Widok Tom 66 Nr 1 (2014)

(1)

10

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014), 10-13

www.ptcer.pl/mccm

J

OANNA

W

ACHOWICZ

, A

NDRZEJ

M

ICHALSKI

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa e-mail: joannawachowicz1@gmail.com

1. Wstęp

Duża twardość węglików spiekanych oraz związana z nią wysoka odporność na zużycie ścierne sprawiają, że są one cenionym materiałem konstrukcyjnym i narzędziowym, co powoduje, że znajdują szerokie zastosowanie w produkcji narzędzi skrawających. Dynamiczny wzrost wytwarzania węglika wolframu od początku wprowadzenia go na ry-nek [1] spowodował, że narzędzia wykonane z materiału kompozytowego węglik wolframu-kobalt stanowią ponad 50% ogółu narzędzi skrawających. Jednak ostatnio coraz częściej węglikowe narzędzia zastępowane są narzędziami ze spiekanego, polikrystalicznego diamentu (PCD – ang.

polycrystalline diamond) ze względu na ich wielokrotnie większą odporność na zużycie ścierne w stosunku do wę-glików spiekanych [2-3]. Jednak cena narzędzi z PCD jest około dziesięć razy wyższa od ceny węglików spiekanych. Wynika to głównie z wysokich kosztów spiekania diamentu. Autorzy prac [4-5] zaproponowali nowy materiał kompo-zytowy złożony z WCCo i diamentu, który mógłby znaleźć zastosowanie na ostrza skrawające materiałów

drewno-Trwałość ostrzy skrawających z kompozytów

diament/WCCo w obróbce skrawaniem płyty MDF

Streszczenie

W pracy przedstawiono wyniki badań trwałości ostrzy skrawających wykonanych z kompozytu o osnowie WC6%Co, zawierającego 30% obj. rozproszonych cząstek diamentu o gradacji 8-10 μm lub 16-20 μm. Kompozyty spiekano w urządzeniu PPS (ang. pulse plasma

sintering), opracowanym na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, w temperaturze 1050 °C, w czasie 5 min i przy

ciśnieniu prasowania wynoszącym 100 MPa i 120 MPa, w zależności od wielkości cząstek diamentu. Otrzymane spieki posiadały gęstość zbliżoną do teoretycznej (powyżej 99% GT) oraz twardość HK1 na poziomie ok. 2000. Badania trwałości w procesie skrawania materiału MDF o gęstości 720-750 kg/m3_{wykazały ponad ośmiokrotny wzrost trwałości ostrzy wykonanych z kompozytu WC6%Co z diamentem}

16-20 μm w porównaniu do ostrzy wykonanych z handlowego węglika spiekanego HM.

Słowa kluczowe: PPS, diament, kompozyt, węglik spiekany, WCCo

DURABILITY OF CUTTING BLADES MADE OF WCCo/DIAMOND COMPOSITES IN MACHINING MDF

The paper presents the results of durability tests of cutting blades made of composites containing WC6%Co and 30 vol.% of diamond particles of 8-10 μm or 16-20 μm in size. The composites were sintered by using the PPS method (Pulse Plasma Sintering), which has been developed at the Faculty of Materials Science and Engineering at the Warsaw University of Technology. The sintering process was conducted for 10 minutes at a temperature of 1050 °C under a pressure of 100 MPa or 120 MPa, depending on the size of diamond particles. The composites had a density close to the theoretical one (more than 99% TD) and a hardness HK1 of 2000. Cutting tests were carried out on MDF with a density of 720-750 kg/m3_{. Blades of composite material: WC6%Co with the 16-20 μm diamond showed the lifetime more}

than eight times longer when compared to the HM cemented carbide blades.

Keywords: PPS, Diamond, Composite, cemented carbide, WCCo

pochodnych. Rozproszone cząstki diamentu powodują wzrost odporności na zużycie ścierne węglików spieka-nych, zachowując ich dużą odporność na kruche pękanie. Kompozyt taki można otrzymać za pomocą nowatorskiej metody - impulsowo-plazmowego spiekania (PPS – ang.

pulse plasma sintering), opracowanej na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej [4]. Pozwala ona na przeprowadzenie procesu spiekania w niższej temperaturze i w krótszym czasie w porównaniu z klasycznymi metodami otrzymywania kompozytu WCCo.

Materiały drewnopochodne są trudne do obróbki, ponie-waż charakteryzują się niejednorodną budową, złożonym składem chemicznym oraz anizotropią struktury. Wykazują one także małe przewodnictwo cieplne, co sprawia, że procesy zużycia narzędzi przebiegają w dość drastyczny sposób [6].

2. Metodyka badań

Ostrza frezów wykonano z kompozytów konsolidowa-nych z wykorzystaniem mieszaniny proszków WC6%Co

(2)

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014)

11

TRWAŁOŚĆOSTRZYSKRAWAJĄCYCHZKOMPOZYTÓWDIAMENT/WCCOWOBRÓBCESKRAWANIEMPŁYTY MDF

o ziarnieniu 0,4 μm i 30% obj. diamentu o gradacji ziaren 8-10 μm lub 16-20 μm. Spiekanie realizowano w urządzeniu wykorzystującym metodę PPS.

Proces spiekania prowadzono w temperaturze 1050 °C, w próżni 5∙10-5_{mbar przy ciśnieniu 100 MPa w}

przypad-ku kompozytów z diamentem 16-20 μm oraz 120 MPa w przypadku kompozytów z diamentem 8-10 μm. Proces spiekania kompozytu WC6%Co z diamentem prowadzony był dwuetapowo. W pierwszym etapie procesu nagrzewano wypraskę do temperatury 600 °C i wygrzewano ją w tej tem-peraturze przez 3 min w celu usunięcia zaabsorbowanych przez proszek gazów. Następnie materiał nagrzewano do temperatury spiekania wynoszącej 1050 °C i wygrzewano w tej temperaturze przez 5 min. Po spiekaniu zasadniczym próbkę chłodzono pod stałym obciążeniem do temperatury otoczenia. W trakcie procesu rejestrowano podstawowe pa-rametry spiekania: temperaturę, ciśnienie oraz skurcz próbki. W metodzie PPS, w odróżnieniu od konwencjonalne-go spiekania, do nagrzewania proszku wykorzystuje się silnoprądowe impulsy elektryczne, otrzymywane w wyniku rozładowania baterii 300 μF kondensatorów, ładowanej mak-symalnie do napięcia 10 kV. Szczegółowy opis metody PPS jest podany w pracach [4] i [5]. Mikrostruktury przełomów poszczególnych kompozytów, obserwowane przy użyciu mikroskopu elektronowego HITACHI S 3500N, pokazano

na Rys. 1. Materiał na ostrza cechował się drobnoziarnistą mikrostrukturą z dobrze ukształtowanymi ziarnami WC oraz z równomiernie rozproszonymi i dobrze połączonymi z osno-wą cząstkami diamentu. Gęstość wszystkich kompozytów przeznaczonych na ostrza, mierzona metodą Archimedesa, wynosiła ponad 99% gęstości teoretycznej. Twardość mie-rzona metodą Knoopa przy obciążeniu 9,8 N w przypadku kompozytów z diamentem wielkości 16-20 μm wynosiła 2170, natomiast dla spieków z diamentem 8-10 μm – 1980. Wyniki twardości i gęstości dla poszczególnych materiałów zestawiono w Tabeli 1.

Z płytek kompozytowych, otrzymanych metodą PPS, wy-cięto ostrza, które następnie zostały wlutowane do korpusu narzędzia za pomocą lutowia B-Ag49CuZnMnNi 670/690 (wg. ISO 3677). Rys. 2 przedstawia geometrię oraz zdjęcie frezu nasadzanego, przeznaczonego do badań.

a) b)

c) d)

Rys. 1. Zdjęcia SEM mikrostruktury przełomu kompozytów WC6%Co/30% obj. diamentu o gradacji: a), b) 8-10 μm, c), d) 16-20 μm. Fig. 1. SEM images of the fracture surfaces of WC6%Co/30 vol.% diamond composite produced with: a), b) diamond of 8-10 μm in size, c), d) diamond of 16-20 μm in size.

Tabela 1. Wyniki badań gęstości i twardości kompozytów WC6%Co z diamentem.

Table 1. The results of density and hardness measurements for WC6%Co/diamond composites. Materiał Gęstość względna [%] Twardość HK1 WC6%Co + diament 8-10 μm 99,6 1980 ± 10 WC6%Co + diament 16-20 μm 99,8 2170 ± 17

(3)

12 MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014)

J. WACHOWICZ, A. MICHALSKI

Testy frezów przeprowadzono na listwach podłogowych o długości 2,62 m, wykonanych z MDF, o gęstości 720-750 kg/m3_{, na obrabiarce Weinig Hydromat 23. Obroty}

wrze-ciona wynosiły 6000 obr./min, a prędkość posuwu - 50 m/min. Zużycie ostrza wyznaczano na podstawie pomiaru wytarcia ostrza przy użyciu mikroskopu pomiarowego Nikon MM-200 z oprogramowaniem pomiarowym E-MAX.

3. Wyniki badań

Trwałość narzędzi pracy scharakteryzowano poprzez określenie długości drogi skrawania do osiągnięcia stanu stępienia ostrza. Natomiast wpływ wielkości ziarna diamentu

na zużycie ostrzy określono na podstawie pomiarów wytarcia ostrza skrawającego wykonanych po testach skrawania. Zu-życie ostrzy następowało przede wszystkim w wyniku ściera-nia krawędzi skrawającej, co prowadzi do wzrostu promieściera-nia ostrza skrawającego. Na Rys. 3 przedstawiono przekładowe zdjęcie repliki ostrza, wykonane przed procesem skrawania (Rys. 3a) oraz po przeprowadzonych testach (Rys. 3b).

W Tabeli 2 zestawiono drogę, jaką pokonał frez do mo-mentu stępienia ostrzy dla poszczególnych materiałów oraz średnie zużycie ostrzy po przebyciu tej drogi. Najdłuższą drogę wynoszącą 52 400 m pokonały frezy, których ostrza wykonane były z kompozytu WC6%Co z diamentem o gra-dacji ziarna 8-10 μm. Natomiast ostrza z handlowego węglika spiekanego do momentu stępienia pokonały drogę około ośmiokrotnie mniejszą. Jeśli natomiast chodzi o wytarcie ostrzy pracujących, to ich zużycie wahało się od 0,09 mm do 0,18 mm. Aby porównać wytarcie poszczególnych ostrzy, obliczono ich zużycie na 1m drogi skrawania, co także

przed-a)

b)

Rys. 2. Geometria (a) i zdjęcie (b) frezu wykorzystywanego do przeprowadzenia testów skrawania.

Fig. 2. Geometry (a) and image (b) of a cutting tool used for cutting tests.

a)

b)

Rys. 3. Zdjęcie repliki ostrza: a) przed pracą, b) po pracy. Fig. 3. Replicas of a blade: a) before work, b) after work.

Tabela 2. Zużycie frezów. Table 2. Wear of milling cutters.

Materiał ostrza Średnie zużycie [mm]

Droga jaką pokonał frez do stępienia [m]

Zużycie ostrza na

1 m drogi skrawania [mm] Wzrost trwałości

WC6%Co + diament 8-10 μm 0,18 52400 3,4·10-6 _7,6

WC6%Co + diament 16-20 μm 0,09 30000 3,0·10-6 _8,7

(4)

MATERIA£Y CERAMICZNE /CERAMIC MATERIALS/, 66, 1, (2014)

13

TRWAŁOŚĆOSTRZYSKRAWAJĄCYCHZKOMPOZYTÓWDIAMENT/WCCOWOBRÓBCESKRAWANIEMPŁYTY MDF

stawiono w Tabeli 2. Otrzymane wyniki wytarcia dla materiału kompozytowego przedstawiono w odniesieniu do wytarcia ostrza wykonanego z handlowego węglika HM.

Na Rys. 4 zestawiono wzrost trwałości ostrzy skrawają-cych, wykonanych z kompozytu WC6%Co z rozproszonymi cząstkami diamentu, w odniesieniu do trwałości ostrzy z handlowego węglika spiekanego. Badania wykazały, że największy wzrost trwałości (prawie dziewięciokrotny) posia-dają ostrza wykonane z kompozytu WC6%Co z diamentem o wielkości ziarna 16-20 μm. Jest to wynik równomiernie rozłożonych oraz dobrze zakotwiczonych cząstkach diamen-tu w węglikowej osnowie kompozydiamen-tu (Rys. 1c). Natomiast, kompozyt z mniejszymi cząstki diamentu o gradacji 8-10 μm charakteryzuje się ponad siedmiokrotnym wzrostem trwałości w porównaniu węglikiem spiekanym HM. Być może, w związ-ku z mniejszymi rozmiarami diamentu, na granicy diament/ osnowa powstała niewielka (nieidentyfi kowana za pomocą XRD ze względu na mały masowy współczynnik absorpcji promieniowania rentgenowskiego dla grafi tu i diamentu) warstewka grafi tu, która nieco przyspieszała proces zużycia materiału HM w porównaniu do kompozytu.

4. Podsumowanie

Kompozyt diament/WC6%Co spiekano w warunkach nietrwałości termodynamicznej diamentu metodą PPS. Spe-cyfi czne warunki spiekania silnoprądowymi impulsami po-zwoliły uzyskać gęste spieki, charakteryzujące się mocnym wiązaniem pomiędzy cząstkami diamentu i osnową z węglika spiekanego WC6%Co. Ostrza skrawające z kompozytu WC6%Co z rozproszonymi cząstkami diamentu o wielkości 16-20 μm mają ponad osiem razy większą trwałość w sto-sunku do ostrzy skrawających z węglika spiekanego przy obróbce materiału drewnopochodnego MDF.

Podziękowania

Praca finansowana w ramach projektu UDA-PO-IG.01.03.01-14-063/08-01: „Nowy materiał kompozytowy – diament w osnowie węglika wolframu na narzędzia skra-wające do obróbki materiałów drewnopochodnych”.

Literatura

[1] Upadhyaya, G. S.: Cemented carbides production, properties

and testing, Noyes Publications, (1998).

[2] Qingshun Bai, Yingxue Yao, Shuodong Chen: Research and development of polycrystalline diamond woodworking tools, Int.

J. Ref. Met. Hard Mater., 20, (2002), 395.

[3] Philbin, P., Gordon, S.: Characterization of the wear behavior of polycrystalline diamond (PCD) tools when machining wood-based composites, J. Mater. Proces. Techn., 162–163, (2005), 665.

[4] Michalski, A.: Impulsowo plazmowe spiekanie materiałów ceramicznych, Biuletyn Polskiej Akademii Nauk, Ceramika 91, (2005), 378.

[5] Michalski, A., Siemiaszko, D., Rosiński, M.: Kompozyt diament--WC spiekany impulsowo plazmowo, Biuletyn Polskiej Akademii

Nauk, Ceramika 103, (2008), 399.

[6] Sheikh-Ahmad, J. Y., Bailey, J. A.: The wear characteristics of some cemented tungsten carbides in machining particleboard,

Wear, 225–229, (1999), 256.



Otrzymano 20 września 2013, zaakceptowano 28 stycznia 2014 Rys. 4. Wzrost trwałości kompozytowych ostrzy skrawających w stosunku do wykonanych z handlowego węglika spiekanego WCCo. Fig. 4. Durability increase of the composite cutting blades in relation to the commercial cemented carbide WCCo one.