Témata
Reklama

TCHP - převrat v řezných materiálech?

Podle ohlasů na prezentaci technologie TCHP americké firmy Allomet Corp. během červnové světové konference a výstavy práškové metalurgie PM2TEC 2003 v Las Vegas se zdá, že do strojařského světa vstupují tvrdé slinuté řezné a tvářecí PM materiály a prášky pro žárové stříkání s vysokou odolností vůči opotřebení

Základem materiálů TCHP (Tough-Core Hard Powders), v doslovném českém překladu s poněkud zavádějícím názvem tvrdé prášky s houževnatým jádrem (částicemi), jsou slinuté kompozitní nepravé slitiny tzv. pseudoslitiny materiálů vykazujících značnou míru alotropie (zde houževnatého povlaku W-Co, což je tvrdý substrát řezných slitin).
Reklama
Reklama
Reklama

Krátce k historii TCHP

Materiály TCHP, blízké cermetům, vznikly původně ve vývojovém oddělení společnosti EnDurAloy Corp., Savannah, dnes Allomet Corp., sídlící v jednom z center amerického průmyslu práškových materiálů a tvrdých kovů v North Huntingdonu u Pittsburghu v Pennsylvánii.
Komerčně byly TCHP poprvé představeny společností Powdermet Inc., Sunnyvale, California, na světovém veletrhu IMTS 2000 v Chicagu pod označením EternAloy(tm). Spojení s firmou Powdermet nebylo náhodné, protože i Powdermet vyvinul podobné materiály a na IMTS vystavoval fluidní technologie povlakování, použitelné i pro jiné práškové materiály.
Původní technologie ovšem vznikla již v roce 1997 a je včetně aplikací chráněna americkým patentem US Pat. No. 6 372 346, uděleným 16. 4. 2001 s předmětem patentu "Tough-coated hard powders and sintered articles thereof" a řadou dalších zahraničních průmyslových práv. Patenty je chráněn i vývoj firmy Powdermet včetně povlakování diamantu, známý jako DiaBond(tm), prášků MicroTec(tm) a fluidních technologií povlakování.
EnDurAloy poprvé připravila TCHP v roce 1998 v M3D, pobočce Battelle Labs. ve Švýcarsku. O rok později pak na prvním CVD reaktoru vlastní konstrukce vyrobila první TCHP prášky s částicemi TiN velikosti 1 µm.
Nová technologie je založena na využití vysoce tvrdých materiálů, z nichž jako jeden z prvních byl použit právě nitrid titanu TiN v mikronových či submikronových částicích, povlakovaných CVD nanovrstvami tvrdých karbidů WC nebo TaC a spojených pojivem na bázi kobaltu nebo niklu. Mimo TiN byly vyzkoušeny též nitridy zirkonu ZrN a hafnia HfN i tvrdé částice z oxidové keramiky ?-Al2O3. V materiálech TCHP, na rozdíl od konvenčních tvrdých materiálů, u nichž je nástroj ze slinutých karbidů WC-Co opatřen CVD povlakem pouze na povrchu, prostupují tvrdé částice jádra TiN s houževnatým povlakem WC a kobaltovým pojivem celým substrátem. Zatímco u povlakovaného nástroje dochází při opotřebení povlaku na čele nebo boku nástroje až na substrát k rychlé destrukci substrátu a výměně nástroje, u TCHP nástrojů je možno pokračovat v obrábění, příp. nástroj přebrousit nebo elektroerozivně a elektrochemicky upravit se životností až do vyčerpání geometrie.
Kritici TCHP uvádějí, že zastavení stroje a repase nástroje či vyměnitelných břitových destiček se nevyplácí, protože VBD dnes představují nákladově jednu z nejnižších položek při obrábění ve srovnání se strojním časem nebo řeznými kapalinami. Přiznávají však, že řezné schopnosti čistého TiN nelze srovnávat se substrátem WC-Co s vysokým stupněm opotřebení. Účinnost repase se stává komplikovanou u vícebřitových nástrojů.
Výhodou TCHP slinutých kompozitů je i to, že odpadá náročné mletí prášků jedné i více komponent, je-li k dispozici vhodný prekurzor pro CVD povlakování. Další výhodou v použití TiN nebo Al2O3 jako tvrdé složky je ve srovnání s WC jejich nižší hustota a vznik lehčího nástroje, což má svůj význam při eliminaci setrvačných sil ve vysokorychlostním obrábění.
Předností všech materiálů pro tvrdé fáze TCHP je vysoká teplota tavení: u TiN 2930 °C, ZrN 2980 °C, TiC 3140 °C, HfN 3305 °C, TaN 3360 °C, ZrC 3540 °C, TaC 3680 °C a 3890 °C u HfC proti 2870 °C u WC a z toho vyplývající teplotní stabilita.

Povlakování TCHP

Pro povlakování částic tvrdé fáze vyvinula firma Allomet povlakovací zařízení v podobě rotačního bubnu tvaru válce uloženého horizontálně se sklonem 5 - 10° k vodorovné ose a opatřeného pevnou hřídelí, na níž je ve tvaru volné šroubovice po celé délce bubnu protilehle upevněno hrablo a hřeben (obr. 3).
Při otáčivém pohybu bubnu vynáší šroubové hrablo povlakovaný substrát do výše, odkud padá na hřeben, jímž se prosévá a padá do středu bubnu s nejvyšší teplotou, kde se ve vznosu reakcí s procesním plynem prekurzorem povlakuje karbidem wolframu. Hřeben je originálním zařízením, v němž jsou na částice uplatňovány tahové, tlakové a střižné síly bránící aglomeraci prášku. Prekurzorem WC je karbonyl wolframu. Později se částice povlečené WC povlakují ještě pojivem kobaltu v požadovaném poměru WC : Co 4 až 21 hm. % Co z procesního plynu, jímž je karbonyl kobaltu. Tento postup zaručuje, že každá TCHP částice má rovnoměrný WC-Co povlak; na 1µm částicích TiN povlak tloušťky 129 nm představuje 75 % hmotnosti částice. Povlak WC účinně brání rozpouštění TiN kobaltem (na rozdíl od struktur běžných cermetů) a jeho rozpustnost v TiN při 1500 °C představuje pouze asi 6 % hm., tedy tloušťku kolem 7 nm.
Slinování TCHP
Pro slinování TCHP jsou možné dvě cesty:
  • pomocí procesu Sinter-HIP k dosažení tvaru "near net shape" či "net shape" včetně slinování v tekuté fázi LPS (Liquid Phase Sintering) nebo
  • klasické lisování s následným slinováním v podmínkách LPS.
  • Zkoušky LPS u TCHP byly úspěšně provedeny v květnu 2003 v laboratořích Pennsylvánské státní univerzity. Přitom bylo použito keramiky Al2O3 v prášku Al2O3 - WC - Co v poměru 35,1 : 57,9 : 1,5 v hm. % (při poměru WC : Co 97,5 : 2,5 % hm.) jako tvrdé fáze. Bylo tak dosaženo hmotnosti vysoko přes 90 % teoretické hmotnosti a smrštění 18,9 % obj.

    Srovnání s vývojem Powdermet

    Vývoj společnosti Powdermet připravuje prášky DiaBond z povlakovaného (enkapsulovaného) diamantu pro matrice z pojiv na bázi niklu, kobaltu, mědi a hliníku, především jako abraziva. Pro povlaky používá Ni, Co, W, WC, Cr, Cr3C2, Ti(C,N) Si, SiC, Al, Cu a nejnověji i rhenium v tloušťkách vrstvy 1 až 20 µm. Pro rheniové povlaky, označované DiaBond Re s Ni nebo Co pojivem, je jediným světovým výrobcem od uvedení na trh v roce 2000.
    Řada prášků MicroTec využívá povlakované mikronové a submikronové částice WC s pojivem Co velikosti 0,6 - 0,8 µm procesem MOCVD (MetalOrganic CVD) v kombinaci s fluidním povlakováním ve vznosu nanovrstvou 10 - 20 nm karbidu chromu Cr3C2 s cílem inhibice růstu zrna. To má za následek zlepšení odolnosti vůči opotřebení.
    Naproti tomu povlak částicemi Ti(C,N) snižuje součinitel tření. Speciálním typem je prášek MicroTec I15, složený z částic WC s 10 % Co velikosti 10 - 15 µm, povlakovaný 0,6 % hm. Cr2C3 pro vstřikování kovových prášků (MIM), a typ MicroTec T8012 s 0,8µm částicemi WC povlakovaný 12 % Co, který je určen pro žárové nástřiky. U řezných materiálů, připravených touto technologií, které představují jedny z materiálů budoucnosti, bylo při prvních zkouškách zjištěno výrazné zlepšení řezných výkonů.
    Fluidními technologiemi povlakování (enkapsulace) zpracovává Powdermet více než 30 elementů jejich slitin a sloučenin na technicky významné materiály pro strojírenství, elektroniku, mikrosystémovou techniku (MEMS), povrchové inženýrství a lékařskou techniku. Pro MIM jako proces "near net shape" umí vyrobit povlakované prášky ze zajímavých pokročilých kompozitních slitin, např. kompozitů AlN-Al, W-Cu, Mo-Cu i slitin tvrdých kovů W, WC-Co a TiC-Fe-Ni, z nichž se zejména malé výrobky jen velmi obtížně připravují obráběním. Řada materiálů povlakovaných MOCVD vznikla díky obrovskému rozmachu výroby organometalik jako prekurzorů pro CVD procesy v chemickém odvětví.
    Za vývoj fluidní technologie RFFB (Recirculating Fast-Fluidized Bed) povlakování částic velikosti pod 0,5 µm obdržela společnost Powdermet ocenění R&D 100 Award.

    Možnosti aplikace TCHP

    Od TCHP materiálů se očekává vysoká životnost řezných materiálů až do ztráty geometrie. Ani kritici nepopírají, že vysoká tvrdost a řezné schopnosti čistého TiN jsou vyšší než u substrátu WC-Co trpícího značným opotřebením, pokud dojde k opotřebení povlaku. Jistý problém představuje skutečnost, že dosud není na trhu komerčně vyrobený TCHP nástroj. Zde obhájci TCHP namítají, že i povlaky z polykrystalického a amorfního diamantu jsou teprve na počátku jejich komerčního rozšíření a povlaky z PKBN nejsou ani tam.
    Úspěšně však byly prášky TCHP vyzkoušeny pro žárové stříkání jako antiabraziva společností Caterpillar. Dalšími aplikacemi jsou dosedací a těsnicí plochy armatur, otěruvzdorné vnitřní povrchy vytlačovacích válců a návary šneků, rotační komponenty motorů a kompresorů. TCHP prášky jsou však schopny vytvářet i porézní povlaky žárových nástřiků tepelně izolačních bariér. Zcela nová a zatím neodhadnutelná řešení mohou přinést pro výrobu tvrdých mikrodílů "net shape" technologií vstřikování prášků (MIM).
    Reklama
    Vydání #12
    Kód článku: 31212
    Datum: 10. 12. 2003
    Rubrika: Trendy / Obrábění
    Autor:
    Firmy
    Související články
    Pohodlné upínání magnetem

    Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

    Strojírenské podniky v době pandemie

    Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

    Kloubový robot uvnitř stroje

    V oboru obráběcích strojů není potřeba japonskou společnost Okuma podrobně představovat. Je známá svým širokým sortimentem soustružnických, frézovacích a brousicích číslicově řízených obráběcích strojů. Nyní na trh přináší vlastní automatizační řešení v podobě robota Armroid.

    Související články
    Přesnost zvyšující produktivitu

    Zakoupení obráběcího centra Pama umožnilo společnosti Tajmac-ZPS zvýšit nejen její celkovou produktivitu, ale také geometrickou přesnost při výrobě důležitých komponent pro její vícevřetenové automaty.

    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Reklama
    Související články
    Prediktivní diagnostika přesnosti CNC strojů

    Jak přesný je náš stroj? Můžeme jeho parametry nějak zlepšit? Je stále ještě ve stavu, který předpokládáme? Často je obráběcí stroj pro uživatele černou skříňkou, která v optimálním případě produkuje shodné výrobky. Nemusí to tak zůstat a stav strojů lze i cíleně zlepšovat.

    Novinka z varnsdorfské líhně

    Přední evropský výrobce obráběcích strojů, TOS Varnsdorf, letos představil nečekanou novinku, která významně rozšiřuje nabídku výkonných obráběcích strojů z varnsdorfské líhně.

    Československá stopa u nového rekordu

    Nový rekord počtu návštěvníků jsme zaznamenali na letošním technologickém setkání WFL Millturn Technologies.

    Pro větší efektivitu ve výrobě

    Spolupráce mezi výrobcem obráběcích strojů Hurco a dodavateli automatizovaných nakládacích systémů má za následek vyšší produktivitu a větší výnosy. Automatizované nakládání umožňuje rozšíření kapacity v kusové a malosériové výrobě bez potřeby dalšího personálu pro obsluhu strojů. Nakládací roboty je možno také využít v bezobslužných směnách nebo o víkendech.

    Vlajková loď pětiosého obrábění

    Český výrobce obráběcích strojů Kovosvit MAS v letošním roce slaví úspěch se svojí high-tech produkcí, zejména s pětiosými vertikálními obráběcími centry řady MCU. Tyto stroje se daří firmě umísťovat na náročné trhy Evropské unie i jinde ve světě, cenné reference sbírají především v leteckém průmyslu.

    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.

    Plnění požadavků na čistotu ve výrobě

    Firma Rosler vyvinula pro výrobce systémů škrticích a výfukových klapek kompletní systém automatizovaného obrábění. Tento systém pokrývá operace od převzetí obrobku po třískovém obrábění přes proces surf finishingu a jemného čištění, nanesení kódu datové matice až po zabalení dílů do KLT obalů a jejich přesun do stohovacích kontejnerů.

    Optimalizace soustružení korozivzdorných ocelí

    Použití korozivzdorných ocelí pro inženýrské aplikace vždy do určité míry vedlo k technickému paradoxu. Zatímco konstruktéři jsou nadmíru spokojeni s tím, jaké pevnostní vlastnosti a korozní odolnost tyto běžně používané materiály nabízejí, výrobní inženýři už jsou asi méně okouzleni jejich typickým deformačním zpevňováním a všeobecně špatnou obrobitelností. Avšak průmyslovými odvětvími, jako jsou výroba čerpadel a ventilů, výroba zařízení pro ropný a plynárenský průmysl, automobilový a letecký průmysl, jsou součásti z korozivzdorných ocelí výslovně požadovány i nadále.

    CNC řízení pro rychlostní a multifunkční obrábění

    Výsledek obráběcího procesu v parametrech přesnost/rychlost/povrch je dán mnoha faktory na straně stroje, nástrojů, způsobu programování a upínání, přičemž může existovat i více cest k jednomu stanovenému cíli. V tomto článku bychom se chtěli zaměřit na CNC řídicí systém, který je dnes bezpochyby podstatnou a nenahraditelnou složkou tohoto procesu. Řídicím systémem přitom většinou rozumíme jak vlastní řídicí počítač, tak i pohony os a vřeten a systémy odměřování polohy.

    Robot s dvojitým uchopovačem zrychlil obsluhu CNC stroje

    Osvald Jensen A/S je dánská rodinná firma dodávající strojírenské produkty pod vlastní značkou. Ve své továrně v Dánsku firma vyvíjí a vyrábí součástky do převodovek pro široké spektrum využití. Zaměřuje se na produkci vysoce kvalitních šnekových převodovek, převodových ústrojí a ozubených kol nejrůznějších velikostí.

    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