prof. dr hab. inŜ. Leopold Berkowski Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
WPŁYW STRUKTURY NA SKUTKI AZOTOWANIA
CHROMOWYCH STALI LEDEBURYTYCZNYCH
CZĘŚĆ 1: INFORMACJE O MATERIALE
DO BADAŃ
Streszczenie
Praca zawiera podstawowe informacje na temat ledeburytycznych stali chromowych stosowanych na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno, zwłaszcza objętościowej. Omówiono charakterystyczne własności tych stali i moŜliwości szerokiego ich zastosowania, po wprowadzeniu dodatkowych obróbek sprzyjających polepszeniu korzystnych własności eksploatacyjnych narzędzi. Przedstawiono aktualną problematykę badań stali wysokochromowych; ujętą takŜe w projektach wykonanych w Instytucie Obróbki Plastycznej. Interesujące wyniki badań uzyskane w trakcje realizacji tych projektów będą prezentowane w kolejnych zeszytach czasopisma Obróbka Plastyczna Metali.
Słowa kluczowe: ledeburytyczne stale chromowe, struktura, właściwości, parametry obróbki
1. Wprowadzenie
Rozwój techniki w dziedzinie wytwa-rzania narzędzi do obróbki plastycznej wią-Ŝe się z wykorzystaniem aktualnej wiedzy w zakresie projektowania nowych materia-łów narzędziowych, ich poprawnego dobo-ru na odpowiednie narzędzia, nowoczesnej obróbki plastycznej, cieplnej i cieplno-chemicznej. Częstym przypadkiem jest tworzenie nowych, złoŜonych technologii produkcji narzędzi, w których wykorzysty-wane są podstawy teoretyczne i doświad-czenie w zakresie stosowania dotychczas poznanych obróbek.
W pierwszej części pracy, projekt KBN nr 7 0973 91 01 – „Obróbka cieplno-chemiczna odkształconych plastycznie wyrobów” [1], zakończono cykl badań nad technologią kształtowania objętościowego narzędzi ze stali szybkotnących, w warun-kach obniŜonego oporu plastycznego, w pobliŜu przemiany fazowej α-γ. Wyniki tych badań opublikowano w pracy [2]. Ba-dania wykazały, Ŝe podobnie jak w przy-padku stali do pracy na gorąco [3 i 4], oraz
w przypadku oszczędnościowych stali szybkotnących [5], takŜe stal szybkotnąca SW7M wykazuje zakres podwyŜszonej plastyczności. Badania wykazały ponadto, Ŝe niezaleŜnie od efektów ekonomicznych, wynikłych z pewnych oszczędności energe-tycznych (np. obniŜenie temperatury ob-róbki) kształtowanie w tym zakresie tempe-ratury powoduje, Ŝe ziarna po hartowaniu są drobniejsze o około dwie jednostki Sny-der-Graffa. RównieŜ twardość, po dwukrot-nym odpuszczaniu próbek kształtowanych w przedziale obniŜonego oporu plastycz-nego i hartowanych była większa, aniŜeli próbek obrobionych cieplnie bez takiej ob-róbki. Badania trwałości narzędzi potwier-dziły korzystne skutki obróbki plastycznej w tym zakresie temperatury.
Przeprowadzono badania stali narzę-dziowych do obróbki plastycznej na gorąco, badania stali szybkotnących; tych ostat-nich, takŜe z punktu widzenia moŜliwości zastosowania na narzędzia do obróbki pla-stycznej, zwłaszcza objętościowej. Do ba-dań pozostały stale narzędziowe do obrób-ki plastycznej na zimno. Z pośród tych stali Obróbka Plastyczna Metali Nr 5, 2005 Materiałoznawstwo i obróbka cieplna
duŜe znaczenie mają ledeburytyczne stale chromowe. Są one tańsze od stali szybkot-nących, a niektóre z nich, z niewielką ilo-ścią dodatków stopowych, wykazują od-porność na odpuszczające działanie tem-peratury. MoŜliwa jest zatem niskotempera-turowa obróbka cieplno-chemiczna tych stali, jak azotowanie. Ponadto, po hartowa-niu z temperatury powyŜej 1100 oC, otrzy-mać moŜna strukturę złoŜoną z austenitu i węglików. Zatem moŜliwe jest porównanie skutków róŜnych obróbek na tym samym gatunku stali o róŜnych strukturach.
Celem badań realizowanych w ramach prac finansowanych przez Komitet Badań Naukowych (nr 1012/T08C/96/11 – „Pod-stawy technologii wytwarzania narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształ-conych, wysokochromowych stalach lede-burytycznych” [6] i nr 7 T08C 001 19 – „Wpływ stanu strukturalnego stali NC11LV na skutki krótkookresowego azotowania” [7]) było opracowanie podstaw do projek-towania procesu technologicznego obróbki narzędzi ze stali chromowej, o strukturze ledeburytycznej, obejmującego kształtowa-nie plastyczne na półgorąco, a po obróbce cieplnej w optymalnych warunkach, obrób-kę plastyczną powierzchniową na zimno i azotowanie.
W niniejszym, wstępnym artykule podano podstawowe informacje o materia-łach badań (stale NC10, NC11 i NC11LV), ich obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej, a na ich podstawie, problematykę badań prowadzonych w ramach wspomnianych projektów.
2. Skład chemiczny, struktura i pod-stawowe właściwości materiałów do badań
Chrom naleŜy do podstawowych, sto-powych składników stali narzędziowych. Jego zawartość w stali 10–15 % zmniejsza zawartość węgla w eutektoidzie, przesuwa-jąc zakres występowania eutektyki. Chrom, przy odpowiedniej zawartości węgla, stabi-lizuje austenit i obniŜa punkt Ms. Zmniejsza
aktywność i utrudnia dyfuzję węgla w au-stenicie, powodując wzrost hartowności stali. Takie zjawiska mają miejsce w sta-lach ledeburytycznych o duŜej zawartości węgla i chromu.
Rys. 1. Przekrój pionowy potrójnego układu Fe-Cr-C przy stałej zawartości Cr [8]
Rysunek 1 przedstawia przekrój piono-wy układu potrójnego Fe-Cr-C stali o za-wartości 13 % chromu [8]. Z rysunku wyni-ka, Ŝe w stanie równowagi stale o średniej zawartości węgla 1,6 % (stal NC10) i 2,0 %C (stal NC11) zawierają ferryt i węgliki M7C3, a w temperaturze ponad
eutektoidal-nej austenit i zmniejszającą się - ze wzro-stem temperatury – zawartość tego węgli-ka. Na rys. 2 przedstawiono zmiany udzia-łów masowych węglika M7C3 po
austenity-zowaniu stali NC11 w róŜnej temperaturze [9]. 10 14 18 22 26 0 20 40 60 80
Czas austenityzowania, min
Il o ść w ęg li k ó w n ie ro zp u sz cz o n y ch , % .. 950 ºC 1050 ºC 1150 ºC
Rys. 2. Wpływ czasu i temperatury austenityzowania na zawartość nierozpuszczonych węglików
w stali NC11 (X210Cr12) [9]
Norma PN-EN ISO 4957:2004 obejmu-je trzy gatunki stali o strukturze ledebury-tycznej; pośród nich stale NC11 (X210Cr12) i NC11LV (X153CrMoV12). Poprzednia, wycofana juŜ norma
PN-86/H-85023 zawierała takŜe – bardzo popularną w swoim czasie – stal NC10, a w kartach materiałowych IMś [10] spotkać moŜna jeszcze stal NCWV, zawierającą wolfram i zamienioną później na wspomnianą juŜ stal NC11LV; wolfram, przy zachowaniu równowaŜnika węgla, zastąpiono molibde-nem. Skład chemiczny stali wg powyŜszych norm przedstawiono w tablicy I.
Typową i od dawna stosowaną stalą o strukturze ledeburytycznej jest stal NC11 (X210Cr12). Struktura tej stali w stanie wyŜarzonym składa się z ferrytu o zawarto-ści około 1,7 % Cr oraz węglików typu M7C3
zawierających około 45 % Cr [9]. Roz-mieszczenie tych węglików zaleŜy od pro-cesu metalurgicznego oraz od hutniczej obróbki plastycznej. Występowanie pozo-stałości szkieletu ledeburytycznego w po-staci skupisk grubych węglików, często z pęknięciami, powoduje, Ŝe konieczna jest niekiedy dodatkowa obróbka plastyczna – przekuwanie. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 16 40 90 125 Średnica pręta, mm U d ar n o ść , k G m /c m 2 ═ ∟
Rys. 3. Wpływ średnicy pręta i kierunku odkształcania na udarność stali
H12M (X153CrMoV12) [13]
Znaczenie segregacji węglików w stali chromowej omówiono w pracy [13], w któ-rej oceniano wpływ sposobu pobrania pró-bek z prętów o róŜnych średnicach na udarność stali H12M (X153CrMoV12). Z rysunku 3 wynika, Ŝe - przy zbliŜonej twardości 57–59 HRC – próbki pobrane z prętów o większej średnicy wykazywały małą udarność. DuŜe znaczenie miał takŜe kierunek pobrania próbek względem kie-runku płynięcia materiału podczas obróbki plastycznej. Próbki pobrane wzdłuŜ osi pręta miały zdecydowanie większą udar-ność niŜ pobrane poprzecznie. Badania wykazały ponadto (rys. 4), Ŝe próbki po-brane z centralnej części pręta miały zde-cydowanie mniejszą udarność aniŜeli prób-ki pobrane w strefie przypowierzchniowej. Przyczyną była duŜa segregacja węglików, zaleŜna od połoŜenia próbki względem osi pręta. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 10 20 30 40 50
Odległość od osi pręta, mm
U d ar n o ść , k G m /c m 2 ═ ∟
Rys. 4. Zmiany udarności w pręcie ze stali H12M (153CrMoV12); pręt o średnicy 125 mm [13]
Tablica 1 Skład chemiczny stali narzędziowych chromowych o strukturze ledeburytycznej
Skład chemiczny stali, % masy Oznaczenie stali C Si Mn Cr Mo V W Według normy X153CrMoV12+ X210Cr12+ X210CrW12 NC10 NCWV 1,45-0,60 1,90-2,20 2,00-2,30 1,50-1,80 1,80-2,10 0,10-0,60 0,10-0,60 0,10-0,40 0,15-0,40 0,20-0,40 0,20-0,60 0,20-0,60 0,30-0,60 0,15-0,45 0,20-0,40 11,0-13,0 11,0-13,0 11,0-13,0 11,0-13,0 11,0-13,0 0,70-1,00 - - - - 0,70-1,00 - - - 0,15-0,30 - - 0,60-0,80 - 1,00-1,50 EN ISO 4957 : 1999 EN ISO 4957 : 1999 EN ISO 4957 : 1999 PN-86/H-85023 [11] PH-69/H-85023 [12] + Odpowiedniki stali NC11LV i NC11 wg PN-86/H-85023
3. Warunki obróbki cieplnej
Dobra jakość narzędzi wykonanych z ledeburytycznej stali chromowej zaleŜna jest od stanu strukturalnego materiału wyj-ściowego, obróbki plastycznej pozahutni-czej, pozwalającej na korzystne zmiany makrostruktury węglikowej i poprawnie przeprowadzonej obróbki cieplnej. Podsta-wą do projektowania procesu technolo-gicznego obróbki cieplnej jest wykres CTP, pozwalający przewidzieć zmiany struktu-ralne zachodzące w stali podczas chłodze-nia - od temperatury austenityzowachłodze-nia do temperatury otoczenia. Na rys. 5 pokazano wykres CTPi stali (NC11) X210Cr12. Wyni-ka z niego, Ŝe przemiany perlityczna i ba-inityczna zachodzą z wyraźnym opóźnie-niem (przesunięte w prawo) i są rozgrani-czone obszarem duŜej trwałości austenitu, co ułatwia sterowanie procesem. Istnieje moŜliwość hartowania narzędzi dowolnych wymiarów z róŜną szybkością chłodzenia i ich kształtowania w zakresie duŜej trwało-ści austenitu (niskotemperaturowa obróbka cieplno plastyczna). Badania wykazały po-nadto, Ŝe po austenityzowaniu w wysokiej temperaturze (powyŜej 1100 oC) i hartowa-niu moŜliwe jest uzyskanie dwufazowej struktury, zawierającej austenit i nieroz-puszczone podczas austenityzowania wę-gliki M7C3.
Rys. 5. Wykres CTPi stali NC11 (X210Cr12); warunki austenityzowania – 970 oC/15 min. [10]
MoŜliwość otrzymania austenitycznej osnowy wiąŜe się z tendencją obniŜania temperatury Ms ze wzrostem temperatury
i wydłuŜaniem czasu austenityzowania. Na
rys. 6 przedstawiono wpływ parametrów austenityzowania (temperatury i czasu) na temperaturę Ms (a) oraz na twardość (b).
stali X210Cr12 (NC11). Z rysunku wynika, Ŝe w miarę wzrostu tych parametrów na-stępuje monotoniczne obniŜanie tempera-tury Ms, natomiast twardość wykazuje inne
tendencje; przy wyŜszej temperaturze (1050 oC) wydłuŜenie czasu austenityzo-wania powoduje spadek twardości. Wtedy teŜ wzrost twardości spowodowany prze-mianą martenzytyczną słabnie i jest kom-pensowany wzrostem udziału stosunkowo miękkiego austenitu. Badania [14] wykaza-ły ponadto, Ŝe połoŜenie temperatury Ms
zaleŜy równieŜ od zawartości węgla w stali zawierającej 12 % chromu (rys. 7).
a) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000
Czas austenityzowania, min
T em p er at u ra M s , o C 870 ºC 960 ºC 1050 ºC b) 0 200 400 600 800 1000 1 10 100 1000
Czas austenityzowania, min
T w ar d o ść H V 1 0 . 870 ºC 960 ºC 1050 ºC
Rys. 6. Wpływ temperatury i czasu austenityzowania na połoŜenie temperatury Ms (a) oraz na twardość (b)
stali X210Cr12 (NC11) [14]
Przemiany fazowe zachodzące pod-czas odpuszczania zaleŜą od składu che-micznego i warunków hartowania stali. Chrom wyraźnie opóźnia rozpad martenzy-tu i przemianę austenimartenzy-tu szczątkowego, co wiąŜe się ze zmniejszeniem szybkości dy-fuzji węgla w tych fazach oraz ze zwięk-szeniem sił wzajemnego oddziaływania między atomami.
0 50 100 150 200 250 300 350 1,5 2 2,5 3 3,5 Zawartość węgla, % T em p er at u ra M s , o C 3 min 30 min
Rys. 7. Wpływ zawartości węgla na temperaturę Ms
i twardość stali ledeburytycznej, zawierającej 12 % Cr hartowanej po austenityzowaniu w temperaturze
960 oC w ciągu 3 i 30 minut [14]
WyróŜnia się kilka stadiów procesu od-puszczania stali chromowych [11 i 15]. W pierwszym stadium – podobnie jak to ma miejsce w przypadku stali węglowych – z martenzytu wydziela się węglik ε – M2C,
skutkiem tego martenzyt traci tetragonal-ność. Chrom stabilizuje ten węglik, przez co dalsze przemiany zostają opóźnione. W wyŜszej temperaturze następuje roz-puszczanie tego węglika, a w jego miejsce – niezaleŜnie – wydziela się stopowy ce-mentyt w postaci drobnych kulistych czą-steczek. Dalszy wzrost temperatury sprzyja przemianie „in situ” cementytu w węglik M7C3.W przypadku stali zawierającej 13 %
chromu moŜliwe jest niezaleŜne wydziela-nie tego węglika, co mogłoby sprzyjać wzrostowi twardości.
W wyŜszej temperaturze następuje równieŜ przemiana austenitu szczątkowe-go. Wtedy takŜe – zaleŜnie od ilości tej fazy – moŜe nastąpić wzrost twardości stali. Odpuszczanie ledeburytycznej stali chro-mowej H12M (X153CrMoV12) w tempera-turze 520 oC spowodowało przyrost twar-dości o 21 jednostek HRC [16]. Wykazano ponadto, Ŝe w próbkach hartowanych z wysokiej temperatury (1150 oC) austenit jest bardzo trwały; czterdziestokrotne od-puszczanie w temperaturze 480 oC spowo-dowało, Ŝe udział austenitu w strukturze obniŜył się tylko o 4 % (od 98 do 94%).
DuŜa trwałość austenitu stali chromo-wej pozwala wykorzystać jej właściwości do cieplno-plastycznego kształtowania na-rzędzi. W przypadku stali ledeburytycznych moŜliwe są dwa sposoby takiej obróbki: wysokotemperaturowa obróbka plastyczna (WOCP) oraz obróbka
cieplno-plastyczna mieszana (MOCP). Pierwsza polega na kształtowaniu w temperaturze bliskiej temperaturze austenityzowania stali, druga – na wstępnym kształtowaniu w wysokiej temperaturze (jak przy WOCP) z duŜym gniotem i dokładnym dogniataniu (z małym gniotem) w temperaturze duŜej trwałości austenitu. Niskotemperaturowa obróbka cieplno-plastyczna (NOCP) lede-burytycznych stali chromowych, polegająca na kształtowaniu wyrobów w temperaturze około 550 oC, jest raczej niemoŜliwa, z uwagi na duŜy opór plastyczny stopowe-go austenitu, umacniającestopowe-go się podczas odkształcania.
a)
b)
Rys. 8. Struktura stali NC11 (X210Cr12); a) po hartowaniu tradycyjnym, b) po zahartowaniu
z temperatury wyciskania z gniotem 76 %. Austenityzowanie 900 oC/10 minut. Pow. 400 x
W pracy [17] Przeprowadzono badania wpływu wysokotemperaturowej obróbki cieplno-plastycznej (WOCP) na własności mechaniczne stali NC11 (X210cr12) oce-nione w próbie statycznego zginania. Wy-kazano wyraźny wzrost wytrzymałości na zginanie i ugięcia próbek obrobionych cieplno-plastycznie, w porównaniu do
pró-bek obrobionych sposobem tradycyjnym (tab. 2). Podstawową przyczyną polepsze-nia własności były zmiany rozmieszczepolepsze-nia węglików i dziedziczenie przez martenzyt skutków umocnienia austenitu, zwłaszcza wzrostu gęstości dyslokacji. Na rys. 8 po-kazano struktury stali NC11 (X210Cr12) po WOCM i po tradycyjnej obróbce cieplnej w optymalnych warunkach.
Tablica 2 Wyniki pomiarów własności mechanicznych stali NC11 (X210Cr12) po obróbce cieplnej
(OC) i cieplno-mechanicznej (WOCP)
Rodzaj obróbki Gniot % Wytrzyma- łość na zginanie MPa Ugięcie mm Twardość HRC OC 0 2330 1,8 59,5 WOCP 86 2820 2,2 59,5 Austenityzowanie – 960 oC w ciągu 10 minut i hartowanie w oleju.
Odpuszczanie – 250 o
C w ciągu 2 godzin.
Austenit szczątkowy moŜe ulegać przemianie izotermicznej (w stałej tempera-turze) lub podczas chłodzenia ciągłego. Interesującym sposobem zmniejszenia udziału austenitu w strukturze stali i otrzy-manie tą drogą dobrych własności eksplo-atacyjnych narzędzi z ledeburytycznych stali chromowych jest obróbka podzerowa [18]. Chłodzenie w tym zabiegu moŜna prowadzić dwojako [19]:
• do temperatury 223 K (-90 oC) – typowa obróbka podzerowa,
• do temperatury 93 K (-196 oC) – obrób-ka kriogeniczna.
Rys. 9. Schemat obróbki podzerowej [19] W pracy [19] zrealizowano obróbkę po-dzerową według schematu, jak na rys. 9, obejmującą hartowanie, starzenie, wymra-Ŝanie i niskie odpuszczanie. Obróbka
spo-wodowała wzrost własności mechanicz-nych (granicy plastyczności i twardości), oraz wzrost odporności na ścieranie; ob-róbka kriogeniczna spowodowała dalszy wzrost odporności na ścieranie, zwłaszcza, jeśli próbę przeprowadzano przy większej prędkości tarcia. Zmiana tych własności, oraz wzrost stabilności wymiarowej wyro-bów, związana z ujednorodnieniem mar-tenzytycznej osnowy powodowana jest przemianą austenitu oraz wydzielaniem dyspersyjnych węglików. Na rys. 10 przed-stawiono zmiany zawartości austenitu szczątkowego po wymraŜaniu próbek z ledeburytycznej stali chromowej, austeni-tyzowanej w temperaturze 1020 i 1100 oC. Badania wykazały jednak, Ŝe istotny wpływ na korzystne zmiany własności stali, zwłaszcza na odporność na zuŜycie w wa-runkach tarcia, ma wydzielanie węglika η, wpływające na wytrzymałość i ciągliwość martenzytycznej osnowy. Po odpuszczaniu twardość próbek po obróbce podzerowej jest nieco większa niŜ po tradycyjnej ob-róbce cieplnej. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 -200 -150 -100 -50 0 50 100 Temperatura, oC Z aw ar to ść a u st en it u . sz cz ąt k o w eg o , % 1020 ºC 1100 ºC
Rys. 10. Udział austenitu szczątkowego po obróbce podzerowej stali X153CrMoV12 [19]
4. Obróbka cieplno-chemiczna Tradycyjne, ledeburytyczne stale na-rzędziowe chromowe mają małą odporność na odpuszczające działanie temperatury. Stale tego typu, lecz stopowane dodatkowo innymi weglikotwórczymi pierwiastkami, mają odpuszczalność zbliŜoną do odpusz-czalności stali szybkotnących. Dlatego sensowne wydają się badania nad moŜli-wością obniŜenia temperatury azotowania tych stali. Tradycyjnie przyjmuje się, Ŝe jest ona o około 20 – 30 oC niŜsza od tempera-tury odpuszczania.
Azotowanie ledeburytycznych stali chromowych prowadzi się, z jednej strony, jako obróbkę polepszającą odporność na ścieranie narzędzi z nich wykonanych, lub jako podkład pod cienkie powłoki z róŜnego rodzaju węglików, twardych i kruchych. W drugim przypadku, celem jest unikniecie pękania powłok, które miałoby miejsce, gdyby twardość materiału narzędziowego (podkładu) była zbyt mała. Istotne znacze-nie ma rówznacze-nieŜ to, Ŝe duŜa zawartość chromu w stali wyraźnie opóźnia dyfuzję azotu. Na rys. 11 przedstawiono wpływ zawartości chromu na grubość warstwy azotowanej. Według autorów tej publikacji [20], zawartość chromu w stali wpływa tak-Ŝe na kształt profilu twardości, a więc na zawartość azotu w warstwie dyfuzyjnej. W pracy [21] wykazano, Ŝe stale NC11 (X210Cr12) i NCWV utwardzają się pod-czas azotowania gazowego na mniejszą głębokość aniŜeli stale szybkotnące SW7M (HS6-5-2) i SW12C, oraz stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno NZ4 i do pracy na gorąco – WCLV (X40CrMoV5-1). 0 50 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 Czas azotowania, h G ru b o ść w ar st w y , m 5 %Cr 10 %Cr 20 %cr
Rys. 11. Wpływ zawartości chromu w stali i czasu azotowania jonowego w temperaturze 500 oC
na grubość warstwy dyfuzyjnej [20]
Struktura warstwy azotowanej zaleŜy od składu chemicznego stali oraz od wa-runków procesu, które dobiera się w zaleŜ-ności od funkcji, jaką wyrób musi spełniać w eksploatacji. W przypadku narzędzi ze stali wysokochromowych, stosowanych do obróbki plastycznej, konieczna jest duŜa twardość i odporność na ścieranie. Dyna-miczne obciąŜenie narzędzi podczas pla-stycznego kształtowania powoduje zmiany strukturalne warstwy wierzchniej. A zatem, warstwa musi wykazywać odpowiednią ciągliwość i odpowiedni układ napręŜeń; ściskające przy powierzchni. Z badań [22]
wynika, Ŝe wartość takich napręŜeń, po poprawnym azotowaniu jonowym mieści się w granicach od -220 do -320 MPa.
Poprawna struktura warstwy azotowa-nej ledeburytyczazotowa-nej stali chromowej winna zawierać azotek γ’ (Fe4N), azotek CrN oraz
strefę azotowania wewnętrznego; roztwór stały α z wydzieleniami azotku α” (Fe16N2).
Występowanie przy powierzchni mieszani-ny faz ε+γ’ sprawia, Ŝe warstwa dyfuzyjna w tej części jest krucha i porowata. Wyka-zano [20], Ŝe w warstwie azotowanej stali chromowej istnieją dwa fronty dyfuzji; wchodzący głębiej, którego skutkiem jest warstwa azotowania wewnętrznego z wy-dzieleniami węglików, zwłaszcza chromu, oraz front przemian, zawierający tylko azotki.
Analiza skutków azotowania gazowego na stalach o róŜnym składzie chemicznym wykazała [23], Ŝe istnieje moŜliwość precy-zyjnego projektowania warstw azotowa-nych. Istnieją podstawy teoretyczne dla opracowania precyzyjnych programów technologii i praktyczne moŜliwości kontroli ich realizacji w nowoczesnych urządze-niach grzewczych. Sterowanie dyfuzją w procesach azotowania jonowego, z uwa-gi na charakter grzania, jest utrudnione.
Budowanie podkładu (warstwy azoto-wanej) pod powłoki omówiono w pracy [24]. Azotowanie jonowe prowadzono na stali X155CrMoV121 w atmosferze N2-H2-Ar
w przedziale temperatury 360–510 oC w ciągu dwóch godzin, otrzymując warstwy dyfuzyjne o róŜnej grubości i twardości. Na te warstwy nakładano (metodą PVD) po-włoki TiN, które poddano odpowiedniemu obciąŜeniu. Badania wykazały, Ŝe najwięk-sze obciąŜenia przenosiła powłoka nałoŜo-na nałoŜo-na warstwę azotowaną w temperaturze 510 oC. Ten rodzaj powłoki wykazywał tak-Ŝe największą odporność na zuŜycie przez tarcie (rys. 12).
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 TiN tylk o Azo tow anie Rodzaj obróbki S to p ie ń z u Ŝy ci a, m /m
Rys. 12. Wpływ sposobu podwójnej obróbki na zuŜycie w warunkach tarcia suchego; docisk próbki
do rolki ze stali zawierającej 45 %C - 100 N, szybkość obwodowa rolki – 0,04 m/s [24]
5. Nowoczesne technologie po-wierzchniowe
Pojawiają się nowe technologie wzmacniające powierzchnię obrabianych cieplnie narzędzi, takŜe ze stali o strukturze ledeburytycznej. Wśród nich wyróŜnić moŜna technologię TRD (thermal reactive deposition) [25], tworzenia twardych warstw, zawierających azotki i węgliki. Pierwsze informacje na temat tej technolo-gii pojawiły się w Japonii w roku 1970, a jej nazwa brzmiała Toyota Diffusion Process (TD process) i prowadzona była w stopio-nej soli boraksowej, w temperaturze około 1000 oC. Po zastosowaniu ośrodka fluidy-zującego moŜliwe było obniŜenie tempera-tury obróbki. Tak powstała metoda TRD, równieŜ w Japonii, jako modyfikacja po-przedniej. Proces prowadzi się w miesza-ninie sproszkowanego chromu - 30%, Al2O3 70% i aktywatora NH4Cl. Nośnikiem
cząstek proszków jest argon, który stanowi równieŜ ochronę przed utlenianiem. Otrzy-mana w tym procesie warstwa zawiera azotki (Cr,Fe)2N i węgliki (Cr,Fe)23C6
wzbo-gacone węglem i azotem. Rozkład profilów Cr w warstwie był przeciwny rozkładowi Fe, przy czym więcej chromu występowało przy powierzchni. Mikrotwardość warstwy wynosiła 1600 – 1800 HV. Materiałem ba-dań była modyfikowana stal D2 (X153CrMoV12); zawartość węgla w tym materiale była zbliŜona do jego zawartości w osnowie stali po tradycyjnym hartowaniu.
Drugim interesującym procesem wzbo-gacania warstwy wierzchniej ledeburytycz-nej stali chromowej moŜe być obróbka la-serowa. Podczas przetapiania warstwy wierzchniej takiej stali, moŜna zmieniać jej skład chemiczny, wprowadzając w stopioną strefę róŜne pierwiastki. W pracy [26] sta-rano się ocenić zmiany strukturalne, za-chodzące podczas odpuszczania, przeto-pionej wiązką lasera i zahartowanej uprzednio warstwy stali X165CrMoV12-1. Stwierdzono, Ŝe stal po zahartowaniu ma małą twardość; zawiera około 82% austeni-tu i 12% ledeburyausteni-tu, mieszaniny węglika M7C3 i austenitu. Pojawiają się początkowo
ukierunkowane, zgodnie z kierunkiem od-prowadzania ciepła, dendryty pierwotne. Powstałe podczas chłodzenia wtórne den-dryty ujednaradniają strukturę ograniczając wzajemnie dalszy ich rozrost.
Podobnie jak podczas tradycyjnej ob-róbki, austenit powstały po hartowaniu la-serowym jest jednorodny i bardzo trwały; w zakresie temperatury odpuszczania 200 – 500 oC niewiele się zmienia. DuŜa roz-puszczalność węglików podczas „lasero-wego austenityzowania” powoduje wzrost gęstości dyslokacji i powstanie bliźniaków. Składniki stopowe Mo i Cr utrudniają prze-mianę austenitu. Odpuszczanie w zakresie 550 – 600 oC powoduje powstanie marten-zytu listwowego z duŜą gęstością dysloka-cji, przy czym temperatura Ms zaleŜna jest
od zawartości węgla. Na granicach listew martenzytu wydzielają się węgliki M3C,
M7C3 i M23C6. W temperaturze powyŜej
600 oC dyslokacje zanikają i rozpoczyna się rekrystalizacja.
6. Podsumowanie. Problematyka badań
Ledeburytyczne stale chromowe naleŜą do waŜnych materiałów stosowanych na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno. O ich szerokim zastosowaniu decydują właściwości, które w oparciu o powyŜsze rozwaŜania moŜna wyróŜnić:
• niską, w porównaniu ze stalami szyb-kotnącymi, temperaturę austenityzowa-nia,
• moŜliwość otrzymania dwufazowej struktury: austenit + węgliki - po harto-waniu z wysokiej temperatury, oraz
martenzyt + węgliki (z niewielką ilością austenitu) – po hartowaniu tradycyjnym, • duŜą stabilność austenitu po
hartowa-niu stali z wysokiej temperatury, • duŜą odporność na ścieranie,
• po niewielkim wzbogaceniu stali pier-wiastkami stopowymi, dość duŜą od-porność na odpuszczające działanie temperatury,
• niską cenę, w porównaniu z wysoko-stopowymi materiałami narzędziowymi. Badania prowadzone w ramach projek-tów [6 i 7], a które omówione będą w dal-szych publikacjach, miały do pewnego stopnia uzupełnić wiedzę o ledeburytycz-nych stalach chromowych i stworzyć pod-stawy do projektowania technologii obej-mującej obróbkę plastyczną, cieplną i cieplno-chemiczną (azotowanie). By speł-nić zamierzenia, konieczne było uzyskanie odpowiedzi na następujące pytania:
• Czy i w jakim przedziale, w
chromo-wych stalach ledeburytycznych, wystę-puje zjawisko obniŜonego oporu pla-stycznego?
• Jaki jest wpływ parametrów
austenity-zowania na zawartość austenitu szczątkowego w zahartowanej stali?
• Jaka jest odpuszczalność stali o róŜnej
strukturze osnowy (martenzytycznej i austenitycznej)?
• Jak zmienia się struktura warstwy
wierzchniej (o martenzytycznej lub au-stenitycznej osnowie) pod wpływem umocnienia zgniotowego?
• Jaki jest wpływ umocnienia
zgniotowe-go na dyfuzję azotu w stali o takiej strukturze?
• Czy zabieg azotowania moŜe być
trak-towany jednocześnie jako zabieg od-puszczania badanych stali?
• Jaka jest minimalna temperatura
azo-towania tych stali?
• Jaki jest wpływ odkształcenia
plastycz-nego na skutki azotowania stali chro-mowych o ledeburytycznej strukturze?
Literatura
1. Berkowski L.: Obróbka cieplno-chemiczna odkształconych plastycz-nie wyrobów. Projekt badawczy KBN nr 7 0973 91 01. INOP – Poznań
1994, s, 114, 75 rys., 14 tab., bibliogr. 30 poz.
2. Berkowski L., Pachutko B.: Wpływ warunków obróbki cieplnej na struktu-rę i własności stali SW7M. Część 1: skutki obróbki plastycznej w zakresie obniŜonego oporu plastycznego. Ob-róbka Plastyczna Metali. 1999, t 10, nr 5, s. 9 – 13, 5 rys., bibliogr. 9 poz. 3. Berkowski L., Konieczyński M.,
Wro-czyński K.: Własności stali WNL i WCL w statycznej próbie rozciąga-nia na gorąco. Obróbka Plast. 1974, t.13, nr 2, s.73 – 80, 12 rys. 3 tab., bi-bliogr. 4 poz.
4. Berkowski L., Konieczyński M., Wro-czyński K.: Własności stali WWS1, WLK i WWWN1 w statycznej próbie rozciągania na gorąco. Obróbka Plast. 1975, t.14, nr 3, s.133 – 144, 18 rys. 4 tab., bibliogr. 5 poz.
5. Berkowski L., Pachutko B.: Własności oszczędnościowych stali szybkotną-cych w zakresie temperatury kształ-towania na ciepło. Zeszyty Naukowe AGH. Mechanika nr 9, Kraków 1986, s.119 – 125, 7 rys., 2 tab., bibliogr. 7 poz.
6. Berkowski L [i in.]: Podstawy techno-logii wytwarzania narzędzi z wykorzy-staniem dyfuzji azotu w odkształco-nych, wysokochromowych stalach le-deburytycznych. Projekt badawczy KBN nr 1012/T08C/96/11. INOP – Poznań 1999, s.78, 91 rys., 14 tab. 7. Borowski J: Wpływ stanu
struktural-nego hartowanej stali NC11LV na skutki krótkookresowego azotowania. (Praca doktorska) Projekt badawczy KBN nr 7 T08C 001 19, s. 95, 79 rys., 16 tab., bibliogr.92 poz.
8. Bungardt K., Kunze E., Horn E.: Un-tersuchungen über den Aufbau des Systems Eisen-Chrom-Kohlenstoff. Arch. Eisenhüttenwesen. 1958, t. 29, nr 3, s. 193 – 203, 9 rys., 4 tab. bi-bliogr.17 poz.
9. Głowacki Z.: Wpływ temperatury i czasu austenityzowania na węgliki stali chromowych. Hutnik. 1968, nr 10, s. 465 – 471, 14 rys., 4 tab. Bi-bliogr. 20 poz.
10. Bielecki M.: Charakterystyki stali. Se-ria F: Stale narzędziowe. Tom II: Sta-le stopowe do pracy na zimno. Wyd.
Śląsk – Katowice 1976, s. 350. Stal NC11 – s. 213
11. Dobrzański L. A. [ i in.]: Metaloznaw-stwo i obróbka cieplna stali narzę-dziowych. WNT Warszawa1990. s. 746, 599 rys., 142 tab., bibliogr. 1527 poz.
12. śmihorski E.: Stale narzędziowe i obróbka cieplna narzędzi. WNT – Warszawa (wyd. 3) 1976, 502, 371 rys., 101 tab. bibliogr. 208 poz.
13. Pavaras A.E., Chodočinskas S.A.: Udarnaja viaskost’ stali H12M s kar-bidnoj i strukturnoj nieodnorodnost’ju. Metalloved. i Term. Obrab. Metallov. 1969, nr 7, s. 17 – 20, 5 rys., 3 tab., bibliogr. 5 poz.
14. Staska E. Kulmburg A.: Einfluß der Austenitisierungsbedingungen auf den Regin der Martesitumwandlung und die Härte ledeburitischer Stähle nit 12% Cr. Arch. Eisenhüttenwesen. 1972, t. 43, nr 11, s. 855 – 861, 14 rys., 1 tab. bibliogr.18 poz.
15. Malkiewicz T.: Metaloznawstwo sto-pów Ŝelaza. PWN. Warszawa – Kra-ków (wyd 3) 1978,s. 379, 222 rys., 71 tab., bibliogr. 58 poz.
16. Pavaras A. E., Gabšjavičjute R. P.: Ostatočnyj austenit v instrumental’noj stali H12M. Metalloved. i Term. Obrab. Metallov. 1981, nr 8, s. 31 - 34, 4 rys., 1 tab. Bibliogr. 1 poz. 17. Berkowski L.: Analiza wpływu
umoc-nienia cieplno-plastycznego na struk-turę i własności wyciskanych na go-rąco stali narzędziowych. Wyd. INOP, Poznań 1981, s. 174, 67 rys., 13 tab. bibliogr. 282 poz.
18. Wierszyłłowski I., Szcześniak L.: Wpływ obróbki kriogenicznej po har-towaniu na przemiany zachodzące podczas odpuszczania wybranych stali narzędziowych. Badania dylato-metryczne i DTA. Obróbka Plastycz-na Metali. 2005, nr 1, s.31 – 36, 8 rys., 1 tab. Bibliogr. 13 poz.
19. Meng F. (i in.): Role of Eta-carbide Precipitations in the Wear Resistance Improvements of Fe-12Cr-Mo-V-1.4C Tool Steel by Cryogenic Treatment. ISIJ International, 1994, t. 34, nr 2, s. 205 – 210, 9 rys., 1 tab., bibliogr. 20 poz.
20. Alves Jr. C., Anchieta Rodrigues J., Martinelli A. E.: Growth of nitrided layers on Fe-Cr alloys. Materials Sci-ence and Engineering. A279, 2000, s. 10 – 15, 8 rys., 2 tab. Bibliogr. 11 poz. 21. Adamczyk J., Przybył M.: Wpływ
wa-runków azotowania na strukturę i własności mechaniczne wybranych gatunków stali narzędziowych. II Mię-dzynarodowa Konferencja „Węgliki – Azotki – Borki”, Poznań - Kołobrzeg. 30.09 – 04. 10. 1981. s. 260–272, 10 rys. 3 tab. bibliog. 12 poz.
22. Uma Devi M., Mohanty O. N.: Plasma-nitriding of tool steels for combined percussive impact and roll-ing fatigue wear applications. Materi-als Science and Engineering. 107, 1998, s. 55-64, 10 rys., 7 tab. Bibli-ogr. 35 poz.
23. Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na Ŝelazie i stalach w procesach azoto-wania gazowego. Politechnika Po-znańska – Rozprawy. Wyd. Politech-niki Poznańskiej, Poznań 2002, 77 rys., 12 tab., bibliogr. 73 poz.
24. Höck K. [i in.]: Wear resistance of prenitrided hardcoated steels for tools and machine components. Sur-face and Coatings Technology. 1996, t. 80, s. 44–49, 7 rys., 3 tab., bibliogr. 6 poz.
25. Chen F-S., Lee P-Y., Yeh M-C.: Ther-mal reactive deposition coating of chromium carbide on die steel in fluidized bed furnace. Metals Chemistry and Physics. 1998, t. 53, s. 19–27, 8 rys., 3 tab., bibliogr. 13 poz.
26. Wu R. [I in.]: Laser-melted surface layer of steel X165CrMoV12-1 and its tempering characteristics. Materials Science and Engineering. A278, 2000, s. 1-4, 4 rys., Bibliogr. 19 poz.
THE INFLUENCE OF STRUCTURE ON THE RESULTS OF THE NITRIDING OF LEDEBURITIC CHROMIUM STEELS. PART 1: INFORMATION ON EXPERIMENTAL
MATERIALS Abstract
The publication contains primary messages about ledeburitis chromium steels using on tools for cold working, especially volumetric. Characteristic properties and capabilities of the wide application of steels were discussed; also after additional treatments which give better operating properties of tools. The problems of the investigation of high chromium steels of the moment are at projects realized in Metal Forming Institute. The results of experiments made at that project will be shown at the next parts of Metal Forming.
