Témata
Zdroj: Šlechta

Nízkoteplotní nitridace pro zrcadlově leštěné formy

Vstřikování plastů patří mezi nejrozšířenější technologie na výrobu plastových dílů. Ty vynikají vysokou tvarovou a rozměrovou přesností a dokonalou kvalitou povrchu. V kombinaci s nízkou hmotností a výrobními náklady patří mezi klíčové konstrukční díly

Martin Daněk

Absolvent Fakulty elektrotechnické na ČVUT v Praze. Od roku 2013 se zabývá povlaky a tenkými vrstvami jak akademicky, tak hlavně pro průmyslové použití. Od roku 2019 pracuje jako manažer povlakování ve firmě Šlechta a zároveň se podílí na výzkumu a vývoji v rámci ČVUT v Praze.

Reklama

Formy pro lisování plastů trpí během svého životního cyklu opotřebením. I když materiál formy a tvrdost po tepelném zpracování splňují zadaná kritéria, často se stává, že se na vložkách objevují mikro i makro praskliny obzvláště dobře viditelné na zrcadlově leštěných površích (obr. 1). Tyto praskliny vznikají kvůli nevhodnému nebo urychlenému tepelnému zpracování během kalení, kdy se vytvoří příliš hrubá struktura materiálu, která není dostatečně houževnatá (obr. 2). Naštěstí díky vyvinuté technologii nízkoteplotní nitridace, a precizní a citlivé ruční práci během leštění, je možné takové formy opravit.

Obr. 1. Mikropraskliny na leštěném povrchu. (Zdroj: Šlechta)
Obr. 2. Hrubozrnná struktura po kalení. (Zdroj: Šlechta)

Problémy zrcadlově leštěných povrchů

Během leštění špatně leštitelných materiálů (nevhodně tepelně upravených) dochází k efektu „otevírání“ povrchu, kdy se prakticky z povrchu uvolňují zrna karbidů o velikosti 10–30 mikrometrů a povrch pak vykazuje defekty v podobě malých kráterů (viz obr. 3 a 4). Vypadávání zrn se děje nejen během leštění, ale i během lisovacího cyklu, kdy na povrch střídavě působí teplo a tlak, a vnáší do materiálu pnutí, a forma tak degraduje. Leštič pak musí z celého povrchu odleštit více než 30 mikrometrů a začít nanovo tvořit povrch, což je nejen časově velmi náročné, ale hrozí zde i narušení geometrie tvaru, a navíc je zde stále riziko, že se materiál otevře ještě na novém místě a cyklus se bude opakovat.

Obr. 3., 4. Krátery po vypadaných zrnech. (Zdroj: Šlechta)

Celkově oprava a leštění obtížně leštitelných materiálů vyžadují obrovské zkušenosti leštičů a správný lešticí postup, během nějž se kombinují různá přítlačná síla a různá lešticí média.

Reklama
Reklama

Rovný zrcadlově leštěný povrch je navíc velmi náchylný na udržení rovinnosti, neboť jakékoli zvlnění zaviněné proleštěním je na první pohled vidět jak na formě, tak na výlisku.

Obr. 5. Pohled na poškozenou formu. (Zdroj: Šlechta)

Nízkoteplotní nitridace

Pro zlepšení mechanických vlastností nástrojových ocelí je možné využít technologie nízkoteplotní nitridace (jinak známé jako pulzní plazmová difuze nebo s-fázová nitridace). Principem nízkoteplotní nitridace není tvorba nitridů v materiálu, ale pouze sycení materiálu dusíkem, který netvoří vazby, ale vstupuje do intersticiálních pozic v krystalické mřížce.

Mezi hlavní výhody nízkoteplotní nitridace patří vytvrzení materiálu až na 1 600 HV u nástrojových ocelí, výrazné snížení vzniku mikrotrhlin díky zvětšení kompresního tlaku v materiálu a oproti klasické nitridaci zvýšení odolnosti proti korozi.

Obr. 6. Výbrus nitridované oceli. (Zdroj: Šlechta)

Nízkoteplotní plazmová nitridace se provádí ve vakuu a pracovní proces se skládá z vakuování, nahřívání na pracovní teplotu a zároveň odplyňování kovu tak, aby tlak klesl na jednotky milipascalů a výpary vodní páry nevytvořily na povrchu oxid, a nezastavily tak difuzi. Následně je do komory přivedena směs plynů (nejčastěji Ar:N2:H2) a vytvořen doutnavý výboj mezi nástroji a stěnou aparatury. Doutnavý výboj a podmínky v plazmatu jsou řízeny pulzním zdrojem na frekvencích v řádu stovek kilohertzů. V plazmatu je ionizován dusík, který je záporným napětím okolo 700 V přitahován na díly.

Teplota během procesu se udržuje v intervalu 380–420 °C. Při vyšších teplotách dochází ke vzniku nitridů a při nižších teplotách nedifunduje dusík do materiálu. Je tedy jasné, že přesná kontrola teploty je klíčem ke kvalitní vrstvě. Je třeba brát v potaz, že různě hmotné díly, různé geometrie a různě drsné povrchy se nahřívají jinak rychle vzhledem k tomu, že depozice se odehrává ve vakuu a je možné použít pouze radiační přenos tepla.

Reklama

Zároveň je potřeba kontrolovat podmínky v plazmatu, a zejména to, aby byl doutnavý výboj v abnormálním režimu, aby byl rovnoměrně pokryt celý povrch dílů. U složitějších dílů je potřeba různé části, například na hranách, vykrývat kvůli větší intenzitě plazmatu. Firma Šlechta vyvíjela technologii nízkoteplotního nitridování v rámci výzkumně-vývojového projektu Nové nanostruktury pro inženýrské aplikace umožněné kombinací moderních technologií a pokročilých simulací, spolufinancovaného Evropskou unií.

Graf 1. Profil mikrotvrdosti v průřezu. (Zdroj: Šlechta)

Na grafu 1 je znázorněn profil mikrotvrdosti v průřezu vzorku. Mikrotvrdost byla měřena metodou Vickers 0,05. Testovací vzorky byly ze standardních nástrojářských ocelí 1.2343 a 1.2379 zakalených na 54 HRC, respektive na 62 HRC. Maximální naměřená tvrdost po procesu nízkoteplotní nitridace byla 1 200 HV pro 1.2343 a 1 600 HV pro 1.2379. Je jasné, že takováto tvrdost výrazně zvyšuje odolnost formy proti poškrábání a zároveň tím, že zasahuje pouze do hloubky 30 až 50 mikrometrů, zachovává výbornou houževnatost oceli. Právě pro leštění je výhodný i fakt, že vytvrzený povrch v sobě lépe drží jednotlivá zrna oceli, a ta pak nevypadávají z materiálu během leštění.

Obr. 7. Příklad opravované formy TK-421. (Zdroj: Šlechta)

Příklad využití leštění a nízkoteplotní nitridace pro opravu zrcadlového povrchu

Vložka TK-421 byla přivezena na opravu z důvodu otevírajícího se povrchu v cca 30 % své životnosti. Forma je z materiálu 1.2343 a je používána pro lisování dílů z PC v zrcadlovém lesku pro medicínský průmysl a jakákoli nedokonalost je ihned viditelná. Z materiálového listu vyplývá, že forma byla vyrobena v asijských zemích a bylo podezření na nedodržení správného procesu tepelné úpravy.

Vzhledem k hlubokému poškození se povrch celé vložky snížil o 0,15 mm. Po přebroušení se vložky „přebrouskovaly“ tak, aby byla zachována rovinnost lisovací části, a to s důrazem na dodržení správného technologického postupu pro leštění materiálů, kde se očekává otevírání. Hlavním uměním leštičů v této fázi je schopnost udržet stejný přítlak v ruce po celou dobu leštění, aby nedošlo k proleštění materiálu. V další fázi se vložka leštila elastickými nosiči do prvotního lesku, následně se celá forma tušírovala na tušírovacím lise ve firmě Šlechta, aby se zkontrolovalo, zda dělicí rovina na sebe správně doléhá.

Obr. 8. Forma během tušírování. (Zdroj: Šlechta)
Obr. 9. Opravená vložka. (Zdroj: Šlechta)

Po tušírování byla forma nitridována procesem a finálně doleštěna do nejvyšší kvality zrcadlového lesku na Ra 0,004 (obr. 10). To znamená, že nejvyšší schod na materiálu je zhruba 10 nm!

Obr. 10. Protokol z měření drsnosti po broušení a po konečném leštění. (Zdroj: Šlechta)

Oprava zrcadlově leštěných povrchů je náročná ruční práce vyžadující zkušené leštiče. Nově vyvinutý proces nízkoteplotní nitridace výrazně zlehčuje práci leštičů a zároveň zvyšuje životnost vložek. Nejen díky tomu je firma Šlechta schopna vyleštit díly z nástrojové oceli do Ra 0,004.

Související články
Úspěšný vývoj technologií pro zpracování termoplastových kompozitů

Konstruktéři tlačení požadavky na nižší hmotnost a lepší parametry svých konstrukcí stále více neváhají využít ve svých návrzích materiály, které byly dříve vyhrazeny pouze pro nejnáročnější high-tech aplikace. Díky tomu roste také poptávka po nenáročných výrobních technologií na výrobu konkrétního dílce z určitého materiálu.

Názorové fórum odborníků

V tomto vydání MM Průmyslového spektra se věnujeme mimo jiné tématu obráběcích strojů. Proto jsme s anketní otázkou oslovili zástupce výrobců a dovozců v této komoditě.
Čas jsou peníze. Každá minuta prostoje výrobního zařízení je nežádoucí, proto se dnes vedle vysoké produktivity u strojů očekává také jejich vysoká spolehlivost.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

Související články
Laserová i optická řešení a mnohem více

Pravidelné podzimní dny otevřených dveří uspořádala pro své současné i potenciální zákazníky koncem září společnost Lascam systems. Po tři dny mohli zájemci o laserové technologie navštěvovat showroom dceřiné společnosti Elya Solutions v Horních Počernicích, kde bylo v provozu více než sedm různých aplikací dceřiných i zastupujících společností. Jednotlivá stanoviště prezentovala široké portfolio aplikací a služeb, jež integrátorská společnost Lascam nabízí.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Pod dvou letech opět na EMO do Hannoveru

Od 16. do 21. září 2019 se uskuteční 22. ročník největšího světového veletrhu zpracování kovů EMO. Megaakce se koná opět v Německu, které je po Číně a USA třetím největším trhem obráběcích strojů na světě. Veletrhu se účastní téměř 2 100 vystavovatelů ze 47 zemí světa. Z České republiky se očekává účast 28 firem na ploše necelých 1 700 m2. Na minulý veletrh v roce 2017 přijelo do Hannoveru z České republiky přes 2 200 odborníků.

Rodinné stříbro pro plasty

„Historie zavazuje, budoucnost motivuje.“ To je motto české rodinné strojírenské společnosti Chodos Chodov s tradicí dlouhou již 136 let. Firma kompletně vyrábí stroje a zařízení pod vlastní značkou CHODOS pro gumárenský a plastikářský průmysl, včetně příslušenství, tzv. pod jednou střechou. Firma má již od roku 1962 vlastní výrobní program, který konstrukční a technologické oddělení zabezpečuje a rozvíjí do současné doby.

Rodinné podnikání v přesné strojařině

Brněnská firma VKV Horák se zabývá konstrukcí, vývojem a výrobou přístrojové mechaniky, přípravků, jednoúčelových strojů, forem pro vstřikování plastů, lití polyuretanových dílů a vakuovému tváření plastů. S jejím zakladatelem, panem Zdeňkem Horákem, jsme si povídali o aspektech podnikání v českém prostředí, o vzdělávání, kvalitě škol, průmyslu budoucnosti.

Automatizované pracoviště elektroerozivního obrábění

Společnost Mesit foundry má za sebou šedesátiletou zkušenost z výroby odlitků metodou vytavitelného voskového modelu a více jak padesátiletou historii výroby vstřikovacích forem. V současnosti je dodavatelem kvalitních vstřikovacích forem pro plasty a forem pro přesné lití kovů, které využívají zákazníci, například při dodávkách největším světovým automobilkám.

Revoluce v měření přišla s analogovým signálem

Když se dnes bavíme o moderních výrobních postupech, máme často na mysli využívání high-tech technologií, které je snahou stále více propojovat, automatizovat a sledovat. Tyto přístupy pomáhají výrobcům transformovat jejich výrobní procesy až do stadia nejvyššího – takzvané cyber factory –, přičemž vysoká jakost vyráběných dílů a úspora nákladů během výrobních procesů hrají nejdůležitější roli. Z tohoto jasně vyplývá nutnost investice také do měřicích systémů.

Nový pomocník do nástrojárny

Rodinný podnik Lukov Plast z Českého Dubu je profesionální firma s dynamickým vývojem a mnohaletými zkušenostmi. Zaměřuje se na vývoj a výrobu vzhledových i technických plastových dílů a elektro dílů pro automobilový průmysl. Jeho hlavní činností je výroba komponentů či celých sestav slunečních clon. Vlastní výrobu plastových dílů zajišťuje včetně výroby sériových nástrojů. V současné době disponuje 34 vstřikolisy a zhruba 550 vstřikovacími formami a několika montážními linkami.

Cena MM Award na EMO

Ocenění MM Award od našich německých kolegů z časopisu MM MaschinenMarkt je specialitou veletrhů pořádaných nejen v Evropě, ale po celém světě. Nejinak tomu bylo i na letošním hannoverském EMO, kde proběhlo slavnostní předání exponátům, které odbornou porotu zaujaly. Ceny jsou udělovány ve spolupráci se svazem VDW. Protože se jedná o jediné oficiální ceny udělované na veletrhu EMO a značky MM, VDW a EMO jsou dobře známé v oboru výrobní techniky, věnujeme jim svoji pozornost v retrospektivě veletrhu.

Kovový 3D tisk v průmyslové praxi

Výroba složitějších dílů technologií slévání či tváření a následným obráběním lze zvlášť ve fázi prototypování úspěšně nahradit technologií kovového 3D tisku. Šetří se čas, finance a v neposlední řadě lze získat konstrukčně složité díly, které by konvenčním způsobem nebylo prakticky možné vyrobit.

Jak zpracovat plán kontroly a údržby

V České republice je v provozu vedle velkých zpracovatelských průmyslových celků také překvapivě velké množství celků středních a malých. Dostupné statistiky hovoří o desítkách tisíc podnikatelských subjektů, které provozují technické celky ve zpracovatelském průmyslu. Pro všechny tyto celky, bez ohledu na jejich velikost, složitost, nebo stáří platí jedna základní skutečnost. Jejich porucha může v důsledku znamenat zastavení produkce se všemi důsledky.

Lipsko letos jenom digitálně

Tradiční dvojice veletrhů pro oblast strojírenství a subdodavatelského průmyslu Intec a Z v Lipsku se letos uskuteční v termínu 2.–3. března 2021 výhradně digitálně pod názvem „Intec/Z connect“. Společnost Leipziger Messe, pořadatel veletrhu, se takto rozhodla, neboť současný vývoj koronavirové pandemie a s tím spojená omezení neumožňují takto velkou akci smysluplně realizovat klasickou ani hybridní formou

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