Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco w świetle norm europejskich i amerykańskich

Transkrypt

1 Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco w świetle norm europejskich i amerykańskich Hot-working tool steels heat treatment in the light of the European and American standards prof. dr hab. inż. Piotr KULA 1, dr inż. Emilia WOŁOWIEC 1 dr inż. Maciej KORECKI 2, inż. Józef OLEJNIK 2 W KILKU SŁOWACH Ostateczne własności mechaniczne narzędzi determinuje obróbka cieplna hartowania i odpuszczania. NIekiedy wprowadza się dodatkowe procesy głębokiego wymrażania, nakładania powłok CVD, PVD, lub azotowania. Nieprawidłowości w procesie obróbki cieplnej (i cieplnochemicznej) powodują szybkie zużycie, deformację, a nawet zniszenie narzędzi oraz eksploatowanych elementów. Trudności w zapewnieniu jakości narzędzi doprowadziły do powstania stanadardów obróbki. Najbardziej znane i rozpowszechnione opracowanie w tym zakresie, na którym wzoruje się wiele branż, to wytyczne NADCA SUMMARY Final mechanical properties of tools are determined by heat treatment, which involves quenching and tempering. Sometimes additional methods are included in the process, such as deep freezing, CVP and PVD coatings, and nitriding. Irregularities occurring during heat (and thermochemical) treatment can result in rapid wear, deformation, and even destruction of the tools and parts in operation. Difficulties in ensuring quality of tools led to the development of heat treatment standards. The NAD- CA standards are the most popular and widely accepted guidelines in the field, serving as inspiration to other branches of industry. Stale narzędziowe są szeroko stosowanym materiałem w budowie narzędziprzeznaczonych do kształtowania plastycznego i formowania elementów z metalu, tworzyw sztucznych i innych w produkcji masowej. Są to matryce do wyciskania, formy do odlewania ciśnieniowego, trzpienie, przebijaki oraz inne elementy do przeróbki plastycznej innych materiałów ogrzanych do wyższych temperatur w zakresie o C. Ponieważ zasadniczym wymaganiem stawianym narzędziu jest stałość kształtu, oczekuje się, że materiał z którego został wykonany będzie znosił obciążenia bez odkształceń plastycznych oraz wykazywał dużą odporność na ścieranie. Dodatkowo narzędzie powinno charakteryzować się wysoką twardością i wytrzymałością, odpowiednią ciągliwością i udarnością warunkującą odporność na pękanie i to uzyskane w wysokich temperaturach pracy (do 700 o C). Klasycznymi przedstawicielami stali narzędziowych do pracy na gorąco są stale: WCL i WCLV, których odpowiednikami w różnych standardach są: H11 i H13 (AISI), W300 i W302 (Bohler), X37CrMoV5-1 i X40CrMoV5-1 (DIN, EN), i (Werkstoff). Skład chemiczny stali WCL zawiera się w następujących zakresach: 0,33-0,41 %C 0,8-1,2 %Si0, 25-0,50 %Mn 4,8-5,1 %Cr 1,1-1,5 % Mo0,30-0,50 %V w tym zawartość P i S nie powinna przekraczać odpowiednio: 0,03 % i 0,02 %. Podczas gdy stal WCLV jest w zasadzie zmodyfikowaną stalą WCL o zwiększoną zawartość wanadu do 0,85-1,15 %. Wanad poprawia hartowność stali, tworzy bardzo twarde węgliki, zwiększa efekt twardości wtórnej oraz odporność na pełzanie. Obróbka cieplna stali narzędziowych Ostateczne własności mechaniczne narzędzia determinuje obróbka cieplna, na którą składa się zabieg hartowania i bezpośrednio następujące po nim odpuszczanie. Stale do pracy na gorąco hartuje się w oleju lub w gazie z temperatur do 1120 o C a następnie odpuszcza w zakresie do 600 o C. Temperatura austenityzacji jest kompromisem pomiędzy koniecznością ograniczenia rozrostu ziaren austenitu pierwotnego, a potrzebą rozpuszczenia węglików stopowych oraz wpływa na odporność temperaturową i udarność. W zależności od wielkości narzędzi podczas hartowania dąży się do osiągnięcia struktury martenzytu (mniejsze 1Politechnika Łódzka Instytut Inżynierii Materiałowej 2SECO/WARWIC S.A

2 elementy) lub martenzytu z bainitem (większe narzędzia). Następnie stosuje się przynajmniej dwukrotne odpuszczanie w temperaturze lub powyżej efektu twardości wtórnej, w celu redukcji austenitu szczątkowego, zwiększenia ciągliwości oraz odporności na zmęczenie cieplne. Niekiedy wprowadza się dodatkowe procesy, takie jak: głębokie wymrażanie po hartowaniu, nakładanie zróżnicowanych powłok (CVD, PVD) lub azotowanie, które dodatkowo utwardzają powierzchnię roboczą narzędzi oraz poprawiają ich odporność na ścieranie i korozję. Poprawnie wykonana obróbka cieplna decyduje o własnościach mechanicznych i użytkowych narzędzi oraz ekonomii ich stosowania. Dopuszczenie nieprawidłowości prowadzi do szybszego zużycia, deformacji lub uszkodzenia eksploatowanych elementów, a w skrajnym przypadku nawet ich zniszczenia (pęknięcia) już w czasie obróbki cieplnej, powodując wymierne straty finansowe. Oczywiście, nie bez znaczenia jest odpowiednia jakość i stan materiału wyjściowego. Trudności w zapewnieniu jakości wielkogabarytowych narzędzi (form i matryc) doprowadziły do powstania standardów ich obróbki. Najbardziej znane i rozpowszechnione opracowania w tym zakresie zostały wydane przez amerykańskie stowarzyszenie NADCA (North American Die Casting Association) [5] oraz liderów przemysłu samochodowego m. in. koncerny Ford [6], General Motors [7]. Standardy dotyczą przede wszystkim stali H11/H13 (WCL/WCLV) i jej modyfikacji: nawiązują do kontroli jakości stanu materiału wyjściowego, wytycznych w zakresie prowadzenia i kontrolowania procesu obróbki cieplnej oraz badań wyników. W Europie nie spotkano tak kompleksowego podejścia do procesu produkcji narzędzi, niemniej takie standardy są również wypracowane na poziomie branżowym, szczególnie w koncernach samochodowych oraz przez producentów stali. Nie jest tajemnicą również, że i te standardy bazują na wytycznych NADCA. Wytyczne do OC stali narzędziowych do pracy na gorąco wg NADCA Amerykańskie stowarzyszenie odlewników NADCA, zajęło się dogłębnie problematyką produkcji narzędzi ze stali do pracy na gorąco. Efektemtegopowstałprzewodnik pod tytułem: Special Quality Die Steel & Heat Treatment Acceptance Criteria for Die Casting. W opracowaniu poruszono zagadnienia jakości materiału wyjściowego, obróbki cieplnej w próżni oraz metod spawania. Przed obróbką cieplną muszą zostać potwierdzone parametry i jakość stali poprzez: Sklasyfikowanie gatunku pod katem składu chemicznego dodatków stopowych i zawartości siarki i fosforu (gatunki od A do E) Pomiar twardości po wyżarzaniu (poniżej 235 HB) Analizę zawartości mikrozanieczyszczeń. Potwierdzenie braku wewnętrznych defektów jak: pęknięcia, obecność tlenków, porowatość, segregacja, itp. (badanie ultradźwiękowe) Określenie wielkości ziarna (poniżej 7 wg ASTM E112) Badanie mikrostruktury (ferryt z równomiernie rozłożonymi, sferoidalnymi węglikami) Według wytycznych NADCA proces obróbki cieplnej należy prowadzić w piecu próżniowym z hartowaniem w gazie pod wysokim ciśnieniem, monitorując i kontrolując temperaturę na powierzchni i w rdzeniu obrabianej części (dla termopar wsadowych ustalone są ściśle określone lokalizacje). Nagrzewanie do temperatury austenityzacji prowadzi się stopniowo, nie dopuszczając do zbyt dużej różnicy temperatur. Pierwszy przystanek następuje w temperaturze ok. 650 o C i trwa do chwili, aż różnica temperatur między rdzeniem i powierzchnią będzie mniejsza niż 110 o C (w praktyce dużo mniej). Kolejny przystanek ustala się w temperaturze 850 o C i trwa do wyrównania temperatur, z różnicą nie przekraczającą 14 o C. Ostatecznie osiągana jest temperatura austenityzacji 1030 o C, w której następuje wygrzewanie przez czas 30 min od chwili wyrównania temperatur (przy dopuszczalnej różnicy temperatur poniżej 14 o C), lub przez maksymalnie 90 min od osiągnięcia temperatury 1030 o C na powierzchni. Zalecenia te ograniczają deformacje termiczne jak również nadmierny rozrost ziarna austenitu. Matryce hartuje się, chłodząc je z maksymalną szybkością do osiągnięcia temperatury 150 o C w rdzeniu. Średnia szybkość chłodzenia powierzchni do temperatury 540 o C powinna wynosić co najmniej 28 o C/ 26 piece przemysłowe & kotły XI-XII/2012

3 min. W przypadku dużych matryc (przy przekrojach powyżej 300 mm), stosuje się chłodzenie izotermiczne w temperaturze powierzchni o C, w przypadku kiedy temperatura rdzenia odstaje o ponad 100 o C. Przystanek izotermiczny zostaje zakończony, gdy wystąpi jeden z poniższych warunków: temperatura rdzenia różni się od temperatury powierzchni o mniej niż 100 o C, temperatura powierzchni spadła poniżej 400 o C, od rozpoczęcia przystanku izotermicznego minęło 30 min. Chłodzenie jest kontynuowane do osiągnięcia 50 o C w rdzeniu, po czym natychmiast po nim następuje odpuszczanie. Nie należy schładzać elementów poniżej temperatury 33 o C. Wymagana szybkość chłodzenia jest istotna ze względu na ryzyko zbyt dużego wydzielenia węglików po granicach ziaren, skutkujące gorszą udarnością. Izotermiczne chłodzenie ogranicza różnicę temperatur powierzchni i rdzenia, przez co zmniejsza naprężenia i deformacje, chroni detal przed pęknięciem i jednocześnie nie dopuszcza do powstania struktury perlitycznej. Pierwsze odpuszczanie prowadzi się w temperaturze minimum 565 o C, wytrzymując przez czas zależny od przekroju narzędzia (1 h / 25 mm), lecz nie krócej niż przez 2 h. Dalej następuje chłodzenie do temperatury otoczenia i drugie odpuszczanie w temperaturze nie mniejszej niż 550 o C. Trzecie odpuszczanie nie jest konieczne i jest stosowane jedynie do ostatecznej korekty twardości. Procesy odpuszczania zmniejszają wewnętrzne naprężenia, zapewniają stabilność wymiarową oraz właściwą strukturę i wymaganą twardość, zwykle w zakresie HRC. Piec próżniowy z hartowaniem gazowym Wymagania stawiane przez NADCA dotyczące obróbki cieplnej form i matryc są możliwe do zrealizowania w jednokomorowym piecu próżniowym wyposażonym w system chłodzenia w gazie obojętnym pod wysokim ciśnieniem (typu HPGQ high pressuregasquench) [4-8]. Seco/Warwick oferuje typoszereg pieców 15.0 VPT specjalnie dedykowanych do obróbki cieplnej narzędzi, które spełniają najostrzejsze wymagania tej branży i są dostarczane do odbiorców na całym świecie (w krajach europejskich, USA, Kanadzie, Meksyku, Brazylii, Chinach, Indiach, a nawet w Australii). Dostępne są piece różnej wielkości przestrzeni roboczej od 400/400/600 poprzez 600/600/900, 900/800/1200, 1200/1200/1800 mm i większe, z poziomym i pionowym załadunkiem wsadu (Rys.1.). Rys. 1. Poziomy piec próżniowy typu 15.0 VPT (Seco/Warwick) Piece posiadają kompaktową budowę i ze względu na brak emisji zanieczyszczeń i innych uciążliwych czynników, mogą być instalowane i eksploatowane w czystych pomieszczeniach. Wyposażone są w grafitową komorę grzejną umożliwiającą nagrzewanie wsadu do maksymalnej temperatury 1300 o C z równomiernością +/- 5 o C i lepszą. Umożliwiają to dookolnie rozmieszczone elementy grzejne pracujące radiacyjnie w próżni oraz w gazie obojętnym (w konwekcji, system ConFlap) dzięki czemu zapewnione jest skuteczne i równomierne grzanie również w niskich temperaturach. Piec hartuje w gazie obojętnym pod wysokim ciśnieniem (15 atm), którego cyrkulację w obiegu zamkniętym wymusza dmuchawa. Gaz chłodzący kierowany jest przez dysze rozmieszczone dookolnie bezpośrednio na wsad, skąd ciepło jest odbierane i przekazywane do wewnętrznego wymiennika ciepła. System chłodzenia umożliwia realizację procesów hartowania izotermicznego, regulując intensywność chłodzenia wydajnością dmuchawy i ciśnieniem gazu (Rys.2.)

4 Piec próżniowy umożliwia przeprowadzenie całego procesu w jednym urządzeniu, bez przemieszczania wsadu, w jednym cyklu roboczym, realizując kolejno: nagrzewanie do austenityzacji, hartowanie izotermiczne, wielokrotne odpuszczanie i również azotowanie. Proces może być monitorowany poprzez termopary wsadowe, umieszczone w dowolnym miejscu matrycy. Prowadzenie procesu w próżni i gazach obojętnych umożliwia zachowanie idealnej powierzchni detali (Rys.4.). Rys.2. Przebieg procesu austenityzacji i hartowania z przystankiem izotermicznym, z monitoringiem temperatury pieca oraz powierzchni i rdzenia matrycy. Skuteczność chłodzenia gazowego pieców 15.0 VPT została potwierdzona testami na referencyjnym bloku stalowym o wymiarach 400/400/400 mm (Rys.3.) uzyskując prędkości od o C/min (dla wymaganych przez NAD- CA 28 o C/min i GM 39 o C/min). Rys.3. Próba szybkości chłodzenia wg NADCA na referencyjnym bloku stalowym o wymiarach 400/400/400 mm. Rys.4. Matryca w komorze pieca próżniowego po kompleksowej obróbce cieplnej.. Symulator hartowania stali narzędziowych Ustalenie zależności między strukturą, procesem technologicznym i własnościami użytkowymi ma kluczowe znaczenie dla poprawnego i optymalnego prowadzenia procesów wytwarzania narzędzi, ponieważ dobór właściwego materiału wraz z odpowiednim procesem technologicznym zapewnia największą trwałość produktu przy najniższych kosztach. Tradycyjny sposób dochodzenia do optymalnych własności produktu i parametrów procesu technologicznego metodą prób i błędów jest dziś powszechnie zastępowany przez metody symulacyjne i predykcyjne, pozwalające na projektowanie zarówno wyrobu jak i jego procesu technologicznego za pomocą komputera. W obróbce cieplnej i cieplno-chemicznej również obserwuje się zainteresowanie aplikacjami do modelowania i symulowania tych zjawisk. Dotyczy to 28 piece przemysłowe & kotły XI-XII/2012

5 zarówno samego przebiegu procesu jak i właściwości wynikowych obrabianych elementów [9-14]. Rys. 5. Ogólny widok programu do symulacji i kontroli przebiegu procesu hartowania stali narzędziowych. Program G-Quench Pro (Rys. 5) będący na wyposażeniu pieców HPGQ służy do symulacji i kontroli przebiegu procesów hartowania stali narzędziowych w gazie, redukując potrzebę przeprowadzania procesów testowych. Podstawy matematyczne procesu chłodzenia oraz zależności twardości materiału od czasu chłodzenia zostały opracowane na podstawie badań przeprowadzonych w Politechnice Łódzkiej i firmie Seco/Warwick S.A. oraz dostępnych danych literaturowych. Bezpośrednim rezultatem symulacji jest wyznaczenie przebiegu krzywej chłodzenia dla danego materiału w określonych warunkach. Jej wyznaczenie następuje na podstawie parametrów materiału, procesu i fizycznego elementu takich jak temperatura hartowania, ciśnienie i rodzaj gazu chłodzącego, wymiary elementu, i jego krzywizna oraz gęstość upakowania elementów w komorze chłodzącej. W połączeniu z indywidualnym wykresem fazowym materiału, krzywa daje informację o fazach przez które przechodzi stal podczas chłodzenia. Ostatecznym efektem symulacji jest określenie szybkości hartowania oraz przewidywanej wynikowej twardości materiału. Jak wspomniano wcześniej, indywidualne parametry urządzenia hartującego w dużym stopniu determinują rzeczywisty przebieg procesu sprawiając, że te same parametry ustawione na dwóch różnych urządzeniach mogą dać w wyniku różnie zahartowane sta- le. Z tego powodu program na etapie instalacji jest konfigurowany pod kątem konkretnego przypisanego mu urządzenia fizycznego. Tym samym charakterystyka indywidualna pieca jest również uwzględniana przy obliczaniu wynikowych własności produktu. G- -Quench Pro umożliwia monitoring procesu hartowania w czasie rzeczywistym (on-line). W tym trybie program jest podłączony do systemu sterowania pieca i na bieżąco kreśli krzywą chłodzenia na wykresie fazowym na podstawie rzeczywistych pomiarów temperatury wziętych z termopar wsadowych. Opcja ta pozwala na ocenę poprawności przebiegu procesu hartowania jeszcze w czasie jego trwania i daje możliwość wprowadzenia odpowiednich korekt. Podsumowanie Opracowane przez NADCA wytyczne i standardy dotyczące produkcji i eksploatacji narzędzi ze stali do pracy na gorąco są powszechnie stosowane lub adoptowane zarówno w amerykańskim, jak i europejskim przemyśle. Wytyczne obejmują całe spektrum procesów i ich kontroli dotyczących produkcji narzędzi, począwszy od materiału surowego, poprzez obróbkę cieplną, a skończywszy na eksploatacji i naprawach. Obróbka cieplna narzędzi do pracy na gorąco powinna odbywać się z piecach próżniowych z hartowaniem w gazie z przystankiem izotermicznym. Proces powinien być prowadzony z odpowiednią szybkością nagrzewania i chłodzenia oraz powinien być monitorowany termoparami wsadowymi aby kontrolować różnice temperatur wewnątrz materiału. Jednokomorowe piece próżniowe wyposażone w hartowanie pod wysokim ciśnieniem gazu (15 bar) z opcją przystanku izotermicznego są idealnym rozwiązaniem na spełnienie wytycznych NADCA w zakresie kompleksowej obróbki cieplnej stali narzędziowych do pracy na gorąco. Simulator procesu hartowania G-Quench Pro umożliwia przewidywanie wyników procesu i optymalne dopasowanie parametrów chłodzenia do danego elementu i urządzenia, zapewniając odpowiedni wynik technologiczny. Bibliografia [1] Nord American Die Casting Association: Special Quality die steel & heat treatment acceptance criteria for die casting dies. Vacuum heat treatment, [2] FORD Motor Company, Advanced Manufacturing Development - DC2010: Die insert material and heat treatment performance requirements, [3] GM Powertrain Group DC- 9999: Die insert material and heat treating specification, [4] J. Olejnik: Vacuum furnaces with high pressure charge cooling. Metallurgy 3/2002. [5] M. Korecki: Technical and Technological Properties of Gas Cooling in High Pressure Chamber. IX Seminarium Nowoczesne trendy w obróbce cieplnej. Bukowy Dworek [6] J. Kowalewski, M. Korecki, J. Olejnik: NextGeneration HPQ VacuumFurnace. Heat Treating Progress [7] M. Korecki, J. Olejnik, Z. Szczerba, M. Bazel: Single-Chamber 25 bar HPGQ Vacuum Furnace with Quenching Efficiency Comparable to Oil. Industrial Heating , [8] M. Korecki, J. Olejnik, Z. Szczerba, M. Bazel, R. Atraszkiewicz: Piec próżniowy Seco/Warwick typ 25VPT z hartowaniem w azocie i helu pod ciśnieniem 25 bar i jego nowe możliwości technologiczne. XIII Seminarium Nowoczesne trendy w obróbce cieplnej. Bukowy Dworek [8] M. Korecki, P. Kula, J. Olejnik: New Capabilities in HPGQ VacuumFurnaces. Industrial Heating [9] L.A. Dobrzański, J. Madejski, W. Malina, W. Sitek: The prototype of an expert system for the selection of high-speed steels for cutting tools. Journal of Materials Processing Technology 56/ , [10] L.A. Dobrzański, J. Trzaska: Application of neural network for the prediction of continous cooling transformation diagrams. Computational Materials Science 30/ , [11] P. Kula, R. Atraszkiewicz, E. Wołowiec: Modern gas quenching chambers supported by SimVac Plus hardness application. AMT Heat Treatment, Detroit [12] P. Kula, M. Korecki, R. Pietrasik et al.: FineCarb - the Flexible System for Low-pressure Carburizing. New Options and Performance. The Japan Society for Heat Treatment , [13] W. Sitek: Methodology of high-speed steels design using the artificial intelligence tools. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 39/2 2010, [14]E.Wołowiec,L.Małdziński,M. Korecki:Nowe inteligentne programy wspierające produkty Seco/Warwick. XIV Seminarium Nowoczesne trendy w obróbce cieplnej. Bukowy Dworek 2011,