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
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
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.

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.

Související články
Vyvrtávání hlubokých otvorů

V současné době jsou kladeny stále vyšší nároky na nástroje pro obrábění. Čím dál více se obrábí těžkoobrobitelné a různé nestandardní materiály. K tomu jsou obrobky po konstrukční stránce čím dál složitějšími.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Věnujte pozornost vedlejším časům při obrábění

Firma Grumant se již 25 let zabývá prodejem nástrojů a strojů pro třískové obrábění. Zároveň je již známo to, že klade silný důraz na podporu svých zákazníků. 25 let zkušeností jejích techniků ukazuje, že řada zákazníků se soustředí hlavně na kontrolu a optimalizaci strojního času a přehlíží ztráty časů vedlejších. A právě zkrácení vedlejších časů je klíčem k razantnímu zvýšení produktivity, zisku a překvapivě i cesta jak odlehčit problému nedostatku kvalifikovaných obráběčů.

Obrábění těžkoobrobitelných materiálů

Stále rostoucí požadavky výrobců proudových motorů vyžadují kontinuální vývoj žárupevných materiálů. Klasické metody obrábění jsou zde na hranici svých možností, efektivní alternativou je elektroerozivní řezání drátovou elektrodou.

Dokonalé povrchy řezných nástrojů

Leštění řezných hran nástrojů je čím dál žádanějším procesem v oblasti strojírenství. Stalo se již zřejmým faktem, že stav řezných hran má obrovský vliv na životnost nástroje a řeznou charakteristiku. Existuje dnes zajímavá alternativa dobře známým procesům, jako je broušení nebo tryskání. Je to úprava řezných hran pomocí vlečného omílání.

Nástroje pro přesné a výkonné obrábění

Společnost WNT v nedávné době uvedla na trh celou řadu novinek v oblasti technologie obrábění, které mají pro své uživatele řešení pro svoji univerzálnost v použití, stabilitu procesu obrábění, ekonomičnost provozu a v neposlední řadě procesní spolehlivost.

Nový utvařeč třísek

Neustále probíhající vývoj nové technologie povlakování, známé pod obchodním označením Dragonskin, pokračuje ve společnosti WNT vytvořením nové řady vyměnitelných břitových destiček pro soustružení s inovativní geometrií utvařeče třísky -XU. Zaměřením na tvarové a všeobecné soustružení řeší tento utvařeč mnoho problémů zejména v operacích, kde je vyžadováno dokonalé utváření třísky.

Úspora vedlejších časů

V současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělánV současné době se firmy v České republice potýkají s nedostatkem pracovníků. Obzvláště citelná je tato situace v oblasti strojírenství, kde jsou na pracovníky kladeny vyšší požadavky na vzdělání a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci. í a praxi v oboru. Nelze ani očekávat, že se situace sama zlepší nebo nás zachrání zahraniční pracovníci.

Nový pohled na moderní CAM programování v praxi

Při své dennodenní praxi se odborníci firmy Grumant u svých zákazníků opakovaně setkávají s tím, že jsou programy připravovány přímo na strojích. Důsledkem toho jsou ztráty strojní kapacity a dále dochází ke ztrátě kontroly nad výrobním procesem z hlediska použitých strategií a řezných podmínek. Ani tam, kde se již používá CAM programování, nemusí být vyhráno. O tom, jak revolučně vidí CAM programování ve firmě Grumant, pojednává tento článek.

Progres v navyšování podílu na trhu

Skupina Plansee Group dosáhla v hospodářském roce 2017/18 konsolidovaného obratu 1,3 miliardy euro, což znamenalo nárůst o 11 % ve srovnání s předchozím obdobím. V rámci bilanční tiskové konference konané v Reutte o tom informovali členové představenstva Bernhard Schretter a Karlheinz Wex.

Nové perspektivy v obrábění titanových draků letounů

Rostoucí využití titanu pro aplikace v leteckém průmyslu je za poslední léta velmi dobře zdokumentováno. Stejně tak se tématem diskuze a zkoumání staly i problémy spojené s efektivním, produktivním a vysoce kvalitním obráběním tohoto oblíbeného materiálu. Každá obrobna chce samozřejmě při frézování titanu optimalizovat výkonnost použité frézy, ale bez vhodných technologií a správného know-how to nemusí být až tak snadné. Díky převratnému objevu se však v současnosti začínají v této oblasti věci měnit.

Zrod (a znovuzrození) břitové destičky

Prakticky veškeré výrobky z kovů se obrábějí pomocí břitových destiček – ať už se jedná o letecký průmysl, výrobu energetických zařízení, nebo oblast spotřebního zboží. Břitové destičky jsou využívány ve velkém měřítku a pro širokou škálu aplikací, od frézování masivních bloků motorů a tvarového obrábění forem využívaných výrobci sportovní obuvi až po obrábění číselníků. Seznam požadavků na břitové destičky je dlouhý: vysoká odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost, vysoké rychlosti úběru kovu a maximální spolehlivost, a to i v náročných podmínkách, jako jsou složité dráhy nástrojů nebo hluboké dutiny, špičková výkonnost při obrábění za sucha i za mokra a vynikající kvalita obrobené plochy při dodržení přísných tolerancí.

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