Nstrojov oceli Ing Karel Nmec Ph D Rozdlen

Nástrojové oceli Ing. Karel Němec, Ph. D.

Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN ð Podle ČSN EN-10027 -1 ð Podle ČSN 420002 • Nástrojové oceli nelegované • Nelegované nástrojové oceli § C 35 U (19065) § C 105 U (19191) § C 125 U (19255) • Nástrojové oceli legované § 90 Mn. V 8 (19312) § 35 Cr. Mo 8 (19520) § X 210 Cr 12 (19436) • Rychlořezné oceli § HS 3 -2 -2 (19820) § HS 6 -5 -2 (19830) § HS 10 -5 -3 -10 (19861) § 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)

Rozdělení nástrojových ocelí podle 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

Další dělení nástrojových ocelí • Podle druhu ochlazovacího prostředí při tepelném zpracování § kalitelné do vody § kalitelné do oleje § kalitelné na vzduchu

Základní vlastnosti nástrojových ocelí • • Tvrdost Pevnost v ohybu Houževnatost Kalitelnost a prokalitelnost Odolnost proti popouštění Odolnost proti otěru Odolnost proti otupení (řezivost) Stálost rozměrů

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

Karbidy v nástrojových ocelích Karbidy M 3 C M 23 C 6 Tvrdost [HV 0, 1] asi 950 1000 -1100 prvky (M) Pozn. Fe, Mn Karbid cementitického typu, je relativně měkký Cr Při ohřevu na kalící teplotu se zcela rozpustí, chrom přechází do tuhého roztoku a zvyšuje prokalitelnost oceli Při ohřevu na kalící teplotu se zčásti rozpustí v austenitu, zčásti zůstává zachován a omezuje růst zrna austenitu. M 6 C 1200 -1300 W M 7 C 3 1600 -1800 Cr M 2 C 1700 -1900 W, Mo Precipitují ve struktuře při popouštění 500600°C 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 MC (M 4 C 3) 2200 -3000

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

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

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

Prokalitelnost Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C 105 U (19 191) b – 90 Mn. Cr. V 8 (19 313) c – X 210 Cr. W 12 (19 437)

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

Odolnost proti popouštění Vliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelí

Odolnost proti popouštění Tvrdost nástrojových materiálů v závislosti na teplotě: a – nelegovaná ocel b – rychlořezná ocel c – slinutý karbid

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

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 používání stálost i po dlouhých dobách

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

Strukturní složky nástrojových ocelí • Martenzit Žádoucí struktura - tvrdý, pevný, křehký. • Zbytkový austenit Nežádoucí struktura (je měkký), jeho množství závisí na obsahu uhlíku a legujících prvků rozpuštěných v austenitu po výdrži na kalící teplotě. • Karbidy Žádoucí 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.

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.

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

Kalení nástrojových ocelí Kalení - nepřetržité (přímé) - lomené - termální - se zmrazením

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 (W 2 C, V 4 C 3, Mo 2 C) – 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

Nízkoteplotní popouštění nástrojových ocelí na primární tvrdost a) Popouštěcí křivka (ocel C 105 U) b) Vrstevnicový diagram

Vysokoteplotní zušlechťování nástrojových ocelí na sekundární tvrdost a) Popouštěcí křivka (HS 6 -5 -2) b) Vrstevnicový diagram

Mikrostruktura nelegované oceli Karbidy (Fe 3 C) Martenzit ocel C 105 U (19 191), 850°C/ voda/ 200°C

Mikrostruktura legované oceli Karbidy chromu Martenzit ocel X 210 Cr 12 (19 436), 980°C/ olej/ 200°C Pozn. : Ukázka struktury nevhodně tvářené nástrojové oceli – karbidická řádkovitost

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-Co Příklady: § HS 18 -0 -1 (19 824 – chem. slož. : 18%W, 0%Mo, 1%V) § HS 10 -4 -3 -10 (19 861)

Schéma tepelného zpracování rychlořezných ocelí

Mikrostruktura rychlořezné oceli Martenzit Karbidy (MC, M 2 C) ocel HS 6 -5 -2 (19 830), 1200°C/ olej/ 550°C

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 (Ti. N) – 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

Doporučená literatura • Ptáček, L. a kol. : Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003) • Fremunt, P. , Krejčík, J. , Podrábský, T. : Nástrojové oceli. Dům techniky 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, 4 th ed. 2003 (5 th ed. 2005) • Callister, W. D. , Jr. : Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc. , 6 th ed. , 2003