší trvanlivosti, a to při nižších hodnotách opotřebení. Byly zde samozřejmě také SK, které podmínky nesplňovaly a to především z důvodu vyštipování řezné hrany (např.: VBD č. 5) => nedostatečná odolnost řezné hrany. V grafu 1 je graficky znázorněn objem odebraného materiálu v závislosti na řezné rychlosti při použití Cermetů. Zelená dělící čára znázorňuje požadovaný objem odebraného Je tedy zřejmé, že Cermety nedosahovali příliš vysoké 12
výkonnosti při frézování obráběného typu Graf.1 - Závislost objemu odebraného materiálu na řezné rychlosti u Cermetů Naproti tomu v grafu 2, kde jsou znázorněny výsledky VBD ze Slinutého karbidu, je vidět mnohonásobně vyšší výkonnost pro frézování materiálu P91. 6. ZÁVĚR Cílem tohoto článku bylo obohatit odbornou veřejnost o možnosti obrábění oceli P91, jelikož v současné době stále není příliš zdrojů, které by se zabývaly touto problematikou. Testování bylo prováděno frézou vždy osazenou pouze 1 VBD, a to z důvodu vysokých nároků na přesnost obrobené plochy. Díky osazování 1 VBD bylo také snazší a přesnější určování životnosti každé VBD. Průběh experimentu ukázal, že cermetové destičky, ačkoliv jsou určeny pro dokončovací frézování korozivzdorných ocelí, nebyly vhodné k dosažení požadovaných parametrů u oceli P91. Mnohem lépe a stabilněji si vedly SK. Tento příspěvek vznikl na základě řešení grantu SGS-2010-083. Graf.2 - Závislost objemu odebraného materiálu na řezné rychlosti u SK Literatura: [1] Martincová Z.: Supertvrdé materiály a jejich efektivní využití, Diplomová práce, Brno 2008 [2] http://www.ingersollimc.com/en/products/catalogs.htm 13