NOWA GENERACJA SPOIW METALOWYCH DO ENERGOOSZCZĘDNYCH NARZĘDZI ŚCIERNYCH SUPERTWARDYCH

Transkrypt

1 NOWA GENERACJA SPOIW METALOWYCH DO ENERGOOSZCZĘDNYCH NARZĘDZI ŚCIERNYCH SUPERTWARDYCH Elżbieta BĄCZEK 1, Barbara STANIEWICZ BRUDNIK 2, Włodzimierz WILK 3 Streszczenie: W artykule przedstawiono badania nowej generacji energooszczędnych ściernic diamentowych i CBN ze modyfikowanymi spoiwami metalowymi, żywicznymi i ceramicznymi o zwiększonej porowatości i lepszych właściwościach skrawnych. Przedstawiono uzyskane wyniki wydajności i rezultaty pomiarów topografii powierzchni próbek, po szlifowaniu ściernicami ze spoiwem modyfikowanym i niemodyfikowanym. Słowa kluczowe: ściernice diamentowe i CBN, modyfikowane spoiwa metalowe, żywiczne i ceramiczne, szlifowanie, obróbka ścierna Summary: In the paper the research tests results of the new energy-sparing generation diamond and CBN grinding wheels with modified metal, resinous and vitrified bonds of increased porosity and better grindability. The results of material removal rate and results of the samples surface topography measurements after grinding with the grinding wheels with modified and non-modified bonds, were presented. Key words: diamond and CBN grinding wheels, metal and resinous and vitrified bonds, grinding, abrasive machining 1. WPROWADZENIE Dynamiczny postęp techniki i ciągle rosnące wymagania przemysłu, wymuszają stosowanie materiałów konstrukcyjnych o coraz lepszych właściwościach użytkowych, a tym samym uzasadniają konieczność podjęcia prac badawczych w zakresie zaawansowanych narzędzi ściernych z regularnego azotku boru lub diamentu. Umożliwiają one zwiększenie efektywności tychże materiałów a znajomość warunków obróbki (wydajności, prędkości obwodowych narzędzia, wydajności systemu chłodzenia, rodzaju cieczy chłodzącej) oraz właściwości obrabianego materiału (twardości, gęstości, własności ściernych), pozwala na właściwe zaprojektowanie kształtu narzędzia, struktury oraz składu środków wiążących [1-2]. Zadaniem ściernic z nowymi spoiwami metalowymi jest przyspieszenie procesu i wydłużenie okresu trwałości narzędzia oraz skrócenie czasu uzyskania odpowiedniej topografii obrabianej powierzchni. 1 Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, ul. Wrocławska 37A, elzbieta.baczek@ios.krakow.pl 2 Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, ul. Wrocławska 37A, bbrudnik@ios.krakow.pl 3 Instytut Zaawansowanych Technologii Wytwarzania, Kraków, ul. Wrocławska 37A, wlodzimierz.wilk@ios.krakow.pl

2 Celem badań procesu wewnętrznych powierzchni walcowych stali H23N18 i czołowego stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 oraz stali stopowej 16Mo3 napawanej Inconelem 625 ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym niemodyfikowanym i modyfikowanym (domieszka typu D proszek Ti), żywicznym niemodyfikowanym i modyfikowanym (domieszki typu D i A korund pęcherzykowy Al 2 O 3 ) oraz ceramicznym niemodyfikowanym i modyfikowanym (domieszka typu B - dwusiarczek molibdenu MoS 2.), było sprawdzenie wpływu domieszek modyfikujących na efektywność obróbki, trwałość ściernicy i uzyskanie powierzchni o jak najmniejszej chropowatości. 2. METODYKA BADAŃ Do przeprowadzenia prób wybranych materiałów wykonano ściernice(tabl. 1), z ziarnami regularnego azotku boru firmy LANDS oraz firmy Element Sixze spoiwem metalowym niemodyfikowanym i modyfikowanym, żywicznym zawierającym domieszki typu A i D jak również ze spoiwem ceramicznym niemodyfikowanym i modyfikowanym domieszką typu B. Tabela 1. Ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem metalowym, żywicznym i ceramicznym Nr ściernicy Oznaczenie icharakterystyka Rodzaj spoiwa ściernicy Ściernice do czołowego B9 Ø100x5x2x20 B126 V360 M2 metalowe modyfikowane D B9 Ø100x5x2x20 B126 V360 M1 metalowe niemodyfikowane A2 Ø100x6x2x32 B126 C100 B1 żywiczneniemodyfikowane A2 Ø100x6x2x32 B126 C100 żywicznemodyfikowane D Ściernice do otworów A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 M2 metalowe modyfikowane D A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 M1 metalowe niemodyfikowane A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 M3 metalowe niemodyfikowane A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 B żywiczne niemodyfikowane A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 B żywiczne modyfikowane A A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 B żywiczne modyfikowane, mała zaw. D A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 B żywiczne modyfikowane, średnia zaw. D A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 B żywiczne modyfikowane, duża zaw. D A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 V ceramiczne niemodyfikowane A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 V ceramiczne modyfikowane, mała zaw. B A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 V ceramiczne modyfikowane, średnia zaw. B A1 Ø35x5x6x10 B126 C100 V ceramiczne modyfikowane, duża zaw. B Zostały wzięte pod uwagę cechy ściernicy, takie jak: wymiary warstwy ściernej, wielkość ziarna, koncentracja ziarna, rodzaj spoiwa, twardość ściernicy, prędkość obwodowa ściernicy, rodzaj cieczy obróbkowej. Rodzaje i gatunki ziarna CBN

3 zostały dobrane do rodzaju szlifowanego materiału na podstawie posiadanej wiedzy oraz dotychczasowego doświadczenia zespołu wykonawców. Próby prowadzono ze stałą prędkością posuwu i stałą prędkością v s = 20 m/s przy wartościach dosuwu a e = 0,0025 i 0,005 mm/ podw. skok stołu. Mierzono: pobieraną moc N [kw], masę zeszlifowanegomateriału m [g], ubytek liniowy próbki L [mm], średnicę ściernicy D [mm], czas t m [min]. Obliczono: objętość zeszlifowanego materiału V w [mm 3 ], zużycie objętościowe ściernicy V s [mm 3 ], zużycie promieniowe ściernicy r s [mm], zużycie ściernicy Q s [mm 3 /s], wskaźnik G [mm 3 /mm 3 ], wydajność ubytkową Q w [mm 3 /s], właściwą wydajność ubytkową Q w [mm3/mm*s]. Pomiary masy próbek prowadzono każdorazowo przed i po obróbce, przy użyciu wagi laboratoryjnej z dokładnością pomiaru 0,001 g. Pomiary średnicy ściernicy oraz liniowego ubytku materiału przed i po szlifowaniu każdej próbki wykonano przy użyciu suwmiarki elektronicznej z dokładnością pomiaru 0,01 mm. Jakość obrobionych powierzchni oceniano poprzez pomiary topografii powierzchni przy pomocy profilometru Hommel Tester T1000 wyznaczając parametr Ra. Stan czynnej powierzchni ściernic (CPŚ), po każdej próbie, sprawdzano na bieżąco pod mikroskopem optycznym. 3. PRZEBIEG BADAŃ Szlifowanie czołowe ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym niemodyfikowanym i modyfikowanym, żywicznym modyfikowanym i niemodyfikowanym prowadzono na uniwersalnej szlifierce narzędziowej 3E642 wyposażonej w bezstopniową regulację prędkości obrotowej ściernicy i w układ chłodzenia (rys. 1). a b Rys.1. Przykład czołowego próbki prostopadłościennej ze stali do ulepszania cieplnego na uniwersalnej szlifierce narzędziowej 3E642 do badań z chłodzeniem Szlifowanie prowadzono z chłodzeniem 2% roztworem koncentratu chłodziwa Synkon PGA w wodzie wodociągowej. Do badań użyto ściernic typu 6A2 (rys. 2),

4 a jako materiał badany próbki ze stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 oraz wyciętą z rury kotłowej ze stali 16Mo3 napawanej INCONELEM 625, przygotowaną przez firmę SEFAKO S.A. Obszar wycięcia próbki przedstawiono na rys. 3. Wycięta próbka była prostopadłościanem o wymiarach 10,8x20,4x66,6 mm. a b Rys.2. Ściernice z regularnego azotku boru do czołowego materiałów narzędziowych ze spoiwem: metalowym (a) i żywicznym (b) Rys. 3. Miejsce wycięcia próbki ze stali 16Mo3 napawanej INCONELEM 625, przeznaczonej do czołowego ściernicami z CBN typu 6A2 Przykład czołowego próbki prostopadłościennej ze stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 ściernicą 12 B9 Ø100x5x2x20 B126 V360 M2 o spoiwie metalowym modyfikowanym pokazano na rys. 1.Badania procesu wewnętrznych powierzchni walcowych prowadzono na szlifierce do otworów SOJ 10 przy zastosowaniu chłodzenia olejem przez polewanie. Ściernice z regularnego azotku boru zarówno ze spoiwem metalowym jak i żywicznym wykonano zgodnie z opracowaną wcześniej w IZTW technologią prasowania na gorąco. Ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym wykonano w oparciu o wcześniej opracowaną technologię prasowania na zimno i spiekania swobodnego w atmosferze powietrza w piecu elektrycznym. Modyfikacja spoiw polegała na wprowadzeniu do masy ściernej na etapie mieszania domieszek w postaci proszków ( D, B, A ). Domieszki zostały wprowadzone w celu zwiększenia porowatości spoiwa. Typ zastosowanych ściernic (6A9) wynikał z konieczności dostosowania narzędzia do szlifierki (szlifierka do otworów SOJ 10). Łącznie wykonano 12 ściernic (3 ściernice metalowe rys. 4a, 5 ściernic żywicznych rys. 4b i 4 ściernice ceramiczne rys. 4c). Do badań przeznaczono 6. próbekpierścieni ze stali H23N18 przeznaczonej do pracy w podwyższonych temperaturach o średnicy zewnętrznej 106,2 mm, średnicy

5 wewnętrznej 96,6 mm i wysokości 36,3 mm. Szlifowanie prowadzono przy prędkości obwodowej ściernicy v s = 20 m/s rys. 5. a b c Rys.4. Ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem: metalowym (a), żywicznym, (b) i ceramicznym (c) Rys.5. Próbki materiałów do badań ze stali H23N18 4. WYNIKI I DYSKUSJA Wyniki prób próbek: ze stali do ulepszania cieplnego 41Cr4, stali stopowej 16Mo3 napawanej Inconelem 625ściernicami 6A2 z regularnego azotku boru ze spoiwem metalowym niemodyfikowanym i modyfikowanym, żywicznym niemodyfikowanym i modyfikowanym przedstawiono w tablicy 2 3 oraz na wykresach (rys. 6 11). Rys.6. Wykres wydajności ubytkowej Qw stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym i żywicznym

6 Tabela 2. Wyniki badań próbki ze stali do pracy na zimno 145Cr6 po szlifowaniu ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym i żywicznym, z użyciem chłodziwa Synkon PGA (v s = 20 m/s) Nr ściernicy liniowy próbki wagowy próbki warstwy ściernej Wydajność ubytkowa Właściwa wydajność ubytkowa Qw', mm 3 /mm s Wskaźnik Chropowatość powierzchni, wartość średnia dla danej próby L, m, g X, mm Qw, mm 3 G, /s mm mm 3 / mm 3 Ra śr W 0,66 1,13 0,00 0,26 0,13 0, ,59 1,18 0,01 0,47 0, , ,61 1,15 0,00 0,96 0, , ,56 1,12 0,01 1,28 0, , ,65 1,20 0,00 0,26 0,13 0, ,60 1,20 0,00 0,48 0,24 0, ,60 0,98 0,00 0,96 0,48 0, ,63 1,22 0,00 1,44 0,72 0, ,33 0,57 0,00 0,13 0,07 0, ,29 0,55 0,00 0,50 0,25 0, ,29 0,55 0,00 1,46 0,73 0, ,29 0,55 0,00 2,75 1,38 0, ,29 0,55 0,00 0,12 0,06 0, ,30 0,58 0,00 0,47 0,24 0, ,29 0,57 0,00 1,41 0,71 0, ,30 0,56 0,00 2,71 1,35 0, Moc Rys.7. Wykres chropowatości powierzchni próbki ze stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 w zależności od rodzaju ściernicy Rys.8.Wykres zależności mocy od rodzaju ściernicy, przy zastosowaniu prędkości obwodowej ściernicy v s = 20 m/s i chłodziwa Synkon PGA, dla próbki ze stali do ulepszania cieplnego 41Cr4-51 -

7 Tabela 3. Wyniki badań próbki ze stali stopowej 16Mo3 napawanej INCONELEM 625 po szlifowaniu ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym i żywicznym, z użyciem chłodziwa Synkon PGA (v s = 20 m/s) Właściwa Chropowatość Wydajność wydajność Wskaźnik powierzchni, Nr liniowy wagowy warstwy ubytkowa ubytkowa wartość średnia ściernicy próbki próbki ściernej dla danej próby Moc L, m, g X, mm Qw, mm 3 Qw', G, /s mm mm 3 /mm s mm 3 /mm 3 Ra śr W ,31 0,535 0,000 0,09 0, , ,28 0,504 0,005 0,08 0, , ,3 0, ,22 0, , ,36 0,52 0 0,11 0,06 0, ,28 0,5 0 0,43 0,22 0, ,3 0,5 0 1,30 0,65 0, ,3 0,51 0 2,49 1,24 0, ,31 0,53 0 0,09 0,05 0, ,31 0,52 0,01 0,42 0,21 33,48 0, ,29 0,51 0 1,26 0,63 0, ,3 0,52 0 2,43 1,21 0, Rys.9. Wykres wydajności ubytkowej Qw stali stopowej 16Mo3 napawanej INCONELEM 625 ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym modyfikowanym i niemodyfikowanym, żywicznym modyfikowanym i niemodyfikowanym Rys.10. Wykres chropowatości powierzchni próbki ze stali stopowej 16Mo3 napawanej INCONELEM 625 w zależności od rodzaju ściernicy

8 Rys. 11.Wykres zależności mocy od rodzaju ściernicy dla próbki ze stali stopowej 16Mo3 napawanej INCONELEM 625 Tabela 4. Wyniki badań próbek po szlifowaniu obwodowym ściernicami z CBN ze spoiwem metalowym, żywicznym i ceramicznym, z użyciem chłodziwa Synkon PGA (v s = 20 m/s) Nr ściernicy liniowy próbki wagowy próbki warstwy ściernej Wydajność ubytkowa L, mm m, g X, mm Qw, mm 3 /s 0,25 11,00 0,00 0,25 11,00 0,01 0,24 11,00 0,000 0,26 11,40 0,00 0,24 10,60 0,01 0,24 11,20 0,010 0,28 11,80 0,00 0,24 11,00 0,00 0,28 12,40 0,000 0,15 7,20 0,01 0,16 6,40 0,00 0,19 7,60 0,005 0,21 9,20 0,03 0,20 8,80 0,02 0,18 7,80 0,010 0,20 8,00 0,01 0,22 9,60 0,00 0,20 8,60 0,010 0,22 9,00 0,01 0,21 9,40 0,02 0,24 9,60 0,000 0,14 4,60 0,09 0,13 5,40 0,08 0,14 5,80 0,110 0,19 6,80 0,06 0,16 7,40 0,06 0,17 6,60 0,100 0,11 4,8 0,15 0,11 4,4 0,13 0,1 4,4 0,16 Właściwa wydajność ubytkowa Qw', mm 3 /mm s Wskaźnik Chropowatość powierzchni, wartość średnia dla danej próby G, mm 3 /mm 3 Ra, µm. 6,94 138, ,80 1,13 6,91 138,12 1,34 7,50 149,99 1,08 4,65 92, ,06 1,20 5,49 109,88 571,81 1,54 5,77 115, ,89 1,37 6,23 124, ,82 1,36 3,81 76,16 99,40 1,54 4,83 96,64 160,39 1,60 2,97 59,46 49,50 1,

9 Wyniki prób powierzchni wewnętrznych tulei ze stali przeznaczonej do pracy w podwyższonej temperaturze H23N18 ściernicami 6A9 z regularnego azotku boru ze spoiwem metalowym niemodyfikowanym i modyfikowanym, żywicznym niemodyfikowanym i modyfikowanym, ceramicznym modyfikowanym i niemodyfikowanym przedstawiono w tablicy 4 oraz na wykresach (rys ). Rys. 12. Wykres właściwej wydajności ubytkowej Qw` stali H23N18 ściernicami z CBN ze spoiwemmetalowy, żywicznym i ceramicznym Rys. 13. Wpływ rodzaju ściernicy na wskaźnik (G) stali H23N18 Rys. 14. Wykres chropowatości powierzchni próbki ze stali H23N18 w zależności od rodzaju ściernicy

10 5. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych prób wewnętrznych powierzchni walcowych pierścieni ze stali H23N18 oraz czołowego stali do ulepszania cieplnego 41Cr4 oraz stali stopowej 16Mo3 napawanej Inconelem 625 można stwierdzić, że: najkorzystniejsze wyniki wydajności ubytkowej Qw walcowych powierzchni wewnętrznych, przy prędkości obwodowej ściernicy v s = 20m/s uzyskały ściernice z CBN ze spoiwem metalowym M3 jak również ściernice metalowe modyfikowane domieszką D ; w przypadku czołowego najkorzystniejsze wyniki wydajności ubytkowych uzyskano dla ściernic żywicznych niemodyfikowanych; w obu przypadkach ( wewnętrznych powierzchni walcowych jak i czołowego) korzystniejszą chropowatość powierzchni uzyskano dla próbek po szlifowaniu ściernicami metalowymi w odniesieniu do ściernicami żywicznymi i ceramicznymi; najniższe parametry wydajnościowe uzyskano dla ściernic ceramicznych. LITERATURA [1] ŻAK SZWED M.: Kształtowanie mikrostruktury i właściwości spieków żelazo miedź przeznaczonych na osnowę materiałów metaliczno diamentowych, praca doktorska. Promotor: prof. dr hab. inż. Janusz Konstanty, Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków, [2] STANIEWICZ BRUDNIK B.: Ściernice z regularnego azotku boru ze spoiwem ceramicznym nowe możliwości w obróbce ściernej. Agenda Wydawnicza SIMP.Warszawa, 2010.Mechanik, nr 8 9/2010, s [3] SHENG FANG H., HSIEN LUNG T., SHUN TIAN L.: Effects of brazing route and brazing alloy on the interfacial structure between diamond and bonding matrix, Materials Chemistry and Physics 84 (2004), s [4] BUHL S., LEINENBACH CH., SPOLENAK R., WEGENER K.: Microstructure, residual stresses and shear strength of diamond-steel-joints brazed with Cu Sn based active filler alloy, International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, s