1 Deformacije alata pri toplinskoj obradi Vježba I. Kolegiji: Posebni metalni materijali Alatni materijali dr. sc. Darko Landek, izv.prof Fakultet strojarstva i brodogradnje , Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo površina Deformacije alata pri toplinskoj obradi • Uvod • Deformacije volumena i deformacije oblika • Uzroci deformacija alata i mjere za njihovo smanjenje • Zaključak -> Uvod Zahtijevi na svojstva alatnih materijala: Opća svojstva: otpornost na trošenje, visoka žilavost Posebna svojstva: otpornost na popuštanje, postojanost dimenzija pri kaljenju (otpornost promjeni volumena) , ... Proizvodni zahtijevi: nabavljivost, cijena ''Bezdeformacijsko kaljenje'' je općenito fizikalno nemoguće jer pri kaljenju dolazi do nastanka transformacijskih naprezanja kao posljedice stvaranja martenzita (c/a >1), a njima se dodaju toplinska naprezanja i eventualno ostala mehanička naprezanja (npr. zbog pogrešnog slaganja alata u peć i sl.).
26
Embed
Deformacije alata pri toplinskoj obradi - fsb.unizg.hr · PDF file1 Deformacije alata pri toplinskoj obradi Vježba I. Kolegiji: Posebni metalni materijali Alatni materijali dr. sc.
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
Deformacije alata pri
toplinskoj obradi
Vježba I.
Kolegiji: Posebni metalni materijali
Alatni materijali
dr. sc. Darko Landek, izv.prof
Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo površina
Deformacije alata pri toplinskoj obradi
• Uvod
• Deformacije volumena i deformacije oblika
• Uzroci deformacija alata i mjere za njihovo
smanjenje
• Zaključak
-> Uvod
Zahtijevi na svojstva alatnih materijala:
Opća svojstva: otpornost na trošenje, visoka žilavost
Posebna svojstva: otpornost na popuštanje, postojanost dimenzija pri
kaljenju (otpornost promjeni volumena) , ...
Proizvodni zahtijevi: nabavljivost, cijena
''Bezdeformacijsko kaljenje'' je općenito fizikalno nemoguće jer pri kaljenju
dolazi do nastanka transformacijskih naprezanja kao posljedice stvaranja
martenzita (c/a >1), a njima se dodaju toplinska naprezanja i eventualno
ostala mehanička naprezanja (npr. zbog pogrešnog slaganja alata u peć i sl.).
2
-> Deformacije alata pri toplinskoj obradi (kaljenju) =
Deformacije volumena (dilatacije) Deformacije oblika (distorzije, iskrivljenja)
neizbježni dio deformacije pri kaljenju čelika zbog stvaranja tetragonalne
(BCT) rešetke martenzita
izbježivi dio deformacije pri kaljenju čelika nastao kao posljedica uglavnom toplinskih naprezanja
(napetosti) ali i onih nastalih pogrešnim položajem obratka u peći, pogrešnim šaržiranjem,...
+
-> Deformacije alata pri toplinskoj obradi (kaljenju) =
Primjer deformacija osovine 10x100
mm od čelika C45 s uzdužnim utorom za klin (2,5x4mm) pri kaljenju u vodi
Pokus
kaljenja
Računalna
simulacija
-> Deformacije volumena
Promjena parametara rešetke austenita i martenzita u zavisnosti od %C u čeliku
Relativna promjena duljine i volumena tijekom kaljenja čelika
-> Deformacije volumena
- Specifični volumen martenzita veći je od struktura u žarenom stanju (perlit, ferit).
Npr. pri kaljenju ugljičnog čelika s 0,8 %C dolazi do povećanja volumena za 1,43%.
-Popuštanjem se u manjoj mjeri smanjuje promjena volumena nastala kaljenjem ali se ne
može korigirati u potpunosti.
Odgovarajućim kombinacijama legirajućih elemenata može se ublažiti djelovanje transformacijskih napetosti i deformacija volumena alata stvaranjem oko 15 % zaostalog
austenita bez značajnijeg sniženja tvrdoće u kaljenom stanju.
Primjeni čelika dobre otpornosti promjeni volumena:
a) 0,9 %C; 2 %Mn (90 MnCrV 8)
b) 1 %C; 1 %Mn; 1 %Cr; 1,2 % W (105 WCr 6)
c) 2,1 %C; 12 %Cr (X210 Cr 12)
d) 1 %C; 5 %Cr; 1%Mn (X100 CrMnV 5 1)
-> Deformacije oblika (pri ugrijavanju)
Toplinska naprezanja Deformacije oblika (distorzije, iskrivljenja)
Napomena: Za čelike u stanju BCC rešetke E 2,3 Za čelike u stanju FCC rešetke E 3
4
-> Deformacije oblika (pri hlađenju - gašenju)
Toplinska naprezanja Deformacije oblika
Prikaz nastanka zaostalih naprezanja
nakon gašenja (prema Rose-u):
a) krivulje ohlađivanja ruba (r) i
jezgre(r) u mjerilu TTT dijagrama za svornjak promjera 100 mm gašen u
vodi
b) kvalitativne promjene naprezanja i granice plastičnosti čelika tijekom
gašenja
c) kvalitativni prikaz zaostalih
naprezanja u svornjaku nakon gašenja
!
-> Uzroci deformacija alata
1. Materijal alata
2. Geometrija alata
3. Proizvodni postupci izrade alata
4. Toplinska obrada
!
-> Uzroci deformacija alata – materijal alata
Zaostala naprezanja u alatu od prethodne grube strojne obrade zahtijevaju dodatno žarenje za redukciju zaostalih napetosti
Postupci proizvodnje čelika određuju nastalu mikrostrukturu (segregacije i usmjerenost, veličina karbida, …)
5
-> Uzroci deformacija alata materijal alata
Pri izradi alata od čelika za rad na povišenim temperaturama, brzoreznih i visokolegiranih Cr- čelika deformacija volumena najveća je u smjeru vlakana karbida
-> Uzroci deformacija alata geometrija alata
Tipične deformacije oblika nastale kao posljedica pojave
naprezanja većih od granice tečenja materijala
0. Polazni oblik
1. Deformacije
uslijed djelovanja
toplinskih
naprezanja
2. Deformacije
uslijed djelovanja
transformacijskih
naprezanja
-> Uzroci deformacija alata geometrija alata
Temperature razlike a time i napetosti i deformacije povećavaju se s povećanjem dimenzija alata stoga alata treba konstruirati prikladnim za toplinsku obradu (bez oštrih utora, s manjim
razlikama u presjecima, izradom u segmentima i sl.)
Neprikladno Prikladno
Uputa
Neprikladno Prikladno
Uputa
6
-> Uzroci deformacija alata geometrija alata
-> Uzroci deformacija alata geometrija alata
Pukotine u matrici čelika C1 nakon gašenja u ulju nastale
zbog rupa izbušenih preblizu rubovima matrice
Pukotina u matrici čelika C1 nakon gašenja u ulju nastala zbog
neprikladne raspodjele masa i malog radijusa zakrivljenosti u kutu alata
Deformiranje ploče zbog narušavanja ravnoteže polja zaostalih naprezanja: a) ploča prije obrade odvajanjem čestica
b) ploča nakon obrade odvajanjem čestica
-> Uzroci deformacija alata Strojna ili mehanička obrada alata
Pukotine na površini žiga od visokolegiranog alatnog čelika X210Cr12
nakon kaljenja nastale zbog prethodne grube strojne obrade površine
Oznaka na alatu od visokolegiranog alatnog čelika X210Cr12 kao izvor
Srednji vakuum 1 .... 10-3 - legirani alatni čelici
- nehrđajući čelici (osim legiranih Ti)
Fini vakuum 10-3.... 10-7 -nehrđajući čelici (legirani Ti)
-alati prevučeni CVD prevlakama
Mjerno-regulacijski sustav
Jednokomorna vakuumska peć
Vakuumske pumpe
Vakuum kao ‘’zaštitna atmosfera’’
“selektivno otparavanje legirnih
elemenata” kod 950 °C (Mn, Cr,
...)
Parcijalni tlakovi para metala ovisni o temperaturi
Vakuum: do 10-4 mbar-a
Temperature ugrijavanja
(austenitizacije,
homogenizacije): do 1200 (1350) ºC
10-4
10-3
10-2
10-1
Kaljenje alatnih čelika u vakuumskoj peći
Tem
pe
ratu
ra,
oC
Tla
k, m
ba
r
Površina
Jezgra
0
20
1300
Vrijeme, h
10-4
10005000
Grijanje Gašenje
800
Shematski prikaz dijagrama promjene temperature i tlaka u vakuumskoj peći pri kaljenju brzoreznog čelika
Nakon evakuacije vakuumske komore slijedi dodavanje inertnog
plina u peć čime se :
- izbjegava selektivno otparavanje L.E.
- ubrzava ugrijavanje šarže (zračenje +
konvekcija)
13
- konvekcijsko ugrijavanje :
Usporedba krivulja ugrijavanja šarže u vakuumu (“vacuum heating”) u odnosu na konvekcijsko ugrijavanje (“convective heating) dodavanje dušika u vakuumsku
komoru
Dodatni ventilator za cirkulaciju N2 pri
konvekcijskom ugrijavanju
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Gašenje u sredstvima s
Leidenfrost-ovim
efektom
Gašenje u plinovima
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Utjecajni čimbenici na intenzivnost hlađenja u plinu:
vrsta plina (fizikalna svojstva)
brzina strujanja
tlak plina
vrsta strujanja
(laminarno/turbulentno)
kut nastrujavanja
14
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Usporedba krivulja ohlađivanja u plinu
s ostalim sredstvima za gašenje
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Stupnjevito kaljenje
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
15
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Osnovni tipovi suvremenih sustava za ohlađivanje u plinu:
I. Ohlađivanje obodno-radijalnim strujanjem plina visokog pritiska - koje je pogodno za velike i
masivne obratke. Kod šarži sa sitnim predmetima u središtu šarže nastaju zavjetrine i smanjeno
ohlađivanje.
II. Ohlađivanje ciklički promjenjivim strujanjem plina odozgo-odozdo ili horizontalno (lijevo-desno),
svakih 10 do 15 sek. Ovim se izbjegavaju deformacije kod ležećih vitkih obradaka koje bi
nastale intenzivnim ohlađivanjem samo s jedne,
npr. gornje strane.
III. Ohlađivanje horizontalno oscilirajućim strujanjem plina, uzdodatnu promjenu
vertikalnog smjera strujanja (tzv. “dual-dinamičko” plinsko ohlađivanje). Ovim se
postiže izvrsno jednolično i vrlo intenzivno
ohlađivanje.
- gašenje u struji stlačenog plina ili smjese plinova
Nisko legirani alatni čelici za hladni rad visokougljični W-V čelici
nisko i srednjeugljični W-Cr (Si)-V čelici
niskolegirani Cr čelici
niskolegirani Mn-Cr-V i Mn-Cr-W čelici (čelici postojanih dimenzija pri
gašenju)
Primjer mikrostruktura čelika s 0,9 %C; 1% Mn; 0,5 %Cr; 0,5 %W
(a) 3% nital, 1000x. Odžareno
žareno nakon valjanja
Sferodizirani karbidi u feritnoj matrici;
(b) 3% nital, 1000x.
Kaljeno 815 oC/1h / ulje
Sferoidni karbidi u matrici nepopuštenog martenzita; 66 HRC
(e) 3% nital, 1000x.
Kaljeno 800 oC/0,5h / ulje i popušteno 205 oC/2h/zrak
Popušteni martenzit i karbidi
(primarni i od popuštanja); 58 HRC
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-Cr-C)
X100 CrMoV 5 1 Npr.:
22
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-Cr-C)
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-Cr-C)
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-12%Cr-C)
23
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-12%Cr-C)
Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-12%Cr-C)
Mikrostruktura čelika ~X230CrVMo134 proizvedenog metalurgijom praha i čelika s 12% Cr
proizvedenog klasičnom metalurgijom - čelik proizveden metalurgijom praha ima jednolično
raspoređene karbide po cijelom presjeku
Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju
24
Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju
Toplinski umor je pojava koja nastupa kod izmjeničnih ciklusa ugrijavanja i hlađenja na radnoj plohi alata. Uslijed ovih temperaturnih promjena
upotrebom alata dolazi do stvaranja tipičnih mrežastih pukotina
Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju
čelici eutektoidnog ili nadeutektoidnog sastava
niski mikro i makro segregacijski nivo
sniženje postotka nečistoća u odnosu na konvencionalno proizvedene alatne čelike
dobra toplinska vodljivost
povišenje čvrstoće i žilavosti materijala
povišena otpornost na tople pukotine
produljenje životnog vijeka alata - npr. kod alatnih čelika proizvedenih VMR procesom to se postiže sa niskim udjelom nečistoća i homogenom strukturom, što povisuje radnu HRC
pri austenizaciji treba otopiti što veći % karbida bez porasta austenitnih zrna (grubo A zrno žilavost)
alatne čelike koji su namijenjeni za udarna opterećenja treba austenitizirati ispod optimalne temperature austenitizacije, a toplinski opterećene iznad nje
nužno je višestruko popuštanje (2x, 3x)
Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju
niskolegirani
Ni-Cr-Mo-V
visokolegirani
Cr-Mo-V & W-Cr-V
Ciklus toplinske obradbe
25
Brzorezni čelici
Brzorezni čelici
Grupa
brzoreznih
čelika
Oznaka brzoreznih
čelika (VDEh)
Prosječni sastav, % Ocjena otpornosti na
C Cr W Mo V Co trošenje popuštanje
Čelici s 18% W
S 18-0-1 0,75 4 18 - 1,1 - 7 8
S 18-1-2-5 0,8 4 18 0,7 1,5 5 7 8
S 18-1-2-10 0,75 4 18 0,7 1,5 10 7 9
Čelici s 12% W
S 12-1-2 0,9 4 12 0,8 2,5 - 7 8
S 12-1-4 1,25 4 12 0,8 3,7 - 8 8
S 12-1-2-5 0,8 4 12 1,2 2 5 8 8
S 12-1-4-5 1,35 4 12 0,9 3,7 5 9 9
Čelik s 10% W S 10-4-3-10 1,25 4 10 3,7 3,2 10 9 9
W-Mo- čelici
S 6-5-2 0,9 4 6,5 5 1,9 - 7 8
S 6-5-2-5 0,9 4 6,5 5 1,9 5 7 8
Mo- čelici S 2-9-1 0,8 4 1,7 8,5 1,2 - 7 8
Brzorezni čelici
Mikrostruktura brzoreznog čelika proizvedenog
metalurgijom praha i klasičnom metalurgijom
26
Brzorezni čelici
Utjecaj Ta na veličinu A zrna brzoreznog čelika S18-0-1 (povećanje 300x):
a) 1260C (ASTM 18) ; b) 1290C (ASTM 14); c) 1300C (ASTM 10); d) 1315C (ASTM 6)
Brzorezni čelici
Tijek toplinske obradbe brzoreznih čelika
Brzorezni čelici
Tijek toplinske obradbe brzoreznog čelika PM S390 s i bez dubokog hlađenja
Izgled karbida u brzoreznom čeliku PM S390 MC nakon
austenitizacije na 1230°C/2 min, gašenja u struji dušika, dubokog
hlađenja pri -196°C/25 sati i 1 x popuštanja 540°C/2 h)
Gubitak mase nakon abrazijskog trošenja čelika PM S390
MC nakon austenitizacije na 1230°C/2 min, gašenja u struji