BADANIE TWARDOŚCI STALI SW7M W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH. J. JAWORSKI Katedra Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej

Transkrypt

1 16/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN BADANIE TWARDOŚCI STALI SW7M W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH J. JAWORSKI Katedra Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej STRESZCZENIE W pracy przedstawiono różne metody pomiaru twardości stali w podwyższonych temperaturach /gorącej twardości/ i pokazano, że w zakresie temperatur C zużycie ostrza noża ze stali SW7M związane jest z deformacją krawędzi skrawającej ostrza. Key words: high speed steel, temperability, temperature, hardness, yield strength 1. WSTĘP Inwestuje się w nowe technologie, nowe narzędzia, które mogą skrócić czas wykonania, i poprawić jakość produktu. Ten pożądany efekt może jednak nie być osiągnięty, jeśli użyto nieodpowiedniego materiału, niewłaściwie wykonano obróbkę cieplną, lub nadano ostrzu złą geometrię. Stale szybkotnące stosowane od blisko stu lat, początkowo wyłącznie na narzędzia skrawające, mają obecnie znacznie szersze zastosowanie. Stosuje się je na elementy ko n- strukcyjne, formy do produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych, i narzędzia do przeróbki plastycznej [2]. Ważnymi charakterystykami jakości tych materiałów, określającymi ich przydatność są [10]: odporność na odkształcenia trwałe odporność na pękanie odporność na działanie zmiennego obciążenia odporność na ścieranie dobra hartowność, 141

2 odporność na odpuszczające działanie temperatury. Słabością w naukowym podejściu do analizy tych charakterystyk jest to, że ich badanie prowadzi się w temperaturze pokojowej, podczas gdy warunki pracy narzędzia są inne. Jedną z ważniejszych charakterystyk stali szybkotnącej, pokazującej jak stal zachowuje swoją twardość pod wpływem temperatury jest odpuszczalność. Badanie odpuszczaln o- ści polega na określeniu twardości próbek, uprzednio obrobionych cieplnie po wygrzaniu w temperaturze 620 C przez okres czterech godzin. Wiadomo, że pomiar twardości w temperaturze otoczenia po wcześniejszym nagrzaniu w temperaturze 620 C jest odbiciem tylko tych zmian w strukturze stali, które są spowodowane przemianami nieodwracalnymi /rozpad martenzytu i koagulacja węglików/ [4]. W tym przypadku nie uwzględnia się przemian odwracalnych, które przy niewysokich temperaturach nie mają większego zn a- czenia. Jeżeli jednak, temperatura pracy narzędzia jest bliska granicy odpuszczalności danego gatunku stali to przemiany odwracalne mogą wpływać na stabilność krawędzi skrawającej ostrza narzędzia [4]. 2. METODY POMIARU TWARDOŚCI W PODWYŻSZONYCH TEMPERATURACH Po raz pierwszy twardość w podwyższonej temperaturze /gorącą twardość/ zmierzył Brinell używając kulki stalowej o temperaturze pokojowej do pomiaru nagrzanej do określonej temperatury próbki [1]. Ten sposób pomiaru był obarczony dużym błędem na skutek strat ciepła próbki do atmosfery. Aktualnie znane są następujące metody badań gorącej twardości: statyczne według odcisku, dynamiczne według odcisku lub odskoku wgłębnika. Najczęściej zarówno statyczne jak i dynamiczne pomiary przeprowadza się według odc i- sku, ponieważ wyniki pomiarów łatwo porównać z takimi charakterystykami stali jak twardość czy odpuszczalność. Statyczne metody pomiaru mogą być realizowane dwoma sposobami: bez stosowania penetratora poprzez wciskanie dwóch równocześnie nagrzanych próbek z takiego samego lub różnych materiałów, z wykorzystaniem penetratora. Przy metodach dynamicznych według odcisku nagrzewa się tylko próbkę ponieważ penetrator nie zdąży jej ochłodzić wskutek krótkiego czasu kontaktu. Statyczne metody pomiaru gorącej twardości realizowane są na standardowych przyrządach takich jak: prasa Brinella, twardościomierz Rockwella, czy twardościomierz Vickersa odpowiednio zmodernizowanych do warunków pomiarów. Pomiary na prasie Brinella [1] były prowadzone z wykorzystaniem różnych urządzeń do nagrzewania, których jednak podstawowym niedostatkiem było: niedostateczne odizolowanie prasy,od nagrzewającego próbkę pieca, utlenianie powierzchni próbek i penetratora, 142

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA ochłodzenie próbki w strefie kontaktu na skutek niskiej temperatury penetratora, co prowadzi do znacznych rozrzutów wyników pomiarów. Gorącą twardość na twardościomierzu Rockwella mierzyli autorzy [7] z wykorzystaniem podobnego urządzenia do nagrzewania jak na prosie Brinella. W tym przypadku widoc z- ne są również duże rozrzuty wyników pomiarów. Do pomiaru gorącej twardości na twa r- dościomierzu Vickersa zastosowano urządzenie dające możliwość przeprowadzenia pomiarów w próżni [9]. Pomiaru przekątnej odcisku w tym przypadku dokonuje się po ochłodzeniu i wyciągnięciu próbki z komory próżniowej. Pomiary gorącej twardości za pomocą statycznego wciskania penetratora są ostatnio rzadko stosowane ze względu na niską odporność termiczną wgłębnika diamentowego lub korundowego, dlatego do pomiaru gorącej twardości wykorzystuje się ostatnio d y- namiczne metody pomiaru gorącej twardości [3]. W dynamiczno sprężystej metodzie wgłębnik o założonej energii kinetycznej E k uderza w powierzchnię badanej próbki powodując jej odkształcenie plastyczne i sprężyste. Odkształcając plastycznie powierzchnię wgłębnik wykonuje pewną pracę, która pochłania część energii E k. Energia potencjalna odkształceń sprężystych próbki powraca do wgłębnika powodując jego odskok. Wielkość odskoku H jest miarą tward o- ści dynamicznej. Energia odkształceń sprężystych wyznaczana jest w oparciu o pomiar prędkości uderzenia i odskoku wgłębnika. Twardość HL obliczana jest z zależności: V HL V Gdzie: V 1 - prędkość uderzenia, V 2 - prędkość odskoku. Schemat aparatury pomiarowej przedstawia rys.1. W stosowanej w badaniach głowicy pomiarowej, wgłębnik kulkowy o średnicy 3 mm wykonany z węglików spiekanych zamocowany jest w ruchomym bijaku, w którym dodatkowo umieszczony jest magnes trwały. Po zwolnieniu przycisku na skutek zwolnienia sprężyny bijak uderza w badaną powierzchnię i odskakuje z powrotem. Prędkość uderzenia i odskoku jest mierzona za pomocą cewki, w której w czasie przejścia bijaka z magnesem indukuje się napięcie elektryczne proporcjonalne do prędkości. Wyniki pomiaru twardości L są rejestrowane i zapisywane numerycznie. Zmierzone wartości mogą być przeliczane w oparciu o wzo r- ce na twardości: HB, HV, HRC, HRB, N/mm2. Próbki do badania nagrzewa się w piecu oporowym. Temperatura próbki rejestrowana jest za pomocą termopary nad powierzchnią badanej próbki, w ruchomym otworze obudowy pieca umieszcza się głowicę pomiarową i wykonuje pomiar HL. Następnie głowicę przesuwa się w kierunku x lub y i pomiar powtarza się

4 Rys.1. Schemat aparatury do pomiaru gorącej twardości pracującej w Centrum Materiałowym w Leoben w Austrii [3] Fig. 1. The schema of the apparatus to the measurement of the hardness hot working in the Centre Materials in Leoben in Austria [3] Dla oceny gorącej twardości można również wykorzystać sposób pośredni. Z literatury [5] wiadomo, że umowna granica plastyczności 0,2 - temperatura zmienia się tak samo jak twardość temperatura. Znając 0,2 w danej temperaturze, można sądzić co dzieje się z twardością w tej temperaturze. Zaletą tej metody jest również to, że istnieją standardowe urządzenia do pomiaru wytrzymałości w podwyższonych temperaturach eliminujące możliwość popełnienia błędów subiektywnych. 144

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA 2. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Rys. 2. Rozkład pól temperatur i trwałość ostrza noża ze stali SW7M przy toczeniu stali 60 [6,8] Fig. 2. Distribution of temperatures fields and durability of tool made of SW7M steel at the cutting of the steel 60 [6,8] Przedstawione na rys. 2. i opisane w pracy [6, 8] rozkłady pól temperatur w ostrzu skrawającym noża ze stali SW7M przy toczeniu stali 60 pokazały, że przy prędkości skrawania v c =50m/min i f= 0,08mm/obr. maksymalna temperatura w ostrzu noża osiąga 400 C, trwałość ostrza T= 450min. Przy prędkości zaś v c = 69 m/min trwałość ostrza wynosi już tylko T= 40min. Jak pokazano na rys. 3a. twardość stali SW7M mierzona po uprzednim nagrzaniu do temperatury 550 C, wytrzymaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury otoczenia praktycznie nie zmienia się /linia przerywana/, co oznacza, że w stali w zakresie tej temperatury nie zachodzą przemiany nie odwracalne. Jednakże pomiar gorącej twardości w zakresie tej temperatury wykazuje spadek twardości odpowiednio o 30 40HV na każde 100 C przy czym twardość w temperaturze 500 C wynosi ~700HV co odpowiada twardości ~60HRC. Trwałość ostrza wynosi już tylko T = 40min. 145

6 Rys. 3. Zależność a) twardości od temperatury, b) granicy plastyczności od temperatury; dla stali SW7M [4,6] Fig. 3. Dependence a) of hardness on temperature, b) of yield strength for high speed steel SW7M [4,6] Obniżenie twardości w tym zakresie temperatur spowodowane jest przemianami odwracalnymi. Drugi obszar spadku twardości występuje w zakresie temperatur C i charakteryzuje się spadkiem gorącej twardości o HV na każde 100 C, jak również twardości po ochłodzeniu, proporcjonalnie do temperatury nagrzewania. Przy spadku twardości do 59HRC następuje katastrofalne zużycie ostrza noża. Przy prędkości v c =80 m/min trwałość ostrza wynosi T= 10min. rys.2. Uzyskane wyniki pomiaru 0,2 w odpowiadających temperaturach przedstawione na rys. 3b. są porównywalne z wynikami pomiarów gorącej twardości. Granice obszarów nieznacznego spadku twardości i intensywnego spadku twardości odpowiadają granicom intensywnego i nieznacznego spadku 0,2 146

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Na rys.4. przedstawiono pomiary gorącej twardości wykonane metodą dyn a- miczno sprężystą wg metody wcześniej opisanej. Badania przeprowadzono w Materials Centr Leoben w Austrii[3] Rys. 4. Zależność twardości stali SW7M od temperatury i czasu wytrzymania próbki [3] Fig. 4. Dependence of hardness of temperature and time hold on of the sample for high speed steel SW7M [3] Jak widać z rys. 4. dla temperatury 560 C twardość spada do wartości ~650HV co odpowiada wartościom podawanym przez innych autorów [4], jednakże pozostaje praktycznie nie zmienna niezależnie od czasu wytrzymania próbki. Dla temperatury 590 C natomiast twardość spada do wartości ~600HV i spadek ten postępuje dalej ze wzrostem czasu wytrzymania próbki w tej temperaturze do wartości ~500HV, przy wytrzymaniu próbki przez okres T= 1000min., co świadczy o wystąpieniu przemian nieodwracalnych /rozpad martenzytu i koagulacja węglików/. Z przeprowadzonych badań wynika, że sp a- dek trwałości ostrza w zakresie temperatur C wynoszący odpowiednio 40-10min związany jest już z wystąpieniem deformacji plastycznej krawędzi skrawającej ostrza. 3. PODSUMOWANIE Przeprowadzone badania twardości stali SW7M w podwyższonych temperaturach /gorącej twardości/, jak i 0,2 w tych temperaturach pokazały, że gorąca twardość stali SW7M spada do wartości HV (60 59HRC) przy temperaturach C, chociaż twardość mierzona w temperaturze pokojowej po wcześniejszym nagrzaniu do tych temperatur nie zmienia się. Trwałość ostrza noża tej stali wynosi odpowie d- nio 40-10min, co wiąże się z wystąpieniem deformacji plastycznej krawędzi skrawającej i w 147

8 konsekwencji z katastrofalnym zużyciem ostrza, chociaż jak pokazały badania w zakresie tych temperatur nie występują w stali przemiany nie odwracalne. LITERATURA [1] Askinazi B.M.: Toczenie metałła s elektrokontaktnym podogrewom izdelej. Vestnik mašinostroenia. Nr7, 1951 [2] Berkowski L: Stale szybkotnące na narzędzia do przeróbki plastycznej. IOP, Poznań 1994 [3] Bochnowski W.: Modyfikacja struktury i właściwości stali szybkotnących poprzez konwencjonalną i laserową obróbkę cieplną. Praca Doktorska. Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie, Kraków 2002 [4] Geller J.A.: Instrumentalnyje stali. Metałurgija, Moskva 1983 [5] Helman P.: Stora Kopparberg. Stale szybkotnące ASP, własności i możliwości zastosowania. Warszawa 1977 [6] Jaworski J.: The study of thermal processes as basis for quality production of tools of low alloy high-speed steles. Applied Mechanics and Enginering. V9, Nr3, 2004 [7] Lozinskij M.G.: Wysokotemperaturnaja metałografija. Mašgiz, Moskva 1956 [8] Sinopalnikov V. A., Gubin. V.D.: Raspredelenie temperatur v zone rezušcego klina instrumenta iz bystrorezušcej stali. Vestnik mašinostroenia 1977 [9] WestbrokI.H.: Animproyed mierohardness tesster for high temperature use-astm Bulletin 1960 [10] Wysiecki M.: Nowoczesne materiały narzędziowe. Warszawa, WNT,1997 SUMMARY INVESTIGATION OF TEMPERATURE INFLUENCE ON HARDNESS DECREASE IN SW7M HIGH SPEED STEEL In the paper some various methods of steel hardness measurement in raised temperature (hot hardness) have been presented and there is shown that in the range C cutting edge wear for the cutter made of SW7M is connected with cutting edge deformation. Recenzował: prof. dr hab. inż. W. Prochorenko 148