Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Kalírenské nářadí z uhlíkového kompozitu
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Kalírenské nářadí z uhlíkového kompozitu

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.

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.

Další články

Materiály konstrukční kovové

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky














Sledujte nás na sociálních sítích: