Transfer inovácií 17/2011 2011

Transfer inovácií 20/2011
2011
PRODUKTIVNÍ OBRÁBĚNÍ OCELI P91
Ing. Jan Řehoř, Ph.D.
Ing. Tomáš Nikl
ZČU v Plzni
Fakulta strojní, Katedra technologie obrábění
ZČU v Plzni, Univerzitní 22, Plzeň
e-mail: [email protected]
Abstract
The scope of this article is to test the
suitability of two types of tip (SK and cermets) for
finish machining of the material P91. This steel is
ferritic-martensitic and is used as castings for steam
turbine components. Due to the chemical
composition of steel is necessary to deploy these
cutting conditions, which we are able to achieve the
required accuracy and surface roughness, compared
to conventional cutting conditions chosen for the
more common types of steel. Difficulty working
with this material is caused not only by amount of
content of chromium, but also the structural
combination of soft ferrite and hard martensite.
Unfortunately, not much literature that would
address this issue, so I wanted this article to
introduce the technical community. Currently, these
ferrite materials are using for nuclear power
generation III. Intensive research and development
around the world develop a new type of nuclear
power plants and power generation IV (Gen IV).
Gen IV reactors have high demands on
sustainability, economy, security and reliability.
Despite these high standards is expected that the
use of ferritic chromium steels P91 and modified
type, components for nuclear power plants in the
future is more promising than austenitic steels.
Key words: finishing P91 steel milling, cutting
conditions, cemented carbides, cermets, the turbine
body
1. ÚVOD
Náplní tohoto článku je otestování
vhodnosti dvou typů VBD (SK a Cermetů) pro
dokončovací obrábění materiálu P91. Tato ocel je
feriticko-martenzitická a používá se jako odlitky
pro komponenty parních turbín. Vzhledem
k chemickému složení této oceli je nutné nasadit
takové řezné podmínky, kterými jsme schopni
docílit požadované přesnosti a drsnosti povrchu,
oproti běžným řezným podmínkám volených pro
běžnější typy ocelí. Obtížnost obrábění u tohoto
materiálu je způsobena nejen obsahovým
množstvím chromu, ale také strukturální kombinací
měkkého feritu a tvrdého martenzitu.
Bohužel není mnoho literatury, která by
se zabývala touto problematikou, a proto bych chtěl
tímto článkem seznámit technickou veřejnost.
V současné době jsou tyto feritické
materiály využívány pro jaderné elektrárny
III generace. Intenzivní výzkum a vývoj na celém
světě vyvíjí nový typ jaderných elektráren,
a to elektrárny IV generace (Gen IV). Gen IV
reaktory mají vysoké nároky na udržitelnost,
ekonomičnost, bezpečnost a spolehlivost. I přes tyto
vysoké nároky se předpokládá, že využití
feritických Cr ocelí i modifikovaného typu P91, pro
komponenty jaderných elektráren v budoucnu, je
slibnější než austenitických ocelí.
2. POŽADAVKY NA OBRÁBĚNÉ TĚLESO
Vzhledem k tomu, že se z materiálu P91
vyrábějí komponenty parních turbín, jsou
požadavky na přesnost výchozího povrchu velmi
vysoké. Požadavkem je drsnost Ra < 0,8 µm,
rovinnost 0,02 mm na 1 m délky a minimální
životnost VBD na obrobení jedné poloviny dělící
roviny, což odpovídá objemu 30 cm3 odebraného
materiálu.
3. TESTOVANÉ TYPY VBD
3.1 SK
"Při řezném procesu dochází k velkému
mechanickému a tepelnému namáhání břitu
nástroje, které vede k otupování nástroje a může
následně vést k jeho celkové destrukci. Rychlost
otupování nástroje je samozřejmě závislá na
pracovních podmínkách (např.: f, ap, vc, ...). Břit
řezného nástroje je několikanásobně více namáhán
než strojní součást." [1] str.10
Základním požadavkem na materiály
řezného nástroje je tvrdost, ta musí být vyšší než
je tvrdost obráběného materiálu. Rozhodující vliv
na produktivitu obráběcího procesu,
výrobní náklady a kvalitu práce mají hlavně řezné
materiály. Na ty jsou kladeny vysoké
a často protichůdné požadavky.
Požadavky na řezné materiály:
- pevnost a tvrdost v tlaku
- houževnatost a pevnost v ohybu
- pevnost za tepla a odolnost proti teplotním rázům
- odolnost proti otěru
- chemická stálost a chemicky neutrální chování
vůči obráběným materiálům
- odolnost proti vzniku trhlin a pevnost vazby
vnitřních fází
- vysoká řezivost (schopnost oddělovat třísku)
Vzhledem
k
různým
vlastnostem
obráběných materiálů je nutné pro každý takovýto
materiál volit různý materiál řezného nástroje.
Nejpoužívanějšími karbidy na řezné nástroje
jsou WC, TiC, TaC a NbC, jako pojivo je většinou
používáno Co. V praxi se SK aplikují buď
nepovlakované, nebo opatřené různými typy
povlaků.
9
Transfer inovácií 20/2011
Nástroje se povlakují dvěmi způsoby:
1) PVD - (fyzikální metoda) pracovní teplota pod
500°C, nízká teplota je výhodná z důvodu
tepelného ovlivnění nástroje. Povlak je vytvářen
napařováním, naprašováním nebo iontovou
implantací.
Obr.1 - VBD ze Slinutého karbidu
Povlaky jsou vytvářeny i při nižším tlaku v rozmezí
0,1 - 1,0 Pa.
2) CVD - (chemická metoda) u této metody jsou
teploty vyšší a to okolo 1000 – 1200°C.
Obecně je tento proces založen na reakci plynných
sloučenin v plazmě, která se musí vytvořit v
blízkosti podkladu slinutého karbidu.
3.2 Cermet
"Cermety jsou řezné materiály, které
obsahují tvrdé částice v kovovém pojivu. Jedná se o
částice TiC, TiN, TiCN, TaN. Jako pojivo
se používá Ni nebo Mo. Vyšší obsah TiC, oproti
SK, způsobuje vysokou tvrdost, zároveň
ale dochází k poklesu houževnatosti. Z těchto
důvodů jsou cermety využívány převážně pro
dokončovací operace."
2011
- Lepší a déle trvající schopnost vytváření
kvalitních povrchů
- Jsou vhodnější pro vytváření dobrých povrchů
(drsností)
- Větší odolnost proti opotřebení na hřbetě břitu
Pro náročnější použití řezných nástrojů, většinou
pro hrubovací operace, mají cermety následující
nevýhody:
- Malou odolnost proti opotřebení otěrem
- Příliš malou odolnost proti nárazovým zatížením
- Malou pevnost břitu při středních a vyšších
posuvech
- Malou houževnatost při střídavém středním
až těžkém zatížení břitu
- Malou odolnost proti opotřebení na čele ve tvaru
žlábku
4. JEDNOTLIVÉ TESTOVANÉ VBD
Zaoblení řezné hrany VBD určuje pevnost
ostří. Se zvyšující se velikostí zaoblení, roste
pevnost ostří, ale tím se také zvyšuje řezný odpor,
což znamená narůst negativních vlivů, jako síly a
teplota, působících na břit destičky. Řezné destičky
mají zaoblení řezné hrany běžně ≈ 30, 40, 55 μm,
hodnoty námi testovaných VBD se pohybují až na
polovině, tedy ≈ 30 μm. U jediné testované
nepovlakované VBD je hodnota zaoblení řezné
hrany ještě o něco níže.
4.1 VBD č.1
- P10 - P20, K10 - K25
VBD s PVD povlakem, vysoce výkonná s velkým
rozsahem obrábění, který kombinuje vysokou
odolnost proti opotřebení s vysokou houževnatostí
pro frézování legované oceli, stejně jako litiny.
Aplikuje se pro střední až vyšší řeznou rychlost
obrábění, pro dokončování až středně hrubé
obrábění za stabilních řezných podmínek.
Obr.2 - Cermetová VBD
Vlastnosti:
- Vysoká odolnost proti opotřebení hřbetu
a opotřebení ve tvaru žlábku na čele
- Malý sklon k vytváření nárůstku
- Vysoká chemická stabilita a tvrdost za tepla
- Malý sklon k oxidačnímu opotřebení
V porovnání se slinutými karbidy na bázi wolframu
opatřenými povlakem, mají cermety tyto výhody:
- Neměnící se stabilitu břitu při malých
a konstantních zatíženích
- Větší vhodnost pro obrábění většími řeznými
rychlostmi
10
Obr.3 - VBD č.1
4.2 VBD č.2
- M15 - M35, K20 - K40
Transfer inovácií 20/2011
Povlakovaný
jemnozrnný
SK
s
dobrou
houževnatostí a výbornou odolností proti
opotřebení při obrábění ocelí se zvýšenou
houževnatostí, jako jsou korozivzdorné oceli, šedé
litiny a tvárné litiny.
2011
suché frézování nelegovaných a kalených ocelí
za středních až vysokých řezných rychlostí.
Obr.6 - VBD č.4
Obr.4 - VBD č.2
4.3
VBD č.3
- K10 - K25
VBD povlakovaná TiAlN s dobrou odolností proti
opotřebení při obrábění šedé litiny a to za středních
až vyšších řezných rychlostí. Tento stupeň
je vhodný zejména tehdy, když je použita pozitivní
řezná geometrie při nepříznivých řezných
podmínkách.
4.5
VBD č.5
- K10 - K25
Tato VBD je nepovlakovanou verzí VBD č. 3.
Je charakterizována
vyšší
odolností
proti
opotřebení. Pro hrubování a dokončování litin,
hliníkových slitin, neželezných kovů stejně jako
plastů. Použití především pro nižší zatížení zubů,
ale při vyšších rychlostech obrábění.
Obr
.7 - VBD č.5
Obr.5 - VBD č.3
4.4
VBD č.4
- P20 - P40
VBD povlakovaná TiAlN s vynikající odolností
proti opotřebení. Disponuje širokým spektrem
použití při obrábění ocelí. Je obzvláště vhodná pro
4.6
VBD č.6
- P10 - P30
Cermetová VBD s vysokou odolností proti
opotřebení při vysokých řezných rychlostech
obrábění. Také je odolná proti vytváření nárůstku.
Používá se převážně pro předdokončovací obrábění.
Vhodné pro plynulé dokončovací obrábění, tedy
nepřerušovaný řez.
11
Transfer inovácií 20/2011
2011
Tab. 1 Získané hodnoty pro cermety
Obr.8 - VBD č.6
4.7
VBD č.7
- P05 - P15, M05 - M15
Povlakovaný cermet určený pro dokončovací
frézování ocelí za vysokých řezných rychlostí.
Doporučuje se pro obrábění korozivzdorných
a austenitických ocelí. Vhodné pro plynulé
dokončovací obrábění, tedy nepřerušovaný řez.
Z daných požadavků a hodnot získaných
experimentem je patrné, že cermety, i přesto že jsou
doporučované
pro
dokončovací
obrábění
korozivzdorných a austenitických ocelí, nebylo
možné s nimi dosáhnout daných požadavků pro
tento materiál.
VBD č. 7 byla testována s chlazením,
naopak VBD č. 6 byla testována bez chlazení, což
se ukázalo jako nevhodná alternativa.
U VBD č. 7 ve většině případů docházelo k
nadměrnému opotřebení VBD, které podstatně
snižovalo její životnost.
Při obrábění s VBD č. 6 docházelo k
nalepování odebíraného materiálu na již obrobený
povrch a tím samozřejmě tento povrch
znehodnocoval. Obrábění bez přívodu chladicí
kapaliny se tedy neosvědčilo. Je nutné záplavové
chlazení.
Tab.2 Hodnoty opotřebení a trvanlivosti pro SK
Ob
r.9 - VBD č.7
5. VÝSLEDKY TESTOVÁNÍ
V následujících tabulkách a grafech jsou
znázorněny jednotlivé výsledky testovaných VBD,
při daných řezných podmínkách. Při testování byla
hodnocena trvanlivost, opotřebení VBD na čele
i hřbetě a objem odebraného materiálu.
V tabulce jsou zvýrazněny hodnoty
opotřebení, které již překračovali stanovenou mezní
hodnotu pro opotřebení (0,2 mm). Tyto VBD tedy
nevykazují
výraznou
trvanlivost,
vlivem
nadměrného
opotřebení,
tím
pádem
ani
minimálního požadovaného objemu odebraného
materiálu.
12
Porovnáním obou tabulek je zřejmé, že
použití SK na korozivzdornou ocel P91 bylo o
poznání vhodnější než použití Cermetů. Některé SK
dokonce dosahovaly větší trvanlivosti, a to při
nižších
hodnotách
opotřebení.
Byly zde
samozřejmě také SK, které podmínky nesplňovaly a
to především z důvodu vyštipování řezné hrany
(např.: VBD č. 5) => nedostatečná odolnost řezné
hrany.
V grafu 1 je graficky znázorněn objem
odebraného materiálu v závislosti na řezné rychlosti
při použití Cermetů. Zelená dělící čára znázorňuje
požadovaný objem odebraného materiálu. Je tedy
zřejmé, že Cermety nedosahovali příliš vysoké
Transfer inovácií 20/2011
výkonnosti
materiálu.
při
frézování
2011
obráběného
typu
Graf.1 - Závislost objemu odebraného materiálu na
řezné rychlosti u Cermetů
Naproti tomu v grafu 2, kde jsou znázorněny
výsledky VBD ze Slinutého karbidu, je vidět
mnohonásobně vyšší výkonnost pro frézování
materiálu P91.
6. ZÁVĚR
Cílem tohoto článku bylo obohatit
odbornou veřejnost o možnosti obrábění oceli P91,
jelikož v současné době stále není příliš zdrojů,
které by se zabývaly touto problematikou.
Testování bylo prováděno frézou vždy
osazenou pouze 1 VBD, a to z důvodu vysokých
nároků na přesnost obrobené plochy. Díky
osazování 1 VBD bylo také snazší a přesnější
určování životnosti každé VBD.
Průběh experimentu ukázal, že cermetové
destičky, ačkoliv jsou určeny pro dokončovací
frézování korozivzdorných ocelí, nebyly vhodné k
dosažení požadovaných parametrů u oceli P91.
Mnohem lépe a stabilněji si vedly SK.
Tento příspěvek vznikl na základě řešení grantu
SGS-2010-083.
Graf.2 - Závislost objemu odebraného materiálu na
řezné rychlosti u SK
Literatura:
[1] Martincová Z.: Supertvrdé materiály a jejich
efektivní využití, Diplomová práce, Brno 2008
[2] http://www.ingersollimc.com/en/products/catalogs.htm
13