obrobka w temp obnizonej dla nc11lv

obrobka w temp obnizonej dla nc11lv, nc11lv(2)

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Obróbka Plastyczna Metali Nr 5, 2005
Materiałoznawstwo i obróbka cieplna
prof. dr hab. in
Ŝ
. Leopold Berkowski
Instytut Obróbki Plastycznej, Pozna
ń
WPŁYW STRUKTURY NA SKUTKI AZOTOWANIA
CHROMOWYCH STALI LEDEBURYTYCZNYCH
CZ
ĘŚĆ
1: INFORMACJE O MATERIALE
DO BADA
Ń
Streszczenie
Praca zawiera podstawowe informacje na temat ledeburytycznych stali chromowych stosowanych na narzędzia do obróbki
plastycznej na zimno, zwłaszcza objętościowej. Omówiono charakterystyczne własności tych stali i moŜliwości szerokiego ich
zastosowania, po wprowadzeniu dodatkowych obróbek sprzyjających polepszeniu korzystnych własności eksploatacyjnych
narzędzi. Przedstawiono aktualną problematykę badań stali wysokochromowych; ujętą takŜe w projektach wykonanych
w Instytucie Obróbki Plastycznej. Interesujące wyniki badań uzyskane w trakcje realizacji tych projektów będą prezentowane
w kolejnych zeszytach czasopisma Obróbka Plastyczna Metali.
Słowa kluczowe
: ledeburytyczne stale chromowe, struktura, właściwości, parametry obróbki
1. Wprowadzenie
Rozwój techniki w dziedzinie wytwa-
rzania narzędzi do obróbki plastycznej wią-
Ŝe się z wykorzystaniem aktualnej wiedzy
w zakresie projektowania nowych materia-
łów narzędziowych, ich poprawnego dobo-
ru na odpowiednie narzędzia, nowoczesnej
obróbki plastycznej, cieplnej i cieplno-
chemicznej. Częstym przypadkiem jest
tworzenie nowych, złoŜonych technologii
produkcji narzędzi, w których wykorzysty-
wane są podstawy teoretyczne i doświad-
czenie w zakresie stosowania dotychczas
poznanych obróbek.
W pierwszej części pracy, projekt KBN
nr 7 0973 91 01 – „Obróbka cieplno-
chemiczna odkształconych plastycznie
wyrobów” [1], zakończono cykl badań nad
technologią kształtowania objętościowego
narzędzi ze stali szybkotnących, w warun-
kach obniŜonego oporu plastycznego,
w pobliŜu przemiany fazowej α-γ. Wyniki
tych badań opublikowano w pracy [2]. Ba-
dania wykazały, Ŝe podobnie jak w przy-
padku stali do pracy na gorąco [3 i 4], oraz
w przypadku oszczędnościowych stali
szybkotnących [5], takŜe stal szybkotnąca
SW7M wykazuje zakres podwyŜszonej
plastyczności. Badania wykazały ponadto,
Ŝe niezaleŜnie od efektów ekonomicznych,
wynikłych z pewnych oszczędności energe-
tycznych (np. obniŜenie temperatury ob-
róbki) kształtowanie w tym zakresie tempe-
ratury powoduje, Ŝe ziarna po hartowaniu
są drobniejsze o około dwie jednostki Sny-
der-Graffa. RównieŜ twardość, po dwukrot-
nym odpuszczaniu próbek kształtowanych
w przedziale obniŜonego oporu plastycz-
nego i hartowanych była większa, aniŜeli
próbek obrobionych cieplnie bez takiej ob-
róbki. Badania trwałości narzędzi potwier-
dziły korzystne skutki obróbki plastycznej
w tym zakresie temperatury.
Przeprowadzono badania stali narzę-
dziowych do obróbki plastycznej na gorąco,
badania stali szybkotnących; tych ostat-
nich, takŜe z punktu widzenia moŜliwości
zastosowania na narzędzia do obróbki pla-
stycznej, zwłaszcza objętościowej. Do ba-
dań pozostały stale narzędziowe do obrób-
ki plastycznej na zimno. Z pośród tych stali
duŜe znaczenie mają ledeburytyczne stale
chromowe. Są one tańsze od stali szybkot-
nących, a niektóre z nich, z niewielką ilo-
ścią dodatków stopowych, wykazują od-
porność na odpuszczające działanie tem-
peratury. MoŜliwa jest zatem niskotempera-
turowa obróbka cieplno-chemiczna tych
stali, jak azotowanie. Ponadto, po hartowa-
niu z temperatury powyŜej 1100
o
C, otrzy-
mać moŜna strukturę złoŜoną z austenitu
i węglików. Zatem moŜliwe jest porównanie
skutków róŜnych obróbek na tym samym
gatunku stali o róŜnych strukturach.
Celem badań realizowanych w ramach
prac finansowanych przez Komitet Badań
Naukowych (nr 1012/T08C/96/11 – „Pod-
stawy technologii wytwarzania narzędzi
z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształ-
conych, wysokochromowych stalach lede-
burytycznych” [6] i nr 7 T08C 001 19 –
„Wpływ stanu strukturalnego stali NC11LV
na skutki krótkookresowego azotowania”
[7]) było opracowanie podstaw do projek-
towania procesu technologicznego obróbki
narzędzi ze stali chromowej, o strukturze
ledeburytycznej, obejmującego kształtowa-
nie plastyczne na półgorąco, a po obróbce
cieplnej w optymalnych warunkach, obrób-
kę plastyczną powierzchniową na zimno
i azotowanie.
W niniejszym, wstępnym artykule
podano podstawowe informacje o materia-
łach badań (stale NC10, NC11 i NC11LV),
ich obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej,
a na ich podstawie, problematykę badań
prowadzonych w ramach wspomnianych
projektów.
Rys. 1. Przekrój pionowy potrójnego układu Fe-Cr-C
przy stałej zawarto
ś
ci Cr
[8]
Rysunek 1 przedstawia przekrój piono-
wy układu potrójnego Fe-Cr-C stali o za-
wartości 13 % chromu [8]. Z rysunku wyni-
ka, Ŝe w stanie równowagi stale o średniej
zawartości węgla 1,6 % (stal NC10) i 2,0
%C (stal NC11) zawierają ferryt i węgliki
M
7
C
3
, a w temperaturze ponad eutektoidal-
nej austenit i zmniejszającą się - ze wzro-
stem temperatury – zawartość tego węgli-
ka. Na rys. 2 przedstawiono zmiany udzia-
łów masowych węglika M
7
C
3
po austenity-
zowaniu stali NC11 w róŜnej temperaturze
[9].
26
950 ºC
1050 ºC
1150 ºC
2. Skład chemiczny, struktura i pod-
stawowe wła
ś
ciwo
ś
ci materiałów do
bada
ń
Chrom naleŜy do podstawowych, sto-
powych składników stali narzędziowych.
Jego zawartość w stali 10–15 % zmniejsza
zawartość węgla w eutektoidzie, przesuwa-
jąc zakres występowania eutektyki. Chrom,
przy odpowiedniej zawartości węgla, stabi-
lizuje austenit i obniŜa punkt M
s
. Zmniejsza
aktywność i utrudnia dyfuzję węgla w au-
stenicie, powodując wzrost hartowności
stali. Takie zjawiska mają miejsce w sta-
lach ledeburytycznych o duŜej zawartości
węgla i chromu.
22
18
14
10
0
20
40
60
80
Czas austenityzowania, min
Rys. 2. Wpływ czasu i temperatury austenityzowania
na zawarto
ść
nierozpuszczonych w
ę
glików
w stali NC11 (X210Cr12)
[9]
Norma PN-EN ISO 4957:2004 obejmu-
je trzy gatunki stali o strukturze ledebury-
tycznej; pośród nich stale NC11
(X210Cr12) i NC11LV (X153CrMoV12).
Poprzednia, wycofana juŜ norma PN-86/H-
 85023 zawierała takŜe – bardzo popularną
w swoim czasie – stal NC10, a w kartach
materiałowych IMś [10] spotkać moŜna
jeszcze stal NCWV, zawierającą wolfram
i zamienioną później na wspomnianą juŜ
stal NC11LV; wolfram, przy zachowaniu
równowaŜnika węgla, zastąpiono molibde-
nem. Skład chemiczny stali wg powyŜszych
norm przedstawiono w tablicy I.
Typową i od dawna stosowaną stalą
o strukturze ledeburytycznej jest stal NC11
(X210Cr12). Struktura tej stali w stanie
wyŜarzonym składa się z ferrytu o zawarto-
ści około 1,7 % Cr oraz węglików typu M
7
C
3
zawierających około 45 % Cr [9]. Roz-
mieszczenie tych węglików zaleŜy od pro-
cesu metalurgicznego oraz od hutniczej
obróbki plastycznej. Występowanie pozo-
stałości szkieletu ledeburytycznego w po-
staci skupisk grubych węglików, często
z pęknięciami, powoduje, Ŝe konieczna jest
niekiedy dodatkowa obróbka plastyczna –
przekuwanie.
Znaczenie segregacji węglików w stali
chromowej omówiono w pracy [13], w któ-
rej oceniano wpływ sposobu pobrania pró-
bek z prętów o róŜnych średnicach na
udarność stali H12M (X153CrMoV12).
Z rysunku 3 wynika, Ŝe - przy zbliŜonej
twardości 57–59 HRC – próbki pobrane
z prętów o większej średnicy wykazywały
małą udarność. DuŜe znaczenie miał takŜe
kierunek pobrania próbek względem kie-
runku płynięcia materiału podczas obróbki
plastycznej. Próbki pobrane wzdłuŜ osi
pręta miały zdecydowanie większą udar-
ność niŜ pobrane poprzecznie. Badania
wykazały ponadto (rys. 4), Ŝe próbki po-
brane z centralnej części pręta miały zde-
cydowanie mniejszą udarność aniŜeli prób-
ki pobrane w strefie przypowierzchniowej.
Przyczyną była duŜa segregacja węglików,
zaleŜna od połoŜenia próbki względem osi
pręta.
3
2,5
═
∟
3,5
2
3
═
∟
1,5
2,5
1
2
1,5
0,5
1
0
0,5
0
10
20
30
40
50
0
Odległo
ść
od osi pr
ę
ta, mm
16
40
90
125
Ś
rednica pr
ę
ta, mm
Rys. 4. Zmiany udarno
ś
ci w pr
ę
cie ze stali H12M
(153CrMoV12); pr
ę
t o
ś
rednicy 125 mm
[13]
Rys. 3. Wpływ
ś
rednicy pr
ę
ta i kierunku
odkształcania na udarno
ść
stali
H12M (X153CrMoV12)
[13]
Tablica 1
Skład chemiczny stali narz
ę
dziowych chromowych o strukturze ledeburytycznej
Oznaczenie
stali
Skład chemiczny stali, % masy
Według
normy
C
Si
Mn
Cr
Mo
V
W
X153CrMoV12
+
X210Cr12
+
X210CrW12
NC10
NCWV
1,45-0,60
1,90-2,20
2,00-2,30
1,50-1,80
1,80-2,10
0,10-0,60
0,10-0,60
0,10-0,40
0,15-0,40
0,20-0,40
0,20-0,60
0,20-0,60
0,30-0,60
0,15-0,45
0,20-0,40
11,0-13,0
11,0-13,0
11,0-13,0
11,0-13,0
11,0-13,0
0,70-1,00
-
-
-
-
0,70-1,00
-
-
-
0,15-0,30
-
-
0,60-0,80
-
1,00-1,50
EN ISO 4957 : 1999
EN ISO 4957 : 1999
EN ISO 4957 : 1999
PN-86/H-85023 [11]
PH-69/H-85023 [12]
+
Odpowiedniki stali NC11LV i NC11 wg PN-86/H-85023
 3. Warunki obróbki cieplnej
Dobra jakość narzędzi wykonanych
z ledeburytycznej stali chromowej zaleŜna
jest od stanu strukturalnego materiału wyj-
ściowego, obróbki plastycznej pozahutni-
czej, pozwalającej na korzystne zmiany
makrostruktury węglikowej i poprawnie
przeprowadzonej obróbki cieplnej. Podsta-
wą do projektowania procesu technolo-
gicznego obróbki cieplnej jest wykres CTP,
pozwalający przewidzieć zmiany struktu-
ralne zachodzące w stali podczas chłodze-
nia - od temperatury austenityzowania do
temperatury otoczenia. Na rys. 5 pokazano
wykres CTPi stali (NC11) X210Cr12. Wyni-
ka z niego, Ŝe przemiany perlityczna i ba-
inityczna zachodzą z wyraźnym opóźnie-
niem (przesunięte w prawo) i są rozgrani-
czone obszarem duŜej trwałości austenitu,
co ułatwia sterowanie procesem. Istnieje
moŜliwość hartowania narzędzi dowolnych
wymiarów z róŜną szybkością chłodzenia
i ich kształtowania w zakresie duŜej trwało-
ści austenitu (niskotemperaturowa obróbka
cieplno plastyczna). Badania wykazały po-
nadto, Ŝe po austenityzowaniu w wysokiej
temperaturze (powyŜej 1100
o
C) i hartowa-
niu moŜliwe jest uzyskanie dwufazowej
struktury, zawierającej austenit i nieroz-
puszczone podczas austenityzowania wę-
gliki M
7
C
3
.
rys. 6 przedstawiono wpływ parametrów
austenityzowania (temperatury i czasu) na
temperaturę M
s
(a) oraz na twardość (b).
stali X210Cr12 (NC11). Z rysunku wynika,
Ŝe w miarę wzrostu tych parametrów na-
stępuje monotoniczne obniŜanie tempera-
tury M
s
, natomiast twardość wykazuje inne
tendencje; przy wyŜszej temperaturze
(1050
o
C) wydłuŜenie czasu austenityzo-
wania powoduje spadek twardości. Wtedy
teŜ wzrost twardości spowodowany prze-
mianą martenzytyczną słabnie i jest kom-
pensowany wzrostem udziału stosunkowo
miękkiego austenitu. Badania [14] wykaza-
ły ponadto, Ŝe połoŜenie temperatury M
s
zaleŜy równieŜ od zawartości węgla w stali
zawierającej 12 % chromu (rys. 7).
a)
450
400
350
300
250
200
150
870 ºC
960 ºC
1050 ºC
100
50
0
1
10
100
1000
Czas austenityzowania, min
b)
1000
800
600
400
870 ºC
960 ºC
1050 ºC
200
0
1
10
100
1000
Czas austenityzowania, min
Rys. 6. Wpływ temperatury i czasu austenityzowania
na poło
Ŝ
enie temperatury M
s
(a) oraz na twardo
ść
(b)
stali X210Cr12 (NC11)
[14]
Rys. 5. Wykres CTPi stali NC11 (X210Cr12);
warunki austenityzowania – 970
o
C/15 min.
[10]
Przemiany fazowe zachodzące pod-
czas odpuszczania zaleŜą od składu che-
micznego i warunków hartowania stali.
Chrom wyraźnie opóźnia rozpad martenzy-
tu i przemianę austenitu szczątkowego, co
wiąŜe się ze zmniejszeniem szybkości dy-
fuzji węgla w tych fazach oraz ze zwięk-
szeniem sił wzajemnego oddziaływania
między atomami.
MoŜliwość otrzymania austenitycznej
osnowy wiąŜe się z tendencją obniŜania
temperatury M
s
ze wzrostem temperatury
i wydłuŜaniem czasu austenityzowania. Na
 350
plastyczna mieszana (MOCP). Pierwsza
polega na kształtowaniu w temperaturze
bliskiej temperaturze austenityzowania
stali, druga – na wstępnym kształtowaniu
w wysokiej temperaturze (jak przy WOCP)
z duŜym gniotem i dokładnym dogniataniu
(z małym gniotem) w temperaturze duŜej
trwałości austenitu. Niskotemperaturowa
obróbka cieplno-plastyczna (NOCP) lede-
burytycznych stali chromowych, polegająca
na kształtowaniu wyrobów w temperaturze
około 550
300
250
200
150
3 min
30 min
100
50
0
1,5
2
2,5
3
3,5
Zawarto
ść
w
ę
gla, %
C, jest raczej niemoŜliwa,
z uwagi na duŜy opór plastyczny stopowe-
go austenitu, umacniającego się podczas
odkształcania.
a)
o
Rys. 7. Wpływ zawarto
ś
ci w
ę
gla na temperatur
ę
M
s
i twardo
ść
stali ledeburytycznej, zawieraj
ą
cej 12 %
Cr hartowanej po austenityzowaniu w temperaturze
960
o
C w ci
ą
gu 3 i 30 minut
[14]
WyróŜnia się kilka stadiów procesu od-
puszczania stali chromowych [11 i 15].
W pierwszym stadium – podobnie jak to ma
miejsce w przypadku stali węglowych –
z martenzytu wydziela się węglik ε – M
2
C,
skutkiem tego martenzyt traci tetragonal-
ność. Chrom stabilizuje ten węglik, przez
co dalsze przemiany zostają opóźnione.
W wyŜszej temperaturze następuje roz-
puszczanie tego węglika, a w jego miejsce
– niezaleŜnie – wydziela się stopowy ce-
mentyt w postaci drobnych kulistych czą-
steczek. Dalszy wzrost temperatury sprzyja
przemianie „in situ” cementytu w węglik
M
7
C
3
.W przypadku stali zawierającej 13 %
chromu moŜliwe jest niezaleŜne wydziela-
nie tego węglika, co mogłoby sprzyjać
wzrostowi twardości.
W wyŜszej temperaturze następuje
równieŜ przemiana austenitu szczątkowe-
go. Wtedy takŜe – zaleŜnie od ilości tej fazy
– moŜe nastąpić wzrost twardości stali.
Odpuszczanie ledeburytycznej stali chro-
mowej H12M (X153CrMoV12) w tempera-
turze 520
o
C spowodowało przyrost twar-
dości o 21 jednostek HRC [16]. Wykazano
ponadto, Ŝe w próbkach hartowanych
z wysokiej temperatury (1150
o
C) austenit
jest bardzo trwały; czterdziestokrotne od-
puszczanie w temperaturze 480
o
C spowo-
dowało, Ŝe udział austenitu w strukturze
obniŜył się tylko o 4 % (od 98 do 94%).
DuŜa trwałość austenitu stali chromo-
wej pozwala wykorzystać jej właściwości
do cieplno-plastycznego kształtowania na-
rzędzi. W przypadku stali ledeburytycznych
moŜliwe są dwa sposoby takiej obróbki:
wysokotemperaturowa obróbka cieplno-
plastyczna (WOCP) oraz obróbka cieplno-
b)
Rys. 8. Struktura stali NC11 (X210Cr12);
a) po hartowaniu tradycyjnym, b) po zahartowaniu
z temperatury wyciskania z gniotem 76 %.
Austenityzowanie 900
o
C/10 minut. Pow. 400 x
W pracy [17] Przeprowadzono badania
wpływu wysokotemperaturowej obróbki
cieplno-plastycznej (WOCP) na własności
mechaniczne stali NC11 (X210cr12) oce-
nione w próbie statycznego zginania. Wy-
kazano wyraźny wzrost wytrzymałości na
zginanie i ugięcia próbek obrobionych
cieplno-plastycznie, w porównaniu do pró-
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

anio102.xlx.pl