Új lehetőségek az ausztenites korrózióálló acélok esztergá-lásában

szerszámcsúcs hőterhelésére vagy a kopási folyamatokra gondolni).

A felkeményedési hajlam modellezésére az ún. Meyer-analízis használható [4]. Ennek lényege az, hogy a vizsgált munkadarab felületén különböző terhelések mellett Brinnel-lenyomatokat készítünk. A terhelés (F) és a lenyomat mérete (d) között az alábbi összefüggés van:

amelyben:

F - a terhelőerő nagysága [N],

C - az anyagminőségtől függő konstans,

d - a lenyomat átmérő mérete [mm],

n - az ún. Meyer-kitevő.

A Meyer-féle kitevő (amely izotropikus fémeknél nagyobb, mint kettő) közvetlenül jellemzi az acél felkeményedési hajlamát. Természetesen a nagyobb n kitevő a munkadarab anyagának nagyobb felkeményedési hajlamára utal. A kitevő megállapítására kísérletsorozatot végeztünk különböző összetételű és típusú szerkezeti acélokon. Az említett módszerrel kapott eredményeinket az 1. táblázat foglalja össze.

Az adatokból az állapítható meg, hogy legnagyobb Meyer-kitevője az ausztenites korrózióálló acélnak van, vagyis ezen acéltípus sokkal intenzívebb felkeményedésen megy át, mint az ötvözetlen vagy a kissé ötvözött szerkezeti acélok. A keménység növekedésének az a jól ismert jelenség a magyarázata, hogy mechanikai terhelés hatására az ausztenit egy része martenzitté alakul át. Az anyag keménységének növekedése a szerszámcsúcs környezetében a legjelentősebb, ezért a mikrokeménység vizsgálatok egy nagyobb keménységű, vékony felületi réteg kialakulására utalnak. Nyilvánvaló, hogy az anyagnak a forgácsképződési folyamatban bekövetkező felkeményedése meghatározó szerepű a szerszám kopásában.

2. Meglepetések a korrózióálló acélok esztergálásakor

Egészen zavarbaejtő az, hogy az esztergáló lapkák milyen nagy választéka (típus, alak, méret, kialakítás és anyagminőség) áll rendelkezésre jelenleg. A felhasználóknak ezért napról napra nagyobb tudással és tapasztalattal kellene rendelkezniük a megfelelő szerszámválasztás érdekében. Egyes (feltehetően pesszimista) szakemberek szerint a szerszámválasztási döntések közel nyolcvan százaléka téves [7]. A rendelkezésre álló adatbankok jórészt elavultak vagy hiányosak. Ez tehát azt jelenti, hogy a felhasználók egyre értékesebb szerszámok beszerzéséről döntenek, miközben tudásuk az alkalmazás korlátairól meglehetősen szűkös.

2.1. Melyik a legkedvezőbb lapkaalak a korrózióálló acélokhoz ?

A legnagyobb szerszámgyártók (termékeik jobb értékesíthetősége és megfelelő használata érdekében) elektronikus katalógusokat fejlesztettek ki. Ezek a szoftverek nemcsak a szerszámok és lapkák adatainak tárolására és kialakításuk bemutatására képesek, de jól helyettesítik a korábban használt nyomtatott katalógusokat is. Az elektronikus katalógusok választó menüpontja arra szolgál, hogy többé-kevésbé alkalmas szerszámokat kínáljon a felhasználónak. Ha bepillantunk a vezető szerszámgyártó cégek elektronikus katalógusaiba, megállapíthatjuk, hogy az ajánlatok nem mindig helyesek. Az egyikben például azt találjuk, hogy ausztenites korrózióálló acél esztergálására a negatív fészekszögű, 35° csúcsszögű (vagyis VNMG alakjelű) lapka is korlátozás nélkül felhasználható. Mivel ez a kérdés számos leendő felhasználót érdekelhet, részletes vizsgálatot végeztünk a szóban forgó alakjelű lapkával. A legfontosabb eredményeket a 3. ábra összesíti.

3. ábra Különböző alakú, TAC (Japán) gyártmányú lapkák éltartama [6]

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Megfigyeltük, hogy a vizsgált szerszámok nagyobb súrlódásnak és erőnek, valamint fokozott hőhatásnak voltak kitéve, mint ötvözetlen vagy kissé ötvözött acél esztergálásakor. A 2. ábra szerint az ausztenites korrózióálló acélnak kisebb a hővezető képessége és nagyobb a képlékenysége, mint a hagyományos acéltípusoknak. A forgácsleválasztás ezért jelentős energiát igényel, és nagyobb hő keletkezik. Mivel az ausztenites acélok képtelenek a hőt gyorsan elvezetni, a forgácstő és a munkadarab erősen felmelegszik. Jóllehet a keményfém lapka bevonati rétegei korlátozzák a hő terjedését, a VNMG 160404 lapka csúcssugara mégis kicsinek bizonyul a fokozott hőterhelés elviselésére. Ráadásul a 35° csúcsszögű lapka nem segíti elő a hő gyors távozását a forgácsleválasztási zónából.

Számos külföldi cég hasonló alakú lapkáira kaptunk hasonló, kedvezőtlen eredményeket. A fentiek miatt arra a következtetésre jutottunk, hogy ausztenites korrózióálló acél esztergálásakor kerülendő a VNMG alakú lapka. Simító és félsimító esztergálási feladatokhoz tapasztalataink szerint a CNMG 120408 jelű változat sokkal megfelelőbb [8].

2.2. Elérkezett a cermetek ideje ?

Mindig érdekes feladat egy technológus számára a művelethez megfelelő szerszám kiválasztása. A kész alakot egyre jobban megközelítő, ún. near-net shape módszerrel előállított öntött vagy kovácsolt előgyártmányoknál a nagyolási művelet fokozatosan háttérbe szorul a félsimítással vagy simítással szemben. Ez a cermetek (fémkötésbe ágyazott kerámiák) ideális alkalmazási területe. Az anyag nagyobb melegszilárdsága és oxidációs kopással szembeni ellenállása ugyanis nagyobb sebességek alkalmazását és magasabb hőmérsékletek fellépését teszi lehetővé, mint a keményfém. A cermettel megmunkált felület ráadásul kedvezőbb érdességű, ami a munkadarab és a szerszám közötti kisebb intenzitású kémiai kölcsönhatások következménye. A csökkenő kráterkopás és a mérsékeltebb élrátétképződés kedvezőbb forgácsleválasztáshoz vezet. A cermet lapka homogén (egyetlen anyagból álló) szerkezetű, éltartóssága is nagyobb, mint annak a több alkotóból álló bevont keményfémnek, amelynek vékony bevonati rétegének megsérülése (kopása) után az alapfém védelme megszűnik. Ezen okok miatt a cermettel végzett esztergálással sokszor olyan kedvező felületi érdesség érhető el, hogy a köszörülési művelet el is hagyható. Számos kísérlet és alkalmazási eredmény [9] szól a cermetek sikeres felhasználásáról (beleértve az ausztenites korrózióálló acélok esztergálását is). Meg kell azonban mondanunk, hogy tapasztalataink eltérnek a vonatkozó publikációkban közölt, egyértelműen kedvező eredményektől.

A 4. ábra két japán cég (a Toshiba Tungaloy Ltd. és a Sumitomo Ltd.) cermet lapkáival KO36 jelű ausztenites korrózióálló acélon kapott eredményeket szemlélteti.

4. ábra Különböző gyártmányú cermet lapkák éltartamának alakulása ausztenites korrózióálló acéloknál

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Az ábra alapján az alábbi megállapítások tehetők:

1. ) Az említett forgácsolási körülmények között vizsgált cermet lapkák nagyon kis forgácso-lóképességet mutatnak.

2. ) Úgy tapasztaltuk, hogy a gyors elhasználódást elsősorban a szélkopás okozza. Ez a jelenség a cermet kis abrazív kopási ellenállásával, valamint a korrózióálló acél felkeményedési és oldalsorja képződési hajlamával magyarázható.

3. ) Hasonlóan kedvezőtlen eredményeket kaptunk a Kennametal Inc. (USA) cég cermet lapkáival végzett kísérleteknél is.

4. ) A fentiek alapján ausztenites korrózióálló acélok esztergálása esetén a jelzett cermet minőségek használata nem javasolható.

3. Új eredmények korrózióálló acélok esztergálásakor

A korrózióálló acélok fizikai, mechanikai és forgácsolási tulajdonságai számos nehézséget idéznek elő. Ezek viszonylag egyszerűen megoldhatóak az esztergálási művelet helyes végrehajtásával és a megfelelő (azaz a feladathoz optimált élgeometriájú és anyagú, valamint bevonatminőségű) lapka választásával.

A lapkafejlesztések legújabb eredményeihez sorolhatók többek között:

· speciális lapkaélgeometriák kidolgozása (nagyobb, pozitív homlokszög, megfelelő csúcssugár stb.)

· javított forgácstörő geometriák,

· erősebb alapkeményfémek kifejlesztése,

· jobban tapadó és egyre több bevonati réteg felvitele.

A váltólapkával végzett esztergálás termelékenységét három fő anyagjellemző befolyásolja: a törési szilárdság, a képlékeny deformációs hajlam és a (hát-, kráter-, csúcs- és szél-) kopási ellenállás mértéke. Adott makrogeometria (azaz lapkaalak és kiképzés) és forgácsolóél mikro-geometria (például élkiképzés) esetén az alap- keményfém összetétele és mechanikai tulajdonságai határozzák meg a szerszámanyag szilárdságát és deformálhatóságát. A bevonat elsősorban a kopással szembeni ellenállást növeli meg, az egymáson elmozduló szerszám és forgács felületek közötti súrlódási tényező csökkenése miatt mérséklődhet a forgácsolóerő és a hőmérséklet is. Ezen utóbbi változások ugyan közvetetten, de természetesen hatást gyakorolnak a szerszámdeformáció és a törési szilárdság alakulására is.

A fentiek alapján nyilvánvaló, hogy nagyon fontos az adott feladathoz megfelelő lapka alapanyag minőségének körültekintő megválasztása. A döntések meghozatalakor a következő szempontokat feltétlenül célszerű mérlegelni:

1. ) Korrózióálló acélok nagy sebességű esztergálásakor (például simításkor) lehetőleg növelt kobalt tartalmú, az ISO szerinti M15 keményfémminőség választása indokolt. A legjobb eredmény a mérsékelt hőfokú CVD eljárással (MTCVD) felvitt többrétegű, főként a TiCN + Al₂O₃+ TiN rétegekből álló bevonattól várható el. A nagy forgácsolósebesség miatt keletkező magas hőmérsékleten a keményfém jelentős affinitást mutat a korrózióálló acél iránt, az Al₂O₃réteg ekkor gátat képezve megakadályozza a kobalt szerszám és a forgács közötti diffúzióját.

2. ) A közepes sebességeken végrehajtott esztergáláshoz az ISO szerinti M25 minőség a megfelelő, mivel a jelzett keményfém tulajdonságai mind a relatíve magas hőmérséklet, mind a változó forgácsolóerő szempontjából megfelelőek. Kívánatos a CVD módszerrel felvitt többrétegű TiN és TiCN bevonat alkalmazása, külön Al₂O₃ rétegre azonban nincs szükség.

3. ) A korrózióálló acélok kis sebességen végzett forgácsolásához az M35 minőség javasolt. A viszonylag alacsony hőmérséklet miatt kobalttal dúsított alapkeményfém és Al₂O₃réteg nem indokolt, a többrétegű, CVD eljárással felvitt TiN és TiCN rétegek jó éltartósságot adnak.

3.1. Nagyobb forgácsolóképesség alkal-masabb bevonatokkal

A fentiekből kitűnik, hogy a korrózióálló acélok esztergálásakor jelentős termelékenységnövekedés elsősorban az alapkeményfém kémiai bevonatolásától (CVD) várható. A bevonati rétegek fizikai és fémfizikai (szövetszerkezeti) tulajdonságainak feltárása lehetővé tette nemcsak a rétegek szerkezetének, hanem egymás utáni sorrendjének optimalizálását is. A korrózióálló acél esztergálásához megfelelő bevonatos lapkaminőség kiválasztásakor az alábbi szempontokat kell figyelembe venni:

· a hőmérséklet hatását a réteg keménységének alakulására (vagyis azt a kritikus hőmérsékletet, amely fölött a keménység gyorsan csökkenni kezd). Ebben a tekintetben a legfontosabb anyagjellemzők: a bevonat olvadáspontja és rekrisztallizációs hőmérséklete.

· a bevonati réteg hővezetőképességét, illetve a hőmérséklet hatását a hővezetőképesség változására (vagyis azt a körülményt, hogy a hővezetőképesség a forgácsoláskor fellépő magas hőmérsékleten növekszik-e vagy sem). A rossz hővezetőképességű bevonat képes a szerszámot alacsony hőmérsékleti állapotban tartani, és a réteg megőrzi a szerszám kedvező mechanikai tulajdonságait még nagy forgácsolósebesség mellett is.

· a bevonati anyagok kopással szembeni ellenállását. Jól ismert, hogy a különböző kopási mechanizmusokkal szemben a bevonati rétegek különböző ellenállást tanúsítanak. Az Al₂O₃ bevonat például majdnem minden kopással szemben jól ellenáll, azonban rideggé teszi a forgácsolóél környezetét. A TiC réteg nagyon kemény, az adhéziós kopásmechanizmussal szemben kiváló hatású, azonban súrlódási tulajdonságai nem a legkedvezőbbek. Ráadásul viszonylag alacsony hőmérsékleten oxidálódik és ezért keménysége lecsökken. A TiN kisebb keménységű és mérsékeltebb kopási ellenállású, mint a TiC, viszont kiváló súrlódási tulajdonságú és a TiC-hoz viszonyítva sokkal nagyobb az oxidációs hőmérséklete. A TiCN kiválóan kitölti a TiN és TiC tulajdonságai között mutatkozó "hézagot".

· az alapfém és a bevonat közötti adhéziót. A korrózióálló acél tipikus képviselője a forgácsolás közben gumiszerűen viselkedő, ráadásul élrátátképződésre hajlamos anyagnak. Amikor az élrátét a szerszám homloklapján leválik, mindig magával "vihet" egy kis darab bevonatot. Ez a jelenség a bevonat "lehámlásához" vezet. A jó minőségű bevonat nagyon fontos jellemzője ezért, hogy nagy adhéziós kötődést mutasson az alapfémhez.

Elismert tény, hogy a fémforgácsoló iparban a CVD bevonatoknak kiemelt szerepük van. Kétségtelen előnyük az alacsony hőmérsékletű fizikai rétegfelvitellel (PVD) szemben a nagy kötési szilárdság és a (feladatnak megfelelően választott) többrétegű bevonatkombinációk felvitelének lehetősége. A gyakorlat azt mutatja, hogy a CVD eljárással körültekintően bevonatolt szerszámok csaknem minden alkalmazási területen nagyobb teljesítményre képesek, mint a PVD bevonatúak. Ezek az előnyök lehetővé teszik azt is, hogy a CVD eljárással felvitt rétegeket extrém körülmények között is alkalmazzák.

A bevonatok korrekt összehasonlítása például a következő szempontok szerint történhet:

- a bevonati réteg anyagminősége:

Ismeretes, hogy a TiN, TiC, TiCN, Al₂O₃ stb. bevonatok a hetvenes évek közepétől állnak rendelkezésre a kereskedelmi forgalomban. Ezek az egyetlen rétegből álló bevonatok a forgácsoláskor keletkező hő káros hatásától védték meg az alapfémet. A többrétegű bevonatok állhatnak egyetlen bevonatminőségből (pl. TiN/TiN stb.), vagy különböző minőségű rétegekből (pl. Ti/TiN vagy Mo/MoC stb.). A legújabb fejlesztésű (duplex, szuperrétegek, nanorétegek és metastabil fázisokból felépülő) bevonatok természetesen a forgácsolóképesség további növelését célozzák.

- szemcseméret:

A finomabb szemcsék azért kedvezőbbek, mert nagyobb szilárdságúak és simább felületűek, a durvább szerkezetű bevonatok azonban jobban ellenállnak kopásnak.

- szerkezet:

A megegyező szemcsekiterjedésű szerkezetek képezik a legszívósabb filmréteget, az egyenlőtlen kristályméretek különleges keménységükkel tűnnek ki.

- porozitás:

Az ideális bevonat teljesen tömör, porozitást nem tartalmaz. A porozitás jelenléte mind a kötési szilárdságot, mind pedig a kopási ellenállást csökkenti.

- kötési szilárdság:

Értékének azért kell igen nagynak lennie, mert a forgácsoláskor fellépő, meglepően nagy erők koncentráltan hatnak. A kötési erőnek nemcsak az egész bevonatot kell tartania, de az egyes rétegek között is hatnia kell. A bevonati réteg felviteli folyamata természetesen nem csökkentheti az alap-keményfém szívósságát. A gyakorlatban ezt szabadalmi védettséggel ellátott eljárásokkal, gondosan megtervezett és végrehajtott kémiai folyamatokkal és a felviteli módszer folyamatos fejlesztésével érik el. Ennek köszönhető például az ún. MTCVD eljárás kidolgozása és elterjedése is.

- tisztaság:

Gyakorlati tapsztalat szerint a bevonat igen érzékeny a szennyeződésekre. A titán bevonatok különösen tiszta körülmények között viendők fel, néhány oxigén vagy klóratom már porozitást okoz, ezzel csökkentve a keménységet. A bevonati réteg képződésében bekövetkező zavar miatt az ilyen lapkák kisebb teljesítményre képesek. Ezen okok miatt alapvető követelmény a kémiai reagensek igen nagy tisztasága és a bevonó berendezések alkatrészeinek lehető legnagyobb pontossága és szabatos működése.

- a bevonat vastagsága:

Számos ok (főként a szerszám szilárdsága) miatt a bevonati réteg vastagságát a bevonat típusa és a szerszám alkalmazásának körülményei (azaz a gyártás tömegszerűsége) együttesen határozzák meg. Például a menetkészítő, maró vagy fúró szerszámokat általában 2 - 6 mm vastag bevonattal látják el, az esztergáló lapkák bevonata viszont 5 - 15 mm vastagságú. Tagadhatatlan tény az is, hogy a fémmegmunkáló ipar nagysorozat-gyártást végző szegmensében a TiC, TiN és Al₂O₃ anyagú bevonati rétegek szinte ugrásszerű termelékenységnövekedést idéztek elő.

- a bevonati rétegek felvitelének sorrendje:

A szerszám elérendő termelékenységének és előállításának függvénye. A TiN például általában az alapfém dekarbonizációjának minimalizálására szolgál, az Al₂O₃ réteg a nagy teljesítőképesség elérésére teszi alkalmassá a lapkát. Az egyes rétegek vastagsága és egymás utáni sorrendje az alkalmazási területnek megfelelő kialakítású. Könnyen belátható, hogy a több rétegből álló bevonati rétegek kombinálása és egymás utáni felvitele egyrészt jelentősen kiszélesíti az alkalmazási területet, másrészt további teljesítőképesség növekedést eredményez.

3.2. A Tungaloy cég fejlesztési eredményei

A forgácsolólapkák tönkremenetelének egyik oka olyan mikrorepedések kialakulása, amelyek a felső bevonati rétegben keletkeznek és az ismétlődő terhelés hatására befelé haladva a védelem nélkül maradó alapfém károsodását idézik elő esztergálás közben. Belátható, hogy minden olyan intézkedés, amely megakadályozza a mikrorepedések keletkezését, vagy fékezi a repedés alapfémig való terjedését, növeli a szerszám tartósságát. A szerszámgyártók jelenleg olyan fejlesztéseken dolgoznak, amelyek a bevonatolási technológiát a fenti célkitűzések elérésére teszik alkalmassá. A felhasználói elvárások viszont a szerszámok megbízhatóságára, termelékenységére és sokoldalú alkalmazhatóságára helyezik a fő hangsúlyt. A fentiek miatt a következő évekre a mérsékelt hőfokú CVD bevonatolási eljárás fejlesztése és fokozatos elterjedése prognosztizálható.

Részletes vizsgálatokat végeztünk a Toshiba Tungaloy cég legújabb fejlesztésű termékeivel. A következőkben a cég ezen a területen elért eredményeit mutatjuk be. A vizsgálatok a következő lapkaminőségek felhasználásával történtek [10]:

· T7010 - az ún. általános felhasználásra való minőség, amelynek jellemezői:

- nagy deformáció elviselésére alkalmas, speciális alapkeményfém,

- kiválóan tapadó, vékony TiN réteg,

- a bevonati réteg döntő hányadát hosszúkás kristályokból felépülő, vastag TiCN réteg alkotja, amely nemcsak kedvező kopásállóságú, de megfelelő szívósságú is,

- mikroszemcsés szerkezetű Al₂O₃ réteg, amely nagy forgácsolósebesség elérésére teszi alkalmassá a lapkát,

- a legkülső réteget TiN alkotja.

· T335S - CVD eljárással felvitt többrétegű bevonatos lapka, amelyet kifejezetten a korrózióálló acél esztergálására terveztek. Alkalmazási sajátosságai az alábbiak:

- a speciális, hosszúkás kristályokból felépülő bevonatot a whisker technológia alkalmazásával fejlesztették ki. Ennek révén nagyobb mechanikai szilárdság és növelt szélkopással szembeni ellenállás várható a hagyományos a szemcseszerkezetű bevonathoz képest,

- a többrétegű, vékony bevonat a dinamikus mechanikai terhelésekkel és a bevonati rétegek lehántolódásával szemben kétségkívül nagyobb ellenállást mutat esztergálás során,

- az alkalmazott CVD technológia az alapfém és a bevonat különleges jó tapadását eredményezi. A jelzett lapkaminőség ezért különlegesen ellenálló a korrózióálló acélok esztergálásakor fellépő tipikus tönkremeneteli jelenséggel (az adhéziós kopással) szemben,

· T725X - az egyik legutóbbi fejlesztésű lapkaminőség, amely 12 rétegű bevonat mellett speciális "X-Coat" kezeléssel készül. A speciális alapfémre az alábbi bevonat kerül:

- az első, viszonylag vastag bevonati réteg a kívánt szívósságot biztosítja,

- a kellő kopásállóságot a TiC, TiCN és az Al₂O₃ rétegek garantálják,

- "X-Coat" réteg sajátos feladata az ütési ellenállás és megbízhatóság növelése, valamint a repedésmentes bevonat elérése, amely a bevonatban keletkező húzó feszültségek csökkentésével válik lehetővé. Mivel az egyes bevonati rétegek különböző mértékű hődilatációt szenvednek, az eddig alkalmazott (hagyományos) bevonatok a bevonatolást követő lehűlés után csaknem mindig repedést tartalmaztak. Az "X-Coat" kezeléssel viszont elérhető, hogy a szóban forgó bevonatban csak nagyon kevés (vagy egyetlen repedés sem) fedezhető fel.

Az 5. ábra a különböző típusú bevonatok előnyeit az éltartam szempontjából mutatja be.

5. ábra Különböző bevonatú, TAC gyártmányú lapkák éltartama [6]

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Tekintettel arra, hogy a vizsgálatokat azonos alakú, kialakítású és megegyező alapfémre felvitt bevonatokkal végeztük, a kapott eredmények elsősorban a bevonatok teljesítőképességének megítélésre alkalmasak.

Az ábra alapján az állapítható meg, hogy:

1. ) A vizsgálat során a T7010 jelű lapka mutatta a legkisebb forgácsolóképességet, az újabb fejlesztésű lapkák (T335S és T725X) jobb teljesítményre képesek.

2. ) Az ábra alapján megítélhető, hogy a T335S jelű lapka célszerű alkalmazási tartománya 100 ... 180 m/min. Ez kissé alacsonyabb, mint ami a T725X minőséghez javasolható.

3. ) A legjobb teljesítőképességet a T725X lapka mutatta. A lapka az eddigiektől lényegesen eltérő, speciális bevonatképző eljárással (MLCVD) készült. A szokásos, két vagy három eléggé vastag réteg helyett a T725X minőség 12 egymásra felvitt, igen vékony bevonati réteget tartalmaz (az egyes rétegek kb. 0,1 mm vastagságúak). Az MLCVD eljárással bevonatolt lapkákra - többek között - a mérsékeltebb kopás a jellemző. Ennek egyik oka a bevonatolt felületek különlegesen kis simasága. Mivel a felvitt bevonat kis érdességű, a lapka homlokfelületén kicsi a súrlódás és mérsékelt a hőfejlődés. A szer- szám ezért alacsonyabb hőmérsékleten dolgozik, tehát kevésbé csökken a keménysége és tovább ellenáll a kémiai reakciókkal jellemezhető kopási mikrojelenségeknek (oxidá-ció, diffúzió). A másik nagyon fontos ok az, hogy a MLCVD módszerrel felvitt rétegek megakadályozzák, hogy a mikrorepedések tönkretegyék a lapkát: az esetleg kialakuló repedések csak a következő réteg határáig jutnak el, azaz néhány tized mikrométer mélységig hatolnak a lapkába. A továbbterjedés lehetőségei ily módon jelentősen lecsökkennek (12 réteghatár áll a mikro-repedés útjában, mielőtt az elérné az alapfémet).

4. ) Gazdasági elemzések [6] alapján az állapítható meg, hogy a T335S lapkaminőségnek sokkal kisebb a gazdaságos éltartama és az optimális forgácsolósebesség értéke, továbbá az ilyen lapkával kb. 30 %-kal nagyobb a műveleti költség, mint a T725X lapkaminőség alkalmazásakor.

3.3. Melyik bevonat lesz a győztes?

A napjainkban alkalmazott bevonatok legalább három előnnyel rendelkeznek a régebbiekkel szemben:

· a bevonatok jobban tapadnak az alapfémhez (ezért nagyobb teljesítményre képesek),

· a CVD eljárás sokkal vastagabb bevonati réteg felvitelét teszi lehetővé (a forgácsolóél védelme javul, az éltartam pedig növekszik),

· a CVD eljárás a többrétegű bevonatok számos variációját teszi lehetővé (a rétegek kombinálásának eredményeként olyan bevonatrendszer hozható létre, amelyben minden egyes réteg megőrzi kedvező, sajátságos mechanikai, fizikai stb. tulajdonságait, a végeredmény pedig olyan teljesítőképesség-növekedés, amely nem lenne elérhető bármelyik réteg egyedi alkalmazása mellett).

A következőkben azokat az eredményeket mutatjuk be, amelyeket az amerikai Kennametal cég a bevonatok fejlesztése területén ért el. A kísérletsorozatot a korrózióálló acélok esztergálására újabban kifejlesztett bevonatnélküli és bevonatos keményfémlapkákon végeztük. Az alábbi lapkaminőségek forgácsolóképességnek vizsgálatára került sor [11]:

· K313 - bevonatnélküli keményfém: a forgácsolóél nagy kopási és szélkopási ellenállású, elegendően nagy szilárdságú korrózióálló acél esztergálásához. Ezen tulajdonságokhoz még jó hőállóság is társul.

· KC730 - a kopásálló, kellő szilárdságú és jó hőállóságú alapfémen PVD eljárással felvitt TiN réteg található. A vékony, egyenletes vastagságú bevonati réteg sima felülete nemcsak a kopásállóság miatt kedvező, de az élrátétképződéssel járó problémákat is csökkenti.

· KC9040 - többrétegű bevonatos lapkaminőség, amelynek növelt kobalt tartalmú alapfémére többek között alumíniumoxid bevonat is kerül. A CVD eljárással felvitt bevonat TiN + Al₂O₃ + TiC + TiCN szerkezetű, és elsősorban a különböző típusú korrózióálló acélok nagyoló esztergálására alkalmas (ahol minden esetben fontos követelmény a kiemelkedő élszilárdság).

· KC935 - három, optimális vastagságú rétegből (Al₂O₃ + TiC + TiCN) álló bevonatrendszer, amelyet a növelt kobalt tartalmú alapfémre vittek fel, ezért a legtöbb korrózióálló acéltípushoz (beleértve az ausztenites változatot is) alkalmazható. A speciális bevonatképzési eljárás jó élminőséget és stabil forgácsolóélt eredményez, amely nemcsak a kipattanással és a szélkopással szemben ellenálló, de korlátozza az élrátétképződést is.

A 6. ábra a különböző típusú keményfémek és bevonatok előnyeit szemlélteti. Tekintettel arra, hogy a vizsgált lapkák geometriája, élkiképzése valamint a forgácstörő alakja azonos volt, az alábbi megállapítások elsősorban a bevonatok forgácsolóképesség növelő szerepére vonatkoznak.

6. ábra Kennametal gyártmányú lapkák éltartama

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Az eredmények alapján az alábbi észrevételek tehetők:

* Más gyártók bevonat nélküli lapkáihoz hasonlítva a K313 jó teljesítőképességű, de forgácsolóképessége nyilván elmarad a bevonatos változatokhoz képest.

* A vizsgálatba vont egyetlen PVD eljárással bevonatolt lapka a KC730 jelzésű. Éltartama csak csekély mértékben haladja meg a K313 minőségű lapka hasonló adatát.

* Kísérleteink teljes mértékben alátámasztották azt a korábbi megállapítást, hogy a CVD bevonatos lapkák forgácsolóképessége jelentősen meghaladja a PVD eljárással bevonatol-takét.

* A KC9040 lapka viszonylag jó teljesítőképességű, amely a TiN + Al₂O₃ + TiC + TiCN rétegek megfelelő kombinációjának köszönhető.

* A legjobb eredmény a KC935 lapkával érhető el. A TiCN/TiC bevonat a kisebb, a külső, Al₂O₃ réteg pedig a nagyobb forgácsoló-sebességeknél hat kedvezően. Az alapfémnek köszönhetően az él szívós és elegendően nagy szilárdságú is.

3.4. A vizsgált lapkákkal elérhető felületi érdesség

A teljesítőképesség fokozásának fenti eredményeit elsősorban a termeléssel szembeni piaci elvárások növekedése és a szerszámgyártó cégek versengése segítette elő. A korszerű termelési folyamatnak az alábbi jegyekkel kell rendelkeznie:

· nagy termelékenység, amely kizárólag kedvező költségű gyártórendszerekkel érhető el,

· megfelelő mértékű rugalmasság, amelyekkel teljesíthetők a növekvő dinamikájú piac elvárásai (kisebb sorozatnagyságok, rövidebb termékélet stb.),

· a kívánt megbízhatóság, amely a termék (és annak alkatrészei) előírt minőségére vonatkozik.

A vizsgálatok célja itt elsősorban annak felderítése volt, hogy a lapkák mennyire képesek tartani az előírt felületi érdességet a kopási (elhasználódási) folyamat során. Méréseink a leggyakrabban használt érdességi jellemzőkre (R_a , R_m , R_z [mm]) terjedtek ki, amelyeket a szerszám különböző (éles, használt, elkopott) állapotában és különféle sebességeknél állapítottunk meg. A 7. ábra az átlagos érdesség (R_a) szóródását (minimális és maximális érékeit) az alkalmazott forgácsolósebesség függvényében szemlélteti.

7. ábra A felületi érdesség alakulása Kennametal lapkákkal végzett esztergáláskor

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Az ábra alapján a következő megállapítások tehetők:

· kis forgácsolósebesség esetén a lapkaél elhasználódási folyamata csekély hatást gyakorol az érdességre,

· bár a bevonat nélküli lapka kisebb forgá-csolóképességű (éltartama rövidebb), mint a bevonatos változat, azonban kedvezőbb simaságú felületet készít és az érdesség ingadozása is kisebb,

· az éles állapotú lapkaél kedvező forgácsleválasztásra képes, mivel kisebb az erőigény és mérsékeltebb az esztergálás közbeni sorjaképződés is. Azonos feltételek mellett a CVD bevonatos lapkák - nagyobb éllekerekedésük folytán - természetesen kedvezőtlenebb érdességű felületet állítanak elő,

· ismeretes, hogy az esztergálás jellegzetes felületi egyenetlenséget hoz létre a munkadarabon. Számos tényező, mint például a gép állapota, a beállított forgácsolósebesség, a gép-szerszám-munkadarab rendszer rezgései és egyéb külső hatások jelentősen befolyásolhatják az érdesség alakulását. Mérési eredményeink arra utalnak, hogy nagyobb forgácsolósebességeknél (v_c ³ 150 m/min) nem kívánt rezgések léptek fel,

· jóllehet a bevonatos lapkák - kedvezőbb forgácsolóképességük miatt - jelentősen nagyobb termelékenységgel használhatók, a felületi érdesség szempontjából elmaradnak a várakozástól. Másként fogalmazva: simító esztergálásnál a felhasználónak a minőségi előírások és a gazdaságossági szempontok gondos mérlegelése alapján kompromisszumot kell kötnie a lapkaminőség és forgácsolási adatok megválasztásakor.

3.5. A Kennametal lapkák gazdaságossága

Az esztergálási művelet változó (variábilis) része nemcsak a forgácsolási adatoktól függ, de jelentősen befolyásolja az alkalmazott gép üzemeltetési költsége, a szerszámcserével kapcsolatos állásidő, a lapka élköltsége és forgácsoló-képessége is. Ez utóbbiakkal kapcsolatban feltétlenül érdemes megemlíteni néhány tényt.

Sokan gondolják azt, hogy az éltartam növekedése már önmagában elegendő a kedvező műveleti költség elérésére. Nagy üzemeltetési költségű gépek esetén ez azonban nem áll fenn, hiszen például 50 %-kal nagyobb éltartam mellett a műveleti költség alkatrészenként csak alig néhány százalékkal csökken. Lényegesen kedvezőbb ilyenkor, ha az esztergálást az "optimális adatok tartományában" végezzük, ahol a termelékenység növekedése jelentős mértékű költségcsökkenést eredményez. Sajnálatos lehet az is, ha egy megvásárolt termékről csak a felhasználás közben derül ki, hogy ára nem arányos teljesítőképességével. Helyes gyártóeszközgazdálkodással azonban az ilyen esetek is elkerülhetők.

Az általunk vizsgált Kennametal gyártmányú lapkák gazdaságossági sorrendjének megállapításakor állandó gépüzemeltetési- és szerszámtartó költséggel számoltunk. A 8. ábra a vizsgálat legfontosabb eredményeit szemlélteti.

8. ábra A fajlagos forgácsolási költségek alakulása különböző Kennametal lapkák alkalmazásakor

Forgácsolási körülmények: hűtés nélkül, kopáskritérium: VB = 0,3 mm

Megállapítható, hogy:

· a különböző lapkák gazdasági szempontú összehasonlításánál jól alkalmazható a relatív költség (Ft/cm³), amelyet az egy köbcentiméter forgács leválasztásához szükséges változó költséghányad alapján számítunk,

· bár a bevonat nélküli keményfémlapkák a legkisebb élköltségűek, korlátozott teljesítőképességük következtében alkalmazásuk mégis a legnagyobb fajlagos költséggel jár. Ez az eset is jól mutatja, hogy a kis élköltség önmagában nem garantálja a kedvező műveleti költséget,

· a különböző módszerrel felvitt, különféle bevonati rétegeket tartalmazó bevonatos lapkák ára megegyezik ugyan, a velük elérhető megtakarítások azonban jelentősen különböznek egymástól,

· számításaink jól mutatják, hogy a CVD eljárással bevonatolt lapkák gazdasági szempontból előnyösebben alkalmazhatók, mint a PVD bevonatos változat,

· az általunk választott vizsgálati körülmények között ausztenites korrózióálló acél esztergálásakor a KC935 jelű lapkával érhető el a legkisebb fajlagos költség, mert az alkalmazott bevonatrendszer kiemelkedő forgácsoló-képességű.

4. Összefoglalás, következtetések

A cikkben áttekintettük azokat a legfontosabb okokat, amelyek a korrózióálló acélok viszonylag rossz forgácsolhatóságát előidézik. A jól ismert külföldi gyártó cégek különböző alakú, anyagú és bevonati minőségű lapkáival elvégzett forgácsolási kísérletsorozat a felhasználókat érdeklő számos eredményt hozott.

Az ausztenites korrózióálló acél esztergálásának legfontosabb tapasztalatait a következőkben lehet összegezni:

· a legkedvezőbb forgácsolóképességet a 60° £ e £ 80° csúcsszögű lapkáktól várhatjuk,

· gazdasági szempontból a CVD bevonatok kedvezőbbek, mint a PVD eljárással felvittek,

· az eredményesen alkalmazható bevonatos keményfémlapkákat az alábbi tulajdonságok jellemzik:

- speciális (pl. növelt kobalt tartalmú) alapfém, amely jó egyensúlyt teremt a kellő élszilárdság és a megfelelő szívósság között,

- TiCN, TiC és Al₂O₃rétegekből álló kopásálló bevonatrendszer;

· eddigi tapasztalataink alapján ausztenites acélok esztergálásához a cermet lapkák alkalmazását nem javasoljuk,

· a kísérleteink szerint műszaki és gazdasági szempontból a TAC gyártmányú, T725X jelű, illetve a Kennametal KC935 jelzésű lapkákkal érhető el a leghatékonyabb és legkisebb költségű megmunkálás.

Köszönetnyilvánítás

A forgácsolási kísérleteket a Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépészmérnöki Főiskolai Kara támogatta. A szerzők köszönetüket fejezik ki a Sumitomo Ltd. és a Kennametal Inc. magyarországi képviseleteinek a rendelkezésre bocsátott lapkákért. Külön köszönettel tartozunk a Toshiba Tungaloy (TAC) Ltd. európai központjának, amely nemcsak a cikkben szereplő lapkaminőségeket, hanem a korrózióálló acélok esztergálásához legújabban fejlesztett T6020 és T6030 minőségeket is rendelkezésünkre bocsátotta. Ezek tesztelése jelenleg is folyik.

5. Irodalomjegyzék

[1] Castner, M.: Turning stainless made pain-less

www.ctemag.com33/article p.1-7.

[2] N.N.: Stainless steel turning

Application Guide, Sandvik Coromant, 1997/2. pp. 88.

[3] Angyal, B. - és mások: A forgácsolás elmélete és szerszámai

Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1988.

[4] Lane, J.D. and als: General introductory review of the relationship between metallurgy and machinability

Proc. Int. Conf. on Heat Treatment

London, 1984. p. 65-70.

[5] Sipos, S.: Gyártóeszközök és megmunkáló-gépek minőségbiztosítása

Minőségügyi Szakmérnöki képzés jegyzete, Budapest, 2000. pp. 59.

[6] Barányi, Zs.: Nehezen forgácsolható acélok esztergálása TAC gyártmányú bevonatos keményfémlapkával

Szakdolgozat, BMF 1998.

[7] Katbi, K.: The Case For Optimized Inserts

www.mmsonline.com/articles/19804

[8] Ambrusné, Alady, M.- és mások: Korrózióálló acélok esztergálása ISG-gyártmányú keményfémlapkával

Gépgyártástechnológia, 1990/2. p. 55-59.

[9] Sprow, E.E.: Time Yet for Cermets

Manufacturing Engineering, 1993/1. p. 55-58.

[10] Product Information: T7010, T335S, T725X Toshiba Tungaloy European Platform, 1999.

[11] Lathe Tooling Catalog 6000

Kennametal Inc. A96-64 (130) J6

Enhanced Capabilites for turning austenistic stainless steels (e.g. KO36)

Abstracts

The cutting of stainless steels using turning tools is common in the fields of top level technology and today represents about one fourth of all metal turning. For this reason there are many manufacturers that should analyse all of the circumstances which can affect the selecting and using of turning tools.

This paper surveys those important features and conditions of austenistic stainless steels cutting which act definitely on the selection and usage of the up-to-date turning inserts made by leading tool manufacturers, as well as possible results of this operation. In addition, this paper presents the most exciting experimental results and observations gained by the authors on several types of inserts during the turning of austenistic stainless steel type KO36 (according to AISI 321 or DIN 1.4514 X10 CrNiTi 18 9).

This paper also contains a set of specification and application rules for the most appropriate conditions of cutting.

Neue Möglichkeiten beim Drehen von korrosionbeständigen Stahlen

Zusammenfassung

In den Hightech-Betrieben kommt die Aufgabe, korrosionsbeständige Stahle zu drehen, oft vor, das Maß dieser kann auch ein Viertel der gesamten Drehaufgaben erreichen. Die Herstellerbetriebe sollen deswegen die Auswahl der Werkzeuge und die Anwendungsumstände gründlich analysieren. Der Artikel beinhält sämtliche Anwendungs- und Auswahlregeln, um die günstigsten Umstände zur spannenden Bearbeitung zu erreichen. Dieses Werk gibt einen Überblick bezüglich der wichtigsten Eigenschaften und Charakterzeuge der korrosionsbeständigen Stahle, die die Auswahl und die Anwendung der Drehplatten, bzw. die mit diesen erreichbaren Ergebnisse beeinflussen können. Außerdem führt der Artikel die wichtigsten Ergebnisse und Feststellungen der von den Autoren durchgeführten Dreharbeiten an den austenitischen korrosionsbeständigen Stahlen, vom Typ KO36, vor. Die Qualität des zu bearbeitenden Werkstoffes entspricht der DIN-Qualität 1.4514 X10 CrNiTi 18 9, bzw. der AISI-Qualität 321.

Acéltípus	Szabványos jelölés			Meyer- féle	Felkeményedési
	MSZ	DIN	AISI	kitevő (n)	hajlam
Kis C %-ú,	C45	Ck45	1045	2,15
ötvözetlen	BC3	16MnCr5	5115	2,15	kicsi
acélok	CMo3	34CrMo4	4135	2,15
Ötvözött,	50CV2			2,19
nagy C %-ú	CrV3	50CrV4	6150	2,22	közepes
acélok	C60	Ck60	1064	2,23
Ausztenites KO acél	KO36	X10CrNiTi 18 9	321	2,28	nagy