Témata
Reklama

Budoucnost nástrojových materiálů bez kritických kovů

V současné době jsou nejrozšířenějšími nástrojovými materiály slinuté karbidy a nástrojové oceli. Slinuté karbidy, tedy cermety tvořené vysokým podílem karbidů, převážně karbidu wolframu, a dále TiC, TaC a NbC, a kobaltem jako pojivem jsou využívány především pro výrobu výměnných břitových destiček pro strojní obrábění, případně vrtáků do zdiva a betonu. Díky výborné otěruvzdornosti a velmi dobré lomové houževnatosti jsou v poslední době tyto materiály využívány pro různé aplikace, jako je obrábění ocelí, litin i neželezných kovů.

Druhou stále významnou skupinou nástrojových materiálů jsou nástrojové oceli, z nichž většinu představují oceli legované. Hlavními legujícími prvky pak jsou karbidotvorné prvky (W, V, Mo, Cr), které spolu s vysokými obsahy uhlíku vytvářejí tvrdé karbidy. Chrom, uvedený výše jako jeden z hlavních legujících prvků, nabyl na významu ve východním bloku v období minulého režimu, protože se na území bývalého Sovětského svazu nacházejí značné zásoby chromu. Proto byly vyvíjeny materiály, které neobsahovaly vůbec žádné, případně obsahovaly pouze malá množství legujících prvků, které by musely být dováženy mimo země východního bloku. Tak vznikla stále populární nástrojová ocel pro práci za studena „POIDi 2002“ (ČSN 19 436), obsahující kromě železa pouze cca 2 hm. % C a 12 hm. % Cr.

Podobné úvahy nastávají i v současnosti, kdy některé suroviny jsou pro Evropskou unii obtížně dostupné, finančně nákladné a vytvářejí ekonomickou závislost na zemích mimo EU. Ty byly Evropskou komisí definovány v podobě tzv. kritických surovin (critical raw materials – CRM). Seznam těchto surovin je znázorněn na obr. 1 v červeně ohraničené a šrafované oblasti v pravém horním rohu diagramu.

Je zřejmé, že tato ekonomicko-politická stránka není pro současné nástrojové materiály příznivá, protože se mezi definovanými kritickými surovinami nacházejí prvky běžně využívané v nástrojových materiálech (wolfram, chrom, niob) a další je těsně pod hranicí (molybden).

Reklama
Reklama



Obr. 1. Kritické suroviny podle Evropské komise.
Pro zvětšení kliněte na obrázek.

Možnosti řešení problematiky kritických surovin

V Evropské unii v současnosti probíhají aktivity snažící se tuto problematiku řešit. Možná řešení jsou následující:

  • zvýšení recyklace obsažených kritických kovů;
  • náhrada některého z obsažených kritických kovů;
  • design zcela nového materiálu bez obsahu kritických kovů.

Na substituci kritických kovů je zaměřen EIP Commitment „Sustainable substitution in extreme conditions“ (SUBST-EXTREME), kterého se z České republiky účastní VŠCHT Praha, TU Liberec a rovněž výrobce nástrojů ze slinutých karbidů Pramet Tools. Na tyto aktivity rovněž navazuje akce COST CA15102 „Solutions for Critical Raw Materials Under Extreme Conditions“ (CRM-EXTREME). Aktivity probíhající v České republice řeší především třetí z výše uvedených přístupů.

Obr. 2. Mikrostruktura kompozitu TiC/NiTi vyrobeného práškovou metalurgií

Vývoj v oblasti nástrojových ocelí

Nástrojové oceli, především oceli pro práci za studena a rychlořezné oceli, obsahují značná množství karbidotvorných prvků spadajících na seznam CRM. Mezi tyto prvky patří wolfram, jehož ložiska se nacházejí především v Číně, dále chrom se značnými zásobami v Rusku a těsně pod hranicí kritických kovů pak molybden s 80 % zásob v USA. Jak je uvedeno výše, chrom jako legující prvek se začal v nástrojových ocelích využívat ve významném množství ve východním bloku (ocel 19 436 a další modernější varianty, jako např. 19 573). Vzhledem k výborným vlastnostem těchto ocelí, obsahujících tvrdé karbidy M7C3, byly obdobné materiály adoptovány i v jiných částech světa a vznikla tak mimo jiné populární ocel AISI D2. Rovněž byla v nedávné minulosti intenzivně studována možnost dalšího zlepšení vlastností těchto typů nástrojových ocelí legováním niobem, který tvoří stabilní karbidy typu MC. Tyto tvrdé, avšak zároveň křehké karbidy však při tuhnutí značně hrubnou a tvoří řetízkovité struktury. Oceli legované niobem je tak možné vyrábět jen technikami práškové metalurgie zahrnujícími výrobu prášků s využitím rychlého tuhnutí taveniny (tzv. atomizace taveniny) a následného zhutňování izostatickým lisováním za tepla. Tento postup se již v průmyslové praxi využívá při výrobě ocelí komerční řady VANADIS, takže je výroba v současné době řešitelná. Avšak ačkoliv niob může částečně nebo zcela nahradit některé kritické kovy (wolfram, chrom), naneštěstí je rovněž na příslušném seznamu kritických kovů. Obdobně jako niob se však v oceli chová titan, který rovněž tvoří vysoce stabilní a tvrdé karbidy typu MC. Právě titan tak může být v kombinaci s výrobou moderními postupy práškové metalurgie budoucností pro nástrojové oceli.

Možnosti náhrady slinutých karbidů

Slinuté karbidy jsou díky svému složení a dosud nezastupitelné pozici ve strojírenském průmyslu značnou ekonomickou hrozbou pro EU, protože jsou tvořeny téměř výhradně kovy přítomnými na seznamu kritických surovin (kobalt, wolfram, niob). Proto probíhá intenzivní hledání možností náhrady kritických kovů v této skupině materiálů. Možné přístupy jsou následující: úplná nebo částečná náhrada pojivového materiálu – kobaltu – nebo karbidotvorného kovu – wolframu a niobu, případně vývoj zcela nového konceptu materiálu bez kritických kovů. Náhrada kobaltového pojiva je v současné době možná využitím molybdenu, případně niklu. V kombinaci s niklem se zejména v Japonsku a USA využívá i náhrady karbidu wolframu karbidem titanu. Tyto cermety TiC/Ni, případně TiC/NiMo se vyznačují mechanickými a tribologickými vlastnostmi blížícími se WC/Co, ale rovněž vyvolávají další problémy. Tím hlavním je značné alergické působení niklu až na 20 % populace, s čímž souvisejí další nároky na ochranné pracovní pomůcky a hygienu na pracovišti. Zajímavou alternativou by mohly být cermety TiC/FeCrMn, mající velmi dobré mechanické vlastnosti, zejména vysokou lomovou houževnatost.

Komplexním řešením náhrady stávajících nástrojových materiálů s obsahem CRM by se mohly v budoucnu stát nové materiály vyvíjené v České republice v rámci výše uvedených mezinárodních aktivit (SUBST_EXTREME a COST CA15102), které využívají zajímavých vlastností intermetalických sloučenin. Koncept spočívá ve vytvoření kompozitního materiálu s keramickou výztuží, avšak matrice není tvořena kovy nebo slitinami na bázi tuhého roztoku, ale vhodným typem intermetalické sloučeniny. Dosud bylo popsáno několik materiálových kombinací – intermetalika železa (FeAl, Fe3Al) s oxidovou (Al2O3) nebo karbidovou (SiC, TiC) výztuží, intermetalická sloučenina NiTi vyztužená karbidem titanu (obr. 2), fáze TiAl s výztuží TiC nebo Al2O3. Podle dosavadních výsledků se jako perspektivní výztuž jeví karbid titanu v kombinaci s některou z výše uvedených intermetalických matric. Tribologické i mechanické vlastnosti jsou velmi dobré, zvláště pokud jsou tyto materiály zpracovány moderními postupy práškové metalurgie s využitím mechanického legování a slinování metodou Spark Plasma Sintering, díky čemuž dosáhnou ultrajemnozrnné struktury.

Závěr

Cílem příspěvku bylo shrnout současné vývojové trendy v oblasti nástrojových materiálů vynucené ekonomicko-politickou situací v podobě seznamu kritických surovin. Na řešení náhrady CRM se intenzivně pracuje i v ČR a již byla nastíněna perspektivní řešení.

Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT v Praze

Pavel Novák

Paja.Novak@vscht.cz

//ukmki.vscht.cz/

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 170527
Datum: 10. 05. 2017
Rubrika: Trendy / Obrábění
Autor:
Firmy
Související články
Expert na mikroobrábění

V loňském roce na MSV v Brně uvedla společnost Kovosvit MAS nové pětiosé vertikální centrum MCU450. Symbolicky na stánku společnosti Siemens, která pro prototyp stroje dodala řídicí systém, pohony, motory a zároveň rozváděč osazený ze 100 % komponenty Siemens. Již na veletrhu bylo oznámeno, že prvním zákazníkem obráběcího centra MCU450 bude katedra technologie obrábění Fakulty strojní Západočeské univerzity v Plzni. Vznikla intenzivní spolupráce mezi Kovosvitem MAS, Siemensem a vysokou školou, která již přináší první výsledky: aktuálně společnými silami zmíněné subjekty úspěšně řeší mikroobrábění. Předmětem jejich zájmu je těleso náramkových hodinek.

Vysokoteplotní kluzné vrstvy vanadu

Intenzifikace řezných procesů zvyšuje teplotu řezů. S tím souvisejí mimo jiné zvýšené nároky na tepelnou stabilitu použitých otěruvzdorných povlaků. Možným řešením je vývoj PVD povlaků s funkcí vysokoteplotních lubrikantů, které jsou schopny snížením koeficientů tření řezné teploty snižovat. K jedněm ze slibných a již studovaným systémům patří PVD vrstvy s přídavkem vanadu, které za vysokých teplot tvoří Magnéliho oxidické fáze se zmíněnou schopností. Velkým problémem je však trvanlivost těchto fází při mechanickém namáhání v průběhu obrábění. Příspěvek je věnován některým praktickým aspektům přípravy PVD vrstev CrVN a jejich vlastnostem.

Soustružení korozivzdorných ocelí novými řeznými materiály

Pro vysoce produktivní soustružení korozivzdorných ocelí vyvinula společnost Tungaloy Corporation nové řezné materiály destiček s označením T6100 a AH600, které se nyní dostaly také na český trh. Tyto nové karbidové materiály přináší koncovému uživateli vyváženou skladbu destiček poskytujících výraznou odolnost proti vylamování břitu a otěru při středním až vysoko-rychlostním soustružení.

Související články
Od tlakové slévárny až po kompletní výrobu

Outsourcing u sléváren a kováren nabývá na důležitosti. Přesun obrábění od OEM výrobců do sléváren vedl k tomu, že se řada tlakových sléváren přeorientovala na kompletní výrobu. Příkladem je závod Ljunghäll v České republice, který s podporou firmy Grob rozšířil výrobu z tlakového lití na dodávky komplexních dílů pro automobilový průmysl.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
EMO Hannover 2013: část 8 - upínání obrobků

V tomto vydání se již naposledy v ucelené monotematické retrospektivě poohlédneme po loňském veletrhu obráběcí techniky EMO Hannover. Autor tohoto příspěvku se zaměřil na problematiku upínání obrobků. A co nového v této oblasti firmy nabízejí? Čtěte dále.

EMO Hannover 2013: část 7 - Technologie, které mnohdy nejsou vidět

Význam a odborný dopad hannoverského veletrhu EMO je tak zásadní v oboru technologie obrábění, že se mu věnujeme na stránkách MM Průmyslového spektra i čtvrtý měsíc po zavření bran výstaviště. Tentokrát přinášíme ucelený pohled na materiály použité ve stavbě strojů.

Aditivní výroba unikátních řezných nástrojů

Aditivní technologie jsou jedním z nosných pilířů Průmyslu 4.0. Od roku 2014, kdy v ČR 3D tisk kovů odstartoval „ve velkém“, byla o této problematice napsána celá řada publikací, díky nimž je tato technologie považována za poměrně známou. Jedním z průkopníků 3D tisku v ČR je firma Innomia, která přinášela informace o technologii DMLS do povědomí českého průmyslu již několik let před tímto zmiňovaných boomem.

Náhrada drahých legur v metalurgii slitin neželezných kovů

Přesto, že tradiční a ověřené slévárenské procesy v posledních desetiletích nezaznamenaly významné změny, nedá se totéž říci o procesech metalurgických. Mimo jiné je kladen stále větší důraz na chemické složení slévárenských slitin a to jak z hlediska jejich čistoty, resp. obsahu nežádoucích či doprovodných prvků, tak z hlediska přídavků prvků zlepšujících jejich vlastnosti.

Nejmodernější slévárna litin v Evropě

V příspěvku jsou stručně popsány segmenty výroby tekutého kovu a bentonitových forem pro odlitky ve slévárně Kasi postavené na zelené louce v letech 2010 a 2011 v Novém Bydžově - Zábědově.

Stroje pro to nejcennější

Než před 40 lety Fran Phillips založil svou firmu, pracoval jako samostatný obráběč - zručný kluk s frézkou a soustruhem v éře vesmírných závodů, kdy NASA velkoryse proměnila slib prezidenta J. F. Kennedyho v realitu, z čehož mohla těžit každá schopná obráběcí dílna v zemi. Jedna ze součástí, které tehdy Fran vyrobil, se stále nachází na Měsíci, přesně tam, kde ji astronauti z lodi Apollo zanechali. Oproti tomu jedna ze součástí, které vyráběl nedávno - stejně špatně dostupná, ale mnohem blíže domovu - je přesně a natrvalo usazena v jeho vlastní páteři. Stejně jako tisíce dalších pacientů z celého světa i Fran Phillips žije s implantátem vyrobeným na CNC obráběcích strojích Haas ve městě Elmwood v americkém státě New Jersey, kde sídlí firma Phillips Precision Medicraft (PPM).

Víceúčelová linka chemicko-tepelného zpracování

Mnoho kalíren, ať už zakázkových, či vnitropodnikových ocení kompaktní, univerzální a spolehlivé zařízení pro chemicko-tepelné zpracování ocelí v plynné atmosféře, které umožňuje změnu zakázky z jednoho druhu chemicko-tepelného zpracování na jiný během několika minut a které lze na základě požadavků zákazníků rozšířit o další moduly, a tak pružně rozšiřovat nabízenou paletu služeb.

Odlehčovací optimalizace 3D tištěné frézy

Vývoj v oboru obrábění se tradičně potýká s mimořádným dynamickým zatížením soustavy na straně jedné a požadavky na přesnost a produktivitu obrábění na straně druhé. Nalezení takové konstrukce nástroje, která odolá extrémním provozním podmínkám, a přitom umožní proces obrábění urychlit, může vést k zefektivnění výrobního procesu. Příkladem toho může být vývoj odlehčené frézovací hlavy. Dosavadní konstrukce obráběcích nástrojů vycházely z jednolitých plných tvarů zaručujících vysokou tuhost na úkor dynamických vlastností nástroje. Změnou vnitřní struktury je však možné najít optimum mezi těmito protichůdnými požadavky.

Horké komory pro práci s radioaktivním materiálem

V Řeži u Prahy bylo vybudováno nové výzkumné centrum, jehož součástí byla také výstavba kom-plexu horkých komor. Účelem výstavby bylo vytvořit pracoviště pro bezpečnou práci s vysoce radi-oaktivním materiálem. Po pěti letech budování se na začátku roku 2017 podařilo úspěšně zahájit aktivní provoz laboratoří, které jsou schopné zpracování, mechanického testování a mikrostrukturní analýzy radioaktivních materiálů (tlakové nádoby, vnitřní vestavby reaktorů, pokrytí paliva) s aktivi-tou až 300 TBq 60Co, materiálů pro reaktory III. a IV. generace a fúzní reaktory.

Slévání hliníku s velkou tradicí

Společnost Kovolis Hedvikov se již dlouho specializuje na tlakové slévání hliníkových slitin a nabízí svým zákazníkům kompletní řešení v této oblasti. Připravili jsme pro vás reportáž, která představí celou společnost a necháme vás nahlédnout do nynějšího výzkumu a vývoje.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit