Stabilność i precyzja produkcji dzięki stali duplex

© Leipold-Gruppe

Udostępnij:

 

W obecnych czasach stal duplex zyskuje na znaczeniu w branży motoryzacyjnej. Materiał stanowi wyzwanie dla producentów części precyzyjnych. Mimo tego, warto stosować stal duplex nie tylko ze względu na jej właściwości, ale również z ekonomicznego punktu widzenia.

Sztuka obrabiania stali duplex opiera się na pracy precyzyjnej. Choć obecnie stale duplex stosowane są w budownictwie masowym podczas wytwarzania dużych przedmiotów, tworzywo to coraz częściej jest stosowane w precyzyjnych łańcuchach produkcyjnych. Materiał ten został odkryty w latach 30. ubiegłego wieku, jednak prace nad jego zastosowaniem w przemyśle zaczęły się rozwijać dopiero ok. 1970 roku, a dzięki jego niezwykłym właściwościom szybko zaczęto go stosować w chemii przemysłowej, branży petrochemicznej, zakładach odsalania wody morskiej i technice offshore. Obecnie stal duplex wykorzystywana jest przede wszystkim w przewodach łączących i podczas budowy zbiorników. Rozcinanie, walcowanie, zginanie lub łączenie należą do najczęstszych sposobów jej obrabiania. Ostatnio materiał ten zyskał na znaczeniu w technice produkcyjnej. Jednak w przypadku precyzyjnej obróbki skrawaniem stal duplex stawia wysokie wymagania maszynom i jej operatorom. Siłą napędową wzrostu popularności tego tworzywa jest branża motoryzacyjna. Poprzez stosowanie stali duplex dąży się do zwiększenia wydajności - zarówno pod kątem ekonomicznym, jak i konstrukcyjnym. Tłem są coraz większe wymagania stawiane częściom precyzyjnym i zaostrzone przepisy bezpieczeństwa. Części precyzyjne, które najczęściej stosuje się w układach paliwowych, są bardziej niż kiedykolwiek wystawione na działanie warunków ekstremalnych. Miejscowo na części te oddziałuje ciśnienie nawet do 200 barów. Dlatego bezpieczne przewody w wysoce wrażliwych układach paliwowych są nieodzowne.



Niższe zużycie materiału zapewnia większą wydajność
Już na początku prac konstruktorzy starają się redukować podatność materiału na zużycie. Elementarne znaczenie mają tu właściwości wykorzystywanych tworzyw. Stosując specjalne materiały, inżynierowie chcą minimalizować ryzyko podatności na uszkodzenia. Podczas gdy obecnie powszechnie stosuje się stale chromowo-niklowe, konstruktorzy przyglądają się stalom duplex. I to nie tylko ze względu na ich wyjątkowe właściwości. Lepsze warunki zakupu oraz mniejsze zużycie materiału również zapewniają wzrost wydajności. Stale duplex łączą zalety podatnych na korozję stali chromowych z cechami stali konstrukcyjnych o dużej wytrzymałości. Charakteryzują się one zarówno wysoką odpornością na obciążenia dynamiczne, jak i bardzo dobrą odpornością na korozję w ekstremalnych warunkach. Kolejną zaletą stali duplex jest bardzo dobra zgrzewalność we wszystkich powszechnych technologiach. Decydujący dla jej szczególnych właściwości jest wyjątkowy skład, czyli połączenie struktur ferrytycznej z austenityczną przy wysokiej zawartości chromu i niskiej niklu. Takie połączenie powoduje utrzymanie dobrych własności mechanicznych stali austenitycznych przy znacznym wzroście odporności na korozyjność zmęczeniową oraz pitting. Właściwości te jednak sprawiają, że obróbka skrawaniem jest zdecydowanie trudniejsza. W przeciwieństwie do stali austenitycznej stal duplex prawie w ogóle nie zawiera siarki. Pierwiastek ten ma zasadnicze znaczenie w procesie obróbki. Kto chce w profesjonalny sposób skrawać stal dupleks, potrzebuje odpowiedniego przygotowania. W związku z wieloma zapytaniami o produkcję części precyzyjnych wykonanych ze stali duplex, Leipold-Gruppe Mitte w 2013 roku wzięło za cel studium wykonalności skrawania stali duplex. Jak dotąd branża była raczej sceptycznie nastawiona do produkcji z wykorzystaniem tego materiału. W czasie, gdy próbowano już produkcji prostych narzędzi, koncern dążył do opanowania wysoce precyzyjnych etapów pracy z tworzywem.



Popyt przyspiesza testy skrawania stali duplex
Wyposażony w niewielką wiedzę w zakresie produkcji z mosiądzu i stali szlachetnej, producent części precyzyjnych z siedzibą w Wolfach, rozpoczął w Schwarzwaldzie projekt testowy. Celem przedsiębiorstwa było uzyskanie przewagi na ogólnoświatowym rynku części produkcyjnych, a przede wszystkim nad producentami wykorzystującymi niskokosztową produkcję w Indiach. Dzięki badaniom udało im się zgłębić kwestie związane z precyzyjnym skrawaniem, aby zdobyć przewagę nad producentami stosującymi materiały dające się łatwo obrabiać, lecz o gorszych parametrach. Na podstawie konkretnej ankiety przeprowadzonej wśród klientów do próbnego projektu wybrano króciec podłączeniowy poddostawcy z branży motoryzacyjnej. Dotychczas Leipold produkował je z nierdzewnej stali szlachetnej 1.4301. Niezależnie od tego miał zostać wyprodukowany króciec przyłączeniowy przy użyciu duplex 1.4462. W 2013 roku w centrum technologicznym należącym do Walter AG w Tybindze Leipold wprowadził ten proces w życie. Po dwóch miesiącach przedsiębiorstwo wyprodukowało na jednowrzecionowym automacie tokarskim CNC serię, która bazowała na pierwszym wzorcu. W rezultacie Leipold zaplanował przeprowadzenie kolejnych produkcji wzorcowych o wielkości partii mniejszej niż 1000 sztuk. Przedsiębiorstwo chciało w ten sposób osiągnąć produkcję seryjną. Po około rocznej fazie testowej Leipold ostatecznie zwrócił się w kierunku automatu wielowrzecionowego CNC. Po wyprodukowaniu serii liczącej mniej niż 1000 sztuk producent zwiększył liczbę wytwarzanych części do prawie 50 000 sztuk. Jednak firma miała możliwość produkowania rocznie 500 000 sztuk króćca podłączeniowego. Spowodowało to, że wielowrzecionowa maszyna była obciążona prawie przez cały rok.

 

Cztery różnice stali duplex
 
  Lean-Duplex Standard-Duplex Super-Duplex Hyper-Duplex
Chrom 21-23% 20-24% 24-25% 25-30%
Nikiel < 4% 3-5% 7% 6-8%
Molibden < 3% 3-4%    
Mangan < 5%
Azot < 0,25 % < 0,25 % 0,2 - 0,3% 0,3 - 0,4%
Inne Miedź Miedź Miedź Miedź
Wolfram Wolfram

 

Utwardzanie zgniotowe na powierzchni ma wyjątkowo negatywny wpływ
Podczas fazy projektowej niezwykle ważne jest dostrajanie przebiegu procesu. Właściwości materiałów bardzo utrudniały proces obróbki. Podczas obróbki skrawaniem, poprzez powstanie ciśnienia i ciepła, na powierzchni pojawia się utwardzanie zgniotowe. Efekt ten ma wyjątkowo negatywny wpływ na stal duplex. Największym wyzwaniem podczas fazy projektowej było frezowanie kształtowe i walcowanie gwintów. Leopold zoptymalizował cały proces spawania na potrzeby stali duplex. W wielu miejscach przedsiębiorstwo zredukowało również uśrednianie, aby uniknąć zbyt szybkiego zużycia rozwiertaka. Z powodu wysokich temperatur Leipold pracuje obecnie z wykorzystaniem dodatkowego chłodzenia wysokociśnieniowego, tak aby opanować powstawanie niechcianych zmian w strukturze materiału. W celu produkcji króćców podłączeniowych Leipold wprowadził 18 kroków w ramach procesu skrawania. Na automacie wielowrzecionowymi CNC MS 40 udało mu się przeprowadzić w serii wszystkie procedury produkcyjne na stali duplex, zaczynając od wiercenia, przez frezowanie kształtowe, aż do toczenia i obcinania. Na jednowrzecionowym automacie tokarskim czas przebiegu na sztukę wynosi około 120 s, a w przypadku produkcji seryjnej jest na poziomie 28 s. Mimo wszystko produkcja z wykorzystaniem stali duplex wymaga dużego wkładu personalnego. Ze względu na niekorzystne formowanie naprężeń i związane z tym niebezpieczeństwo pęknięcia narzędzia pracownicy muszą nadzorować proces niemal w stu procentach. Producenci części, tacy jak Leipold, muszą pogodzić się z jedną zasadniczą wadą stosowania stali duplex: mimo dopasowania procesu tworzywo prowadzi narzędzie na granicy obciążalności. Duży udział chromu działa niezwykle niszcząco na utwardzaną powłokę. W przypadku stali chromowo-niklowej udział chromu wynosi 18-19%, a stal duplex zawiera aż do 30% chromu. W porównaniu z obecnie stosowanymi tworzywami prowadzi to do większego zużycia narzędzi i w konsekwencji do długich przestojów maszyny. Porównując to z tradycyjnymi stalami, w Leipold zmniejszyła się żywotność narzędzi stosowanych podczas produkcji z wykorzystaniem stali duplex średnio o 40%. Pomimo tych niedogodności produkcja z użyciem stali duplex jest wciąż opłacalna. Z jednej strony koszty materiałów są niskie ze względu na niską zawartość molibdenu i niklu – nikiel powoduje znaczny wzrost kosztów, jego cena zmienia się w przypadku wahającego się popytu na rynkach światowych. Z drugiej strony, części precyzyjne ze stali duplex mogą być niewielkich rozmiarów. Z powodu swych właściwości części wytwarzane ze stali duplex mają niską masę. Ma to wpływ na wielkość zakupu oraz cenę. Oszczędności materiałowe sięgające 25% nie są rzadkością. Ponadto dobra spawalność części budowlanych przynosi korzyści podczas procesów konstrukcyjnych. Przykładowo można zrezygnować z nawiertów dla połączeń śrubowych.

Szacowana roczna liczba sztuk na poziomie pół miliona
Dla Leipold Gruppe badanie skrawania z wykorzystaniem stali duplex już przynosi korzyści. Obok króćców podłączeniowych producent wytwarza dziś trzy kolejne części (dwie części zewnętrzne i jedną część wewnętrzną przewodów), wykorzystując to tworzywo. Roczna ilość wytwarzania takich części szacowana jest na poziomie pół miliona. Z punktu widzenia przedsiębiorstwa zapotrzebowanie będzie dalej rosnąć, nie tylko w branży motoryzacyjnej, ale również w innych branżach, np. lotnictwie, gdzie wysoka wytrzymałość części precyzyjnych ma znaczenie elementarne. Stal duplex z pewnością będzie zyskiwała na znaczeniu.

Udostępnij:

Drukuj



MM Magazyn Przemysłowy Online

MM Magazyn Przemysłowy jest tytułem branżowym typu business to business, w którym poruszana jest tematyka z różnych najważniejszych sektorów przemysłowych. Redakcja online MM Magazynu Przemysłowego  przygotowuje i publikuje na stronie artykuły techniczne, nowości produktowe oraz inne ciekawe informacje ze świata przemysłu i nie tylko.




TOP w kategorii







Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również