Jak zvyšovat životnost lisovacích nástrojů

Tým na Ústavu technologie obrábění, projektování a metrologie Fakulty strojní ČVUT se v letech 2012 až 2014 zabýval řešením projektu TAČR TA02011367 "Výzkum zvyšování životnosti materiálů nástrojů pro lisování žáruvzdorných, vysoce abrazivních materiálů". Na projektu se jako hlavní účastník podílela společnost P-D Refractories CZ a jako výzkumný partner Fakulta strojní ČVUT v Praze, která do řešení aktivně zapojila i studenty doktorského a magisterského studia.

ÚKOL S NEJVYŠŠÍ PRIORITOU

Vývoj konstrukce inovovaného lisovacího nástroje a vývoj nového povrchového zpracování dílů lisovacího nástroje náročného na opotřebení při lisování žáruvzdorných materiálů byl ve společnosti P-D Refractories CZ vývojovým úkolem s nejvyšší prioritou. Problematika životnosti lisovacích nástrojů má nejen pro společnost P-D Refractories CZ, ale i pro všechny světové výrobce působící na trhu s lisovanými žáruvzdornými materiály, klíčovou roli v uchování a zvyšování kvality a konkurenceschopnosti svých výrobků. Výrobci těchto materiálů jsou za současné situace na světových trzích nuceni hledat úspory zejména z důvodů značné konkurence ze zemí s nižšími náklady na práci.
Jednou z cest k udržení konkurenceschopnosti je zavádění inovací do výroby, které snižují její energetickou náročnost, omezují opravy a odstávky výrobních zařízení a ve svém efektu vedou ke snížení nákladů za současného zvýšení kvality výrobků. Problematika řešená v projektu představuje pro společnost P-D Refractories CZ klíčovou oblast výroby se značnými možnostmi úspor a díky jejímu přístupu ke světovým trhům a schopnosti jej efektivně využít vede ke značnému zlepšení exportních schopností podniku (firma exportuje cca 70 % své produkce). Hlavním cílem výzkumu a vývoje nového typu forem používaných ve výrobě žáruvzdorných a vysoce abrazivních kamenů je zvýšení abrazivní odolnosti forem vedoucí až k řádově vyšší životnosti. Projekt spočívá ve vývoji konstrukce formy a vývoji nového povrchového zpracování dílů formy náročných na opotřebení při lisování žáruvzdorných materiálů.

MOTIVACE

Před začátkem realizace společného projektu se ve společnosti P-D Refractories CZ používaly vysokolegované nástrojové oceli odolné proti opotřebení, kalené ve vakuu. Renovaci dílců zhotovených z těchto materiálů bylo, díky jejich relativně nízké životnosti na úrovni 5000 odlisovaných tvarovek, nutno provádět velmi často. Hlavním problémem je opotřebení činné plochy lisovacích nástrojů, které je dané kombinací používaných abrazivních materiálu na bázi korundu a křemíku spolu s vysokými lisovacími tlaky u hranice 100 MPa. Toto opotřebení má velký vliv na rozměrovou a povrchovou kvalitu lisovaných výrobků. Při opotřebení funkční plochy až na přípustnou mez je nutná oprava nástroje, která vyžaduje nutnou renovaci nebo výrobu nového dílů, což je ekonomicky velice nákladné.

METODIKA TESTOVÁNÍ

V úvodu projektu byl na základě dosavadních zkušeností ČVUT a dostupných informací stanoven harmonogram projektu, který rozdělil průběh celého řešení do dílčích kroků. Prvním krokem a zároveň problémem bylo vytvoření vlastní metodiky testování životnosti materiálů, jelikož na základě úvodní rešerše metod určování otěruvzdornosti a prvotních testů na skutečných výrobních lisech se zvážily všechny výhody a nevýhody stávajících experimentálních metod. Poté se přistoupilo k vývoji vlastní metody testování životnosti materiálů včetně konstrukce a sestavení vlastního experimentálního zařízení.
Hlavními požadavky, které byly kladeny na ČVUT při vývoji tohoto zařízení, byly zejména možnosti simulovat extrémní podmínky lisování při zachování ekonomické efektivity provozních zkoušek. Konstrukční řešení experimentálního zařízení bylo navrženo dle požadavků skutečného lisování žáruvzdorných materiálů na hydraulických lisech společnosti P-D Refractories CZ, kde běžně lisování probíhá se jmenovitým výkonem 1000 tun a lisovacím tlakem až 100 MPa ve vertikální poloze. Ve spolupráci s ČVUT bylo tedy vyvinuto experimentální zařízení, které disponuje jmenovitým tlakem 100 MPa. Konstrukční řešení zařízení umožňuje rychlé a efektivní zkoušky odolnosti materiálů, kde v experimentálním zařízení se použil zmenšený model lisovacího nástroje, opatřený funkční vrstvou. Jako abraziva je používána běžná směs pro lisování žáruvzdorných materiálů na bázi Al2O3 a SiO2.

FUNKČNÍ VRSTVY

Souběžně s vývojem vlastní metody testování životnosti materiálů probíhal výzkum a vývoj funkčních vrstev, kde byla klíčovým sledovaným parametrem odolnost proti opotřebení na funkčních dílech experimentálního lisovacího zařízení. Při řešení tohoto projektu spolupracovalo s ČVUT více než 50 českých a zahraničních dodavatelských firem z oblasti práškové metalurgie, navařování odolných vrstev, tenkých CVD/PVD vrstev, žárových nástřiků, ale i speciálních chemicko-tepelných úprav povrchu ocelí. Do současné doby bylo podrobeno abrazivním testům více jak 150 různých materiálů s předpokladem vysoké odolnosti. Na základě provedených zkoušek abrazivní odolnosti materiálů a následné analýzy opotřebení provedené na Fakultě strojní ČVUT v Praze byly vytipovány vhodné funkční vrstvy pro aplikaci na lisovací nástroje. U všech těchto vrstev byly sledovány vlastnosti, jako například fázové složení vrstvy, její tvrdost, adheze k základnímu materiálu nástroje, drsnost povrchu, otěruvzdornost a nelepivost lisovaného materiálu. Dále byla u těchto materiálů provedena analýza zbytkové napjatosti a metalografie s ohledem na jejich vhodnost pro použití při lisování žáruvzdorných materiálů.

KONSTRUKCE

Různé druhy vybraných funkčních vrstev s sebou přinesly technologická omezení, která přímo ovlivnila konstrukci nového typu lisovacího nástroje. Nové konstrukční řešení tedy muselo splňovat jednak technologické parametry, které byly dány novým typem funkční vrstvy, respektive její aplikací na základní materiál, ale také požadavky dané technologií lisování.
Vzhledem ke složitosti dílů z hlediska tvaru pro některé tvarovky byl zahájen i výzkum týkající se složitého dílu pro lisování těchto tvarů v souvislosti s výrobou prototypu. Poznatky z tohoto výzkumu byly využity především při výběru vhodného dodavatele funkčního povrchu tak, aby splňoval vysoké požadavky na adhezi podkladnímu materiálu, kohezi vrstvy a s ní souvisejících požadavků na fázové složení a homogenitu tloušťky vrstvy. Jako zkušební tvar byly vybrány tvary pera a drážky, na které byly následně u dodavatelů aplikovány funkční vrstvy. Následně byl tvar vyhodnocen z hlediska přesnosti vrstvy na tvarech a přechodech rovných ploch do tvarů. Na základě zkušeností konstruktérů ČVUT a možností aplikací povrchů byla vybrána varianta konstrukčního řešení pro tvar pera a drážky s přechodem rovných ploch.
Na konstrukčním řešení formy se podílela řada konstruktérů jak ze strany P-D Refractories CZ, tak ze strany ČVUT. Při vývoji nové konstrukce lisovacího nástroje bylo třeba dodržet omezující podmínky, a to zejména umožnit snadnou montáž lisovacího nástroje, robustní konstrukci s ohledem na pevnostní zatížení během lisování a vhodné konstrukční řešení jednotlivých dílů s ohledem na technologii výroby odolných vrstev. Dle těchto požadavků bylo navrženo několik konstrukčních řešení, které byly podrobeny provozním testům.

BORIDOVÁNÍ

Řešení projektu přineslo také dílčí problémy, kdy byla na základě abrazivních testů zvolena metoda boridování tvarově složitých dílů. Pro zkoušky boridování reálných dílů byly použity tvarově složité štíhlé trny, kde jako podkladový materiál byla zvolena ocel ČSN 419436 z důvodů odzkoušené technologie výroby kalených trnů. Metoda boridování byla vybrána jako vhodná pro modifikaci povrchu z hlediska vzniku tvrdé povrchové vrstvy. Při procesu boridování ovšem docházelo k deformaci trnů, a to nad toleranční mez. Deformace "boridovaných" dílců přesahovaly povolenou toleranci cca 4krát. Jako jeden z faktorů přispívající k deformování byla zvažována mikrostruktura podkladového materiálu, zejména tzv. karbidická řádkovitost, s čímž těsně souvisí typ a hmotnostní podíl karbidických fází. Cílem provedených analýz bylo zjistit typ a hmotnostní zastoupení karbidů, které byly zjištěny z analýzy metalografických výbrusů na řádkovacím elektronovém mikroskopu.

APLIKACE NA PROTOTYPOVÉ DÍLY

Aplikace funkčních vrstev na prototypové díly přinesla řadu problémů týkajících se zejména přesnosti výroby a přilnavosti vrstev k tvarově složitým dílům. Standardně jsou ve společnosti vyráběny díly s přesností s odchylkou max. 0,05 mm na plochu. Pro vybrané funkční vrstvy je tato odchylka nepřípustná. Z tohoto důvodu bylo nutné navrhnout takovou technologii výroby, která by zajistila výrobu dílů s o řád vyšší přesností, tak aby bylo možné zaručit aplikaci funkční vrstvy v přesnosti s odchylkou max. 0,05 mm na plochu. Prototypové díly byly po aplikaci funkční vrstvy analyzovány jak z hlediska fázového složení, tak z pohledu mikrostruktury a tloušťky vrstvy. Hlavním problémem, který bylo nutné vyřešit, bylo zejména vícečetné adhezní porušení funkční vrstvy. Provedené analýzy na řádkovacím elektronovém mikroskopu odhalily, že k porušení došlo z důvodů nedostatečné adheze celé vrstvy. Tento problém byl vyřešen vhodnou úpravou povrchu podkladního materiálu. Finální řešení již tyto vady neobsahovalo.

PROTOTYP

Výsledkem celého projektu je tedy prototyp lisovacího nástroje, který je složen ze dvou samostatných prototypů tvořících jeden celek. Prvním prototypem je optimální konstrukční uspořádání nového typu lisovací formy a druhým prototypem je optimální materiálové složení lisovací formy a ochranného povlaku. Jeden výsledek bez druhého je pro aplikaci lisovacích nástrojů nevyužitelný.
Díky systematickému a komplexnímu řešení dílčích úkolů bylo při realizaci projektu vyvinuto takové materiálové a konstrukční uspořádání lisovacího nástroje opatřeného odolnou vrstvou, které zajišťuje životnost 250 000 odlisovaných tvarovek. Lze tedy konstatovat, že životnost takto navrženého lisovacího nástroje se oproti běžnému lisovacímu nástroji zvýšila více než 50násobně. Tento výsledek projektu byl téměř okamžitě zaveden do výroby lisovacích nástrojů. Hlavním přínosem bylo pro společnost výrazné snížení výroby neshodných dílů až na hranici 0,1 % (dříve cca 10 %), možnost lisovat větší série tvarovek, snížení počtu vynucených odstávek lisu a možnost zachovat si vlastní know-how.
Vysoký aplikační přínos realizovaného výsledku nejlépe demonstruje skutečnost, že díky vysoké kvalitě tvarovek a konkurenční ceně, která přímo souvisí s výsledkem, společnost P-D Refractories CZ získala jednu z největších celosvětových zakázek na trhu s žárovýrobky, a to dodávku koksárenských baterií pro japonskou společnost Nipon Steel v hodnotě téměř 20 mil. eur. Pro realizaci této zakázky jsou přímo využity výsledky spojené s prototypem lisovacího nástroje.

---

Hlavním požadavkem byla zejména možnost simulovat extrémní podmínky lisování při zachování ekonomické efektivity provozních zkoušek.