Posebni metalni materijali

dr. sc. Darko Landek, izv. prof.

Posebni metalni materijali

(autorizirane podloge za predavanja iz područja alatnih materijala)

Zagreb, 2016

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE

Zavod za materijale

1

Alatni materijali

Kolegiji: Posebni metalni materijali

Alatni materijali

Ak. god. 2016./2017.

dr. sc. Darko Landek, izv.prof

Fakultet strojarstva i brodogradnje,

Zavod za materijale, Katedra za toplinsku obradbu i inženjerstvo površina

Sadržaj predavanja

1. Uvod – definicija i podjela alata

2. Principi rada alata i naprezanja u alatima

3. Zahtjevi na svojstva alatnih materijala

4. Alatni čelici

4.1 Proizvodnja alatnih čelika

4.2 Alatni čelici za rad u hladnom stanju

4.3 Alatni čelici za kalupe za rad u toplom stanju

4.4 Brzorezni čelici

4.5 Alatni čelici MARAGING

4.6 Korozijski postojojani precipitacijski očvrstivi alatni čelici

5. Neželjezni alatni materijali

Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale

Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali

D. Landek (podloge za predavanja)

2

1.1 Uvod – definicija i podjela alata

Prema shvaćanju o želji čovjeka za "produljenjem svoje ruke", alatom treba smatrati

svako pomoćno sredstvo, koje čovjek upotrebljava s tim ciljem.

Tako se alatom, u širem smislu, smatra: nož, dlijeto, sjekira, mač, čekić, kliješta,

turpija, svrdlo, glodalo, štanca, kalup za kovanje, kalup za lijevanje, laserski snop,

električni luk, vodeni mlaz, skalpel, pila, plinski plamenik, ribarska mreža, udica,

pribor za jelo, kuhača, valjak za tijesto, češalj, škare, zidarska žlica, lopata, motika,

ključ za vijke i matice, teniski reket, hokejska palica, veslo, olovka, šestar, ravnalo,

kutnik itd…

"Alat je svako ono sredstvo, kojim čovjek olakšava ili omogućava izvršenje

željenog rada, neposredno snagom ruke ili posredno snagom stroja".

Osnovni princip primjene alata

Dovođenje određene količine energije, koncentrirane i usmjerene na određenu

površinu ili točku obradka, u određenom vremenskom periodu.

Mehanički alati za obradu i oblikovanje materijala mogu se podijeliti:

- prema najvišim radnim temperaturama alata (alati za hladni ili topli rad)

- prema procesu obrade materijala (razdvajanje materijala s ili bez odvajanjem čestica, oblikovanje

materijala, stezanje obratka ili alata, te mjerenje ili kontrolu kvalitete).

Unutar svake navedene skupine mogu se uočiti ručni i strojni alati, koji mogu biti: standardni, tipizirani ili

specijalni .

Podjela alata prema radnoj temperaturi , načinu djelovanja na materijal obratka i materijalu alata




3

1.2 Sustav “alat-obradak”

U postupcima obrade materijala u sustavu “ALAT-OBRADAK” istovremeno se

pojavljuje niz procesa prijenosa tvari, energije i informacija .

U volumenu obratka i na njegovoj površini ostvaruje se prijenosa mase obrađivanog materijala,

a na radnim površinama alata u dodiru s obratkom značajan je i prijenos mase pomoćnih tvari

(maziva, sredstava za hlađenje i dr.). S alata na obradak ostvaruje se prijenos gibanja i

energije (mehaničke, elektromagnetske, toplinske) te prijenos informacija (o veličinama

procesa i veličinama stanja). Svi navedeni procesi prijenosa mogu biti usmjereni u sustav "alat-

obradak" ili iz njega.

Shematski prikaz općeg tehničkog sustava "alat-obradak"

1.2 Dotrajavanje alata

Alat pomoću kojeg se ostvaruju navedeni prijenosni procesi pri tome je izložen

složenom pojedinačnom i međusobnom djelovanju mehaničkih, toplinskih,

korozijskih i triboloških procesa čiji učinci ovise o:

- alatnom materijalu

- obrađivanom materijalu,

- konstrukciji i karakteristikama alata,

- vrsti i parametarima obrade

- okolišu u kojem se alat koristi.

Trošenje oštrice

reznog alata




4

Dotrajavanje radnih površina alata može se pripisati djelovanju slijedećih jednog ili

više osnovnih tipova oštećivanja:

1.promjeni mikrostrukture i svojstava površine (starenjem, očvršćivanjem,

nepoželjnim strukturnim pretvorbama),

2.plastičnoj deformaciji površinskog sloja (uz promjenu oblika i mjera i zaostala

naprezanja),

3.površinskim pukotinama (umorom materijala od mehaničkih i/ili toplinskih

procesa),

4.procesima trošenja površine alata (skidanjem materijala),

5.procesima navarivanja, naljepljivanja ili nataljivanja obrađivanog materijala ili

pomoćnih tvari na površinu alata

6.korozijskom oštećivanju alata.

Osnovni tipovi dotrajavanja površine alata u tribosustavu ''alat-obradak''

1.3 Zahtjevi na svojstva alatnih materijala

Temeljni zahtjevi za sve vrste alata, pa time i za alatne materijale jesu:

- otpornost na trošenje

- žilavost (visoki udarni rad loma)

Posebni zahtjevi :

- zakaljivost i prokaljivost alatnih čelika

- otpornost na popuštanje (toplinska stabilnost)

- postojanost dimenzija

- otpornost na oksidaciju

- otpornost na koroziju, …

Svaka vrsta alata postavlja specifičnu kombinaciju temeljnih i

posebnih zahtjeva na svojstava alatnog materijala !

Proizvodni zahtjevi :

- obradivost (odvajanjem čestica)

- sposobnost poliranja površine

- nabavna cijena,….




5

2. Principi rada alata i naprezanja u alatima

2.1 Alati za rezanje

Tokarski nož u radu

Glavni radni parametri obrade

odvajanjem čestica tokarenjem




6

Ovisnost temperature oštrice o brzini rezanja

(vrez) različitih materijala

Pojavni oblici trošenja i mjesto trošenja na

reznoj oštrici alata ovisno o brzini rezanja Parametri trošenje rezne oštrice

Zahtijevana svojstva materijala za rezne alate

Omekšavanje alatnih materijala pri povišenim

radnim temperaturama

Kvalitativna usporedba svojstava alatnih materijala

(na primjeru alata za rezanje)




7

2.2 Alati za rezanje bez odvajanja čestica

a) Industrijske škare

Shema rezanja lima

Naprezanja

b) Štance

Primjer matrice štance za velikoserijsku

proizvodnju dijelova za elektrotehniku

Shema rada i faze u postupku rezanja lima u štanci bez odvajanja čestica

Naprezanja




8

2.3 Alati oblikovanje lima, profila i žice u hladnom stanju

Štanca za duboko izvlačenje posude

od nehrđajućeg čelika

Shematski prikaz štance za dubokog izvlačenje lima

a) Alat za duboko vučenje




9

b) Alat za savijanje

Kružno savijanje u valjcima Profilno kutno savijanje u štanci

c) Alati za ekstruziju (isprešavanje)

Shema ekstrudiranja u hladnom stanju




10

Zahtijevana svojstva materijala za matrice za hladno isprešavanje

d) Alati za tlačno isprešavanje

Raspodjela tlačnih naprezanja na žigu, pojava

nehomogene deformacije i mrtvih zona tečenja

materijala kod tlačenja valjkastog obratka




11

Zahtijevana svojstva materijala za štance za tlačno isprešavanje

Udarno isprešavanje: a) prije udarca,

b) nakon udarca

e) Matrice za provlačenje

Zahtijevana svojstva materijala za matrice za provlačenje

Matrice za provlačenje žice Shematski prikaz postupka provlačenja žice




12

2.5 Kalupi

Kalup za injekcijsko prešanje dvije čaše od polistirena Shema rada ekstrudera i kalupa za

injekcijsko prešanje polimera

Glavni zahtjevi:

a) Kalupi za preradu polimera




13

Zahtijevana specifična svojstva materijala alata za preradu polimera

b) Kalupi za preradu metala (za topli rad: kokile, ukovnji)

Shematski prikaz gravitacijskog

lijevanja u kokilu

Kokile su trajni metalni kalupi za

višekratno velikoserijsko lijevanje metala i

legura

Shematski prikaz stroja s hladnom komorom

Kalupi za tlačni lijev primjenjuju se u lijevanju

legura Al, Cu, Mg, Sn, Zn, Pb u višekratnom

metalnom kalupu pod visokim tlakovima




14

Pretpostavka o temperaturnim

promjenama u površinskom sloju kalupa

Shematski prikaz razdiobe temperature u stjenci kalupa

za tlačni lijev: a) predgrijano, b) nepredgrijano

Tijekom cikličkog rada kalupa nastaju cikličke promjene

temperature na samoj radnoj površini i u sloju dubine od 1 do 2

mm ispod površine. Ovo cikličko mijenjanje temperature uz radnu

površinu gravure ili gnijezda (a i ispod nje) izaziva težnju

površinskih slojeva prema cikličkom rastezanju i stezanju. No

kako hladnija jezgra ne dopušta dilataciju, u površinskim se

slojevima javljaju tlačna naprezanja.

Tlačna naprezanja mogu lokalno na najviše opterećenim

dijelovima gravure porasti iznad granice tečenja alatnog

materijala i izazivati plastičnu deformaciju površinskog sloja prije

završetka radnog ciklusa lijevanja ili kovanja.

Ohlađivanjem radne površine kalupa povećavaju se vlačna

naprezanja, nastala zajedničkim djelovanjem zaostalih

naprezanja nakon kaljenja i izmjeničnih toplinskih naprezanja, što

dovodi do pojave toplinskog umora površine

Shematski prikaz težnje prema

rastezanju površinskih slojeva na

radnoj površini kalupa




15

Kompletna lista zahtijevanih svojstva od alatnog materijala za kokile i kalupe za tlačni lijev

Izdržljivost (broj lijevanja) dijelova alata za tlačni lijev legura




16

c) Ukovnji

Ukovnji za početno i završno kovanje

Shema kovanja metala u ukovnju

Temperature kovanja tehnički značajnijih metalnih materijala

Kompletna lista zahtijevanih svojstva od alatnog materijala za ukovnje




17

3. Zahtjevi na svojstva alatnih materijala

3.1 Primarna svojstva alatnih materijala

3.1.1.1 Otpornost na trošenje abrazijom

Trošenje abrazijom, posebno dolazi do izražaja u radu alata, uz djelovanje

tvrdih čestice na odnošenje čestica s radne površine alata.

Tvrde čestice koje brazdaju i troše alat mogu biti: karbidi, nečistoće i tvrdi

intermetalni spojevi iz obratka, tvrdi organski spojevi i tvrda punila iz

polimera (staklena vlakna, kameno brašno itd.).

Abrazijsko trošenje može se prikazati kao jedinični događaj sastavljen od

jedne ili više faza:

Faze jediničnog događaja abrazije




18

Rezultati triboloških ispitivanja alatnih čelika kaljenih i niskotemperaturno popuštenih na

istu tvrdoću od 64 HRC

3.1.1.2 Otpornost na trošenje adhezijom

Trošenje adhezijom, iako nije uvijek dominantno, pojavljuje se kod većine

alata kod kojih dolazi do prijelaza materijala s jedne tarne plohe na drugi

pri relativnom gibanju, zbog procesa navarivanja čestica obratka na oštricu

ili radnu plohu alata (npr. stvaranje "lažne oštrice" pri obradi odvajanjem

čestica čelika visokog udjela ferita).

Jedinični događaji adhezije




19

3.1.2.1 Žilavost (udarna)

Prema općoj koncepciji, udarna žilavost je sposobnost akumulacije

energije udaraca, što se načelno može shvatiti kao ploština ispod

krivulje "naprezanje-deformacija".

Iz krivulja na donjoj slici slijedi da oba čelika imaju po pretpostavci

jednaku žilavost, jer su ploštine A1 i A2 međusobno jednake.

Prema tome u općoj koncepciji žilavosti može prevladavati:

- visoka duktilnost (uz nisku granicu tečenja Re) - slučaj ploštine A1 ili

- visoka granica tečenja Re (uz nisku duktilnost) - slučaj ploštine A2.

Shematski prikaz oblika krivulje

"naprezanje - deformacija"

3.1.2.2 Žilavost (lomna)

Lomna žilavost (KIC) je mehaničko svojstvo materijala koje pokazuje otpornost materijala prema

širenju mikropukotina.

Lomna žilavost je kritična veličina faktora intenziteta naprezanja na vrhu već postojeće pukotine

kod koje počinje njezino nestabilno širenje, a vrijedi za tzv. prvi način otvaranja pukotine na vlačnoj

ispitnoj epruveti u uvjetima statičkog opterećenja.

Vrijednost lomne žilavosti omogućava proračun trajanja, odnosno osiguranja od pojave loma

statički opterećenih dijelova ili alata, uzimajući u obzir greške u materijalu, nastale tijekom izrade ili

upotrebe.

Kod alatnih čelika vrijednosti lomne žilavosti se smanjuju s porastom njihove tvrdoće u kaljenom i

popuštenom stanu. Za alatne čelike tvrdoće 64 do 66 HRC lomna žilavost počinje značajno ovisiti o

usmjerenosti njihove strukture nastale tijekom oblikovanja ingota u toplom stanju. Ova pojava

povezana je s rastom i napredovanjem pukotina oko područja s najvećom gustoćom i usmjerenosti

karbida .

Ispitivanje lomne žilavosti alatnih čelika:

a) normirana kompaktna vlačna ispitna epruveta

b) ovisnost lomne žilavosti o tvrdoći kaljenih i popuštenih alatnih čelika




20

Utjecaj tvrdoće kaljenog čelika, udjela i rasporeda karbida na lomnu

žilavost (KIC) detaljno je istraživan u radovima V. Leskovšeka i

suradnika na cilindričnim ispitnim epruvetama od kaljenog brzoreznog

čelika pri čemu se zarez se nalazio na obodu epruvete, a inicijalna

zamorna pukotina je bila u dnu zareza. Na temelju opsežnih ispitivanja

predložena je slijedeća jednadžba za proračun lomne žilavosti kaljenih

brzoreznih čelika:

Žilavost značajno ovisi o načinu

proizvodnje alatnog materijala !




21

3.2 Posebna svojstva alatnih materijala (poredak prema prioritetu)

3.2.1 Otpornost na popuštanje (toplinska stabilnost)

Pod otpornošću prema popuštanju (u užem smislu) uobičajeno se

podrazumijeva što manje sniženje tvrdoće povišenjem radne temperature alata

(npr. dekrement tvrdoće HRC = HRC200C - HRC500C na donjoj slici).

No, ovaj kriterij jest nužan, ali ne i dovoljan.

U tom smislu čelik "B" smatra se otpornijim prema popuštanju od čelika "A",

što znači da će npr. oštrica alata od čelika "B" biti izdržljivija nego oštrica alata

izrađenog od čelika "A".

Ovo svojstvo posebno je važno za alate, koji rade pri povišenim

temperaturama.

Shematski prikaz pojma "dekrement tvrdoće"

3.2.2 Otpornost na popuštanje (u širem smislu)




22

Dijagram popuštanja osnovnih skupina alatnih čelika

("red hardness")

Za alatne čelike za rad u toplom stanju i brzorezne čelike razlikuju dvije vrste tvrdoće:

- "red hardness" - tvrdoća ispitana nakon ohlađivanja (s temperature popuštanja ili

radne temperature) s oznakom npr. HRC20C ili HV20C

- "hot hardness" - tvrdoća ispitana pri samoj povišenoj temperaturi T (temperaturi

popuštanja ili radnoj temperaturi) s oznakom npr. HRCT ili HVT.

Usporedba tvrdoća ispitanih pri 20C i pri povišenim

radnim temperaturama




23

Svojstva alatnog čelika X38 CrMo 5 1 mjerena pri povišenim radnim temperaturama

3.2.4 Kaljivost (zakaljivost i prokaljivost)




24

3.2.5 Dimenzijska stabilnost u radu

3.2.6 Veličina austenitnog zrna




25

3.2.7 Postojanost dimenzija alatnog čelika pri kaljenju i popuštanju

Mjesta nastanka zaostalih naprezanja i deformacija

Primjeri izrade alata i deformacija nakon toplinske obrade ovisno o smjeru izrezivanja iz sirovca (smjeru karbida)




26

Kemijski sastav čelika s minimalnim deformacijama nakon toplinske obrade

3.3 Proizvodni zahtjevi (poredak prema prioritetu)




27

3.3.1 Cijena

3.3.2 Obradljivost elektroerozijom




28




29

3.3.3 Mogućnost primjene postupaka modificiranja i prevlačenja

Razlozi posebnosti TO:

- sastav različit : viši (% C, %Me - nadeutektoidni, podeutektični)

- više a (zaštita, oprema : postizanje, preciznost, vođenje )?

- niža

- znanje, različita tehnika, puno pažnje, oprema

OOČ (OSS)

lijevanje

deformiranje

zavarivanje

TOPLINSKA

OBRADA Čitavog volumena Modificiranja i prevlačenja -žarenja - cementiranje

-kaljenje - nitriranje, nitrokarburiranje

-popuštanje - boriranje

-starenje - površinsko kaljenje

-... - CVD, PVD, PACVD,

- ...

brušenje

fina strojna obrada

poliranje

elektroerozija

površinska zaštita

Vrijeme, h

1. POPUŠTANJE 3. POPUŠTANJE 2. POPUŠTANJE

ϑp3, tp3

ϑp2, tp2 ϑp1, tp1

Tem

pera

tura

, °C

400...500

860...880

1050

ŽARENJE ZA

REDUKCIJU Z.N.

SFEROIDIZA-

CIJSKO Ž.

Gruba

OOČ Fina

OOČ

ϑmp, tmp

POSTUPCI

MODIFICIRANJA

I

PREVLAČENJA

Brušenje

Poliranje

(Elektroerozija!?)

KALJENJE

ϑa,ta

voda

ulje

zrak

dušik

topla

kupka

°C

1. POPUŠTANJE

DUBOKO

HLAĐENJE

ϑp, tp

ϑdh, tdh

ϑp, tp

2. POPUŠTANJE

°C




30

4. ALATNI ČELICI

Izrada alata i oružja od željeza pojavljuje se oko 1000 godina nakon početka primjene

bakra i bronce. Bakar i bronca su se mogli dobiti rastaljivanjem minerala malahita (na

temperaturama oko 1083C) i oblikovanjem u hladnom stanju.

Čisto (meteorsko), željezo rijetko se može naći u prirodi. U rudama je uglavnom vezano

s kisikom u obliku željeznih oksida koje treba rastaliti (na temperaturama oko 1530 C) i

reducirati u kemijskim reakcijama tipa :

MeO + C Me + CO (1)

4.1.1 Povijesni razvoj proizvodnje alatnih čelika

Za proizvodnju kovanog željeza

direktno iz željezne rudače (sve do XIV

stoljeća) koristile su se niske peći s

drvenim ugljenom kao gorivom:

- jamska peć s plitkim ognjištem,

- oknasta peć propuhivana mijehom

Obje peći proizvodile su tzv. spužvasto

željezo puno nečistoća (ostataka

ugljena, troske i nereduciranih oksida)

koje su se mehanički istiskivale iz

njega višestrukim toplim kovanjem i

ugrijavanjem na temperaturu oko

800C.

Usporedno s proizvodnjom kovanog

željeza direktno iz željezne rude,

pojavljuje se i proizvodnja sirovog

željeza povišenog sadržaja ugljika,

koje se dodatno rafiniralo, slično

današnjem nelegiranom čeliku




31

1910 – razvoj čelika za topli rad legiranih volframom (W)

1912 – razvoj martenzitnog nehrđajućeg čelika

1915 – razvoj čelika X210Cr12

1930 – razvoj čelika za topli rad legiranih s 5% Cr i oko 1 % Mo (uz primjenu toplinske obrade

u solnim kupkama)

1950 – primjena toplinske obrade alatnih čelika u vakuumskim pećima (zamjena za solne

kupke)

1970 – primjena CVD i PVD prevlaka

Visoka peć s predgrijačem zraka

i kalupima za ingote sirovog

željeza, Engleska, 1850 godina Bessemer-ov konverter u radu

SIROVO ŽELJEZO

„MEKI” ČELIK

LEGIRANI ČELIK

Suvremeni konverter

propuhivan zrakom

Shematski prikaz procesa proizvodnje tekućeg sirovog željeza u visokoj peći

4.1.2 Primarna metalurgija




32

4.1.3 Proizvodnja alatnih čelika postupcima sekundarne i kontrolirane metalurgije




33

4.1.4 Proizvodnja alatnih čelika metalurgijom praha

Usporedba veličine čestica čelika

dobivenog klasičnom

metalurgijom i metalurgijom praha




34




35

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)

4.1.5 Karakteristike mikrostrukture alatnih čelika

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




36

4.2 ALATNI ČELICI

4.2.1. NELEGIRANI (UGLJIČNI) ALATNI ČELICI

4.2.2. NISKOLEGIRANI ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD

4.2.3. VISOKOLEGIRANI ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD

4.2.4. ALATNI ČELICI ZA TOPLI RAD

4.2.5. BRZOREZNI ČELICI

4.2.6. ALATNI ČELICI MARAGING

4.2.7. KOROZIJSKI POSTOJANI PRECIPITACIJSKI OČVRSTIVI ČELICI

OZNAKE ČELIKA:

C45U (Č1540)

C80U (Č1840)

C105U (Č1940)

100V2 (Č1941)

C110U (Č1946)

C125U (Č1943)

C135U (Č1948)

Podjela:

a) pod-, eutek-, nadeutektoidni

b)

- mekane 0,5...0,75 %C

- žilave 0,75...0,9 %C

- žilavo tvrde 0,9 ...1,05 %C

- osrednje tvrde 1,05...1,15 %C

- tvrde 1,15...1,30 %C

-vrlo tvrde 1,30.. .1,40 %C

b) Kvalitetne skupine (DIN-u)

- W1 , W2, W3, WS

4.2.1 NELEGIRANI (UGLJIČNI) ALATNI ČELICI

Izbor: svojstva – cijena (veličina serije)

OT ili KU

plemeniti Č.

0,5 do 1,5 %C

manji udjeli Si i Mn

mali udjeli P, S (pojedinačno max. 0,025 -

0,03 %)

Si, Mn, Cr, V u maloj količini malo

modificiraju svojstva

prokaljivost




37

Sastav:

a – niska (760...820 °C)

(M0,9 %C)

Gašenje: voda, (ulje)

Struktura gašenja:

rub: M + K” + Az

prijelazna zona

Jezgra




38

tvrd

oca

300

400

500

600

700

800

900

1000

HV

temperatura popuštanjaºC100 200 300 400 500 600 700

a

31

41

48,5

54,5

59,5

63,5

67

HRC

ºC

torzijskazilavost(kvalitativno)

Mikrostruktura: Mp + xK(Fe3C”) + Fe2,4C + Az

p = 150 – 220 °C

«krhkost 300 °C»

(iznimno ručni alat: 400 °C)

KARAKTERISTIKE nelegiranih ugljičnih čelika:

- najžilaviji od AČ

- slaba OT

- neprokaljivi su (ali im se TO mogu po želji regulirati

zaostala naprezanja)

- niska cijena

- jednostavna toplinska obradba (niska a, jeftino

sredstvo za gašenje – voda, ulje-, manje osjetljivi na

razugljičenje nego ostali AČ)

- deformacije volumena su male (zbog malog udjela

prokaljenog sloja)

- deformacije oblika su velike (iskrivljenje – voda)

-moguće je provesti lokalno parcijalno otvrdnuće (npr.

plamenom ili indukcijski, dobar )

- najlakša obradba rezanjem (OOČ, dadu se obrađivati i

hladnim utiskivanjem)

- lako se dadu brusiti

- bolje su zavarljivi (prema legiranim AČ), dadu se

zavarivati uz posebne mjere

- proizvode se u najvećem asortimanu dimenzija

PRIMJENA:

alati jednostavnijih oblika i

manjih presjeka za hladni

rad:

srpovi, sjekire

dlijeta

svrdla za drvo

kliješta

probijači

sjekači

turpije

čekići, škare

alat za navoje

razvrtala

glodala za drvo

alat za kamen




39

4.2.2 NISKOLEGIRANI ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD

Legirni elementi: Mn, Si, Cr,

Mo, W, V, )

- bolja prokaljivost

- kvalitetniji i stabilniji karbida od

Fe3C karbidi (Fe,Me)3C, OT)

- kaljivost u ulju (snizuje

deformacije oblika i opasnost

nastanka pukotina!)

Nadeutektoidni! 48

50

52

54

56

58

60

62

64

HRC

100 200 300 400 500 ºCTemperatura popuštanja

Tvrd

oc

a

a – ovisna o sastavu (Me)

p = 150 – 220 °C

«krhkost 300 °C» uobičajena (izuzetak IV.

podskupina: 420…460 °C)

Mp + (Fe,Me)2,4C + Az

Podskupine:

I. niskolegirani Cr – čelici,

II. niskolegirani Mn-Cr-V i Mn-Cr-W čelici,

III. visokougljični W-V čelici (alati za završnu obradbu)

IV. nisko i srednjeugljični W-Cr-(Si)-V čelici (za izradbu alata za udarni rad)

- osrednja OT

- niska OP

- osrednje KU

Sastav

Karakteristike

niskolegirani Cr – čelici

nadeutektoidni:

1,0 – 1,5 %C

0,5 – 1,5 %Cr

100 Cr6 (Č4145)

115 CrV3 (Č4141)

«srebrnasti č –h11»

140 Cr3 (Č4143)

Cr: karbid: (Fe,Cr)3C ↑OT

prokaljenost →

gašenje u ulju? (do

30mm, voda)

zaostali austenit –

nepoželjan!? (niža a,

DH!)

4.2.2.1 NISKOLEGIRANI Cr-čelici (OCR– grupa)




40

tem

pera

tura

vrijeme

200

400

600

800

1000

tvrd

oća

300

400

500

600

700

800

900

1000

HV

temperatura popuštanjaşC100 200 300 400 500 600 700

şC

1 2 4 8 10 102

103

104

105

s

a

31

41

48,5

54,5

59,5

63,5

67

HRC

A 1

HV 845 320 285 240 210

0,1

7

0, 6

2, 9

6K

/min

torzijska žilavost(kvalitat.)

a

popuštanje 150 – 240 °C

«krhkost 300 °C» oko 260 °C

struktura:

Mp + (Fe,Cr)2,4C + Az




41

Primjena niskolegiranih Cr- čelika

•dijelovi kotrljajućih ležaja (prsteni, kuglice, valjci)

•alati za obradu drveta, nareznice, noževi za papir,

granične mjerke

•noževi za papir i kožu

•svrdla manja, razvrtala, zubarska svrdla,

upuštala, britve, alat

•alat za obradu mramora

4.2.2.2 NISKOLEGIRANI Mn-Cr-V i Mn-Cr-W ČELICI (Merilo)

Čelici postojanih dimenzija pri gašenju

niskolegirani Mn-Cr-V i

Mn-Cr-W čelici

Nadeutektoidni

~ 1,0 %C

1,0 – 2 %Mn

0,4 – 1,0 %Cr

1,15 %W

1. 90 MnCrV8 (Č3840)

2. 105 WCr6 (Č6440)

Mn

- povisuje prokaljivost

ulje, topla kupka

- više Az (~15 %) –

«bezdeformacijski

zakaljivi čelik»

- V 0,4 %, (1 %, 0,1 %)

- FeMn(W)3C OT

Sastav Karakteristike




42

Udio ugljika

%0,65 1,4

A

Mn=2%

F

F

0,9

710

Te

mpe

ratu

raşC

48

50

52

54

56

58

60

62

64

HRC

100 200 300 400 500

HRC Č6440

HRC Č3840

W, Č3840

W, Č6440

şC

Temperatura popuštanja

Tvrd

oća

- a (skloni razugljičenju,

povećanju zrna)

- zakaljivost

- DH uvjetno!

- «krhkost 300 °C»

- popuštanje 200 – 220 °C

C Mn Cr W V

90MnCrV8 0,9 2,0 0,4 - 0,1

105WCr6 1,05 1,0 1,0 1,15 -

Primjena niskolegiranih Mn-Cr-V i Mn-Cr-W čelika:

(1.) 90 MnCrV8

(2.) 105 WCr6

za manje (1.) i (veće (2.)) dimenzije:

- ukovnji za hladno kovanje novca

- kalibri

- granične mjerke

- vretena mikrometara

- rezne ploče štanca

- noževi za papir

- razvrtala

- alati za drvo

- navojni alat…




43

visokougljični W-V čelici

(alati za završnu

obradbu

nadeutektoidni:

1,00 – 1,45 % C

0,15 – 1,2 % Cr

1,00 – 4,0 % W 0,15 – 0,25 % V

100 WV4 (Č6842)

120 WV4 (Č6840) «sč»

110 WCrV5 (Č6441)

142 WV13 (Č6850)

Završna obrada – male

dubine rez. – nije toplina

značajna ne treba OP

- Nadeutektoidni

- Me23C6 (Cr, W) MeC (W)-

“mrtvo žareno stanje”

- visoka OT u hladnom

stanju (5 - 10 x veća od

ugljičnih)

- kaljivi u vodi (ulju – Cr viši)

- popuštanje 150 … 180 °C

«srebrnasti čelik» 120 W V 4

Sklonost razugljičenju!

4.2.2.3 NISKOLEGIRANI VISOKOUGLJIČNI W-V ČELICI

(OW, čelici za alate za završnu obradbu)




44

Primjena visokougljičnih W-V čelika :

hladni rad

male dimenzije alata OOČ ?!

-noževi alata za obradu: drveta, duhana, filca, papira, pluta

- mala glodala

- narezna svrdla

- zubarska svrdla

- matrice za provlačenje žice i cijevi

nisko i srednjeugljični W-Cr-(Si)-V

čelici (za izradu alata za udarni

rad)

- 0,45 – 0,8 %C

~ 2 %W

~ 1,1 %Cr

- 0,5 – 1,0 %Si

45 WCrV7 (Č6443)

60 WCrV7 (Č6444)

80 WCrV8 (Č6445)

podeutektoidan

nadeutektoidni

cementiranje

W- stvara “jake“ posebne karbide OT,

mali utjecaj na OP diskutabilna Cr – povisuje prokaljivost, smanjuje sklonost

“mrtvom žarenju”

Si- opružna svojstva (visoku Re i Rd), pomiče «krhkost 300 °C» iznad 400 °C

( KU)

V- sprečava rast A zrna

- povišena KU - otpornost na udarna opt.

- dobra OT

- opružna svojstva

- «krhkost 300 °C» (420 – 460 °C) – za rad i

pri nešto višoj temp.

Ulje, voda!

osjetljivi na razugljičenje

4.2.2.4 NISKO I SREDNJEUGLJIČNI W-Cr-(Si)-V ČELICI

((OSIKRO) Čelici za alate za udarni rad)




45

tvrd

oća

300

400

500

600

700

800

900

1000

HV

temperatura popuštanja

şC100 200 300 400 500 600 70031

41

48,5

54,5

59,5

63,5

67

HRC

torzijska žilavost (kval.)

ºC

Vrijeme

Tem

pe

ratu

ra

SŽ ŽRZN K

P

mehanička obradba

720.. 750 ºC600.. 650

ºC

ulje

450..650 ºCvoda550

ºC

890..930ºC

150..350 ºC

KALJENJE DLIJETA

(ručnih i strojnih):

- tvrdoća udarno-reznog dijela

treba biti 55...62 HRC

dok tvrdoća drške 36...42 HRC

za strojne, a oko 20 HRC za

ručno dlijeto;

a) Austenitizirati čitav alat, a

rezni dio gasi u vodi parcijalno,

(nakon nekoliko sekunda) držak

uroniti u ulje. Ovo se ponavlja

nekoliko puta. Pop: 180...200 °C

b) Cijelo dlijeto gasiti u vodi ili

ulju i popustiti na 600...650 °C

(42...46 HRC). Ponovno

parcijalno ugrijati radni dio alata

i gasit ga u vodi te potom

popustiti pri oko 260 °C,(uz

visoku tvrdoću i maksimalna

torzijska žilavost)

Primjena nisko i srednjeugljični W-Cr-(Si)-V čelika:

- žigovi i rezne ploče za hladno i toplo štancanje limova

- dlijeta za pneumatski alat

- alat za opsijecanje

- ukovnji za novac, medalje, nakit

- alat za obradu drva

- oblikači za zakovice

- čeljusti za raskivanje

- matrice za ekstrudiranje Al legura




46

4.2.3.1 VISOKOLEGIRANI ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD

- sadrže više od 5 % Me, (> 5 % Cr)

- 1,0…2 %C

- sadrže i V, Mo i ili W

- Cr utječe na stvaranje karbida (Fe,Cr)3C, Cr7C3 (oko 91 %Cr), Cr23C6 (oko 94

%Cr) OT; 13 %Cr OK

- Cr povisuje a = 1000 °C 0,5 do 0,6 %. (sastav A pri 1000 °C (tj. i Me), relativni

udjel K)

Pseudobinarni dijagrami stanja Fe-Cr-C (za 5 %Cr i 12 %Cr)

Cr = 5% ϑ, °C

1400

1200

1000

800

600

400 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 %C

X100 CrMoV 5 1

A

E 1150 °C

F+Cr7C3

F+

+Cr7C3+

+(Fe,Cr)3C

F+

+(Fe Cr)3C

840 °C

0,2 0,4

Cr = 12% ϑ, °C

1400

1200

1000

800

600

400

1200 °C E

A

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

≈X40 Cr 13 ≈X155 CrVMo 12 1 ≈X210 Cr 12

840 °C

F+Cr23C6

+Cr7C3 F+ Cr7C3 F+Cr23C6

1,8 2,0 %C

A+ Cr7C3

- manje C (uz konstantan % Cr) Cr otopiti u A (i M) viša OK

-ako čelik sadrži više C (uz Cr = konst:) to će mu i austenit (M) sadržavati više C pa je

bolja ZAKALJIVOST

-pomak eutektoidne koncentracije na niže vrijednosti povisuje i udio karbida

nerastvorenih pri a (sekundarni i eutektički) raste OT

-KP OP. (treba više grijati, porasta A-zrna pa pad duktilnosti čelika (samo leg. V, Mo)

-Az (posebno kod legiraniji i uz višu a . (15 % Az “bezdeformacijsko

kaljenje”(tlačno naprezanje ? – (tek pop. oko 520 do 540 °C eliminira Az)

Izotermički presjek sustava Fe-Cr-C (pri 20 °C i pri 1000 °C)

%Cr ϑ = 20 °C ϑ = 1000 °C

25 -

20 -

15 -

10 -

5 -

0,5 1 1,5 2,5 2 3 %C

%Cr

25 -

20 -

15 -

10 -

5 -

0,5 1 1,5 2,5 2 3 %C

X155 CrVMo 12 1

X210 Cr 12

X100 CrMoV 5 1

X40 Cr 13




47

Visokolegirani

5 % Cr s 12 %Cr

1 %C, 5 %Cr i 1

%Mo

X100CrMoV5-1 (Č4756)

ledeburitni

1,5…2,0 %C, 12 %Cr, (Mo,

V, W )

X210Cr12 (Č4150)

X210CrW12 (Č4650)

X165CrMoV12 (Č4750)

X155CrVMo12-1 (Č4850)

nehrđajući martenzitni

0,2…1,0 %C, 13…18 %Cr

(Mo, V, N)

X20Cr13 (Č4172)

X42Cr13 (Č4173)

X36CrMo17

X55CrMo14 (Č4770)

X91CrMoV18 (Č4772)

X220CrVMo 13 4 (K190 MC) M390 MC

(20 Cr, 1Mo, 4V, 1,9 C) K 390 MC: 2,5C, 4,2Cr, 1W,

3,8Mo, 9V, 2Co

K490 MC; 1,4C, 6,4Cr, 3,5W,

1,5Mo, 3,7V +Nb

VLAČHR ČELIK: 1 %C, 5 %Cr, 1 %Mo, 0,25 %V, (X100CrMoV 51)

- nadeutektoidan

- u žarenom stanju faze: F + (Cr, Fe)7C3 + (Cr, Fe)23C6,

- a = 1000 °C čelik se sastoji od A ( 0,7 %C , 4 %Cr + karbid (Cr, Fe)7C3

(nema (Cr, Fe)23C6 otopio se Cr i C u A trom pa je zato i TTT dijagram u desno gašenje

na zraku male deformacije oblika.

- Svojstva: između 90 MnCrV 8 (Č3840) i čelika s 1,5...2,0 %C i 12 % Cr (USA):

- OT, (u kaljenom stanju osim martenzita sadrži oko 6% karbida tipa Cr7C3)

- Vrlo mala deformacija pri gašenju (npr. vol. C-čeliku 0,7 %; 90MnCrV8 oko 0,4 %, X100CrMoV5 1) oko 0,1 %)

- Žilavost, prokaljivost

- viša OP ( Mo i V) od niskoleg. Č.

- teža OOČ (u odžar. 15 % K) između niskoleg Č i Č. s 12 %Cr i 1,5...2,0 %C.

- nema anizotropije svojstava i deformacija

(ne sadrži Ke nema usmjerenih traka (kao kod 12%Cr),

- dobar kompromis u pogledu OT i KU! Cr = 5% ϑ, °C

1400

1200

1000

800

600

400 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 %C

X100 CrMoV 5 1

A

E 1150 °C

F+Cr7C3

F+

+Cr7C3+

+(Fe,Cr)3C

F+

+(Fe Cr)3C

840 °C




48

VLAČHR

TOPLINSKA OBRADA: (SFEROIDIZACIJSKO Ž. i ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZN),

Sferoidizacijsko (meko) žarenje [(a) ˝klasično˝, (b) izotermičko] te žarenje za redukciju zaostalih

naprezanja (c) čelika X100 Cr Mo V 5 1 ( Č4756 )

ϑ, °C

t

ϑ, °C

t

ϑ, °C

t

A1 A1

ϑŽ=840...870 °C 850...900 °C

≈675 °C 4...8 h

SF. I. SF. ŽRZN.

760 °C 4...6 h hlađenje

≈ 25 K/h (do 540 °C)

dalje smije

i brže

tŽ=1...4 K/h

zrak ≈50 K/h

b) a) c)

VLAČHR

- Prema pravilu (30...70 K iznad A1) a =870...900 °C no zbog posebnih, teško topivih

karbida treba a ≥920 °C (čak 970 °C) u A - 0,7 %C i oko 4 %Cr , neotopljeno oko 6 %

karbida Me7C3,. Viša a od optimalne (npr. 1050 °C) više Az HRC važno ako alat

treba NITRIRATI ili prevlačiti PVD postupkom

- Gašenje u ulju ili martempering pri oko 200 ili 540 °C (ovisno o zahtjevu na deformacije),

gašenje na zraku do dimenzija 60 mm (biti će više Az!)

- Eliminaciju Az - DH ( pri –75 °C).

Postupci kaljenja čelika X100 Cr Mo V 5 1

ϑ, °C

t

ϑ, °C

t

ϑ, °C

t

970 °C 970 °C

1050 °C

ulje ili martempering solna kupka ulje, zrak

ϑTK≈200 °C

ϑP≈220 °C ϑP≈220 °C

ϑP≈520 °C ≈540 °C

zrak

P P

P K K

K

a) b) c)




49

VLAČHR

POPUŠTANJE: odmah!

Temperatura popuštanja:

-175...230 °C visoka OT (krhkost

300 °C” pojavljuje se pri 250 ... 320 °C)

- 370...400 °C visoka ŽILAVOST

- a 1050 °C 520 °C

Dijagram popuštanja čelika X100CrMoV 5 1

PRIMJENA ČELIKA (X 100 Cr Mo V 5 1 (služi npr. kao zamjena za 90MnCrV 8):

štance

alate za oblikovanje lima

ukovnji za hladno kovanje novca

alati za duboko izvlačenje

kalupi za plastiku

igle za provlačenje

razvrtala

narezna svrdla i nareznice

škare itd.

Temperatura popuštanja

HRC

HV

1000

900

800

700

600

tvrd

oća

500

400

300

100 200 300 400 500 600 700 °C

54,5

59,5

48,5

41

31

67

63,5

ϑa=1000 °C, zrak

ϑa=980 °C, zrak

torzijska žilavost

(kvalit) ϑa=970 °C

ϑa=925 °C, zrak

175 °C 230 °C 370°C 400°C

4.2.3.2 VISOKOUGLJIČNI ČELICI S 12 % Cr

(LEDEBURITNI ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD)

KARAKTERISTIKE I SVOJSTVA:

-podeutektičnog (“ledeburitnog) karaktera

-U primarnoj kristalizaciji ingota, C prema centru (K imaju Tt – raspadaju se temperaturi eutektičke

pretvorbe – plivaju u talini i skrućivanjem se povlače prema unutra) - Ke u centru ingota. Prema površini P + K”.

Ke. ne može se razbiti žarenjem, nego (valjanjem ili kovanjem). Valjanjem se Ke usitne, ali koncentrirani u

centru i izrazito usmjereni u smjeru valjanja ANIZOTROPIJU svojstava.

Bolje intenzivnim prekivanjem – razdrobiti i jednolično razmjestiti Ke.

Defo

rmacija

, %

0,2

0,1

0

-0,2

-0,1

63

65

61

59

HRCg

X210 Cr 12 / ulje

870 900 930 960 990 1020 1050

ϑk,C

deformacija u

smjeru valjanja

deformacija poprečno

na smjer valjanja

HRCg

Segregacije pri primarnoj kristalizaciji podeutektičnog čelika (lijevanju) i

kasnije posljedice (nakon valjanja) na deformacije nakon kaljenja




50

- ANIZOTROPIJA SVOJSTAVA – ( K za oko 30 % od Fe mase, u kaljenom

stanju ima 10...14 % vol., → anomalije i to:

- mehanička svojstva (čvrstoća i žilavost) viša su u smjeru valjanja, a manja poprečno

- deformacije za npr. X210 Cr 12 ovisno o a mogu biti veće u smjeru valjanja ili poprečno na

smjer - izrada štance uže toleriranu mjeru poprečno na smjer valjanja (slika)

- deformacija će ovisiti o smjeru valjanja i o a (vidi sliku!)

- U žarenom stanju pri 20 °C: F + (Cr, Fe)7C3 (Kid, K”, Ke)

- Austenitizacijom sve do solidusa (1200 °C) ostaje nerastvoren dio K” i svi Ke. Pri

1000 °C:(A + K), sastav K: (Cr, Fe)7C3

- a pri 1000 °C (to je uobičajena) A = 0,5...0,6 %C i 5...7 %Cr (tim više %C, a tim

manje %Cr što čelik sadrži više %C)

0,2

0,4

Cr = 12% ϑ, °C

1400

1200

1000

800

600

400

1200 °C E

A

0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

≈X40 Cr 13 ≈X155 CrVMo 12 1 ≈X210 Cr 12

840 °C

F+Cr23C6

+Cr7C3 F+ Cr7C3 F+Cr23C6

1,8 2,0 %C

A+ Cr7C3

EN WNr. (HRN) C Cr W Mo V

X 210 Cr 12 1.2080 Č4150 2,0 12,0 - - -

X210CrW 12 1.2436 Č4650 2,0 12,0 0,7 - -

X165CrMoV 12 1.2601 Č4750 1,65 12,0 0,5 0,60 0,3

X155 CrVMo 12 1 1.2379 Č4850 1,55 12,0 - 0,7 1,0

X220 CrVMo 13 4 (K190 MC)

K 390 MC (+2Co)

K490 MC ( +Nb)

1.2380 - 2,3

2,5

1,4

12,5

4,2

6,4

-

1,0

3,5

1,1

3,8

1,5

4

9

3,7

- Prvorazvijeni čelik s 2,3 %C i 12 %Cr imao OT pri 20 °C, KU, mala sklonost na deformacije

kaljenja, vrlo slabu OOČ, jaku sklonost rastu A zrna iznad 1000 °C čelici s nižim C što bi izazvalo sniženu OT

(manji udjel karbida), pa su zato dodani Mo i V koji će učiniti kvalitetnije karbide (OT) - kočničari rastu A-zrna

(pa se kod njih smije austenitizirati na više temperature). Dodatak W djeluje samo na povišenje OT, a jedva

malo povišenje OP.

- Cr-karbidi skloni koalescenciji (srašćivanju) ne izazivaju jači porast tvrdoće, pa zato efekt sekundarne

tvrdoće samo uz karbide V4C3, Mo2C i ili W2C samo čelik s 1 %V (jer bi zrno pogrubilo ostalima zbog

potrebe više a )

- niska toplinska vodljivost pažljivo i postupno ugrijavati, (toplinskih naprezanja i opasnosti pucanja)

- skloni razugljičenju pa ih treba zaštititi pri TO.




51

VLAČHR TOPLINSKA OBRADA (SFEROIDIZACIJSKO Ž. i ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZN)

850...890 °C

t

ϑ, °C

540

≈ 25 K/h

zrak

t

ϑ, °C 840 °C / 2h

700 °C 4...6h

zrak

t

ϑ, °C

540

850 °C / 2h

≈ 25 K/h

850...890 °C

sporo

(u peći)

650...700°C / 4...10h

t

ϑ, °C

A1

≈ 50K/h

Postupci sferoidizacijsko žarenja čelika s 12% Cr (klasični, izotermički i modificirani)

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja čelika s 12% Cr

VLAČHR

- a = 1000 °C 0,5...0,6 %C (pseudobinarni FeC dij.) “kriterij 0,6 %C”,

- Dulje vrijeme držanja (teško topivi specijalni karbidi)

KALJENJE:

Vrijeme

Te

mp

era

tura

°C

0

100

200

400

500

600

300

900

800

700

1200

1100

1000

Žarenje za

redukciju zaostalih

naprezanja

sporo

(u peći)

1. predgrijavanje

2. predgrijavanje

Kaljenje

ulje

zrak

topla solna kupka

niže temp.

200... 250 °C

topla solna kupka

više temp.

400...500 °C

niskotemp.

popuštanje

visokotemperaturno popuštanje

1. 2.




52

VLAČHR

- Prokaljivost prema TTT dijagramu:

t ink.min. za prva 3 čelika iznosi 100 do 200 s (vg 120 K/s), dok onaj legirani V, čak 1000s

(vg 15 K/s- zrak!?). Preporuka sve alate od svih čelika gasiti u ulju ili martempering

(sprečiti izlučivanje K, kod X155CrVMo 12 1 se po granicama stvara M, a u

unutrašnjosti B (krhkost)

- Gašenje na zraku daje viši udjel Az ?

- Udjeli faza u gašenom stanju (M + Az + K) ovise o a.

- Jedino kod X155CrVMo 12 1 može se realno koristiti sekundarno otvrdnuće - a =

1080...1100 °C, te visoko popuštati pri oko 550 °C (nužna :predobrada za Nitriranje i PVD).

- Eliminacija Az: DH u tekućem dušiku pri – 196 °C

VLAČHR POPUŠTANJE

Popuštanje se izvodi u I. i II. stadiju (djelomično) (p = 200 – 250 °C) za

a = 960...1040 °C.

Kaljenje s a 1040 °C pokazuju pri 480 ... 560 °C pojavu sekundarne

tvrdoće (kod X210Cr12 zbog Az M”, kod ostalih i Kp)

Dijagram popuštanja čelika X155 CrVMo 12 1 za

Razne a (960 – 1020 , 1060 – 1120) °C

temperatura popuštanja 100 200 300 400 500 600 700

300

400

500

600

700

800

900

1000

tvrd

oća

HV

°C

ϑa=1080°C/ulje

ϑa=1000°C/ulje

ϑa=1040°C/ulje

ϑa=1010°C

torzijska žilavost

(kvalit.)




53

Svojstva visokougljičnih čelika s 12% Cr:

- visoka OT u hladnom stanju

- neznatne deformacije pri kaljenju (bezdeformacijski zakaljiv čelik)

- niska KU

- slaba OOČ

- osjetljiva TO

PRIMJENA VISOKOUGLJIČNIH ČELIKA S 12 % Cr :

• štance,

• alati za hladno oblikovanje

• alati za utiskivanje

• alati za duboko izvlačenje

• alati za izvlačenje žice

• valjci za navoje

• igle za provlačenje

• škare

• alat za tlačno istiskivanje (tuba za paste)

• glodala za proreze (cirkulare)

• alat za reckanje (randeriranje)

4.2.3.3 MARTENZITNI ALATNI ČELICI POSTOJANI NA DJELOVANJE

KOROZIJE (MARTENZITNI NEHRĐAJUĆI ČELICI – PROKRON)

0,2…1,0 %C, 13…18 %Cr (+ Mo, V, N)

KARAKTERISTIKE I SVOJSTVA:

- Korozijski postojani:

- 12 %Cr

- monofazna mikrostruktura ? (što niži C nije ispunjen – 0,2 ... 1,0 %C U zakaljenom stanja

(pri austenitizaciji svi, barem većina karbida otopit će se u austenitu

austenit se obogati: Cr postojan na koroziju i C zakaljiv (zakaljivosti i antikorozivnosti).

- Mo : (napose kod čelika s višim C) supstituira se u karbid (Cr, Mo)23C6 pa više Cr ostaje za

otapanje u F i A.

- Mo će ući i u Kp pa popuštena M-matrica neće osiromašiti na Cr pri popuštanju te će ostati

korozijski postojana.

- Pri visokom popuštanju Mo spriječava krhkost popuštanja.

- Iz izotermičkog presjeka pri 1000 °C ovi čelici pri a : A + Cr23C6 (karbid) i to tim viši udjel

neotopljenih karbida što je viši sadržaj C u čeliku (spojnica sastava čelika sa sastavom C u

austenitu)

- U žarenom se stanju čelik sastoji od: F + Cr23C6




54

U mekožarenom stanju u karbidu Cr23C6 biti će spojeno Cr, odnosno otopljeno u feritu Cr:

Spojeno %Cr u karbidu Cr23C6 Otopljeno %Cr u feritu

u čeliku X20Cr13 (Č4172) 0,2 16,6 = 3,32 %Cr 13 – 3,32 = 9,68 %Cr

u čeliku X40Cr13 (Č4173) 0,4 16,6 = 6,64 %Cr 13 – 6,64 = 6,36 %Cr

u čeliku

X91CrMoV18 (Č4772)

0,9 16,6 = 14,94 %Cr (zanemareni

manji udjeli V i Mo karbida) 18 – 14,94 = 3,06 %Cr

Cr premali (ispod nužnih 12 % u Fe- masi) za antikorozivnost !!!

Koncentracija C u karbidu izračunava se: F+Cr23C6: mat mC = 12,01,

mCr = 51,996

%C 5,6810051,9962312,016

12,016100

m23m6

m6k

CrC

CC

kCr = 100 – 5,68 = 94,32 %Cr

1 %C vezao bi na sebe: %Cr16,65,68

94,32

Karakteristike:

- OK gotovo kao oni vrlo niskog C (feritne strukture)

- Popuštanjem do temperatura 400 °C (kroz 50 h) ovim se čelicima praktički ne snižava niti

tvrdoća gašenja niti antikorozivnost

- Toplinski su otporni kao i antikorozijski ako su odgovarajuće popušteni (za oko 30K višoj od

radne) do oko 400 °C. (Rusi; u semi-termostabilne čelike)

- OT ovisi o %C. Viši %C veća OT, povišenjem udjela karbida (neotopljenih) i Kp (antagonistički

zahtjev). Iznad 0,4 %C ovi čelici postaju nadeutektoidni (ili čak podeutektični)

- Žilavost ovisi o udjelu %C čim je niži viša je KU

- Vrlo dobra OOČ u isporučenom i kaljenom stanju (poliranjem,npr. kalupa)

- Čelici su plemeniti (tj. vrlo malo nečistoća)

- obrada hladnim utiskivanjem (npr. pri izradbi matrica za preradbu polimera - znatno skraćenje

ciklusa i cijene)

- Austenitizirati iznad 1000 °C(da se otopi više C) i to tim više čim u čeliku ima više C (svi u A

otapaju oko 0,3 %C i oko 12,5 %Cr što je dovoljno za korozijsku postojanost ali nije dovoljno

za zakaljivost.

- NISKO POPUŠTATI I PAZITI DA NE DOĐE DO JAKOG GRIJANJA PRI BRUŠENJU nastao bi

K (svakih 0,1 %C iz M vezao bi na sebe 0,1 16,6 = 1,66 %Cr pa bi u M ostalo 12,5 – 1,66 =

10,84 %Cr što opet nije dovoljno za antikorozivnost).

ČELIK SE MORA ZAKALITI DA BI POSTIGAO DOVOLJNU TVRDOĆU (PRIMARNI

ZAHTJEV) I POSTIGAO ŠTO BOLJU KOROZIJSKU POSTOJANOST!!!




55

TOPLINSKA OBRADBA : ŽRZN SŽ: 820 ... 860 °C (ovisno o sastavu čelika) (zaštita)

KALJENJE

- postupno predgrijavanje

- a mora biti dovoljno visoka (bolje viša nego niža) dovoljno C i Cr u austenitu

(zakaljivost i antikorozivnost).

- gašenje u ulju (najbolje), zrak (predizlučivanje karbida - opasnost), mogućnost

gašenja u toploj kupki (280...320 °C).

- Eliminacija Az provesti DH (-70 °C)

TTT dijagram čelika X42Cr13

POPUŠTANJE (izlučuju se KP razmjerno % Cr dok Fe-matrica osiromašuje na Cr)

Dijagram popuštanja čelika X42Cr13

10

20

30

40

50

60

HRC

ϑp, °C 100 200 300 400 500 600 700 800

Brz

ina

ko

rozije

(Fe, Cr)3C (Cr, Fe)7C3 (Cr, Fe)23C6

ϑp, °C 100 200 300 400 500 600 700 800




56

EN WNr (HRN) C Cr Mo V ostalo

X20Cr13 1.2082 Č4172 0,20 13,0 - - -

X42Cr13 1.2083 Č4173 0,42 13,0 - - -

X36CrMo17 1.2316 - 0,38 16,0 1,15 - <1,0 Ni

X55CrMo14 1.4110 Č4770 0,55 14,0 0,55 - -

X91CrMoV18 1.2361 Č4772 0,90 18,0 1,1 0,1 <0,3Cu

M390 MC (Böhler) 1,9 20 1 4 0,6 W

Martenzitni nehrđajući alatni čelici

CPM 420 V

2,3 14,0 1,0 9,0

Primjena martenzitnih nehrđajućih čelika:

• kirurški instrumenti

• noževi za jelo

• žileti i britve

• zubarska kliješta

• kalupi za preradu agresivnih polimera

• žigovi i matrice za prešanje agresivnih duromera

• žigovi i matrice za izradu tableta

najjača korozijska postojanost u K stanju

toplinski otporni

visoka žilavost (%C)

osrednja OT (%C)

dobra OOČ i poliranjem, hladno utiskivanje

plemeniti (nečistoće i homogenost)




http://www.zapp.de/fileadmin/pdf__excel/CPM420V.pdf

57

PRIMJER IZBORA ČELIKA ZA ŠTANCU

Treba odabrati alatni čelik za izradu alata za rezanje (štancanje) čelične trake

debljine 0,5 mm izrađene od opružnog čelika tvrdoće 45 HRC.

Dominantno trošenje: Abrazija

Za jednostavne dijelove (izratke) opasnost mikropukotina mala je dok je pri većim

dijelovima znatno veća. Mali je rizik plastične deformacije jer treba upotrijebiti alat

s visokom tvrdoćom.

male serije velike serije

jednostavne

geometrije

(srednje veličine

alat)

za veći alat

(bolja prokaljivost)

jednostavna

geometrija

komplicirana geometrija

(opasnost nastajanja

pukotina velika)

čelik

100MnCrW4

(90MnCrV8)

visokoleg. čelik

X100CrMoV51

12 %Cr ledeburitni PM AČ za hladni rad npr:

K190 ISOMATRIX PM

(Vanadis 6, ili Vanadis 10)

što može poslužiti i za vrlo

velike serije

4.2.4.1 ALATNI ČELICI ZA TOPLOM STANJU

U radu su izloženi kompleksnim: mehaničkim, toplinskim, trošenju na poviš. temp.

(temp. 200 °C) opterećenjima (lijevanje, prešanje, ekstruzija, kovanje) pa se

traži:

-otpornost prema deformacijama pri

radnoj temperaturi (visoka Re)

-otpornost na nastajanje dubokih

pukotina

-otpornost na trošenje (erozija)

-postojanost pri mehaničkim udarima

(žilavost)

-otpornost na TU

-otpornost na visokotemperaturnu

koroziju

-mala sklonost naljepljivanju

prerađivanog metala

-dobra OOČ

-otpornost deformiranju volumena pri

TO

-otpornost na popuštanje:

- otpornost prema strukturnim

promjenama pri povišenoj temperaturi (

- visoka tvrdoća pri povišenoj temp.

- otpornost na TU

-legiranjem karbidotvorcima (W, Mo, V,

Cr) Kp (OT, OP)

- legiranjem –genim Me (Ni KU i

prokaljivost, Co) koče omekšanje

- prokaljivost (Mo, Cr, Ni) – odlična

- Si Rd i oksidaciji pri temp.

- mali %C: 0,3…0,55 (KU i TU)

ŽARITI alate (popuštati) treba nakon određenog vremena pri temperaturama iznad

radnih kako bi se reducirala ZN nastala u radu.

PREDGRIJAVATI treba alate u radu (na oko 200 °C) da se snizi T između max. i min.

r – toplinska naprezanja → opasnost TU.




58

Legirni sustav Oznaka čelika Sastav, % Svojstva

EN (stara

HRN) C Si Cr Ni W Mo V duktil

nost

OP OT

visoka

osrednja

niska Ni-Cr-Mo-V 56NiCrMoV7 Č5742 0,55 1 1,7 0,5 0,1

(niskolegirani) 55NiCrMoV6 Č5741 0,55 0,7 1,7 0,3 0,1

osrednja

povišena

povišena Cr-Mo-V X32CrMoV3 3 Č7450 0,32 3 3 0,5

visokolegirani X38CrMoV5 1 Č4751 0,4 1 5 1,3 0,4

5 %Cr X40CrMoV5 1 Č4753 0,4 1 5 1,5 1

X50CrMoV5 1 Č4757 0,5 1 5 1,5 1

niska

visoka

visoka W-Cr-V X30WCrV4 1 Č6450 0,3 1 1 4 0,4

visokolegiran

4...10 %W

X30WCrV9 3 Č6451 0,3 2,5 9 0,4

-Radi se o eutektoidnim (niskolegirani) i nadeutektoidnim (visokolegirani) čelici.

-Austenitizirati otopiti što više karbida (W, Mo, Cr), ali paziti da zrno ne pogrubi previše (slaba

žilavost). Zato UDARNO opterećene alate kaliti s donje a zbog više žilavosti, a one više

toplinsko opterećene s gornje a.

-Popuštati treba barem 2, i više puta (sniženje Az i povišenje žilavosti M-pojava sekundarne

tvrdoće). Višekratno popuštanje povisuje ureznu čvrstoću čelika.

Svojstva alatnih čelika

za topli rad




59

4.2.4.2 NISKOLEGIRANI ALATNI ČELICI ZA RAD U TOPLOM STANJU

(čelici za ukovnje)

Oznaka čelika Sastav, %

EN Stara HRN C Cr Ni Mo V

56NiCrMoV 7 Č5742 0,55 1 1,7 0,5 0,1

55NiCrMoV 6 Č5741 0,55 0,7 1,7 0,3 0,1

Karakteristike:

1. slični Č. za poboljšavanje samo nešto viši C

2. Visoka KU pa se zato upotrebljavaju za ukovnje dubokih gravura

3. Ni snizuje područje P i povisuje područje B u TTT dijagramu i utječe na sitnozrnatost i žilavost

4. Ni, Mo, Cr povisuju prokaljivost

5. Mo osim što povisuje prokaljivost, povisuje OP i spriječava krhkost popuštanja

6. Temperatura popuštanja je iznad 500 °C (zbog visine radne temperature)

7. Prednost niska a = 830 – 900 °C (pa je manji rizik nepoželjnih površinskih pojava i deformacija)

8. Loša strana: razmjerno niska OP.




60

1. predgrijavanje

2. a = 830 ... 900 °C

3. Hlađenje u ulju, zrak (za manje, tanje dijelove) Izbjeći B KU pri 20 °C, i pri °C (radnoj)

4. Popuštanje treba provesti odmah po kaljenju i to obavezno 2 puta i to:

- pri 400 ...700 °C (tvrdoća 48 ... 30 HRC, odnosno čvrstoće:1600 ...1000 N/mm2. HV ovisi od:

-veličine ukovnja, (ukovanj veće mase - čvstoća, tvrdoća treba biti niža). Za orjentaciju:

Dimenzije matrice, mm Vlačna

čvrstoća,

N/mm2

Tvrdoća,

HRC

do 300x 300 1250...1400 36...43

od 300x300 do 500x500 1150...1250 35...36

više od 500x500 1050...1150 32...35

- Nitriranje N < p

TOPLINSKA OBRADA:

- SFŽ 670 do 700 °C,

- ŽRZN 600 do 650 °C

- Kaljenje + popuštanje

ISPORUKA:

-sferoidiziranom stanju

-poboljšanom stanju (što je povoljno jer ne treba toplinsku obradu raditi)




61

PRIMJENA čelika za ukovnje

Gdje radne temperature nisu visoke (do 700 °C ne treba OP)

Veliki alati (žilavost) kompaktni blokovi ukovnja (900 do 1400 N/mm2)

Za velike serije otkovaka od niskolegiranih čelika

Za srednje serije otkovaka od čelika kaljivih na zraku

Za male serije otkovaka od 12 %Mn čelika

56NiCrMoV 7

-Ukovnje svih veličina i gravura za željezne i obojene metale (plitke, duboke)

-Matrice za prešanje čelika i drugih metala u toplom stanju

-Noževi za rezanje u toplom stanju

-Alati za tlačni lijev niskotaljivih legura (Zn, Pb, Sn, Pb)

-Alati za utiskivanje u toplom stanju

-Dijelovi alata u proizvodnji vijaka, matica, zakovica (u toplom stanju)

55NiCrMoV 6 za ukovnje srednje masivnosti (do 400 mm) s plitkim i srednjedubokim gravurama.

4.2.4.3 VISOKOLEGIRANI ČELICI ZA KALUPE ZA TLAČNO LIJEVANJE

( 5 %Cr i 1 do 3 %Mo)

EN star HRN C Si Cr Mo V

Cr-Mo-V X32CrMoV3 3 X32 CrMoCoV 3 3 3

Č7450 0,32 3 3 0,5

visokolegirani X38CrMoV5 1 Č4751 0,4 1 5 1,3 0,4

5 %Cr X40CrMoV5 1 Č4753 0,4 1 5 1,5 1

X50CrMoV5 1 Č4757 0,5 1 5 1,5 1

Svrha razvoja

- slaba žilavost W čelika

- kaljivost na zraku

- otpornost na TU

- otpornost erozivnom Al

- što niži Me




62

Karakteristike visokolegiranih čelika za kalupe:

- nadeutektoidni

- prokaljivi (Cr, Mo)

- HRC pri °C (Si, Cr, Mo, V)

- Otporni na krhkost popuštanja (Mo)

- visoka A1 (860 °C) visokotemperaturno popuštanje

- odžarenom stanju: F + K (Me6C, M7C3, MC - Mo, Cr, V)

- a = MC neotopljen (1 %), velika timin zrak (deformacije)

- visoka PROKALJIVOST (B?)

- osrednja duktilnost

- povišena OP (HRC) 540 °C

- (visokočvrsti KČ)

- visoka Rm

- visoka KU pri °C

- dobra OT i djelovanje rastaljenog metala

- otpornost TU

- preporuka Rm nakon popuštanja ovisno o radnoj temp.

- odlučujuća su svojstva pri radnim temperaturama

- smiju se hladiti vodom u radu

TOPLINSKA OBRADA:

1. SF Žarenje (780 ... 830 °C);

2. ŽRZN (600 ... 650 °C)

1. KALJENJE: (prokaljivost, TTT dijagram!),

2. zaštita (ZA, SK, Vakuum) a = 980 ... 1050 °C;

gašenje: ulje, zrak – N2, martempering 500 ... 550 °C

4. POPUŠTANJE: (t pop ≥ 2h (35 – 45 HRC),

NIRIRANJE, PVD, PACVD prevlačenje




63

Svojstva:

Utjecaj p i i na žilavost čelika X40 CrMoV51 Svojstva čelika X38 CrMoV51 pri poviš. temp.

Primjena visokolegiranih alatnih čelika za topli rad:

- alati za toplo prešanje lakih metala (Al, Mg, Zn, Sn, Pb) i nijihovih legura

- kalupi za tlačni lijev lakih metala i legura

- ukovnji za čelik i neželjezne metale plitkih gravura

- štance i škare za rad u toplom stanju

X32CrMoV33 nešto višu OP i OT, niža KU

Visokolegirani AČTR proizvode se u različitim kvalitetama:

- konvencionalnim postupkom - standardna kvaliteta (npr. Böhler-ISODISC ) - ne za TL!

- pretaljivanjem pod troskom: ESR (ESU, EPT) - bolja kvaliteta (npr. Böhler-ISOBLOC)

- pretaljivanjem u vakuumu (VAR) - najviša kvaliteta (npr. Böhler- VMR)




64

4.2.4.4. VISOKOLEGIRANI W-Cr-V čelici za kalupe za tlačno lijevanje

Karakteristike:

-Visoka HV i OTtoplom stanju

- W umjesto Mo

- najotporniji prema T

- niski C,

- žareno stanje F + Me6C + Me23C6 + MeC

- ferit - niža HRC

-«toplinska krhkost» (Rm ≤ 1200 N/mm2 , predpopuštanje 400 °C, %Cr)

- pukotine brušenja

Oznaka č. EN (HRN) C Si Cr W V Svojstva

I. X30WCrV4 1 Č6450 0,3 1 1 4 0,4 -visoka tvrdoća (OP do 600 °C)

i visoka OT u toplom stanju

(W umjesto Mo snižena KU)

-primjenjiv do 800 °C (A1p = 800 °C)

-smije se hladiti vodom

II. X30WCrV9 3 Č6451 0,3 2,5 9 0,4 - najotporniji (OP) (ovisno o a)

- ne smije se hladiti vodom

- max Rm u toplom stanju (825 °C)

- žilavost slabija

- do radno 600 – 700 °C

TOPLINSKA OBRADA:

• SŽ (740 – 810 °C; 4 – 8 h); ŽRZN (600 – 650 °C/ 2 – 6 h);

• KALJENJE:

predgrijavanje, obavezno!

zaštita nužna!

a I. čelik = 960 – 1040 °C (ulje – zrak);

a II. čelik = 1080 – 1160 °C/ ulje,

slomljeno g. TK 500 – 550 °C, zrak, N ili Ar; zaštita

• PoPUŠTANJE




65

visoka OP i OT

niža žilavost

(pukotine brušenja)

Čelik Primjena

I.

X30WCrV4 1

- jezgre kokilnog Al- lijeva

- trnovi za preše za ekstruziju cijevi

- škare za rezanje u toplom stanju

II.

X30WCrV9 3

- alati za prešanje u dubokim gravurama

- kalupi za tlačni lijev Cu legura

- štance za topli rad

- alati za ekstruziju

Orijentacija za izbor čelika za rad u toplom stanju: - svojstva pri r

I. Niskolegirani za topli rad (56 NiCrMoV 7, 55 NiCrMoV 6)

II. Visokoleg. s 5 %Cr,... (X32 CrMoV 33, X 38CrMoV 5 1,....)

III. Visokoleg. s W (X30 WCrV 4 1 , X30 WCrV 9 3)

Radna

temp, °C

600-650

550-600

500-550

<550




66

4.2.5 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

- proizvedeni sekundarnom i kontroliranom metalurgijom

- proizvedeni praškastom metalurgijom




67

Mikrostruktura i neka svojstva brzoreznih čelika dobivenih klasičnom metalurgijom i metalurgijom praha [16]





68


Brzorezni čelici proizvedeni PM primjenjuju se u teškim uvjetima

eksploatacije (obrada čelika i neželjeznih metala, npr. Ni i Ti-legure):

rezni alati za uvjete ekstremno visokih tlakova

precizne štance za visoko - čvrste materijale

rezni alati za narezivanje navoja na visokočvrste

materijale

sve vrste alata za provlačenje

svrdla za razvrtavanje

alati za dubljenje

rezni alati za narezivanje zubaca zupčanika

jednostavnog ili složenog oblika

bimetalne trake za oštrice pila

Metoda ocjene tvrdoće «Red Hardness» prema P. Payson-u popuštanjem u područje P =

16.700 do 19.700 (npr. 550 °C/2h do 700 °C/2h)

Za preciznu ocjenu najviše tvrdoće popuštanja («Red Hardness») preporuča se grijanje pri

595 °C/5h (P = 17.967) ili pri 620 °C/5h (P = 18.484)

HS12-1-4-5, HS10-4-3-10 i HS18-1-2-10 teško se bruse.

Preporuke za izbor brzoreznih čelika (OT, OP, KU)

Primjer označavanja : HS10-4-3-10

W Mo V Co




69

Toplinska obrada brzoreznih čelika

Grupa

BČ Oznaka EN stara RN

GO ↑

OP

Co

FO ↑OT 1,25-1,35

C

2-4 V

Otpo

rni

udar

ce

Najl

akša

OOČ

Najma

nje

osjetlji

vi na

TO

Najl

akše

naba

vljiv

Primjena

18 W HS18-0-1 Č6880

HS18-1-2-5 Č6980 blaža GO tok. blanjački i glod..

HS18-1-2-10 Č9682 GO nehlađeno

blanjački i tok.

12 W HS12-1-2 Č6882

HS12-1-4 Č6881 FO i 1000 N/mm2

profilni alat.

HS12-1-2-5 Č6981

HS12-1-4-5 Č9681 FO i 1000 N/mm2 , profilni a

10 W HS10-4-3-10 Č9683 FO superbrzorezni i 1000

N/mm2 , profilni a

W-Mo HS6-5-2 Č7680 žilavi, bolji za GO:

svrdla, razvrt. alat za povlač.

HS6-5-2-5 Č9780 GO udarno opt. (tok. blanj.

glod. svrdla, narezna, i za

obradu drva

Mo HS2-9-1 Č7880 fina glodala i razvrtala,

spiralna i narez. svrdla




70

4.2.6 ALATNI ČELICI MARAGING

%C %Si %Mn %P %S %Ni % Mo %Co %Ti %Al

0,03 0,10 0,10 0,01 0,01 12 18 4 8 8 12 2 0,2

+ B, Ca, Zr, Karakteristike:

• izrazito niski %C,

• Visokolegirani: sustav Fe-Ni-Co + Mo, Ti, Al

ili sustav Fe-Ni-Cr (npr. + Cr)

OSNOVE OČVRSNUĆA:

1. RŽ (Homogenizacija): Hlađenjem (proizvoljnom brzinom) iz A- područja

(830 °C) → Ni-martenzit (ili Ni-Co M) u komu su

otopljeni i ostali Me. NiM:

-BCC kristalne rešetke

-razmjerno niske tvrdoće (oko 300 HV)

-vrlo dobro OOČ

-vrlo dobro obradljiv oblikovanjem

-vrlo dobro zavarljiv

2. STARENJE:

(450 do 600 °C) → precipitiraju IMF:

Ni3Al (-faza), Ni3Ti (-faza), Ni3(Ti,Al), Fe2Mo,

(Fe,Co)2Mo, (Lavesove faze) ...,

a u čelicima s Cr još i:

FeCr (-faza), (Fe,Co)15Cr8Mo10 (R-faza),

(Fe,Co)34Cr12Mo4 (-faza) itd. Realni dijagram stanja Fe-Ni /4/

Karakteristike IMF :

• vrlo sitne - veličine 0,5 do 2 μm

• oko 8 % udjela

• jednolično raspoređene (s visokim stupnjem disperznosti) po masi (jednoličnije nego

karbidi) → DUKTILNOST!

• vrlo su učinkovite zapreke gibanju dislokacija

↑ Rm, Re i HRC (50 – 57 HRC) → (nerezaći alat!)

Svojstva = f (vrste, parametri starenja,...)




71

KARAKTERISTIKE alatnih čelika MARAGING (svojstva):

- prokaljivi u najvećim dimenzijama

- visoka žilavost pri maksimalnoj čvrstoći

- OP (slika)

- koeficijent dilatacije sličan čeliku (11x 10-6 K-1) i jednak E (210 x103 N/mm2)

- dobra zavarljivost (važno pri npr. reparaturi,provodi se MIG, TIG ili REL metodama preporuča

se u M (neostarenom) stanju

- visoka otpornost na TU

- niski sadržaj ugljika ne treba zaštita pri toplinskoj obradbi (RŽ, S)

- dobra obradljivost OČ nakon gašenja (prije starenja) što omogućava praktički

“bezdeformacijsku” toplinsku obradbu

- jednostavna i “neproblematična” TO (dovoljno je sporo ohlađivanje s temperature

homogenizacije za postizanje NiM, nema rizika deformacija i opasnosti puknuća zbog

toplinskih naprezanja)

- dobra oblikovljivost – Hladno oblikovanje deformiranjem – npr. kod alata za hladno

utiskivanje matrica (kalupi za polimere i tlačni lijev silumina). Najbolje u austenitnom stanju (pri

oko 800 °C ili pri temp. 300 °C), u M-stanju je sklon očvrsnuću nije preporučljivo iako se može.

- visoka cijena (višestruko su skuplji, oko 3 do 5 puta, od visokolegiranih alatnih čelika

- razmjerno niska OT (nitriranje)

Svojstva: OP

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura ispitivanja / C

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

Gra

nic

a r

azv

lace

nja

, N

/mm

2

X2NiCoMoTi 12 8 8

C4751 (X38CrMoV 51)

X2NiCoMoTi 18 12 4

X3NiCoMo 18 9 5

X3NiCoMo 18 8 5

Ovisnost granice razvlačenja nekih alatnih čelika MARAGING i čelika

X38CrMoV5-1 (Č4751) o temperaturi ispitivanja




72

Utjecaj temp. starenja na promjene dimenzija

Utjecaj temp. starenja na promjene dimenzija

„bezdeformacijska TO”

TOPLINSKA OBRADA: vrlo jednostavna

Od ostalih postupaka TO (u cilju povišenja OT) dolazi u obzir:

- NITRIRANJE ( do 500 °C - posebno ionsko– zbog jakog omekšanja!)

- PVD




73

0 0.2 0.40.1 0.3 0.50

100

200

300

400

500

600

700

800

Mikrostruktura i raspored tvrdoće po poprečnom presjeku ionski nitriranog pri 500 °C/72 h

čelika MARAGING 14 10 5

Oznaka čelika Sastav ostalo Primjena

X3NiCoMo 18 8 5

0,2 Al,

0,4 Ti,

<0,003 B,

<0,02 Zr

R 425 C

- kalupi za preradu polimera (ako vrlo precizne dimenzije)

- kalupi za TL; Zn legura ( trajnost prema uobičajenim kalupnim

čelicima) silumina (do r = 450 °C). otpornost prema agresivnom

djelovanju Si u legurama silumina prema X38CrMoV51 ili

X40CrMoV51

- žigovi za ekstrudiranje Pb kabela

- alati za hladno istiskivanje Al-legura

- matrice i žigovi za hl. kovanje tijela i glave vijaka.

X3NiCoMo 18 9 5

0,2 Al,

0,65 Ti,

+ B,

+ Zr

X2NiCoMoTi 18 12 4 <0,2 Al, 1,8 Ti

X2NiCoMoTi 12 8 8 0,05 Al,

0,5 Ti

-sniženi Ni s 18 na 12 % prema Fe-Ni : A1s i A1f, Ms i Mf, zato A tek

pri posljedica viša OP, Viša H i S

-rastvorno žarenje pri nešto višoj temperaturi: 900 °C

-s biti će više - oko 600 °C

R 600 C, npr. kalupa za TL silumina

X1CrNiCoMo 9 10 3 2 Mo,

0,8 Ti Cr OK, Rm, Re (manje učinkoviti IMF, manja gustoća dislokacija).

Povišena korozijska postojanost .npr. npr. kalupe za preradu kemijski

agresivnih polimera, dimenzijski postojan pri TO, viša radna do 400

°C

X1CrNiCoMo 13 8 5 2 Mo,

0,8 Ti

X2CrNiCoMo 12 8 5

2 Mo,

1,1 Ti

+ B, + Zr

VRSTE MARAGING ALATNIH ČELIKA za rad do oko 400 °C “HLADNI RAD”

za rad do oko 600 °C “TOPLI RAD”

povišena OK




74

Čelik X40CrMoV53 Čelik X3NiCoMo18 9 5

Trošak materijala, Eur 1610 7705

Trošak obradbe, Eur 4909 5060

Ukupno, Eur 6519 12705

Ukupno izrađeno komada 35000 100000

Udjel troška alata u cijeni proizvoda,

Eur/kom.

0,186 0,127

Pojava prve pukotine (ciklusi) 1000 87000

Usporedba udjela troška kalupa u cijeni odljevka od silumina (prema podatcima tvornici VW-Hanover)

za dva različita materijala kalupa (T = 640 °C; radne plohe = 430 °C; brzina strujanja 75 m/s)

4.2.6 KOROZIJSKI POSTOJANI PRECIPITACIJSKI OČVRSTIVI ČELICI PH

(engl. PH: Precipitation Hardenable, Precipitation Hardned)

17-4 PH X5CrNiCuNb 17 4 (martenzitni!) (14-5 PH)

%C %Si %Mn %Cr %Ni % Cu %Nb %Ta %Al

0,07 0,10 0,10 14….17 4…6 4 0,4 + +

Ohlađivanje (ulje, zrak) s rž = 1040 °C M niskouglj. (supstituiran Cr, Ni, Cu, Nb),

mali stupanj tetragonal, tvrdoće 310 HV (dobra OOČ) +

+ starenje (dozrijevanje) pri 450 …600 °C (precipitiraju precipitati Cu, Ni, Nb ) (HV =

450)

Svojstva i primjena:

Nešto niža tvrdoća (HV = 450) , prednost u pogledu OK (npr. prerada

korozijski agresivnih polimera, npr. PVC, Acetobutirata)




75

AlZnMgCu 1,5, (5,5 Zn, 2,5 Mg, 1,5Cu )

(AlCuMg; .AlSiMg )

Karakteristike:

- tvrdoća H + D(160 – 170 HB) Al +Cu, Mg, Zn, Si, Mn

- jednolična tvrdoća po presjeku (“prokaljenost”)

- odlična OOČ (poliranje!) i EDM – ↓vrijeme izrade, niža cijena alata!, OD

- mala masa (1 do 3 x manja prema čeliku)

- visoka toplinska vodljivost = 140 W/m2 - cca 3...4x ( smanjuje trajanje ciklusa)

- poboljšana dimenzijska stabilnost

- vrlo mala top. naprezanja, fleksibilnost u procesu

- visoka OK

- reducirana cijena izrade alata

- jednostavna (nepotrebna) TO,

- manja masa (1/3 čelika) – lakša manipulacija, niža potrebna energija

(npr. ALUMEC 89 i 99 )- AlZn6MgCu(Zr):

2,0Cu; 2,5Mg; 6Zn;0,1Zr

5. NEŽELJEZNI ALATNI MATERIJALI

5.1 ALUMINIJSKE LEGURE

Alatna primjena aluminijskih legura

- kalupi za injekcijsko prešanje, umetci, jezgre (npr.kalup za unutarnju opremu automob.

750x400x250 mm, krivuljari od polistirola,...)

- kalupi za puhanje

- kalupi za pjenjenje (za skijaške i planinarske cipele...)

- kalupi za ekspandiranje, veliki kalupi

- kalupi za izradu prototipa

Toplinska obrada aluminijske legure




76

Be bronca (1,5 % do 2,5 % Be + Co i Ni)

CuBe2 i CuCoBe (Berylco 275 C (G-CuBe 2,7))

(Berylco 25 (Moldmax Be-Cu) (1,8 – 2,0 %Be + 0,2 Co + Ni, Fe) i Berylco, 14

(PROTHERM) (0,2-0,6 %Be + 0,3 %Co, 1,4 – 2,2 Ni )

KARAKTERISTIKE:

- visoka livljivost,

- dobra toplinska vodljivost 3 – 4 x (= 110 – 130 W/mK)

- dobra OT, otpornost na zaribavanje

- izvrsna zavarljivost,

- dobra OK- kiseline, lužine, djelovanje CO2,

zagađenu atmosferu,ureu, aminokiseline, (ne na

tetrafluoroetilen!)

- dobra obradljivost OOČ, ) poliranost, livljivost, zavarljivost

- tvrdoća do 42 HRC (homog.: 700°C + dozrijevanje 200-300 °C

5.2 BAKRENE LEGURE

Primjena Be bronce:

- izradu kalupa za manje serije proizvoda

- za kalupe posebno kompliciranog oblika (lijevanjem)

- Kalupi za preradu puhanjem

- kalupi za injekcijsko prešanje, jezgre umetci

- pjenjenje polistirena

Toplinska obrada berilijske bronce




77

5.3 Legure FERRO-TITANIT

Sastav: 45 % vol. TiC + 55 % vo.l čelične osnove

(M, MNi, A)

Proizvodi se PM

Svojstva: kaljenjem i popuštanjem, starenjem,

varirati se mogu!

Isporuka : diskovi , valjci, šipke (okrugle ili

pravokutnog presjeka), prsteni,...

(«sinterirani čelici») čine prijelaz čelika na

neželjezne legure («kaljivi TM»), Cermet

% Kaljivi

Oznake FERRO-TITANIT (trgovačke)

C- Spezial WFN S GU 30

C 0,6 0,75 0,5 3,55

Cr 3,0 14,0 20 -

Mo 3,0 3,0 2,0 -

Cu 1,5 0,8 - 1,0

V - 0,5 - -

Ni - 0,4 0,25 1,0

Si - - - 2,2

TiC 33 33 32 30...33

ost. Fe Fe Fe Fe

TO K + P

HR

C

70...68 67...70 69...67 60...65

Rmtl,

N/mm2

3700 3700 3700 3000

Stru

ktur

Mp +K + G

Pri

mje

na

- štance

- matrice za profilna izvl.

- kalupi za obl. lima (do

200 °C)

- štance

- dijelovi a. koji se troše

- kalupi za hladno i toplo obl. (

690 °C)

- djelovi a. trošenju

i koroziji

- mjerni alati

- kalupi za oblik. i izvl.

transform. limova

- bušaće šipke, titranje

u radu

Pregled skupine alatnih materijala FERROTITANIT




78

% Precipitacijski očvrstivi

-NIKRO 143 (maraging) U -CROMONI

C

Cr - 18 20,0

Mo 6,0 2,0 15,5

Co 9,0 - -

Cu 0,5 0,8 -

Ni 15,0 ost ost.

Si

TiC 30 28 22

ost. Fe Ni Ni

Al - 1,0 -

Ti 0,2 2,0 -

Nb - 0,5 0,5

B 0,02 - -

TO RŽ + S

HRC 60...64 54...56 52...54

Rmtl, N/mm2 3500 2300 1500

Struktura MNi + precip. A + precip. A + precip.

Primjena - kalupi za hladno i toplo obl. (do 500°C)

- Ž i M kalupa za pol.

- noževi za gran. pol.

- mlaznice

- OK za M i Ž za preradu

duromera i plastomera,

- mjerni a. kalibri

- tlačne rolice (nemagnetič.)

Kao UNI samo još postojaniji

na K u morskoj atmosferi i

vodi

Toplinska obrada legura

FERRO-TITANIT

ugljičnog martenzita

nikl martenzita i austenita




79

Karakteristike legura FERRO-TITANIT:

- Zakaljivanjem ili starenjem (precipitacijskim očvrsnućem) postižu tvrdoću i do 72

HRC – visoka otpornost na AB

- Visoka korozijska postojanost (nekih)

- Visoka žilavost

- Odlična obradivost OOČ (u stanju isporuke MŽ ili H (RŽ) 38...42 HRC)

- Mogućnost dobivanja vrlo glatke površine kalupa

- Otpornost na popuštanje

- Mala deformacija prilikom toplinske obrade

Trnovi za kalibraciju

5.4 TVRDI METALI (Carbide, Cemented Carbide, Hartmetall)

(Neoksidna keramika, kompozit )

sastav: 4... 15 % Co + WC, (TiC, TaC)

Brzina tokarenja čelika čvrstoće oko

1000 N/mm2 uz trajnost alata od 2 do 4 sata




80

Svojstva:

- izražena metalna svojstva

(električna i toplinska vodljivost)

- visoko talište

- visoka HV i OT

- visoki E

- visoka Rmtl i na ↑ T°C

-dobra postojanost na temp.

promjene

- OK

- samo se brušenjem obrađuje

Nastojanja u izradi alata , obzirom na načine proizvodnje, svojstva itd...

Lijevani alati, precizni (točni) lijev.

Utjecajni čimbenici na svojstva tvrdog metala




81

Komponente i svojstva tvrdih metala

Skupina

prema

prikladno

sti za

obradu

Raste u

smjeru

strelice

Sastav, %

Tvrdoća

HV30 Primjena

WC TiC+TaC

NbC Co

P02

P10

P20

P30

P40

33

55

76

82

74

59

36

14

8

12

8

9

10

10

14

1650

1600

1500

1450

1350

Visoka toplinska i oksid. postojanost,

Za obradu materijala s dugačkom

česticom:

Č, ČL, TL,

M10

M20

M40

84

82

79

10

10

6

6

8

15

1700

1550

1350

Visoka OT T, Prijelaz P i K, univerzalni

(višenamjenski):

Č, austenitni Č, Č. za automate, Mn –tvrdi

čelik..

K03

K10

K20

K30

K40

92

92

92

93

88

4

2

2

-

-

4

6

6

7

12

1800

1650

1550

1400

1300

Slabije toplinski postojan

Za obradu materijala s kratkom česticom:

Fe – ljevovi, neželjezni metali, drvo,

polimeri, superlegure, kamen...

- Kalupi za oblikovanje metala i nemetala

(ne udarno!)

Otp

orn

ost

na t

rošenje

►

Tvrd

oća,

brz

ina r

ezanja

►

◄◄

posm

ak, žila

vost

E = 430 000 – 630 000 N/mm2

Rmtl = 4000 – 6200 N/mm2

Rms = 800 – 2200 N/mm2

Gustoća: 6,0 – 15,0 kg/m3

OT = 1100 – 1200 °C

F

UF

Prevlake (CVD, PVD)

5.5 CERMET

(ceramic – metal) TiC i TiN (CN) + Ni-Co-Mo




82

Karakteristike CERMET-a

- niža gustoća

- visoka HV

- povišena otpornost na ↑ T °C (HV i Rm) pri ↑ T °C

- visoka OT pri↑ T °C

- viša otp. oksidaciji i OK (kemijska postojanost)

- manja sklonost difuziji i adheziji

- visoka čvrstoća i OT AB i manja sklonost lijepljenju

- moguća viša brzina rezanja

- uporaba za visokobrzinsko rezanje ravnanje, fino t.

- fina kvaliteta površine – zamjena za brušenje

- zaštita površine od trošenja primjenom CVD, PVD prevlaka

5.6 KERAMIČKI MATERIJALI (Rezna keramika)




83

Nemetalni anorganski čvrsti materijali: Kemijska veza između

metala i grupe nemetalnih elemenata IIIA do VIIA

Oksidna keramika: (spojevi s O; Al2O3, Al2O3+ZrO2-

bolja KU, otporn. na lom)

Neoksidna keramika: ( K, B, N, Si), npr. Si3N4, SIALON

ionska i kovalentna veza

Mješana keramika (Al2O3 +TiC,...)

-Visoka HV

- visoka OK

- visoka Rmtl

- visoka Ttalj

- mala gustoća

- visoka OT

5. 7. VISOKOTVRDI NEMETALNI REZNI MATERIJALI

Polikristalni dijamant (PCD)

- OOČ Fe, čeličnih materijala D nije moguća zbog afiniteta Fe prema C.

U kontaktnoj zoni (visoka temp.) pretvara u G i reagira sa Fe zatupljuje D alat;

- primjena:

- za OOČ lakih-,teških-, plemenitih metala, polimera i grafita, predsinteriranih TM

(fina i gruba obrada),

- Al legure sa Si (tvrdi i meku dijelovi)

•Kubični bor nitrid BN (CBN)

- Alati s definiranom geometrijom OOČ:

- otvrdnutog čelika (> 45 HRC)

- visokočvrste i temperaturno otporne legure na bazi Ni-Co (TM i D teško, nikako)

- plamenom naštrcani slojevi ili navareni slojevi WC ili Cr-Ni-udjeli

- čelici niže tvrdoće (veliki broj obradaka u duljem vremenskom periodu kad treba

osigurati jednolični učinak, kvalitetu s visokom kakvoćom površine i minimalnim

odstupanjem mjera




LITERATURA

[1] M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: "Alatni materijali", Strojarski fakultet u Slavonskom

Brodu, Sveučilište J. J. Strossmayera u Osijeku, Slavonski Brod, 1996

[2] G. A. Roberts, J. C. Hamaker, A.R. Johnson: "Tool Steels", 3rd ed., ASM, Metals Park, Ohio,

USA, 1961

[3] P. Pavlović: "Materijal čelik", SKTH/Kemija u industriji, Zagreb, 1990

[4] M. Gojić: "Metalurgija čelika", 2. izdanje, Metalurški fakultet, Sveučilište u Zagrebu, Sisak,

2006

[5] G. T. Smith: "Cutting tool technology - Industrial handbook", Springer-Verlag, London, 2008

[6] B. Rebec: "Rezni alati", Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, Zagreb,

1990

[7] Š. Šavar: "Obrada odvajanjem čestica", sv.1, Školska knjiga, Zagreb, 1990

[8] S. Margić, B. Rebec: "Štance I dio", Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu,

Zagreb, 1990

[9] V Ivušić: "Tribologija", Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveučilište u Zagrebu, 2002

[10] M. Franz: "Mehanička svojstva materijala", Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u

Zagrebu, 1998

[11] V. Leskovšek: "Optimiranje postupka toplinske obrade brzoreznih čelika u vakuumu",

Doktorski rad, Fakultet strojarstva i brodogradnje, Sveučilište u Zagrebu, 1999

[12] ... "", ASM Handbook, Vol. 18, ASM International, Metals Park, OH, USA

[13] T. Filetin, I. Kramer: "Tehnička keramika", FSB, Sveučilište u Zagrebu, 2005, prijevod njem.

izdanja: "Verband der Keramischen Industrie e.V. Brevier Techniche Keramik", Fahner

Verlag, Lauf, 2003

[14] M. Degner, et. all: "Steel Manual", Steel Institute VDEh; Verlag Stahleisen GmbH;

Düsseldorf, 2007

[15] G. E. Totten (ed): Steel Heat Treatment Metallurgy and Technologies, CRC Press, Taylor &

Francis Group, Boca Raton, 2007

[16] M. Stupnišek, F. Cajner: Osnove toplinske obrade metala, FSB, 1996

[17] D. Krumes: Toplinska obrada, Sveučilište Josipa Juraja Strossmayera u Osijeku, Strojarski

fakultet, Slavonski Brod, 2000

18 T. Filetin, K. Grilec (ur.): "Postupci modificiranja i prevlačenja površina", HDMT, Zagreb,

2004

[19] http://www.bohler-uddeholm.hr/

[20] http://www.worldsteel.org

http://www.bohler-uddeholm.hr/

http://www.worldsteel.org/

Posebni metalni materijali

Documents

Transcript of Posebni metalni materijali