xvii-3-3-nowy, nc11lv(2)
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Obróbka Plastyczna Metali t. XVII nr 3 (2006)
prof. dr hab. inŜ. Leopold BERKOWSKI
dr inŜ. Jacek BOROWSKI, dr inŜ. Beata PACHUTKO
Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań
Temperatura w obróbce plastycznej
stopowych stali narz
ę
dziowych
Cz
ęść
II. Technologiczna plastyczno
ść
chromowych stali ledeburytycznych
Temperature of the plastic forming of tool steels
Part II. Technological plasticity of chromium ledeburitic steels
Streszczenie
W pracy przedstawiono wyniki badań, które wykazały, Ŝe chromowe stale narzędziowe charakteryzują się – po-
dobnie jak stale szybkotnące – przedziałem obniŜonego oporu plastycznego (nadplastyczność technologiczna),
połoŜonym nieco poniŜej temperatury przemiany A
1
. Temperatura ta zaleŜy do składu chemicznego i wynosi
800
o
C dla stali NC11LV, o większej zawartości składników stopowych, a dla stali NC10 – 760
o
C. Jest więc
o 40
o
C niŜsza. Badania wykazały ponadto, Ŝe skutki odkształcenia plastycznego w zakresie podwyŜszonej pla-
styczności mogą być dziedziczone po końcowej obróbce cieplnej.
Abstract
The carried out investigations have proved, that chromium tool steel with ledeburitic structure displays a range
of superplastic deformation. The range, which lies slightly below of the temperature transformation A1, depends
on the chemical composition of the steels under consideration. The temperature of the “technological super-
plasticity” for NC11LV steel is equal 800
o
C and that for NC10 one – 760
o
C.
Moreover, effects of the deformation in the superplasticity state can be saved partly after following heat treat-
ment.
Słowa kluczowe:
obróbka plastyczna, technologiczna superplastyczność, temperatura, stale narzędziowe
Key words:
metal forming, technological superplasticity, temperature, tool steels
1. WST
Ę
P
w przedziale od temperatury otoczenia do tem-
peratury bliskiej solidusu. Badano cztery trady-
cyjne stale szybkotnące R18, R12, R9 i R6M3.
Na rys. 1 przedstawiono charakterystykę jed-
nej z nich.
Na rysunku przedstawiono charakterystyki
skręcania próbek ze stali R18; najstarszej spo-
śród stali szybkotnącej, kiedyś bardzo popular-
nej. Oprócz momentu skręcającego i liczby
obrotów do zniszczenia pokazano zakres wy-
stępowania przemiany A
1
. Z rysunku wynika,
Ŝe największą plastyczność wykazuje stal na
początku tej przemiany. Obecnie przyjmuje się
Pod pojęciem „technologicznej plastycz-
ności” rozumie się zjawisko wyraźnego obni-
Ŝenia oporu plastycznego stali w pobliŜu prze-
miany fazowej α-γ. W przypadku stali narzę-
dziowych o strukturze ledeburytycznej nazwę
taką zasugerowano w pracy Gulajewa i Sarma-
nowej [1]. Badali oni podatność stali szybkot-
nącej do kształtowania podczas skręcania pró-
bek w róŜnej temperaturze. Określili przy tym,
na specjalnym stanowisku, moment skręcający
i liczbę obrotów do zniszczenia próbek,
22
L. Berkowski, J. Borowski, B. Pachutko
[1-4], Ŝe zakres temperaturowy podwyŜszonej
plastyczności stali szybkotnącej (do wykorzy-
stania w praktyce) mieści się w przedziale A
c1
– (15 – 25)
o
C do A
c1
.
nia w zakresie technologicznej nadplastyczno-
ści.
W niniejszej publikacji przedstawiono
wyniki badań nad określeniem zakresu tak
zwanej „technologicznej nadplastyczności”
wysokochromowych stali ledeburytycznych
NC10 i NC11LV. Celem badań było stworze-
nie podstaw do projektowania technologii
kształtowania na półgorąco popularnych ga-
tunków stali stosowanych na narzędzia do ob-
róbki plastycznej na zimno. Badania miały dać
odpowiedź na następujące pytania:
•
czy badane stale wykazują zjawisko obniŜo-
nego oporu plastycznego, i w jakiej tempe-
raturze ono występuje?
•
czy obróbka plastyczna w zakresie techno-
logicznej nadplastyczności wpływa na struk-
turę stali po hartowaniu?
2. WYNIKI BADA
Ń
Rys. 1. ZaleŜność plastyczności i wytrzymałości
od temperatury przy skręcaniu próbek ze stali R18;
n – plastyczność (liczba obrotów do zniszczenia),
Ms – moment skręcający [1]
Fig. 1. Influence of the temperature on the plasticity and
the strength of the R18 steel ; n - plasticity (number of
revolution to the failure), M
s
- torsional moment
[1]
Badania obejmowały:
•
analizę składu chemicznego oraz określenie
punktów przemiany badanych stali metodą
dylatometryczną,
•
badanie twardości próbek odkształconych
i chłodzonych z temperatury obróbki pla-
stycznej,
W Instytucie Obróbki Plastycznej, w la-
tach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia,
prowadzono badania na wybranych stalach
narzędziowych do obróbki plastycznej na gorą-
co [5 i 6]. Celem tych badań była ocena zjawi-
ska podwyŜszonej plastyczności i stworzenie
warunków do projektowania procesu wgłębia-
nia matryc kuźniczych. O wdroŜeniu takiego
procesu przy produkcji matryc do bicia monet
wspomniano w pracy Millera i Pearsa [7]. W
latach osiemdziesiątych wyznaczono zakresy
temperaturowe występowania technologicznej
plastyczności pięciu, oszczędnościowych stali
szybkotnących [8 i 9], a potem podobny zakres
dla popularnej stali szybkotnącej SW7M [10].
Badania wykazały ponadto, Ŝe stal SW7M,
odkształcona plastycznie w przedziale podwyŜ-
szonej plastyczności, po tradycyjnym hartowa-
niu, miała drobniejszą strukturę ziarnową, w
porównaniu ze strukturą stali hartowanej po
tradycyjnej obróbce hutniczej, bez odkształce-
•
opracowanie krzywych umocnienia i wy-
znaczenie zakresu występowania technolo-
gicznej nadplastyczności,
•
metalograficzną ocenę skutków obróbki.
2.1. Materiał i metody bada
ń
Materiałem badań były wysokochromowe,
ledeburytyczne stale narzędziowe do obróbki
plastycznej na zimno NC10 i NC11LV, któ-
rych skład chemiczny podano w tablicy 1.
W tablicy 2 podano zakresy temperaturowe
przemian fazowych A
1
, A
3
i A
cm
wyŜej wy-
mienionych stali wyznaczone metodą dylato-
metryczną. Z porównania stali wynika, Ŝe
wielkość przedziału temperatury przemiany α –
γ (A
c1p
– A
c1k
) obydwu stali są prawie jedna-
kowe, choć występują w róŜnej temperaturze.
Z tablic wynika ponadto, Ŝe zwiększona zawar-
tość składników stopowych powoduje podwyŜ-
szenie temperatury przemian fazowych przy
podgrzewaniu, a obniŜenie - przy chłodzeniu.
Temperatura w obróbce plastycznej stopowych stali ...
23
Stwierdzono, Ŝe temperatura początku prze-
miany martenzytycznej stali NC11LV leŜy
poniŜej M
S
stali NC10.
struktury ziarnowej stali. Temperatura harto-
wania stali NC10 wynosiła 1050
o
C, a stali
NC11LV – 1100
o
C. Dopiero wyŜsza od zale-
canej temperatura pozwoliła ujawnić ziarna
stali NC11LV podczas trawienia próbek. Prób-
ki obydwu stali austenityzowane były w ciągu
25 minut i hartowane w oleju.
Tablica 1. Skład chemiczny stali NC10 i NC11LV
Table 1. Chemical composition of NC10
and NC11LV steels
Gatunek
stali
Składniki stali w %
2.2. Twardo
ść
próbek chłodzonych po
odkształceniu
C
Si
Mn
P
S
Cu
NC10
NC11LV
1,57
1,65
0,19
0,27
0,45
0,30
0,21
0,29
0,024
0,003
0,04
0,09
Pomiary twardości próbek chłodzonych
z temperatury obróbki miały wykazać, czy to
proste doświadczenie pozwoli, z dostateczną
dla technologii dokładnością, określić początek
przemiany fazowej, i tym samym zakres wy-
stępowania „technologicznej nadplastyczno-
ści”. Na rysunku 2 przedstawiono wyniki po-
miarów twardości próbek ze stali NC10, od-
kształconych w róŜnej temperaturze i chłodzo-
nych w dwóch, róŜnych ośrodkach.
Cr
Mo
Ni
Ti
Al
Co
V
10,7
11,9
0,18
0,90
0,108
0,18
0,001
0,02
0,003
0,0014
0,004
0,71
Tablica 2. Wyniki badania dylatometrycznego stali
NC10 i NC11LV
Table 2. Results of the dilatometric investigations
of NC10 and NC11LV steels
Gatunek
stali
Temperatura,
o
C
700
A
clp
A
clk
A
cm
A
rlp
A
rlk
A
rcm
M
s
600
NC10
800
829
949
745
725
916
260
W
P
500
NC11LV
820
847
977
746
690
906
220
400
300
Dalsze badania przeprowadzono na prób-
kach, za pomocą których wyznaczano krzywe
umocnienia według metody opisanej w pracy
[11]. Próbki, z podtoczeniami na smar, o wy-
miarach Ф10x10 mm spęczano z prędkością
10
2
s
-1
w specjalnym przyrządzie, w termosach
podgrzanych do temperatury badania. Wyko-
nano równieŜ krzywe umocnienia próbek spę-
czanych w temperaturze otoczenia. Zakresy
temperatury badania (stal NC10 do 860
o
C
i stal NC11LV do 880
o
C) obejmowały prze-
działy temperatury przemiany α – γ. Po spę-
czaniu próbki chłodzone były w dwóch ośrod-
kach; w wodzie i w powietrzu.
Pomiary twardości próbek - niezaleŜnie od
badań dylatometrycznych - pozwoliły wyzna-
czyć wstępnie zakres występowania przemiany
A
1
, a krzywe umocnienia – zakres obniŜonego
oporu plastycznego badanych stali.
Badania mikroskopowe prowadzono na
próbkach w stanie dostawy oraz odkształco-
nych i powtórnie hartowanych po odkształce-
niu. Przy hartowaniu zastosowano temperaturę
zapewniającą moŜliwość obserwacji zmian
200
100
0
0
150
300
450
600
750
900
Temperatura,
o
C
Rys. 2. Wpływ temperatury odkształcania na twardość
próbek ze stali NC10, chłodzonych po spęczaniu:
a – w wodzie, b – na powietrzu
Fig. 2. Influence of the temperature deformation
on the hardness of NC10 steel; quenching after
deformation: a – in the water, b – on the air
Z rysunku wynika, Ŝe do temperatury od-
kształcania 400
o
C twardość próbek ze stali
NC10 (odkształconych i ochłodzonych po od-
kształceniu) nie uległa zmianie. Zmiany struk-
tury próbek odkształconych w tym przedziale
temperatury są niewielkie. Spadek twardości
próbek odkształconych w wyŜszej temperatu-
rze spowodowany był prawdopodobnie proce-
sem zdrowienia w początkowej fazie deforma-
cji lub zmianą w strukturze węglikowej. Po
spęczaniu w temperaturze 760
o
C twardość
była najmniejsza, a potem wzrastała skutkiem
24
L. Berkowski, J. Borowski, B. Pachutko
tworzenia się martenzytu. Zatem, temperaturę
760
o
C moŜna przyjąć jako początek przemiany
A
1
. Temperatura ta jest znacznie (o 40
o
C) niŜ-
sza od temperatury początku przemiany α – γ,
która - wyznaczona w badaniach dylatome-
trycznych - wynosiła 800
o
C. Powodem jest to,
Ŝe dojście do temperatury przemiany w bada-
niach dylatometrycznych odbywało się w spo-
sób ciągły, a w przypadku grzania w termosie –
w sposób zbliŜony do izotermicznego.
Dalszy wzrost temperatury obróbki pla-
stycznej spowodował gwałtowny wzrost twar-
dości stali po ochłodzeniu, czego powodem
była zwiększona zawartość austenitu po od-
kształceniu. Z wykresu na rysunku 2 wynika,
Ŝe wpływ sposobu chłodzenia jest niewielki;
nieco większą twardość wykazywały próbki
ochłodzone w wodzie. Interesujące jest nato-
miast pewne obniŜenie twardości po ochłodze-
niu z temperatury 820
o
C, a dalej dalszy jej
wzrost. Niewykluczone, ze spadek związany
jest ze zmianą struktury austenitu i wydziela-
niem, a kolejny wzrost – z powstaniem nowych
porcji austenitu w obszarach o zwiększonej
zawartości chromu. Stal NC10 wykazuje bo-
wiem duŜą segregację tego składnika.
ny twardości tuŜ powyŜej temperatury 760
o
C,
spowodowane były prawdopodobnie utworze-
niem się niskostopowego austenitu, zawierają-
cego jedynie chrom; podobnie jak w przypadku
stali NC10. Od temperatury 800
o
C, przemianie
podlega główna część objętości austenitu
o średniej stopowości, a powyŜej temperatury
820
o
C – w części zawierającej więcej składni-
ków stopowych. W odróŜnieniu od zmian
w stali NC10 na charakterystykach stali
NC11LV rysuje się pewien przedział obniŜonej
twardości (760–800
o
C), przy czym średnia
temperatura tego przedziału (780
o
C) leŜy takŜe
o około 40
o
C poniŜej temperatury A
c1p
(820
o
C).
2.3. Krzywe umocnienia
Zestaw wybranych krzywych umocnienia
stali NC10 i NC11LV pokazano na rys. 4 i 5.
Krzywe wykonane podczas spęczania w niŜszej
temperaturze wykazały wyraźny wzrost naprę-
Ŝenia uplastyczniającego w miarę wzrostu od-
kształcenia, co wskazywałoby na umocnienie
dyslokacyjne. W przypadku stali NC10, gdzie
nastąpił wzrost σ
p
w próbce podgrzanej do
temperatury 200
o
C, w stosunku do próbki od-
kształconej w temperaturze otoczenia, moŜna
się było spodziewać przyspieszonego wydzie-
lania węglików przejściowych. Znacznie więk-
sze napręŜenie uplastyczniające stali NC10, niŜ
stali NC11LV, w niskiej temperaturze, jest
prawdopodobnie skutkiem procesu hutniczego
wytwarzania stali.
700
600
500
W
P
400
300
200
100
0
0
150
300
450
600
750
900
Temperatura,
o
C
Rys. 3. Wpływ temperatury odkształcania na twardość
próbek ze stali NC11LV, chłodzonych po spęczaniu:
a – w wodzie, b – na powietrzu
Fig. 3. Influence of the temperature deformation
on the hardness of specimens from the NC11LV steel;
quenching after deformation: a - in the water,
b – on the air
Podobne wyniki otrzymano podczas bada-
nia twardości stali NC11LV (rys. 3), chociaŜ
w tym przypadku zaznaczył się wpływ sposobu
chłodzenia próbek po odkształceniu. Skutki
zmian strukturalnych próbek chłodzonych
w wodzie były wyraźniejsze. Niewielkie zmia-
Odkształcenie logarytmiczne
Rys. 4. Wpływ temperatury odkształcania na krzywe
umocnienia stali NC10
Fig. 4. Influence of the temperature deformation
on flow curves obtained on NC10 steel
Temperatura w obróbce plastycznej stopowych stali ...
25
miany α-γ. Potem, w obydwu przypadkach
następuje wzrost napręŜenia uplastyczniające-
go.
1600
1400
1200
1000
800
Odkształcenie logarytmiczne
600
400
Rys. 5. Wpływ temperatury odkształcania na krzywe
umocnienia stali NC11LV
Fig. 5. Influence of the temperature deformation on flow
curves obtained on NC11LV steel
200
0
0
150
300
450
600
750
900
Temperatura,
o
C
Krzywe wyznaczone przy spęczaniu
w wyŜszej temperaturze mają zbliŜone wartości
σ
p
, a ich kształt wskazuje na dominujące zna-
czenie procesów aktywowanych cieplnie.
W temperaturze technologicznej nadplastycz-
ności zachodzi prawdopodobnie jeszcze po-
ślizg po granicach ziaren, powodujący wydatny
wzrost plastyczności stali; zaobserwowany
takŜe podczas badań stali narzędziowych do
pracy na gorąco [5 i 6] oraz stali szybkotną-
cych [10].
Rys. 7. Wpływ temperatury badania na napręŜenie
uplastyczniające stali NC11LV (φ = 1)
Fig. 7. Influence of the temperature on the flow stress
obtained on NC11LV steel (
φ
= 1)
RóŜnice między stalami w obszarze wy-
stępowania technologicznej nadplastyczności
moŜna ocenić wg wykresów przedstawionych
na rys. 8. Z porównania charakterystyk wynika,
Ŝe temperatura obniŜonego oporu plastycznego
stali NC10 wynosi 760
o
C, a stali NC11LV –
800
o
C. MoŜna zatem wnioskować, Ŝe dodat-
kowe, węglikotwórcze składniki stopowe Mo
i V powodują wzrost temperatury podwyŜszo-
nej plastyczności.
2500
2000
1500
600
1000
500
500
400
0
300
0
150
300
450
600
750
900
NC10
NC11LV
200
Temperatura,
o
C
100
Rys. 6. Wpływ temperatury badania na napręŜenie
uplastyczniające stali NC10 (φ = 1)
Fig. 6. Influence of the temperature on the flow stress
obtained on NC10 steel (
φ
= 1)
Na rys. 6 i 7 przedstawiono wpływ tempe-
ratury badania na wartość napręŜenia upla-
styczniającego przy odkształceniu logaryt-
micznym φ = 1. Z badań wynika, Ŝe pomijając
temperaturę 200
o
C (rys. 6) – wartość σ
p
zmniejsza się (prawie prostoliniowo) do mini-
mum, które znajduje się nieco poniŜej prze-
0
500
580
660
740
820
900
Temperatura,
o
C
Rys. 8. Zmiany napręŜenia uplastyczniającego w prze-
dziale obniŜonego oporu plastycznego (φ = 1)
Fig. 8. Changes of the flow stress obtained in the low
range of stress. Strain
φ
= 1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]