2011. tavaszi félév. Élanyagok. Dr. Ozsváth Péter Dr. Szmejkál Attila

Átírás

1 2011. tavaszi félév Élanyagok Dr. Ozsváth Péter Dr. Szmejkál Attila Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Járműgyártás és javítás Tanszék, 1111, Budapest, Bertalan L. u. 2. Z 608., tel./fax: / Budapest University of Technology and Economics Járműgyártás és -javítás Tanszék 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 1

2 Élanyagok igénybevétele: nyomó húzó mechanikai nyíró csavaró hajlító (statikus, váltakozó) termikus hőfok, váltakozó hőmérséklet kémiai oxidáció, diffúzió 3 Élanyagok jellemző tulajdonságai: keménység, nyomószilárdság, élszilárdság szívósság, hajlító-, törőszilárdság melegkeménység, hősokk-állóság oxidáció-állóság kicsi diffúziós hajlam reprodukálható kopásjellemzők keménység, kopásállóság szívósság 4 2

3 szerszámanyag élanyag a szerszám aktív forgácsoló része tömör gyorsacél kés forrasztott lapkás kés váltó-lapkás kés 5 Munkadarab anyagok csoportosítása a forgácsolhatóság alapján: szerszám kopás, éltartam kialakuló felületi érdesség forgácsoló erő forgácsolási hő forgács alakja, terjedelme Pálmai Z.: Fémek forgácsolhatósága, Műszaki kiadó 6 3

4 P HOSSZÚ FORGÁCSOT ADÓ ACÉLOK (ötvözetlen, gyengén-, erősen ötv. acélok, acélöntvények) M ROZSDAMENTES ACÉLOK K RÖVID FORGÁCSOT ADÓ temper-, szürke-, gömbgrafitos öntvények N NEM VAS FÉMEK (alumínium) S HŐÁLLÓ SZUPERÖTVÖZETEK (Ni, Co alapú) titánötvözetek H EDZETT ANYAGOK 7 Élanyagok időbeni fejlődése: KÖBÖS BÓRNITRID KERÁMIA 1. gyorsacél 2. keményfém 3. kerámia 4. köbös bórnitrid 5. gyémánt HV FORGÁCSOLÁSI SEBESSÉG (m/min) STELLIT SZERSZÁM ACÉL CERMET (BEVONATOS) KEMÉNYFÉM GYORSACÉL ÉV 8 4

5 A gyorsacélok főbb típusai: A gyorsacél (HSS - high speed steel) 9 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) 10 5

6 A porkohászati gyorsacél előállítása: A gyorsacél (HSS - high speed steel) 11 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) 12 6

7 A keményfémek főbb típusai: WOLFRÁM bázisú keményfém HW Kemény fázis WC, TiC, TaC, NbC Kötőanyag Co TITÁN bázisú keményfém (Cermet) HT Kemény fázis TiC, TiN Kötőanyag Ni, Mo A keményfémek 13 A wolfram bázisú és titán bázisú keményfémek szövetszerkezete közötti különbség: KEMÉNY FÁZIS KEMÉNY FÁZIS KÖTŐANYAG KÖTŐANYAG wolfram bázisú titán bázisú A keményfémek 14 7

8 A keményfém gyártási lépései: forrás: Coromant A keményfémek 15 forrás: Coromant A keményfémek 16 8

9 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 17 WC/Co keményfém textúrák osztályozása (Fachverband Pulvermetallurgie alapján) WC kristályok szemcsemérete (µm) Szinter szövet megjelölése < 0,2 (=200 nm) Nano 0,2 0,5 Ultra finom 0,5 0,8 Finomabb 0,8 1,3 Finom 1,3 2,5 Közepes 2,5 6,0 Nagy > 6,0 Extra nagy A keményfémek 18 9

10 Keményfém élanyagok alkalmazásának osztályozása DIN ISO 513 szerint Alkalmazási főcsoportok Alkalmazási csoportok Betűjel Színjel Mdb. anyag Keményfém fajták Alkalmazhatóság P M KÉK SÁRGA Acélok (ötvözetlen, gyengén ötvözött) Rozsdamentes acélok K PIROS Öntöttvasak N S ZÖLD BARNA Nem vasalapú anyagok Nikkel alapú és titánötvözetek H SZÜRKE Edzett acélok P01 P10 P20 P30 P40 P50 M01 M10 M20 M30 M40 K01 K10 K20 K30 K40 N01 N10 N20 N30 S01 S10 S20 S30 H01 H10 H20 H30 P05 P15 P25 P35 P45 M05 M15 M25 M35 K05 K15 K25 K35 N05 N15 N25 S05 S15 S25 H05 H15 H25 Kopásállóság és forgácsolási sebesség növekedése Szívósság és előtolás növekedése A keményfémek 19 BEVONATOK FELADATA: - kopás elleni védelem éltartam növelése - súrlódás, forgácsolási erő, hőfejlődés csökkentése - hőszigetelés Bevonatolás 20 10

11 A bevonatolási eljárások: (Physical Vapor Deposition) (Chemical Vapor Deposition) forrás: Coromant Bevonatolás 21 PVD bevonatoló berendezés vázlata Bevonatolás forrás: EMUGE 22 11

12 CVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 23 PVD ALAKKÖVETŐ 3-5 µm CVD 5-20 µm Ezért éles HSS és keményfém szerszámokat PVD-vel bevonatolnak! R µm Bevonatolás 24 12

13 Bevonatok kopásállósága: Hátkopás állóság Kráteres kopás állóság TiC Al 2 O 3 TiN Al 2 O 3 TiN TiC Bevonatolás 25 HSS HSS - PM szerszámok PVD bevonattal BEVONATTÍPUSOK MEGOSZLÁSA MA: 60-FÉLE BEVONAT! Coating Guide év FORRÁS: EMUGE Bevonatolás 26 13

14 Bevonatstruktúrák: 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 27 Egy- és többrétegű bevonat hajlítási szimulációja: Bevonatolás 28 14

15 Repedésterjedés bevonatokban: Egyrétegű bevonat kis belső nyomófeszültséggel Nanokristályos szerkezet Többrétegű bevonat Egyrétegű bevonat nagy belső nyomófeszültséggel Bevonatolás 29 Többrétegű gyémántbevonat elektronmikroszkópi képe: Bevonatok 30 15

16 Többrétegű bevonatok elektronmikroszkópi képei: Bevonatok 31 Gyémánt bevonatok töretfelületének elektronmikroszkópi képei: NORMÁL ÉS NANO MULTI BEVONAT EGYRÉTEGŰ Bevonatok Forrás: EMUGE 32 16

17 Forgácsoló kerámiák csoportosítása: Kerámia élanyagok 33 Szálerősítésű kerámiák: 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 34 17

18 KERÁMIÁK ÉS ÖSSZETEVŐIK FIZIKAI-, MECHANIKAI JELLEMZŐI (König, Klocke) JELLEMZŐK OXIDKERÁMIA KEVERT KERÁMIA SZÁLERŐSÍTÉSŰ OXIDKERÁMIA SZILÍCIUM NITRID KERÁMIA Al 2 O 3 Al 2 O 3 Al 2 O 3 Si 3 N 4 Al 2 O 3 ZrO 2 TiC +3,5% +15% +10% +30% ZrO 2 ZrO 2 ZrO 2 Ti(CN) + 5% TiC +15% ZrO 2 +20% SiC-Whisker +10% Y2O3 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 Nyomószilárdság σbb MPa σbb MPa E-Modul E GPa Törési szívósság Hővezető képesség Hőtágulási együttható KIc MPa m 1/2 4,5 5,1 4,2 4,5 8,0 7,0 4 7 λ W/mK 16, , α 10-6 K ,4 8,3 10 7,4 Olvadáspont t C Kerámia élanyagok 35 Köbös-bórnitrid (CBN - Cubic-Boron-Nitride) Szuperkemény élanyagok 36 18

19 Polikristályos gyémánt (PCD) és köbös bórnitrid (CBN) előállítása Szuperkemény élanyagok FORRÁS: TYROLYT 37 CBN alkalmazási módjai: Tömör CBN váltólapka Teljes felületű, réteges CBN váltólapka Szuperkemény élanyagok 38 19

20 CBN alkalmazási módjai: Forrasztott CBN sarkú váltólapka Szuperkemény élanyagok 39 Polikristályos gyémánt (PCD) lapka előállítása: tömítés 6 GPa gyémántszemcsék kobaltban gazdag határréteg keményfém lapka 1500 C tok keményfém alátét keményfém gyűrű keményfém bélyeg Polikristályos gyémánt (PCD) lapka előállítása Szuperkemény élanyagok 40 20

21 Az élanyagok térképe 41 Az élanyagok térképe 42 21

22 Az élanyagok jellemzése: KEMÉNYSÉG HV Keménység HV10 szénacél HŐMÉRSÉKLET 43 Az élanyagok jellemzése: KEMÉNYSÉG HV

23 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 45 Az élanyagok jelölése és alkalmazási területei Élanyagok, összefoglalás 46 23

24 Rövid jel Keményfémek H W H F H T H C Élanyagok osztályozása DIN ISO 513 szerint Anyagcsoport WC/Co keményfém Finomszecsés keményfém (<1µm) TiC/TiN keményfém (Cermet) Bevonatolt keményfém (fentiek) kerámiák gyémánt Köbös bórnitrid C A Fehér kerámia (Al 2 O 3 ) C M Kevert kerámia (Al 2 O 3 + nem oxid) C N Szilícium-nitrid kerámia (Si 3 N 4 ) C R C C D P D M B L B H B C 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 47 Élanyagok megjelölése a csomagoláson Élanyagok, összefoglalás 48 24

25 Élanyagok megoszlása (HSS nélkül) PTW adat 49 25