2007-2008 / 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. 608. e-mail: szmejkal@kgtt.bme.hu, ozsvath@kgtt.bme.hu 2008.03.17. 11:02 1
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
ÉLANYAGOK IGÉNYBEVÉTELE NYOMÓ HÚZÓ MECHANIKAI NYÍRÓ STATIKUS, VÁLTAKOZÓ CSAVARÓ HAJLÍTÓ TERMIKUS HŐFOK, VÁLTAKOZÓ HŐMÉRSÉKLET KÉMIAI OXIDÁCIÓ, DIFFÚZIÓ 3
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
SZERSZÁMANYAG ÉLANYAG TÖMÖR GYORSACÉL KÉS FORRASZTOTT LAPKÁS KÉS VÁLTÓ- LAPKÁS KÉS A SZERSZÁM AKTÍV FORGÁCSOLÓ RÉSZE 5
MUNKADARAB ANYAGOK CSOPORTOSÍTÁSA A FORGÁCSOLHATÓSÁG: KOPÁS, ÉLTARTAM ÉRDESSÉG FORGÁCSOLÓ ERŐ FORGÁCSOLÁSI HŐ FORGÁCS ALAKJA, TERJEDELME ALAPJÁN. PÁLMAI Z.: FÉMEK FORGÁCSOLHATÓSÁGA, MŰSZAKI KIADÓ 6
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
Időbeni fejlődés KÖBÖS BÓRNITRID KERÁMIA FORGÁCSOLÁSI SEBESSÉG (m/min) STELLIT SZERSZÁM ACÉL CERMET BEVONATOS KEMÉNYFÉM GYORSACÉL ÉV Az élanyagok jellemzése 8
kerámia Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. kerámia KEMÉNYSÉG HV hagy. keményfém kerámia szénacél HŐMÉRSÉKLET Az élanyagok jellemzése 9
2500 2000 KEMÉNYSÉG HV 1500 1000 500 0 Az élanyagok jellemzésének összefoglalása 10
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
Az élanyagok térképe 12
Az élanyagok térképe 13
A gyorsacél (HSS - high speed steel) 14
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
A gyorsacél (HSS - high speed steel) 16
HSS ALKALMAZÁSÁNAK MEGOSZLÁSA W Mo V Co 6 5 2 DMo5 (50%) 6 5 3 EMo3-V3; HSS-E 6 5 2 5 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
HSS HSS - PM Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. SZERSZÁMOK PVD BEVONATTAL BEVONATTÍPUSOK MEGOSZLÁSA MA: 60-FÉLE BEVONAT! www.balzers.hu Coating Guide www.platit.com www.cemecon.de év FORRÁS: EMUGE 18
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
A wolframkarbid bázisú és titánkarbid ( bázisú keményfémek szövetszerkezete közötti különbség: KEMÉNY FÁZIS KEMÉNY FÁZIS KÖTŐANYAG KÖTŐANYAG A keményfémek 20
A keményfém gyártási lépései: VIDEO forrás: Coromant A keményfémek 21
A keményfém gyártási lépései forrás: Coromant A keményfémek 22
forrás: Coromant A keményfémek 23
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
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
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
BEVONATOK FELADATA: - KOPÁS ELLENI VÉDELEM ÉLTARTAM NÖVELÉSE - SÚRLÓDÁS, FORGÁCSOLÁSI ERŐ, HŐFEJLŐDÉS CSÖKKENTÉSE -HŐSZIGETELÉS Bevonatolás 27
A bevonatolási eljárások: (Physical Vapour Deposition) (Chemical Vapour Deposition) forrás: Coromant Bevonatolás 28
PVD bevonatoló berendezés vázlata Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. forrás: EMUGE Bevonatolás 29
PVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 30
PVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 31
CVD bevonatoló berendezés vázlata forrás: EMUGE Bevonatolás 32
PVD ALAKKÖVETŐ 3-5 μm CVD 5-20 μm EZÉRT ÉLES KEMÉNYFÉM SZERSZÁMOKAT PVD-VEL BEVONATOLNAK! R50-150 μm Bevonatolás 33
HÁTKOPÁS ÁLLÓSÁG KRÁTERES KOPÁS ÁLLÓSÁG TiC Al 2 O 3 TiN Al 2 O 3 TiN TiC Bevonatolás 34
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
Egy- és többrétegű bevonat hajlítási szimulációja: Bevonatolás 36
Bevonatolás 37
Többrétegű gyémántbevonat elektronmikroszkópi képe Bevonatok 38
Többrétegű bevonatok elektronmikrosz kópi képei Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. Bevonatok 39
Gyémánt bevonatok töretfelületének elektronmikroszkópi képei Járműszerkezeti anyagok és megmunkálások II. NORMÁL ÉS NANO MULTI BEVONAT EGYRÉTEGŰ Bevonatok Forrás: EMUGE 40
Forgácsoló kerámiák csoportosítása: Kerámia élanyagok 41
SiC - WHISKER Ø 0,1-10 μm L 5-50 μm ρ 3,9 g/cm 3 R M 14000 N/mm 2 ACÉL 370 N/mm 2 SiC - PELLET 5000 Kerámia élanyagok 42
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 - 1730 1750 1730 1930 1900 1750 2100 1300 3200 Hajlítószilárdság σ bb MPa 700 800 650 620 900 800 400 1200 - Nyomószilárdság σ bb MPa 5000 4700 4800 4800 - - 5000 3000 - E-Modul E GPa 380 410 390 400 390 410 240 320 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 16,4 15 14,7 20 32 25 2 29 Hőtágulási együttható α 10-6 K -1 8 8 8 8-3,4 8,3 10 7,4 Olvadáspont t C - - - - - - 2050 2680 3140 Kerámia élanyagok 43
Köbös-bórnitrid (CBN - cubicboron-nitride) Szuperkemény élanyagok 44
Polikristályos gyémánt (PCD) és köbös bórnitrid (CBN) előállítása Szuperkemény élanyagok FORRÁS: TYROLYT 45
Polikristályos gyémánt (PCD) lapka előállítása Szuperkemény élanyagok 46
CBN alkalmazási módjai Szuperkemény élanyagok 47
CBN alkalmazási módjai Szuperkemény élanyagok 48
Az élanyagok jelölése és alkalmazási területei Élanyagok, összefoglalás 49
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
Élanyagok megjelölése a csomagoláson Élanyagok, összefoglalás 51
Élanyagok megoszlása (HSS nélkül) PTW adat 52