WPŁYW STRUKTURY NA SKUTKI AZOTOWANIA CHROMOWYCH STALI LEDEBURYTYCZNYCH CZĘŚĆ 1: INFORMACJE O MATERIALE DO BADAŃ

Transkrypt

1 Obróbka Plastyczna Metali Nr 5, 25 Materiałoznawstwo i obróbka cieplna 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 wytwarzania narzędzi do obróbki plastycznej wią Ŝe się z wykorzystaniem aktualnej wiedzy w zakresie projektowania nowych materiałów narzędziowych, ich poprawnego doboru na odpowiednie narzędzia, nowoczesnej obróbki plastycznej, cieplnej i cieplnochemicznej. Częstym przypadkiem jest tworzenie nowych, złoŝonych technologii produkcji narzędzi, w których wykorzystywane są podstawy teoretyczne i doświadczenie w zakresie stosowania dotychczas poznanych obróbek. W pierwszej części pracy, projekt KBN nr Obróbka cieplnochemiczna odkształconych plastycznie wyrobów [1], zakończono cykl badań nad technologią kształtowania objętościowego narzędzi ze stali szybkotnących, w warunkach obniŝonego oporu plastycznego, w pobliŝu przemiany fazowej αγ. Wyniki tych badań opublikowano w pracy [2]. Badania wykazały, Ŝe podobnie jak w przypadku 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 energetycznych (np. obniŝenie temperatury obróbki) kształtowanie w tym zakresie temperatury powoduje, Ŝe ziarna po hartowaniu są drobniejsze o około dwie jednostki SnyderGraffa. RównieŜ twardość, po dwukrotnym odpuszczaniu próbek kształtowanych w przedziale obniŝonego oporu plastycznego i hartowanych była większa, aniŝeli próbek obrobionych cieplnie bez takiej obróbki. Badania trwałości narzędzi potwierdziły korzystne skutki obróbki plastycznej w tym zakresie temperatury. Przeprowadzono badania stali narzędziowych do obróbki plastycznej na gorąco, badania stali szybkotnących; tych ostatnich, takŝe z punktu widzenia moŝliwości zastosowania na narzędzia do obróbki plastycznej, zwłaszcza objętościowej. Do badań pozostały stale narzędziowe do obróbki plastycznej na zimno. Z pośród tych stali

2 duŝe znaczenie mają ledeburytyczne stale chromowe. Są one tańsze od stali szybkotnących, a niektóre z nich, z niewielką ilością dodatków stopowych, wykazują odporność na odpuszczające działanie temperatury. MoŜliwa jest zatem niskotemperaturowa obróbka cieplnochemiczna tych stali, jak azotowanie. Ponadto, po hartowaniu z temperatury powyŝej 11 o C, otrzymać 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 112/T8C/96/11 Podstawy technologii wytwarzania narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształconych, wysokochromowych stalach ledeburytycznych [6] i nr 7 T8C 1 19 Wpływ stanu strukturalnego stali NC11LV na skutki krótkookresowego azotowania [7]) było opracowanie podstaw do projektowania procesu technologicznego obróbki narzędzi ze stali chromowej, o strukturze ledeburytycznej, obejmującego kształtowanie plastyczne na półgorąco, a po obróbce cieplnej w optymalnych warunkach, obróbkę plastyczną powierzchniową na zimno i azotowanie. W niniejszym, wstępnym artykule podano podstawowe informacje o materiałach badań (stale NC1, NC11 i NC11LV), ich obróbce cieplnej i cieplnochemicznej, a na ich podstawie, problematykę badań prowadzonych w ramach wspomnianych projektów. 2. Skład chemiczny, struktura i podstawowe właściwości materiałów do badań Chrom naleŝy do podstawowych, stopowych składników stali narzędziowych. Jego zawartość w stali 1 15 % zmniejsza zawartość węgla w eutektoidzie, przesuwając zakres występowania eutektyki. Chrom, przy odpowiedniej zawartości węgla, stabilizuje austenit i obniŝa punkt M s. Zmniejsza aktywność i utrudnia dyfuzję węgla w austenicie, powodując wzrost hartowności stali. Takie zjawiska mają miejsce w stalach ledeburytycznych o duŝej zawartości węgla i chromu. Rys. 1. Przekrój pionowy potrójnego układu FeCrC przy stałej zawartości Cr [8] Rysunek 1 przedstawia przekrój pionowy układu potrójnego FeCrC stali o zawartości 13 % chromu [8]. Z rysunku wynika, Ŝe w stanie równowagi stale o średniej zawartości węgla 1,6 % (stal NC1) i 2, %C (stal NC11) zawierają ferryt i węgliki M 7 C 3, a w temperaturze ponad eutektoidalnej austenit i zmniejszającą się ze wzrostem temperatury zawartość tego węglika. Na rys. 2 przedstawiono zmiany udziałów masowych węglika M 7 C 3 po austenityzowaniu stali NC11 w róŝnej temperaturze [9]. Ilość węglików nierozpuszczonych, % Czas austenityzowania, min 95 ºC 15 ºC 115 ºC Rys. 2. Wpływ czasu i temperatury austenityzowania na zawartość nierozpuszczonych węglików w stali NC11 (X21Cr12) [9] Norma PNEN ISO 4957:24 obejmuje trzy gatunki stali o strukturze ledeburytycznej; pośród nich stale NC11 (X21Cr12) i NC11LV (X153CrMoV12). Poprzednia, wycofana juŝ norma PN86/H

3 8523 zawierała takŝe bardzo popularną w swoim czasie stal NC1, a w kartach materiałowych IMś [1] spotkać moŝna jeszcze stal NCWV, zawierającą wolfram i zamienioną później na wspomnianą juŝ stal NC11LV; wolfram, przy zachowaniu równowaŝnika węgla, zastąpiono molibdenem. Skład chemiczny stali wg powyŝszych norm przedstawiono w tablicy I. Typową i od dawna stosowaną stalą o strukturze ledeburytycznej jest stal NC11 (X21Cr12). Struktura tej stali w stanie wyŝarzonym składa się z ferrytu o zawartości około 1,7 % Cr oraz węglików typu M 7 C 3 zawierających około 45 % Cr [9]. Rozmieszczenie tych węglików zaleŝy od procesu metalurgicznego oraz od hutniczej obróbki plastycznej. Występowanie pozostałości szkieletu ledeburytycznego w postaci skupisk grubych węglików, często z pęknięciami, powoduje, Ŝe konieczna jest niekiedy dodatkowa obróbka plastyczna przekuwanie. Udarność, kgm/cm 2 3,5 3 2,5 2 1,5 1, Średnica pręta, mm 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 której oceniano wpływ sposobu pobrania próbek z prętów o róŝnych średnicach na udarność stali H12M (X153CrMoV12). Z rysunku 3 wynika, Ŝe przy zbliŝonej twardości HRC próbki pobrane z prętów o większej średnicy wykazywały małą udarność. DuŜe znaczenie miał takŝe kierunek pobrania próbek względem kierunku płynięcia materiału podczas obróbki plastycznej. Próbki pobrane wzdłuŝ osi pręta miały zdecydowanie większą udarność niŝ pobrane poprzecznie. Badania wykazały ponadto (rys. 4), Ŝe próbki pobrane z centralnej części pręta miały zdecydowanie mniejszą udarność aniŝeli próbki pobrane w strefie przypowierzchniowej. Przyczyną była duŝa segregacja węglików, zaleŝna od połoŝenia próbki względem osi pręta. Udarność, kgm/cm 2 3 2,5 2 1,5 1, Odległość od osi pręta, mm 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 Oznaczenie stali Skład chemiczny stali, % masy C Si Mn Cr Mo V W Według normy X153CrMoV12 + 1,45,6,1,6,2,6 11,13,,71,,71, EN ISO 4957 : 1999 X21Cr12 + 1,92,2,1,6,2,6 11,13, EN ISO 4957 : 1999 X21CrW12 2,2,3,1,4,3,6 11,13,,6,8 EN ISO 4957 : 1999 NC1 1,51,8,15,4,15,45 11,13, PN86/H8523 [11] NCWV 1,82,1,2,4,2,4 11,13,,15,3 1,1,5 PH69/H8523 [12] + Odpowiedniki stali NC11LV i NC11 wg PN86/H8523

4 3. Warunki obróbki cieplnej Dobra jakość narzędzi wykonanych z ledeburytycznej stali chromowej zaleŝna jest od stanu strukturalnego materiału wyjściowego, obróbki plastycznej pozahutniczej, pozwalającej na korzystne zmiany makrostruktury węglikowej i poprawnie przeprowadzonej obróbki cieplnej. Podstawą do projektowania procesu technologicznego obróbki cieplnej jest wykres CTP, pozwalający przewidzieć zmiany strukturalne zachodzące w stali podczas chłodzenia od temperatury austenityzowania do temperatury otoczenia. Na rys. 5 pokazano wykres CTPi stali (NC11) X21Cr12. Wynika z niego, Ŝe przemiany perlityczna i bainityczna zachodzą z wyraźnym opóźnieniem (przesunięte w prawo) i są rozgraniczone obszarem duŝej trwałości austenitu, co ułatwia sterowanie procesem. Istnieje moŝliwość hartowania narzędzi dowolnych wymiarów z róŝną szybkością chłodzenia i ich kształtowania w zakresie duŝej trwałości austenitu (niskotemperaturowa obróbka cieplno plastyczna). Badania wykazały ponadto, Ŝe po austenityzowaniu w wysokiej temperaturze (powyŝej 11 o C) i hartowaniu moŝliwe jest uzyskanie dwufazowej struktury, zawierającej austenit i nierozpuszczone podczas austenityzowania węgliki M 7 C 3. rys. 6 przedstawiono wpływ parametrów austenityzowania (temperatury i czasu) na temperaturę M s (a) oraz na twardość (b). stali X21Cr12 (NC11). Z rysunku wynika, Ŝe w miarę wzrostu tych parametrów następuje monotoniczne obniŝanie temperatury M s, natomiast twardość wykazuje inne tendencje; przy wyŝszej temperaturze (15 o C) wydłuŝenie czasu austenityzowania powoduje spadek twardości. Wtedy teŝ wzrost twardości spowodowany przemianą martenzytyczną słabnie i jest kompensowany wzrostem udziału stosunkowo miękkiego austenitu. Badania [14] wykazały ponadto, Ŝe połoŝenie temperatury M s zaleŝy równieŝ od zawartości węgla w stali zawierającej 12 % chromu (rys. 7). a) Temperatura M s, o C b) Czas austenityzowania, min 87 ºC 96 ºC 15 ºC Twardość HV ºC 2 96 ºC 15 ºC Czas austenityzowania, min Rys. 6. Wpływ temperatury i czasu austenityzowania na połoŝenie temperatury M s (a) oraz na twardość (b) stali X21Cr12 (NC11) [14] Rys. 5. Wykres CTPi stali NC11 (X21Cr12); warunki austenityzowania 97 o C/15 min. [1] MoŜliwość otrzymania austenitycznej osnowy wiąŝe się z tendencją obniŝania temperatury M s ze wzrostem temperatury i wydłuŝaniem czasu austenityzowania. Na Przemiany fazowe zachodzące podczas odpuszczania zaleŝą od składu chemicznego i warunków hartowania stali. Chrom wyraźnie opóźnia rozpad martenzytu i przemianę austenitu szczątkowego, co wiąŝe się ze zmniejszeniem szybkości dyfuzji węgla w tych fazach oraz ze zwiększeniem sił wzajemnego oddziaływania między atomami.

5 Temperatura M s, o C min 3 min 1,5 2 2,5 3 3,5 Zawartość węgla, % Rys. 7. Wpływ zawartości węgla na temperaturę M s i twardość stali ledeburytycznej, zawierającej 12 % Cr hartowanej po austenityzowaniu w temperaturze 96 o C w ciągu 3 i 3 minut [14] WyróŜnia się kilka stadiów procesu odpuszczania stali chromowych [11 i 15]. W pierwszym stadium podobnie jak to ma miejsce w przypadku stali węglowych z martenzytu wydziela się węglik ε M 2 C, skutkiem tego martenzyt traci tetragonalność. Chrom stabilizuje ten węglik, przez co dalsze przemiany zostają opóźnione. W wyŝszej temperaturze następuje rozpuszczanie tego węglika, a w jego miejsce niezaleŝnie wydziela się stopowy cementyt w postaci drobnych kulistych cząsteczek. Dalszy wzrost temperatury sprzyja przemianie in situ cementytu w węglik M 7 C 3.W przypadku stali zawierającej 13 % chromu moŝliwe jest niezaleŝne wydzielanie tego węglika, co mogłoby sprzyjać wzrostowi twardości. W wyŝszej temperaturze następuje równieŝ przemiana austenitu szczątkowego. Wtedy takŝe zaleŝnie od ilości tej fazy moŝe nastąpić wzrost twardości stali. Odpuszczanie ledeburytycznej stali chromowej H12M (X153CrMoV12) w temperaturze 52 o C spowodowało przyrost twardości o 21 jednostek HRC [16]. Wykazano ponadto, Ŝe w próbkach hartowanych z wysokiej temperatury (115 o C) austenit jest bardzo trwały; czterdziestokrotne odpuszczanie w temperaturze 48 o C spowodowało, Ŝe udział austenitu w strukturze obniŝył się tylko o 4 % (od 98 do 94%). DuŜa trwałość austenitu stali chromowej pozwala wykorzystać jej właściwości do cieplnoplastycznego kształtowania narzędzi. W przypadku stali ledeburytycznych moŝliwe są dwa sposoby takiej obróbki: wysokotemperaturowa obróbka cieplnoplastyczna (WOCP) oraz obróbka cieplnoplastyczna 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 cieplnoplastyczna (NOCP) ledeburytycznych stali chromowych, polegająca na kształtowaniu wyrobów w temperaturze około 55 o C, jest raczej niemoŝliwa, z uwagi na duŝy opór plastyczny stopowego austenitu, umacniającego się podczas odkształcania. a) b) Rys. 8. Struktura stali NC11 (X21Cr12); a) po hartowaniu tradycyjnym, b) po zahartowaniu z temperatury wyciskania z gniotem 76 %. Austenityzowanie 9 o C/1 minut. Pow. 4 x W pracy [17] Przeprowadzono badania wpływu wysokotemperaturowej obróbki cieplnoplastycznej (WOCP) na własności mechaniczne stali NC11 (X21cr12) ocenione w próbie statycznego zginania. Wykazano wyraźny wzrost wytrzymałości na zginanie i ugięcia próbek obrobionych cieplnoplastycznie, w porównaniu do pró

6 bek obrobionych sposobem tradycyjnym (tab. 2). Podstawową przyczyną polepszenia własności były zmiany rozmieszczenia węglików i dziedziczenie przez martenzyt skutków umocnienia austenitu, zwłaszcza wzrostu gęstości dyslokacji. Na rys. 8 pokazano struktury stali NC11 (X21Cr12) po WOCM i po tradycyjnej obróbce cieplnej w optymalnych warunkach. Tablica 2 Wyniki pomiarów własności mechanicznych stali NC11 (X21Cr12) po obróbce cieplnej (OC) i cieplnomechanicznej (WOCP) Rodzaj obróbki Gniot % Wytrzymałość na zginanie MPa Ugięcie mm Twardość HRC OC 233 1,8 59,5 WOCP ,2 59,5 Austenityzowanie 96 o C w ciągu 1 minut i hartowanie w oleju. Odpuszczanie 25 o C w ciągu 2 godzin. Austenit szczątkowy moŝe ulegać przemianie izotermicznej (w stałej temperaturze) lub podczas chłodzenia ciągłego. Interesującym sposobem zmniejszenia udziału austenitu w strukturze stali i otrzymanie tą drogą dobrych własności eksploatacyjnych narzędzi z ledeburytycznych stali chromowych jest obróbka podzerowa [18]. Chłodzenie w tym zabiegu moŝna prowadzić dwojako [19]: do temperatury 223 K (9 o C) typowa obróbka podzerowa, do temperatury 93 K (196 o C) obróbka kriogeniczna. W pracy [19] zrealizowano obróbkę podzerową według schematu, jak na rys. 9, obejmującą hartowanie, starzenie, wymra Ŝanie i niskie odpuszczanie. Obróbka spowodowała wzrost własności mechanicznych (granicy plastyczności i twardości), oraz wzrost odporności na ścieranie; obróbka kriogeniczna spowodowała dalszy wzrost odporności na ścieranie, zwłaszcza, jeśli próbę przeprowadzano przy większej prędkości tarcia. Zmiana tych własności, oraz wzrost stabilności wymiarowej wyrobów, związana z ujednorodnieniem martenzytycznej osnowy powodowana jest przemianą austenitu oraz wydzielaniem dyspersyjnych węglików. Na rys. 1 przedstawiono zmiany zawartości austenitu szczątkowego po wymraŝaniu próbek z ledeburytycznej stali chromowej, austenityzowanej w temperaturze 12 i 11 o C. Badania wykazały jednak, Ŝe istotny wpływ na korzystne zmiany własności stali, zwłaszcza na odporność na zuŝycie w warunkach 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 obróbce cieplnej. Zawartość austenitu. szczątkowego, % ºC 11 ºC Temperatura, o C Rys. 1. Udział austenitu szczątkowego po obróbce podzerowej stali X153CrMoV12 [19] 4. Obróbka cieplnochemiczna Rys. 9. Schemat obróbki podzerowej [19] Tradycyjne, ledeburytyczne stale narzędziowe chromowe mają małą odporność na odpuszczające działanie temperatury. Stale tego typu, lecz stopowane dodatkowo innymi weglikotwórczymi pierwiastkami, mają odpuszczalność zbliŝoną do odpuszczalności stali szybkotnących. Dlatego sensowne wydają się badania nad moŝliwością obniŝenia temperatury azotowania tych stali. Tradycyjnie przyjmuje się, Ŝe jest ona o około 2 3 o C niŝsza od temperatury odpuszczania.

7 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 znaczenie ma równieŝ 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 [2], 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 (X21Cr12) i NCWV utwardzają się podczas azotowania gazowego na mniejszą głębokość aniŝeli stale szybkotnące SW7M (HS652) i SW12C, oraz stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno NZ4 i do pracy na gorąco WCLV (X4CrMoV51). Grubość warstwy, m Czas azotowania, h 5 %Cr 1 %Cr 2 %cr Rys. 11. Wpływ zawartości chromu w stali i czasu azotowania jonowego w temperaturze 5 o C na grubość warstwy dyfuzyjnej [2] Struktura warstwy azotowanej zaleŝy od składu chemicznego stali oraz od warunków procesu, które dobiera się w zaleŝności 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. Dynamiczne obciąŝenie narzędzi podczas plastycznego 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 22 do 32 MPa. Poprawna struktura warstwy azotowanej ledeburytycznej stali chromowej winna zawierać azotek γ (Fe 4 N), azotek CrN oraz strefę azotowania wewnętrznego; roztwór stały α z wydzieleniami azotku α (Fe 16 N 2 ). Występowanie przy powierzchni mieszaniny faz ε+γ sprawia, Ŝe warstwa dyfuzyjna w tej części jest krucha i porowata. Wykazano [2], Ŝe w warstwie azotowanej stali chromowej istnieją dwa fronty dyfuzji; wchodzący głębiej, którego skutkiem jest warstwa azotowania wewnętrznego z wydzieleniami węglików, zwłaszcza chromu, oraz front przemian, zawierający tylko azotki. Analiza skutków azotowania gazowego na stalach o róŝnym składzie chemicznym wykazała [23], Ŝe istnieje moŝliwość precyzyjnego projektowania warstw azotowanych. Istnieją podstawy teoretyczne dla opracowania precyzyjnych programów technologii i praktyczne moŝliwości kontroli ich realizacji w nowoczesnych urządzeniach grzewczych. Sterowanie dyfuzją w procesach azotowania jonowego, z uwagi na charakter grzania, jest utrudnione. Budowanie podkładu (warstwy azotowanej) pod powłoki omówiono w pracy [24]. Azotowanie jonowe prowadzono na stali X155CrMoV121 w atmosferze N 2 H 2 Ar w przedziale temperatury o C w ciągu dwóch godzin, otrzymując warstwy dyfuzyjne o róŝnej grubości i twardości. Na te warstwy nakładano (metodą PVD) powłoki TiN, które poddano odpowiedniemu obciąŝeniu. Badania wykazały, Ŝe największe obciąŝenia przenosiła powłoka nałoŝona na warstwę azotowaną w temperaturze 51 o C. Ten rodzaj powłoki wykazywał tak Ŝe największą odporność na zuŝycie przez tarcie (rys. 12).

8 Stopień zuŝycia, m/m,8,7,6,5,4,3,2,1 TiN tylko Rodzaj obróbki Azotowanie Rys. 12. Wpływ sposobu podwójnej obróbki na zuŝycie w warunkach tarcia suchego; docisk próbki do rolki ze stali zawierającej 45 %C 1 N, szybkość obwodowa rolki,4 m/s [24] 5. Nowoczesne technologie powierzchniowe 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 technologii pojawiły się w Japonii w roku 197, a jej nazwa brzmiała Toyota Diffusion Process (TD process) i prowadzona była w stopionej soli boraksowej, w temperaturze około 1 o C. Po zastosowaniu ośrodka fluidyzującego moŝliwe było obniŝenie temperatury obróbki. Tak powstała metoda TRD, równieŝ w Japonii, jako modyfikacja poprzedniej. Proces prowadzi się w mieszaninie sproszkowanego chromu 3%, Al 2 O 3 7% i aktywatora NH 4 Cl. Nośnikiem cząstek proszków jest argon, który stanowi równieŝ ochronę przed utlenianiem. Otrzymana w tym procesie warstwa zawiera azotki (Cr,Fe) 2 N i węgliki (Cr,Fe) 23 C 6 wzbogacone węglem i azotem. Rozkład profilów Cr w warstwie był przeciwny rozkładowi Fe, przy czym więcej chromu występowało przy powierzchni. Mikrotwardość warstwy wynosiła HV. Materiałem badań była modyfikowana stal D2 (X153CrMoV12); zawartość węgla w tym materiale była zbliŝona do jego zawartości w osnowie stali po tradycyjnym hartowaniu. Drugim interesującym procesem wzbogacania warstwy wierzchniej ledeburytycznej stali chromowej moŝe być obróbka laserowa. Podczas przetapiania warstwy wierzchniej takiej stali, moŝna zmieniać jej skład chemiczny, wprowadzając w stopioną strefę róŝne pierwiastki. W pracy [26] starano się ocenić zmiany strukturalne, zachodzące podczas odpuszczania, przetopionej wiązką lasera i zahartowanej uprzednio warstwy stali X165CrMoV121. Stwierdzono, Ŝe stal po zahartowaniu ma małą twardość; zawiera około 82% austenitu i 12% ledeburytu, mieszaniny węglika M 7 C 3 i austenitu. Pojawiają się początkowo ukierunkowane, zgodnie z kierunkiem odprowadzania ciepła, dendryty pierwotne. Powstałe podczas chłodzenia wtórne dendryty ujednaradniają strukturę ograniczając wzajemnie dalszy ich rozrost. Podobnie jak podczas tradycyjnej obróbki, austenit powstały po hartowaniu laserowym jest jednorodny i bardzo trwały; w zakresie temperatury odpuszczania 2 5 o C niewiele się zmienia. DuŜa rozpuszczalność węglików podczas laserowego austenityzowania powoduje wzrost gęstości dyslokacji i powstanie bliźniaków. Składniki stopowe Mo i Cr utrudniają przemianę austenitu. Odpuszczanie w zakresie 55 6 o C powoduje powstanie martenzytu listwowego z duŝą gęstością dyslokacji, przy czym temperatura M s zaleŝna jest od zawartości węgla. Na granicach listew martenzytu wydzielają się węgliki M 3 C, M 7 C 3 i M 23 C 6. W temperaturze powyŝej 6 o C 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 szybkotnącymi, temperaturę austenityzowania, moŝliwość otrzymania dwufazowej struktury: austenit + węgliki po hartowaniu z wysokiej temperatury, oraz

9 martenzyt + węgliki (z niewielką ilością austenitu) po hartowaniu tradycyjnym, duŝą stabilność austenitu po hartowaniu stali z wysokiej temperatury, duŝą odporność na ścieranie, po niewielkim wzbogaceniu stali pierwiastkami stopowymi, dość duŝą odporność na odpuszczające działanie temperatury, niską cenę, w porównaniu z wysokostopowymi materiałami narzędziowymi. Badania prowadzone w ramach projektów [6 i 7], a które omówione będą w dalszych publikacjach, miały do pewnego stopnia uzupełnić wiedzę o ledeburytycznych stalach chromowych i stworzyć podstawy do projektowania technologii obejmującej obróbkę plastyczną, cieplną i cieplnochemiczną (azotowanie). By spełnić zamierzenia, konieczne było uzyskanie odpowiedzi na następujące pytania: Czy i w jakim przedziale, w chromowych stalach ledeburytycznych, występuje zjawisko obniŝonego oporu plastycznego? Jaki jest wpływ parametrów austenityzowania 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 austenitycznej osnowie) pod wpływem umocnienia zgniotowego? Jaki jest wpływ umocnienia zgniotowego na dyfuzję azotu w stali o takiej strukturze? Czy zabieg azotowania moŝe być traktowany jednocześnie jako zabieg odpuszczania badanych stali? Jaka jest minimalna temperatura azotowania tych stali? Jaki jest wpływ odkształcenia plastycznego na skutki azotowania stali chromowych o ledeburytycznej strukturze? Literatura 1. Berkowski L.: Obróbka cieplnochemiczna odkształconych plastycznie wyrobów. Projekt badawczy KBN nr INOP Poznań 1994, s, 114, 75 rys., 14 tab., bibliogr. 3 poz. 2. Berkowski L., Pachutko B.: Wpływ warunków obróbki cieplnej na strukturę i własności stali SW7M. Część 1: skutki obróbki plastycznej w zakresie obniŝonego oporu plastycznego. Obróbka Plastyczna Metali. 1999, t 1, nr 5, s. 9 13, 5 rys., bibliogr. 9 poz. 3. Berkowski L., Konieczyński M., Wroczyński K.: Własności stali WNL i WCL w statycznej próbie rozciągania na gorąco. Obróbka Plast. 1974, t.13, nr 2, s.73 8, 12 rys. 3 tab., bibliogr. 4 poz. 4. Berkowski L., Konieczyński M., Wroczyński K.: Własności stali WWS1, WLK i WWWN1 w statycznej próbie rozciągania na gorąco. Obróbka Plast. 1975, t.14, nr 3, s , 18 rys. 4 tab., bibliogr. 5 poz. 5. Berkowski L., Pachutko B.: Własności oszczędnościowych stali szybkotnących w zakresie temperatury kształtowania na ciepło. Zeszyty Naukowe AGH. Mechanika nr 9, Kraków 1986, s , 7 rys., 2 tab., bibliogr. 7 poz. 6. Berkowski L [i in.]: Podstawy technologii wytwarzania narzędzi z wykorzystaniem dyfuzji azotu w odkształconych, wysokochromowych stalach ledeburytycznych. Projekt badawczy KBN nr 112/T8C/96/11. INOP Poznań 1999, s.78, 91 rys., 14 tab. 7. Borowski J: Wpływ stanu strukturalnego hartowanej stali NC11LV na skutki krótkookresowego azotowania. (Praca doktorska) Projekt badawczy KBN nr 7 T8C 1 19, s. 95, 79 rys., 16 tab., bibliogr.92 poz. 8. Bungardt K., Kunze E., Horn E.: Untersuchungen über den Aufbau des Systems EisenChromKohlenstoff. Arch. Eisenhüttenwesen. 1958, t. 29, nr 3, s , 9 rys., 4 tab. bibliogr.17 poz. 9. Głowacki Z.: Wpływ temperatury i czasu austenityzowania na węgliki stali chromowych. Hutnik. 1968, nr 1, s , 14 rys., 4 tab. Bibliogr. 2 poz. 1. Bielecki M.: Charakterystyki stali. Seria F: Stale narzędziowe. Tom II: Stale stopowe do pracy na zimno. Wyd.

10 Śląsk Katowice 1976, s. 35. Stal NC11 s Dobrzański L. A. [ i in.]: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stali narzędziowych. WNT Warszawa199. s. 746, 599 rys., 142 tab., bibliogr poz. 12. śmihorski E.: Stale narzędziowe i obróbka cieplna narzędzi. WNT Warszawa (wyd. 3) 1976, 52, 371 rys., 11 tab. bibliogr. 28 poz. 13. Pavaras A.E., Chodočinskas S.A.: Udarnaja viaskost stali H12M s karbidnoj i strukturnoj nieodnorodnost ju. Metalloved. i Term. Obrab. Metallov. 1969, nr 7, s. 17 2, 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 , 14 rys., 1 tab. bibliogr.18 poz. 15. Malkiewicz T.: Metaloznawstwo stopów Ŝelaza. PWN. Warszawa Kraków (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 , 4 rys., 1 tab. Bibliogr. 1 poz. 17. Berkowski L.: Analiza wpływu umocnienia cieplnoplastycznego na strukturę i własności wyciskanych na gorąco stali narzędziowych. Wyd. INOP, Poznań 1981, s. 174, 67 rys., 13 tab. bibliogr. 282 poz. 18. Wierszyłłowski I., Szcześniak L.: Wpływ obróbki kriogenicznej po hartowaniu na przemiany zachodzące podczas odpuszczania wybranych stali narzędziowych. Badania dylatometryczne i DTA. Obróbka Plastyczna Metali. 25, nr 1, s.31 36, 8 rys., 1 tab. Bibliogr. 13 poz. 19. Meng F. (i in.): Role of Etacarbide Precipitations in the Wear Resistance Improvements of Fe12CrMoV1.4C Tool Steel by Cryogenic Treatment. ISIJ International, 1994, t. 34, nr 2, s , 9 rys., 1 tab., bibliogr. 2 poz. 2. Alves Jr. C., Anchieta Rodrigues J., Martinelli A. E.: Growth of nitrided layers on FeCr alloys. Materials Science and Engineering. A279, 2, s. 1 15, 8 rys., 2 tab. Bibliogr. 11 poz. 21. Adamczyk J., Przybył M.: Wpływ warunków azotowania na strukturę i własności mechaniczne wybranych gatunków stali narzędziowych. II Międzynarodowa Konferencja Węgliki Azotki Borki, Poznań Kołobrzeg s , 1 rys. 3 tab. bibliog. 12 poz. 22. Uma Devi M., Mohanty O. N.: Plasmanitriding of tool steels for combined percussive impact and rolling fatigue wear applications. Materials Science and Engineering. 17, 1998, s. 5564, 1 rys., 7 tab. Bibliogr. 35 poz. 23. Małdziński L.: Termodynamiczne, kinetyczne i technologiczne aspekty wytwarzania warstwy azotowanej na Ŝelazie i stalach w procesach azotowania gazowego. Politechnika Poznańska Rozprawy. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 22, 77 rys., 12 tab., bibliogr. 73 poz. 24. Höck K. [i in.]: Wear resistance of prenitrided hardcoated steels for tools and machine components. Surface and Coatings Technology. 1996, t. 8, s , 7 rys., 3 tab., bibliogr. 6 poz. 25. Chen FS., Lee PY., Yeh MC.: Thermal reactive deposition coating of chromium carbide on die steel in fluidized bed furnace. Metals Chemistry and Physics. 1998, t. 53, s , 8 rys., 3 tab., bibliogr. 13 poz. 26. Wu R. [I in.]: Lasermelted surface layer of steel X165CrMoV121 and its tempering characteristics. Materials Science and Engineering. A278, 2, s. 14, 4 rys., Bibliogr. 19 poz.

11 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. Key words: ledeburiticchromium steels, structure, properties, parameters of treatment