Nadca 207 a vstupní kontrola kvality materiálu v nástrojárně

Ještě dříve, než se budeme zabývat praktickou možností aplikovat zjednodušenou kontrolu vstupní jakosti oceli s využitím map Nadca 207 pro žíhané struktury (Obr. č. 1) přímo v nástrojárně, je nutno si zodpovědět několik otázek:

• Chci to opravdu dělat?
• Mám na to vybavení?
• Mám na to odbornost?
• Mám na to čas?
• Mám na to peníze?

Řekněme si na rovinu, na všechny tyto otázky bych já sám odpověděl  – NE. Důvodem je to, že jediná, nezávislá, profesně odborná a spolehlivá kontrola jsou rázové zkoušky v akreditované laboratoři. Na to již přišli i ve Škoda-Auto, a i když jim vstupní metalografickou kontrolu dříve prováděl profesor Horyna z Liberce, tak dnes si již  provádí vstupní rázové testy pro všechny kritické díly.

Obr.č. 1 – Mapy akceptovatelných a neakceptovatelných  struktur pro žíhaný materiál

Nicméně v praxi se mohou vyskytnout případy, kdybychom to chtěli využít, ale nejsme na to vybaveni a nemáme na to odbornost. Je nějaká cesta?

Každá nástrojárna vyrábějící díly forem pro tlakové lití, by měla zaručit, že po aplikaci EDM se nebude na povrchu vyskytovat bílá přetavená vrstva. V případě, že by se EDM aplikovalo před kalením, může to dopadnout jako na tomto příkladu (Obr.č. 2), kdy nebyla odstraněna přetavená vrstva a ani nebylo zařazeno žíhání po elektroerozi.

Obr. č. 2 – Trhliny z důvodu chybně aplikovaného EDM před kalením

Pokud se provádí EDM po kalení, pak je to sice v pořádku, musíme si ale být jistí, že bílá přetavená vrstva je odstraněna. Obvykle broušením, leštěním, tryskáním.  Jak to  ale zkontrolovat?  Řešení je relativně jednoduché. Bílá vrstva se to nazývá proto, že po naleptání se pod mikroskopem vrstva jeví jako bílá, bez náznaku vlastní struktury materiálu. To je vidět na následujícím obrázku č. 3.

Obr. č. 3 – Struktura vrstvy po EDM (zdroj : Multi-Response Optimization of Electrical Discharge Machining Using the Desirability Function, Rafał Świercz, Dorota Oniszczuk-Świercz, Tomasz Chmielewski,, XIII Internation al Conference Electromachining 2018 that was held in Bydgoszcz, Poland, 9–11 May 2018).

Pokud tedy budeme mít dílenský, přenosný mikroskop, nejlépe se zvětšením až 500x, po mechanickém odstranění vrstvy si vyleštíme plošku v místě, kde chceme přítomnost přetavené vrstvy ověřit, a tuto naleptáme metalografickým leptadlem s názvem Nital 5%.

Následně bychom měli v analyzovaném místě vidět buď bílou, nenaleptanou plochu, což je známka toho, že vrstva ještě odstraněna nebyla, nebo náznaky naleptané martenzitické struktury materiálu s případnými hranicemi zrn, zbytkový austenit, karbidy a další strukturní složky, svědčící o tom, že jsme již v zóně, tepelně ovlivněné od EDM.

Ideálním přístrojem pro takovouto kontrolu je již jednou na mém blogu zmíněný digitální mikroskop Keyence VHX 7000 (Obr.č. 4). Umí nejenom zvětšení až do 6000x, ale i snímat obraz ve 4K zobrazení, s vysokou hloubkou ostrosti, může být mobilní, propojen kabelem o délce až 20 m s počítačovou jednotkou. Tento mikroskop umí ale i měřit, a proto si lze představit jeho využití na kontrolu tvaru, přesné měření odvzdušňovacích kanálů atd. Umí i kompletní analýzu obrazu a další speciality.  Jeho jedinou nevýhodou je cena, vyvážená ale vysokou přidanou hodnotou. Kontakt na dodavatele je zde : ing. Jiří Vaněček, KEYENCE INTERNATIONAL (Belgium) NV/SA, Office Park Kavčí Hory, Na Hřebenech II 1718/10, 140 00 Praha 4, j.vanecek@keyence.eu

Obr. č. 4 – Digitální mikroskop Keyence VHX-7000

Opakem k tomuto přístroji jsou jednoduché digitální USB mikroskopy dle obr.č. 5. Jejich cena je sice jen 700  až 1000 Kč, což je lákavé, výsledek je ale k ničemu. Osobně jsem si ho zakoupil, jenže jedno zklamání za druhým. Potíže začnou již s instalací. Jedná se o čínský výrobek s čínským SW. Instalace na můj počítač nebo laptop se nezdařila, nerozumí si s Win 10 ani s Win 8. Když už se mi ale podařilo zprovoznit kameru, pak výsledek už při zvětšení zhruba 100x byl nepoužitelný. Nízká rozlišovací schopnost CMOS snímače a nemožnost obraz zaostřit bude bránit jeho použití v praxi. Stojan i kamera jsou totiž v plastu, a tak se přístroj celý třese při každém dotyku. Už jenom zaostření je obrovským problémem.

Obr. č. 5 – Digitální USB mikroskop ProHard 2.0 a zobrazení struktury oceli H11 při zvětšení cca 500x.

Po delším bádání a za pomoci pana ing. Černického z Metalco jsem se dobral k něčemu, co by se v podmínkách nástrojárny pro daný účel mohlo opravdu použít, a přitom by to bylo za docela  rozumné peníze.

A. Měřící mikroskop od firmy Befort- Optic (https://www.befort-optic.com/en/messmikroskope.php)

Jedná se o jednoduchý přístroj, v podstatě o metalografickou lupu, s různými objektivy a s přisvícením (Obr.č. 6). Při největším zvětšení 100x je jeho rozlišovací schopnost 10 µm. My ale potřebujeme zvětšení 500x, protože kromě kontroly bílé vrstvy po EDM bychom chtěli i provádět vstupní kontrolu oceli dle map Nadca 207, jak pro žíhané struktury, tak i pro struktury po kalení. To nám tento přístroj neumožní, nicméně např. pro kontrolu leštěných nebo dezénovaných povrchů s vypadávajícími vměstky, vrypy, rýhami si lze představit jeho využití v nástrojárně.

Obr. č. 6 – Měřící mikroskop od firmy Befort-Optic se zvětšením až 100x

B. Přenosný mikroskop od firmy OPTO (https://www.opto.de/en/microscopy/application-microscopes/portable-microscope/)

Dalším přístrojem je přenosný mikroskop od firmy OPTO (Obr.č. 7). Tento přístroj je již dostatečně profesionální a je adaptován na práci v terénu. Lze volit objektivy se zvětšením 50x, 100x, 200y a 500x, a lze na něj umístit i digitální kameru, přímo od výrobce nebo vlastní,  s firemním nebo i vlastním vyhodnocovacím softwarem. Jeho hmotnost 5 kg zaručuje již dostatečnou stabilitu a odolnost proti otřesům.

Obr. č. 7 – Přenosný mikroskop od firmy OPTO

I při plném hardwarovém a softwarovém vybavení se budeme pohybovat již v cenově rozumných hladinách, i když ani tento přístroj není zadarmo. Případní zájemci se mohou obrátit na pana Dipl. Ing. Davida Černického, firma Metalco, E-mail: david.cernicky@metalco.cz

C. Struers PSM 5 a 10 (https://www.struers.com/en/Products/Materialographic-analysis/Materialographic-analysis-equipment/PSM)

Protože nabídka na trhu není příliš bohatá, posledním přístrojem je přenosný mikroskop od firmy Struers (Obr. č. 8) . Dodává se v provedení PSM 5 nebo PSM 10. Mezi modely je rozdíl v tom, že PSM 10 umožňuje zvětšení až 600x, u verze PSM 5 jen 400x.  Přístroj lze opět vybavit i digitální kamerou s CMOS snímačem a 10“ displejem. Protože pro potřeby dodání formy potřebujeme záznam o provedené kontrole, který bude prokazatelný, ve všech případech považuji digitálně snímaný obraz a jeho archivaci za podmínku úspěšnosti použití této samokontroly, a to i v případě budoucích sporů a reklamací.

Obr. č. 8 – Přenosný mikroskop Struers

Protože jak pro analýzu odstranění přetavené vrstvy po EDM, tak i pro kontrolu žíhané struktury vstupního materiálu potřebujeme na povrchu vybrousit a vyleštit měřící plošku, kterou následně naleptáme leptadlem NITAL 5%, potřebujeme jak toto leptadlo, tak i vybavení pro leštění.

S leptadlem Nital 5% problém není, dá se běžně koupit u dodavatelů spotřebního materiálu pro metalografii (Obr.č. 9).

Obr. č. 9 – Příklad leptadla NITAL 5%

Obr. č. 10 – Sada TransPol 5 pro broušení a leštění  od firmy Struers

S přípravou plochy pro měření, tedy broušením a leštěním povrchu je to trochu složitější. Je možno volit profesionální řešení jako je např. zařízení pro broušení a leštění TransPol 5 od firmy Struers (Obr.č. 10), anebo v každé nástrojárně na ručních dokončovacích operacích je vždy člověk, který toto umí a má na to vybavení.

U kontroly přetavené vrstvy si toto „autonomní“ řešení dokáži představit. Pokud bychom se ale věnovali i pravidelné vstupní kontrole materiálu, pak vstupní kontrola musí mít kompletní vybavení,  nezávislé na ručních operacích nástrojárny.

Lze ale přemýšlet i o elektrolytickém leštění přístrojem MoviPol5 (Obr.č. 11), opět od firmy Struers, který umí kombinovat obě potřebné operace, tedy měřené místo vyleštit a následně naleptat, a v to čase do 1 minuty.

Oba přístroje pro leštění, jak TransPol 5 tak i Movipol 5 jsou na baterii a plně přenositelné, lze tedy s nimi pracovat kdekoliv na hale nástrojárny.

Pro vlastní mikroskop je asi vhodné i zakoupit magneticky upínaný držák (Obr.č. 12), který mikroskop zafixuje a odstraní případné problémy s chvěním přístroje.

Obr. č. 11 – Přístroj pro elektrolytické leštění MoviPol 5 od firmy Struers

Obr. č. 12 – Magneticky upínaný držák mikroskopu

Případné dotazy je možno vznést přímo na zastoupení Struers, na pana Ing. Martina Lásku, Ph.D., Struers GmbH, Vědeckotechnický park, Přílepská 1920, 252 63 Roztoky u Prahy, Czech Republic, martin.laska@struers.de

Jaký tedy učinit závěr? Prioritou pro nástrojárnu, vyrábějící formy na tlakové lití, je kontrola odstranění přetavené vrstvy po EDM. Na to musí mít vybavení a kvalifikaci, a to za ní nikdo neudělá. Pokud ale této kvalifikace dosáhne, pak přechod na vstupní kontrolu materiálu dle map Nadca 207 již nebude tak bolestný, protože již bude mít potřebné vybavení a časem i odbornost.

Jiří Stanislav

12. května 2022