NÁSTROJ NEFUNGUJE, KDO ZA TO MŮŽE? Příspěvek je ve sborníku na str. 67-72, přednáška na www.ateam.zcu.cz
Antonín Kříž
3/37
Čas jsou peníze
4/37
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
3
Komplexní řešení – cesta k úspěchu
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
8/37
TSM
P- skupina
Trendy ve volbě polotovaru
Prozentuelle Aufteilung der Schneidstoffe am Weltmarkt Sonstige HSS Ostatní
Keramika Keramik
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 Beschichtungstechnologie Tools, Nr. 21, May 2004
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 Průběh koeficientu tření 0,9
friction coefficient
0,8 0,7
TiAlSiN – 15 000
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
16/37
TiAlN – 7 000
TiAlN s kluznou vrstvou – 10 000
Při návrzích geometrie je třeba využívat všech dostupných možností a znalostí
Mezi takové patří také počítačové modelování řezných procesů
17/37
Vedle geometrie je třeba sledovat také stav břitu po broušení
18/37
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 Ti
Co C Úbytek kobaltu
Změna obsahu uhlíku na povrchu substrátu následkem nevhodných parametrů CVD depozice (častý proces u TiCN)
N Al 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 Depozicí vrstvy nesmí dojít k popuštění materiálu podmínkou pro kvalitní nástroj deponovaná vrstva nemůže zachránit materiálové prohřešky!
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?
20,381
hmax - maximální hloubka proniknutí indentoru 18,381
16,381
Zatížení (N)
14,381
Lmax - maximální zatížení indentoru hf - hloubka proniknutí indentoru po odlehčení S- sklon (směrnice) počátečního úseku odlehčovací křivky
12,381
Odlehčení
S L max
10,381
8,381
Zatížení
hmax
6,381
4,381
hf
2,381
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
Ta, která se nejvíce přiblíží praxi a odhalí nejrychleji závadu a příčinu nefunkčnosti popř. další využití systému. Hloubka průniku (µm)
Cíl laboratorních testů
32/37
Další hodnocené faktory při technologických zkouškách Jakost obrobené plochy
Tvar třísek
Složky řezného odporu 3000 14
Kroutící moment
Řezná síla
2500
12
2000
295 děr
8
F x [N ]
Mk [Nm]
10
1500 1000
6 4
500
2
0 10
0 10
30
100
205
293
Počet děr
295
297
330
30
100
205
293
Počet děr
293 děr
295
297
330
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
