HODNOCENÍ KVALITY TEPELNÉHO ZPRACOVÁNÍ NÁSTROJOVÝCH OCELÍ Antonín Kříž, Miloslav Kesl Přednáška je k dispozici na www.ateam.zcu.cz
Tento příspěvek vznikl na základě spolupráce s firmou ŠKO–TOOLS Group s.r.o., a řešením projektu výzkumného záměru MSM 232100006
V období 2000-2007 zmetky za 11.000.000,- Kč Příčiny: nevhodný materiál špatné tepelné zpracování
1/25
Zajistit požadovanou kvalitu nástroje je z hlediska množství vstupujících faktorů velmi nelehký úkol připomínající v současných podmínkách subdodavatelů a požadavků zákazníků ruletu.
Buď to vyjde, nebo se TO zkusí znovu. 2/25
2. P Ř E D N Á Š K A
3/25
Kvalita nástroje - volba polotovaru Původně byly využívány především uhlíkové oceli, které byly nahrazeny slitinovými ocelemi. Éra ocelových nástrojů vyvrcholila vývojem rychlořezných ocelí (RO), které patří mezi nejpoužívanější materiály pro výrobu výkonných a vysocevýkonných nástrojů pro strojní obrábění kovů.
Slinutý karbid Cermet Keramika
4/25
Slinuté karbidy
Cermety
Trendy ve volbě polotovaru
Prozentuelle Aufteilung der Schneidstoffe am Weltmarkt Sonstige HSS Ostatní
Keramika Keramik
Slinuté karbidy Cermet
5/25
Volba polotovaru je vždy „usměrněna“ financemi
Klasická HSS ocel 350 Kč/kg
6/25
Prášková HSS ocel 800 Kč/kg
Polotovar – metalurgická čistota, velikost zrna Snaha o co nejnižší náklady nutí dodavatele nástrojových ocelí zrušit proces přetavení popřípadě jiné mimopecní metalurgické operace.
Sulfidický vměstek ve struktuře rychlořezné oceli – bude součástí struktury nástrojových ocelí tak jako karbidy? 7/25
Příčina problému nástrojových ocelí Karbidická nestejnorodost
8/25
Ve struktuře jsou karbidy!
Karbidické vycezeniny
Metalografický vzorek z protahovacího trnu z RO ČSN 19 830 – provozní defekt, u trnu došlo následkem poškození zubů k jeho přetržení
9/25
Karbidické vycezeniny – kalící trhlina
Příčný metalografický výbrus
Metalografický vzorek z protahovacího trnu z RO ČSN 19 830 – provozní defekt
10/25
Podélný metalografický výbrus
Houževnatost je jednou z nejdůležitějších vlastností. Tvrdost umíme, ale jak dosáhnout požadované tvrdosti při dostatečné houževnatosti? U oceli určitého složení se dosáhne zvýšení houževnatosti jemnozrnnou strukturou a minimálním vnitřním pnutím. Nežádoucí je karbidická řádkovitost, která zhoršuje poměr houževnatosti ve směru příčném a podélném.
11/25
Lze se zbavit špatných karbidů? Tváření za tepla nejen rozrušuje křehké karbidické síťoví nacházející se na hranicích zrn, ale zjemňuje i austenitické zrnoa karbidy, čímž mění charakter původní licí struktury. Avšak současně s odstraněním uzavřeného síťoví a zjemňování karbidů probíhá jejich prodlužování ve směru tečení kovu, vedoucí ke karbidické řádkovitosti či pruhovitosti.
Protváření polotovaru je důležitým a nezbytným krokem zajišťující kvalitu. Avšak prodražuje výrobu, zdržuje dodávky. Přesto je nutné zachovat jak prodlužovací, tak i pěchovací procesy.
12/25
Karbidická nestejnorodost zhoršuje nejen houževnatost, ale také může zapříčinit horší dosažení tvaru břitu
13/25
Karbidická nestejnorodost zhoršuje nejen houževnatost, dosažení požadovaného tvaru břitu, ale také může zapříčinit problémy při tepelném zpracování, neboť náledkem odlišného chemického složení nastane změna rozpadových křivek austenitu.
14/25
Lokalita 1
Lokalita 2
Lokalita 3
Mo
30,0
29,2
6,1
V
13,2
9,1
1,5
Cr
5,1
4,3
5,6
Co
1,3
1,8
4,5
W
23,1
30,0
4,7
POSOUZENÍ KARBIDICKÉ NESTEJNORODOSTI U ledeburitických ocelí se dříve hodnotila karbidická nestejnorodost pomocí speciálních etalonových stupnic dle SEP 1615-75. Klasifikace byla prováděna na podélných metalografických výbrusech v naleptaném stavu. Nejvhodnější je provést vyhodnocení výchozího polotovaru ještě před tepelným zpracováním tj. ve stavu žíhaném na měkko. Přesný postup hodnocení, který zahrnoval i způsob odběru vzorku a počet prověřovaných míst, byl součástí příslušných předpisů. V současné době se bohužel tyto předpisy nevyužívají a nejsou proto pro dodavatele polotovaru nikterak závazné.
15/25
Nástrojová ocel 19573 ve stavu žíhaném na měkko
Vliv velikosti zrna na kvalitu nástroje Velmi jemnozrnné oceli obvykle nezaručují uspokojivou řezivost, oceli s hrubým zrnem nejsou dostatečně odolné v podmínkách dynamického namáhání, neboť mají malou vrubovou houževnatost. Čím má ocel hrubší zrno, tím je obvykle také náchylnější ke vzniku kalících trhlin. Pro upřesnění je třeba dodat, že hrubé zrno se na zlepšení řezivosti nepodílí, je pouze známkou vyšší teploty kalení, která řezivost příznivě ovlivňuje tím, že zajišťuje vyšší stupeň nalegování austenitu. Nejjemnější nástrojové oceli mají velikost zrna kolem 10-12 dle standardní normované stupnice dle Snyder-Graffa. Stupeň protváření se projeví na velikosti austenitického zrna. Čím je větší protváření, tím se získá jemnější struktura. Z velikosti zrna lze usuzovat také technologické procesy jimiž materiál prošel během tepelného zpracování a to především teplotu kalení, prodlevu na této teplotě a rychlost ohřevu ke kalení. U rychlořezných ocelí je růst zrna především otázkou rozpouštění karbidů.
16/25
Při posuzování velikosti zrna lze využít jednak snímků ze světelného mikroskopu, ale také z řádkovacího elektronového mirkoskopu v režimu zpětně odražených elektronů. Pro samotné hodnocení lze využít předností softwaru obrazové analýzy LUCIA.
Průměrná hodnota velikosti zrna byla klasifikována stupněm 10
17/25
4 druhy metod určení velikosti zrna Metoda 1 Určení charakteristického čísla velikosti zrna G srovnáním s tabulkou obrazových etalonů struktury. Metoda 2 Určení velikosti zrna jako střední délky úsečky podle lineární metody. Metoda 3 Zjištění počtu zrn protnutých měřenou úsečkou (podle Snydra a Graffa). Metoda 4 Určení charakteristického čísla velikosti zrna G z počtu zrn v kruhu a údaje střední plochy zrna.
18/25
Volba orientace nástroje v polotovaru
Správná orientace
Špatná orientace
Karbidické vyřádkování musí být orientováno podélně k břitu nástroje. Při příčné orientaci dojde při zatížení břitu ke křehkému lomu.
19/25
Tepelné zpracování – kontrola kvality nástroje V případě, že je materiál zakalen a popuštěn je nutné zkontrolovat kvalitu jeho strukturního stavu a vyplývající užitné vlastnosti. Jednou z rychlých možností analýz je stanovení tvrdosti. Měření tvrdosti se využívá pro základní kontrolu provedeného tepelného zpracování již přímo v kalírně. Popouštění se provádí na požadovanou tvrdost. Jestliže nástroj dosahuje požadované tvrdosti nemusí být ještě kvalitní. Podstatně přesnější informace o materiálovém stavu poskytuje metalografická analýza.
20/25
Praktický případ Stanovená průměrná tvrdost u protahovacího trnu byla 65,5HRC. Přesto byl nástroj nekvalitní, neboť během krátké doby nastalo jeho poškození.
21/25
Praktický případ - pokračování Metalografická analýza prokázala, že poškození bylo jednoznačně zapříčiněno nedodržením optimálních podmínek tepelného zpracování. Následkem vyšší kalící teploty nastala oxidace hranic austenitických zrn.
Tato vadu již nelze žádným tepelným zpracováním opravit. Struktura je nenávratně poškozena. Jedinou možností je materiál přetavit a zpracovat znovu. 22/25
Způsob opravy nevhodného tepelného zpracování Karbidické vyřádkování nelze jednoduchým tepelným zpracováním ovlivnit. Při velké prodlevě při kalení, kdy by mohlo dojít k rozpuštění karbididické fáze, dojde přednostně ke zhrubnutí zrna a k poškození struktury. Karbidická heterogenita se může projevit také při popouštění (viz 8/24).
23/25
Jestliže byl nástroj kalen z nižší teploty pak nedosahuje požadované tvrdosti. V tomto případě jej lze znovu zakalit. Toto je jediný stav, kdy lze dalším tepelným zpracováním zlepšit materiálové vlastnosti. Při znovuzakalení je třeba zabránit vzniku tzv. naftalínového lomu, jehož podstata spočívá ve výskytu hrubého nerovnoměrného zrna. Aby k tomuto defektu nedošlo je nutné provést mezioperační žíhání na měkko. Nejspolehlivější se jeví izotermické žíhání dle následujícího režimu 840-860°C/4h; 720°C/2hod/ dochlazení v peci. Pak následuje požadované zakalení a popuštění. Zákazník by měl být každopádně informován o této operaci, protože nelze vyloučit možné komplikace při aplikaci nástroje.
24/25
ZÁVĚR Pro dosažení a udržení požadované kvality je vhodné odebírat od stálého a kvalitního dodavatele polotovarů s občasnou kontrolou dodaného stavu a to jak po chemické stránce, velikosti zrna, rozložení karbidických fází a množství případných nečistot (vměstků). Dalším krokem je disponovat kvalitní obsluhu brusek, aby nevhodnou technologií nedošlo ke strukturnímu poškození a v neposlední řadě také kvalitní kalírnu. Při kalení nelze preferovat čas, protože při založení různorodých nástrojů, jak z hlediska velikosti, tvaru, ale i materiálu, do pece může i při správném režimu dojít ke špatnému tepelnému zpracování. Rovněž je třeba věnovat pozornost kvalitě balení nástrojů, protože mnohdy i při této operaci popř. při manipulaci během dopravy dochází k poškození břitů nástrojů. 25/25
