Alatni materijali_Vjezbe

1

Deformacije alata pri toplinskoj obradi

Vježba I.Kolegiji: Posebni metalni materijali

Alatni materijali

Ak. god. 2010./2011. doc. dr. sc. Darko Landek

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 smanjenje deformacija

• Zaključak

-> Uvod –primjeri alata

FSB - Zavod za materijale Ak.god. 2010/2011

2

-> 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.).

-> 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 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

-> 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 CrMoV 5 1)

-> Deformacije oblika

Toplinska naprezanja → Deformacije oblika (distorzije, iskrivljenja)

-> Deformacije oblika

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 vodu

b) kvalitativne promjene napetosti tijekom gašenja

c) kvalitativni prikaz zaostalih naprezanja u svornjaku nakon gašenja

!


4

-> Uzroci deformacija alata

1. Materijal alata

2. Geometrija alata

3. Prethodna strojna obrada

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, …)

-> 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


5

-> 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

Tem

pera

tura

°C

ϑ TO

ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme

grijanje

površina

jezgra

jezgra

površina

ukupno vrijeme ugrijavanja

AUSTENITIZACIJA- , t- zaštitaϑa a

REŽIM GRIJANJA GAŠENJE

ϑa

Kaljeno stanje

Polazno stanje

Određivanje zakaljivostičelika i rasporeda tvrdoće po presjeku kaljenog obratka (tj. prokaljenosti obratka)

Određivanje zaostalih naprezanja i deformacija

PROBLEMI : Određivanje optimalnih parametara postupka

Optimizacija parametara kaljenja - primjenom računalnih simulacija (FEM, FDM, CVM, ...)

POPUŠTANJE

-> Uzroci deformacija alata → Toplinska obrada

-> 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


6

-> 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)

-> Uzroci deformacija alata → Toplinska obrada (ohlađivanje)


→ Deformacije zbog neravnomjernog i preintenzivnog ohlađivanja uslijed:

- nepravilnog uranjanja u kupku za gašenje

- neodgovarajućeg sredstva za gašenje


7


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

Rj.


→ 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

?

-> Uzroci deformacija alata → Toplinska obrada (popuštanje)


8

-> Zaključak

Deformacije volumena zbog nastanka martenzita kaljenjem ne mogu se izbjeći i na njih se ne može utjecati.

Deformacije oblika zbog toplinskih napetosti (naprezanja) mogu se i trebaju prikladnim mjerama opreza značajno smanjiti.

Toplinska obrada će biti tada uspješna ako se uz traženu tvrdoćupostignu i male deformacije, budući da se deformacije zakaljenog alata mogu korigirati samo naknadnom strojnom obradom uz dodatne (povećane) troškove.


1

Toplinska obrada u vakuumskim pećima

Vježba II.Kolegiji: Posebni metalni materijali

Alatni materijali



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:

do 10-4 mbar-a

Temperature ugrijavanja (austenitizacije, homogenizacije):

do 1200 (1350) ºC

Ohlađivanje u struji plina:

pohl = 1 ... 20 bar

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


2

Uvod

• Kaljenje

• Žarenje

• Žarenje legura kojeotvrdnjavaju precipitacijom

• Popuštanje

• Otplinjavanje

• Tvrdo i visokotemperaturnolemljenje

• Sinteriranje

• Nitriranje u plazmi

• Pougljičavanje u plazmi

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 oksidacijepovršine i razgradnja postojećih oksida (obratci ostaju metalno svijetli i nakontoplinske obradbe)

Nije potrebno naknadno čišćenje

Nema razugljičenja rubnog sloja


3


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 automatskovođenje cijelog procesa obrade uzvisoku ponovljivost postupka.

Senzor toplinskog toka


Mogućnost izvođenja višepostupaka u jednomciklusu (npr. lemljenje + kaljenje + popuštanje)

Najhumaniji radni uvjetiza poslužitelja peći

Obrada bez otpadnih tvarii zagađivanja okoline


4

Vakuum kao ‘’zaštitna atmosfera’’

uobičajeni p > 10-4 mbara,

“stupanj propusnosti peći” (mbar·l/s)

(< 1·10-3 mbar l / s)

-nehrđajući čelici (legirani Ti)-alati prevučeni CVD prevlakama

10-3 .... 10-6Fini vakuum

- legirani alatni čelici- nehrđajući čelici (osim legiranih Ti)

1 .... 10-3Srednji vakuum

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

Primjena kod toplinske obrade:p, mbarVrsta vakuuma

Mjerno-regulacijski sustav

Jednokomorna vakuumska peć

Vakuumske pumpe

Vakuum kao ‘’zaštitna atmosfera’’

“selektivno otparavanje legirnihelemenata” 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


Tem

pera

tura

, o CTl

ak, m

bar

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 pećčime se :

- izbjegava selektivno otparavanje L.E.- ubrzava ugrijavanje šarže (zračenje +

konvekcija)


5

- 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



6


Utjecajni čimbenici na intenzivnost hlađenja u plinu:

vrsta plina (fizikalna svojstva)

brzina strujanja

tlak plina

vrsta strujanja (laminarno/turbulentno)

kut nastrujavanja



Stupnjevito kaljenje


7



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 oscilirajućimstrujanjem plina, uzdodatnu promjenuvertikalnog smjera strujanja (tzv. “dual-dinamičko” plinsko ohlađivanje). Ovim se postižeizvrsno jednolično i vrlo intenzivno ohlađivanje.


Ad III) Primjer izvedbe vakuumske peći s ohlađivanjem horizontalno oscilirajućom strujom plina



8


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



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


9

Tipovi Tipovi vakuumskihvakuumskih pećipeći

Horizontalne jednokomorne peći

Horizontalne dvokomorne ili trokomorne peći(→ peći s “hladnom komorom”)

Vertikalne jamske peći

Vertikalne peći sa spuštajućim dnom

a) horizontalne a) horizontalne jednokomornejednokomorne pećipeći

b) horizontalne b) horizontalne dvokomornedvokomorne ili ili trokomornetrokomorne pećipeći


10

c) vertikalne jamske pećic) vertikalne jamske peći

d) vertikalne peći sa d) vertikalne peći sa spuštajućimspuštajućim dnomdnom

Toplinska obrada u Toplinska obrada u vakuumskimvakuumskim pećimapećimaUvod


Vakuum kao “zaštitna atmosfera”


Osnovni tipovi vakuumskih peći


1

Mikrostruktura alatnih čelika

Vježba III.Kolegiji: Posebni metalni materijali

Alatni materijali



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

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)


2

Uvod

KARBIDI

TipUdioVelièina zrnaOblik zrnaRaspored zrna

Metalurška svojstva:

Topivost u austenituIzluèivanje iz austenita

Ms temperatura

Promjena dimenzija alata

Mehanièka i tehnološka svojstva:

TvrdoæaOtpornost na trošenjeToplinska postojanostOtpornost na popuštanjeŽilavost

Karbidi u alatnim čelicima

Nelegirani alatni čelici

Nelegirani alatni čelici → sferodizacijsko žarenje


3

Nelegirani alatni čelici → kaljenje

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. Odžarenožareno nakon valjanja

Sferodizirani karbidi u feritnojmatrici;

(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


4

Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-Cr-C)

X100 CrMoV 5 1Npr.:

Visoko legirani alatni čelici za hladni rad

Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-Cr-C)


5

Visoko legirani alatni čelici za hladni rad (Fe-12%Cr-C)



Mikrostruktura čelika ~X230CrVMo134 proizvedenog metalurgijom praha i čelika s 12% Crproizvedenog klasičnom metalurgijom - čelik proizveden metalurgijom praha ima jednolično raspoređene karbide po cijelom presjeku


6

Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju


Toplinski umor je pojava koja nastupa kod izmjeničnih ciklusaugrijavanja i hlađenja na radnoj plohi alata. Uslijed ovih temperaturnih promjenaupotrebom alata dolazi do stvaranja tipičnih mrežastih pukotina

Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanjučelici eutektoidnog ili nadeutektoidnog sastavaniski mikro i makro segregacijski nivosniženje postotka nečistoća u odnosu na konvencionalno proizvedene alatne čelikedobra toplinska vodljivostpovišenje čvrstoće i žilavosti materijalapovišena 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 njenužno je višestruko popuštanje (2x, 3x)


7


niskolegiraniNi-Cr-Mo-V

visokolegiraniCr-Mo-V & W-Cr-V

Ciklus toplinske obradbe

Brzorezni čelici

Brzorezni čelici


8

Brzorezni čelici

Brzorezni čelici - PM

Tijek proizvodnje alatnih čelika metalurgijom praha

Usporedba veličine čestica čelika dobivenog klasičnom metalurgijom i metalurgijom praha

Brzorezni čelici

Mikrostruktura brzoreznogčelika proizvedenog metalurgijom praha i klasičnom metalurgijom


9

Brzorezni čelici

Tijek toplinske obradbe brzoreznih čelika

Zaključak


Documents

Alatni materijali_Vjezbe