Gnistbearbetning av verktygsstål

Transkript

1 av verktygsstål BEHANDLING AV VERKTYGSSTÅL

2 Innehåll Inledning... 3 Grundprinciperna för gnistbearbetning... 3 Gnistbearbetningens inverkan på verktygsstål... 3 Uppmätta storheter... 5 Hur man uppnår bästa verktygsprestanda... 8 Gnistpolering...10 Sammanfattning...10 Uppgifterna i denna trycksak bygger på vårt nuvarande kunnande och är avsedda att ge allmän information om våra produkter och deras användningsområden. De får således inte anses utgöra någon garanti för att de beskrivna produkterna har vissa egenskaper eller är lämpliga för speciella ändamål. 2

3 Inledning Användningen av gnistbearbetning vid framställning av olika slags formande verktyg såsom plastverktyg, pressgjutningsverktyg, smidesverktyg m fl har under senare år ständigt ökat. Metodutveckling har lett till betydande förbättringar av bearbetningsteknik, produktivitet och precision (måttnoggrannhet) samtidigt som den vidgat användbarheten. Trådgnistning framstår som ett effektivt och ekonomiskt alternativ till konventionell bearbetning vid håltagning i många typer av verktyg, t ex stansar, dynor och strängpressningsmatriser. Speciella varianter av gnistbearbetning finns numera för polering av hålrum i verktyg, urtagning (underskärning) och för framställning av koniska hål med hjälp av cylindriska elektroder. Gnistbearbetningen fortsätter därför att vinna terräng. Det är ett viktigt produktionshjälpmedel hos de flesta verktygstillverkare. Härdat eller glödgat stål kan bearbetas med samma lätthet. Uddeholm Tooling har ett komplett program med verktygsstål, vilka har en jämn struktur. Denna egenskap i förening med mycket låga svavelhalter ger goda resultat vid gnistbearbetning. Denna broschyr informerar om: Principen för gnistbearbetning Gnistbearbetningens inverkan på verktygsstål Hur man åstadkommer bästa möjliga produktionsresultat med gnistbearbetade verktyg. Grundprinciperna för gnistbearbetning Gnistbearbetning är en metod som innebär elektriska urladdningar mellan en anod (grafit eller koppar) och en katod (verktygsstål eller annat verktygsmaterial) i ett dielektriskt medium. Urladdningarna styrs så, att erosion av verktyget eller arbetsstycket äger rum. Anoden (elektroden) arbetar sig under gnistningen ned i arbetsstycket, vilket således får samma konturer som anoden. Dielektrikat eller spolvätskan, som den också kallas, joniseras vid urladdningen. De positivt laddade jonerna träffar katoden, varvid temperaturen i stålets yttersta skikt stiger så högt ( C) att det smälter eller förångas och bildar små smälta droppar, vilka kastas ut som avverkade spån i dielektrikat. De kratrar som uppstår, och ibland även spån som ej helt släppt, igenkänns lätt på ett tvärsnitt från en bearbetad yta. Se figur 1. Fyra faktorer måste tas med i beräkningen när man undersöker driftparametrarna vid gnistbearbetning av verktygsstål: avverkningshastigheten ytjämnheten elektrodförslitningen påverkan på verktygsstålet. Påverkan från operationen på det bearbetade materialets egenskaper i ytan kan i ogynnsamma fall äventyra verktygets funktionsduglighet. I sådana fall kan det bli nödvändigt att de tre första faktorerna underordnas ett val av bearbetningsparametrar för att optimera denna fjärde faktor. Gnistbearbetningens inverkan på verktygsstål Gnistbearbetningens inverkan på det bearbetade materialet är helt olik den vid konventionell bearbetning. Som nämnt utsätts stålytan för mycket höga temperaturer, vilket leder till att stålet smälter eller förångas. Gnistbearbetningens effekt på stålytan har studerats vid Uddeholm Tooling. Man har velat skaffa sig visshet om att verktygsmakaren kan utnyttja de många fördelarna med gnistbearbetningen och ändå få fram ett verktyg med tillfredsställande livslängd. I de flesta fall har ingen som helst påverkan på det bearbetade verktygets funktion kunnat spåras. I en del fall har man dock märkt att t ex ett klippverktyg blivit slitstarkare, i andra fall har man däremot fått för tidiga verktygshaverier när man övergår från konventionell bearbetning till gnistbearbetning. I ytterligare andra fall har vid själva gnistbearbetningen vissa fenomen uppträtt, vilka orsakat oväntade skador på ytan i verktyget. Detta beror på att bearbetningen utförts på direkt felaktigt sätt. Figur 1. En grovgnistad yta med tvärsnitt genom spån och kratrar. Material: ORVAR 2 Microdized. 3

4 YTHÅLLFASTHETEN EN VIKTIG FAKTOR Samtliga förändringar som kan noteras beror på att temperaturen stiger kraftigt i ytskiktet. Härvid påverkas de fyra huvudfaktorerna som står i samband med den ytterst viktiga ythållfastheten i stålets ytskikt: strukturen hårdheten spänningstillståndet kolhalten. Figur 2 visar ett snitt ur en normal grovgnistad yta med de olika strukturförändringar som karakteriserar en sådan. OMHÄRDAT SKIKT I det omhärdade skiktet har temperaturen nått över austenitiseringstemperaturen (härdtemperaturen) och martensit har bildats. Denna martensit är hård och spröd. För att kunna studera strukturförändringarna vid olika bearbetningsparametrar grov- och fingnistades fem olika verktygsstål med både grafit- och kopparelektroder. Se tabell 1. SMÄLT OCH ÅTER STELNAT SKIKT Det smälta och åter stelnade skiktet kallas också den vita zonen, därför att det ofta inte sker några etsangrepp på denna vid metallografisk preparering. Figur 3 visar dock tydligt att det verkligen rör sig om ett snabbt stelnat skikt; långa pelarkristaller har växt rakt ut från metallytan vid stelningen. En spricka som uppstår i detta skikt följer kristallernas riktning rakt in. Detta skikt har vid en normal grovbearbetning en tjocklek på ca µm. Även kolhalten i ytskiktet kan påverkas, t ex genom uppkolning från spolvätskan eller elektroden, men avkolning kan också förekomma x Figur 3. Pelarkristaller som uppkommit vid stelningen. ANLÖPT SKIKT I det anlöpta skiktet har uppvärmningen inte varit så hög att stålet nått härdtemperatur utan där har endast en nedlöpning skett, varav effekten givetvis avtar längre in mot materialet. Se hårdhetskurvan i figur Smält och åter stelnat skikt H v Omhärdat skikt Anlöpt skikt Opåverkad grundmassa 200 x Typisk hårdhetsfördelning i ytskiktet Figur 2. Snitt ur gnistbearbetad yta med strukturförändringar. Material: RIGOR, härdat till 57 HRC. 4

5 Austenitisering Anlöpning Tid 20 min. Tid 2 x 30 min. Hårdhet Uddeholms stål SS Temperatur Temperatur Härdat Glödgat C C HRC HB ARNE CALMAX RIGOR SVERKER GRANE IMPAX SUPREME ORVAR SUPREME Tabell 1. Verktygsstålen har provats i härdat och anlöpt tillstånd, några också i glödgat tillstånd. Obs! CORRAX är ett utskiljningshärdande stål med ett gnistskikt av annorlunda karaktär. Det vita skiktet består av smält och återstelnat material med en hårdhet på ca 34 HRC. Det uppstår ingen annan värmepåverkad zon av betydelse. Uppmätta storheter För samtliga prov har uppmätningar skett av tjocklekarna hos de värmepåverkade zonerna. Hårdheterna i dessa zoner har också uppmätts, liksom sprickfrekvens och förekommande fall sprickors djup. Hållfasthetsvärden har erhållits med böjprovning. Skikttjocklekarna tycks vara i stort sett oberoende av både stålsort och elektrodmaterial. Däremot finns en klar skillnad mellan de prover som varit härdade och de som varit i mjukglödgat tillstånd. Figur 4a visar i diagramform skikttjocklekarna och sprickfrekvensen vid olika brinntider (t i ) för ORVAR SUPREME. I det glödgade materialet är däremot den härdade zonen avsevärt tunnare och sprickorna färre (figur 4b). Skikttjocklekarna kan variera starkt, från 0 µm till maximivärden som ligger något under det R max som anges i bearbetningsanvisningarna. I grovbearbetningsstegen (t i 100 µs) varierar skikttjocklekarna avsevärt mycket mer än vid finbearbetningsstegen. Såväl den smälta som den härdade zonens tjocklek ökar med gnistans brinntid t i, vilken tycks vara den viktigaste styrande, oberoende parametern. Tjocklek, µm Grafitelektrod Smält zon Härdad zon Grundmassa t i µs (A) 3 (B) (C) Tjocklek, µm Antal sprickor per cm: (A) i smält zon (B) i härdad zon (C) in grundmassa Grafitelektrod Smält zon Härdad zon Grundmassa t i µs (A) (B) (C) Antal sprickor per cm: (A) i smält zon (B) i härdad zon (C) i grundmassa Figur 4a. Skikttjocklekar och sprickfrekvens i ytskiktet vid gnistbearbetning av härdat ORVAR SUPREME, (52 HRC), vid olika brinntider. Figur 4b. Motsvarande värden som i figur 4a vid gnistbearbetning av ORVAR SUPREME i glödgat tillstånd. I figur 5 visas den positiva effekten av fingnistning, d v s att åstadkomma en mycket tunn smält- och värmepåverkad zon. Figur 5. Fingnistad RIGOR. Brinntid 10 µs. 100 x 5

6 STRUKTURBILDER AV GNISTADE YTSKIKT Vid längre brinntider hinner värmen ledas djupare in i materialet. Högre strömstyrka och strömtäthet, och därmed gnistenergi, ger visserligen en högre värmemängd i ytan, men diffusionstiden för värmen tycks ändå ha den största betydelsen. Följande bilder visar överskådligt hur ytzonerna förändras i SVERKER 21 vid olika brinntider och elektrodmaterial. Material: SVERKER 21 härdat och anlöpt. Figur 6a. Kopparelektrod t i = 10 µs. 500 x Figur 6d. Kopparelektrod Figur 6e. Grafitelektrod t i = 200 µs. 500 x t i = 500 µs. 500 x ORSAKERNA TILL LJUSBÅGSBILDNINGAR Korta paustider ger fler gnistor per tidsenhet och därmed större avverkning. Under paustiden skall dielektrikat hinna avjoniseras. För kort paustid kan därför ge dubbeltändningar som leder till konstant brinnande ljusbågar mellan elektroden och arbetsstycket med allvarliga ytdefekter som följd. Vid besvärliga spolningsförhållanden för dielektrikat ökar risken för ljusbågar. Vid kortslutningar, d v s ljusbågar mellan lokala partier av elektroden och arbetsstycket uppstår stora kratrar eller brännsår i ytan. Denna har ofta förväxlats med slagger eller porositeter i materialet. Figur 7 och 8 visar ytan på ett verktyg med en av de misstänkta porerna i genomskärning. Bland orsakerna till fel av den här typen kan främst nämnas en otillräcklig spolning, trånga spalter etc, varvid spån eller andra lösa partiklar bildat en brygga mellan elektroden och arbetsstycket. Samma effekt kan erhållas med en grafitelektrod som är förorenad av något främmande material. På moderna maskiner med s k adaptiv strömkontroll har risken för ljusbågsbildning eliminerats. Figur 6b. Grafitelektrod t i = 10 µs. 500 x Figur 7. På verktygets yta syns de misstänkta porerna. 1:1 Figur 6c. Grafitelektrod t i = 100 µs. 500 x Figur 8. En av de misstänkta porerna i genomskärning. 65 x 6

7 Sprickfrekvensen ökar med brinntiden Samtliga stål uppvisar vid brinntider över 100 µs ett flertal sprickor i det smälta skiktet. Högkolhaltiga stål har högsta frekvensen. Andelen sprickor som fortsätter ned i den härdade zonen är ca 20 % och endast enstaka sprickor går ned i grundmassan. I grundmassan är sprickdjupet sällan större än något tiotal µm. Även här gäller att sprickor i grundmassan huvudsakligen förekommer i de höglegerade kallarbetsstålen. I de glödgade proverna finns inga sprickor i grundmassan. Tabell 2 visar sprickfrekvensen hos ett antal undersökta verktygsstål. Skillnaden i avverkningshastighet mellan de olika verktygsstålen utgör högst ca 15 % vid samma maskininställning. Hårdheterna i de olika skikten kan också variera mycket, men i princip gäller samma mönster för samtliga stålsorter. Figur 9 visar typisk hårdhetsfördelning. Hårdhets- och volymskillnaden mellan skikten orsakar spänningar, vilka vid uppmätningar visat sig ha samma djup som de påverkade ytskikten. Spänningarna kan reduceras avsevärt genom extra värmebehandlingsoperationer. Vid en förnyad anlöpning av provet i figur 9 (235 C i 30 min.) sänks hårdhetsnivån till den prickade kurvan. Smält zon Härdad zon Grundmassa Höglegerade kallarbetsstål av SVERKER-typ Varmarbetsstål av ORVAR-typ Kallarbetsstål av RIGOR och ARNE-typ Plastformstål av IMPAX SUPREME-typ Tabell 2. Tabellen anger antal sprickor per cm. Vid en riktigt utförd gnistbearbetning med ett avslutande finbearbetningssteg elimineras ytdefekterna till stor del. Om en sådan av någon anledning ej kan utföras eller om man funnit att all påverkan måste elimineras, kan flera olika avslutande operationer tillgripas: En avspänningsanlöpning vid ca 15 C lägre anlöpningstemperatur än tidigare använd sänker ythårdheten utan att grundmassan påverkas. Slipning eller putsning kan avlägsna både ytstrukturen och sprickor, givetvis beroende på hur djupt den sker (5 10 µm vid finbearbetning). Grafitelektrod t i = 200 µs HV Hårdhet omedelbart efter gnistbearbetning Hårdhet efter återanlöpning µm Figur 9. Typisk hårdhetsfördelning i härdat och anlöpt SVERKER 21 omedelbart efter gnistbearbetning och efter återanlöpning. 7

8 BÖJPROVNING Böjprovning utföres för att ta reda på vilken påverkan som det smälta skiktet, ytojämnheter och sprickor som uppstått vid gnistbearbetningen kan ha på hållfastheten hos ett verktyg. Olika gnistbearbetningssteg och olika efterföljande operationer, t ex avspänningsanlöpning och putsning provades på RIGOR vid hårdhet 57 HRC. Provstavarna gnistbearbetades på ena sidan i olika steg och böjdes sedan kraftigt med den gnistbearbetade ytan på utsidan av böjen. Figur 10 visar att provet med fingnistad och putsad yta gav bästa resultatet. Det enbart grovgnistade provet hade den lägsta böjhållfastheten. Böjhållfasthet N/mm Grovgnistat Grovgnistat, Avspänningsanlöpt Fingnistat BÖJPROVNINGSRESULTATENS FÖRUTSÄTTNINGAR De hårda, smälta och omhärdade skikten orsakar att både de sprickor som uppstår vid belastningen, och de sprickor som redan funnits verkar som utlösande sprickanvisningar för ett brott i grundmassan. Denna är vid 57 HRC inte tillräckligt seg för att stoppa upp sprickorna, och brottet sker därför redan på den elastiska delen av belastningskurvan. Normalt sker även en viss plastisk nedböjning av en provstav i detta material. Fingnistat, Avspänningsanlöpt Fingnistat, Putsat Hur man uppnår bästa verktygsprestanda GNISTBEARBETNING MED SÄNKGNISTELEKTRODER (KOPPAR/ GRAFIT) Som nämnts har i de flesta fall ingen ogynnsam påverkan kunnat märkas på verktygets prestanda när gnistbearbetningen utförts noggrant. För säkerhets skull rekommenderas emellertid följande förfaringssätt: Gnistbearbetning av härdat och anlöpt material AKonventionell maskinbearbetning. B Härdning och anlöpning. C Gnistbearbetning (undvik ljusbågsbildningar och överdrivna avverkningshastigheter). Avsluta med fingnistning, d v s låg strömstyrka och hög frekvens. D (i) Slipa eller putsa den gnistbearbetade ytan. el.d (ii) Anlöp vid 15 C lägre temperatur än tidigare el.d (iii) Välj en lägre hårdhet på verktyget för att förbättra dess seghet. Gnistbearbetning av glödgat material Figur 10. Böjhållfasthet vid olika gnistbearbetningssteg och med olika efterföljande operationer. Material: RIGOR, 57 HRC. AKonventionell maskinbearbetning. B Gnistbearbetning, som C ovan. C Slipa eller putsa ytan efter gnistbearbetningen. Detta minskar risken för sprickbildning vid värmning och kylning. Långsam, stegvis förvärmning till härdningstemperatur rekommenderas. Obs! Segheten hos CORRAX påverkas inte om gnistningen sker i upplösningsbehandlat tillstånd dvs. leveranstillstånd. Om CORRAX ska användas i åldrat tillstånd rekommenderar vi att gnistbearbetningen sker efter åldring eftersom en åldring efter gnistning kommer att sänka segheten. Det rekommenderas också att det vita skiktet slipas eller poleras bort. 8

9 TRÅDGNISTNING Vad som sagts på föregående sidor om ytbeskaffenheten efter gnistbearbetning (sänkgnistning) gäller i stort sett också vid trådgnistning. Det av bearbetningen påverkade ytskiktet är emellertid relativt tunt (<10 µm) och närmast jämförbart med det som uppstår vid fingnistning. Normalt blir det inga synliga sprickor i ytan vid trådgnistning. I vissa fall har man i stället haft ett annat problem. Efter värmebehandling av ett genomhärdande stål innehåller detaljen höga spänningar (ju högre anlöpningstemperatur, desto lägre spänningar). Dessa spänningar förekommer som dragspänningar i ytzonen och som tryckspänningar i kärnan och balanserar varandra. Vid trådgnistningen avlägsnas en större eller mindre mängd stål från den värmebehandlade detaljen. Om mycket stål tas bort, kan detta ibland leda till att detaljen deformeras eller t o m spricker. Anledningen är att spänningsjämvikten i detaljen blir störd och att spänningarna eftersträvar ett nytt jämviktstillstånd. Sprickproblem stöter man i regel på endast vid relativt grova tvärsnitt, d v s över 50 mm. Se figur 12. Vid sådana grövre tvärsnitt är det viktigt med korrekt härdning och dubbelanlöpning. Överhettning eller för lång hålltid vid härdningstemperatur kan resultera i alltför mycket restaustenit. Trådgnistningen bildar sedan oanlöpt martensit, vilket medför sprickkänslighet. I vissa fall kan riskerna minskas genom olika åtgärder: 1: Den allmänna spänningsnivån i detaljen sänks genom anlöpning vid hög temperatur. Detta förutsätter att man använder stål med hög anlöpningsbeständighet. 2: Innan detaljen härdas och anlöps borras flera hål i de partier som skall avverkas, och förbinds sinsemellan genom sågsnitt. De spänningar som uppstår vid efterföljande värmebehandling får då ett jämviktstillstånd som är bättre anpassat till den slutliga profilen. Detta minskar eller eliminerar risken för formförändringar och sprickbildning vid trådgnistning. Figur 13 visar ett exempel på sådan förbearbetning. Figur 13. Hål som borras och förbinds genom sågsnitt före härdning och anlöpning bidrar till att förhindra deformering eller sprickbildning vid trådgnistning av grova sektioner. Figur 12. I denna kub, ca 50 x 50 x 50 mm, av stål SS 2310 uppstod sprickor vid trådgnistningen. Figur 11. Trådgnistning av klippdyna i härdat och anlöpt verktygsstål. 9

10 TRÅDGNISTNING AV STANSAR Vid framställning av stansar med hjälp av trådgnistning bör, liksom vid konventionell bearbetning, stansmaterialets fiberriktning överensstämma med bearbetningsriktningen. Detta är mindre viktigt om man använder PM-stål eftersom dessa har isotropa egenskaper. Gnistpolering Vissa tillverkare erbjuder idag utrustning för gnistbearbetning enligt en speciell metod, som ger mycket fina och släta ytor. Man kan uppnå en ytfinhet (Ra-värde) på 0,2 0,3 µm. Det är en yta som duger för de flesta ändamål. De största fördelarna vinner man vid komplicerade formrum, se figur 14. Att polera sådana formrum för hand är svårt, tidskrävande och alltså dyrbart, men det kan bekvämt göras med gnistbearbetningsmaskinen. Prov med våra stålsorter IMPAX SUPREME, ORVAR SUPREME, STAVAX ESR och RIGOR visar att det hårda, smälta, vita skiktet är mycket tunt och jämnt hos dessa stål. Tjockleken är 2 4 µm. Då det inte finns några tecken på ett värmepåverkat skikt under detta vita skikt är gnistbearbetningens påverkan på de mekaniska egenskaperna försumbar. Sammanfattning Sammanfattningsvis kan sägas att en normalt utförd gnistbearbetning med användande av grov- och finbearbetningssteg enligt fabrikanternas anvisningar eliminerar de ytdefekter som erhålls vid grovbearbetning. En viss strukturpåverkan kan kvarstå, men den torde i de allra flesta fall sakna betydelse, om bearbetningsförloppet i övrigt varit normalt. Strukturpåverkan behöver inte heller enbart ses som något negativt. I vissa fall har ytstrukturen, d v s det omhärdade skiktet, på grund av sin höga hårdhet, ökat slitstyrkan hos verktyget vid nötning. I andra fall har man kunnat visa att ytans topografi med kratrar håller kvar smörjmedel bättre än konventionella ytor, likaledes med förbättrade livslängder som resultat. Om ändock svårigheter med funktionssäkerheten hos ett gnistbearbetat verktyg skulle uppträda, finns flera relativt enkla tilläggsoperationer att tillgripa, som nämnts tidigare. Ett lätt randigt utseende har kunnat konstateras hos karbidrikt material, t ex kallarbetsstål med hög kolhalt och snabbstål, där det alltid förekommer en viss karbidutskiljning, samt hos material med hög svavelhalt. Skillnaden mellan grov- och fingnistade prover beror mest på skillnaden i sprickförekomst samt det vita skiktets enbart fläckvisa förekomst i de finbearbetade proven. Den grövre ytjämnheten på det grovgnistade provet har inte spelat så stor roll, då dess ojämnheter under alla omständigheter är relativt ofarliga som sprickanvisningar i jämförelse med stelningssprickorna. Vid den putsning av finbearbetade stavar som gjorts har andelen vitt och omhärdat skikt endast minskats, inte helt eliminerats. En längre driven putsning bör helt kunna återställa böjhållfastheten. Högt påkända verktyg och delar därav, t ex mycket tunna sektioner som blir avsevärt mer utsatta för böjning, kan motivera en extra operation. Ju lägre hårdheten är i grundmassan, desto okänsligare blir materialet för negativ inverkan från gnistbearbetningen på hållfastheten. Att sänka hårdhetsnivån på hela verktyget kan i vissa fall därför vara ett annat alternativ. Figur 14. Forminsats av STAVAX ESR som finbearbetats genom elektroerosiv polering. 10