Témata
Reklama

Kalírenské nářadí z uhlíkového kompozitu

18. 05. 2005

Tepelné zpracování nástrojů je dnes téměř výhradní záležitostí vakuových pecí. Vysoké kalicí teploty a rychlosti ochlazování nástrojových materiálů však kladou vysoké nároky i na materiál nářadí, roštů a přípravků. Stávající drahé niklchromové slitiny nebo molybden jsou s úspěchem nahrazovány uhlíkovými kompozity.

S rostoucím nasazením především v kosmickém a leteckém průmyslu, například na náběhové hrany, tepelné štíty, výtokové trysky, brzdové disky (i u vysokorychlostních vlaků), se uhlíkové kompozity s uhlíkovou matricí, vyztužené uhlíkovými vlákny (CFC - Carbon Fiber Reinforced Composite), stávají ekonomicky přístupnými a mnohdy lepšími náhradami tradičních materiálů na kalírenské nářadí, rámy, koše a rošty pecí pro kalení, slinování a vysokoteplotní pájení a topné elementy ve vakuových pecích a v pecích s ochrannou atmosférou.
Reklama
Reklama
Reklama

CFC jsou lehké a odolné proti tepelnému rázu

Typickým představitelem CFC kompozitu pro kalírenské nářadí je materiál Sigrabond 1501 G z produkce Graphite Specialties ze skupiny SGL Carbon Group v německém Meitingenu. Jeho vlastnosti a vlastnosti dalších typů tohoto materiálu, používaných i pro jiné účely, uvádí tab. 1.
Obecně mají kompozity CFC vysokou tvarovou stálost za vysokých teplot, jejich pevnost za tepla bez tečení roste, jsou odolné vůči tepelné únavě a cyklickému namáhání, nemají křehnutí, jsou lehké, s nízkou absorpcí tepla a odolávají korozi. Používají se ve stavu po vytvrzení při 1000 °C a po grafitizaci při 2000 °C. V inertních atmosférách a ve vakuu snáší teploty až do 2700 °C. Nabízí delší životnost, lepší přenos energie, větší vsázky a lepší využití pece, kratší cykly zpracování, optimální vhodnost pro automatizaci a podstatně nižší deformace obrobků a menší přídavky na obrábění. Pro kontrolu vad je významná i vysoká transparence rentgenového záření, umožňující defektoskopii dílů rentgenovým zářením o nižší intenzitě.

Lepší než nikl-chrom a molybden

Proti oběma materiálům mají kompozity CFC vyšší tvarovou stálost za tepla, excelentní odolnost vůči tepelnému rázu, nižší hustotu (jen 15 % proti molybdenu a 20 % proti Ni-Cr) a nižší tepelnou roztažnost. Vyrovnává se tak relativně vyšší měrná tepelná kapacita CFC. V porovnání se slitinami s 60 - 70 % Ni a 30 - 20 % Cr jsou imunní vůči nitridaci a s ní spojeným vznikem křehkých fází při kalení v dusíkové atmosféře.
Srovnání užitných parametrů niklchromové slitiny a kompozitu Sigrabond 1501 G naleznete v tab. 2. Hodnota parametru KT = sO. r-1cp-1 vyjadřuje vztah stability za tepla k absorpci tepla; čím je větší, tím jsou mechanicky namáhané díly z daného materiálu vhodnější pro provoz za vysokých teplot. Z hodnot je zřejmé, že nízká hustota CFC výrazně zvyšuje jeho použitelnost (pro molybden informace hodnoty sO a cp-1při 1000 °C neuvádí).
Kompozity CFC podléhají oxidaci již od teploty cca 350 °C a musí se chránit. Zlepšení vlastností CFC pro práci v nauhličující atmosféře při teplotách nad 1050 °C a v oxidační atmosféře do 1350 °C se dosahuje kombinací s kompozitem CSiC na bázi karbidu křemíku SiC, vyztuženým uhlíkovým vláknem, nebo s CFC infiltrovaným křemíkem za vzniku SiC. Povrchové vrstvy CFC se stávají CSiC s otevřenou porezitou pod 1 % a kompozit je použitelný i v oxidačních nebo nauhličujících podmínkách.
SGL Carbon vyrábí kalírenské nářadí z kompozitu Sigrabond 1501 G pro pracovní komory pecí různých výrobců vakuových pecí (např. Ipsen) a podle individuálních objednávek výrobců nástrojů (např. Gühring).

Topné elementy z CFC

Uvedené přednosti a měrný elektrický odpor CFC materiálů Sigrabond vedly, stejně jako u grafitu, k nasazení na topné články vakuových pecí a pecí s ochrannou atmosférou. Proti grafitu mají tyto materiály dvě hlavní přednosti: první je vysoká odolnost vůči deformaci a vysoká pevnost do lomu, druhou nízká absorpce tepla. SGL Carbon nabízí lehké deskové, tyčové, trubkové a spirálové elementy, vyráběné obráběním i podle individuálního designu v průměrech do 1600 mm a v délkách do 2500 mm.

Bez problémů nejsou ani CFC

Pro konstrukci nářadí i topných elementů mají CFC materiály dvě závažné nevýhody: první je tvarové omezení sortimentu na desky, tyče, profily a trubky, druhou pak odkázání spojování materiálů téměř výhradně na přelaminování nebo na mechanické způsoby, a to pomocí šroubů, matek, svorníků a čepů. To vyžaduje značný podíl obrábění - řezání, frézování, vrtání, soustružení, řezání závitů a drážkování ve výrobě nářadí. Na druhé straně to umožňuje individuální výrobu topných elementů, kalicích přípravků a roštů na míru.

Obrábění řeší diamantové povlaky

Donedávna představovalo obrábění uhlíkového kompozitu značný problém, protože CFC se chová jako křehký materiál, přičemž nástroj je namáhán značným třením s vysokým podílem abrazivního opotřebení, při němž se nevytváří typická tříska, ale prach jako u grafitu. Řešení bylo nalezeno užitím nástrojů, a to především stopkových nástrojů, s vícevrstvými nanokrystalickými diamantovými povlaky (multivrstvami), dovolujícími obrábění na sucho. Díly pro kalírenské účely se obrábí na postačující drsnost povrchu Ra = 5 - 15 µm. Nástroje se osvědčily podobně jako již u grafitu, keramiky, slitin titanu, hořčíku a siluminů s obsahem křemíku až 20 % a dále u kompozitů s kovovými, skleněnými a keramickými vlákny. SGL Carbon obrábí kalírenské CFC nářadí nástroji s diamantovými povlaky z povlakovacího střediska CemeCon ve Würselenu v Německu.

I pro jiné vysokoteplotní díly

Kompozity CFC jsou vhodné i na zavážecí zařízení pecí včetně řetězů z plochých článků, díly pecí pro PVD procesy, součásti sklářských, keramických a smaltovacích pecí a strojů (nesmáčí se roztaveným sklem), protlačovací matrice, zápustky a matrice pro izostatické lisování za tepla (HIP) výrobků z nitridu bóru (CBN), formy pro tvarování kompozitních dílů a superplastické tváření titanových slitin pro leteckou a kosmickou techniku. Profilová těsnění z materiálu Sigrabond jsou ověřena pro těsnění pecí a petrochemických zařízení.
-ab-
Tabulky a obrázky naleznete v tišené verzi časopisu.
Reklama
Vydání #5
Kód článku: 50505
Datum: 18. 05. 2005
Rubrika: Inovace / Materiály
Autor:
Firmy
Související články
Aplikace nanomateriálů ve strojírenství

Nanotechnologie umožňují vývoj nových generací kompozitů s vylepšenou funkčností a širokou škálou aplikací. V současnosti nanokompozity představují mnoho aplikací v mnoha průmyslových oborech. Užitné vlastnosti nanomateriálů vyplývají z jejich výjimečných fyzikálních a chemických vlastností, velikosti, tvaru či povrchové morfologii. Velikostní efekt (size efect) umožňuje výrazně zlepšovat užitné vlastnosti konvekčních materiálů. Nanotechnologie díky svému inovačnímu potenciálu již dnes výrazně ovlivňují moderní průmyslové produkty.

Pokročilé slitiny mědi a vysoce odolné mosazi

Společnost FRW Carobronze, která se specializuje na dodávky slitin mědi s pokročilými technickými vlastnostmi výrobcům v různých oborech, doplnila svoji řadu vysoce specializovaných slitin mědi o kované nebo vytlačované polotovary ze slitiny CuNi14Al2 (UN14A2) a kované nebo vytlačované polotovary z vysoce odolných mosazí CuZn19Al6 (UZ19A6) a CuZn23Al4 (UZ23A4).

Termomechanické zpracování

Globální svět s možností volného cestování a neomezeného přístupu k informacím s sebou přináší riziko chybných nebo nepřesných překladů odborných pojmů z jiných jazyků. Ve své praxi vysokoškolského lektora s předchozí zkušeností technologa se setkávám zejména v posledních letech se značným rozvolňováním odborných pojmů, které mohou vést až k matení odborné veřejnosti. V tomto příspěvku se pokusím stručně shrnout přehled a podstatu technologických postupů, označovaných v češtině pojmem termomechanické zpracování (TMZ, resp. TMP, z anglického thermomechanical processing, což odpovídá též pojmu thermo-mechanical treatment – TMT).

Související články
Fórum výrobních manažerů

Jak se odráží ve vaší výrobě stále přetrvávající nedostatek materiálových vstupů? Jak to ovlivňuje chod vaší firmy, plánování průchodu zakázky výrobou? Navýšení cen surovin musíte pravděpodobně promítnout do výsledných cen vašich produktů. Jak na to reagují odběratelé?

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

Zcela jiné možnosti s aditivními technologiemi

Nadnárodní společnost General Electric napříč všemi svými dceřinými společnostmi neustále prohlubuje obrovské know-how. Vlastní zkušenosti s vývojem aditivně vyráběných částí zejména pro potřeby leteckého průmyslu přesahující již dvě dekády daly podnět ke vzniku zákaznického centra. GE Additive otevřela v roce 2017 zákaznické centrum (Customer experience center – CEC) kousek od Mnichova, kde firmám nabízí pomoc s nelehkými začátky s aditivními technologiemi.

Finance pro podnikání - Zaostřeno na úspory energie

„Je lepší dobrý úvěr a podpora úvěru než dotace. Jen tak se prokáže životaschopnost projektu.“ To jsou slova Ing. Vladimíra Fabera, zakladatele a dnes předsedy dozorčí rady české strojírenské společnosti FMP.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Vliv složek ochranných atmosfér na WAAM

Svařování v současné době není už pouze technologií ke spojování materiálů. S rozvojem aditivní výroby strojních součástí lze tento proces využít také pro výrobu komplexních a geometricky složitých součástí. Technologie WAAM využívá svařování pro vrstvení jednotlivých svarových housenek do tvaru vyráběné strojní součásti a je charakterizována mnoha proměnnými – mimo jiné i účinky ochranné atmosféry. Cílem příspěvku je zhodnotit vliv jednotlivých složek ochranných atmosfér používaných pro MAG svařování.

Cena MM Award na EMO 2019

Také v roce 2019 došlo na udílení cen MM Award. Jedná se o oficiální a jediné ceny udělované na veletrhu EMO. Porota i letos vybírala z mnoha přihlášených exponátů, nejen německých výrobců. Do užšího výběru se jich dostalo jen pár, a nakonec bylo rozdáno pět hlavních cen v pěti kategoriích. S prázdnou neodešly ani firmy, jejichž produkty se ocitly na druhém a třetím místě. I v tomto roce došlo k jistému „posunu“ ve vnímání obsahu jednotlivých kategorií, a tedy i oceněných produktů. Pojďme se podívat na vítězné exponáty podívat jednotlivě. Je to lehký nástin toho, jak EMO vidí němečtí kolegové.

Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Kombinace technologií slévání a 3D tisku

Aditivní technologie přinášejí do oboru slévárenství nový pohled na věc a výrazně ovlivňují nejen proces výroby odlitků, ale i myšlení pracovníků ve slévárnách. Aditivní výroba zásadním způsobem mění zavedené pracovní postupy, systémy práce s výrobní dokumentací, technickou přípravu výroby a technologii výroby odlitků. Mění také možnosti konstrukce odlitků včetně jejich tvarové náročnosti. Proto můžeme bez přehánění tvrdit, že celou slévárnu a její postup výroby odlitků lze vměstnat do jednoho stroje - 3D tiskárny na kovy.

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