POWŁOKI (TiAl)N NA FREZACH PALCOWYCH Z WĘGLIKA SPIEKANEGO. Al. Jana Pawła II 37, Kraków, Poland

Transkrypt

1 88/21 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 21(2/2) ARCHIVES OF FOUNDARY Year 2006, Volume 6, Nº 21 (2/2) PAN Katowice PL ISSN POWŁOKI (TiAl)N NA FREZACH PALCOWYCH Z WĘGLIKA SPIEKANEGO A. RUTKOWSKA 1, M. DĄBROWSKI 2 1 Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Krakowska 2 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Politechnika Krakowska Al. Jana Pawła II 37, Kraków, Poland STRESZCZENIE W pracy badano właściwości powłok (TiAl)N naniesionych na lite frezy palcowe z węglika spiekanego. Prace obejmowały badania laboratoryjne i przemysłowe. Oceniano grubość i twardość powłoki. Mierzono siłę tarcia, która pozwoliła na określenie współczynnika tarcia. Dodatkowo prowadząc badania przemysłowe tak przygotowanych frezów sporządzono diagramy zużycia poszczególnych ostrzy frezów i wstępnie oceniono okres trwałości niektórych ostrzy Key words: sintered carbides, hardness, coefificient of friction, (TiAl)N coating, fretting 1. WPROWADZENIE Nowoczesne, wysokowydajne narzędzia umożliwiające skrawanie z dużymi prędkościami mają znaczący wpływ na rozwój obróbki skrawaniem. Wzrost trwałości narzędzi skrawających w dużym stopniu uzależniony jest od odporności na zużycie ścierne materiału, z którego są wykonane. Dla określonego materiału narzędziowego, którym może być stal szybkotnąca, węglik spiekany, ceramika narzędziowa i w mniejszym stopniu materiał super twardy ( azotek boru, diament syntetyczny) [1], poprawa odporności na zużycie ścierne uzależniona jest z kolei od rozwoju obróbki cieplnej, obróbki cieplno chemicznej i technik cienkich powłok antyściernych. Pokrywanie powierzchni narzędzia cienkimi, odpornymi na zużycie ścierne powłokami, 1 dr inż., rutkowsk@mech.pk.edu.pl 2 dr inż., dabrowski@mech.pk.edu.pl

2 jest powszechnie stosowanym sposobem przedłużania ich trwałości [1,2,3]. Szeroki wybór dostępnych obecnie rodzajów powłok oraz technologii ich nakładania jest efektem wzrastającego w ostatnich latach zapotrzebowania na nowoczesne metody modyfikacji powierzchni. Dobrze nałożone powłoki odporne na zużycie ścierne winny zapewniać: istnienie w powłoce naprężeń tylko ściskających oraz sił adhezji powłoki do podłoża na tyle dużych, aby mogły kompensować powstałe w warstwie powierzchniowej naprężenia. Powłoki winny zabezpieczać narzędzie przed sczepianiem się z trącym o nią materiałem. Proces osadzania powłok nie powinien wywoływać zmian właściwości materiału rdzenia. Ponadto powłoki te powinny skupiać w sobie jednocześnie bardzo dobre właściwości eksploatacyjne, wysoką odporność trybologiczną i korozyjną z zachowaniem odpowiednich właściwości dekoracyjnych. Wybór powłoki (TiAl)N podyktowany był jej cechami użytkowymi, do których zaliczyć należy między innymi niski współczynnik tarcia µ powłoki o stal prowadzący do wydzielania mniejszej ilości ciepła w strefie kontaktu narzędzia z materiałem a tym samym obniżenia temperatury materiału ostrza. Powłoka w tym przypadku pełni rolę bariery cieplnej poprawiając warunki pracy narzędzia i tym samym wzrasta jego trwałość ( średnio 3 5 razy w porównaniu z narzędziami bez powłoki (TiAl)N )[4]. Cienkie twarde powłoki (TiAl)N chronią narzędzie nie tylko przed przegrzaniem i utlenieniem, lecz zmniejszają również tendencję do sczepiania się materiału skrawanego z ostrzem narzędzia ( powstawaniem narostów). Pozwalają ponadto na wzrost szybkość skrawania. Ochronne działanie twardej powłoki zaznacza się również po jej częściowym przetarciu; powierzchnie natarcia i przyłożenia chronione są przez fragmenty nie startej do końca powłoki [5]. Obserwuje się w ostatnim czasie tendencje do prowadzenia procesów skrawania na sucho, bez udziału emulsji chłodząco smarujących [5]. Wynika to z problemów związanych z utylizacją zużytych emulsji oraz skutkami, jakie może wywoływać kontakt z tymi cieczami (alergie skóry i dróg oddechowych, nowotwory ). Rezygnacja ze środków chłodząco smarujących jest możliwa dzięki zastosowaniu jako materiał narzędziowy: węglików spiekanych, cermetali, ceramiki narzędziowej, azotku boru oraz diamentu. W praktyce do tzw. skrawania na sucho stosuje się przede wszystkim narzędzia z powłokami. Frezowanie na sucho frezami z węglików spiekanych z odpowiednio dobraną powłoką, umożliwia już obecnie np. przy obróbce stali, staliwa i stopów tytanu uzyskiwanie takiej samej, a w niektórych przypadkach nawet większej trwałości ostrza niż przy skrawaniu na mokro [5]. Przeprowadzone przez nas badania miały na celu określenie właściwości powłoki (TiAl)N naniesionej na frezy wykonane z węglika M20 oraz jej odporności na zużycie ścierne. 2. WARUNKI BADAŃ Badano wpływ powłoki aluminioazototytanowej (TiAl)N naniesionej na lite frezy palcowe wykonane z węglika spiekanego M20, na jej odporność na zużycie. Azototytanowaniu poddano czteroostrzowe frezy trzpieniowych proste o średnicy 256

3 6 mm, dostarczone przez Zakład Narzędziowy ZELNER Spółka z oo. z Rzeszowa i AFM z Andrychowa oraz próbki kontrolne wykonane z węglika M20. Proces aluminioazototytanowania frezów oraz próbek kontrolnych wykonano na urządzeniu PUSK 83 metodą łukową PVD ARC przy różnych parametrach czasowo temperaturowych tabela 1. Następnie oceniano grubość i twardość powłoki oraz mierzono siłę tarcia, która pozwoliła na określenie współczynnika tarcia. Badania odporności na zużycie ścierne wykonano w warunkach przemysłowych w Zakładzie Narzędziowym ZELNER Spółka z oo. w Rzeszowie i AFM w Andrychowie. Tabela 1. Parametry aluminoazototytanowania Table 1. The parametes of (TiAl)N coating process Frez / Oczyszczanie I OczyszczanieII Parametry aluminioazototytanowania próbka Temp. wsadu T 1 min Temp. wsadu T 2 min T p min I z A I ł A ciśnienie Pa C C , , WYNIKI BADAŃ Badania laboratoryjne wykonywano na próbkach kontrolnych (świadkach) oznaczonych identycznie jak frezy. Twardość mierzono przy obciążeniu 0,196 N z zastosowaniem mikrotwardościomierza Hanemanna. Średnie z pięciu pomiarów wartości twardości, zestawiono w tabeli 2. Przy zastosowanych parametrach aluminioazototytanowania otrzymano powłoki o zabarwieniu ciemno szarym. Grubość powłoki TiN mierzono przy użyciu kulotestu [6]. Pomiar ten polegał na ścieraniu powłoki przez obracającą się stalową kulę pokrytą pastą diamentową i następnym pomiarze średnic wytarcia, na podstawie których wyliczano grubość powłoki. Średnie z trzech wyników pomiarów grubości powłoki zamieszczono w tabeli 2, Próby ścierania przeprowadzono na urządzeniu testowym T-05 [6]. Urządzenie testowe T-05 służy do oceny odporności na zużycie podczas tarcia, metali i tworzyw sztucznych. Przystosowane jest ono również do badania odporności na zacieranie nanoszonych powłok na wysoko obciążone elementy. Urządzenie to i jego wyposażenie pozwalają na modelowanie w szerokim zakresie warunków pracy ślizgowych węzłów tarcia. Badania na testerze T-05 pozwalają na śledzenie zmian wielkości starcia powłok, siły tarcia i nacisku w wyniku czego wylicza się współczynnik tarcia µ. Urządzenie to działa na zasadzie współpracy prostopadłościennej płaskiej próbki (materiał badany) z cylindryczną pierścieniową przeciwpróbką o średnicy φ 35 mm wykonaną ze stali łożyskowej o twardości HRC. Badania mające na celu określenie współczynnika tarcia przeprowadzono stosując: obroty 4,5 obr/s, czas ścierania 150 s, siłę obciążającą próbkę -150 N. Pole starcia mierzono co 30 sekund. 257

4 Wyliczone na podstawie przeprowadzonych prób ścierania współczynniki tarcia zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Wyniki pomiaru twardości, grubości powłok i współczynników tarcia Table 2. The measurement results list of the hardness, thickness and friction factors of the deposited layers Oznaczenie Twardość HV0,02 Grubość powłoki, µm Współczynnik tarcia µ próbki ,8 0, ,2 0, ,0 0,093 Węglik M WYNIKI BADAŃ PRZEMYSŁOWYCH Badaniom przemysłowym poddano frezy z naniesioną powłoką (TiAl)N oznaczone symbolem 1 i 2 ( patrz tabela.1 ). W Andrychowskiej Fabryce Maszyn AFM badania wykonano na obrabiarce Bridgeport VMC 500 wyposażonej w układ sterowania numerycznego firmy Heidenhain TNC 370. Testowanymi frezami wykonywano obróbkę wykańczającą rowków wpustowych o szerokości 6mm w stali gat. 55 z chłodzeniem Ecocolem, stosując następujące parametry: obroty: 2600 obr/min, posuw: 0,3 m/min, głębokość skrawania: 0,1 mm. Założono, że każdy frez w czasie prób wykona pracę na drodze pięciu metrów. Długość ta wynika z doświadczeń obu zakładów, w których przyjmuje się iż po przejściu takiej drogi skrawania frezy o średnicach 5 6 mm wymagają ostrzenia. Po każdym jednym metrze skrawania oceniano głębokość zużycie powłoki (TiAl)N na wszystkich ostrzach. Zużycie powłoki mierzono na powierzchni natarcia wzdłuż walcowej i czołowej krawędzi skrawającej i na tej podstawie oceniano średnie starcie oznaczone symbolem VB. Wyniki pomiarów zużycia ostrzy obu frezów przedstawiono na rys. 1. Średni okres trwałości frezów badanych w AFM wyniósł 16,0 minut i był zbliżony do okresu trwałości handlowych frezów z powłokami ochronnymi stosowanych w zakładzie, który wynosił 16,6 minuty. W Zakładzie Narzędziowym ZELNER badane frezy pracowały w czasie dwóch miesięcy w różnych warunkach skrawania. Obserwacje wykazały, że ich zużycie nie odbiegało od zużycia odpowiadających im frezów firmy Coromant producenta narzędzi do obróbki skrawaniem. 258

5 0,140 0,120 Frez 1 VB [mm] 0,100 0,080 0,060 0,040 0,020 ostrze 1 ostrze 2 ostrze 3 ostrze 4 0, Droga skrawania [m] 0,300 0,250 Frez 2 0,200 VB [mm] 0,150 0,100 0,050 0, Droga skrawania [m] Rys. 1. Średnie zużycie VB ostrzy frezów. Fig. 1. The mean wear on the end mills tool flanks. 5. PODSUMOWANIE W podsumowaniu przeprowadzonych badań można wysnuć następujące wnioski: 1. Otrzymane w procesie aluminioazototytanowania powłoki miały zabarwienie ciemno popielate (zgodne z zaleceniami w literaturze). 2. Grubość powłok (TiAl)N uzyskanych przy zastosowanych przez nas parametrach czasowo temperaturowych ( tabela 1 ) wahała się od 2,8 do 3,2 µm i była porównywalna z grubością powszechniej dotychczas stosowanych powłok TiN. 3. Twardość powłok (TiAl)N naniesiona na węglik M20 wynosiła średnio ok. 2620HV0,

6 4. Wyznaczony przy użyciu testera T-05 średni współczynnik tarcia powłoki (TiAl)N wyniósł µ = 0, 092 i był mniejszy od współczynnika tarcia węglika M20 (µ = 0.112). Prowadzi to do zmniejszenia ilości ciepła wydzielanego w strefie kontaktu narzędzia z materiałem skrawanym i obniżenia temperatury ostrza pracującego narzędzia. 5. Badania eksploatacyjne frezów przeprowadzone w warunkach przemysłowych w AFM w Andrychowie i w Zakładzie Narzędziowym ZELMER w Rzeszowie potwierdziły ich średnią trwałość na poziomie trwałości frezów handlowych firmy Coromant. LITERATURA [1] B. Meldner, J. Darlewski: Nowe materiały. Narzędzia skrawające w zautomatyzowanej produkcji. WNT Warszawa, 1991r. [2] S. Legutko, K. Wieczorkowski: Technika cienkich warstw w zastosowaniu do narzędzi skrawających. Mechanik, 1993 Nr 8-9, s [3] T. Burakowski, T. Wierzchoń: Inżynieria powierzchni metali. WNT Warszawa, 1995 r. [4] M. Wysiecki: Nowoczesne materiały narzędziowe stosowane w obróbce skrawaniem. WNT Warszawa, 1997 r. [5] E. Lugscheider, O. Knotek, C. Barimani,H. Zimmerman: Arc PVD coated gutting tools for modern machining applications. Surface & Coatings Technology, 1997, Nr 94 95, s [6] A. Rutkowska, M. Dąbrowski: Badanie powłok hybrydowych N + TiN wytworzonych na stalach narzędziowych. Inżynieria Materiałowa Nr 5 / 1999, s THE TITANIUM ALUMINIUM NITRIDE (TiAl)N LAYERS DEPOSITED ON THE SINTERED CARBIDES AND MILLS SUMMARY The researches of (TiAl)N coatings properties on monolithic end mills of sintered carbides are described in this paper. The laboratory and the industrial researches were done on these mills. The thickness and the hardness of (TiAl)N coatings were evaluated. The friction forces were measured and the friction factors were found. The diagrams of wear of coated wedges of end mills were made industrial researches the tool life were preliminary evaluated. Recenzował: prof. Stanisław Pietrowski. 260