Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II / II. félév 2. előadás ÉLANYAGOK. Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter

Átírás

1 / II. félév 2. előadás ÉLANYAGOK Dr. Szmejkál Attila Ozsváth Péter Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki Kar Járműgyártás és javítás Tanszék H-1111, Budapest Bertalan L. u. 2. Zép szmejkal@kgtt.bme.hu, ozsvath@kgtt.bme.hu :02 1

2 Az ÉLANYAGOT ÉLGEOMETRIÁT A BEVONAT ANYAGÁT TECHNOLÓGIAI ADATOKAT úgy kell összehangolni, hogy a szerszám ne csak forgácsot, hanem PÉNZT, NYERESÉGET is termeljen. A forgácsolásnak mindig TERMELÉKENYNEK OLCSÓNAK BIZTOSNAK (reprodukálhatónak) kell lennie! 2

3 ÉLANYAGOK IGÉNYBEVÉTELE NYOMÓ HÚZÓ MECHANIKAI NYÍRÓ STATIKUS, VÁLTAKOZÓ CSAVARÓ HAJLÍTÓ TERMIKUS HŐFOK, VÁLTAKOZÓ HŐMÉRSÉKLET KÉMIAI OXIDÁCIÓ, DIFFÚZIÓ 3

4 ÉLANYAGOK JELLEMZŐ TULAJDONSÁGAI KEMÉNYSÉG, NYOMÓSZILÁRDSÁG HAJLÍTÓ-, TÖRŐSZILÁRDSÁG, SZÍVÓSSÁG ÉLSZILÁRDSÁG MELEGKEMÉNYSÉG, HŐSOKK-ÁLLÓSÁG OXIDÁCIÓ-ÁLLÓSÁG KICSI DIFFÚZIÓS HAJLAM REPRODUKÁLHATÓ KOPÁSJELLEMZŐK KEMÉNYSÉG, KOPÁSÁLLÓSÁG SZÍVÓSSÁG (hajlító és törőszilárdság) 4

5 SZERSZÁMANYAG ÉLANYAG TÖMÖR GYORSACÉL KÉS FORRASZTOTT LAPKÁS KÉS VÁLTÓ- LAPKÁS KÉS A SZERSZÁM AKTÍV FORGÁCSOLÓ RÉSZE 5

6 MUNKADARAB ANYAGOK CSOPORTOSÍTÁSA A FORGÁCSOLHATÓSÁG: KOPÁS, ÉLTARTAM ÉRDESSÉG FORGÁCSOLÓ ERŐ FORGÁCSOLÁSI HŐ FORGÁCS ALAKJA, TERJEDELME ALAPJÁN. PÁLMAI Z.: FÉMEK FORGÁCSOLHATÓSÁGA, MŰSZAKI KIADÓ 6

7 P HOSSZÚ FORGÁCSOT ADÓ (ötvözetlen, gyengén ötv.-, ACÉLOK erősen ötv. acélok, acélöntvények) M ROZSDAMENTES ACÉLOK K RÖVID FORGÁCSOT ADÓ temper-, szürke-, gömbgrafitos öntvények N NEM VAS FÉMEK S HŐÁLLÓ SZUPERÖTVÖZETEK (Ni, Co alapú) titánötvözetek H EDZETT ANYAGOK 7

8 Időbeni fejlődés KÖBÖS BÓRNITRID KERÁMIA FORGÁCSOLÁSI SEBESSÉG (m/min) STELLIT SZERSZÁM ACÉL CERMET BEVONATOS KEMÉNYFÉM GYORSACÉL ÉV Az élanyagok jellemzése 8

9 kerámia Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. kerámia KEMÉNYSÉG HV hagy. keményfém kerámia szénacél HŐMÉRSÉKLET Az élanyagok jellemzése 9

10 KEMÉNYSÉG HV Az élanyagok jellemzésének összefoglalása 10

11 edzett acél gyorsacél keményfém forg. kerámia sűrűség (g/cm 3 ) keménység HV E-modul (GPa) olvadáspont hőállósági határ hőtágulási együttható (10-6 /K) nyomószilárdság hajlítószilárdság Az élanyagok jellemzésének összefoglalása 11

12 Az élanyagok térképe 12

13 Az élanyagok térképe 13

14 A gyorsacél (HSS - high speed steel) 14

15 A gyorsacél előállítási technológiái Öntés Átolvasztás Melegalakítás Forgácsolás Olvasztás OLVASZTÁSOS eljárás PORKOHÁSZATI eljárás Hőkezelés Köszörülés Porlasztás gázzal Tokozás Meleg izosztatikus préselés Melegalakítás Forgácsoló megmunkálás Hideg izosztatikus préselés Szinterelés ρ<100% Melegalakítás Forgácsoló megmunkálás Porlasztás vízzel Szárítás lágyítás Préselés formázás Szinterelés ρ<100% Melegizostatikus tömörítés A gyorsacél (HSS - high speed steel) 15

16 A gyorsacél (HSS - high speed steel) 16

17 HSS ALKALMAZÁSÁNAK MEGOSZLÁSA W Mo V Co DMo5 (50%) EMo3-V3; HSS-E EMo5-Co5 (HSS-Co) 90% HSS-PM (porkohászati gyorsacél) ALKALMAZÁSA FOGAZÓ SZERSZÁM 70% ÜREGELŐ SZERSZÁM 50% MARÓ 20% MENETFÚRÓ 10% FÚRÓ 1% A gyorsacél (HSS - high speed steel) 17

18 HSS HSS - PM Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. SZERSZÁMOK PVD BEVONATTAL BEVONATTÍPUSOK MEGOSZLÁSA MA: 60-FÉLE BEVONAT! Coating Guide év FORRÁS: EMUGE 18

19 WOLFRÁM BÁZISÚ KEMÉNYFÉM HW KEMÉNY FÁZIS WC, TiC, TaC, NbC KÖTŐANYAG Co TITÁN BÁZISÚ KEMÉNYFÉM HT CERMET KEMÉNY FÁZIS TiC, TiN KÖTŐANYAG Ni, Mo A keményfémek 19

20 A wolframkarbid bázisú és titánkarbid ( bázisú keményfémek szövetszerkezete közötti különbség: KEMÉNY FÁZIS KEMÉNY FÁZIS KÖTŐANYAG KÖTŐANYAG A keményfémek 20

21 A keményfém gyártási lépései: VIDEO forrás: Coromant A keményfémek 21

22 A keményfém gyártási lépései forrás: Coromant A keményfémek 22

23 forrás: Coromant A keményfémek 23

24 A KEMÉNYFÉMEK MEGNEVEZÉSE ISO SZERINT HW WC/Co KEMÉNYFÉM HT TiC/TiN KEMÉNYFÉM (CERMET) HC BEVONATOS KEMÉNYFÉM HF FINOMSZEMCSÉS KEMÉNYFÉM Pl.: HW K40 A keményfémek 24

25 WC/Co keményfém textúrák osztályozása (Fachverband Pulvermetallurgie alapján) WC kristályok szemcsemérete (μm) < 0,2 (=200 nm) 0,2 0,5 0,5 0,8 0,8 1,3 1,3 2,5 2,5 6,0 >6,0 Szinter szövet megjelölése Nano Ultra finom Finomabb Finom Közepes Nagy Extra nagy A keményfémek 25

26 Keményfém élanyagok alkalmazásának osztályozása ISO szerint Alkalmazási főcsoportok Alkalmazási csoportok Betűjel Színjel Mdb. anyag Keményfém fajták Alkalmazhatóság P M K N S H KÉK SÁRGA PIROS ZÖLD BARNA SZÜRKE Acélok Rozsdamentes acélok Öntöttvasak Nemvas anyagok Nikkel alapú és titánötvözetek Edzett anyagok P01 P05 P10 P15 P20 P25 P30 P35 P40 P45 P50 M01 M05 M10 M15 M20 M25 M30 M35 M40 K01 K05 K10 K15 K20 K25 K30 K35 K40 N01 N05 N10 N15 N20 N25 N30 S01 S05 S10 S15 S20 S25 S30 H01 H05 H10 H15 H20 H25 H30 Kopásállóság és forgácsolási sebesség növekedése Szívósság és előtolás növekedése A keményfémek 26

27 BEVONATOK FELADATA: - KOPÁS ELLENI VÉDELEM ÉLTARTAM NÖVELÉSE - SÚRLÓDÁS, FORGÁCSOLÁSI ERŐ, HŐFEJLŐDÉS CSÖKKENTÉSE -HŐSZIGETELÉS Bevonatolás 27

28 A bevonatolási eljárások: (Physical Vapour Deposition) (Chemical Vapour Deposition) forrás: Coromant Bevonatolás 28

29 PVD bevonatoló berendezés vázlata Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. forrás: EMUGE Bevonatolás 29

30 PVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 30

31 PVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 31

32 CVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 32

33 PVD ALAKKÖVETŐ 3-5 μm CVD 5-20 μm EZÉRT ÉLES KEMÉNYFÉM SZERSZÁMOKAT PVD-VEL BEVONATOLNAK! R μm Bevonatolás 33

34 HÁTKOPÁS ÁLLÓSÁG KRÁTERES KOPÁS ÁLLÓSÁG TiC Al 2 O 3 TiN Al 2 O 3 TiN TiC Bevonatolás 34

35 Bevonatstruktúrák Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. TiN TiC WC/C TiCN TiAlN TiAlN TiN TiN Szubsztrát Szubsztrát Szubsztrát Szubsztrát Szubsztrát Egyszeres bevonat Gradiens bevonat Többrétegű bevonat Nano bevonat Kemény/lágy bevonat Bevonatolás 35

36 Egy- és többrétegű bevonat hajlítási szimulációja: Bevonatolás 36

37 Bevonatolás 37

38 Többrétegű gyémántbevonat elektronmikroszkópi képe Bevonatok 38

39 Többrétegű bevonatok elektronmikrosz kópi képei Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. Bevonatok 39

40 Gyémánt bevonatok töretfelületének elektronmikroszkópi képei Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. NORMÁL ÉS NANO MULTI BEVONAT EGYRÉTEGŰ Bevonatok Forrás: EMUGE 40

41 Forgácsoló kerámiák csoportosítása: Kerámia élanyagok 41

42 SiC - WHISKER Ø 0,1-10 μm L 5-50 μm ρ 3,9 g/cm 3 R M N/mm 2 ACÉL 370 N/mm 2 SiC - PELLET 5000 Kerámia élanyagok 42

43 KERÁMIÁK ÉS ÖSSZETEVŐIK FIZIKAI-, MECHANIKAI JELLEMZŐI (König, Klocke) JELLEMZŐK OXIDKERÁMIA +3,5% ZrO 2 Al 2 O 3 +15% ZrO 2 KEVERT KERÁMIA +10% ZrO 2 Al 2 O 3 + 5% TiC +30% Ti(CN) SZÁLERŐSÍTÉSŰ OXIDKERÁMIA Al 2 O 3 +15% ZrO 2 +20% SiC-Whisker SZILÍCIUM NITRID KERÁMIA Si 3 N 4 +10% Y2O3 Al 2 O 3 ZrO 2 TiC Sűrűség ρ g/cm 3 4,0 4,2 4,1 4,3 3,7 3,3 3,9 6,1 4,9 Vickers keménység Hajlítószilárdság σ bb MPa Nyomószilárdság σ bb MPa E-Modul E GPa Törési szívósság K Ic MPa m 1/2 4,5 5,1 4,2 4,5 8,0 7,0 4 7 Hővezető képesség λ W/mK 16, , Hőtágulási együttható α 10-6 K ,4 8,3 10 7,4 Olvadáspont t C Kerámia élanyagok 43

44 Köbös-bórnitrid (CBN - cubicboron-nitride) Szuperkemény élanyagok 44

45 Polikristályos gyémánt (PCD) és köbös bórnitrid (CBN) előállítása Szuperkemény élanyagok FORRÁS: TYROLYT 45

46 Polikristályos gyémánt (PCD) lapka előállítása Szuperkemény élanyagok 46

47 CBN alkalmazási módjai Szuperkemény élanyagok 47

48 CBN alkalmazási módjai Szuperkemény élanyagok 48

49 Az élanyagok jelölése és alkalmazási területei Élanyagok, összefoglalás 49

50 Rövid jel Keményfémek H W H F H T H C Élanyagok osztályozása ISO szerint Anyagcsoport WC/Co keményfém Finomszecsés keményfém (<1μm) TiC/TiN keményfém (Cermet) Bevonatolt keményfém (fentiek) kerámiák gyémánt Köbös bórnitrid C C M C N C R C D D B B B A C P M L H C Fehér kerámia (Al 2 O 3 ) Kevert kerámia (Al 2 O 3 + nem oxid) Szilícium-nitrid kerámia (Si 3 N 4 ) Erősített kerámia (Al 2 O 3 + Whisker) Bevonatolt kerámia (fentiek) Polikristályos gyémánt Gyémánt egykristály Köbös bórnitrid (alacsony CBN tartalom) Köbös bórnitrid (magas CBN tartalom) Bevonatolt CBN (fentiek) Élanyagok, összefoglalás 50

51 Élanyagok megjelölése a csomagoláson Élanyagok, összefoglalás 51

52 Élanyagok megoszlása (HSS nélkül) PTW adat 52