23. – 25.11.2010, Jihlava, Česká republika
VLIV POVRCHU NA UŽITNÉ VLASTNOSTI VÝROBKU
Antonín Kříž
Tento příspěvek vznikl na základě dlouhodobé spolupráce s průmyslovou
společností HOFMEISTER s.r.o. a řešení průmyslového projektu
FI-IM4/226, který je hrazen z rozpočtu MPO i spolufinancován
z prostředků firmy.
Tato prezentace je ke stažení na: www.ateam.zcu.cz
Na semináři „Technologie tepelného zpracování kovových povrchů“
24.11 .- 25.11..2009 Jihlava
byla presentována přednáška
INTEGRITA POVRCHU V OBLASTI TEPELNÉHO
ZPRACOVÁNÍ
Byly uvedeny:
souvislosti mezi stavem povrchu a tepelným zpracováním
základní pojmy k integritě povrchu
faktory ovlivňující integritu povrchu
první praktické ukázky sledování integrity povrchu
2
DŮLEŽITOST POVRCHU
Když povrchu rozumíme, tak lze odvodit celou řadu
souvislostí a praktických dopadů.
Finální
vlastnosti
výrobků
jsou
významně
ovlivňovány
vlastnostmi
povrchových
a
podpovrchových vrstev. Objem provozních lomů
v současnosti tvoří více než z 90% únavových
poškození. Toto poškození má nejčastěji svoje
iniciační místo na povrchu součásti.
Výjimkou bývají některé významné strukturní, metalografické i konstrukční
chyby (vměstky, trhliny, povrchově překalená vrstva materiálu, zápichy aj.),
které mohou přesunout iniciaci dále od povrchu.
Z tohoto důvodu je nutné vlastnostem povrchu věnovat značnou
pozornost.
Pro komplexní posouzení povrchových stavů byla zavedena
INTEGRITA POVRCHU
Jejím cílem bylo komplexně podchytit povrchový stav, neboť zde působí mnoho
vlivů, které ovlivňují výsledné vlastnosti. Tyto vlivy působí společně a lze je
rozdělit na vnější a vnitřní.
Vnější vlivy:
Mechanické (provozní napětí)
Chemické (koroze)
Fyzikální (záření, bludné proudy apod.)
Kombinace více vlivů (koroze pod napětím, elektrochemická koroze, ale také
technologické procesy např. obrábění, tepelné zpracování, tváření)
Vnitřní vlivy:
Zbytková napětí
Morfologie povrchu (drsnost)
Materiálové a mechanické vlastnosti povrchu (tvrdost, zpevnění, strukturní stav,
povrchová úprava např. vrstvy, povlaky)
Přítomnost povrchových a podpovrchových vad a heterogenní struktura (uhlík
v litině, vměstky, řediny)
4
INTEGRITA POVRCHU - norma ANSI B211.1 1986
Symbol integrity povrchu
5
Jiný pohled na integritu povrchu
Geometrická přesnost
Drsnost povrchu a jeho profil
Tvrdost
Změna struktury
Zbytková napětí
Chemicko-tepelné změny – opaly, oduhličení, nauhličení
Trhliny – praskliny
Změny fyzikálních i chemických vlastností
Pro porozumění řeči povrchu je nutné vnímat
všechny výše uvedené faktory v požadovaných
souvislostech.
6
INTEGRITA POVRCHU
Integrita povrchu zahrnuje celou řadu faktorů, které
je nutné nejen změřit, ale je zapotřebí jim také
rozumět.
Integrita povrchu dává dobré výsledky pouze, když
všechny výsledky jsou ve správném souznění.
Těžkosti tohoto souznění jsou zachyceny v tomto
příspěvku.
Drsnost povrchu a jeho profil
Využití konfokálního mikroskopu Olympus LEXT 3000
Profil v 3D náhledu
8
Měření příčné drsnosti
Ra - 0,4509 µm
Wt – 0,4676 µm
9
Měření plošné drsnosti
Lineární drsnost Ra 0,6 µm
Plošná drsnost SRa - 0,39µm
10
Nosná (Abbotova) křivka profilu
Dva odlišné povrchy se stejnou hodnotou Abbotovy křivky profilu
11
Profil povrchu
12
Změna struktury
Narušení povrchu dřeva řezem 
Narušení povrchové litinové vrstvy grafitem
13
Zbytková napětí
Měření zbytkových napětí je věnována celá řada publikací. Problém nastává nejen
s volbou metody stanovující s určitou (ne)přesností, ale také s její interpretací
a využitelností v samotné praxi.
Pro zjištění zbytkových napětí se používají metody přímého a nepřímého zjištění:
- mechanické (odleptávání, odvrtávání) založené zejména na měření deformací po
odstranění části vzorku
- optické
- magnetické (pomocí Barkhausenova šumu)
- ultrazvukové (princip: vztah mezi napětím a rychlostí ultrazvukových vln v materiálu
-difrakce (využívající rozptyl buď rentgenového záření, nebo toku neutronů)
14
Měření zbytkových napětí RTG difrakční analýzou u otvorů z oceli C45
Struktura je heterogenní
V oblasti feritu je větší deformace
Rozložení tlakových zbytkových napětí po obvodě vyvrtaného otvoru
15
Rozložení zbytkových napětí u odlišně zhotovených otvorů – soustružení, vrtání
Trhliny - praskliny
16
Změny fyzikálních i chemických vlastností
Povrch vyvrtané litiny ČSN 422420 - oblast 1– pouze vrtáno;
oblast 2 – přechodová oblast do tvářeného povrchu; oblast 3 tvářený povrch;
4 – zahlazený povrch.
Pološný podíl koroze
0,35
vzorek 240/1
podíl korozního napadení
0,3
vzorek 800/1
0,25
vzorek 240/2
0,2
vzorek 800/2
0,15
0,1
0,05
0
0
5
10
15
20
25
30
čas [m in]
Koroze u vzorku broušeného
„papírem 240“
„papírem 800“
17
35
40
45
50
55
60
Dalším úskalím je po správném vyhodnocení stavu povrchu vyřazení nevhodných
výrobků na základě predikování jejich chování v provozu. Ačkoliv je již publikována
celá řada literárních pramenů pojednávající o integritě povrchu, přesto se ještě
nedostaly tyto poznatky do povědomí strojírenských firem, aby je bylo možné zařadit
do kritéria posuzující kvalitu výrobku.
Je nutné hledat souvislosti mezi laboratorně naměřenými výsledky popisující
povrchový stav a reálnými vlastnostmi, nebo další možností je použít ověřenou
metodu, která poskytuje přímé vazby na užitné vlastnosti.
Jedním z těchto měření je metoda IMPACT TESTU. Tato analýza byla
presentována na minulém ročníku konference METAL 2009.
18
19
Impact kráter – snímek ŘEM
Co se může na povrchu přihodit?!
Místy na obrobeném povrchu (především v případech konkurenčních nástrojů)
jsou patrné objekty s odlišnou orientací stop po vrtacím nástroji. Jedná se
o vytrhaný a překlopený materiál.
Mechanismus odtrhávání
Nejdříve dochází k popraskání povrchové vrstvy. Část této vrstvy se
odtrhne a dojde k jejímu překlopení o 180° a opětnému zalisování
20
Co se na povrchu přihodilo!
Obráběný materiál – C45
Je viditelné praskání a odlupování zpevněné povrchové vrstvy.
Průměrná tloušťka zpevněné vrstvy je 12,0 ± 4,3 μm.
Tloušťka zpevněné vrstvy je u tohoto vrtáku nejvyšší (až 18 μm).
21
Praktické využití integrity povrchu
Nástroj od firmy BAUBLIES
Stupeň deformace v souvislosti
s obrobeným povrchem
Válečkovaný povrch obsahuje tlakové napětí
a
tím
nabízí
alternativu
tepelnému,
chemickému popř. CHMTZ zpracování.
22
Výsledky vztahující se k integritě povrchu vrtaných
otvorů o délce 3D s přesností IT6-IT7
V projektu jsou řešeny nástroje pro obrábění hliníkové slitiny AA6082 ve
stavu T6, nástrojové oceli 19436.6, uhlíkové oceli 12050.1, šedé litiny
ČSN422420 a niklové slitiny Inconel 718. Záměrně byly voleny takto
odlišné materiály, protože záměrem firmy je postihnout celou výrobkovou
řadu vrtáků pro všechny svoje stávající i budoucí zákazníky.
Presentace praktických výsledků se věnuje dosaženým výsledkům, které
byly získány z analýzy integrity povrchu vyvrtaných otvorů v litině
ČSN 422420.
23
Podmínky experimentu
Byly hodnoceny vyvrtané otvory zhotovené třemi
různými vrtacími nástroji, které byly odlišné
konstrukce. Jejich označení je A; B; C.
Rozměry vrtaných válečků: d = 26 mm, l = 36 mm.
Po vyvrtání otvorů o průměru 12mm byly válečky
podélně rozřezány na jednotlivé elementy, tak aby na
nich bylo možné analyzovat obrobený povrch.
Byly provedeny tyto experimenty: - Topografie povrchu ve 2D a 3D;
- Drsnost povrchu; - Mikrostruktura povrchu; - Mikrotvrdost;
- Nanoindentační měření mikrotvrdosti; - Scratch test; - Korozní testy;
- Impact test.
Testované vzorky – výřez z vyvrtaného dílu
24
Stav povrchu vrtaných otvorů
Snímky povrchů jednotlivých otvorů byly vzájemně porovnány a to nejen
vizuálně, ale také pomocí obrazové analýzy.
Princip vytrhávání povrchové části
vrtaného otvoru
Stav povrchu elementu vrtaného nástrojem
A
B
25
C
Nástroj
A
1
Stav povrchu
Objem vytrhaného
povrchu
[%]
37,06
2
B
1
49,63
2
C
1
2
56,68
Stopy na obrobeném povrchu bez vazby na podmínky obrábění a stav
nástroje A.
Nejnižší množství vytrhaného povrchu vykazuje element vrtaný nástrojem
A a to 37 % z celkové měřené plochy. Naopak nejvyšší množství
vytrhaného povrchu, zhruba 57 %, způsobuje vrtací nástroj C. Vrtací
nástroj B vytváří přibližně 50 % vytrhaného povrchu.
27
Stav povrchu vrtaných otvorů ve 3D
Povrch - nástroj A
Povrch - nástroj B
28
Povrch - nástroj C
Při vizuálním hodnocení snímků pořízených konfokálním mikroskopem je
zřejmé, že nejvyšší kvalitu povrchu dosahuje povrch vytvořený nástrojem A.
Je to dáno především tím, že tato obrobená plocha disponuje nejmenším
množstvím vytrhaného povrchu. Tento závěr potvrzují také níže uvedené
snímky představující reprezentativní lokální profily povrchu (délka 640 mm)
jednotlivých vrtaných otvorů.
Profil povrchu otvoru vrtaném nástrojem
A
B
C
29
Mikrostruktura povrchu
V případě nástroje A je obrobený povrch více rovinný než v následujících
případech nástrojů B; C. Lze také najít místa, kde je povrch narušen
vytržením podpovrchového grafitu.
Povrch – nástroj A
Povrch – nástroj B
Povrch – nástroj C
30
Tenká zpevněná povrchová vrstva – nástroj A
31
Povrchová a podpovrchová mikrotvrdost
Tool - borer
Průměr povrch
Odchylk
a
Průměr jádro
Odchylk
a
A
298,8
106,24
285,2
90,64
B
296
52,8
349
61,2
C
300,2
74,08
356,6
33,28
Nanoindentační měření mikrotvrdosti
Umístění vtisků v jednotlivých oblastech
Nanoindentační měření bylo provedeno při
zatížení 250mN po dobu 12s.
Hodnoceny byly tři elementy „posledních válečků“ vrtaných analyzovanými
nástroji. Měření bylo provedeno v oblasti základního materiálu tj. vrtáním
32
neovlivněné oblasti (a). Další oblastí byl obrobený povrch (b).
Ze všech třech hodnocených vzorků dosahuje element vrtaný nástrojem A
v obráběné oblasti „b“ nejvyšší nanoindentační mikrotvrdosti. Průměrná
hodnota je HIT=6677±575 MPa.
Nástroj B vytváří zpevněný povrch s průměrnou hodnotou nanoindentační
mikrotvrdosti HIT=6528 ± 1079 MPa. Průměrný podíl elastické deformace
u nástroje B je nejvyšší ze všech nástrojů, a to 27,2%.
Nejnižší průměrný podíl elastické deformace 24,5 % vykazuje element
vrtaný nástrojem C. Průměrná hodnota nanoindentační mikrotvrdosti HIT
v případě nástroje C je HIT= 6529 ± 1079 MPa.
Průměrné zvýšení nanoindentační mikrotvrdosti HIV z oblasti „a“ do oblasti
„b“ je v případě nástrojů B a C shodný, a to o 47 %. U nástroje A je tento
nárůst 55 %, tj. následkem vrtání a doprovázející plastické deformace došlo
k největšímu zpevnění.
33
Výsledky nanoindentační mikrotvrdosti HIT v jednotlivých oblastech
34
Analýza povrchu metodou „SCRACH TEST“
3D snímek vrypu zdokumentovaný pomocí
konfokálního mikroskopu
Princip měření objemu vrypu
35
Tool A [mm ]
A
B
C
D
Aritmetický průměr
0,0287
0,0283
0,0288
0,0261
0,02798±0,00063
Z hodnot objemu vrypů scrach testu na obrobeném
povrchu litiny je zřejmé, že největší objem vrypu, a tedy
i nejnižší povrchovou tvrdost vykazuje element obrobený
nástrojem A. Naopak nejmenší objem vrypu byl naměřen
na elementu vrtaném nástrojem B.
36
?
Testy korozní odolnosti
Korozním prostředím byl zvolen 3 % roztok NaCl v destilované vodě.
Teplota okolí při testu se pohybovala od 25-27 °C. Dokumentace byla
provedena pomocí stereolupy vždy po 5 minutách. Snímky byly hodnoceny
pomocí obrazové analýzy LUCIA a získané výsledky byly zobrazeny do
grafů.
Nejrychleji korodovaly vzorky vrtané nástrojem B. Ostatní vyvrtané díry
vykazovaly v průběhu testu velmi podobné vlastnosti.
Tool B
0,7
0,35
0,6
0,3
0,5
START
0,4
CENT
ER
END
0,3
0,2
0,1
0,25
START
0,2
CENT
ER
END
0,15
0,1
0,05
0
0
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
čas [min]
37
zkorodovaná plocha
zkorodovaná plocha
Tool A
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
čas [min]
Testování odolnosti povrchu při cyklické kontaktní analýze
Vzorky byly podrobeny stejnému zatížení 5 000 úderům s nejnižší
nastavitelnou energií. Cílem testu bylo citlivě zachytit vlastnosti
povrchových oblastí, u kterých se očekávalo odlišné ovlivnění
jednotlivými řeznými nástroji.
Z analýz kráterů vyplývá, že rozměry kráterů nedosahují výrazných
rozdílů. Je to způsobeno tím, že stav obrobených povrchů nedosahuje
výrazných odlišností, které by byly zvolenými podmínkami impact testu
postižitelné. Při detailnějším prozkoumání rozměrů i charakterů defektů
v kráteru byl povrch obrobený nástrojem C hodnocen lépe, než zbývající
dva nástroje.
38
ZÁVĚR
Nástroj
A
B
C
1. Množství vytrhaných částic
7
4
4
2. Nestejnoměrnost povrchu
3
4
4
3. Tloušťka efektivního zpevnění
1
2
2
4. Procentuální pokrytí povrchu zpevněnou vrstvou
4
2
2
5. Teplotní ovlivnění během obrábění na povrchu
obrobku
Nezaznamenáno
6. Změny během vrtání jednoho otvoru
7
6
7
7. Změny mezi prvním (zářez) a posledním otvorem
7
6
6
8. Výsledky korozních testů
7
4
8
9. Kontaktní namáhání – Impact test
7
6
8
Součet bodového hodnocení (nejvyšší počet –
nejlepší)
43
34
41
1
3
2
Pořadí
Download

Doc. A. Kříž