Prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI, dr inŜ. Jacek BOROWSKI Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Dr inŜ. Zbigniew RYBAK Politechnika Poznańska, Poznań Dr inŜ. Andrzej STEFKO Politechnika Warszawska, Warszawa
Wpływ struktury na skutki azotowania
chromowych stali ledeburytycznych.
Część V. Odkształceniowe umacnianie warstwy wierzchniej
hartowanej stali NC11LV
The influence of structure on the results of the nitriding
of ledeburitic chromium steels.
Part. V. Strengthening of the surface layer of NC11LV steel
after hardening
Streszczenie
Celem badań było polepszenie własności warstwy wierzchniej narzędzi do obróbki plastycznej na zimno. Piąta część artykułu zawiera wyniki badań procesu obróbki powierzchniowej (nagniatanie) stali NC11LV o pseudo-dwufazowej strukturze, której osnowa zawierała martenzyt z niewielkim udziałem austenitu szczątkowego lub austenit ze śladową zawartością fazy α.
Nagniatanie próbek zawierających martenzyt (zahartowanych z temperatury 1020 oC) spowodowało niewielkie umocnienie warstwy wierzchniej. Umocnienie po nagniataniu próbek zawierających austenit było znacznie większe i zaleŜało od obciąŜenia; twardość próbek po nagniataniu była większa od twardości próbki zahartowa-nej na martenzyt. Czterogodzinne wytrzymywanie próbek w temperaturze 480 oC spowodowało obniŜenie twar-dości warstwy wierzchniej. Większe obniŜenie trwałości wykazywały próbki o austenitycznej osnowie.
Abstract
The aim of the work was the improvement of the surface layer of tools for the cold plastic deformation. At the part five has results of the research of the burnishing strain hardening of NC11LV steel in two different state after hardening; matrix has martensite with a little value of the austenite and austenite with α-phase in a mini-mal part.
The burnishing of specimens with martensite matrix (hardening from 1020 oC) has a small strain hardening of the surface layer. Strengthening of specimens with matrix of austenite was large and it depended from the loading. The hardness of specimens after burnishing was bigger than hardness of specimens after hardening in the martensite state. The four hours tempering at 480 oC causes the decrease of the hardness of the surface layer, more of specimen in austenitic state.
Słowa kluczowe: nagniatanie, obróbka cieplna, stal narzędziowa, warstwa wierzchnia
Key words: burnishing, heat treatment, tool steel, surface layer
1. WSTĘP
Chromowe, ledeburytyczne stale naleŜą do trudnoodkształcalnych materiałów narzędzio-wych. Produkcja odkuwek na narzędzia z tych materiałów jest technologicznie ograniczona do
obróbki plastycznej na gorąco lub na ciepło (półgorąco), z wykorzystaniem grzania w prze-dziale obniŜonego oporu plastycznego. Kucie na gorąco, to tradycyjny, najbardziej popularny sposób produkcji. Kucie matrycowe pozwala wytwarzać półwyroby dokładne, o wymiarach
zbliŜonych do wymiarów grawury produkowa-nych narzędzi. Wielokrotne przekuwanie tych materiałów, powodujące rozbicie ledebury-tycznego szkieletu, umoŜliwia ujednorodnienie struktury poprzez zmniejszenie segregacji wę-glików, co sprzyja polepszeniu własności mate-riału i jakości wyrobów (narzędzi). Podobne wyniki moŜna otrzymać stosując, przy produk-cji prętów, kucie na kowarkach.
Dokładne kształtowanie odkuwek i wypra-sek na narzędzia ułatwia obróbka plastyczna na ciepło w granicach obniŜonego oporu plastycz-nego [1,2]. Wykorzystując, w tym przypadku zjawisko duŜej odkształcalności materiału, moŜna uzyskać doskonałe odwzorowanie gra-wury matrycy, przy znacznym obniŜeniu oporu plastycznego (energii odkształcania). Odpo-wiednie charakterystyki materiałowe przedsta-wiono w pracy [3]. Wynika z nich, Ŝe nowo-czesna technologia obróbki plastycznej na pół-gorąco wymaga dokładnego doboru parame-trów technologicznych obróbki, poniewaŜ przedział temperaturowy podwyŜszonej pla-styczności jest bardzo wąski.
W badaniach opisanych w pracy [4,5], w których oceniano skutki hartowania po au-stenityzowaniu stali w róŜnej temperaturze, stwierdzono, Ŝe moŜliwe jest otrzymanie pseu-dodwufazowej struktury, zawierającej austenit i węgliki. Austenit z natury jest fazą plastycz-ną, więc podjęto próby objętościowego kształ-towania na zimno stali NC11LV o takiej struk-turze. Do prób spęczania swobodnego w tem-peraturze otoczenia wybrano próbki z podto-czeniami na smar według Rastigajewa [6]. Próbki pękały juŜ przy niewielkiej zmianie wysokości, co uniemoŜliwiło opracowanie krzywych umocnienia i wykluczyło stosowanie obróbki plastycznej na zimno stali NC11LV o pseudodwufazowej strukturze (z austenitycz-ną osnową).
Porównawcze badania dwóch ledebury-tycznych stali narzędziowych NC10 [4] i NC11LV [5] wykazały, Ŝe stal NC11LV ma lepsze własności, a ponadto jest objęta normą obowiązującą w kraju i w Europie. Dlatego na tej właśnie stali przeprowadzono badania skut-ków nagniatania, takŜe ocenę wpływu od-kształcenia plastycznego na dyfuzję azotu pod-czas azotowania jonowego.
Badania skutków obróbki plastycznej po-wierzchniowej na trwałość i odpuszczalność warstwy wierzchniej stali o pseudodwufazowej strukturze miały dać odpowiedź na pytania: • Czy, i w jaki sposób, struktura osnowy
za-hartowanej stali wpływa na budowę nagnia-tanej warstwy wierzchniej?
• Jakie jest jej umocnienie zgniotowe ocenia-ne metodą pomiaru twardości?
2. MATERIAŁ BADANY I JEGO OB-RÓBKA CIEPLNA
Materiałem badanym była stal NC11LV o następującym składzie chemicznym w %:
C-1,65%; Cr-11,9%; Si-0,27%; Mn-0,30%; P- 0,029%; S-0,025%; Mo-0,9%; V-0,71%. Stal nagniatano w stanie zahartowanym z tem-peratury gwarantującej otrzymanie pseudodwu-fazowej struktury. Osnowa struktury stali za-wierała w pierwszym przypadku martenzyt z niewielkim udziałem austenitu szczątkowego, w drugim – tylko austenit, ze śladową zawarto-ścią fazy α. Próbki o średnicy φ20 mm obra-biano cieplnie hartując z temperatury 1020 oC i 1150 oC. Pierwsza, to optymalna temperatura austenityzowania badanej stali, druga – wyzna-czona na podstawie badań [5] – umoŜliwia otrzymanie dwufazowej struktury (austenit + węgliki). ZałoŜono, Ŝe austenityczna osnowa umoŜliwi powierzchniowe umocnienie stali na znacznej głębokości.
3. SPOSÓB I OCENA SKUTKÓW NA-GNIATANIA
Badano wpływ warunków nagniatania na właściwości warstwy wierzchniej (profil twar-dości określony metodą Knoopa za pomocą twardościomierza ZWICK – 32 12002) oraz na trwałość umocnienia po czterogodzinnym wy-grzewaniu w temperaturze 480 oC.
Obróbka plastyczna powierzchniowa na-gniatakiem diamentowym prowadzona była przy obciąŜeniu 150 N i 400 N. Pozostałe pa-rametry nagniatania, w obydwu przypadkach były stałe: posuw p = 0,025 mm/obrót i obroty – 460 obr/min. Próbki o średnicy φ20 mm
na-gniatano z dwóch stron, do połowy ich promie-nia. Celem było porównanie skutków, a w dal-szych badaniach ocena wpływu takiej obróbki na grubość warstwy dyfuzyjnej po azotowaniu jonowym. Próbki wymagały dokładnego przy-gotowania powierzchni przed nagniataniem. Stosowano cięcie elektroerozyjne i docieranie celem dokładnego usunięcia dodatkowych na-pręŜeń w warstwie wierzchniej. Struktury tak obrobionych próbek obserwowano za pomocą mikroskopu świetlnego.
4. WYNIKI BADAŃ
Badania dylatometryczne wykazały [7], Ŝe austenit szczątkowy zahartowanej stali NC11LV, zwłaszcza po austenityzowaniu w temperaturze 1150 oC, jest bardzo trwały. Dlatego przedstawiono wpływ obróbki cieplnej na strukturę i wzrost umocnienia (wzrost twar-dości po nagniataniu) stali zahartowanej z róŜ-nej temperatury. Dodatkowo przedstawiono charakterystyki umocnienia stali w stanie za-hartowanym w temperaturze 1020 oC i odpusz-czonej w temperaturze 200 oC. Taki proces stosowany jest w końcowej obróbce cieplnej narzędzi do obróbki plastycznej na zimno. Przedstawiono takŜe zmiany profili twardości po czterogodzinnym odpuszczaniu w tempera-turze 480 oC.
4.1. Wpływ struktury i nagniatania na profile twardości
Rozkłady twardości warstwy wierzchniej po nagniataniu z róŜnym obciąŜeniem próbek zahartowanych z temperatury1020 oC pokaza-no na rysunkach 1 i 2. Z rysunku 1 wynika, Ŝe nagniatanie z mniejszą siłą 150 N nie powoduje istotnych zmian twardości warstwy, a nawet niewielkie jej obniŜenie. Natomiast, nagniata-nie z większym obciąŜenagniata-niem 400 N powoduje niewielkie umocnienie strefy przypowierzch-niowej próbki. Niskie odpuszczanie w tempera-turze 200 oC stali NC11LV zahartowanej z temperatury 1020 oC sprawia, Ŝe wpływ na-gniatania jest niewielki (rys.2).
500 550 600 650 700 750 800 850 900 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Odległość od powierzchni, mm M ik ro tw ar d o ść , H K 0 ,1 bez zgniotu 150 N 400 N
Rys.1. Rozkłady twardości warstwy wierzchniej próbek ze stali NC11LV, zahartowanych z temperatury 1020 oC,
nagniatanych przy obciąŜeniu 150 N i 400 N
Fig.1. Hardness distribution in specimens of NC11LV steel after quenching from 1020 oC; burnishing
with the power 150 N and 400 N
500 550 600 650 700 750 800 850 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Odległość od powierzchni, mm M ik ro tw ar d o ść , H K 0 ,1 bez zgniotu 150 N 400 N
Rys. 2. Rozkłady twardości warstwy wierzchniej próbek ze stali NC11LV, zahartowanych z temperatury 1020 oC
i odpuszczonych w temperaturze 200 oC , nagniatanych przy obciąŜeniu 150 N i 400 N
Fig. 2. Hardness distribution in specimens of NC11LV steel after quenching from 1020 oC and tempering at 200 oC; burnishing with the power 150 N and 400 N
Na rys. 3 pokazano struktury stali NC11LV zahartowanej z temperatury 1020 oC i nagniatanej przy róŜnym obciąŜeniu. Z mikro-fotografii wynika, Ŝe struktury warstwy wierzchniej stali są podobne, choć próbka po-kazana na rys.3b, nagniatana przy obciąŜeniu 400 N, trawiła się głębiej. To wskazywałoby na zmiany strukturalne (wzrost gęstości dysloka-cji, zmiana tetragonalności martenzytu, począt-kowe stadium wydzielania) związane z lokal-nym odkształceniem plastyczlokal-nym.
a) b)
Rys. 3. Struktury przy powierzchni próbek ze stali NC11LV zahartowanych z temperatury 1020 oC, nagniatanych z siłą: a – 150 N i b – 400 N. Pow. 500 x
Fig. 3. Structure of the surface layer of specimens of NC11LV steel hardening from 1020 oC, burnishing with the power: a – 150 N and b – 400 N, Magnification 500 x
Nagniatanie stali NC11LV, zahartowanej z temperatury 1150 oC spowodowało wyraźne zmiany struktury i właściwości warstwy wierzchniej. Z rysunku 4 wynika, Ŝe wzrost obciąŜenia przy nagniataniu powoduje wyraźny wzrost twardości; twardość po nagniataniu z większym stopniem odkształcenia (obciąŜe-nie 400 N) znacz(obciąŜe-nie przekracza twardość tej stali po zahartowaniu z temperatury 1020 oC (rys. 1 i 2). Z porównania mikrostruktur poka-zanych na rys. 5 wynika ponadto, Ŝe prawdo-podobnie występują dwie dominujące przyczy-ny wzrostu twardości: umocnienie zgniotowe austenitu oraz tworzenie się martenzytu. Na obecność martenzytu wskazywałoby silne dzia-łanie odczynnika stosowanego przy trawieniu zgładu. Z uwagi na złoŜoność zjawisk występu-jących podczas nagniatania i gradientowy cha-rakter powstałych struktur dokładana analiza zaobserwowanych zmian w warstwie wierzch-niej wymaga dalszych badań.
400 500 600 700 800 900 1000 1100 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 Odległość od powierzchni, mm M ik ro tw ar d o ść , H K 0 ,1 bez zgniotu 150 N 400 N
Rys. 4. Rozkłady twardości warstwy wierzchniej próbek ze stali NC11LV, zahartowanych z temperatury 1150 oC,
nagniatanych przy obciąŜeniu 150 N i 400 N
Fig. 4. Hardness distribution in specimens of NC11LV steel after quenching from 1150 oC; burnishing
a) b)
Rys. 5. Struktury próbek ze stali NC11LV zahartowanej z temperatury 1150 oC; a – struktura rdzenia, b – w strefie odkształconej (nagniatanej przy obciąŜeniu 400 N).
Pow. 500 x
Fig. 5. Structure of specimens of NC11LV steel after hardening from 1150 oC;
a – structure of the core, b – at the deformed zone (burnishing with the power 400 N). Magnification 500 x
4.2. Trwałość powierzchniowego umocnienia martenzytycznej i austenitycznej osnowy zahartowanej stali
Aby odróŜnić skutki umocnienia zgnioto-wego od wzrostu twardości spowodowanego azotowaniem, próbki, zahartowane z tempera-tury 1020 i 1150 oC i odkształcone plastycznie, wytrzymywano w piecu do azotowania w na-czyniach w sposób umoŜliwiający ich izolację od atmosfery dyfuzyjnej. Próbki wygrzewano w temperaturze 400, 440 i 480 oC. Na zgładach wykonano pomiary twardości. W artykule podano tylko wyniki badania próbek wytrzy-mywanych w temperaturze 480 oC w ciągu czterech godzin, gdyŜ w pozostałych przypad-kach wyniki badań były podobne. Na rysun-kach 6 i 7 przedstawiono rozkłady twardości warstwy wierzchniej tak obrobionych próbek.
Z porównania wyników badań przedsta-wionych na rys. 1 i rys. 6 wynika, Ŝe czterogo-dzinne wytrzymywanie w temperaturze 480 oC spowodowało obniŜenie twardości rdzenia próbkio około 50 jednostek HK0,1. Stwierdzić moŜna ponadto, Ŝe przy powierzchni próbki występuje duŜy rozrzut, co uniemoŜliwia sen-sowne porównanie wyników badań. RównieŜ w tym przypadku, nie zauwaŜono wyraźnego wpływu powierzchniowego odkształcenia
pla-stycznego na twardość warstwy wierzchniej stali NC11LV. 200 300 400 500 600 700 800 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Odległość od powierzchni [mm] M ik ro tw a rd o ś ć H K 0 ,1 bez zgniotu 150 N 400 N
Rys. 6. Rozkłady twardości warstwy wierzchniej próbek ze stali NC11LV, wytrzymywanych w temperaturze
480 oC. Próbki zahartowane z temperatury 1020 oC i nagniatane przy obciąŜeniu 150 N i 400 N
Fig. 6. Hardness distribution in specimens of NC11LV steel after quenching from 1020 oC and tempering in 480 oC; burnishing with the power 150 N and 400 N
200 300 400 500 600 700 800 900 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Odległość od powierzchni [mm] M ik ro tw ar d o ść H K 0 ,1 bez zgniotu 150 N 400 N
Rys. 7. Rozkłady twardości warstwy wierzchniej próbek ze stali NC11LV, wytrzymywanych w temperaturze
480 oC. Próbki zahartowane z temperatury 1150 oC i nagniatane przy obciąŜeniu 150 N i 400 N
Fig. 7. Hardness distribution in specimens of NC11LV steel after quenching from 1150 oC and tempering at 480 oC; burnishing with the power 150 N and 400 N
W przypadku próbki zahartowanej z tem-peratury 1150 oC , a więc o austenitycznej strukturze osnowy (rys. 7), wpływ czterogo-dzinnego wytrzymywania w temperaturze 480 oC jest bardzo wyraźny. Z porównania wyników przedstawionych na rysunkach 2 i 7 wynika, Ŝe obniŜenie twardości przy po-wierzchni próbek umocnionych zgniotem wy-nosiło około 150 jednostek HK0,1. Potwierdza to duŜą trwałość umocnienia austenitycznej struktury. Twardość rdzenia (bez umocnienia) zmniejszyła się niewiele.
5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Celem projektu badawczego finansowane-go przez Komitet Badań Naukowych było stworzenie podstaw do projektowania złoŜonej technologii wykonywania wysokowydajnych narzędzi do obróbki plastycznej, ze stali NC11LV obejmującej proces odkształcania plastycznego w stanie zahartowanym i dodat-kowo azotowania.
Zaproponowany proces obróbki stali NC11LV umoŜliwia otrzymanie po hartowaniu w skrajnych warunkach, pseudodwufazowej struktury, o róŜnych właściwościach. Proces krótkookresowego azotowania przebiega w temperaturze około 500 oC, dlatego waŜna była takŜe ocena trwałości otrzymanych stanów strukturalnych. Badania wykazały, Ŝe moŜliwe jest umocnienie zgniotowe przez nagniatanie
oraz, Ŝe umocniona osnowa stali NC11LV za-wierająca austenit jest bardzo trwała.
Badania pozwoliły sformułować następu-jące wnioski:
1. Wzrost umocnienia warstwy wierzchniej zahartowanej stali NC11LV zaleŜy przede wszystkim od stanu strukturalnego osno-wy.
2. Austenityczna osnowa podczas nagniatania silnie się umacnia. Twardość próbki zahar-towanej z temperatury 1150 oC (po nagnia-taniu) jest wyŜsza aniŜeli próbki zaharto-wanej tradycyjnie.
3. Umocnienie i wzrost twardości warstwy wierzchniej zahartowanej stali NC11LV o strukturze austenitycznej jest większy niŜ stali o strukturze martenzytycznej.
4. Nacisk przy nagniataniu wpływa na wzrost twardości i głębokość umocnienia próbek o austenitycznej osnowie.
5. W próbce zahartowanej z niŜszej tempera-tury umocnienie warstwy wierzchniej po nagniataniu jest nieznaczne.
6. Czterogodzinne wytrzymywanie stali w temperaturze azotowania 480 oC (wa-runki azotowania jonowego stali NC11LV) powoduje obniŜenie twardości warstwy wierzchniej próbki nagniatanej po zahar-towaniu z temperatury 1150 oC (o austeni-tycznej osnowie) o około 150 jednostek HK0,1. Spadek twardości próbek po zahar-towaniu z niŜszej temperatury (1020 oC) jest niewielki, o około 50 jednostek HK0,1.
Wyniki badań wykazały, Ŝe struktura osnowy zahartowanej stali wpływa na budowę nagniatanej warstwy wierzchniej oraz na jej twardość po wygrzewaniu w warunkach azo-towania.
W kolejnej publikacji przedstawiona zo-stanie analiza wpływu obróbki plastycznej po-wierzchniowej na skutki azotowania jonowego stali NC11LV.
Badania zrealizowano w ramach projektu nr 1012/T08C/96/11 - „Podstawy technologii narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w od-kształconych, wysokochromowych stalach ledeburytycznych”, finansowanego przez Komitet Badań Naukowych [8].
LITERATURA
[1] Berkowski L.: Temperatura w obróbce plastycznej stopowych stali narzędziowych. Część I: Warunki odkształcania. Obr. Plast. Met. 2006 t. 17 nr 2 s. 47–58, 13 rys. 1 tab. bibliogr. 35 poz.
[2] Guljaev A.P., Sarmanova L.M.: Technologičeskaja plastičnost’ bystrorežuščich stalej. Metalloved. i Term. Obrab. Metallov. 1969 nr 7 s. 2-9, 7 rys. bibliogr. 2 poz.
[3] Berkowski L., Borowski J., Pachutko B.: Tempera-tura w obróbce plastycznej stopowych stali narzę-dziowych. Część II: Technologiczna plastyczność chromowych stali ledeburytycznych. Obr. Plast. Met. 2006 t. 17 nr 3 s. 21–28, 10 rys. 2 tab. biblio-gr. 12 poz.
[4] Berkowski L., Borowski J.: Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ledeburytycz-nych. Część II: Warunki obróbki cieplnej stali NC10. Obr. Plast. Met. 2007 t. 18 nr 1 s. 23–33, 13 rys. 4 tab. bibliogr. 9 poz.
[5] Berkowski L., Borowski J.: Wpływ struktury na skutki azotowania chromowych stali ledeburytycz-nych. Część III: Warunki obróbki cieplnej stali NC11LV. Obr. Plast. Met. 2007 t. 18 nr 3 s. 23–33, 15 rys. 4 tab. bibliogr. 6 poz.
[6] Turno A.: Wyznaczanie krzywych wzmocnienia na próbkach z czołowymi wytoczeniami. Obr. Plast. 1972 t. 11 nr 3 s. 123–127, 6 rys. 4 tab. bibliogr. 3 poz.
[7] Berkowski L., Wierszyłłowski I., Borowski J.: Wpływ struktury na skutki azotowania chromo-wych stali ledeburytycznych. Część IV: Dylatome-tryczne badania stabilności struktury stali NC11LV. Obr. Plast. Met. 2007 t. 18 nr 4 s. 37–42, 7 rys. bi-bliogr. 3 poz.
[8] Berkowski L.: Podstawy technologii narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształconych, wysokochromowych stalach ledeburytycznych. Projekt badawczy KBN nr 1012/T08C/96/11. INOP – Poznań, 1999 s. 78, 91 rys. 14 tab.
