Download - 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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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,….
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
9
b) Alat za savijanje
Kružno savijanje u valjcima Profilno kutno savijanje u štanci
c) Alati za ekstruziju (isprešavanje)
Shema ekstrudiranja u hladnom stanju
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
15
Kompletna lista zahtijevanih svojstva od alatnog materijala za kokile i kalupe za tlačni lijev
Izdržljivost (broj lijevanja) dijelova alata za tlačni lijev legura
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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 !
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
23
Svojstva alatnog čelika X38 CrMo 5 1 mjerena pri povišenim radnim temperaturama
3.2.4 Kaljivost (zakaljivost i prokaljivost)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
24
3.2.5 Dimenzijska stabilnost u radu
3.2.6 Veličina austenitnog zrna
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
26
Kemijski sastav čelika s minimalnim deformacijama nakon toplinske obrade
3.3 Proizvodni zahtjevi (poredak prema prioritetu)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
27
3.3.1 Cijena
3.3.2 Obradljivost elektroerozijom
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
28
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
32
4.1.3 Proizvodnja alatnih čelika postupcima sekundarne i kontrolirane metalurgije
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
33
4.1.4 Proizvodnja alatnih čelika metalurgijom praha
Usporedba veličine čestica čelika
dobivenog klasičnom
metalurgijom i metalurgijom praha
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
34
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
37
Sastav:
a – niska (760...820 °C)
(M0,9 %C)
Gašenje: voda, (ulje)
Struktura gašenja:
rub: M + K” + Az
prijelazna zona
Jezgra
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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…
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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.
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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.
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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.)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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!!!
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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.
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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.
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
67
Mikrostruktura i neka svojstva brzoreznih čelika dobivenih klasičnom metalurgijom i metalurgijom praha [16]
Mikrostruktura i neka svojstva brzoreznih čelika dobivenih klasičnom metalurgijom i metalurgijom praha [16]
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
68
Mikrostruktura i neka svojstva brzoreznih čelika dobivenih klasičnom metalurgijom i metalurgijom praha [16]
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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,...)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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)
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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
Sveucilište u ZagrebuFakultet strojarstva i brodogradnje Zavod za materijale
Prediplomski studij Inženjerstvo materijalaPosebni metalni materijali
D. Landek (podloge za predavanja)
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