nástrojové oceli
DESCRIPTION
Nástrojové oceli. Ing. Karel Němec, Ph.D. Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN. Podle ČSN 420002 Nelegované nástrojové oceli Nízkouhlíkové (0,3 – 0,6 % C) Středněuhlíkové (0,5 – 1,1 % C) Vysokouhlíkové (1,0 – 1,5 % C) Legované nástrojové oceli - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/1.jpg)
Nástrojové oceli
Ing. Karel Němec, Ph.D.Ing. Karel Němec, Ph.D.
![Page 2: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/2.jpg)
Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN
Podle ČSN 420002• Nelegované nástrojové oceli
Nízkouhlíkové (0,3 – 0,6 % C) Středněuhlíkové (0,5 – 1,1 % C) Vysokouhlíkové (1,0 – 1,5 % C)
• Legované nástrojové oceli Nízkolegované (do 5% legur) Střednělegované (5 – 10% legur) Vysokolegované (nad 10% legur)
• Rychlořezné oceli Oceli pro běžné použití Výkonné oceli Vysoce výkonné oceli (+ Co)
Podle ČSN EN-10027-1• Nástrojové oceli nelegované
C35U (19065) C105U (19191) C125U (19255)
• Nástrojové oceli legované 90MnV8 (19312) 35CrMo8 (19520) X210Cr12 (19436)
• Rychlořezné oceli HS 3-2-2 (19820) HS 6-5-2 (19830) HS 10-5-3-10 (19861)
![Page 3: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/3.jpg)
Rozdělení nástrojových ocelípodle použití (ČSN 42 0075)
• NA – na řezné nástroje• NB – na nástroje pro střihání• NC – na nástroje pro tváření
(NCS – za studena, NCT – za tepla)
• ND – na formy• NE – na nástroje pro drcení a mletí• NF – na ruční nástroje a nářadí• NG – na měřidla• NH – na upínací nářadí
![Page 4: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/4.jpg)
Další dělení nástrojových ocelí
• Podle druhu ochlazovacího prostředí při tepelném zpracování kalitelné do vody
kalitelné do oleje
kalitelné na vzduchu
![Page 5: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/5.jpg)
Základní vlastnosti nástrojových ocelí
• Tvrdost• Pevnost v ohybu• Houževnatost• Kalitelnost a prokalitelnost• Odolnost proti popouštění• Odolnost proti otěru• Odolnost proti otupení (řezivost)• Stálost rozměrů
![Page 6: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/6.jpg)
Tvrdost nástrojových ocelí
• Výše optimální tvrdosti je dána způsobem a podmínkami namáhání nástrojů
• Tvrdost nástrojů po kalení závisí především na obsahu uhlíku a vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem
• Legující přísady ovlivňují výrazněji tvrdost oceli tehdy, tvoří-li s uhlíkem karbidy. Používají se zejména Cr, V, W a Mo
![Page 7: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/7.jpg)
Karbidy v nástrojových ocelích
Karbidy Tvrdost [HV 0,1] prvky (M) Pozn.
M3C asi 950 Fe, Mn Karbid cementitického typu, je relativně měkký
M23C6 1000-1100 CrPři ohřevu na kalící teplotu se zcela rozpustí, chrom přechází do tuhého roztoku a zvyšuje prokalitelnost oceli
M6C 1200-1300 WPři ohřevu na kalící teplotu se zčásti rozpustí v austenitu, zčásti zůstává zachován a omezuje růst zrna austenitu.
M7C3 1600-1800 Cr
M2C 1700-1900 W, Mo Precipitují ve struktuře při popouštění 500-600°C
MC(M4C3) 2200-3000 V
Jemné velmi tvrdé karbidy, které se při austenitizaci jen zčásti rozpustí a zabraňují zhrubnutí austenitického zrna. Dále precipitují ve struktuře při popouštění 500-600°C
![Page 8: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/8.jpg)
Pevnost v ohybu
• Pevnost v ohybu u nástrojových ocelí lépe vystihuje způsob namáhání nástroje
• Obdobně jako tvrdost závisí především na obsahu uhlíku (vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem) a způsobu tepelného zpracování
• Významně závisí rovněž na stavu povrchu, protože vysoce pevné materiály jsou citlivé na vruby
![Page 9: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/9.jpg)
Houževnatost
• Určuje odolnost nástrojů vůči mechanickým rázům (tj. proti tvorbě trhlin a jejich šíření)
• Houževnatost je důležitá hlavně u materiálů na nástroje pro stříhání a tváření
• Zvýšení houževnatosti lze dosáhnout zjemněním zrna, rovnoměrným rozložením jemných karbidů a minimalizováním vnitřních pnutí
• Nežádoucí je struktura s výraznou karbidickou řádkovitostí a přítomnost nečistot a vměstků
![Page 10: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/10.jpg)
Kalitelnost a prokalitelnost
• U nástrojových ocelí bývá obvykle požadováno prokalení celého průřezu
• Prokalitelnost závisí hlavně na chemickém složení oceli, velikosti nástroje a rychlosti ochlazování při kalení
• Podstatně se zvyšuje zejména přísadou Mn, Cr, Mo a W
![Page 11: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/11.jpg)
Prokalitelnost
Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C105U (19 191)Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C105U (19 191) b – 90MnCrV8 (19 313)b – 90MnCrV8 (19 313) c – X210CrW12 (19 437)c – X210CrW12 (19 437)
![Page 12: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/12.jpg)
Odolnost proti popouštění
• Nástrojové oceli si musí zachovat mechanické vlastnosti (hlavně tvrdost) i při práci za vyšších teplot, aby se nesnížila odolnost proti otěru a řezivost, tedy životnost nástroje
• Dostatečnou životnost nástrojů lze zajistit především vhodným výběrem oceli
• Odolnost proti popouštění zvyšují hlavně W, Mo, V, Co
![Page 13: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/13.jpg)
Odolnost proti popouštění
Vliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelíVliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelí
![Page 14: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/14.jpg)
Odolnost proti popouštění
Tvrdost nástrojových Tvrdost nástrojových materiálů v závislosti materiálů v závislosti na teplotě:na teplotě:
a – nelegovaná ocela – nelegovaná ocel
b – rychlořezná ocelb – rychlořezná ocel
c – slinutý karbidc – slinutý karbid
![Page 15: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/15.jpg)
Odolnost proti otěru a otupení
• Otěr ovlivňuje velikost opotřebení a tím i řezivost (odolnost proti otupení) nástrojů
• Odolnost proti otěru je výrazně ovlivňována množstvím, typem a rozložením karbidů ve struktuře
• Při otěru se funkční části nástroje zahřívají, proto je nutné, aby měla ocel i dobrou odolnost proti popouštění
![Page 16: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/16.jpg)
Stálost rozměrů
• U většiny nástrojů je požadováno, aby měly po tepelném zpracování minimální rozměrové změny, neboť další opracování (broušení) je velice drahé
• Navíc u přesných nástrojů musí být zaručena rozměrová stálost i po dlouhých dobách používání
![Page 17: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/17.jpg)
Chemické složení nástrojových ocelí
Nástrojové oceli obsahují mimo různé množství uhlíku následující prvky:
• Doprovodné prvky prospěšné (z výroby) Mn, Si, Al
• Legující prvky Cr, W, Mo, V, Co, Ni
• Nečistoty P, S, Cu, O, N, H
![Page 18: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/18.jpg)
Strukturní složky nástrojových ocelí
• MartenzitŽádoucí struktura - tvrdý, pevný, křehký.
• Zbytkový austenitNežádoucí struktura (je měkký), jeho množství závisí na obsahu uhlíku a legujících prvků rozpuštěných v austenitu po výdrži na kalící teplotě.
• KarbidyŽádoucí struktura, karbidy vyskytující se v matrici nástrojových ocelí jsou tvrdší než základní matrice, takže zvyšují odolnost proti opotřebení. Jejich vliv je tím větší, čím vyšší je jejich tvrdost a plocha povrchu.
![Page 19: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/19.jpg)
Tepelné zpracování nástrojových ocelí
• Polotovary se před vlastní výrobou nástroje žíhají naměkko. Smyslem tohoto žíhání je získat strukturu vhodnou pro zpracování oceli - s nízkou tvrdostí a dobrou obrobitelností.
• Výkon nástroje je podmíněn nejen výběrem vhodné oceli pro daný účel použití, ale rovněž zvoleným postupem tepelného zpracování.
• Nástroje získávají výsledné vlastnosti dalším tepelným zpracováním, a to obvykle martenzitickým kalením a popouštěním.
![Page 20: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/20.jpg)
Kalení nástrojových ocelí
• Ohřev na kalící teplotu je pozvolný, často v několika teplotních stupních - kvůli rovnoměrnému ohřevu součásti
• Výše kalící teploty závisí na chemickém složení oceli
• Doba výdrže na kalící teplotě je zpravidla 10-15 minut, max. 30 minut (neplatí pro rychlořezné oceli viz. dále)
• Ochlazovací rychlost nemá být vyšší než je bezpodmínečně nutná, proto jsou jako ochlazovací prostředí používány olej nebo vzduch, voda jen výjimečně
![Page 21: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/21.jpg)
Kalení nástrojových ocelí
- nepřetržité (přímé)- nepřetržité (přímé)- lomené- lomené- termální- termální- se zmrazením- se zmrazením
KaleníKalení
![Page 22: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/22.jpg)
Tepelné zpracování nástrojových ocelí na primární a sekundární tvrdost
• Primární tvrdost – cílem nízkoteplotního popouštění (do 200°C) je přeměna tetragonálního martenzitu na martenzit kubický, přeměna zbytkového austenitu na martenzit kubický. Výsledná tvrdost oceli po popouštění je odvozena od tvrdosti kubického martenzitu.
• Sekundární tvrdost – zvýšením popouštěcí teploty na 550 – 600°C dochází: k precipitaci jemné disperze částic speciálních karbidů
(W2C, V4C3, Mo2C) – vzrůst tvrdosti oceli po popouštění při ochlazení z popouštěcí teploty k transformuje
ochuzeného zbytkového austenitu na martenzit, čímž dochází opět ke zvýšení tvrdosti oceli po popouštění
![Page 23: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/23.jpg)
Nízkoteplotní popouštění nástrojových ocelí na primární tvrdost
a) Popouštěcí křivka (ocel C105U) b) Vrstevnicový diagram
![Page 24: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/24.jpg)
Vysokoteplotní zušlechťování nástrojových ocelí na sekundární tvrdost
a) Popouštěcí křivka (HS 6-5-2) b) Vrstevnicový diagram
![Page 25: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/25.jpg)
Mikrostruktura nelegované oceli
ocel C105U (19 191), 850°C/ voda/ 200°C
Martenzit Karbidy(Fe3C)
![Page 26: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/26.jpg)
Mikrostruktura legované oceli
ocel X210Cr12 (19 436), 980°C/ olej/ 200°C
Martenzit
Karbidychromu
Pozn.: Ukázka struktury nevhodně tvářené nástrojové oceli – karbidická řádkovitost
![Page 27: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/27.jpg)
Rozdělení a značení RO dle ČSN EN
• Dělení se provádí dle chemického složení následovně: W-Cr-V W-Cr-Mo-V W-Cr-V-Co W-Cr-Mo-V-Co
• Označení oceli začíná písmeny HS (High Speed)Následují čísla udávající střední obsahy legujících prvků v pořadí
W-Mo-V-CoPříklady: HS18-0-1 (19 824 – chem. slož.: 18%W, 0%Mo, 1%V) HS10-4-3-10 (19 861)
![Page 28: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/28.jpg)
Schéma tepelného zpracování rychlořezných ocelí
![Page 29: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/29.jpg)
Mikrostruktura rychlořezné oceli
ocel HS 6-5-2 (19 830), 1200°C/ olej/ 550°C
Martenzit
Karbidy(MC, M2C)
![Page 30: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/30.jpg)
Povrchové úpravy nástrojů
K zlepšení užitných vlastností nástrojů, zejména řezných a lisovacích, byla vypracována řada postupů povrchových úprav. Nejdůležitější z nich jsou:
• Naprašování vrstvy nitridu titanu (TiN) – podstatně zlepšuje životnost nástrojů, zejména řezných
• Nitridování – zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení a zlepšují se kluzné vlastnosti
• Tvrdé chromování - zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení, u řezných a lisovacích nástrojů lze tímto postupem zvýšit životnost až trojnásobně
• Fosfátování – získaná vrstva je porézní, dobře zadržuje mazivo a tím zlepšuje odolnost proti opotřebení
![Page 31: Nástrojové oceli](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022013109/568147f5550346895db52aed/html5/thumbnails/31.jpg)
Doporučená literatura
• Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakla-datelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003)
• Fremunt, P., Krejčík, J., Podrábský, T.: Nástrojové oceli. Dům techniky Brno, Brno, 1994
• Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha,1989• Askeland, D.R., Phulé, P.P.: The Science and
Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005)
• Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003