TO Brzoreznih celika

Kolegiji : Toplinska obrada

Toplinska obrada i površinska zaštita

7. vježba: Toplinska obrada brzoreznih čelika Podloge pripremio: doc. dr. sc. Darko Landek e-mail: [email protected] Podloge odobrio: prof. dr. sc. Franjo Cajner

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

Zavod za materijale

Ak. god. 2010./11.

Toplinska obrada Vježba 7. Toplinska obrada brzoreznih čelika

_________________________________________________________________________________________ Fakultet strojarstva i brodogradnje-Zagreb Zavod za materijale

1

UVOD

Brzorezni čelici se primjenjuju uglavnom za rezne alate (slika 7.1) koji su u radu izloženi jakom ugrijavanju (slika 7.2) i trošenju. Legirani su su s kobaltome te jakim karbidotvorcima (Cr, W, V, Mo) koji s povišenim udjelom ugljika (0,7 do 1,3 %) stvaraju slobodne karbide (u obliku mreže) postojane pri povišenim temperaturama. Zbog velikog ukupnog udjela karbida u mikrostrukturi brzorezni čelici pokazuju visoku otpornost na trošenje i pri povišenim temperaturama (slika 7.3) te visoku otpornost na popuštanje, ali im je radi toga niska žilavost.

Slika 7.1. Odvalno glodalo ∅ 280 mm izrađeno od brzoreznog čelika HS18-0-1

Slika 7.2. Ovisnost temperature oštrice reznog alata o brzini rezanja (vrez) različitih materijala

Slika 7.3. Tijek omekšanja triju tipičnih vrsta alatnih materijala pri povišenim temperaturama

Brzorezni čelici se uobičajeno isporučuju u mekožarenom stanju (tvrdoće oko 240 do 300 HB), a u mikrostrukturi su im prisutni slijedeći konstituenti: αid, Kid, K″ i Ke.

AUSTENITIZACIJA

Prema pseudobinarnim dijagramima (npr. za čelik HS18-0-1 vidi sliku 7.4) brzorezni čelici pripadaju grupi ledeburitnih (podeutektičkih) čelika. Zbog toga ih treba ugrijavati na visoku



2

temperaturu austenitizacije blizu temperature solidusa (1200 do 1300 ºC). Pri tim temperaturama austenit rastvara dovoljno ugljika (0,5 do 0,6%) što je preduvjet postizanja visoke tvrdoće martenzita nakon kaljenja. Za postizanje dovoljnog sadržaja ugljika u austenitu na temperaturi austenitizacije treba disocira i oko 2/3 volumena svih karbida i njihove sastavne dijelove otopiti u austenitu. Na slici 7.4 prikazan je pseudobinarni dijagrama jednog brzoreznog čelika s ucrtanim masenim udjelom ugljika u čeliku te rastvorljivost ugljika u austenitu pri temperaturi austenitizacije.

Slika 7.4. Pseudobinarni dijagram brzoreznog čelika i položaj krivulja Ms i Mf zavisno o koncentraciji

ugljika u austenitu

Proces otapanja dijela karbida je difuzijski proces ovisan od temperature i trajanja. Kod nedovoljnog trajanja ugrijavanja ne postiže se dovoljna koncentracija ugljika u austenitu. Predugo držanje na visokim temperaturama uzrokovat će porast austenitnog zrna. Stoga je nužno za konkretan brzorezni čelik tražiti optimalne parametre austenitizacije i prema njima provesti ugrijavanje.

Ugrijavanjem na temperaturu austenitizacije potpuno se rastvaraju eutektoidni karbidi (Kid) i jedan dio sekundarnih karbida (K″) dok eutektički karbidi ostaju nerastvoreni. Stoga se mikrostruktura brzoreznih čelika na temperaturi austenitizacije sastoji od slijedećih faza: A, K″ i Ke.

Rastvaranjem karbida povećava se sadržaj ugljika u austenitu pa se u fazi gašenja u mikrostrukturi uz martenzit dobiva i velik udio zaostalog austenita (20 do 40 %). Uz pseudobinarni dijagram jednog brzoreznog čelika na slici 4 kvalitativno je ucrtan i položaj krivulje početka (Ms) i završetka (Mf) martenzitne pretvorbe u zavisnosti od sadržaja ugljika u austenitu.

Radi visokog sadržaja legirajućih elemenata brzorezni čelici imaju slabu toplinsku vodljivost i vrlo su osjetljivi na režim ugrijavanja. Stoga se ugrijavanje provodi uz višestruko predgrijavanje (dva ili tri predgrijavanja).

U slučaju kaljenja u solnih kupkama, prvo predgijavanje (na oko 450 ºC) se provodi u peći sa zračnom atmosferom, a drugo (na oko 850 ºC) i treće (na oko 1050 ºC) predgrijavanje u solnim kupkama. Posebno je važno završno grijanja na temperaturu austenitizacije. Kod primjene solnih kupki to je tzv. ''vrijeme



3

potapanja'' koje obuhvaća ugrijavanje s temperature posljednjeg predgrijavanja do temperature austenitizacije. te držanje na toj temperaturi (u cilju rastvaranja sekundarnih karbida). Vrijeme potapanja u kupki za austenitiziranje zavisi od dimenzija alata koji se kale.Za jednostavnije alate može se očitati iz iskustveno dobivenih odnosa (slika 7.5). Za složenije oblike alata uvjeti ugrijavanja određuju se prema dimenzijama dijela alata koji je posebno važan pri eksploataciji.

a) b) Slika 7.5.a) Kaljenje brzoreznog čelika u solnoj kupci ; b) Vrijeme uranjanja u kupku za austenitiziranje u

zavisnosti od presjeka alata od brzoreznog čelika Pri kaljenju u vakuumskim pećima prijenos topline je manje intenzivan nego u solnim kupkama. Zato su trajanja ugrijavanja na temperaturu austenitizacije duža. U cilju ubrzanja ugrijavanja, posebno do temperature oko 750 ºC u vakuumsku peć se nakon početne evakuacije zraka i postizanja potrebnog vakuuma uvodi inertni plin (N2, Ar) čiji pritisak i strujanje (slika 7.6) doprinose bržem ugrijavanju i spriječava pojavu selektivnog isparivanja legirajućih elemenata s površine brzoreznog čelika.

a) b)

Tem

pera

tura

, o CTl

ak, m

bar

Površina

Jezgra

0

20

1300

Vrijeme, h

10-4

10005000

Grijanje Gašenje

800

Slika 7.6. a) Jednokomorna vakuumska peć; b) Tehnološki dijagram promjene temperature i

vakuuma u vakuumskoj peći pri kaljenju brzoreznog čelika Na slici 7.6.a prikazan je presjek jednokomorne vakuumske peći s dva ventilarora. Gornji ventilator (manje snage) služi za ostvarenje strujanja inertnog plina u fazi ugrijavanja, a aksijalno ugrađeni ventilator (veće snage) služi za ostvarenje intenzivnog strujanja inertnih plinova kroz peć u fazi hlađenja. Na slici 7.6.b prikazan je dijagram promjene tlaka i temperature u vakuumskoj peći tijekom kaljanja brzoreznog čelika. Tijek ugrijavanja alata najbolje je pratiti



4

pomoću dodatnih temoparova koji su ugrađeni u probne alate. Empirijski je utvrđeno da su optimalna držanja na temperaturi austenitizacije uobičajenih brzoreznih čelika oko 2,5 min. Duža vremena držanja na temperaturi austeitizacije imaju za posljedicu štetno pogrubljenje austenitnog zrna.

GAŠENJE

Primjer TTT dijagrama za jedan brzorezni čelik (HS 10-4-3-10) prikazan je na slici 7.7. Iz kontinuiranog TTT dijagrama se uočava da se pretvorba u austenitnom području može ostvariti u širokom rasponu brzina hlađenje. Međutim presporo hlađenje moglo bi imati za posljedicu pojavu stvaranja martenzita po granicama zrna (u intervalu temperatura između Ms' do Ms) i izlučivanje sekundarnih karbida što je nepovoljno radi smanjenja žilavosti.

Slika 7.7. TTT dijagram za kontinuiranu pretvorbu brzoreznog čelika HS 10-4-3-10

Brzorezni čelici su zbog visokog udjela legirajućih elemenata visoko prokaljivi, pa se za gašenje smiju primijeniti blaža sredstva za ohlađivanje poput ulja, termalne kupke (martempering postupak) ili struje plinova (u vakuumskoj peći). Gašenjem do sobne temperature ne dostiže se temperatura završetka martenzitne pretvorbe (Mf), pa se mikrostruktura zakaljenog brzoreznog čelika sastoji od martenzita (αc), zaostalog austenita (γz) i neotopljenih karbida K″ i Ke. Brzorezni čelici su u kaljenom stanju puni zaostalih naprezanja, krhki i dimenzijski nestabilni te nedovoljno otporni na trošenje (uslijed prisutnosti visokog udjela mekanog zaostalog austenita), pa ih je stoga nužno popuštati odmah poslije kaljenja.

POPUŠTANJE

Popuštanje brzoreznih čelika se provodi višestruko (dva ili tri puta) u području temperatura 540 do 590 ºC (slika 7.8). Pri tome se odvija nekoliko stadija popuštanja s odgovarajućim mikrostrukturnim promjenama. Na temperaturi popuštanja iz zaostalog austenita se izdvaja rastvoreni ugljik pri čemu nastaju karbidi popuštanja (Kp).Uslijed izdvajanja ugljika za nastanak karbida popuštanja, koncentracija ugljika u zaostalom austenitu je smanjena. To ima za



5

posljedicu povišenje temperatura Ms i Mf. Stoga se naknadnim ohlađivanjem do sobne temperature iz zaostalog austenita izdvaja sekundarni martenzit (αc″): Višestrukim popuštanjem udjel zaostalog austenita se značajno smanjuje, a povećava se udio popuštenog martenzita (αcp ) i karbida popuštanja (Kp). Posljedica toga je porast tvrdoće (tzv. sekundarno otvrdnuće) i porast otpornosti na trošenje.

Slika 7.8. Dijagram postupka kaljenja i popuštanja brzoreznog čelika

Višestruko popuštanje provodi se u području temperatura maksimalnog sekundarnog otvrdnuća (oko 550 ºC) u solnim kupkama ili vakuumskim pećima. Dijagrami popuštanje (slika 7.9) daju parametre popuštanja (temperatura i trajanje) i postizive tvrdoće nakon popuštanja za konkretni brzorezni čelik.

Slika 7.9. Dijagram popuštanja brzoreznog čelika HS 12-1-2. Temperatura austenitizacije ovog čelika nalazi se u intervalu od 1240 do 1270 ºC

Documents

TO Brzoreznih celika