deformacije alata pri toplinskoj obradi - fsb.unizg.hr · pdf file1 deformacije alata pri...

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

c/a = 1 + 0,045 %C

''Stupanj tetragonalnosti''

Transformacijska naprezanja Deformacije volumena (dilatacije)

3


Relativna promjena duljine i volumena tijekom kaljenja čelika


- 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


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



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

pukotine nakon kaljenja

7

-> Uzroci deformacija alata Toplinska obrada (ugrijavanje)

Deformacije pri ugrijavanju:

- neravnomjerno ugrijavanje (npr. jednostranog ugrijavanja zračenjem)

- ugrijavanje uz visoki skok temperature (hladan obradak ubačen u vruću peć (kupku)

- prebrzo ugrijavanje

-> Uzroci deformacija alata Toplinska obrada (ugrijavanje)

Deformacije pri držanju na temperaturi austenitizacije:

-neprikladno šaržiranje u neodgovarajućim napravama može

uzrokovati progib alata zbog vlastite težine (npr. svrdla, upuštala, igle za provlačenje)

Neispravno Ispravno

Predgrijavanje

Neispravno Ispravno

-> Uzroci deformacija alata Toplinska obrada (gašenje)

Deformacije zbog neravnomjernog

(nepravilnog) uranjanja u sredstvo za gašenje

Deformacije zbog preintenzivnog gašenja

izborom neodgovarajućeg sredstva za gašenje (npr. voda umjesto ulja za kaljenje)

Rj. 1

8


Deformacije zbog neravnomjernog ohlađivanja uslijed neravnomjernog

strujanja plina za hlađenje u vakuumskoj peći

a) Ohlađivanje sa svih strana bez

cirkulacije plina - slabo odvođenje topline - male deformacije

d) Simetrično ohlađivanje sa svih

strana uz intenzivnu cirkulaciju plina - brzo odvođenje topline -

male deformacije

b) Jednostrano ohlađivanje s

ubacivanjem plina (ventilator) - brže odvođenje topline - velike

deformacije

c) Jednostrano ohlađivanje s

nadpritiskom plina - brzo odvođenje topline - velike

deformacije

?


Za smanjivanje deformacija pri hlađenju u

solnim kupkama preporučljivo je iskoristiti tzv.

''efekt tople kupke'' - tj. izjednačavanje

temperatura površine i jezgre alata u

austenitnom području prije početka

martenzitne pretvorbe:

a) Postupak „martempering” u solnim ili

fluidiziranim kupkama

b) Postupak „martempering” gašenjem u

struji stlačenog plina u vakuumskim

pećima

Rj. 2

-> Uzroci deformacija alata Toplinska obrada (popuštanje)

Porast volumena alatnih čelika nakon kaljenja

Promjena dimenzija alatnih

čelika nakon popuštanja

12% Cr čelik

9

Toplinska obrada u

vakuumskim pećima

Vježba II.


Alatni materijali

dr. sc. Darko Landek, izv. prof.

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo

površina

Toplinska obrada u vakuumskim pećima

Uvod

Prednosti toplinske obrade u vakuumskim pećima

Vakuum kao “zaštitna atmosfera”

Kaljenje alatnih čelika u vakuumskoj peći

Osnovni tipovi vakuumskih peći

Uvod

Vakuum u toplinskoj obradi

metala): do 10-4 mbar-a

Temperature ugrijavanja (austenitizacije, homogenizacije):

do 1200ºC (najviše do

1350ºC)

Ohlađivanje u struji plina:

pohl = 1 ... 20 bar

Plinovi za ohlađivanje: - N2, Ar, He, H2,

- mješavine plinova

10

Uvod

• Kaljenje

• Žarenje

• Popuštanje

• Otplinjavanje

• Tvrdo i visokotemperaturno lemljenje

• Sinteriranje

• Nitriranje u plazmi

• Pougljičavanje u plazmi

• Prevlačenje (PVD, CVD,

PACVD)

• Modificiranja površina

snopom elektrona (kaljenje, legiranje, prevlačenje)

Postupci toplinske obradbe u vakuumskim pećima:

Uvod

Metalni materijali:

Alatni čelici (za hladni rad, za

topli rad, brzorezni)

Nehrđajući čelici

Legirani čelici za

poboljšavanje

Legirani čelici za

cementiranje

Vatrootporni čelici,

Superlegure na bazi Ni ili Co


Obrada predmeta bez oksidacije

površine i razgradnja postojećih

oksida (obratci ostaju metalno svijetli i nakon toplinske obradbe)

Nije potrebno naknadno čišćenje

Nema razugljičenja rubnog sloja

11


Značajno manje deformacije i

promjene mjera (iskrivljenja) u

odnosu na ostale načine

toplinske obrade:

• odgovarajuće šaržiranje

• gašenje u struji stlačenog

plina ili smjese plinova


Najpogodniji uvjeti za automatsko

vođenje cijelog procesa obrade

uz visoku ponovljivost postupka.

Mogućnost izvođenja više

postupaka u jednom ciklusu

(npr. lemljenje + kaljenje +

popuštanje)

Najhumaniji radni uvjeti za

poslužitelja peći

Obrada bez otpadnih tvari i

zagađivanja okoline

Vakuum kao ‘’zaštitna atmosfera’’

Dvostepena rotacijska vakuumska pumpa: a) shematski prikaz; b) primjer izvedbe; c) vakuumska instalacija

103

100

10-

3 10-7 10-10

a) b) c)

12


uobičajeni p > 10-4 mbara,

“stupanj propusnosti peći”

(mbar·l/s)

( 1·10-3 mbar l / s)

Vrsta vakuuma p, mbar Primjena kod toplinske obrade:

Grubi vakuum 1000 ... 1 - nelegirani čelici (kaljenje, cementiranje)

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


“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


Utjecajni čimbenici na intenzivnost hlađenja u plinu:

vrsta plina (fizikalna svojstva)

brzina strujanja

tlak plina

vrsta strujanja

(laminarno/turbulentno)

kut nastrujavanja

14


Usporedba krivulja ohlađivanja u plinu

s ostalim sredstvima za gašenje


Stupnjevito kaljenje


15


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.


Primjer izvedbe suvremene

jednokomorne vakuumske peći ("Ipsen - SuperTurbo", 2005.)

IV. Ohlađivanje ciklički promjenjivim obodno-radijalnim strujanjem plina




V. Ohlađivanje u hladnoj komori

• Visoki toplinski kapacitet zagrijane komore, koja se mora ohlađivati

zajedno sa šaržom.

• Dio plina koji struji oko šarže smanjuje

efikasnost ohlađivanja.

• Dijelovi malog presjeka ohlade se brže nego zidovi peći, pa zračenje zidova

na njih smanjuje efekt njihovog ohladivanja.

• Energija motor-ventilatora (turbine od više desetaka kW) velikim dijelom se

pretvara u toplinu, koju također treba odvesti.

Faktori koji otežavaju povećanje intenziteta ohlađivanja

Hladna komora s plohom sapnica

16



V. Ohlađivanje u hladnoj komori

Ohlađuje se samo šarža, a komora peći ostaje na istoj temperaturi. Time

se smanjuje zagrijavanje rashladnog plina.

Zidovi hladne komore su prislonjeni tijesno uz šaržu, tako da nema

slobodnog prostora okolo šarže, i sav rashladni plin struji kroz šaržu.

Zidovi komore su hladni, pa se

dijelovi u šarži hlade ne samo konvekcijom plina koji kroz šaržu

struji, već dodatno i zračenjem zagrijanih dijelova na hladne zidove

komore.

Prednosti ohlađivanja u hladnoj komori

Tipovi vakuumskih peći

Horizontalne jednokomorne peći

Horizontalne dvokomorne ili trokomorne peći ( peći s

“hladnom komorom”)

Vertikalne jamske peći

Vertikalne peći sa spuštajućim dnom

Modularne vakuumske peći

a) horizontalne jednokomorne peći

17

b) horizontalne dvokomorne ili trokomorne peći

c) vertikalne jamske peći d) vertikalne peći sa

spuštajućim dnom

e) modularne vakumske peći

18

Mikrostruktura alatnih čelika

Vježba III.


Alatni materijali

dr. sc. Darko Landek, izv.prof

Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo površina

Mikrostruktura alatnih čelika

• Uvod

• Nelegirani alatni čelici

• Niskolegirani alatni čelici za hladni rad

• Visokolegirani alatni čelici za hladni rad

• Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju

• Brzorezni čelici

• Zaključak

Uvod

Proizvodnja alatnih čelika postupcima sekundarne i kontrolirane metalurgije

19

Tijek proizvodnje alatnih čelika metalurgijom praha

Usporedba veličine čestica

čelika dobivenog klasičnom

metalurgijom i metalurgijom

praha

Uvod

Uvod

Opće karakteristike mikrostrukture alatnih čelika:

višefazna mikrostruktura sastavljena od metalne matrice (nelegirane, legirane)

i karbida

zahtijevana svojstva alatnog čelika (otpornost na trošenje, žilavost, otpornost na

popuštanje, ...) postižu se legiranjem, kaljenjem i popuštanjem te postupcima površinskog modificiranja (površinsko kaljenje, toplinsko-kemijski postupci,

postupci prevlačenja)

legirajući elementi: gamageni: Ni,Mn, Co

alfageni: Cr, Mo, Si, V, W

karbidotvorci: Cr, Mo, V, W

suvremeni postupci proizvodnje alatnih čelika: ER, VIM,

polazna mikrostruktura alatnog čelika uobičajeno se mijenja nekoliko puta

tijekom izrade alata (sferodizacijsko žarenje, kaljenje, popuštanje)

Uvod

KARBIDI

TipUdio

Velièina zrnaOblik zrna

Raspored zrna

Metalurška svojstva:

Topivost u austenituIzluèivanje iz austenita

Ms temperatura

Promjena dimenzija alata

Mehanièka i tehnološka svojstva:

TvrdoæaOtpornost na trošenje

Toplinska postojanostOtpornost na popuštanje

Žilavost

Karbidi u alatnim čelicima

20

Nelegirani alatni čelici

Nelegirani alatni čelici sferodizacijsko žarenje

Nelegirani alatni čelici kaljenje

21

Nelegirani alatni čelici dijagram postupka toplinske obrade

C105 W1 (1 %C; 0,30 %Mn. )

3% nital, 1000x.

Kaljeno 750 oC / voda

Nepopušteni martenzit s neotopljenim česticama

karbida; tvrdoća 65 HRC.

3% nital, 1000x.

Kaljeno 750 oC / voda i popušteno 165 oC/ zrak

Popušteni martenzit (crna područja) i

karbidi popuštanja; tvrdoća 64 HRC.

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-12%Cr-C)

23



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


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


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)


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

dušika, dubokog hlađenja pri -196°C/25 sati i 1 x

popuštanja 540°C/2 h)

deformacije alata pri toplinskoj obradi - fsb.unizg.hr · pdf file1 deformacije alata pri...

Documents