NÁSTROJ NEFUNGUJE, KDO ZA TO MŮŽE? Příspěvek je ve sborníku na str. 67-72, přednáška na www.ateam.zcu.cz Antonín Kříž
3/37
4/37 Čas jsou peníze
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 3 6/37
Volba polotovaru Nástrojová ocel Slinutý karbid Cermet Keramika Klasická HSS ocel 350 Kč/kg Prášková HSS ocel 800 Kč/kg 7/37 Slinuté karbidy Cermety
Volba polotovaru slinutý karbid TSF TSM P- skupina 8/37
Trendy ve volbě polotovaru rozentuelle Aufteilung der Schneidstoffe am Weltmarkt Sonstige HSS Ostatní Keramika Slinuté karbidy Cermet 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 Beschichtungstechnol
Makrogeometrie břitu řezného nástroje Varianty makrogeometrie břitu nástroje 1 2 3 14/37
Porovnání variant geometrií 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 15/37
Geometrie nástroje by se měla měnit i podle nadeponované vrstvy friction coefficient 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Průběh koeficientu tření TiAlN 7 000 TiAlSiN 15 000 TiAlN s kluznou vrstvou 10 000 0,1 0 16/37
Při návrzích geometrie je třeba využívat všech dostupných možností a znalostí Mezi takové patří také počítačové modelování řezných procesů 17/37
18/37 Vedle geometrie je třeba sledovat také stav břitu po broušení
Předdepoziční úprava může něco vylepšit, ale velké defekty neopraví! PŘED PO OMLETÍ Tomuto tématu je věnována přednáška VLIV MECHANICKÝCH ÚPRAV SUBSTRÁTU NA ADHEZI TENKÝCH VRSTEV 19/37
Volba vrstvy Je podle čeho vybírat? Není to cesta do neznáma?
U některých zákazníků je důležitá barva nástroje
Na přání zákazníka byla nadeponována povrchová vrstva TiN a vše bylo v pořádku 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
Nesmí dojít k degradaci vlastností substrátu W Co Ti C Změna obsahu uhlíku na povrchu substrátu následkem nevhodných parametrů CVD depozice (častý proces u TiCN) N Al Úbytek kobaltu Změna obsahu kobaltu na povrchu substrátu následkem nevhodných parametrů PVD depozice - iontového čištění 26/37
Substrát základní materiál Vlastnosti materiálu Rychlořezná ocel Kvalitní materiál je nutnou podmínkou pro kvalitní nástroj deponovaná vrstva nemůže zachránit materiálové prohřešky! Depozicí vrstvy nesmí dojít k popuštění materiálu 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
Depozicí vrstvy proces nekončí 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 vlastností 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? Zatížení (N) 20,381 18,381 16,381 14,381 12,381 10,381 8,381 6,381 4,381 h max - maximální hloubka proniknutí indentoru L max - maximální zatížení indentoru h f - hloubka proniknutí indentoru po odlehčení S- sklon (směrnice) počátečního úseku odlehčovací křivky Zatížení Odlehčení h max S L max 2,381 h f 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 Hloubka průniku (µm) Ta, která se nejvíce přiblíží praxi a odhalí nejrychleji závadu a příčinu nefunkčnosti popř. další využití systému.
32/37 Cíl laboratorních testů
Další hodnocené faktory při technologických zkouškách akost obrobené plochy Tvar třísek Složky řezného odporu 14 12 10 8 Kroutící moment 295 děr Fx[N] 3000 2500 2000 1500 Řezná síla 6 1000 4 500 2 0 10 30 100 205 293 295 297 330 Počet děr 293 děr 0 10 30 100 205 293 295 297 33 Počet děr
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, který na konci výrobního procesu je nedostatkem, 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 jsou založeny na profesionalitě, důvěře a komunikaci. 37/37
Děkuji za pozornost