Koledar

Junij - 2017
P T S č P S N
  01 02 03 04
05 06 07 08 09 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
27 28 29 30  

no news in this list.

Kontakt

Tel.: 01 4701 800

Faks.: 01 4701 939

e-pošta: info[@]imt.si

Laboratorij za vakuumsko in toplotno obdelavo

Enokomorna vakuumska peč Ipsen VTTC324-R s homogenim plinskim ohlajanjem pod visokim tlakom

Vodja laboratorija:

 

prof.dr. Vojteh Leskovšek

01/4701 870

 

 

Center za vakuumsko toplotno in kemotermično obdelavo (CVT&KTO) orodnih in hitroreznih jekel je bil ustanovljen leta 1985 z nakupom najsodobnejše vakuumske peči IPSEN VTTC-324R (slika 1), ki je bila podlaga za tehnološke  raziskave na področju brezogljične okolju prijazne in energetsko varčne vakuumske toplotne obdelave orodij.

 

Pomemben  dejavnik, ki vplivajo na trajnost orodij, je toplotna obdelava po kateri orodno jeklo, dobi kritične lastnosti, ki povečajo odpornost jekla proti prevladujočemu mehanizmu nastanka poškodb. Optimalni postopek toplotne obdelave je  mogoč  v sodobnih vakuumskih pečeh s hitrim ohlajanjem v toku dušika, helija, vodika ali mešanice različnih plinov pod visokim tlakom. Karakteristike peči zagotavljajo optimalne možnosti vakuumske toplotne obdelave najzahtevnejših orodij za delo v vročem, za delo v hladnem in orodij za brizganje plastike. 

 

Reaktor za nitriranje v pulzirajoči plazmi METAPLAS-IONON (slika 2), je izdelan po najnovejših spoznanjih za nitriranje kompleksnih orodij in strojnih delov izdelanih iz jekla, titana in titanovih zlitin. S kontroliranim modificiranjem delovnih površin orodij in strojnih delov povečamo odpornost proti obrabi, zmanjšamo koeficient trenja, povečamo trajno dinamično trdnost in korozijsko odpornost, s postopkom oksinitriranja pa tudi estetski videz.   

 

 

Raziskovalno delo

Z uvajanjem novih materialov, tudi nano-materialov, so povezani novi procesi na podlagi plazemskih tehnologij (npr. PACVD, PVD itd), ki bodo v prihodnjih letih ključne poleg že uveljavljeni vakuumskih tehnologij za kovinsko predelovalna podjetja in orodjarne, ki sodelujejo z avtomobilsko industrijo in bodo hotele ohraniti konkurenčnost. Za prenos tovrstnih tehnologij je za vsako od  novo razvitih vrst materialov  potreben nov nabor procesnih stopenj in zmogljivosti, nov pristop pri karakterizaciji mikrostruktur, ki omogočajo razumevanje različnih lastnosti in njihova medsebojne vplive. Ta dinamičen, interaktiven razvoj se nadaljuje in zahteva poglobljeno razumevanje vseh dejavnikov, ki so vključeni v uvajanje novih vrst materialov in tehnologij v uporabo. Zato je bil vsa ta leta CVT&KTO tudi raziskovalno ploden, rezultate pa se je trudil čim hitreje presaditi v industrijsko prakso.

 

Cilindrični natezni preizkušanec za merjenje lomne žilavosti z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko v dnu zareze. Vse dimenzije so v mm.

Odmeven dosežek doma in v tujini je bil razvoj metodologije merjenja lomne žilavosti KIc krhkih orodnih in hitroreznih jekel. V primeru materialov z nizko duktilnostjo je določevanje lomne žilavosti  zelo zahtevno in posebej zahtevna in draga je izdelava atomarno ostre utrujenostne razpoke v korenu zareze kaljenega in popuščenega standardnega CT-preizkušanca. Problemi s katerimi se srečujemo pri izdelavi utrujenostne razpoke so odločujoče pripomogli k iskanju alternativnih preizkusnih metod za določevanje lomne žilavosti. Ena od alternativnih metod določevanja lomne žilavosti, ki smo jo razvili na IMT, je določevanje lomne žilavosti s cilindričnimi nateznimi preizkušanci z zarezo po obodu in utrujenostno razpoko (KIc-preizkušanec), (sl. 3), ki jo izdelamo v vrtilno-upogibnem režimu že pred končno toplotno obdelavo [1]. Ena od prednosti KIc-preizkušancev v primerjavi s CT-preizkušanci je, da dosežemo ravninsko-deformacijsko stanje s preizkušanci manjših dimenzij [1]. 

 

Prednost takšnih preizkušancev v primerjavi s standardnimi CT-preizkušanci (ASTM E399-90)  je tudi njihova radialna simetrija. Zato so še posebej primerni za opredelitev vpliva mikrostrukture kovinskih materialov na lomno žilavost. Izoblikovanje mikrostrukture po obodu je popolnoma enakomerno zaradi radialno simetričnega odvajanja toplote. Pri merjenju lomne žilavosti trdih in krhkih kovinskih materialov, kjer nam zaradi velike zarezne občutljivosti le s težavo, če sploh, uspe izdelati razpoko z utrujanjem, lahko utrujenostno razpoko na tovrstnemu preizkušancu izdelamo še pred končno toplotno obdelavo.

 

 

To nam je omogočilo, da smo pri vakuumski toplotni obdelavi orodnih in hitroreznih jekel, lomno žilavost KIc, uvedli kot drugi parameter. Na ta način lahko iz diagrama popuščanja za jeklo izbrano, za specifično operacijo, izberemo najprimernejše razmerje med žilavostjo in trdoto. Taki diagrami popuščanja nam omogočajo, da izberemo parametre vakuumske toplotne obdelave s katerimi to tudi dosežemo pri izbranem jeklu, (slika 4).

 

Vpliv temperature avstenitizacije in popuščanja na trdoto HRc in lomno žilavost KIc vakuumsko toplotno obdelanega jekla za delo v vročem H11

Na osnovi poznane lomne žilavosti lahko izračunamo kritično velikost napake, ki jo orodno jeklo pri lomni napetosti še prenese, (slika  5). 

 

Vpliv temperature avstenitizacije na lomne napetosti za jeklo H11
Možnosti izdelave različnih preizkušancev iz KIc-preizkušanca

Tudi pri raziskovalnem delu so stroški eksperimentov pomembni, zato po meritvi lomne žilavosti, dele KIc-preiskušancev uporabljamo še za meritve trdote, upogibne trdnosti, tlačne trdnosti, določitev eksponenta deformacijskega utrjevanja, analizo prelomnih površin, mikrostrukturno analizo ter za izdelavo preizkušancev za ostale tribološke in tehnološke preizkuse, ki so pomembni za razumevanje obnašanja orodnih in hitroreznih jekel v praksi, slika 6. 

 

Ker so vse meritve izvedene na istem preizkušancu, lahko za različne lastnosti ugotovimo v kakšni medsebojni povezavi so posamezne lastnosti.

 

Na osnovi te enačbe je mogoče teoretično pojasniti vpliv mikrostrukture hitroreznih in ledeburitni jekel na lomno žilavost. Namreč, s toplotno obdelavo jeklu s spreminjanjem mikrostrukture, spreminjamo lastnosti!

Odmeven znanstveni dosežek je razvoj pol empirične enačbe (1), ki omogoča, da na osnovi trdote Rockwell-C, volumskega deleža zaostalega avstenita faust, volumskega deleža neraztopljenih evtektičnih karbidov fc, srednje razdalje med temi karbidi dp, kumulativnega deleža   karbidov in/ali karbidnih skupkov, ki so > acrit  (acrit , kritična velikost napake) in modula elastičnosti E, izračunamo lomno žilavost za hitrorezna in ledeburitna jekla s trdoto HRc večjo od 57 HRc [2].

 

Za orodni jekli za delo v vročem H11 in H13, je razvita empirična enačba (2) s katero na osnovi udarne žilavosti Charpy-V in trdote Rockvell-C ocenimo lomno žilavost orodnega jekla:

 

kjer je CVN absorbirano udarno delo in HRc trdota Rockwell-C [3].

Na sliki 7 je prikazano ujemanje med eksperimentalno določeno lomno žilavostjo in lomno žilavostjo izračunano na osnovi enačbe (2) za jekli H11 in H13.

 

Primerjava med eksperimentalno določenimi vrednostmi lomne žilavosti KIc in izračunanimi pri enaki trdoti, za jekli H11 in H13 iz CVN udarne žilavosti in trdote HRc z enačbo (2)

Tovrstne ocene so še posebej pomembne v primeru analize vzrokov nastanka poškodb orodja (npr. prelom orodja med obratovanjem itd.), pri katerem ni mogoča izdelava standardnih ali nestandardnih preizkušancev za določevanje lomne žilavosti. Možno pa je izrezati metalografski obrus v primeru hitroreznih in ledeburitnih jekel ali v primeru orodnega jekla za delo v vročem CVN-preizkušanec. 

 

Na področju modificiranja delovnih površin orodij z nitriranje je pomemben razvoj metodologije merjenja lomne žilavosti nitridne plasti z metodologijo vtiskovanja Vickersove piramide pri različnih obtežbah, (sl. 8).

Vickersov vtis na krhki nitridni plasti; Palmqvist-ove razpoke, difuzijska plast, spojinska plast

Za relativno tanke krhke plasti na relativno žilavem substratu, kot so različne nitridne plasti na orodnem jeklu, smo ugotovili, da je za oceno lomne žilavosti primerna enačba, ki jo je razvil Shetty [ 4 ], na osnovi  pojava Palmqvistovih razpok [ 5 ]:

 

kjer je P obtežba, a je polovica srednje dolžine diagonale in je srednja dolžina razpok [6].

 

Pomemben rezultat raziskav na področju nitridnih plasti je  ugotovitev, da lahko na osnovi izmerjenega profila mikrotrdote, določimo globino maksimalnih tlačnih napetosti, kar omogoča optimizacijo postopka nitriranja tako, da globino maksimalnih napetosti dosežemo v področju maksimalnega Hertzovega tlaka, kar povečuje trajno nihajno trdnost, (slika  9) [7].

 

Primerjava profila mikrotrdote, njegovega odvoda po globini in izmerjenega profila zaostalih napetosti na nitriranem jeklu za delo v vročem H11

Podeljeni so bili tudi trije patenti, in sicer za  »Indukcijsko ogrevano celico za toplotno in kemotermično obdelavo kovin v zvrtinčeni plasti: Patent SI 9800119”; “Dvostranski lamelni skobelni nož za obdelavo kovin, lesa itd., sestavljen iz nosilne lamele iz konstrukcijskega jekla in dveh enako dolgih vendar ožjih in tanjših lamel iz kabidne trdine WC-Co: Patent SI 9600034 A in Povečanje trdote površine zlitine FeAl(ut.%) s postopkom nitriranja v pulzirajoči plazmi : patent SI  9600014.

 

Najnovejše raziskave so usmerjene v področje podhlajevanja orodnih jekel v tekočem dušiku in nanašanja trdih prevlek po PACVD dupleks postopku, ki je ključen za trajnost velikih kompleksnih orodij za oblikovanje naprednih visoko trdnostnih jekel (AHSS), katerih trdnost presega  800 MPa, (slika 10) [8].

PACVD dupleks več plastna trda prevleka TiB2/Ti-B-N (21plasti)/TiN, na jeklu za delo v vročem H11

V primeru preoblikovanja AHSS jekel je pomembno, da pri orodju optimiramo sistem; trda prevleka /modificirana površina/ orodno jeklo z ozirom na kritične lastnosti, t.j. trdota/ duktilnost/ žilavost in omogočimo doseganje lastnosti, ki povečujejo odpornost sistema proti prevladujočemu mehanizmu nastanka poškodb (obraba, plastična deformacija, krušenje, prelom in lepljenje), (slika 11).

 

Slika 11. Profil mikrotrdote HV0,1 in HV0,003 ter lomne žilavosti KIc, nitriranega vzorca iz jekla H11 z nanosom več plastne trde prevleke iz TiB2/Ti-B-N/ TiN, nanesenih po dupleks PACVD postopku.