Hartowanie stali szybkotnących prądami indukcyjnymi

Fryderyk Staub, E m il Olewicz

Hartowanie stali szybkotnących prądami indukcyjnymi

H artow aniu in d u k cyjn em u poddano próbki ze sta li szybkotnącej stosu jąc zm ienną tem peraturę i cza_s, przy czym porów nyw ano otrzym an e w y n ik i z h artow aniem w k ą ­ pielach soln ych . Określono ta k ż e średnie tw ard ości oraz d la porów nania — m ikrotw ar- d ości składników stru k tu raln ych . H artow anie in d u k cyjn e w y k a zu je szereg zalet, jak lepszą rozpuszczalność w ęglik ów , w y ższą tw ard ość osnow y, itp ., co w sk azu je na celow ość zastosow ania opisanej m eto d y w przem yśle.

1. W stęp

Z naczn y rozw ój i w zro st p ro d u k cji m aszyn d a tu ją c y się_od o sta tn ic h kilkudziesięciu lat- p o staw ił w y m ag an ia w k ie ru n k u zw iększenia w y d a j­

ności o b rab ia re k do m eta li oraz stosow ania now ych stopów n arzęd zio w y ch . W zw iązku z ty m w yłoniło się zagad nien ie w y p ro d u k o w an ia n a drodze em pirycznej tak ie j stali narzędziow ej, k tó ra m ogłaby ob rab iać m etale z w iększym i szybkościam i skratya-nia oraz — co się z ty m łączy — a b y sam o n arzędzie zachow yw ało swe d o d a tn ie cechy bez zm ian pod w pływ em n agrzew an ia się w czasie p ra c y .

P ró b y w ynalezienia tak ie j stali narzędziow ej b y ły w ielokrotnie p o ­ dejm ow ane, lecz początkow o nie d a ły zad o w alających w ynikótv. Z końcem ubiegłego w ieku np. prób o w an o stosow ać s ta l o n a stę p u ją c y m składzie chem icznym : 2,15% C, 1,04% Si, 1,58% M n, 0,40% Cr i 5 ,5 4 % W [2].

W łasności tej stali o kazały się jed n a k nie w y starczające, to te ż po k ró tk im okresie z a p rzestan o dalszych pró b .

D opiero w 1906 r. T ay lo r i W h ite [1 | u stalili sk ład chem iczny stali narzędziow ej w olfram ow o-chrom ow ej o zaw arto ści 0 ,6 8 % O, 0 ,1 5 % Mn, 0,15% Si, 18,0% W i 5 ,0 % Cr, k tó ra p ra w ie nie uległa zm ianie w p rz e ­ ciągu 50 la t. S ta l t a dzięki swoim .w łasnościom z o sta ła nazw an a stalą szybkotnącą. O kazało się bow iem , że zachow uje ona swoje w y bo ­ rowe w łasności sk raw ające n a w e t p rzy n a g rz a n iu się do te m p e ra tu ry 550—600° C dzięki h a rto w a n iu z b ard zo w ysokiej te m p e ra tu ry zbliżonej praw ie do te m p e ra tu ry to p n ie n ia sta li [2]. P o d a n y przez T ay lo ra sposób obróbki cieplnej b ył n a jb a rd zie j w łaściw y, poniew aż s ta l t a po za- hartoAvaniu z te m p e ra tu ry n iższej, aczkolw iek pow yżej Ac3, rów nież staw ała się tw a rd a , lecz nie w y k azyw ała ta k doskonałych w łasności skraw ających.

20 F ryd eryk Stau b, E m il Olewicz

S ta l sz y b k o tn ąca dzięki sw ym własnościom sk raw ający m uzyskała w k ró tce u z n a n ie i szerokie zastosow anie. J e j w yjątk o w e w łasności, struk tu r a i k in e ty k a p rzem ian w czasie o b róbki cieplnej sta ły się przedm iotem b a d a ń i dociekań lab o ra to ry jn y c h , co rów nież łączy się w y d a tn ie z ro z ­ w ojem m etalozn aw stw a i tech n ik i obróbki cieplnej. W o sta tn ic h latach głów ny w ysiłek zm ierza w k ieru n k u w prow adzenia dalszych dodatków stopow ych dla osiągnięcia możliwie n ajw yższych własności stali szy b k o ­ tn ącej oraz zastąp ien ia drogiego i tru d n o dostępnego w olfram u innym i składnikam i. Mimo to zasadniczy skład chem iczny stali szybkotnącej nie uległ dużej zm ianie, ja k to w ykazuje tab lic a 1, ilu stru ją c a u sta la n ie się zaw artości składników stopow ych [3] w stali szybkotnącej od r. 1861.

T a b l i c a I Zmiana składu chemicznego gatunków stali szybkotnącej od 1861 r.

S ta l opracow ana przez

y Stal Składnik

M usheta M usheta T aylora T aylora obecna

1861 r. 1894 r. i W h ite ’a i W liite ’a SW 18 1898 r. 1906 r.

°/oC o 1

2,40 1,85 0,68 0,75

7o Mn 1 , 7 - 2 ,5 1,90 0,3 0,15 0,3

7» Si 0 , 7 - 1 , 6 0,71 0,15 0.15 0,3

7 « W . 5 , 0 - 8 , 0 5,62 8,0 18,0 18,0

7o Cr ^— 0.49 3,8 5,0 4,5

7o Mo ^{— — — —} 0,7

7 . V - — - - 1,0

\

Niemniej szą uw agę zwrócono również n a technologię obróbki cieplnej sta li szy b k o tn ącej, b a d a ją c głównie w pływ h a rto w a n ia z różnej te m p e ­ r a tu r y n a trw ałość o strz a skraw ającego, p rz y w prow adzeniu now ych składników , a n astęp n ie sposobu oziębiania, o dp uszczania itp . D la d a l­

szego zw iększenia trw ałości n arzędzia zastosow ano obróbkę cieplno - chem iczną, p o d d a ją c narzędzia cy jano w aniu w niskiej tem p e ra tu rz e w kąpielach solnych i w ośrodkach gazow ych. O sta tn io zaczęto stosow ać h arto w an ie stali szybkotnącej p rąd a m i in d u k cy jn y m i wielkiej c z ęsto tli­

wości. Ten w łaśnie proces je st p rzed m iotem niniejszego a rty k u łu , p o ­ dającego w streszczeniu w yniki p rac y dyplom ow ej [4] w yko nanej p rzy K a te d rz e M etaloznaw stw a P o litech n ik i Śląskiej.

2. Rodzaje i krótka charakterystyka stali szybkotnącej

W w yniku d ługoletnich b a d a ń n a d w łasnościam i stali w zależności, o d ich składu chem icznego u sta liły się n a stę p u jąc e g a tu n k i stali szy b­

k o tn ącej :

H artow an ie Mali szybkotnących p rą d a m i in d u k cyjn ym i 21 a) s ta l szy b k o tn ą c a n o rm a ln a (w olfram ow a),

b) s ta l szy b k o tn ą c a sp ecjaln a (k o b alto w a i w anadow a), c) s ta l szy b k o tn ą c a niskostopow a (zastępcza).

W ta b lic y 2 zestaw iono ceeby oraz sk ład chem iczny najczęściej u ż y ­ w any ch g a tu n k ó w sta li szy b k o tn ącej po chodzenia krajow ego i z a g ra ­ nicznego [4],

T a b l i c a 2 Skład chemiczny najczęściej używanych gatunków stali szybkotnącej

pochodzenia krajowego i zagranicznego

Oznaczenia S k ł a d c h e m i c z n y

U w agi

stali ,1/0 c / 7 . W °/o Mo 7o V ó/o Cr °/o Co '

S W 18 0,68—0,78 16,5—19 0 ,4 -0 ,8 1 ,0 -1 ,4 4 - 5 —

stale SW 9

SK 10

0 ,7 8 -0 ,8 8 0 ,7 0 -0 ,8 0

8 , 0 - 9,5

1 6 ,5 -1 9 0,4—0,8

1 ,8 -2 ,2 1 ,2 -1 ,6

3,8—4,5

4 - 5 9 ,0 -1 0 ,0 krajo­

SK 5 0 .7 0 -0 ,8 0 16,5—19 0,4—0,8 1 ,2 -1 ,6 4—5 4 , 5 - 5,0 w e

RF 1 0 ,7 0 -0 ,8 0 1 7 ,5 -1 9 ,0 ■ ' — 1,0—1,4 3 ,8 -4 ,6 —

R 0,6 6 -0 ,7 8 17,-0-18,5 — 0 ,5 -0 ,8 3 ,8 -4 ,5 stale

R 0 0,60—0,75 15 ,0 -1 7 ,5 — 0 ,2 -0 ,6 3,8—4,5 — , radzie­

RF 2 0,7 6 -0 ,8 5 1 1 ,8 -1 2 ,8 — 2 ,3 -2 ,6 4 ,1 -4 ,6 — ckie

RK 10 0 ,6 5 -0 ,7 7 1 7 ,0 -1 8 ,5 0 ,3 -0 .6 1 ,0 -1 ,4 3 ,6 -4 ,5 9 ,5 -1 0 ,5 RK 5 0 ,6 5 -0 ,7 5 17 ,0 -1 8 ,5 0 .3 -0 ,6 1 ,0 -1 ,4 3 .6 -4 ,5 4 , 5 - 5,5

18—4—1 0 .7 0 -0 ,7 5 18 — 1 4 — stal

18—4 - 2 0 ,8 0 -0 ,8 5 18 0,75 2 4 " - — sto so ­

18—4 - 3 0 ,8 5 -1 ,1 18 : — 3 .4 ' — . w ana

18—4 - 4 1 ,2 5 -1 .3 5 14 — 4 4 przed

1 8 - 4 ^ 1 + 4 0 ,7 0 -0 ,7 5 18 0,5 1 4 4 w ojną

1 8 -4 —2 + 7 0 ,7 5 -0 ,8 18 0,75 2 4 7 w Polsce

2 0 - 2 ,5 - 1 ,5 + 1 2 0 ,8 -0 ,8 5 20 1,0 1.5 4,5 12

1 4 - 4 - 2 0 ,7 -0 ,7 5 14 — 2 4 —

1 4 - 4 - 2 + 4 0 ,8 0 -0 ,8 5 14 0,25 2 4 4

m olibdenow e - atolfi

w olfram ow a 0,80—0,85 1,4 9 1 4 —

an glo­

m olibdenow o- saskie

w olfram ow o-

kobaltow a 0 ,8 0 - 0,85 1.4 9 1 4 7 I

m olibdenow a 0,80—0,85 10 1 4 — 1

S t a l s z y b k o t n ą c ą n o r m a l n ą o składzie chem icznym praw ie id e n ­ ty czn y m ze sta lą tay lo ro w sk ą cechuje w ysoka zaw arto ść w olfram u.

S tru k tu ra ln ie należy o n a do gatunków ' stali le d e b u ry ty c z n e j, k tó ra w stan ie odlan y m w y k azu je n a tle ro ztw o ru stałego e n te k ty k ę led e b n ry ty c z n ą , węgliki i p e rlit (p a trz rys. 13). S tru k tu r a je s t n iejed n o ro d n a, co w y n ik a

F ry d e ry k Staub. E m il O lewicz

-m ię d z y in n y m i tak ż e z pow olnego przebiegu d y fu zji podczas stygnięcia.

K ucie stali szy bkotnącej pow oduje rozbicie e u te k ty k i le d e b u ry ty c z n e j, p rzy czym w ęgliki zo sta ją rozdrobnione, s tr u k tu ra zaś przechodzi w perli - ty czn o -so rb ity czn ą z rów nom iernie rozłożonym i w ęglikam i w chodzącym i u przednio w skład le d e b u ry tu (p atrz rys. 5).

S tali szybkotnącej n o rm alnej używ a się głównie do w yrobu narzędzi skraw ających, n o rm alnie obciążonych, dla silnych now oczesnych o b ra b ia ­ rek do obrób ki tw a rd y c h m ateriałów . Ze sta lą n o rm a ln ą o składzie (18-4-1), ja k o ty p o w ą, porów nu je się w łasności w szystkich in ny ch rodzajów stali szy b k o tnącej.

. S t a l s z y b k o t n ą c a s p e c j a l n a zaw iera oprócz składników w y stę ­ p u jąc y c h w n o rm aln ej stali szy bk o tn ącej d o d a te k k o b a ltu w ilości m aksi­

m u m do 10°/o, k tó ry u o d p o rn ia sta l n a przegrzanie i n a d ta p ia n ie przy h a rto w a n iu . P o z a ty m k o b a lt zw iększa w y dajność stali p rzy obróbce skraw aniem od 1 0 0 —400ł / 0 [3]. S ta l tego ro d zaju n a d a je się do obróbki sta li m anganow ych (sta l H ad field a), czego ja k d o tą d ż ad n ą in n ą sta lą nie m ożna było uzyskać. Ma o n a rów nież zastosow anie do w yrobu narzędzi sk raw ających , p rac u jąc y c h z najw yższą szybkością skraw ania.

S t a l s z y b k o t n ą c ą n i s k o s t o p o w ą (zastępczą) cechuje niższa z a ­ w artość w olfram u, k tó ry zastąp idn o częściowo in n y m i d o d a tk a m i, głównie m olibdenem i w anadem w niew ielkich ilościach. W n iek tóry ch gatun kach sta li tego ty p u w olfram całkow icie zastąpio no innym i składnikam i. Stal n iskostopow ą nie po siad a ta k doskonałych w łasności skraw ających jak s ta l n o rm aln a, lecz w wielu p rz y p a d k a c h w łasności jej doró w nu ją stali norm alnej [3]. O bróbka cieplna stali zastępczej je s t je d n a k tru d n iejsza, poniew aż zakres te m p e ra tu ry h a rto w a n ia i odpuszczania je st węższy, a nieznaczne n aw et zm iany w arunków h a rto w a n ia p ow odu ją n a ty c h m ia ­ stow e obniżenie w łasności skraw ający ch n arzęd zia. Mimo to z n a jd u ją te stale szerokie zastosow anie w przem yśle, p rzede w szystkim dlatego, że są znacznie tańsze.

D la om ów ienia różnic, jak ie zachodzą p rzy h a rto w a n iu stali szy bk o­

tn ąc e j nagrzew anej w piecu p rzy stosow aniu prąd ó w ind u k cy jn y ch , p o ­ trz e b n e je s t u p rzed n ie p rzed y sk u to w anie przem ian fazow ych ty c h ro d za ­ jów stali p rz y pow olnym i szybkim stygnięciu. Główny w pływ n a jakość i rodzaj s tr u k tu ry w yw iera w olfram , k tó ry tw o rzy z żelazem roztw ory stałe oraz zw iązki m iędzym etaliczne F e 3W 2 (£), oraz F e 2W (e) — ry s u ­ nek 1 [1]. W sto pach tró jsk ład n ik o w y ch Fe-W -C w y stęp u ją p o n a d to związki m iędzym etaliczne węglików WC i W 2C oraz węgliki złożone.

D alszy składnik, chrom , nie tw o rzy now ych faz w w ieloskładnikow ych sto p ach stali szy b k otn ącej, d latego sto p y te m ożna ro zp a try w a ć jako u k ła d p se u d o b in a rn y (Fe, W , C r)—C. O bjaśn ia to ry su n e k 2 u jm u jący przebieg krzepnięcia oraz tw orzenia się faz w stan ie stały m w zależności

H artow anie Stali szybkotnących p rą d a m i in d u k cyjn ym i 23

o d zaw artości węgla [5]. S to p y o zaw artości do 1,2 °/0O p rz y krzepnięciu w ydzielają k ry sz ta ły fazy d.

W w a ru n k a ch krzepnięcia w lew ka i p rzy n a d to p ie n iu w czasie h a r to ­ w ania w y stę p u je w stru k tu rz e tzw . faza d, k tó ra je s t d y sp e rsy jn y m w ydziela­

niem węglików i p rzy p o m in a w m ikroskopie tro o s ty t. F a z a t a przechodzi p e ry te k ty c z n ą p rzem ian ę z roztw orem p ły n n y m , w k tó re j w yniku p o w staje

*c

3000 2600

2200 1800

1600y

1000

600

10 20 30 40 50 60 708090

L /

/ / 1

//

/ /

1559'

aAL

m o n .152 5*

V

|

--- + T) u ,

910* / 770*

t

i

i !

Fe 10 20 30 40 50 60 70 80 90 V R ys. 1. U k ła d p od w ójn y: F e — W ; e — F e2W ; £ — F e 3W 2; r\ — roztw ór g ran iczn y że­

la za w w olfram ie

1500

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 14 1,6 1,8 % C R ys. 2. U k ład p seu d o b in a m y : (Fe, W , Cr) - C; t] - F e2W 2 C 0 - F e 3 C

faza y ( dJr L = y ) . W te m p e ra tu rz e 1345° po zo stała ilość ro ztw o ru płynnego k rzep nie ja k o e u te k ty k a k ry sz ta łó w y (au ste n it) oraz węglików złożonych ty p u F e 2W 2C, określanych ja k o faza rj. T a k u tw o rzo n a s tr u k tu ra p ie r­

w o tn a sk ład a się z k ry ształó w y o raz e u te k ty k i ty p u le d e b u ry tu faz y i g.

P rz y d alszym chłodzeniu z rozw oru y (a u ste n it stopow y) — zależnie od zaw artości w ęgla — w ydziela się faza 6 (linia g — fc) albo c e m e n ty t F e 3C oznaczony n a w ykresie jak o faza 0 (linia e — k). W te m p e ra tu rz e i p rz y zaw artości 1,1°/0C zachodzi p rze m ia n a e u te k to id a ln a , p rzy k tó rej ro ztw ó r y ro z p a d a się n a faz y a i 0.

W w a ru n k a ch rzeczyw istych stygnięcie sto p u p rzeb iega z prędk ością w iększą niż w y m ag an a d la osiągnięcia s ta n n rów now agi, w w y n ik u czego krzepnięcie e u te k ty k i zaczy n a się p rze d zakończeniem p rze m ia n y pery- te k ty c z n e j. P od o b n ie podczas sty g n ięcia odlew u nie zd ąży w ydzielić się z roztw o ru y faza r\, ja k rów nież nie zo staje żakończona p rzem ian a e u te k to id a ln a . Z atem w przyśpieszonym procesie stygnięcia s tru k tu ra sta li lanej sk ład a się z w ydzieleń pierw o tnej faz y d (na ry s. 13 pole ciem ne), faz y i a oraz e u te k ty k i led eb u ry ty czn ej y + rj. P rz y ogrzew aniu do te m p e ­ r a tu r y k u cia n a s tę p u je częściowe rozpuszczenie węglików , zaś po p rz e ­ k u ciu stali szyb ko tn ącej s tr u k tu ra kom órkow o-siatkow a zo staje ro z d ro b ­ nion a i p rz y d alszym pow olnym chłodzeniu zachodzi w ydzielenie węglików

F ryderyk S taub, E m il O'lewivz

w tó rn y ch r/ oraz p rze m ia n a eu te k to id a ln a, a obraz s tru k tu ra ln y po zm ięk­

czeniu p rzed staw ia w osnowie drobnego p e rlitu rów nom iernie rozm iesz­

czone węgliki pierw otne i w tó rn e fazy rj (p atrz rys. 5).

3. Obróbka cieplna stali szybkotnących

H arto w a n ie w pierw szym swoim stad iu m , a więc p rz y nagrzew aniu, w prow adza w szystkie p rzem ian y w k ieru n k u o dw rotnym . N agrzanie stali szybkotn ącej do te m p e ra tu ry nieco wyższej od ACl (80 0—830°C) p o ­ w oduje p o w stanie a u ste n itu i fazy <5, lecz w tej te m p e ra tu rz e ilość ro z ­ puszczonych składników stopow ych je s t niew ielka, poniew aż znaczna ich część je s t z a w a rta w w ęglikach, k tó re u leg a ją rozpuszczeniu dopiero w te m ­ p e ra tu rz e w yższej. P o n a d to dla stali o zaw artości 0 ,6 — 0,7J/ oC faza d zan ik a ze w zrostem te m p e ra tu ry od 9 0 0 —950 ;C. W łasności sta li szy b ko­

tn ącej po z a h arto w a n iu są zależne od ilości rozpuszczonych w austenicie składników stopow ych — głównie w olfram u zaw artego w w ęglikach. W ę­

gliki te , bardzo trw ałe, u leg a ją rozpuszczeniu w austen icie dopiero w te m ­ p e ra tu rz e p o n a d 1 1 0 0 ’C i w yższej. D latego p rzy h a rto w a n iu nagrzew a się te stale praw ie do te m p e ra tu ry topliw ości. P odkreślić jed n a k trzeb a, że ilościowo rozpuszczeniu u leg ają ty lk o w ęgliki w tó rn e, w ydzielające się z fazy stałej, n a to m ia st w ęgliki p ierw o tne, w ykrystalizow an e z ro z ­ tw oru płynnego oraz z a w arte w eu te k ty ce , n aw et p rzy nag rzan iu stali do te m p e ra tu ry topliw ości, rozpuszczeniu nie ulegają.

R ozw ażania te p ro w adzą do w niosku, że jakość n arzęd zia je st zależna od ilości rozpuszczonych węglików, z atem m etody polepszające spo­

soby h a rto w a n ia stali szybkotnącej p ow inny zdążać w k ieru n k u zwięk­

szenia zaw artości węgla i składników stopow ych w roztw orze stały m . J e d n ą z m etod, k tó ra przy' h a rto w a n iu sta li szybkotn ącej, w łaśnie ze w zględu n a c h a ra k te r zachodzących zjaw isk m oże okazać się bardzo p rz y d a tn ą , je s t nagrzew anie p rą d a m i in d u k cy jn y m i wielkiej częstotli­

wości. C h a ra k te r tego sposobu n agrzew ania m ieszanin faz je s t zupełnie odm ienny aniżeli p rzy nagrzew aniu ciepłem zew nętrznym . W ty m drugim p rz y p a d k u k a ż d y składn ik s tru k tu ra ln y o trz y m u je n a jed n o stk ę objętości p rak ty czn ie jed n ak o w ą ilość ciepła w jednostce czasu, czyli nagrzew anie różn ych faz odbyw a z jed n o stk o w ą p rędk ością i w każdej chwili p o ­ szczególne fazy m a ją tę sam ą te m p e ra tu rę . W ty c h w aru n k a c h rozp u sz­

czanie się węglików7 w7 au stenicie je s t uzależnione od jego te m p e ra ru ry , p rzy czym w zrost te m p e ra tu ry dla przyśpieszenia ro ztw a rz an ia się węgli­

ków stw arza niebezpieczeństw a ro zro stu ziarn a u ste n itu i zw iązanej z ty m kruchości narzęd zia po zah arto w an iu .

N agrzew anie p rąd e m in d u k cy jn y m przez zam ianę energii elektrycznej n a cieplną w ew nątrz p rzed m io tu p osiad a in n y c h a ra k te r. Jeżeli sta l m a s tru k tu rę jed n o ro d n ą, to gęstość p rą d u w k ażdym dow olnym m iejscu

H artow anie sta li szybkotnących p rą d a m i in d u k cyjn ym i 25

przekro ju p rzew o dnika je s t t a sam a. S chem atycznie przedstaw ia, to r y ­ sunek 3 — p rzek ró j - I —I- N atom iast, w p rz y p a d k u s tr u k tu ry n ie je d n o ­ rodnej, złożonej z m ieszanin y dw óch faz, z k tó ry c h k a ż d a m a in n ą p rz e ­ w odność elek try czn ą, gęstość p rą d u rozłoży się nierów nom iernie, o d p o ­ w iednio do różnicy ich przew odności — p rzekrój I I —I I n a rys. 3 [6].

M ieszanina dw óch faz tw orzy w łaśnie s tru k tu rę sta li szy b k o tn ącej, gdzie w osnowie ferryt.yc.znej lub au sten ity czn ej tk w ią ziarna węglików

j j łt y s . 3. S ch em atyczn y obraz p rzep ływ u prą­

du I — I w p rzew o­

d n iku jedn orod n ym , 7 7 — 7 7 w przew odniku

niej ednorodnym

różnego k s z ta łtu i w ielkości o znacznie wyższej oporności elektrycznej niż osnow a. P rz y przepływ ie p rą d u elektrycznego linie n a tę ż e n ia p rą d u d ążą do „om inięcia“ węglików i, o d ch y lając się w w olne m iejsca pom iędzy nimi, p ow o d u ją w zrost gęstości p rą d u n a g ranicach s ty k u dw óch faz.

R ozkład gęstości p rą d u w osnowie i w okół węglików p rz e d sta w ia sche­

m atyczn ie ry su n e k 4. W yw o łan y ty m efektem m iejscow y znaczny w zrost te m p e ra tu ry sp rz y ja szybszem u rozpuszczaniu się węglików w austen icie oraz przyśpiesza proces d y fu zji uzależn ion y od różnicy k o n c e n trac ji i te m p e ra tu ry . P rzeb ieg ty c h zjaw isk n asu w a w niosek, że nagrzew anie stali szy bk otn ącej p rą d a m i in d u k c y jn y m i m oże b y ć szczególnie k o rzy stn e, poniew aż polepszenie w arun k ó w roztw arzaln ości i d y fu zji węglików oraz przyśpieszenie t y c h . procesów w płynie d o d atn io zarów no n a s tru k tu rę stali, ja k rów nież n a w y n ik ające z niej w łasności stali po zah arto w an iu . P o nad to in n e d o d a tn je cechy nagrzew ania, ja k b ra k odw ęglenia i u tle ­ nienia pow ierzchni p rzed m io tu , m niejsze m ożliw ości p rzeg rzan ia stali oraz m niejsze n ap rę ż e n ia m ogą obniżyć ilość w y b raków do m in im u m i u ł a t ­ wić h a rto w a n ie p rzedm iotów o k s z ta łta c h złożonych, k tó re podczas h a rto w a n ia w piecach n o rm a ln y ch u leg a ją odkształceniom lu b naw et pęknięciom .

4. Próby własne

O pracow anie szczegółowe procesu technologicznego h a rto w a n ia stali szybkotnącej p rą d a m i in d u k cy jn y m i pozwoli n a rozpow szechnienie tej m eto d y w przem yśle i m oże przy czy n ić się do dalszego p o stę p u w dzie-

26 F ry d e ry k S taub, E m il Olewivz

dżinie p ro d u k cji narzędzi. K a te d ra M etaloznaw stw a P olitechniki Śląskiej przeprow adziła w stępne p ró b y h a rto w a n ia stali szybkotnącej p rąd am i in d u k cy jn y m i, p rzy porów nyw aniu w yników z hartow aniem w kąpieli solnej.

Sposób przeprow adzenia prób oraz o trzy m an e w yniki p rzed staw iają się n a stę p u jąc o :

P ró b o m p o d dan o dwra g a tu n k i stali szy b k o tn ącej: norm alnej (SW 18) oraz k obaltow ej (SK 5). P róbki w ykonano w p o staci krążków o średnicy ok. 25 m m i grubości 5 i 10 m m , co p o zostaje wr zw iązku z p o siad an ą a p a ra tu r ą oraz n ajw iększą m ocą urząd zen ia [2]. N agrzew anie próbek przeprow adzano wr elektrodow ym piecu solnym w chlorku b a ru oraz w piecu in d u k cy jn y m wielkiej częstotliw ości w y k onanym we w łasnym zakresie; stosowTano częstotliw ość 500 kH z. P o m ia ru te m p e ra tu ry kąpieli solnej dokonyw ano te rm o p a rą P t-P tK h , n a pow ierzchni zaś p ró b k i w piecu in d u k cy jn y m — p u n k to w y m p y ro m e tre m o pty cznym . Ze w zględu n a szy bk ą zm ianę te m p e ra tu ry pow ierzchni p ró b k i p y ro m e tr uprzednio n a ­ staw ion y n a ż ą d a n ą te m p e ra tu rę kierow ano n a pow ierzchnię boczną p ró b k i, a n a stę p n ie w łączano p rą d do pieca. Z m ian y te m p e ra tu ry próbki obserwowrano przez p y ro m e tr i po odpow iednim w y trzy m a n iu w żądanej te m p e ra tu rz e p ró b k ę opuszczano do kąpieli oziębiającej. T ab lica 3 podaje

T a b l i c a 3 Schemat oznaczenia i obróbki cieplnej próbek ze stali szybkotnącej SW 18 i SK 5

O znaczenie

próbek sta li T em peratura Czas

w ygrzania Ośrodek

chłodzący U w agi SW 18 SK 5 podgrzania

°C

hartow ania

°C

sek.

101 201 i nagrze-

K 2 - 1 0 8 2 0 2 -2 0 8 850 1290 2 0 -8 0 olej > w ane

, 1 0 9 -1 1 0 2 0 9 -2 1 0 850 1300 3 - 1 0 (m inut)

olej i w piecu

1 1 1-120 2 1 1 -2 2 0 — 1300 1 0 -1 0 0 olej nagrzew ane

indukcyjnie

w zestaw ieniu oznaczenie p ró b ek oraz ich p a ra m e try obróbki cieplnej.

Ilość prób ek każdego g a tu n k u stali d obrano ta k , ab y m ożna było p rz e ­ p row adzić h a rto w a n ie p rz y ró żn y m czasie w ygrzania. Po zah arto w an iu pró b ek Ayykonano b a d a n ia m etalograficzne stali zah artow an ej oraz w y ­ znaczono m ikrotw ardo ść składników stru k tu ra ln y c h . Z głady do bad ań przygotow yw ano m eto d ą elek tro lity czn ą, a pom iarów m ikrotw ardości d o ­ ko nano m ikrosklerom etrem G iischiga. Do b a d a ń u ż y to stali p rzekutej i zm iękczonej o s tru k tu rz e perlity czn o-sorb itycznej z w ęglikam i pier-

H artow anie sta li szybkotnących p rą d a m i in d u k cyjn ym i 27 w olnym i i w tórnym i różnej w ielkości [(rys. 5). S tru k tu r a ta ja k o w yjściow a pozw ala n a porów nyw anie ze s tr u k tu rą po zah arto w a n iu . P ró b k i ozna­

czone 102—103 i 2 0 2 —208 oraz 1 0 9 —110 i 2 0 9 —210 nagrzew ano w kąpieli solnej, p ró b k i zaś 1 1 1 —12 0 i 2 1 1 —220 — w piecu in d u k cy jn y m .

O bró b k a cieplna pró b ek oznaczonych od 1 0 2 —108 oraz 2 0 2 —208 różniła się jed y n ie czasem w y g rzan ia, od 20 sekund d la p ró b ek początko-

R ys. 5. P rób k a 201. S truktura sta li R ys. 6. P róbka 102 w ygrzew an a prze2 w sta n ie zm ięk czon ym . P erlit z w ęgli- 20 sek. w tem p . 1290° C. A u sten it z m ar­

kam i p ierw otn ym i i w tórn ym i. Tra- te n zy tem , zn aczn a ilość drobnych nie w ion ę elek tro lity czn ie. ( x 1000) rozp u szczon ych w ęglik ów oraz w iększe w ęglik i pierw otn e o k szta łta ch nieregu­

larnych. T raw ione elek tro lity czn ie. (x 500)

wych, p rzy zw iększaniu czasu w y grzan ia co 1 0 sek un d dla dalszych próbek aż do 80 sekund. O trzy m a n e s tr u k tu ry p rze d staw ia ją się n a stę p u jąc o : P ró b k i w ygrzew ane przez 20 sek u n d zaw ierają zn aczną ilość węglików w tó rn y ch , p raw ie rów n ą ilości wtsta li w yżarzonej. J e s t to dow odem z b y t m ałego ro ztw o rzen ia się węglików w tó rn y ch w sk u te k k ró tkieg o w ygrzan ia (rys. 6). P o d o b n ie p rze d staw ia się s tr u k tu ra p ró b ek oznaczonych 103 i 203, dla k tó ry c h czas -wygrzania w ynosił 30 sekund. Ja k k o lw ie k w y stęp u je tu ju ż m n iejsza ilość -węglików w tó rn y c h , ty m niem niej jeszcze wiele z nich nie uległo rozpuszczeniu, co zresztą do datkow o p o tw ierd za tw ardość osnow y w ynosząca ty lk o około 500 H v. W zro st czasu w ygrzania w pływ a n a dalsze rozpuszczenie się węglików i pow oduje o trz y m an ie w ysokiej tw ard o ści w stru k tu rz e z ah arto w an ej stali szyb ko tnącej w ynoszącej 710 H v (rys. 7). J e d n a k i p rz y ty m zabiegu p o zo staje jeszcze w osnowie wiele węglików w tó rn y ch nie rozpuszczonych. W ygrzew anie przez 80 sekund nie doprow adziło zatem do całkow itego — d la danej te m p e ra tu ry — ro z ­ puszczenia się węglików (rys. 8), p rz y czym osiągnięto twmrdość w ynoszącą do 750 H y.

Celem zw iększenia ilości rozpuszczonych węglików w austen icie p rzy n a stę p n y c h p ró b ac h podw yższano te m p e ra tu rę do 1300°C oraz p rze d łu ­ żano czas w y g rzan ia od 3 do 10 m in u t. T ym zabiegom p o d d an o prób ki

28 F ryd eryk Staub, E m il Olewicz

oznaczone 1 09—110 oraz 2 0 9 —210. W pływ 3 -m inntow ego w ygrzew ania w te m p e ra tu rz e 1300’C u jaw n ił się ty m , że ilość węglików uległa dalszem u zm niejszeniu, lecz rów nocześnie w y stą p iły ju ż w yraźne oznaki p rzeg rzan ia.

P rzejście składników stopow ych do a u ste n itu w płynęło n a dalszy rrzrost tw ardości, k tó ra osiągnęła w arto ść 840 H y , jed n a k p rzy w yraźnej k r u ­ chości. D alsze przed łu żanie czasu spowodowało przegrzanie, .k tó re zazna-

R ys. 7. P róbka 206 w ygrzew ana przez 60 sek. w tem p 1290° C. D robnoziarnisty a u sten it, w ęglik i pierw otn e oraz w ęgliki w tórne. Tw ardość osn ow y 740 H y . T ra­

w ione elek trolityczn ie. ( x 500)

R ys. 8. P róbka 108 w ygrzew ana przez 80 sek. w tem p . 1290°C. A u sten it i w ęg li­

ki p ierw otne oraz nieznaczna ilość w ęg li­

ków w tórn ych . Tw ardość osnow y 750 E j . Traw ione elek tro lity czn ie. ( x 500)

czyło się w y stąp ien iem gruboiglastego m a rte n z y tu (rys. 9), oraz p ęk n ię­

ciam i. W ygrzew anie p ró b ek przez 10 m in u t spowodowało nie ty lk o znaczne przegrzanie, lecz rów nież spalenie p róbek. P o za ty m zaznaczył się w y ­ ra ź n y sp ad ek tw ardości osnow y do ok. 745 H v. P rz y b a d a n ia c h ty ch dokonano rów nież pom iarów m ikro tw ardo ści węglików; u zy sk an e w artości w ynoszą od 1 1 0 0 —1350 H v . W y n iki te p o zw alają przypuszczać, że pod względem sk ład u chem icznego węgliki są różne i poglądy, ja k o b y w stali szy bkotnącej w ystępow ały w yłącznie węgliki F e3W3 C należy poddać w w ątpliw ość, m ożna bow iem dopuścić istnien ie in n y ch węglików ty p u Pe4W2 C, F e3C, VC, oraz (Fe, C r)7 C3 . W n iek tó ry ch p rzy p a d k a c h o trz y ­ m ano tw ard o ść węglików znacznie niższą (ok. 900 H v) lu b wyższą (ponad 2000 7Z>). O dchyłki w yników p o w stały p raw dopodobnie n a skutek m ałej dokładności p o m iaru p rze k ą tn e j odcisku oraz niekorzystnego położenia ziarn.

H a rto w a n ie in d u k cy jn e p ró b ek oznaczonych od 1 1 1 —120 oraz od 2 1 1 —220 przeprow adzono w te n sposób, że po n a g rz a n iu do te m p e ra tu ry 1300°C p rze trz y m an o je w in d u k to rz e przez czas od .10—100 sek., zm niej­

szając rów nocześnie m oc d op ły w ającą do cew ki grzejnej. D opływ energii odbyw ał się je d n a k z pew ny m niezn acznym n adm iarem , ta k że podczas w ygrzew ania te m p e ra tu ra nieco w zrastała. Po w ygrzaniu p róbk ę o p usz­

H artow an ie sta li szybkotnących p rą d a m i in d u k c y jn y m i 29 czano do k ąpieli olejow ej, gdzie ulegała zah arto w an iu . W yn ik i b adań p ró b ek h a rto w a n y c h in d u k c y jn ie p rze d staw ia ją się n a stę p u jąc o :

W yg rzan ie p ró b ek oznaczonych 1 1 1 i 2 1 1 przez 1 0 sek. spowodowało rozpuszczenie się znacznej, choć niecałkow itej ilości węglików w tórn y ch w idocznych n a tle d ro b n y ch ziarn m a rte n z y tu bezpostaciow ego. T w ar­

dość m a rte n z y tu je s t je d n a k jeszcze stosunkow o n isk a (747 H v), co je s t

w ynikiem z b y t m alej ilości składników stopow ych w osnowie. P rz e d łu ­ żenie czasu w y g rzan ia do 20 sek un d spowodow ało dalsze zm niejszenie się ilości węglików , k tó re uległy roztw orzeniu w osnowie, p rz y czym s tr u k tu ra zachow ała n a d a l drobnoziarnistość.

P ró b k i w ygrzew ane przez 40 sek u n d w y k azu ją najo dp ow ied niejszą s tru k tu rę z zachow aniem dro bn o ziarn isto ści p rz y rów noczesnej m ałej ilości nie roztw o rzony ch Węglików. P o za ty m w yraźn ie w y stę p u je zm n iej­

szenie się z ia rn węglików p ierw o tn y c h (rys. 1 0). N asuw a to przypuszczenie, że ju ż w pierw szćj fazie n ag rzew an ia węgliki p ierw otn e uleg ają częściowemu rozpuszczeniu, lecz sp raw a t a w ym ag a dodatkow ego spraw dzenia. C h a ra k ­ te ry sty c z n e je s t, że w ty c h w a ru n k ach tw a rd o ść osnow y osiągnęła tu w artość najw yższą, w ynoszącą p o n a d 850 H v. Zw iększenie czasu wy grze/

w ania o n a stę p n y c h 10 seku n d w yw ołuje ju ż zjaw iska p rzeg rzan ia (rys. 1 1).

N a zgładzie w y raźn ie uw idocznia się w zro st ziarn, p rzy zm niejszającej się w d alszym ciągu ilości węglików w tó rn y ch . N a p rzegrzanie w skazuje również sp ad ek tw ard o ści osnow y do 800 H v. W ygrzew anie pró b ek w czasie 00 sekund prow ad zi zdecydow anie do s tr u k tu ry p rzegrzanej stali, co przed staw ia ry su n e k 12. W ęgliki w tó rn e uległy całkow item u ro zpu sz­

czeniu w osnowie, a n a gran icach ziarn w y stę p u ją ty lk o duże p ojedyncze

R ys. 9. P róbka 209 w ygrzew an a przez 3 m in. w tem p . 1300°C. G ruboiglasty m a rten zy t, a u sten it szczą tk o w y oraz w ę- uliki. Twardość osn ow y 840 Hu. T rawione

elek trolityczn ie. ( x 500)

R ys. 10. Próbka 114 nagrzew ana in d u k ­ cyjn ie przez 40 sek. A u sten it z m arten- zy tem b ezp ostaciow ym oraz drobne w ę ­ gliki pierw otn e z bardzo m ałą ilością w tór­

n y ch . T w ardość osn ow y 850 Hu. T raw ione elek trolityczn ie. ( x 500)

F ryd eryk Staub, E m il O lewicz

węgliki pierw otne. Zjaw isko p rzeg rzania dobrze u w y p u k la tw ardo ść osnowy, k tó ra sp ad ła poniżej 750 H y. P o za ty m n a zgładzie w idoczne są zaciem nione m iejsca o nie w y rów n anym przebiegu dy fuzyjn ym .

D alsze przedłużenie czasu w ygrzew ania p ró b ek prow adzi do nad- to p n ie n ia w arstw y nagrzew anej i p o w stan ia s tru k tu ry stali lanej. Ky- sunek 13 p rze d staw ia s tru k tu rę w arstw y skrajnej p ró b k i oznaczonej 120,

-

- . * r y * $!*

:V

*'Ą

*

v J *

■ .■ „ «JSr. i ;<

j t g 4

s . ^ . s i a y * « *

«£

ÜBf P:

R y s. 11. Próbka 115 nagrzew ana in ­ duk cyjn ie przez 50 sek. A u sten it oraz w ęgliki. P o czą tek przegrzania. T w ar­

dość o sn o w y 800 JBV. T raw ione e le k ­ tro lity czn ie. ( x 500)

R ys. 12. Próbka 116 nagrzew ana in d u k . cyjnie przez 60 sek. W osnow ie a u ste n ity ­ cznej rozm ieszczone w ęglik i pierw otne- W yraźne o b jaw y przegrzania. Twardość osn ow y 750 H y . T raw ione e le k tr o lity c z ­

n ie. ( x 500)

w ygrzew anej przez 10 0 sek., sk ład ającej się z fazy y i « (pola jasn e), fazy 0 (pola ciem ne) o raz c h a ra k te ry sty c z n y c h utw orów e u te k ty k i faz y + r/

w p o staci „jodełek“ i „szkieletów “. Tw ardość poszczególnych składników

R ys. 13. P rób k a 120 nagrzew ana in d u k cy j­

n ie przez 100 sek. Struktura sta li lanej na sk u tek n ad top ien ia brzegów próbki. N a tle au sten itu (pola jasne) w y stęp u ją ziarna fa zy

<5 (ciem ne) oraz eu tek ty k i faz y Ą-r] o k sz ta ł­

cie „szk ieletu “ d en d ry ty czn y m . Tw ardość osnow y 7 6 2 — i i e , fa zy <5 — 792 H y , e u te k ­ ty k i — 864 /7y . T raw ione elek trolityczn ie.

(X 500)

je s t p o d a n a na ry su n k u , p rzy czym u w y d a tn ia się także różnica tw a r­

dości m iejsc ro ztw oru stałego y i a (pola jasne) n a sk u tek zakończonego procesu dyfuzji. Tego ro d za ju s tru k tu ra w odniesieniu do własności s k ra ­ w ających n arzęd zia je s t n iek o rz y stn a z powodu kruchości i dlatego nie­

p o żąd ana lu b wręcz szkodliw a.

H artow anie sta li szybkotn cych p rą d a m i in d u k cyjn ym i\ 31

5. Wnioski

W y n ik i przeprow ad zo nych b a d a ń h a rto w a n ia sta li szybk otn ącej p r ą ­ dam i in d u k cy jn y m i p o zw alają przypuszczać, że p o d a n a m eto d a jest lepsza od stosow an y ch do tychczas. P rzed e w szystkim nagrzew anie in ­ d u k c y jn e w yw iera zasad niczy w pływ n a ilość rozpuszczonych węglików w stali, co pow oduje zw iększenie zaw artości składników stopow ych w austenicie. A ni je d n a z p ró b ek n ag rzew any ch in d u k cy jn ie nie uległa pęknięciu podczas h a rto w a n ia , co zdarzyło się k ilk a k ro tn ie p rzy h a r to ­ w an iu z k ąp ieli solnej. Z jaw isko p o w sta w a n ia m niejszych n ap rę ż e ń odnosi się więc nie ty lk o do stali k o n stru k c y jn e j, lecz rów nież i do stali szybko­

tn ącej o znacznie niższej przew odności cieplnej. D o d atn io rów nież objaw ił się w pływ n ag rzew an ia in d uk cyjneg o n a tw ard o ść oraz n a zm niejszenie czynników szkodliw ych, ja k p rzegrzan ie i u tlen ien ie pow ierzchniow e stali.

W b a d a n ia c h stosow ano p o m iary m ikro tw ardo ści osnow y oraz w ięk­

szych węglików , p rz y czym stw ierdzono d o b rą p rzy d a tn o ść tej m eto d y po m iaru d la właściwej in te rp re ta c ji w yników . W yższość m eto d y in d u k ­ cyjnej w sto su n k u do in n y ch , stosow anych dotych czas, stw ierdzić m ożna p rzede w szystkim w odniesieniu do s tr u k tu ry i tw ardo ści, co w dalszym ciągu pozw ala przypuszczać, że w płynie on a k o rzy stn ie ta k ż e n a w łasności skraw ające narzędzi w yk o ny w an ych z tego ro d z a ju stali.

Z ty c h powodów b y ły b y w sk azane dalsze w ty m k ieru n k u dośw iad­

czenia dla w p row adzenia tej m eto d y w skali przem ysłow ej.

P rzeprow adzone b a d a n ia nie są w yczerpujące. N ależałoby je pow tórzy ć n a gotow ych narzęd ziach i spraw dzić tw ard o ść ich o strza, lecz to z a ­ gadnienie będzie przed m io tem dalszych pró b.

B IB L IO G R A F IA

[1] J . Obrębski, M etaloznaw stw o praktyczn e, H annow er 1946.

[2] R. K ieffer, R . H otop , M etalu rgia proszków , W arszaw a 1950.

[3] F . Staub, M etaloznaw stw o (z atlasem ), G liw ice 1954.

[4] S tru ktu ra i milcrotwardość sta li szybkotnącej, hartowanej p r z y ogrzewaniu in d u k c y j­

n ym . P raca dyp lom ow a w y k on an a w K ated rze M etalozn aw stw a P o litech n ik i Śląskiej.

G liw ice 1952.

15] M a u iu H o c m p o e H u e , EHiyncjionejumeeKiiii cnpaBOHHHK. t. III. cTp. 455—164; t. VII.

CTp. 530 —533. MocKBa 1918.

|6 ] ft. H. K hahh, T e p M m e c K a n o ó p a ó o m n a e m a j t n n p u U H d y K y u o n n o M n a z p e e e , MocKBa 1950.

17] A. S. M .. M e t a l s H a n i l b o o k . C leveland 1948.