Electro-discharge machining of type H13 tool steel titanium carbide composites

• Autorzy: Duszczyk J. , Biało D. , Perończyk J. , Daniels R.

Warianty tytułu

PL

Obróbka elektroerozyjna kompozytów stal narzędziowa H13-węglik tytanu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the most popular steels which have been used for tools in the hot metal extrusion process is AISI type H13 hotwork tool steel. Although this steel has relatively good properties - wear resistance and hot toughness - it is no longer completely satisfactory because new extrusion materials place higher demands on extrusion tooling, and H13 type steel in its current form is not optimal. The paper presents the proposition of improving the properties of H13 type steel by introducing hardceramic particles as reinforcement to the structure. Such composites consist of a modified H13 steel matrix and TiC particles of 0, 10, 20 and 30 volume percent. The composites were manufactured by the powder metallurgy method. The atomized matrix powder was mixed with a TiC powder using a Tubular mixer for 60 min. The mixed materials were consolidated by Hot Isostatic Pressing (HIP). Prior to the HIP process, the powder materials were placed in a steel can. The conditions of hot isostatic pressing for the modified H13 tool steel matrix composites were: temperature 1150°C, time 4 hours and pressure 100 MPa. Particle reinforced metal matrix composites are difficult to machine using conventional manufacturing processes due to high tool wear caused by the hard reinforcement, even those tools which are made of cemented carbides. One of the best methods of machining of composite dies is sink electro-discharge machining EDM or wire electro-discharge machining WEDM. This work concerns the investigation into the machinability of Titanium Carbide (TiC) particle reinforced modified H13 steel using wire electro discharge machining (WEDM). WEDM cutting was conducted using a machine equipped with a RC type relaxation generator. The dielectric used in this experiment was deionized water. As the tool material, brass wire with a diameter of 0.25 mm was used. To compare, wrought H13 steel was also machined. The machining parameters such as pulse time and load voltage were varied in order to optimize the metal removal rate and surface integrity. The obtained results indicate that MMCs can be machined using WEDM although the metal removal rates are lower compared to conventional machining processes. It is shown that the surface roughness increases with higher discharge energy and decreases with the volume fraction of the reinforcement. The optimum machining rate considering the roughness and cutting rate, was when the pulse on-time is at 1.5 μs, pulse off-time at 10 μs and load voltage at 122 V.

PL

W procesie wyciskania na gorąco jedną z najczęściej stosowanych stali na matryce jest stal narzędziowa do pracy na gorąco typu H13 (wg AISI). Ta stal charakteryzuje się stosunkowo dobrymi własnościami: odpornością na zużycie i odpornością na pękanie na gorąco. Jednak wobec stale rosnących wymagań odnośnie do podwyższonych parametrów wyciskania i większej wydajności procesu jej własności pozostają nie w pełni zadowalające. W artykule przedstawiono propozycję podwyższenia jej własności przez wprowadzenie do struktury twardych ceramicznych cząstek. Jako fazę zbrojącą zastosowano cząstki TiC w ilości 10, 20, 30% obj. Do wytworzenia kompozytów zastosowano proces metalurgii proszków, w którym proszki osnowy i proszki fazy zbrojącej mieszano, a następnie prasowano metodą izostatyczną na gorąco HIP. Warunki prasowania: temperatura 1150ºC, czas 4 godziny i ciśnienie 100 MPa. Jak wiadomo, kompozyty metalowe są trudne w obróbce mechanicznej z uwagi na obecność w osnowie twardych cząstek zbrojących, które powodują intensywne zużywanie ścierne ostrzy narzędzi. Jedną najbardziej obiecujących metod obróbki kompozytowych matryc do wyciskania jest obróbka elektroerozyjna w obu znanych odmianach: drążenia wgłębnego EDM i wycinania drutowego WEDM. W prezentowanej pracy do obróbki kompozytów zastosowano wycinanie WEDM. Użyto wycinarki elektroerozyjnej zaopatrzonej w generator typy RC. Narzędzie obróbcze stanowił drut mosiężny o średnicy 0,25 mm. Obróbkę prowadzono w wodzie dejonizowanej. Przebieg obróbki kompozytów porównywano z przebiegiem obróbki stali handlowej H13 i spiekanej (MH13). Jako podstawowe parametry obróbki przyjęto czas trwania wyładowań (impulsu) i napięcie w impulsie. W funkcji tych wielkości optymalizowano wydajność obróbki i chropowatość uzyskanych powierzchni. Badania wykazały, że obróbka kompozytów jest mniej wydajna niż w procesie obróbki mechanicznej. Chropowatość powierzchni rośnie wraz ze wzrostem energii pojedynczych impulsów i ulega obniżeniu dla kompozytów z największą zawartością TiC. Określono najkorzystniejsze warunki obróbki WEDM badanych kompozytów: czas trwania impulsu 1,5 µs, czas przerwy pomiędzy impulsami 10 µs i napięcie robocze 122 V.

Słowa kluczowe

EN

tool steel; composites; TiC particle; electro discharge machining; WEDM; material removal rate

PL

stal narzędziowa; kompozyty; cząstki TiC; obróbka elektroerozyjna; WEDM; wydajność obróbki

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 1
• Strony: 8--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Duszczyk J.

• Delft University of Technology, Faculty of Mechanical, Martime and Materials Eng., Mekelweg 2, 2628 CD Delft, The Netherlands

autor

Biało D.

• University of Ecology and Management, Faculty of Management, ul. Olszewska 12, 00-792 Warsaw, Poland

autor

Perończyk J.

• University of Ecology and Management, Faculty of Management, ul. Olszewska 12, 00-792 Warsaw, Poland

autor

Daniels R.

• Adex BV, Tjalkkade 2, 5928 PZ Venlo, The Netherlands

Bibliografia

• [1] H13 Hot Work Tool Steel, American Iron and Steel Institute catalogue.
• [2] Zhou J., Duszczyk J., Houdijk P., Zitman H., Walstock A.J., Extrusion of an aluminium matrix composite with hardmetal dies (2nd part), Aluminium Extrusion 2000, 5/1, 27-29.
• [3] Biało D., Duszczyk J., Wear of aluminium matrix composites processed by liquid phase sintering and hot extrusion. The 1996 World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials 1996, June 16-21, Washington, D.C., In: Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, vol. 5, part 16, 17-22.
• [4] Duszczyk J., Biało D., Friction and wear of PM Al-20Si-Al2O3 composites in kersene, Journal of Materials Science 1993, 28, 193-202.
• [5] Biało D., Zhou J., Duszczyk J., The tribological characteristics of the Al-20Si-3Cu-1Mg alloy reinforced with Al2O3 particles in relation to the hardness of mating steel, Journal of Materials Science 2000, 35, 5497-5501.
• [6] Grzesik W., Principles of the Machining of the Structural Materials, WN-T, Warsaw 2010 (in Polish).
• [7] Weinert K., A consideration of tool wear mechanism when machining metal matrix composites (MMC), CIRP Annals 1993, 42/1, 95-98.
• [8] Peronczyk J., Bialo D., Precision electrodischarge machining (EDM) of aluminium matrix composites, Machine Dynamics Problems 2004, 28, 4, 83-88.
• [9] Trzaska M., Peronczyk J., Bialo D., Influence of electrical parameters of electrodischarge machining on state of aluminium matrix composite surface, Kompozyty (Composites) 2005, 5, 3, 51-55 (in Polish).
• [10] Trzaska M., Bialo D., Peronczyk J., Surface mikrogeometry of aluminium matrix composites after electrodischarge machining, Kompozyty (Composites) 2004, 4, 11, 278-283 (in Polish).
• [11] Strivatsan T. et al., Processing of discontinuously reinforced metal matrix composites, Progress and Materials Science 1995, 39, 317-409.
• [12] Nicolas M., Introduction in the Study of Spark-Erosion, 1970, P30.