Wymrażanie i azotowanie stali narzędziowych

Podobne dokumenty
WYMRAśANIE POŁĄCZONE Z OBRÓBKĄ CIEPLNO-CHEMICZNĄ STALI NARZĘDZIOWYCH CRYOGENIC TREATMENT COMBINED WITH THERMO-CHEMICAL TREATMENT OF TOOL STEELS

POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WĘGLOAZOTOWANIE JAKO ELEMENT OBRÓBKI CIEPLNEJ DLA ŻELIWA ADI

Badania wpływu obróbki laserowej i azotowania na własności warstwy wierzchniej próbek ze stali WCL

BADANIA PORÓWNAWCZE ODPORNOŚCI NA ZUŻYCIE PRZEZ TARCIE AZOTOWANYCH I NAWĘGLANYCH STALI KONSTRUKCYJNYCH

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CRC+CRN WYTWARZANYCH PRZEZ POŁĄCZENIE PROCESU CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO Z OBRÓBKĄ PVD

Słowa kluczowe WymraŜanie długookresowe, kulowanie, stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco, narzędzia, odporność na zuŝycie.

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW DUPLEX WYTWARZANYCH W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ POKRYTEJ STOPEM NIKLU

WARSTWY WĘGLIKOWE WYTWARZANE W PROCESIE CHROMOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA POWIERZCHNI STALI POKRYTEJ STOPAMI NIKLU Z PIERWIASTKAMI WĘGLIKOTWÓRCZYMI

WPŁYW OBRÓBKI CIEPLNEJ NA WYBRANE WŁASNOŚCI STALIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE

WPŁYW ODKSZTAŁCENIA WZGLĘDNEGO NA WSKAŹNIK ZMNIEJSZENIA CHROPOWATOŚCI I STOPIEŃ UMOCNIENIA WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ PO OBRÓBCE NAGNIATANEM

Mikrostruktura i właściwości stali HS poddanej procesowi wymrażania kriogenicznego

Innowacyjne warstwy azotowane nowej generacji o podwyższonej odporności korozyjnej wytwarzane na elementach maszyn

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE POWŁOK ELEKTROLITYCZNYCH ZE STOPÓW NIKLU PO OBRÓBCE CIEPLNEJ

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA ZIMNO

ANTYŚCIERNE I ANTYKOROZYJNE WARSTWY NOWEJ GENERACJI WYTWARZANE W PROCESIE TYTANOWANIA PRÓŻNIOWEGO NA STALI NARZĘDZIOWEJ

ZASTOSOWANIE OCHŁADZALNIKA W CELU ROZDROBNIENIA STRUKTURY W ODLEWIE BIMETALICZNYM

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA ZIMNO

6. OBRÓBKA CIEPLNO - PLASTYCZNA

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH WYTWARZANYCH W PROCESACH CHROMOWANIA DYFUZYJNEGO POŁĄCZONYCH Z OBRÓBKĄ PVD

ZASTOSOWANIE NAŚWIETLANIA LASEROWEGO DO BLOKADY PROPAGACJI PĘKNIĘĆ ZMĘCZENIOWYCH

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA GORĄCO

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Zakład Metaloznawstwa i Odlewnictwa

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTW HYBRYDOWYCH TYPU CrC+(Ni-Mo)+CrN

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

4. Wyniki bada uzupełniaj cych własno ci stali szybkotn cych

MIKROSTRUKTURA I WŁAŚCIWOŚCI STALI NARZĘDZIOWYCH NADTAPIANYCH LASEREM CO 2

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Technologia azotowania jarzeniowego stali narzędziowych z zastosowaniem innowacyjnych rozwiązań

ĆWICZENIE Nr 7. Laboratorium Inżynierii Materiałowej. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska. Opracował: dr inż.

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ CRN W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

Akademia Morska w Szczecinie Instytut InŜynierii Transportu Zakład Techniki Transportu. Materiałoznawstwo i Nauka o materiałach

Ćwiczenie 5 POMIARY TWARDOŚCI. 1. Cel ćwiczenia. 2. Wprowadzenie

MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE

27/36 BADANIE PROCESÓW ODPUSZCZANIA STALI SW7.M PO HARTOWANIU LASEROWYM

43 edycja SIM Paulina Koszla

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

ROZKŁAD TWARDOŚCI I MIKROTWARDOŚCI OSNOWY ŻELIWA CHROMOWEGO ODPORNEGO NA ŚCIERANIE NA PRZEKROJU MODELOWEGO ODLEWU

Politechnika Politechnika Koszalińska

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA GORĄCO

Wpływ synergizmu obróbki cieplno-chemicznej i ubytkowej na wytrzymałość zmęczeniową stykową rolek łożyskowych

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

2.1.M.03: Technologie cieplno-chemiczne

Promotor: prof. nadzw. dr hab. Jerzy Ratajski. Jarosław Rochowicz. Wydział Mechaniczny Politechnika Koszalińska

ODPORNOŚĆ STALIWA NA ZUŻYCIE EROZYJNE CZĘŚĆ II. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ

STABILNOŚĆ STRUKTURALNA STALI P92 W KSZTAŁTOWANYCH PLASTYCZNIE ELEMENTACH RUROCIĄGÓW KOTŁÓW ENERGETYCZNYCH ANDRZEJ TOKARZ, WŁADYSŁAW ZALECKI

WPŁYW RODZAJU MASY OSŁANIAJĄCEJ NA STRUKTURĘ, WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ODLEWNICZE STOPU Remanium CSe

Tytuł rozprawy: Prof. dr hab. inż. Jerzy Michalski Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wydział Inżynierii Produkcji

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

32/42 NA ŚCIERANIE POWIERZCHNI STALI EUTEKTYCZNEJ WPŁ YW OBRÓBKI LASEROWEJ NA ODPORNOŚĆ

88 MECHANIK NR 3/2015

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok 2019 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

WPŁYW CHROMU, MOLIBDENU I WANADU NA STRUKTURĘ I WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE STALIWA DO PRACY NA GORĄCO

Obróbka cieplna stali

pt: Zwiększenie trwałości wybranych narzędzi stosowanych w przemyśle gumowym

Stal - definicja Stal

PROCEDURY POMIARÓW PARAMETRÓW KONSTRUKCYJNYCH, MATERIAŁOWYCH I SZYBKOŚCI ZUśYCIA KOMBAJNOWYCH NOśY STYCZNO-OBROTOWYCH

PRELIMINARY BROCHURE CORRAX. A stainless precipitation hardening steel

Technologie Materiałowe II Wykład 4 Obróbka cieplno-chemiczna stali

MODELOWANIE WARSTWY POWIERZCHNIOWEJ O ZMIENNEJ TWARDOŚCI

Ogólne dane. Właściwości. Zastosowania SLEIPNER

ZNACZENIE POWŁOKI W INŻYNIERII POWIERZCHNI

Badanie wytwarzania korpusów granatów kumulacyjno-odłamkowych metodą wyciskania na gorąco

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok 2018 CZĘŚĆ PRAKTYCZNA

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA GORĄCO

BOROAZOTOWANIE STALI 42CrMo4

WŁAŚCIWOŚCI TRIBOLOGICZNE WARSTWY WIERZCHNIEJ STALI MODYFIKOWANEJ BOREM W WARUNKACH TARCIA MIESZANEGO

CHARAKTERYSTYKA STRUKTURALNA WARSTWY WIERZCHNIEJ W STALIWIE Cr Mo W WARUNKACH ŚCIERANIA

POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY PROJEKT DYPLOMOWY INŻYNIERSKI

Technologia obróbki cieplnej. Grzanie i ośrodki grzejne

ĆWICZENIE NR 39 * KRUCHOŚĆ ODPUSZCZANIA STALI

Krzepnięcie Metali i Stopów, Nr 26, 1996 P Ai'l - Oddział Katowice PL ISSN POCICA-FILIPOWICZ Anna, NOWAK Andrzej

NOŚNOŚĆ POWIERZCHNI A RODZAJ JEJ OBRÓBKI

Badania tribologiczne ślizgowych węzłów obrotowych z czopami z powłoką TiB 2

Rys. 1. Próbka do pomiaru odporności na pękanie

5. ZUŻYCIE NARZĘDZI SKRAWAJĄCYCH. 5.1 Cel ćwiczenia. 5.2 Wprowadzenie

HOTVAR. Hot work tool steel

1 Badania strukturalne materiału przeciąganego

STAL NARZĘDZIOWA DO PRACY NA ZIMNO

Stale narzędziowe - stopy przeznaczone na narzędzia tj. przedmioty służące do rozdzielania i rozdrabniania materiałów bądź nadawania kształtu przez

PROCEDURY POMIARÓW PARAMETRÓW KONSTRUKCYJNYCH, MATERIAŁOWYCH KOMBAJNOWYCH NOŻY STYCZNO-OBROTOWYCH

Stale narzędziowe. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Ich właściwości zmieniające się w szerokim zakresie w zależności od składu chemicznego (rys) i technologii wytwarzania wyrobu.

BADANIA MIKROSKOPOWE REGENERACYJNEJ WARSTWY NAPAWANEJ ZE STALI 41CrAlMo7 WYKONANEJ W TECHNOLOGII MULTIPLEX.

PL B1. POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL

OTRZYMYWANIE KOMPOZYTÓW METALOWO-CERAMICZNYCH METODAMI PLAZMOWYMI

ZESZYTY NAUKOWE NR 1(73) AKADEMII MORSKIEJ W SZCZECINIE

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

INSTYTUT TECHNOLOGII MECHANICZNYCH

Do najbardziej rozpowszechnionych metod dynamicznych należą:

CHARAKTERYSTYKI TRIBOLOGICZNE WĘGLIKOWYCH WARSTW CHROMOWANYCH WYTWARZANYCH METODĄ PROSZKOWĄ PRZY OBNIŻONYM CIŚNIENIU

Zadania badawcze realizowane na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej

PRZECIWZUŻYCIOWE POWŁOKI CERAMICZNO-METALOWE NANOSZONE NA ELEMENT SILNIKÓW SPALINOWYCH

... Definicja procesu spawania gazowego:... Definicja procesu napawania:... C D

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

Kształtowanie struktury i własności użytkowych umacnianej wydzieleniowo miedzi tytanowej. 7. Podsumowanie

SPRAWOZDANIE ĆWICZENIE SP-1. LABORATORIUM SPAJALNICTWA Temat ćwiczenia: Spawanie gazowe (acetylenowo-tlenowe) i cięcie tlenowe. I.

ĆWICZENIE NR 9. Zakład Budownictwa Ogólnego. Stal - pomiar twardości metali metodą Brinella

Transkrypt:

Aleksander Ciski, Piotr Wach, Tomasz Babul, KRyspin Burdyński, Stefan Kowalski Wymrażanie i azotowanie stali narzędziowych wprowadzenie Na podstawie danych literaturowych oraz wyników badań własnych, uzyskanych podczas wieloletniej współpracy Instytutu Mechaniki Precyzyjnej (IMP) z zakładami przemysłowymi stwierdzono, że polepszenie niezawodności i trwałości eksploatacyjnej narzędzi i części maszyn można osiągnąć przez umocnienie ich warstw wierzchnich za pomocą technologii typu multiplex, stanowiących połączenie obróbek cieplno-chemicznych z głębokim wymrażaniem długookresowym (wymrażanie kriogeniczne) i/lub kulowaniem (dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna) [1 4]. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań wstępnych możliwości połączenia głębokiego wymrażania z obróbką cieplno-chemiczną dwóch stali narzędziowych stopowych do pracy na gorąco (W3 odpowiednik stali X37CrMoV5-1 wg PN-EN ISO 4957:24) i na zimno (K11 odpowiednik stali X153CrMoV12 wg PN-EN ISO 4957:24) oraz stali szybkotnących HS6-5-2 i HS6-5-3-8. Wybór tych gatunków stali wynikał z ich wysokiej jakości oraz powszechnego zastosowania w polskim przemyśle narzędziowym. METODYKA BADAŃ Mgr. inż. Aleksander Ciski, dr inż. Piotr Wach (wach@imp.edu.pl), dr inż. Tomasz Babul, mgr inż. Kryspin Burdyński, mgr inz. Stefan Kowalski Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa Badano próbki ze stali W3, K11, HS6-5-2 i HS6-5-3-8 w kształcie wałków ø25 4 mm (próbki metalograficzne) i ø8 3 mm (próbki tribologiczne) oraz na matrycach (stal 19552 odpowiednik stali W3). próbek i matryc ze stali W3 przeprowadzono w piecu próżniowym RVFOQ-424 z chłodzeniem w oleju oraz w piecu do odpuszczania Wild Barfield. Próbki ze stali narzędziowej K11 i stali szybkotnących HS6-5-2 i HS6-5-3-8 były austenityzowane w próżni i hartowane w azocie pod ciśnieniem 4 bar w piecu próżniowym Seco/Warwick typu 12.VPT-435/36HV. Odpuszczanie próbek ze stali K11 przeprowadzono w piecu do odpuszczania Wild Barfield, a ze stali szybkotnących w piecu próżniowym Seco/Warwick typu 12.VPT- -435/36HV. Procesy głębokiego, długookresowego wymrażania przeprowadzono w specjalistycznej wymrażarce Cryo-Temper. Regulowane azotowanie gazowe próbek prowadzono w piecu do azotowania firmy Nitrex Metal Inc. Doboru parametrów procesu azotowania gazowego (takich jak temperatura, czas, skład atmosfery i potencjał azotowy Np) dokonano na podstawie wieloletnich doświadczeń technologicznych IMP. Badania odporności na zużycie przez tarcie wykonano metodą 3 wałeczki-stożek, przy naciskach jednostkowych 5, 1, 2 i MPa. W czasie badań stosowano smarowanie powierzchni trących olejem LUX-1. Smarowanie odbywało się systemem kroplowym, przy wydatku 3 kropli na minutę. Obserwacje metalograficzne przeprowadzono na mikroskopie świetlnym Nikon Eclipse LV15. Badania obejmowały również pomiary twardości powierzchni HV1 i HV5 oraz wyznaczenie profili mikrotwardości HV,1 na przekroju warstwy wierzchniej materiału. Pomiary twardości powierzchni dokonywano na twardościomierzu Zwick i Innova Test, wykonując po 5 odcisków na próbce. Profile mikrotwardości wykonano na zgładach metalograficznych. Pomiarów dokonywano pod obciążeniem 1 gramów, na głębokościach od 2 do 24 μm. Wyniki badań próbek obrobionych według poszczególnych wariantów technologicznych były porównywane między sobą oraz z parametrami próbek po ulepszeniu cieplnym (bez dodatkowej obróbki). BADANIA STALI NARZĘDZIOWEJ STOPOWEJ DO PRACY NA GORĄCO Zastosowane kombinacje procesów technologicznych przedstawiono na rysunku 1, natomiast parametry obróbki cieplnej i cieplno- -chemicznej zestawiono w tabeli 1. Na rysunku 2 pokazano wartości średnie twardości powierzchni HV1 i HV5 wraz z 95% przedziałami ufności, uzyskane dla próbek poddanych różnym wariantom obróbczym. Porównując wyniki uzyskane dla próbek ze stali W3 poddanych ulepszaniu cieplnemu oraz dodatkowemu wymrażaniu z następnym odpuszczaniem, można zaobserwować zmniejszenie twardości powierzchni. Spadek ten jest jednak nieznaczny i mieści się w granicach błędu statystycznego. Natomiast twardość powierzchni próbek poddanych wymrażaniu z odpuszczaniem i następującym po nim azotowaniu jest znacznie większa od twardości próbek poddanych samemu azotowaniu bądź wymrażanymi po tym procesie. Podobne zależności pomiędzy zastosowanymi wariantami obróbczymi wystąpiły w przypadku profili mikrotwardości na przekroju warstwy (rys. 3). W przypadku wariantu będącego połączeniem wymrażania i następującego po nim azotowania uzyskana została zaskakująco duża twardość na większej odległości od powierzchni. Proces wymrażania przeprowadzany przed azotowaniem oraz zmiany mikrostrukturalne towarzyszące temu procesowi wydają się ułatwiać zachodzenie procesów dyfuzyjnych azotowania, wpływając tym samym zarówno na głębokość, jak i twardość strefy azotowania wewnętrznego. Wariant 1 H O1 Wariant 2 H O1 A Wariant 3 H O1 W O2 Wariant 4 H O1 W O2 A Wariant 5 H O1 A W O2 H Hartowanie O1 Odpuszczanie 1 O2 Odpuszczanie 2 W Głębokie wymrażanie długookresowe A Azotowanie gazowe Rys. 1. Warianty połączeń obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej próbek ze stali W3 Fig. 1. Modes of combinations of heat and thermochemical treatment of specimens made of W3 steel 376 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII

Tabela 1. Parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej próbek ze stali W3 Table 1. Parameters of heat and thermochemical treatment of specimens made of W3 steel C/2 min 15 C/6 min olej Odpuszczanie 1: 525 C/2 h Głębokie, długookresowe wymrażanie z odpuszczaniem Wymrażanie długookresowe: Odpuszczanie 2: zmrażanie: 2 C 18 C, 6 h 4 min (,5 C/min) wymrażanie: 18 C, 32 h odmrażanie: 18 C 2 C, 9 h 3 min (,35 C/min) 35 C/2 h Azotowanie gazowe NITREG Stopień I 48 C, 1 h, 1% NH 3 = 56 Stopień II 51 C, 2 h, 8% NH 3 + 2% N 2 = 26 Stopień III 51 C, 17 h, 2% NH 3 + 8% (N 2 + 3H 2 ) =,4 Twardość 1 12 2 HV1 Wariant 1: Hartowanie + odpuszczanie 1 Wariant 2: Hartowanie + odpuszczanie 1 + azotowanie Wariant 3: Hartowanie + odpuszczanie 1 + wymrażanie + odpuszczanie 2 Wariant 4: Hartowanie + odpuszczanie 1 + wymrażanie + odpuszczanie 2 + azotowanie Wariant 5: Hartowanie + odpuszczanie 1 + azotowanie + wymrażanie + odpuszczanie 2 Rys. 2. Wartości średnie wraz z 95% przedziałami ufności twardości powierzchni HV1 i HV5 próbek ze stali W3 poddanych różnym wariantom obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Fig. 2. Averages and 95% confidence intervals of surface hardness HV1 and HV5 of W3 tool steel specimens after various modes of heat and thermochemical treatment Mikrotwardość HV,1 11 9 7 5 3 6 9 12 15 18 21 24 Odległość od powierzchni [μm] Wariant 1: Hartowanie + odpuszczanie 1 Wariant 2: Hartowanie + odpuszczanie 1 + azotowanie Wariant 3: Hartowanie + odpuszczanie 1 + wymrażanie + odpuszczanie 2 Wariant 4: Hartowanie + odpuszczanie 1 + wymrażanie + odpuszczanie 2 + azotowanie Wariant 5: Hartowanie + odpuszczanie 1 + azotowanie + wymrażanie + odpuszczanie 2 Rys. 3. Profile mikrotwardości próbek ze stali W3 poddanych różnym Fig. 3. Microhardness profiles of W3 tool steel specimens after various HV5 Wykonano badania eksploatacyjne narzędzi w warunkach przemysłowych. Przeprowadzono obróbkę cieplną i cieplno-chemiczną 12 szt. wkładek matrycowych ze stali 19552 (wg ČSN 419552-69, odpowiednik stali W3). Przeprowadzono cykl obróbki cieplnej składający się z następujących etapów: ulepszanie cieplne, głębokie długookresowe wymrażanie, odpuszczanie i azotowanie gazowe. Szczegółowe parametry ulepszania cieplnego przedstawiono w tabeli 2. Parametry wymrażania długookresowego i azotowania gazowego były identyczne jak w przypadku próbek (tab. 1). Użytkownik narzędzi przekazał dane dotyczące jakości obrobionych matryc, które w porównaniu z narzędziami obrabianymi w sposób standardowy charakteryzowały się większą trwałością od 4 do 5%. Pomiary twardości powierzchniowej wykazały twardość powierzchni narzędzia ok. 11 HV. BADANIA STALI NARZĘDZIOWEJ STOPOWEJ DO PRACY NA ZIMNO Zastosowane kombinacje procesów technologicznych przedstawiono na rysunku 4, natomiast parametry obróbki cieplnej i cieplno- -chemicznej zestawiono w tabeli 3. Dwustopniowy zabieg odpuszczania O2 zastosowano po to, aby zwiększyć czas niezbędny do powstania wydzieleń węglików w mikrostrukturze stali podczas pierwszego stopnia odpuszczania, natomiast drugi stopień miał na celu odpuszczenie stali w temperaturze przewyższającej o 2 C temperaturę azotowania. Badania podstawowe, to jest pomiary twardości powierzchni i twardości na przekroju warstwy wierzchniej, przeprowadzono w podobny sposób, jak w przypadku badań próbek ze stali W3. Wymrażanie i odpuszczenie próbek uprzednio azotowanych, wpłynęło na widoczne zmniejszenie twardości powierzchni HV1 i HV5 o około 5 7 jednostek twardości (rys. 5). Dla próbek ze stali K11 proces głębokiego wymrażania przeprowadzony zarówno bezpośrednio po hartowaniu (wariant 4), jak i po ulepszaniu cieplnym (wariant 3), spowodował dość znaczne zwiększenie twardości powierzchni HV1. Efekt ten nie został zaobserwowany przy pomiarach twardości HV5. Pomiary umożliwiły ocenę wpływu wymrażania długookresowego na profil twardości przy powierzchni i w rdzeniu próbek stali poddanych obróbce według wariantów łączących azotowanie z głębokim wymrażaniem w porównaniu z wariantem będącym punktem odniesienia, polegającym na samym azotowaniu (wariant 1). Próbki ulepszane cieplne i wymrażane przed azotowaniem (wariant 3) i po azotowaniu (wariant 2) uzyskały profil mikrotwardości zbliżony do profilu próbek tylko azotowanych (wariant 1), przy widocznym zmniejszeniu twardości w okolicach powierzchni próbek (rys. 6). Proces wymrażania długookresowego, przeprowadzony bezpośrednio po hartowaniu, w sposób widoczny wpłynął na wzrost twardości i głębokość strefy dyfuzyjnej azotowania (wariant 4). Na rysunku 7 przedstawiono porównanie średnich wartości zużycia próbek badanych w układzie 3 wałeczki-stożek, uzyskane po czasie tarcia równym 1 minut. Tabela 2. Parametry ulepszania cieplnego matryc wykonanych ze stali 19552 (wg ČSN 419552-69, odpowiednik stali W3) Table 2. Toughening parameters of forging dies made of 19552 steel (ČSN 419552-69, equivalent of W3 steel) Odpuszczanie 1: Odpuszczanie 2: 7 C/9 min 12 C/7 min olej 55 C/3 h 56 C/3 h NR 4/211 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 377

Wariant 1 H O1 A Wariant 2 H O1 A W O3 Wariant 3 H O1 W O2 A Wariant 4 H W O2 O1 A H Hartowanie O1 Odpuszczanie 1 O2 Odpuszczanie 2 O3 Odpuszczanie 3 (po azotowaniu i wymrażaniu) W Głębokie wymrażanie długookresowe A Azotowanie gazowe Rys. 4. Warianty połączeń obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej próbek ze stali K11 Fig. 4. Modes of combinations of heat and thermochemical treatment of specimens made of K11 steel Tabela 3. Parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej próbek ze stali K11 Table 3. Parameters of heat and thermochemical treatment of specimens made of K11 steel C/3 min 14 C/3 min azot pod ciśnieniem 4 bar Odpuszczanie O1: 54 C/2 h Głębokie, długookresowe wymrażanie z odpuszczaniem Wymrażanie długookresowe: Odpuszczanie O2: zmrażanie: 2 C 18 C, 6 h 4 min. (,5 C/min) wymrażanie: 18 C, 24 h odmrażanie: 18 C 2 C, 9 h 3 min (,35 C/min) 25 C 1,5 h + 54 C 1,5 h Azotowanie gazowe NITREG Stopień I 36 C, 36ʹ (1% N 2 ) 36ʹ (1% NH 3 ) Stopień II 49 C, 4 h, 1% NH 3 = 1 Stopień III 52 C, 14 h, 35% NH 3 + 65% (N 2 + 3H 2 ) = 1 Odpuszczanie po azotowaniu i wymrażaniu O3 Twardość 12 11 9 7 5 HV1 25 C 2 h Rys. 5. Wartości średnie wraz z 95% przedziałami ufności twardości powierzchni HV1 i HV5 próbek ze stali K11 poddanych różnym wariantom obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Fig. 5. Averages and 95% confidence intervals of surface hardness HV1 and HV5 of K11 tool steel specimens after various modes of heat and thermochemical treatment HV5 Analizując wartości zużycia próbek ze stali K11 można jednoznacznie stwierdzić, że w przypadku próbek obrobionych według wariantu 4 (hartowanie, wymrażanie, odpuszczanie i azotowanie) nastąpiło pogorszenie własności tribologicznych warstwy wierzchniej w porównaniu z wariantem polegającym na samym azotowaniu zarówno dla nacisków jednostkowych równych 5, jak i 2 MPa. Dla wariantu 3 i małego obciążenia powierzchni trących (5 MPa) przebieg zużycia, a wiec i odporność na zużycie przez tarcie, były zbliżone. Najmniejsze wartości zużycia były rejestrowane w przypadku próbek obrobionych zgodnie z wariantem 2, w którym próbki były wymrażane po azotowaniu. Badania wykazały, że obróbka polegająca na przeprowadzeniu wymrażania stali uprzednio poddanej azotowaniu, mimo uzyskanych niezbyt dużych twardości powierzchni oraz zmniejszonej (w porównaniu z próbkami tylko azotowanymi) mikrotwardości w pobliżu powierzchni, wpłynęła na zmniejszenie średnich wartości zużycia, wyznaczonych z zastosowaniem metody 3 wałeczki-stożek. Można przypuszczać, że wpływ na odporność na zużycie stali poddanej azotowaniu i następnemu wymrażaniu miała prawdopodobnie relaksacja naprężeń powstałych po azotowaniu, następująca podczas chłodzenia do temperatury zbliżonej do temperatury ciekłego azotu i następnego odpuszczania w temperaturze 25 C. Na wzrost odporności mogły mieć też wpływ zjawiska wydzieleniowe następujące podczas odpuszczania wymrożonych warstw azotowanych. Identyfikacja zjawisk, które mogły wpłynąć na wzrost odporności na zużycie stali wymaga jednak zastosowania zaawansowanych technik badawczych. Próbki obrobione według pozostałych dwóch schematów kombinacji azotowania z wymrażaniem, polegających na azotowaniu próbek uprzednio wymrożonych (zarówno bezpośrednio po hartowaniu, jak i po ulepszaniu cieplnym), charakteryzowały się równą Mikrotwardość HV,1 12 11 9 7 5 3 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Odległość od powierzchni [um] Rys. 6. Profile mikrotwardości próbek ze stali K11 poddanych różnym Fig. 6. Microhardness profiles of K11 tool steel specimens after various Wartość zużycia [um] 6, 5, 4, 3, 2, 1,, 5 MPa 2 MPa Rys. 7. Średnie wartości zużycia próbek ze stali K11 poddanych różnym Fig. 7. Average wear values of K11 tool steel specimens after various 378 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII

lub mniejszą (w zależności od zastosowanego podczas badań obciążenia) odpornością na zużycie w porównaniu z próbkami tylko azotowanymi. Jednakże w przypadku wariantu polegającego na hartowaniu, wymrażaniu, odpuszczaniu i następnym azotowaniu stali K11 zaobserwowano ciekawe zjawisko zwiększenia głębokości strefy dyfuzyjnej azotowania, charakteryzującej się zwiększoną mikrotwardością wyznaczoną na przekroju próbek. BADANIA STALI SZYBKOTNĄCYCH Badania przeprowadzono na stali szybkotnącej HS6-5-2 (dawniej SW7M) i stali szybkotnącej proszkowej HS6-5-3-8 (ASP23). Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna polegała na przeprowadzeniu austenityzowania w próżni i hartowania za pomocą sprężonego azotu, trzech cykli odpuszczania oraz regulowanego azotowania gazowego. Głębokie wymrażanie długookresowe (DCT) przeprowadzono przed azotowaniem (bezpośrednio po hartowaniu, a przed odpuszczaniem i następnym azotowaniem) albo po azotowaniu (po hartowaniu, odpuszczaniu i azotowaniu, a przed niskotemperaturowym odpuszczaniem). Kolejność poszczególnych operacji obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej w zastosowanych wariantach badawczych zestawiono w tabeli 4, natomiast parametry tych obróbek dla każdej z badanych stali podano w tabeli 5. Pomiary twardości wykazały, że proces azotowania spowodował nieznaczne zwiększenie twardości powierzchni obydwu stali, w porównaniu z twardością stali poddanej konwencjonalnej obróbce cieplnej. Dopiero procesy wykorzystujące połączenie głębokiego wymrażania, przeprowadzonego zarówno przed azotowaniem, jak i po azotowaniu, umożliwiło wyraźne zwiększenie twardości (rys. 8). Najbardziej zauważalny wzrost twardości wystąpił w przypadku stali HS6-5-2 (aż o ok. 3%) poddanej obróbce DCT + A. W przypadku stali HS6-5-3-8 obrobionej według tego wariantu wzrost twardości wyniósł ok. 15% (rys. 1). Zaobserwowano, że w porównaniu ze stalą poddaną konwencjonalnej obróbce cieplnej, proces azotowania spowodował zmniejszenie wartości zużycia o około 25%, niezależnie od gatunku stali. Przeprowadzenie procesu wymrażania długookresowego przed azotowaniem spowodowało jeszcze większe zmniejszenie zużycia, odpowiednio o 62 i 78%. Natomiast dzięki zmianie kolejności stosowania azotowania i wymrażania w przebiegu obróbki osiągnięto zmniejszenie zużycia o 25% dla stali HS6-5-2 i 39% dla stali HS6-5-3-8 (rys. 9). Podobne zmiany wartości zużycia uzyskano, stosując podczas próby tarcia większe obciążenie ( MPa). Tabela 4. Zestawienie wariantów obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Table 4. Description of applied heat and thermochemical treatment modes Wariant obróbki OC A DCT + A A + DCT Przebieg obróbki H + O + O + O H + O + O + O + A H + DCT + O + A H + O + A + DCT + O2 Tabela 5. Parametry obróbki cieplnej i cieplno-chemicznej Table 5. Heat and thermochemical treatment parameters Parametry obróbki Obróbka HS6-5-2 HS6-5-3-8 H 12 C, hartowanie w N 2 118 C, hartowanie w N 2 O 55 C, 2 h 56 C, 2 h A 51 C, 4 h, NH 3 /N 2 = 9,5 DCT O2 Twardość, HV1 1 12 2 HS6-5-2 18 C, 24 h 18 C, 2 h HS6-5-3-8 Rys. 8. Wartości średnie i 95% przedziały ufności twardości powierzchni HV1 próbek ze stali szybkotnących HS6-5-2 i HS6-5-3-8 Fig. 8. Mean values and 95% confidence intervals of HV1 (a) and HV1 (b) surface hardness of HS6-5-2 and HS6-5-3-8 high speed steel specimens PODSUMOWANIE 6 6 Badania możliwości połączenia procesu azotowania z wymrażaniem długookresowym, zrealizowanego w różnych kombinacjach kolejności tych procesów, pozwoliły na ocenę wpływu wymrażania na własności użytkowe obrobionych eksperymentalnie stali W3 i K11. Zaobserwowano zjawisko znacznego zwiększenia zarówno twardości powierzchni, jak i głębokości strefy azotowania wewnętrznego oraz twardości mierzonej na przekroju warstw azotowanych, otrzymywanych na stalach narzędziowych W3 i K11 poddanych uprzednio procesowi głębokiego wymrażania długookresowego. Badania eksploatacyjno-porównawcze wkładek matrycowych (ze stali W3) obrobionych przez wymrażanie i azotowanie wykazały zwiększenie odporności na zużycie w zakresie 4 do 5% w porównaniu ze stosowaną dotychczas przez producentów obróbką cieplną. Zagadnienie zwiększenia twardości warstw azotowanych, uzyskiwanego przez połączenie tej obróbki z wymrażaniem, wymaga przeprowadzenia dalszych badań w celu lepszego poznania zmian strukturalnych zachodzących w strefie azotowania wewnętrznego. Technologie obróbki cieplno-chemicznej, takie jak azotowanie gazowe, wykorzystywane powszechnie, umożliwiły osiągnięcie znacznego zwiększenia twardości powierzchni obydwu stali szyb- Wartość zużycia, μm 5 4 3 2 1-25 % -25 % -62 % Wartość zużycia, μm 5 4 3 2 1-24 % -78 % -39 % Rys. 9. Wartości zużycia zmierzonego pod obciążeniem 1 MPa, otrzymane dla próbek ze stali szybkotnących HS6-5-2 (a) i HS6-5-3-8 (b) Fig. 9. Values of wear under a load of 1 MPa of HS6-5-2 (a) and HS6-5-3-8 (b) high speed steel specimens NR 4/211 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 379

kotnących. W przypadku azotowania największą twardość uzyskano, łącząc ten proces z głębokim wymrażaniem (wariant DCT + A, zwiększenie twardości o 15 3%). Proces azotowania przyczynił się do poprawy odporności na zużycie badanych stali. Badania zużycia wykazały także, że przeprowadzenie głębokiego wymrażania przed azotowaniem spowodowało znaczne zwiększenie odporności stali na zużycie przez tarcie. Spadek wartości zużycia w zależności od gatunku stali wynosił od 62 do 78%. Stwierdzono, że lepsze efekty, tzn. mniejsze zużycie, występuje w przypadku stosowania po głębokim wymrażaniu procesu azotowania, szczególnie w przypadku stali proszkowej. Przeprowadzenie wymrażania przed azotowaniem jest prawdopodobnie przyczyną lepszego nasycenia osnowy stali azotem, objawiającego się przez zwiększenie twardości powierzchni i lepszą odpornością na zużycie przez tarcie stali. Poprawa własności stali narzędziowych może wynikać również z obecności faz węglikowych, których zarodkowanie nastąpiło podczas głębokiego długookresowego wymrażania. Podziękowanie Część badań przeprowadzono w ramach projektu numer N N57 45839 finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w latach 21 213. literatura [1] Ciski A., Łataś Z., Šuchmann P.: Comparison of properties of W3 and QRO 9 supreme toolt steel after various methods of heat treatment and thermochemical treatment. 6th Youth Symposium on Experimental Solid Mechanics, Vrnjačka Banja, Serbia, 9 12 maja (27) 133 136. [2] Łupicka O., Ratajski J., Kukiełka L.: Rola warstwy wierzchniej, ukształtowanej w procesie nagniatania ślizgowego i kulowania w kinetyce wzrostu warstwy azotowanej. Inżynieria Materiałowa 5 (25) 612 615. [3] Opracowanie podstaw wymrażania i obróbek powierzchniowych z wymrażaniem narzędzi i części maszyn. Praca statutowa IMP, (27). Materiały niepublikowane IMP. [4] Advanced heat treatment processing and surface engineering of forming tools. Nr E! 33, akronim FORMIN-GTOOLS. Badania własne partnera projektu SKO-TOOLS s.r.o. i COMTES FHT s.r.o., 25 27. Materiały niepublikowane SKO-TOOLS s.r.o. i COMTES FHT. 38 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXII