2.2.P.04: Inżynieria powierzchni materiałów narzędziowych

Transkrypt

1 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials in Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Panel nt. Produkt oraz materiał z jakiego dany produkt został wykonany zdeterminowany przez oczekiwane własności funkcjonalno-użytkowe wynikające z potrzeb klienta..p.0: Inżynieria powierzchni materiałów narzędziowych J. Mikuła, K. Gołombek Politechnika Śląska nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009

2 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, i zginanie odporność na zmęczenie mechaniczne, cieplne wysoka twardość dobra ciągliwość duża udarność IDEALNY MATERIAŁ NARZĘDZIOWY mała przewodność cieplna odporność na zużycie odporność na wysoką temperaturę nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Jak uzyskać idealny materiał narzędziowy? Uszlachetnianie powierzchni Nowe materiały Udoskonalanie składu chemicznego Współczesne kierunki badań

3 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Powierzchn. obr. cieplna Laser. obr powierzchn. Powłoki, CVD Metalurgia proszków Thermal plasma spray Naborowywanie Materiały narzędziowe Twardość Udarność Odporność na zmęczenie cieplne Odporność na zużycie ścierne Węgloazotowanie Wytrzymałość na rozciąganie Struktura nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 METODY WYTWARZANIA WARSTW POWIERZCHNIOWYCH mechaniczne grubość warstwy: części mm kilka mm warstwy wierzchnie cieplno mechaniczne grubość warstwy: kilkadziesiąt µ m kilka mm warstwy wierzchnie, powłoki cieplne grubość warstwy: części mm kilka mm warstwy wierzchnie, powłoki cieplno chemiczne grubość warstwy: kilkadziesiąt µ m kilka mm warstwy wierzchnie, powłoki chemiczne i elektrochemiczne grubość warstwy: kilka µ m kilka mm warstwy wierzchnie, powłoki fizyczne grubość warstwy: dziesiąte części mm kilkadziesiąt mm warstwy wierzchnie, powłoki nagniatanie: naporow e: krążkow anie kulkowanie rolkowanie udarow e: m łotkow anie kulkowanie obróbka plastyczna na zimno: walcowanie kucie natryskiwanie: gazow e łukow e plazm ow e detonacyjne natapianie natryskowe platerowanie: naporow e (w alcowanie, tłoczenie, ciągnienie) detonacyjne skurc zow e utwardzanie detonacyjne: laserowe elektronowe w ybuchow e obróbka plastyczna na gorąco: walcowanie kucie hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie: indukcyjne płom ieniow e plazm ow e laserow e elektronowe nadtapianie (obtapianie, szk liw ienie, wygładzanie): laserow e elektronowe płom ieniow e plazm ow e napawanie: łukow e płom ieniow e natapianie: laserow e elektronowe elektroiskrow e nasycanie: dyfuzyjne niewspomagane: proszkowe, kąpielowe, gazowe, obejmujące metody klasyczne z udziałem pierwiastków niem e- talicznych, jak: naw ęglanie azotowanie węgloazotow anie borow anie nasiarczanie itp. klasyczne z udziałem pierwiastków metalicznych, jak: cynkowanie, cynowanie, alum iniowanie itp. klasyczne, z udziałem pierwiastków niemetalicznych dyfuzyjne, wspomagane ja r zen io w o, C V D stopowanie: laserow e elektronowe osadzanie bezpośrednie tworzywa metalowego lub niemetalowego, w tym: nanoszenie powłok malarskich nanoszenie powłok z tworzyw sztucznych osadzanie elektrolityczne metali bądź stopów: (galwanizacja), w tym: nanoszenie powłok jedno- i dwuwarstwowych w procesach: chrom ow ania niklow ania cynkow ania cynowania itp. osadzanie konwersyjne powłoki: chrom ianowe fosforanowe tlenkowe itp traw ienie i po lerow anie: chem iczne elektrochem iczne zestalanie chemiczne osadzanie z fazy gazowej: naparow anie napylanie rozpylanie im plantow anie jonów (stopowanie jonowe): pierwotnych w tórnych

4 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Produkcja obrabiarek a rynek materiałów narzędziowych Japonia Niemcy Chiny Włochy Tajwan Korea USA Szwajcaria Hiszpania Brazylia Obrabiarki Wartość produkcji, mld $ Najwięksi potentaci w produkcji maszyn przemysłowych obrabiarek Japonia oraz Niemcy zamknęli rok 008 z bilansem przychodu przekraczającym 1 miliardów dolarów. Owe wartości dosadnie ukazują pozycje materiałów narzędziowych na rynku światowym. nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Produkcja obrabiarek a rynek materiałów narzędziowych Wartość produkcji, mld $ 1,8 1,6 1, 1, 1 0,8 0,6 0, 0, Obrabiarki Rok Wraz z rozwojem przemysłu samochodowego (który stanowi ok. 0% rynku zbytu dla obrabiarek oraz materiałów narzędziowych ) także w Polsce wzrosła liczba produkowanych maszyn specjalistycznych, dynamikę rozwoju ukazuje wykres wartości produkcji.

5 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Największy rynek zbytu w roku 008 stanowiły Chiny. Wartość zakupionych maszyn przekroczyła 19 mld $, przewyższyła dwukrotnie rynek niemiecki w tym zakresie, który dominuje w Europie. Chiny Niemcy Japonia USA Włochy Korea Tajwan Brazylia Indie Francja Wartość zakupionych maszyn, mld $ Obrabiarki Produkcja obrabiarek a rynek materiałów narzędziowych nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Zyski w Polsce z obróbki materiałów oraz nanoszenia powłok w latach ,6 Wartość produkcji, mld PLN 1, 1, 1 0,8 0,6 0, 0, Rok

6 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Największą grupę stosowanych obecnie materiałów narzędziowym stanowią węgliki spiekane, jednakże z powodu dobrych właściwości oraz rozwojowi metod, CVD oraz MTCVD coraz większą rolę odgrywają cermetale i ceramika. 7% Cermetale Węgliki spiekane Stale szybkotnące % % 1% % Polikrystaliczne materiały narzędziowe Ceramika nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Północnoamerykański rynek zaawansowanych materiałów ceramicznych Północnoamerykański rynek zaawansowanych materiałów ceramicznych został oszacowany w roku 00 na, mld $ i rośnie średnio o,8 % rocznie. Szacuje się że w roku 010 przekroczy poziom mld $. Narzędzia do obróbki skrawaniem stanowią ok. 17% tego rynku i charakteryzują się jedną z najwyższych rocznych stóp wzrostu w badanej branży. $ Millions Inserts Energy Aerospace Biomed Transport based on AVM01D, AVM01C, SMC07A, MFG01C, MFG01B, SMC07E BCC reports and own data researches

7 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Technologie poprawy własności materiałów narzędziowych: analiza rynku based on Oerlikon Balzers nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Północnoamerykański rynek pokryć ceramicznych Szacunkowy ogólnoświatowy rynek pokryć ceramicznych Thermal spraying; 6% Powłoki uzyskiwane metodą Thermal Spraying dominują na badanym rynku. Powłoki CVD stanowią drugi co do wielkości segment rynku, jednak prognozy mówią o stopniowym wzroście i w konsekwencji dominacji segmentu pokryć w stosunku do powłok CVD. Others; 8% based on AVM01D, AVM01C BCC reports and own data researches ; 1% CVD; 1%

8 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Lp Technologia CVD Natryskiwanie Metalurgia proszków Implantacja jonowa Napawanie Borowanie Przetapianie laserowe Węgloazotowanie Obróbka cieplna Atrakcyjność Potencjał Ocena śr.,,0,8,8,,0,,,7,0 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Rodzaj powłoki TiN Ti(C,N) Ti(Al,N) TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN TiN+(Ti,Al,Si)N+(Al,Si,Ti)N TiN+TiC+TiN Ti(C,N)+TiN Ti(C,N)+Al O +TiN Ti(C,N)+Al O +TiC TiN+Al O TiN+Al O +TiN TiN+Al O +TiN+Al O +TiN TiC+Ti(C,N)+Al O +TiN (Ti,Al)N gradient Ti(C,N) gradient (TiAlSi)N gradient (TiAlCrSi)N gradient Typ procesu CVD CVD CVD CVD CVD CVD CVD Podłoże Stale szybkotnące Węgliki Spiekane Cermetale Ceramika Si N Ceramika Al O +ZrO Ceramika Al O +TiC Ceramika Al O +SiC (w)

9 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Generacja powłok Przykłady Twardość, HV Pierwsza TiN, TiC 000 Druga Ti(C,N), (Ti,Al)N, DLC Trzecia Multicomponent, Multilayer, Gradient (Ti,Al)N, Ti(C,N), (TiAlSi)N, (TiAlCrSi)N Strukturalnie kontrolowana Strukturalnie kontrolowana nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Rodzaj powłoki TiN Ti(C,N) Ti(Al,N) TiN+(Ti,Al,Si)N+TiN TiN+multi(Ti,Al,Si)N+TiN TiN+(Ti,Al,Si)N+(Al,Si,Ti)N TiN+TiC+TiN Ti(C,N)+TiN Ti(C,N)+Al O +TiN Ti(C,N)+Al O +TiC TiN+Al O TiN+Al O +TiN TiN+Al O +TiN+Al O +TiN TiC+Ti(C,N)+Al O +TiN (Ti,Al)N Ti(C,N) (Ti,Al,Si)N (Ti,Al,Cr,Si)N Generacja Pierwsza Druga Druga Trzecia -wieloskładnikowa Trzecia -wieloskładnikowa Trzecia -wieloskładnikowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia -multowarstwowa Trzecia gradient/nano Trzecia gradient/nano Trzecia gradient/nano Trzecia gradient/nano

10 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Trwałość narzędzi 0, 0, 0,1 niepokryta TiN+TiAlSiN+AlSiTiN TiN+TiAlSiN+TiN TiCN+TiN TiN+AlO TiN TiN+multiTiAlSiN+TiN TiAlN 0 1,, 6 7, 9 10, 0,1 0, , 1 Czas skrawania t [min] Zużycie VB [mm] nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Wear VB [mm] 0, 0, 0, 0, 0,1 0,1 0,0 y = 0,0007x - 0,009x + 0,069x R = 0,998 y = E-0x - 0, 000x + 0,018x R = 0, uncoated TiN+AlO Time t [min]

11 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Jakość obróbki,00,0,00,0,00 niepokryta TiN+TiAlSiN+AlSiTiN TiN+AlO TiN+TiAlSiN+TiN TiCN+TiN TiAlN TiN TiN+multiTiAlSiN+TiN 1,0,0,0 7,0 1,0 1,00 0,0 0,00 1, 11,0 9,0 Czas skrawania t [min] Chropowatość Ra [µm] nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Aspekty ekonomiczne poprawy własności materiałów narzędziowych Tooling -1% Spadek kosztu Potrzeba osiągania narzędzi / wzrost wyższych parametrów Workpiece -1% trwałości ostrza ma skrawania przy tej samej material trwałości ostrza/jakości znikome znaczenie obróbki dla kosztu Machinery = jarnostkowego & Konieczność poszukiwania equipment produktu nowych rozwiązań w zakresie materiałów narzędziowych. -1% Wzrost parametrów Operators obróbki 0% wzrost prędkości skrawania daje ok. 1% spadku kosztu Overhead jednostkowego produktu based on Sandvik Coromant publications

12 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Dylemat: narzędzie wielofunkcyjne materiał wielofunkcyjny kompromis kompromis nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, i zginanie odporność na zmęczenie mechaniczne, cieplne wysoka twardość dobra ciągliwość duża udarność IDEALNY MATERIAŁ NARZĘDZIOWY mała przewodność cieplna odporność na zużycie odporność na wysoką temperaturę

13 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Możliwe rozwiązanie: Specjalizacja skoncentrowana na funkcji oraz łączenie zalet i własności różnych materiałów poprzez hybrydowe rozwiązania technologiczne i materiałowe maksymalizacja jakości obróbki maksymalizacja efektywności produkcji NATIONAL COHESIO N STRATEGY nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 NATIONAL COHESIO N STRATEGY

14 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 Powłoka gradientowa Strefa połączenia Podłoże gradientowe nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November : niska temperatura procesu, możliwość parowania materiałów trudnotopliwych z dużymi szybkościami, dokładna kontrola nad grubością powłok. -CVD: wysoka przyczepność nanoszonych powłok, wysoka odporność chemiczna powłok, dokładna kontrola nad grubością powłok. - METALURGIA PROSZKÓW: możliwość wykonywania skomplikowanych strukturalnie obiektów, niewielkie jednostkowe zużycie energii, niemalże brak odpadów. -OBRÓBKA CIEPLNA: prostota procesów, łatwa kontrola nad parametrami procesów, stosunkowo tanie procesy. -NATRYSKIWANIE: brak przegrzania podłoża, możliwość pokrywania skomplikowanych kształtem obiektów, bardzo dobre własności powłok. -NAPAWANIE prostota procesu, łatwa kontrola parametrów procesu, duża dostępność i rozpowszechnienie. - PLD (LASEROWE OSADZANIE PULSACYJNE) znaczna jednolitość struktury powłok, wysoka wydajność procesu, możliwość zastosowania zróżnicowanych materiałów na pokrycia. SWOT technologie: Silne strony

15 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 -: trudność w kontrolowaniu parametrów procesu. -CVD: ograniczona możliwość pokrywania materiałów ze względu na wysoką temperaturę procesu. -MATALURGIA PROSZKÓW: wymaganie wyspecjalizowanych procedur do osiągnięcia wysoce czystych i wysokojakościowych proszków. -OBRÓBKA CIEPLNA: wysokie zużycie energii. -NATRYSKIWANIE: niewielka przyczepność do podłoża i duża porowatość powłoki. -NAPAWANIE: negatywny wpływ przegrzania na podłoże. -PLD: wysoki koszt oprzyrządowania oraz nagrzewanie podłoża. SWOT technologie: Słabe strony nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 -: bardzo duży potencjał rozwojowy, coraz tańsze urządzenia do nakładania powłok, niska szkodliwość dla środowiska, duże rozpowszechnienie. -CVD: duży potencjał rozwojowy, obniżenie temperatury pozwoli na dużo szersze zastosowania (hybrydowe metody), duże rozpowszechnienie. -METALURGIA PROSZKÓW: wykonywanie obiektów niemożliwych do wykonania innymi technologiami, możliwość wykonania spieków z zadowalającymi własnościami, długotrwała żywotność obiektów. -OBRÓBKA CIEPLNA: mocna pozycja na rynku, niedrogie procesy i duże rozpowszechnienie. -NATRYSKIWANIE: zastosowanie dla szerokiej gamy materiałów, możliwość automatyzacji procesu. -NAPAWANIE: możliwość automatyzacji procesu, wysokowydajne procesy. -PLD: bardzo cienkie warstwy przewodzące i nieprzewodzące, hybrydowe metody zwiększające wszechstronność i konkurencyjność. SWOT technologie: Szanse

16 nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 -: duża konkurencyjność alternatywnych metod, wymaganie wykwalifikowanego personelu obsługi urządzeń. -CVD: szkodliwy wpływ na środowisko odpadów toksycznych. -METALURGIA PROSZKÓW: nieekonomiczna dla produkcji małoseryjnej i jednostkowej, niektóre nowoczesne nanoproszki groźne dla zdrowia ludzkiego. -OBRÓBKA CIEPLNA: szkodliwy wpływ niektórych procesów na zdrowie człowieka i środowisko naturalne, kosztowne oprzyrządowanie. -NATRYSKIWANIE: duża konkurencyjność alternatywnych technologii. -NAPAWANIE: ograniczenie do pokrywania materiałów metalowych. -PLD: brak ścisłej współpracy pomiędzy ośrodkami badawczymi a przemysłem, duże nakłady finansowe niezbędne do wprowadzenia technologii do przemysłu. SWOT technologie: Zagrożenia nd Workshop on Foresight of surface properties formation leading technologies of engineering materials and biomaterials, Białka Tatrzańska, Poland 9th-0th November 009 PODSUMOWANIE Węgliki spiekane: Technologie materiałowe osiągnęły dojrzałość. Możliwy dalsze udoskonalanie technik zabezpieczenia materiału (krawędzi) oraz w pewnym zakresie rozszerzanie palety zastosowań. Cermetale: Nowe rozwiązania w zakresie połączenia znakomitego oporu odkształcenia i odporności na zużycie chemiczne z wytrzymałością umożliwiające rozwój zastosowań tych materiałów dla obróbki kształtującej i wykańczającej. Ceramika: Innowacyjne rozwiązania w zakresie ceramiki krzemowo-azotkowej rozszerzyły wachlarz zastosowań poza obróbkę skrawaniem stopów niklu i żeliw. Zastosowanie powłok CVD pozwoliło rozszerzyć zakres zastosowań również o ciągliwe stopy żelaza. Dodatek wiskerów SiC pozwala na znaczny wzrost produktywności (w szczególności w przemyśle lotniczym) w zakresie obróbki stopów Inconel i innych stopów żarowytrzymałych. Rozwój w zakresie powłok CBN, które oferują lub w najbliższych latach będą oferowały porównywalny wzrost produktywności obróbki stopów żelaza do obserwowanego wzrostu produktywności materiałów nieżelaznych w przypadku komercyjnie stosowanych powłok diamentowych. Twarde powłoki: Zmiana struktury rynku dominujące dotychczas technologie CVD zmniejszają udział w rynku na rzecz bardzo dynamicznie rozwijających się rozwiązań w obszarze. nowe rozwiązania w zakresie materiałów powłoki w tym nowe struktury na bazie (Ti,Al)N, TiB oraz zastosowanie miękkich powłok smarujących (np. MoS, WC/C) na twarde pokrycia głównie do zastosowań w wierceniu i wierceniu na sucho. Możliwy rozwój technik CVD poprzez nowopowstałe odmiany. Rozwój w zakresie powłok w połączeniu z rozwojem poszczególnych materiałów podłoża oraz zastosowaniem hybrydowych technologii dedykowanych pozwoli na osiągniecie efektu synergii w badanym obszarze.