Kodácsy, János

Kovács, Zsolt Ferenc

Viharos, Zsolt János

SZTAKI Publication Repository

 LV. évfolyam, 2015. 2. szám GépGyártás 125 A forgácsolhatóság meg-határozásának módszerei Ni-bázisú szuperötvözetek horonymaráskor  Kodácsy János*, Viharos Zsolt János, Kovács Zsolt *Kecskeméti Főiskola, kodacsy.janos@gamf.kefo.hu Absztrakt A publikáció a Rene108 és a GTD111 jelű, Ni-bázisú szuperötvözetek horonymarása terén végzett elméleti és kísérleti munka eredményeit foglalja össze. Amellett, hogy a szerzők forgácsolhatóság megítélésére új elméleti mutatószámokat vezettek be, a forgácsolási vizsgálatok során erő, nyomaték valamint hőmérséklet mérésére alkalmas eszközöket és módszereket is alkalmaztak. A kapott eredményeket táblázatokban és diagramokban foglalták össze úgy, hogy azokban feltüntették a C45 és KO36Ti jelű referencia anyagokra kapott eredményeket is, megkönnyítve ezzel százalékos viszonyszámokon alapuló mutatószámok értelmezését. Kulcsszavak: forgácsolhatóság; Ni-bázisú szuperötvözet; horonymarás; forgácsolási nyomaték; forgácsolási hőmérséklet  1. Bevezetés Az energetikai, a repüléstechnikai valamint az űrkutatáshoz kapcsolódó iparágban egyre szélesebb körű a Ni-bázisú szuperötvözetek felhasználása. Valamennyi ötvözet közös jellemzője a nagy szilárdság, a rossz hővezető képesség, a hő- és korrózióállóság és a paramágnesesség. Az üzemi tapasztalatok szerint forgácsoláskor a hornyok marása okozza az egyik legnagyobb problémát. A  horonymarók igen intenzíven kopnak, sűrűn törnek, teljesítőképességük kirívóan alacsony. Az ismertetésre kerülő elemző és kísérleti munka során a Rene108 és a GTD111 ötvözetek horonymarási lehetőségeit vizsgáltuk. Az első részben irodalomból ismert módszereket [1] is figyelembe véve elméleti, összehasonlító forgácsolhatósági értékelést végeztünk, felhasználtuk a technológiai ajánlásokat, majd horonymarási kísérletekkel igyekeztünk feltárni az anyagleválasztás nehézségeinek valódi okát.  2. A vizsgált anyagok kémiai összetétele és tulajdonságai A vizsgált anyag speciális vákuumöntéssel előállított Rene108 (B50A936) és a GTD111 (B50A719) Ni-bázisú szuperötvözet, melyek kémiai összetétele az 1. Táblázatban látható. A táblázat referencia anyagként tartalmazza még a KO36Ti (X6CrNiTi1811) ausztenites korrózióálló és a C45 jelű ötvözetlen szénacél ide vonatkozó adatait is [2], [3]. A C45 jelű acél a forgácsolhatósági vizsgálatok általánosan elfogadott referencia anyaga, míg a KO36Ti az erős Ni-ötvözés, az ausztenites szövetszerkezet és a rossz hővezető-képesség miatt jött számításba.  A 2. Táblázat a forgácsolhatóság szempontjából lényeges mechanikai tulajdonságokat, a 3. Táblázat, a fizikai tulajdonságokat foglalja össze [4].  126 GépGyártás LV. évfolyam, 2015. 2. szám   Fe % Ni % C % Si % Mn % Cr % Co % Al % Ti % W % Mo % Ta % Zr % B % Hf % Rene108  63,3 0,07   8,00  9,00 5,25 0,60 9,30 0,40 2,80 0,005 0,01 1,3 GTD 111  62,37 0,08   13,7 9,00 2,80 4,70 3,50 1,40 2,4  0,05  KO36Ti 68,8 11 0,1 1 0,50 18   0,6       C45 98,9  0,45 0,17 0,50               Anyag Szakítószilárdság,  MPa Nyúlás  A5,% Kontrakció  Z , % Keménység  HB, N/mm2 Keménység HRC Rene108 1331 8 10  42,1 GTD111 1310 5 5  41,4 KO36Ti 490 40 55 180  C45 610 16 40 230      Anyag Fajlagos tömeg  ρ, kg/m3 Hővezetőképesség 20 °C-on λ, W/m·K Fajhő 20 °C-on c, J/kg·K Rene108 8130 12,10 0,444 x 103 GTD111 8000 12,56 0,452 x 103 KO36Ti 7800 12,50 0,502 x 103 C45 7700 45,35 0,461 x 103  3. Forgácsolhatóság megitélése a mechanikai és fizikai jellemzők alapján Valamely fém forgácsolhatóságát főleg a szövetszerkezet, a szakítószilárdság és keménység, a nyúlás és kontrakció, a hővezető képesség és a fajhő (hőtároló képesség) befolyásolják.  A Ni-bázisú szuperötvözetek szövetszerkezetét az ausztenites γ-fázis, a γ’-fázis, a primer fémkarbid és a szekunder fémkarbid összetevők alkotják. Az ausztenites fázisra a korrózió- és hőállóság, a rossz hővezető-képesség és a paramágnesesség jellemző. A Ni-bázisú szuperötvözetek nagy szilárdsága a γ’-fázisnak és a fémkarbidoknak köszönhető. A γ-fázis és γ’-fázis fázis között a diszlokációk nehezen tudnak átlépni, és ez növeli az ötvözet szilárdságát. A Rene108 és a GTD111 ötvözetek vegyi összetétele olyan, hogy öntéskor és az azt követő hőkezeléskor N/mm2,                          (1) 52mEA52,01A52,01R1. táblázat. A Rene108 és  a GTD111 Ni-ötvözet, valamint a KO36Ti és C45 jelű acél kémiai összetétele 2. táblázat. A Rene108 és  a GTD111 Ni-ötvözet, valamint a KO36Ti és a C45 jelű acél mechanikai tulajdonságai 3. táblázat. A Rene108 és  a GTD111 Ni-ötvözet, valamint a KO36Ti  és a C45 jelű acél fizikai tulajdonságai  LV. évfolyam, 2015. 2. szám GépGyártás 127 megvan a lehetőség az igen kemény primer (TiC, TaC, NdC) és szekunder karbid (WC, Cr23C6, Mo2C) képződésre, melyek a szemcsehatárok mentén kiválva akadályozzák az elcsúszást, tovább növelve ezzel az ötvözet szilárdságát. A forgácsolhatóságot erősen rontja a karbidok intenzív koptató hatása is.  A szakítószilárdságot, a keménységet és a képlékeny alakíthatóságot tekintve – ha elfogadjuk, hogy szilárdabb, keményebb és a felkeményedésre hajlamosabb anyag nehezebben forgácsolható – a referencia anyagokhoz viszonyított forgácsolhatósági sorrend a következő: KO36Ti (σEKO36 = 664 N/mm2)← C45 (σEC45 = 670 N/mm2)← GTD111 (σEGTD11 = 1345 N/mm2)← Rene 108 (σERENE108 = 1391 N/mm2). A rangsor az σE egyenletes nyúlás valódi határfeszültsége alapján történt, ami a szakítószilárdságon (Rm) kívül figyelembe veszi az anyag nyúlását (A5) is:  Csak hőtani jellemzőkkel két forgácsolhatósági mutatószám is képezhető:   hővezetési mutató   Khv = λ/ρ, (2)                     hőelnyelési mutató  Khe = λ·c     (3)                         Minkét mutató növekedése csökkenti a szerszám hőterhelését. Értékeiket és egymáshoz való viszonyukat az 4. Táblázat tartalmazza.   A táblázat szerinti a forgácsolhatósági sorrend: C45 ←KO36Ti ← GTD111← Rene108, ami – amint a későbbiekből kitűnik – az előző sorrendnél jobban tükrözi a valóságot, de még korrekcióra szorul.  A megoldást a hibrid, hővezetési – szilárdsági  khv = Khv/σE (4)                   és a hőelnyelési – szilárdsági  khe = Khe/σE,   (5)                      mutatók bevezetése jelentheti. Az így képzett hibrid mutatószámok értékei és azok százalékos arányai az 5. Táblázatban láthatók, melyeket az utolsó oszlop mutatószáma (H) átlagol.    Anyag  khv  khe KhvC45 KheC45  H, %  khv/ khvC45 ,% khe/ kheC45 ,% Rene108 1,07 x10-6 3,86 12,5 12,3 12,4 GTD 111 1,167 x10-6 4,22 13,5 13,5 13,5 KO36Ti 2,41 x10-6 9,44 27,8 30,2 29 C45 8,66 x10-6 31,21 100 100 100   Anyag Khv, W·m2/kgK Viszonyszám,% Khe, J2/m·kg·s·K2 Viszonyszám,% Rene108 0,00149 26 5,37 x 103 26 GTD111 0,00157 27 5,68 x 103 27 KO36Ti 0,00160 28 6,27 x 103 30 C45 0,0058 100 20,91 x 103 100 4. táblázat. A Ni-bázisú szuperötvözetek és a referencia anyagok hőtani mutatószámai 5. táblázat. A Ni-bázisú szuperötvözetek, valamint a referencia anyagok hibrid mutatószámai KhvC45 + KheC45  128 GépGyártás LV. évfolyam, 2015. 2. szám 4. Forgácsolhatóság a technológiai ajánlások alapján A forgácsolhatóság meghatározásakor célszerű figyelembe venni annak a szerszámgyártó cégeknek a technológiai ajánlásait, melynek szerszámait a kísérletek vagy a gyártás során alkalmazni kívánjuk. Ez esetünkben Európa egyik vezető szerszámgyártó cége, melynek katalógusában [5] a bevonatos keményfém horonymarókra az 6. Táblázat szerinti forgácsolósebességek találhatók. A táblázat utolsó oszlopában a C45-re vonatkozó százalékos viszonyszámok, mint forgácsolhatósági mutatószámok is megtalálhatók. 6. táblázat. Forgácsolhatósági mutatószámok a technológiai ajánlások alapján Anyag F orgácsolósebes-ség, vc, m/min Viszonyszám, A, % GTD 111 20 12,5 Rene 108 20 12,5 KO36Ti 60 37,5 C45 160 100  5.  Forgácsolhatóság a forgácsolási kísérletek alapján Az irodalmi adatok, normatívák és technológiai ajánlások alapján képzett forgácsolhatósági mutatószámok és azok összehasonlító elemzése a konkrét problémák megoldására csupán támpontként szolgálhat. A valódi helyzetfelmérés forgácsolási vizsgálatokkal lehetséges.  5.1. A kísérleti körülmények A kísérleteket CNC megmunkáló központon végeztük. A munkadarabokat kézi működtetésű gépsatuba rögzítettük, a szerszámokat precíziós patronba fogtuk. Szerszámként a Walter GmbH ProtomaxTMH4038217-8-1 jelű, változó horonyemelkedésű újmaróját használ-tuk, melynek főbb jellemzői: z = 4 fog,D = Ø8 mm, nagy Co-tartalom (Co ≈ 12%), finomszemcsés keményfém alapanyag, TiAlN-ZrN összetételű kopásálló és súrlódáscsökkentő bevonat.  A forgácsolóerő és –nyomaték méréseket KISTLER 9125A24A2 típusú nyomaték- és erőmérővel végeztük. Az adatok a DynoWare 2825A1-2 számítógépes szoftver segítségével értékeltük ki. A horonyból távozó forgács hőméréséhez a FLIR T360 típusú infrakamerát használtuk. A mérésekről IR-fotók készültek, és a maximális hőmérséklet-értékeket rögzítettük. Zárt hornyot martunk az összehasonlíthatóság miatt valamennyi vizsgált anyagon a következő technológiai paraméterekkel: vc = 16 m/min; fz = 0,013 mm/fog; ap = 7,5 mm, ae = 8 mm. A megmunkálási úthossz: L= 90 mm. A szerszámon kívüli árasztásos hűtéshez alkalmazott hűtő-kenő folyadék: BLASOCUT 35 kombi, 6%-os olajkoncentrációval. Az adagolt mennyiség 10 l/min.  5.2. A kísérleti eredmények Elsőként a forgácsolási nyomaték alakulását vizsgáltuk a négy, előbb felsorolt anyagra. A kapott eredményeket a 1. ábra szemlélteti. Látható, hogy a Ni-bázisú szuperötvözetek horonymarásakor a referenciaanyagokhoz viszonyított nyomaték magasan kezd, intenzíven emelkedik, és a mért értékek erősen szórnak, ami az fokozott szerszámkopás és az intenzív rezgés következménye. GTD111 produkálja a legmagasabb értékeket, és ha ez elérjük az Mc = 10 Nm-t, tapasztalat szerint a szerszám nagy valószínűséggel eltörik. Infrakamerával mértük a horonyból hűtés-kenés nélkül távozó forgács hőmérsékletét az L = 90 mm munkaút megtétele után, kopott szerszámokkal. A képernyőn megjelenő maximális értékekből oszlopdiagram készült (2. ábra). A 7. Táblázat a kísérletek során mért nyomatékokat és hőmérsékleteket tartalmazza abszolút és a C45-re vonatkoztatott százalékos formában, melyek átlaga a K mutatószám.   6. Értékelés és következtetések Gyakran előfordul, hogy valamely anyagot „jól forgácsolható” vagy „rosszul forgácsolható” jelzővel illetünk anélkül, hogy konkrét ismereteink lennének az anyagjellemzőkről, vagy a technológiai körülményekről. Az így kialakított vélemény csak hozzávetőleges lehet,  LV. évfolyam, 2015. 2. szám GépGyártás 129 de az anyag mechanikai és hőtani jellemzőivel képzett ún. hibrid mutatószám (H) − összevetve a technológiai ajánlások alapján képzettel (A) − megbízható támpontként szolgálhat. A kísérleti eredmények mutatószámainak (K) alakulása azonos jellegű az előbbiekkel, de a számszerű adatokban szignifikáns eltérés mutatkozik (3. ábra), amit a még hiányzó és pótolandó éltartam-mérések adatai nagy valószínűséggel az előbbiekhez hasonló irányba módosítanak.                   7. Irodalomjegyzék [1] Dr. Pálmai Z. : Fémek forgácsolhatósága. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1980. [2] W.T. King: Nickel-base Alloy – RENE’108 – Investment Castings. GE Power kiadvány, 1996.  [3] M.M. Bali: Nickel-base Alloy – GTD-111 – Investment Castings. GE Power kiadvány, 1978. [4] K. Raznjevic: Hőtechnikai táblázatok. Műszaki könyvkiadó, Budapest,1964. [5] www.walter-tools.com/.../catalogues/en-gb/general-catalogue -2012-en.pdfAnyag Nyomaték, Nm Viszonyszám,% Hőmérséklet, °C Viszonyszám,%  K,% GTD 111 10,8 24 998 19 21 Rene 108 8 32 966 20 26 KO36Ti 3,2 81 380 52 65 C45 2,6 100 198 100 100 7. táblázat. A C45-re vonatkoztatott forgácsolhatósági mutatószámok a kísérletek alapján 1. ábra. A forgácsolási nyomaték  1 C45 2 KO36Ti 1  2  3 4 2. ábra. A forgácshőmérséklet  1 C45 2 KO36Ti 1 2 3 4 189 380 966 998 3. ábra. A hibrid mutatószámok (H), az ajánlott technológiai adatok (A) és a kísérleti eredményekből (K) képzett, a C45 jelű acélra vonatkozó relatív forgácsolhatósági mutatószámok H, K% A% 

A forgácsolhatóság meghatározásának módszerei Ni-bázisú szuperötvözetek horonymaráskor

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

SZTAKI Publication Repository