izbor materijala vjezba 8 1 - fsb.unizg.hr vježbe: dr. sc. d. lisjak ... - zaključak: štednja na...

ZAVOD ZA MATERIJALEIZBOR MATERIJALAIZBOR MATERIJALA

1/33

IZBOR ALATNIH ČELIKA ZA DIJELOVE KALUPA ZA PRERADU POLIMERA

Ver. 01.11.06.

Predmetni nastavnik:prof. dr. sc. T. Filetin

Obrada vježbe:dr. sc. D. Lisjak



2/33


S A D R Ž A J

1. UVOD

2. ZAHTJEVI NA KALUPNE MATERIJALE

3. PREGLED ČELIKA ZA IZRADU KALUPA

4. METODE IZBORA ČELIKA ZA IZRADU KALUPA

5. PRIKAZ RAČUNALNOG PROGRAMA "ALATNI"


3/33


1. UVOD

1. Kalupi

- Pod izrazom KALUP (njem. Form, engl. Mould, Die) podrazumijeva se alat koji se sastoji od žiga i matrice

kao bitnih dijelova, te koji oblikuje bez odvajanja čestica.

- Kalupi rade, ovisno o prerađivanom materijalu, ili pri malo povišenim temperaturama (TR< 200 °C) ili

pri povišenim temperaturama (TR > 200 °C).

- Tipični predstavnici:

- kalupi za preradu polimera (npr. direktno prešanje, injekcijsko prešanje, ekspandiranje itd.)

- kalupi za preradu metala (npr. tlačno lijevanje obojenih i lakih metala, kovanje metala itd.).

Primjer kalupa


4/33


Presjek kalupa za direktno prešanje polimera (duromera)


5/33


Presjek kalupa za injekcijsko prešanje polimera


6/33


Primjeri kalupa za direktno i injekcijsko prešanje polimera


7/33


Presjek kalupa za tlačni lijev aluminija


8/33


Primjer kalupa za tlačni lijev aluminija


9/33


2. ZAHTJEVI NA KALUPNE MATERIJALE

1. Opći zahtjeviOpći zahtjevi- otpornost na trošenje

- žilavost.

2. Posebni zahtjeviPosebni zahtjevi- otpornost na popuštanje

- kaljivost

- zakaljivost

- prokaljivost i prokaljenost

- dimenzijska stabilnost u radu

- veličina austenitnog zrna

- postojanost dimenzija pri kaljenju

- prikladnost za poliranje

- otpornost na koroziju (za neke prerađivane polimere)

3. Proizvodni i ekonomski zahtjevi Proizvodni i ekonomski zahtjevi - mogućnost nabavke

- cijena čelika

- obradljivost odvajanjem čestica

- otpornost na razugljičenje.


10/33


2.1 OPĆI ZAHTJEVI

1. Otpornost na trošenje

Shematski prikaz mikrorezanja - abrazije

Utjecaj udjela karbida na trošenje abrazijom

a) ABRAZIJA


11/33


Udjeli karbida u nekaljenom (žarenom) i kaljenom stanju čelika (C 105 W2) s 1% C

- Čelici legirani s jakim karbidotvorcima - Cr, W, V, Mo imaju vrlo visoku otpornost na abrazijsko trošenje.


12/33


b) ADHEZIJA

Shematski prikaz adhezije

Mjere za spriječavanje adhezije:

- dovoljno visoka Re alata kako ne bi došlo do lokalne trajne deformacije, a u svezi tim i dovoljno hlađenje

alata, jer se Re pri povišenim temperaturama snižava.

- onemogućenje čistog metalnog kontakta ili dobrim podmazivanjem ili putem termo-kemijske obrade

(nitriranje, oksidiranje alata), što će radnoj površini dati nemetalni karakter odnosno kristalnu

rešetku bitno različitu od one obrađivanog materijala (npr. nitriranje daje radnoj plohi alata heksagonsku

rešetku)


13/33


2. Žilavost

- žilavost je sposobnost akumulacije energije udara (ploština ispod krivulje "naprezanje-deformiranje")

Krivulje "naprezanje-deformacija"

- čelici A1 i A2 s obzirom na ploštinu ispod krivulje imaju podjednaku žilavost

- čelik A1 ima visoku duktilnost uz nisku Re

- čelik A2 ima nisku duktilnost uz visoku Re.

- kao alatni čelik povoljniji je čelik A2 - jer se želi, da se alat ne deformira trajno zbog radnih naprezanja, a niti

neposredno prije loma zbog preopterećenja, što je kod konstrukcijskih dijelova u pravilu poželjno.


14/33


2.2 POSEBNI ZAHTJEVI

1. Otpornost na popuštanje

- ovo je zahtjev za alate koji rade pri povišenim temperaturama: kokile, ukovnji, rezni alati itd.

Krivulje popuštanja različitih alatnih čelika

- povišena temperatura uzrokuje veći ili manji pad čvrstoće ili tvrdoće te otpornosti na trošenje


15/33


- Iskazivanje otpornosti na popuštanje (uži smisao) kod čelika za hladni rad:

- dekrement tvrdoće: - ΔHRC = HRC20°C – HRCTx°C

- ΔHRC = HRC200°C – HRCTx°C

- Iskazivanje otpornosti na popuštanje (širi smisao) kod čelika za topli rad i brzoreznih čelika:

- važno je ponašanje pri povišenim temperaturama, a ne nakon hlađenja sa tih temperatura pa treba

podrazumijevati sljedeće:

- Rm, Re, HV, KV pri povišenim temperaturama

- otpornost na trošenje pri povišenim temperaturama

- otpornost na oksidaciju pri povišenim temperaturama

- otpornost na promjenu mjera pri povišenim temperaturama

- otpornost na toplinski umor.


16/33


2. Kaljivost

a) Zakaljivost

- ovisi o %C koji je otopljen u austenitu

- čelike grupe I i II treba zakaliti na HRCgmax, a onda popuštanjem regulirati HRCr

- čelike grupe III i IV treba zakaliti na HRCdl, a onda popuštanjem regulirati HRCr.

b) Prokaljivost i prokaljenost

- prokaljivost ovisi o %C, % legirajućih elemenata, a prokaljenost dodatno o dimenzijama alata

i intenzivnosti gašenja

- inicijacija napetosti u površinskim slojevima nakon toplinske obrade:

- neprokaljeni čelici: tlačne vlačno napregnute radne plohe alata

- prokaljeni čelici: vlačne tlačno napregnute radne plohe alata.

- neprokaljivi čelici imaju vrlo visoke vkg tj. potrebno je vrlo oštro gašenje (voda, slana voda) - visok rizik

od deformacija.


17/33


3. Dimenzijska stabilnost u radu

- do promjene oblika alata u radu dolazi zbog:- zbog visokih naprezanja ispod Re → elastična deformacija

- rješenje: povećanje kritičnog presjeka A (jer je σ = F/A)

- zbog visokih naprezanja iznad Re → trajna deformacija

- rješenje: birati materijale sa povišenom žilavošću

4. Veličina austenitnog zrna

- prilikom ugrijavanja na temperaturu austenitizacije, a nakon prekoračenja temperature transformacije A1,

nastaju austenitna zrna koja počinju rasti uslijed daljnjeg povišenja temperature i produljenja držanja

- teži se da austenitna zrna ostanu što sitnija, jer o njihovoj veličini ovisi i veličina martenzitnih zrna

tj. duktilnost nakon toplinske obrade

- rast austenitnih zrna spriječava se prisutnošću toplinski otpornih, sitnih i jednoliko disperziranih karbidnih

čestica po granicama zrna npr. V4C3.


18/33


5. Postojanost dimenzija pri kaljenju

- kod kaljenja zbog transformacije austenita u martenzit dolazi do povećanja volumena

tj. do deformacije alata

-"bezdeformacijsko" kaljenje važno je za one alate, koji se nakon kaljenja više ne mogu brusiti: precizni

kalupi s finim gravurama, komplicirane rezne ploče štanca, profilni alat, odvalna i modulna glodala

-"bezdeformacijsko" kaljenje postiže se takvom kombinacijom legirajućih elemenata koji u kaljenoj strukturi

koja nakon kaljenja daje ~15 % zaostalog austenita, što izaziva blažu martenzitnu reakciju (povećanje volumena)

uz neznatno sniženje tvrdoće.

- dimenzijski postojani čelici su npr.:

- Č3840 (90MnCrV8) - 0,9 %C, 2 %Mn

- Č6440 (105WCr6) - 1 %C, 1 %Mn, 1 %Cr, 1,2 %W

- Č4150 (X210Cr12) - 2,1 %C, 12 %Cr

- Č4756 (X100CrMoV51) - 1 %C, 5 %Cr, 1 %Mn.


19/33


2.3 PROIZVODNI I EKONOMSKI ZAHTJEVI

1. Mogućnost nabavke

- u ukupnoj masi proizvedenih čelika alatni čelici zauzimaju samo približno 1...2 % mase, što uzrokuje

povremene teškoće pri "hitnim" nabavkama, a s obzirom na relativno širok asortiman kvaliteta alatnih čelika.

2. Cijena čelika

- igra sekundarnu ulogu

- npr. udio troška u cijeni štance iznosi 5...10 %

- Zaključak: štednja na troškovima alatnih čelika ne donosi obično znatnije uštede, nego čak obrnuto: kod jeftinijih

kvaliteta visok je udio škarta pri toplinskoj obradi, pa često treba neki alat izrađivati ponovno,

čime se povećavaju direktni troškovi materijala i izrade, ali i indirektni kao posljedica zakašnjenja

isporuke alata.

3. Otpornost na razugljičenje

- sklonost ka razugljičenju u pravilu raste s povišenjem temperature austenitizacije i višim %C.


20/33


4. Obradljivost odvajanjem čestica alatnog čelika

- teškoće pri obradi rezanjem mogu nastupiti kod tokarenja i brušenja visokokarbidnih čelika

- rješenje: sferoidizacijsko žarenje (meko žarenje).

Dijagram postupka sferoidizacijskog žarenja nadeutektoidnog čelika


21/33


3. PREGLED ČELIKA ZA IZRADU KALUPA

3.1 Grupe čelika za izradu kalupa

1. čelici za cementiranje

2. čelici za poboljšavanje

3. čelici za nitriranje

4. niskolegirani alatni čelici

5. visokolegirani alatni čelici

6. nehrđajući (alatni) čelici

7. maraging čelici.

3.1.1 Čelici za cementiranje

- skupinu karakteriziraju tvrdi, abrazijski otporni površinski slojevi i žilava jezgra

- pougljičavaju se na efektivnu dubinu cementiranja Eht=0,6...2 mm

- cementirani površinski slojevi daju se kvalitetno polirati

- nedostatak je velika promjena volumena pri gašenju, osim za kvalitete čelika X6CrMo4 i X8CrMoV5

koji su kaljivi i na zraku

- primjeri oznaka: 21MnCr5 (Č4321); 16MnCr5 (Č4320); X19NiCrMo4; X6CrMo4; X8CrMoV5; 15NiCr14 (Č5426)

14NiCr18 (Č5427); 15Cr3 (Č4120); 20CrMo5 (Č4721)


22/33


3.1.2 Čelici za poboljšavanje

- poboljšavanjem (kaljenje+visoko popuštanje) postiže se dovoljno visoka granica razvlačenja uz

povišeni udarni rad loma (u odnosu na normalizirano stanje)- poboljšani čelici primjenjuju se za izradu kalupnih dijelova izloženih udarnim naprezanjima

- posebno se primjenjuju za izradu gnijezda i žigova velikih dimenzija kada postoji visok rizik od deformacije

i loma prilikom toplinske obrade. U takvim se slučajevima preporuča nabavka čelika u već poboljšanom

stanju (na oko 300 do 320 HB), kada je čelik upravo još obradljiv odvajanjem čestica, te koji se nakon dovršetka

mehaničke obrade kalupnih dijelova više ne podvrgava kaljenju i popuštanju.

- primjeri oznaka: 32CrMo12 (Č4738); 35CrMo4 (Č4731); 30CrMo9 (Č4734); 30NiCrMo16 6; 35NiCr18 (Č5439);

25CrMo4 (Č4730); 56NiCrMoV7 (Č5742); 53MnSi4.

3.1.3 Čelici za nitriranje

- Ova skupina čelika u poboljšanom i nitriranom stanju posjeduje visoku granicu tečenja poboljšane jezgre,

visok udarni rad loma te visoku otpornost na trošenje abrazijom i adhezijom

- čelici legirani sa Al, Cr, Mo, V te nitrirani u plazmi imaju visoku površinsku tvrdoću (750...1100 HV) te

zbog toga i visoku otpornost na abraziju

- nitrirani nelegirani i niskolegirani čelici imaju i povišenu kemijsku postojanost

- primjeri oznaka: 34CrAl6; 33CrAlMo4 (Č4739); 34CrAlNi7 (Č4531); 31CrMo12; 31CrMoV9 (Č4734).


23/33


3.1.4 Niskolegirani alatni čelici

- primjena niskolegiranih alatnih čelika u preradi polimera opada

- zamjenjuju ih visokolegirani alatni čelici otporni na abraziju te postojani na promjenu volumena

- primjeri oznaka: 90MnCrV8 (Č3840); 40MnCrMo7 (Č4742); 100MnCrW4; 45NiCr13; 55NiCrMoV6 (5741);

100Cr6 (Č4145).

3.1.5 Visokolegirani alatni čelici

- dvije skupine:

1. > 1%C

- posebno su otporni na abrazijsko trošenje zbog visokog udjela legiranih karbida u kaljenoj matici

2. 0,3 do 0,5 %C.

- otporni su na popuštanje

- visoka čvrstoća u visokopopuštenom stanju

- sposobnost nitriranja nakon kaljenja i popuštanja zbog toga što im je temp. popuštanja jednaka

ili viša od temp. nitriranja

- nitriranjem se povisuje površinska otpornost na na abrazijsko trošenje i otpornost na toplinski umor

- imaju relativno visok udarni rad loma, zbog relativno niskog %C.

- primjeri oznaka: X45NiCrMo4; X100CrMoV5 1 (Č4756); X155CrMo12 1 (Č4850); X38CrMoV5 1 (Č4751);

X37CrMoW5 1 (Č4752).


24/33


3.1.6 Nehrđajući alatni čelici

- martenzitni alatni nehrđajući čelici koji sadrže > od 13 %Cr te 0,5...1 %C

- otporni su na kemijsku agresiju (korozijsko djelovanje produkata raspada polimera) postojani su u zakaljenom

i niskopopuštenom stanju- slabije su otpornosti na djelovanje abrazije, slabije dimenzijske stabilnosti

- postižu visoki sjaj površine poliranjem

- pravilo za primjenu: kada postoji izrazita opasnost od korozije tj. kada postoji zahtjev za kemijskom

postojanošću radnih ploha kalupnih dijelova - primjeri oznaka: X7Cr13 (Č4170); X22CrNi17; X20Cr13 (Č4172); X30Cr13 (Č41702); X36CrMo17.

3.1.7 Maraging čelici

- maraging čelici imaju niski sadržaj ugljika (max. 0,01...0,03 %C), a vrlo visok sadržaj legirnih elemenata

legirnih sustava Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Cr i Fe-Ni-Co-Cr s dodatkom legirajućih elemenata Mo, Ti, Al

- toplinska obrada:

- rastvornim žarenjem (850...850 °C) čelik se intenzivno gasi u vodi ulju ili na zraku čime se

dobiva struktura nikl-martenzita

- mehaničkom obradom izradak se oblikuje na željeni konačni oblik i dimenzije, jer je čelik dobro

obradljiv odvajanjem čestica i plastično deformabilan nakon rastvornog žarenja

- dozrijevanjem ili starenjem (480...500°C) postiže se bezdeformacijska toplinska obrada (zbog relativno

niske temp.), a čelik je nakon toga vrlo dobro zavarljiv.


25/33


- dozrijevanjem u nikl-martenzitu precipitira niz fino disperziranih intermetalnih spojeva (faza) npr. Ni3Al,

Ni3Ti, Ni3Mo, FeCr, Fe7Mo6

- primjeri oznaka: X3NiCoMo 18 8 5; X3NiCoMoTi 18 9 5; X2NiCoMo 18 8 5; X2NiCoMo 18 9 5

- faze imaju visoku tvrdoću kojom sprečavaju gibanje dislokacija te na taj način povisuju granicu razvlačenja

(Rp0,2 > 2200 N/mm2), vlačnu čvrstoću (Rm=1900...2900 N/mm2) i lomnu žilavost (KIC=2850...5700) što

ukazuje na visoku otpornost na naglo širenje napuklina u materijalu


26/33


4. METODE IZBORA ČELIKA ZA IZRADU KALUPA

4.1 Metoda izbora prema ocjenamaprema ocjenama- metoda se temelji na iskustvenim ocjenama pojedinih svojstava izraženim brojkama:

"1" - NISKO

"9" - VISOKO.

- svojstva se prema ovoj metodi rangiraju u tri skupine:

1. majoritetna

- otpornost na trošenje žilavost, otpornost na popuštanje.

2. minoritetna

- radna tvrdoća, prokaljivost, veličina kristalnog zrna, površinska tvrdoća u gašenom stanju,

tvrdoća jezgre valjka promjera 25 mm nakon gašenja.

3. izradbena

- nabavljivost, obradljivost odvajanjem čestica, sredstvo za gašenje, temp. austenitizacije, sklonost prema

deformiranju pri kaljenju, sigurnost pri toplinskoj obradbi, osjetljivost na razugljičenje.


27/33


* Ocjene: 1 – najniže do 9 – najviše; za cijenu: 1 – niska; 5 – visoka; N – nisko; S – srednje; V – visoko

Iskustvene ocjene za svojstva nekih vrsta alatnih čelika


28/33


4.2 Metoda izbora prema složenosti oblika proizvodaprema složenosti oblika proizvoda

- metoda temeljena na GOST-u- metoda uzima u obzir:

- složenost oblika proizvoda od polimera

- vrstu opterećenja kalupa

- dimenzije kalupa.Tablica za izbor prema složenosti oblika


29/33


4.3 Metoda izbora prema vrsti polimeraprema vrsti polimera

Uzima u obzir:

- vrstu prerađivanog polimera

- složenost oblika proizvoda

- veličinu serije i dimenzije proizvoda

- način izrade gnijezda (odvajanjem čestica ili hladnim utiskivanjem)

Podjela vrsta polimera


30/33


Primjeri složenosti proizvoda

Podaci o veličinama i dimenzijama proizvoda


31/33


Izrada gnijezda odvajanjem čestica


32/33


Izrada gnijezda hladnim utiskivanjem


33/33


5. PRIKAZ RAČUNALNOG PROGRAMA "ALATNIALATNI"

izbor materijala vjezba 8 1 - fsb.unizg.hr vježbe: dr. sc. d. lisjak ... - zaključak: štednja na...

Documents