Nyomásos öntőszerszámok élettartamát befolyásoló tényezők Equation Chapter 1 Section 1 Factors of lifetime in case die casting mold Szabó Endre 1 Szilágyiné Biró Andrea 2 Abstract: Materials of die casting molds should fulfill some very important requirement, such as increased heat checking resistance, reduced high-temperature wear, increased hightemperature strength, high working hardness. These properties can guaranties longer tool life. But there are a lot of factor, which influence these properties. The aim of this paper to describe factors, which influence the lifetime of die casting molds. Bevezetés A nyomásos öntés szerszámanyaga hőszilárd acél. Ezek az acélok növelt edzési hőmérsékletükön ellenállók (stabilak) túlhevítés, oxidáció és dekarbonizációval szemben, valamint a bonyolult konstrukciójú és finom gyártmányok hőkezelésekor keletkező vetemedés, deformációval szemben, melyek az ilyen szerszámok többségénél jelentkeznek. 1. Szerszámgyártás költségei A termelési költségek a szerszám élettartam növekedésével csökkenthetőek, mert gyártáskor meghatározza az ipari termék előállításának gazdaságosságát. A szerszám élettartamot alapvetően befolyásolja: a jó szerszámkonstrukció a szerszámacél jó kiválasztása jó gyártástechnológia mechanikai megmunkálások és hőkezelési technológiák. Hőkezelés: élettartamot befolyásoló tulajdonságok kialakítása, befolyásolása, ezért jelentősége nagy. Bár a hőkezelés költsége a szerszám összköltségének kb. 5%-a. Szerszámgyártás költségei: cél annak ismertetése mit veszítünk ha a rossz hőkezeléssel, milyen addig beinvesztált költségeket veszítünk el (1. ábra). 1. ábra Költségösszetevők (1. Tervezési költség, 2. Anyagköltség 3. Bérrel kapcsolatos költség 4. Hőkezelési költség) 2. A nyomásos öntőszerszámok anyag-megválasztása Általános jellemzők: alak és formatartósság nagy hőmérsékleten (hőszilárdság) hőfáradással szembeni ellenállóság (hőmérséklet és feszültség ciklikus váltakozása nagy hőmérsékleti kopásállóság (erózióállóság) hőkezelési deformációval szembeni ellenállás jó megmunkálhatóság gyártáskor: metallurgiai folyamatok irányításával öntés, elektrosalakos, vákuumíves átolvasztás, homogenizáló izzítás, kovácsolás, lágyítás.acélválasztás: az acél összetétel (metallurgiai előélet) a gyártásközbeni és befejező hőkezelések teljesítmény követelmények szerint. Cél: melegkeménység és kilágyulással szembeni ellenállás növelése. 226
Gyártó Anyagszám EN jel Összetétel % cég W. Nr C Cr Mo V Si Mn S Böhler W400 VMR 1,2343 X37CrMoV5-1 0,37 5 1,3 0,5 0,2 0,3 <0,003 Uddeholm DIEVAR - - 0,35 5 2,3 0,6 0,2 0,5 Thyssen-Krupp Thyrotherm E38K 1,2342 X35CrMoV5-1 0,35 5 1,35 0,45 0,3 0,3 0,003 HP1 Kind&CO - - 0,35 5,2 1,4 0,55 0,25 0,4 Böhler W350 - - 0,38 5 1,75 0,55 0,2 0,55 ES Primus SL (Echman Stahl) - - 0,36 5 1,4 0,4 0,3-1. táblázat Nyomásos öntőszerszámok használatos anyagminőségei Ezek az acélok (krómacélok) jellemzői: légedzésűek kis ausztenitesítési hőmérséklet (980-1020 C) minimális méretváltozás edzéskor ellenállás erózióval szemben ellenállás hőrepedésekkel szemben aránylag kis ötvöző tartalom és kis költség, Mo>1%-nál erősen nő az átedzhetőség a perlites átalakulás késleltetésével. Kis karbontartalom (~0,35-0,37%) nagy Ms hőmérséklet (340-350 C), kis edzési vetemedés edzett szövet: martensit+kevés maradék austenit Megfelelő hőszilárdság nagy szívósság (hőfáradással szembeni ellenállás) Jól kovácsolhatók Tkov 870 C, finom újrakristályosodás jól edződnek ezért átkovácsolás után hűtés kemencében. bainit mennyiség nő és nő az eutektoidos átalakulás előtti szekunder karbid kiválás. 3. A metallurgiai előélet hatása a melegalakító (hőszilárd) szerszámacélok tulajdonságaira mikroelemek A szerszámgyártó rendszerint a metallurgiai feldolgozás után az acél lágyítot (fémtanilag a legegyensúlyibb) állapotában kezdi meg a szerszám gyártását megmunkálási és hőkezelési technológiai lépések folyamatával. Ezt megelőzi az előzetes metallurgiai feldolgozás, melynek célja finom, egyenletes szemcseszerkezet, az ötvözők és szenynyezők egyenletes eloszlása, mely szükséges, de nem elégséges feltétele a jó szerszám éltettartamnak. Ennek szakaszai: 1. Öntés: olvasztás elektromos indukciós kemencében öntés (primer kristályosodás) 2.Átolvasztások (elektrosalakos, vákuum-íves), a szövetszerkezet jellege változik: mikroméretű (dendrites) dúsulások karbidkiválás jellege, mérete, formája, melyek döntően befolyásolják a szerszám mechanikai és technológiai tulajdonságát (szilárdság, szívósság, kovácsolhatóság, köszörülhetőség, polírozhatóság, stb.), de nem szünteti meg a primer szövet eutektikumát 3. Homogenizáló izzítás Célja az öntési dendrites dúsulás örökletességének megszüntetése, a kristályokon belüli dúsulások csökkentése (mikroegyenőtlenségek csökkentése) egyes nemfémes zárványok kedvezőbb eloszlása, részleges oldódása, vagy koagulálódása (pl eutektikus szerkezet javítása) hátránya: szemcsedurvulás, mely átkovácsolással finomítható Időtartama: 50-100 h is lehet, a legintenzívebb a izzítás kezdeti periódusa, mert dc / dx hányados a legnagyobb. a formaöntvényeket a homogenizáló izzítás után teljesen lágyítjuk, vagy normalizáljuk a szemcse finomítására. 4. Melegalakítás a mikrohomogenitás, melyet a dendrites dúsulás idéz elő, nem szűnik meg teljesen az öntött 227
szövetszerkezet hatása az azt követő hidegalakítás technologizálhatóságára (képlékenység csökken) az erősen ötvözött acélokban a dendrites dúsulás eredményeként megjelenhet a karbidos eutektikum, mely melegalakítás, sőt az azt követő lágyítás után, majd edzés után is fennmarad, feszültséggyűjtő hatások miatt kiindulási helyei a hőfáradásnak, kitöredezésnek. Kovácsolási hőmérsékleti intervallum: 1120-1180 C-tól 850-900 C-ig, alakítás>60%-os, az edzés-megeresztés után a szerszám szívóssága jelentős. Kovácsolás befejezés 850 C-on további hűtéskor kevés idő marad újrakristályosodásra a szemcse finom lesz, kevesebb lesz a kivált szekunder karbid. Kovácsolás utáni hűtés levegőn 700 C-ig szekunder karbid kiválását fékezve, majd lassú hűtés hűtőgödörben. Hűtéskor ~300 C-on megállnak kb 3-4h hőntartásig, így pelyhesség nem alakul ki. 5. Izzítás, lágyítás A szerszámgyártás első technológiai lépése. (Hőmérséklet-idő (T-t) diagramját lásd a gyártástechnológia fejezetben. Fázisátkristályosodással járó hevítés az Ac3 vagy Ac1 hőmérséklet fölött, kapott szövet perlit+szekunder cementit (gömbös). A szemcse finomodik, megszűnik a sorosság, javul a forgácsolhatóság. Az iparban többségében előkészítő hőkezelés A nagyméretű öntvényeknél befejező hőkezelés 4. Nyomásos öntőszerszámok feszültségállapotáról Az alumínium nyomásos öntéses alkatrészgyártás a leggazdaságosabb. Ehhez nagy élettartamú öntőszerszám szükséges. Elhasználási módok: a nagy hőterhelés következtében a hőmérsékletváltozás okozta hőrepedések (~80%-ban) az öntőforma törése miatt (~15%- ban) erózió miatt (~5%-ban). 2. ábra Nyomásos öntőforma károsodásának sematikus ábrázolása Üzemeltetés Üzemeltetéskor az öntéskor kialakult hőmérséklet változások okozzák a legnagyobb igénybevételt, amikor az öntőforma felülete érintkezik a folyékony fémmel, a nagy hőmérsékleti gradiensek eredményeként jönnek létre a termikus feszültségek. Ekkor ciklikusan igen nagy termikus, vegyi és mechanikai terhelések lépnek fel. Felületi repedés képződés mechanizmusa egy cikluson belül: eredmény a felületen húzó feszültség, mely a képlékeny folyást elérve a felületen maradandóan deformálódik, nő a felületi húzófeszültség, eléri a plató értéket, fáradásos repedést okoz, relaxációs fázis. Csökkenthető az öntőforma előmelegítésével 280-300 C-ig. A termikus feszültségek keletkezésének magyarázata: a meleg szerszámfelület az elválasztó anyag hűtő hatására gyorsabban hűl mint a szerszám magja, a kéregben kritikus húzófeszültség alakul ki (a plató feszültség értéke gyorsan jelentkezik). Az elégtelen előmelegítés az üzemeltetés előtt ezt tovább fokozza. A termikus repedéseket befolyásoló tényezők: az öntőforma felületi hőmérséklete az elválasztó anyag hűtési intenzitása a szerszám homogén szövetszerkezete, mechanikai, technológiai tulajdonságai 228
hőkezelés-azzal elért keménység, szilárdság, szívósség felületi érdesség. Üzemeltetéskor kb 20000-25000 ciklusszám után szükséges a szerszám felújítása. Az öntőforma geometriája: pl. beömlő rendszerek rossz kialakítása, kis lekerekítési sugarak, melyek nagy feszültségkoncentrációs helyeket alakít ki. Repedések nagyok már az üzemeltetés elején. Ezek egyedi térfogatra kiterjedő jellegzetes repedések (Hot-spot), melyeket tervezéskor optimalizálni lehet, de üzemeltetéskor már nem. Gyártás Szerszámgyártáskor pl allotróp átalakulással járó kiválásos edzéskor, amikor termikus és strukturális feszültségek együtt lépnek fel. Ezek a teljes keresztmetszetre kiterjedő húzó feszültségek, külső erők és nyomatékok hatása nélkül alakulnak ki, zárt mechanikai rendszert alkotnak a forgácsoló erő (teljesítmény) csökkentése a nagyoló megmunkáláskor a szemcsés karbidok létrehozásával, gömbösítésével (szövet: szemcsés karbid+szekunder karbid) a befejező hökezelési művelet (kiválásos edzés) szövetszerkezetének, így az elért szerszámtulajdonságok optimalizálása. 2. nagyoló megmunkálás: Előmarás (kb. 70-75%-ban), vagy konturmarás, mely megbontja a belső feszültségek egyensúlyát 4. ábra Nyomásos öntőszerszámok acéljainak egyszerű lágyítása 4. ábra Nyomásos öntőszerszámok acéljainak lépcős lágyítása 3. feszültségcsökkentés, melynek célja: a marással keletkező húzófeszültségek csökkentése, melyek leépítése vetemedéssel, deformációval jár. 3. ábra Strukturális feszültségek 5. A nyomásos öntőszerszámok gyártási gyártástechnológiája A műveletek sorrendje: 1. lágyítás, melynek célja: a félkészgyártmányok feszültségállapotának és szövetszerkezetének javítása, 5. ábra Feszültségcsökkentő hőkezelés 4. simító (finom) megmunkálás, melynek célja a ráhagyásokat minimálisra 229
csökkenteni finommarással a befejező edzéssel együtt. 5. edzés - diszperz kikeményedéssel, melynek célja a szerszám hőszilárdsági és szívóssági tulajdonságainak biztosítása. 6. szikraforgácsolás (+ feszültségcsökkentés utómunkálás): nagyoló+simító erodálással. Jellegzetes erodált felületi réteg szövetszerkezete (olvadtátkristályosodott-alapszövet) alakul ki, melyet utólag eltávolítunk. A káros felületi rétegszerkezetet szikraforgácsolás után azonnal megereszteni 570-580 C-on (46-48 HRC-re) kb 4-5 h-ig. 6. ábra Kiválásos keményítés Acél Edzési hőmérséklet Előzetes edzés Lágyítási Feszültség hőmérséklet csökkentés Böhler W400 VMR 990 900-820-850 620-650 205 HB Uddeholm Dievar 1020 900-850 850 650 205 HB Thyssen Thyrotherm E38K 1020 900-910 780 650 170 HB Kind etco HP1 1010 900-850 650 W350 1010-1020 - 850 650 205 HB ES PRIMUS SL 1020-850 650 2. táblázat A nyomásos öntés szerszámanyagainak hőkezelési adatai, C 200 HB 6.A nyomásos öntőszerszámok javítóhegesztése Lágyított állapotú acélok a nagyoló megmunkáláskor keletkezett hibák javítása / méretváltozások korrigálása felrakással, majd megmunkálással. 7. Nyomásos öntőszerszámok üzemeltetése A szerszámok meghibásodásának okai: felületi repedések, melyek húzófeszültségek hatásakor alakulnak ki: gyártáskor próbaöntéskor üzemeltetéskor. Gyártási feszültségek: termikus és strukturális, melyek rendszerint a szerszám teljes keresztmetszetére kiterjednek (pl. kiválásos edzéskor). A szerszámgyártás következő lépéseinél (szikraforgácsolás javító hegesztés, próbaüzemeltetés) a keletkező feszültségek csak termikus jellegűek a kis működési hőmérsékletek (max. 600-650 C) miatt. Próbaöntéskor: a nem hőfáradásos feszültségek az öntőforma geometriája (lekerekítési sugár) okozta feszültségkoncentrációk idő előtti repedéseket okoznak, oka: konstrukciós hiba. Optimális tervezéssel, kialakítással a szerszám repedés okai csökkenthetők. Üzemletetési hibák: kizárása nehezebb: csak több probléma komplex megoldásával lehetséges, ezek pl: áramlási, beömlési sebesség, az öntőforma temperálása, ciklusidő, a leválasztó anyag minásége, az öntvény összetétele 230
8.Öntőszerszámok gáznitridálása Gáznitridálással (karbonitridálással) javíthatók a szerszámok használati tulajdonságai. A nitridált réteg heterogén: felületi nitrides réteg ( ( Fe2 3N) ( Fe4N )) rende-zett rácsú szilárd oldatok kb 5-15 m vastagságban diffúziós zóna nitrogénes ferritben ( N ) vagy + ötvözők önálló nitridjei ( ( MeFe) x N y ). Növelt tulajdonságok: hőszilárdság kopás és korrózióállóság növelt kifáradási határfeszültség az öntőforma feltapadása, beötvöződése ellen véd a leválasztó anyag jobb tapadása a felületen. A kopás- és korrózióállóságot, a folyékony fém feltapadásával szembeni ellenállást a felületi nitrides réteg biztosítja. A növelt kifáradási határt (kedvező feszültség eloszlást a kéregben), a felületi réteg hőszilárdságát a diffúziós zóna biztosítja Gáznitridálás karbonitridálás termokémiai eljárás, amikor is az atomos nitrogént leadó gáz ( NH 3 ) ammónia disszociál, a felszabaduló atomos nitrogén ( 2NH3 3H2 2N akt ) adszorbeálódik a felületen, majd diffundál a felület alatti rétegben. Mindez egy folyamatszabályozási rendszerben történik, melynek paraméterei: hőmérséklet ( C) hőntartási idő (h) a folyamatban résztvevő gázok összetétele: NH N gáznitridálás o 3 2 o 3 2 2 NH N CO karbonitridálás a kemencébe bevezetett gázok átfolyási mennyisége (l/h) a kemenceatmoszféra nyomása (mbar) az oxidáló hatású elő- és utóoxidációk. 3. ábra A nitridálás teljes hőmérséklet-idő diagramja Az előoxidáció célja: a nitridálandó felület aktivizálása, kedvező feltételek kialakítása a nitridálandó munkadarab felületén a nitrogén adszorpció számára. Utóoxidáció célja: a karbonitridálást közvetlenül követő oxidálással a korrózió és kopási tolajdonságokat, a leválasztó anyag tapadását elősegítő (nyomásos öntéskor) tulajdonságok tovább javíthatók. Köszönetnyilvánítás A cikkben ismertetett kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 projekt eredményeire alapozva a TÁMOP- 4.2.2/A-11/1-KONV-2012-0029 jelű projekt részeként az Új Széchenyi Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 231