Alatni materijali

ALATNI MATERIJALI Prof.dr.sc. Franjo Cajner

Literatura:

- Roberts, G., A.; Hamaker, J., C.; Jonson, A., R.: Tool Steels, ASM, Metals Park, Ohio 1962.

- B.B. Bardes, ed: ASM Handbook: Heat Treatment of Metals, Part 4. ASM International, Metals Park, Ohio, 1994.

- M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes; Alatni materijali, Strojarski fakultet. Slavonski Brod 1996.

- Roberts, G., Krauss, G., Kennedy, R.: Tool Steels, ASM, The Materials Information Society, Metals Park, Ohio, 1996.

UTJECAJNI ČIMBENICI NA UČINAK ALATA (ZA HLADNI RAD)

- alat za rezanje- fino rezanje- rezanje škarama- savijanje- duboko izvlačenje- tlačno isprešavanje- utiskivanje- hladno valjanje- valjanje navoja- prešanje praška, metal/keramika- obrada drva- industrijski noževi

OBLIKOVANJE ALATA

- veličina /šupljine /kutevi /rubovi /radijusi- geometrija /oblik /složenost konstrukcije

ALATNI MATERIJALI- tvrdoća- karbidi / broj / veličina / tvrdoća- žilavost / duktilnost- kaljivost ...

TOPLINSKA OBRADBA- predgrijavanje- Ta / ta- sredstvo za gašenje- Tpop / tpop- duboko hlađenje- površinska toplinska obradba

IZRADA ALATA- strojna obrada (OOČ)- elektroerozija- brušenje- poliranje- zavarivanje

MATERIJAL OBRADKA- tip i vrsta- tvrdoća- tvrdi dijelovi (čestice)- duktilnost- debljina- površinski nanešeni sloj- prašak / metal / keramika

ϑr ≤ 200°C

RADNI UVIJETI

- zračnost- podmazivanje- stabilnost preše- broj hodova preše

ODRŽAVANJE ALATA- prebrušavanje- čišćenje- poliranje- zavarivanje- žarenje za redukciju zaostalih naprezanja

ALATNI MATERIJALI

Sadržaj kolegija:

• UVOD• PRINCIPI RADA ALATA I NAPREZANJA U ALATIMA• ZAHTJEVI NA SVOJSTVA ALATNIH MATERIJALA• SPECIFIČNOSTI TOPLINSKE OBRADE ALATNIH ČELIKA• OPIS POJEDINIH SKUPINA ALATNIH ČELIKA

- NELEGIRANI (UGLJIČNI) AČ- NISKOLEGIRANI AČ ZA HLADNI RAD- VISOKOLEGIRANI AČ ZA HLADNI RAD- AČ ZA KALUPE ZA RAD U TOPLOM STANJU- BRZOREZNI ČELICI- ALATNI ČELICI MARAGING

• OSTALI ALATNI MATERIJALI

ALATNI MATERIJALI

1. UVOD

Alat: težnja “produljiti svoju ruku” “lakše izvršiti neki željeni rad”

- Kamena sjekira, nož, toljaga,...- meteorno željezo čelik

Alat: Čekić, kliješta, turpija, sjekira,teniski reket,... kuhača, ...ravnalo, lopata,.bodež itd .

Alat je svako ono sredstvo, kojim čovjek olakšava ili omogućava izvršenje željene radnje bilo neposredno, snagom ruke, bilo posredno, snagom stroja

1740. god. unapređenje postupka taljenja čelika:- 1868. Mushetov čelik- 1898. Taylor-White-ov brzorezni čelik- 1904. uvodi se V u čelik (HS 18-0-1)- 1912. Co- 1930. Mo- 1930. toploradni čelici... Pretaljivanje i rafinacija, povišenje kvalitete čelika, EPT, PM čelici....

ALATNI MATERIJALI2. PRINCIPI RADA I NAPREZANJA U ALATIMA

ALATI ZA REZANJE:-s odvajanjem čestica (noževi glodala, svrdla, pile - tokarenje, glodanje, bušenje, blanjanje –….)-bez odvajanja čestica (škare, štance)

ALATI ZA OBLIKOVANJE LIMA I ŽICE

-alati za duboko izvlačenje-alati za savijanje lima-alati za istiskivanje (ekstruziju) metala-alati za tlačno isprešavanje-matrice za provlačenje žice

KALUPI

- kalupi za preradu polimera (direktno prešanje duroplasta, injekcijsko prešanje, ekspandiranje,ekstrudiranje)

- kalupi za oblikovanje keramike (keramičke pločice)- kalupi za oblikovanje ilovače (cigla, crijep)- kalupi za preradu metala- kalupi za tlačni lijev (obojenih lakih metala i njihovih legura)- kalupi za kovanje (ukovnji)

ALATNI MATERIJALI

I. Alati za obradu odvajanjem čestice OOČ (strugotine): noževi, glodala, svrdla, pile.

Potrebne sile za:- odvajanje čestice- oblikovanje čestice- svladavanje trenja

1. Mehanička naprezanja ?2. Naprezanja uslijed trenja (na lokalitetu oštrice),toplina:

- zbog odvajanja čestice- zbog sabijanja čestice- trenje čestice uz radnu plohu alata

f (režima obrade: dubina, brzina, posmak)geometrijskim karakteristikama oštrice alata

obrađivanom materijalu)

Princip rada tokarskog noža

ALATNI MATERIJALI

550 oC

600 oC

550 oC

50 oC

300 oC

400 oC

500 oC

>650 oC

500 oC

550 oC

600 oC

550 oC

50 oC

300 oC

400 oC

500 oC

>650 oC

500 oC

550 oC

600 oC

550 oC

50 oC

300 oC

400 oC

500 oC

>650 oC

500 oC toplina: zbog odvajanja česticezbog sabijanja česticetrenje čestice uz radnu plohu alata

f (režima obrade: dubina, brzina, posmak)geometrijskim karakteristikama oštrice alata,

obrađivanom materijalu)

Tem

pera

tura

ošt

rice

Vrez , m/min

ALATNI MATERIJALI

Lokalno trenje i površinski tlak pri ↑ϑ

Trenje + toplina

Trošenje:

- AB- AD- Umor- Oksidacija- mehaničko otkrhnućeTv

rdoć

a pr

i pov

išen

im te

mpe

ratu

ram

a

Nužno ↑ tvrdoća: ↓AB, ↑Re

Alati za hladni rad 200 °C < ϑr > 200 °C alati za topli rad

Alati za obradu OČ

ALATNI MATERIJALI

Zahtjevi na materijal alata za OOČ

ALATNI MATERIJALIII. Alati za rezanje bez odvajanja čestice (strugotine): škare, štance,

a) Škare (preša)

lim

Naprezanja:

- Vrlo visoki tlak na oštrici- Trenje (trošenje)- udarci ?- toplina ?

b) Štanca

Naprezanja:

- Vrlo visoki spacifični tlak (udarni)- Trošenje (AB + AD)- savijanje ?- umor ?

ALATNI MATERIJALIIII. ALATI ZA OBLIKOVANJE LIMA I ŽICE

a) Alat za duboko izvlačenje lima (vučenje)

rondelaplatina

Naprezanja:- tlak (sila prešanja i pridržavanja)- trošenje- vlak (F radijalno- savijanje matrice- izvijanje (vitkog) žiga

b) Alat za savijanje lima

Naprezanja:- tlak- vlak- trošenje-savijanje matrice- izvijanje (vitkog) žiga

ALATNI MATERIJALIc) ALAT ZA ISTISKIVANJE (EKSTRUZIJU)- METALA (npr. mekog čelika, aluminija, bakra...)- NEMETALA, (polimera)

Istiskivanje je postupak oblikovanja u hladnom, toplom ili polutoplom stanju, a primjenjuje se prvenstvenou proizvodnji raznovrsnih okruglih, četvrtastih i profiliranih šipki i cijevi i to kako od obojenih i lakihmetala i njihovih legura, tako i od mekog čelika, ili nemetala (polimera). Ovim je načinom moguće proizvesti profile koji se drugačije i ne mogu izvesti. Ti profili mogu biti puni ili šuplji.

Postupak se provodi na prešama.

U hladnom stanju (čak ako se istiskuje u hladnom temperatura poraste do 300 °C) ili toplom stanju!

Sila istiskivanja ovisi o:- potrebnoj redukciji (omjer površina),- obliku, (puni, šuplji itd. profil),- duljini trupca,- brzini isprešavanja,- temperaturi u procesu,- obrađivanom materijalu

NaprezanjaTrošenje matrice (AB, AD)Tlak (izvijanje žiga)Toplina

ALATNI MATERIJALId) ALAT ZA TLAČNO ISPREŠAVANJE

Tube za prehrambenu ind. (konzerv. za piće),doze za sprejeve, tube za paste, baterije itd.

Materijal: mekan! (Al, Sn, Pb, Cu i leg.

Hladnom stanjuPreše: 120...200 (600 udaraca/min)

Naprezanja:

- Udarni tlak↑K- OT (na AD)

ALATNI MATERIJALI

e) MATRICA ZA PROVLAČENJE ŽICE

-Naprezanja:-Trošenje radnih ploha

(i oksidi, toplina)- temperatura

ALATNI MATERIJALIAlati za oblikovanje metala u hladnom stanju

ALATNI MATERIJALIAlati za oblikovanje metala u hladnom stanju

ALATNI MATERIJALI

Zahtjevi na materijal alata za obradu (rezanje) bez OČ

ALATNI MATERIJALI

- kalupi za preradu polimera (direktno prešanje duromera, injekcijsko prešanje,ekspandiranje, ekstrudiranje)- kalupi za oblikovanje keramike (keramičke pločice)- kalupi za oblikovanje ilovače (cigla, crijep)- kalupi za preradu metala

kalupi za tlačni lijev (obojenih lakih metala i njihovih legura)kalupi za kovanje (ukovnji)

KALUPI

Alat koji se sastoji od žiga i matrice kao bitnih dijelova, te koji oblikuje bez odvajanja čestica (bez rezanja).

Ovisno o prerađivanom materijalu:

U hladnom stanju (pri ϑr < 200 °C) pri povišenim temperaturama (ϑr > 200 °C)

ALATNI MATERIJALI

a) Kalupi za direktno (izravno) prešanje polimera (duromera)

1. Glatka površina kalupa2. Korozijska postojanost3. OT (AB ...)

Kalupi za preradu polimera

Smola + dodatcipoliesterskaepoksidnafenolformaldeh.

Bakelit, tekstolit....

ALATNI MATERIJALIa) Kalupi za injekcijsko prešanje polimera (plastomeri)

PVC, PA, Teflon,...košare, ručke, stolovi,

stolci.....

žig, matrica

200 °C < ϑr > 200 °C

Naprezanja: - Trošenje (sapnicama)- Korozija radnih ploha - Toplinska naprezanja (temp. oscilacije)?- Udarna ? (zračnost ubrizgavalice)

ALATNI MATERIJALIKalupi za preradu polimera

ALATNI MATERIJALI

Zahtjevi na materijal kalupa za preradu polimera

ALATNI MATERIJALIKALUPI ZA PRERADU METALA ( za topli rad: kokile, ukovnji

Naprezanja:

1. mehanička (statička i dinamička)

1. toplinska a) temperatura prerađivanog metala (lijevanja, kovanja)b) sadržaj topline prerađivanog metalac) koeficijent konvektivnog prijelaza topline (α, W/m2K)d) koeficijent toplinske vodljivosti (λ, W/mK)e) dimenzije i konfiguracija kalupaf) način hlađenja kalupag) temperaturi predgrijavanja kalupa

2. trošenje pri povišenim temperaturama

TOPLINSKA NAPREZANJAσx = E⋅ β⋅ ΔT

- niža uljevna temp.- što niži α- što viši λ- što tanja stjenka alata

ALATNI MATERIJALI

Predgrijano Nepredgrijano

Shematski prikaz temperaturnog rasporeda u stijenci kalupa za tlačno lijevanje

- Stacionarni toplinski tok! najkritičnije: pregrijati treba vanjsku površinu- 2... 5 mm ispod površine

ALATNI MATERIJALI

Temperaturne promjene u površinskom sloju kalupa

Cikličke temperaturne promjene!

ALATNI MATERIJALI

TOPLINSKI UMOR uslijed cikličkih temperaturnih promjena → mrežaste pukotine (nastanak+ propagacija) (2 ... 5 mm)(loš izgled odljevka, otežano izbacivanje odljevka iz kalupa)

Shematski prikaz promjene naprezanja elementapovršine kalupa tijekom grijanja i hlađenja (prema Mickelu) Mrežaste pukotine (posljedica TU)

ALATNI MATERIJALI

Zahtjevi na materijal ovih alata:

- žilaviji uz visoku Re- jednolična mikrostruktura ϑr < A1 ↓F,K,IS- viša temp. pretvorbe P → A (ili više F ako Tr > A1

ALATNI MATERIJALI

Shema kovanja metala u ukovnju

Naprezanja:

- Udarni tlak pri ↑ϑ (žilavost!)- trošenje (oksidi)- toplinska naprezanja (TU)

UKOVNJI

ALATNI MATERIJALI

ALAT

hladni radϑr < 200°C

topli radϑr > 200°C

oblikovanjerezanje mjerenje

bez odvajanjačestica

odvajanjemčestica metala nemetala

kalupi rezanje

noževiglodalasvrdlaturpijerazvrtalapile

škaresjekačištance

savijanjeduboko

izvlačenjetlačno

isprešavanjeprovlačenječekićikliješta

prešanjeubrizgavanjetabletiranjeekstrudiranjevakuumiranje

kalibrigranične

mjerkepomična

mjerilamikrometrikutnici

ukovnjikokiletlačni ljevekstruzijaštanceprešanje

noževiglodalapilesvrdlaupuštala

Alatni čelici za rad u hladnom stanju Alatni čelici za rad u toplom stanju

najvažniji zahtjevi su postojanost na:trošenjeudarcekoroziju

najvažniji zahtjevi su postojanost na:popuštanjetrošenjeudarcetopl. umorkoroziju

pri 20 – 200°Cpri povišenim

temperaturama

brzo

rezn

ičel

ici

ZAHTJEVI NA SVOJSTVA ALATNIH MATERIJALA

OPĆA(primarna, majoritetna)

OTPORNOST NA TROŠENJE-abrazijsko trošenje-adhezijsko trošenje-tribooksidacija-umaranjeŽILAVOST

TRAŽENA SVOJSTVA (ZAHTJEVI) NA A.M

POSEBNA (sekundarna, minoritetna)

-otpornost na popuštanje-kaljivost (zakaljivost i prokaljivost)-dimenzijska stabilnost u radu-veličina austenitnog zrna-dimenzijska postojanost pri kaljenju

PROIZVODNA -mogućnost nabavke-cijena-OOČ-osjetljivost na razugljičenje

OT - ABRAZIJANastaje djelovanjem tvrdih čestica obrađivanog predmeta pri čemu dolazi do mikrorezanja, odnosno odnošenja djelića radne plohe alata

K, nečistoće, IMS, org. spojevi (drvo, koža), punila (polimeri)

Matrica: TVRDA!

K: udjel, kvaliteta, oblik i raspored

Kod AČ: Kaljenje! (M!)

Opća svojstva

OT - ADHEZIJAPojavljuje se u radu tako da dolazi do navarivanja čestica obrađivanog predmeta na radnu plohu ili oštricu alata (npr. stvaranje lažne oštrice!)

Uvjeti nastajanja:

- Metalni kontakt- dovoljno visoki pritisak- dovoljno visoka ϑ- ↑Re

Opća svojstva

OT - ADHEZIJA

Tribološki kompatibilni materijali!

- ↑Re alata (H, Rm)- dovoljno hlađenje - onemogućiti metalni kontakt

(podmazivanje, modificiranjem i prevlačenjem)

- poliranje radne površine

TRIBOOKSIDACIJA iUMOR POVRŠINE uslijed Hertzovog pritiska

Opća svojstva

Sposobnost akomulacije (apsorbcije) energije udarca. Žilavost se može definirati kao kombinacija dvaju čimbenika:

-sposobnošću deformacije prije loma (elastične i plastične) DUKTILNOST

- sposobnošću otpora trajnoj deformaciji, tj. visinom Re(Rp 0,2)

OS - ŽILAVOST

Ispitivanje žilavosti:- Torzijska žilavost

Opća svojstva

OS - ŽILAVOST Opća svojstva

OS - ŽILAVOST

Način prerade!

Opća svojstva

TALJENJE ⇒ PRETALJIVANJE ⇒ DEFORMIRANJE ⇒TOPLINSKA OBRADA

PROIZVODNJA ALATNIH ČELIKA:

1. KONVENCIONALNIM POSTUPKOM2. PRETALJIVANJEM POD TROSKOM (ESR, ESU,

PESR-zaštitni plin),PRETALJIVANJE U VAKUUMU (VAR, VLBO)

3. METALURGIJOM PRAHA (PM)

Proces pretaljivanja značajno poboljšava:

-čistoću (stupanj čistoće) i -homogenost čelika

-žilavost, duktilnost-izotropnost

⇒

Kemijski sastav + brzina hlađenja

Karakteristike odljevenog bloka:segregacije makro i mikroporoznostneravnomjerni raspored uključaka

⇒

ESR (ESU, EPT) VAR (VLBO)

Karakteristike pretaljenog bloka:bez blok segregacijahomogen i visoke gustoćeravnomjerni raspored uključaka

KONVENCIONALNO

+ SPECIJALNA TO

Utjecaj načina proizvodnje (pretaljivanja) čelika na a) stupanj čistoće i b,c,d) neka mehanička svojstva čelika X 40 CrMoV 5 1 (X37 Cr Mo V 51, )

Shematski prikaz tijeka proizvodnje alatnog čelika metalurgijom praha (PM)

- Bitno brže skrućivanje: (nema segregacija, mali karbidi, homogeno raspoređeni po masi)- Potpuna izotropnost svojstava- Omogućeno znatno viši udjeli Me (karbiditvoraca) → viša OT (nemoguće drugačije proizvesti)- Poboljšana sposobnost brušenja, poliranja, obrada elektroerozijom te fotonagrizanje- Manje, jednolične i ponovljive deformacije tijekom TO

Proizvodnja AČ praškastom metalurgijom (PM)

Utjecaj dobivanja čelika postupkom PM na mikrostrukturu ledeburitnog alatnog čelika

Neke skupine čelika proizvedenih PM raznih proizvođača

Bőhler Uddeholm R. Zapp

Kalupni čelici K 190 ISOMATRIX PM(MICROCLEAN)

M 390 ISOMATRIX PM(MICROCLEAN)

Vanadis 10 (4) CPM 10 VCPM 9 V

CPM T440 VM

Brzorezni čelici S 390 ISOMATRIX PM

S 590 ISOMATRIX PM

S 690 ISOMATRIX PM

S 790 ISOMATRIX PM

MICROCLEAN Vanadis 60Vanadis 30Vanadis 23

CPM Rex M4

1. OTPORNOST NA POPUŠTANJE Posebna svojstva

Otpornost na popuštanje (u užem smislu) što manje sniženje tvrdoće povišenjem ϑp.

ΔHRC = HRC 200 °C - HRC 500 °C

1. OTPORNOST NA POPUŠTANJE Posebna svojstva

-Rm, Re, HV, KV

-OT - pri povišenim temperaturama,

-Otpornost na oksidaciju - otpornost prema promjenama strukture

-Otpornost prema promjeni kvalitete površine

popuštanja

-Otpornost prema promjeni mjera

-Otpornost na TU

P = T (C + log t)Rp0,2 (Re) = f ( Tr) , poznato Re = f(HV).

Čelik tako legirati (u primjeni za rad pri povišenim radnim temperaturama) da on na toj temperaturi zadrži dovoljno visoku granicu tečenja, (tvrdoću)!

1. OTPORNOST NA POPUŠTANJE Posebna svojstvaZa AČ za topli rad i brzorezne čelike:

- RED HARDNESS (mjeri se na sobnoj temp. nakon ohlađenja s radne ili temperature pop. ,- HOT HARDNESS (mjeri se na temperaturi ispitivanja - radnoj ili temperaturi popuštanja).

1. OTPORNOST NA POPUŠTANJE Posebna svojstva

Zaključak: (HV)T = f ((HV 20 °C), T)(Rp o,2)T = f (HV)T

a) Na oko 500 °C:700 HV 60…62 HRCpovratan pad tvrdoće! nema trajnih promjena mikrostrukture!

b) > 550 °Cpad tvrdoće!nepovratno mekšanje!T poč.mekš.≅ (0,7 – 0,8) A1raspad M i koag. K

(OT)T = f ((HV)T, %K) slijedi:Posljedica snažnog mekšanja čelika biti će i znatno sniženje OT(koalescencija karbida).

1. OTPORNOST NA POPUŠTANJE Posebna svojstva

ČELIK TREBA IMATI:VISOKU TVRDOĆU NAKON POPUŠTANJA i VISOKU TVRDOĆU PRI POVIŠENIM TEMP. } ⇑ Nerastvorenih K i ⇑ HRCT → OP

ŽILAVOST:na sobnoj i radnoj (povišenoj) temperaturi

TOPLINSKI UMOR ?

2. KALJIVOST Posebna svojstva

a) ZAKALJIVOST

b) PROKALJIVOST

ZN: tlačna, vlačna

Berns-ov dijagram!ČELIK UVIJEK TREBA ZAKALITI NA MAKSIMALNU TVRDOĆU (osim VL. A.Č.T.R. i BRČ), POPUSTITI NA ϑP,OPT.

Rp0,2 = f (HRCr) ϑp = f ( HRC opt.)

3. DIMENZIJSKA STABILNOST U RADU Posebna svojstva

Promjene oblika u radu:

-visokih σ ispod Rp0,2 (elastične deformacije),→ presjek?

-visokih σ iznad Rp0,2 (trajne deformacije) - nedozvoljeno!

-prirodno ili forsiranog starenja P,S, masovni kvalitetni i plemeniti –

M ⇒ P- smanjenje volumenaAz ⇒ B (M)- povećanje volumena

Umjetno starenje nakon popuštanja

4. VELIČINA AUSTENITNOG ZRNA Posebna svojstva

Veličina A zrna:

- Parametara austenitizacije ϑa, ta

- Metalurškoj preradi

Porast A-zrna spriječava se:

- prisutnošću sitnih teško topivih nečistoća,- prisutnošću sitnih, jednoliko dispergiranih K po granicama zrna (npr. V4C3 karbid).

5. DIMENZIJSKA POSTOJANOST PRI KALJENJU Posebna svojstva

“Bezdeformacijsko kaljenje”?

Deformacije:

- Volumena (A→M - ↑volumena), legirati ~ 15 % Az tvrdoća- Oblika (iskrivljenje)

5. DIMENZIJSKA POSTOJANOST PRI KALJENJU Posebna svojstva

Posebna svojstva5. DIMENZIJSKA POSTOJANOST PRI KALJENJU

5. DIMENZIJSKA POSTOJANOST PRI KALJENJU Posebna svojstva

Oznaka čelika %C %Mn %Cr %Mo %W

90MnCrV 8 0,9 2

105 WCr 5 1 1 1 1,2

X210Cr 12 2,1 12

X 100CrMoV 5 1 1 5 1

Važnost: Alati se ne smiju nakon kaljenja brusiti (modulna glodala, komplicirane rezne ploče štanci, precizni kalupi s finim gravurama)

PROIZVODNI ZAHTJEVI

1. Cijena ? Što kvalitetniji materijal

2. Mogućnost nabavke

3. Obradljivost OČ (rezanje, brušenje)- sferoidizirana mikrostruktura- brušenje visokokarbidnih AČ teško!- elektroerozijom- foto nagrizanje….

Dodatak za obradu…

4. Otpornost na razugljičenje%C, ϑa, obvezna ZAŠTITA!

Dodatak za obradu kovanih šipki od alatnog čelika

Gotova dimenzija promjer ili debljina stranicemm

Dužina šipki do3500 mm

Dužina šipki3500 – 6000 mm

iznad do uključno

dodatak za obradu

dodatak za obradu

16 25 2,6 -

25 40 3 -

40 63 4 6

63 80 5 7

80 100 6 8

100 125 7 10

125 160 9 12

1. Cijena ? Što kvalitetniji materijal

Cijene visokolegiranog čelika za topli rad (npr. X 38 CrMoV 5 1) ovisno o načinu proizvodnje (pretaljivanja)

Konvencionalna + STO ESR VAR

1 (28 kn/kg) 1,5 2,0

Usporedba cijene alatnih čelika proizvedenih konvencionalnim načinom i PM

Alatni čelik za hladni radBrzorezni čelik

Konvencionalno PM Konvencionalno PM

X155CrVMo121 X220CrVMo134(K190 ISOMATRIX)

HS 6-5-2 HS 6-5-3S 790 ISOMATRIX

1 8 – 10 1 (60...70 kn/kg) 4 – 5 (250...300 kn/kg)

Elektroerozija omogućuje:

• jednostavniju izradu kompliciranih geometrijskihoblika alata (npr. raznih gravura ili gnijezdakalupa)

• veću produktivnost• veću radnu preciznost• učinkovitu i ekonomičnu alternativu klasičnim

OOČ• obradu prethodno kaljenih i poboljšanih čelika• poliranje šupljina u alatu i izradu koničnih provrta• obradu nepristupačnih dijelova predmeta

utjecaj na alatne čelike(zbog ugrijavanja):

1. mikrostrukturu2. stanje naprezanja3. stvaranje pukotina4. tvrdoću, čvrstoću5. sadržaj C i Me

Mikrostruktura nakon elektroerozijskeobrade na poprečnom presjeku:

a) čelika X 100 Cr Mo V 5 1 (tvrdoće 57 HRC) (i raspored tvrdoće)b) čelika 90 Mn V 8 (1026 mJ)c) čelika HS 6-5-2 (1026 mJ)a)

c)

b)

Raspored tvrdoće po poprečnom presjeku nakon obrade elektroerozijom raznih alatnih čelika /2/

RASTALJENA ZONA ZONA UTJECAJA TOPLINE (ZUT)PUKOTINE

Karakteristike AČ

SPECIFIČNOSTI TOPLINSKE OBRADE ALATNIH ČELIKA

1. ŽARENJA2. KALJENJE3. POPUŠTANJE4. POVRŠINSKE TOPLINSKE OBRADE

ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA

Nastanak:

- nejednolikog ohlađivanja nakon: valjanja,kovanja, zavarivanja, lijevanja

- nakon hladne deformacije (savijanja, ravnanja)- nakon grube OOČ)- nakon eventualnih strukturnih tansformacija

(parcijalno zakaljivanje nakon valjanja VLAČ)

- nedozvoljene deformacije prigrijanju

- lom (npr. pri transportu)

ŽARENJE ZA REDUKCIJU ZAOSTALIH NAPREZANJA

Fizikalna osnova redukcije ZN:Rp0,2 = f (ϑ)

Posljedice: - nema strukt. promjena- ZN ≈ 40…80 N/mm2

- trajna deformacijaParametri: ϑž, tž, hlađenje- sporo

Primjena: - AČ nakon grube OOČ- nakon normalizacijskog žarenja- prije nitriranja ako se alat ne TO- nakon poboljšavanja

Tem

pera

tura

°C

A1

Vrijeme

400..650 °C/ 2..4 hsporo (npr. u peći)

S = T (c + lg t)Larson Millerov parametar

SFEROIDIZACIJSKO ŽARENJE

Žarenje pri T oko A1 po potrebi osciliranjem oko A1 uz sporo hlađenje u cilju postizanja dovoljno mekog stanja za određenu namjenu, stanja najnižih mogućih ZN te uglavnom kuglastog oblika K

Fizikalna osnova SŽ:- Površinske napetosti (Rm)- Niska E → min. A/V

Rezultat: - ↓ Rm, H, ↑K, A- olakšano rezanje (grubi sferoid K)(srednje sferoidizirani K)- ↑ obradivost deformiranjem- TO lošija

Parametri: ϑsž, tž= 2…4 h (f (debljine K, hlađenje - sporo ≈ 50 K/h, zaštita

ϑs < A1-samo eid-

karbidi

podeutektoidni čelici:

- ugljični AČs < 0,8 %C- AČ: 45WCrV7, 60WCrV7- NLAČ za TR 55NiCrMoV6- Čelici za poboljšavanje

ϑs > A1- sferoidizirajuse nešto i K′′

- nadeutektoidni čelici

Razbijanje K′′ ljuske:

- hladnom deformacijom (mehanički)- kaljenjem s ϑa < Acm + ϑs < A1- normalizacija: ϑn > Acm + ϑs >A1

Posebni oblici sferoidizacije:

- Izotermička sferoidizacija Č za kotrljajućeležaje,

BRČ...

SFEROIDIZACIJSKO ŽARENJE

TEHNOLOŠKI PROCES IZRADE PREDMETA

NORMALIZACIJSKO ŽARENJE

Grijanje: ϑn = A3 + 30...70 °C –podeutektoidniϑn = A1 + 50...70 °C –nadeutektoidni

Hlađenje na zraku: vkd

P-zrno malo, iznad A1 visoku E (sitno zrno!)

Primjena:

- otklanjanje nepoželjne sekundarne strukturenadeutektoidnih Č. (karbidi, trakasta, …)

- otklanjanje grubozrnatosti (lijevanje, valjanje, kovanje, čim ↑ °C pri TO)

Posebni oblici normalizacije:- razbijanje K-ljuske ϑn > Acm (ulje)+ ϑs >A1- Izotermička normalizacija (VLAČ – jer se na

zraku djelomično zakale)

Normalizacija se izvodi kod proizvođača AČ. Čelik se isporučuje ili u normaliziranom ili češće u meko žarenom stanju!

Tem

pera

tura

°C

A1

Vrijeme

ϑn

V V (zrak)hl kd≤

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

Karakteristike AČ: visok sadržaj C (nadeutektoidni i podeutektički)Osim ugljičnih AČ postoje i legirani. Me se dodaju u cilju:- povišenja OT- povišenja OP- povišenja prokaljivosti- dimenzijske stabilnosti pri kaljenju- smanjenja rizika loma (voda, ulje, topla kupka, zrak!)

Postupci TO (kao i kod konstr.)Realizacija TO traži:- Različitu tehniku (oprema,

visoka ϑa, zaštita,… ) i- Puno pažnje

Tem

pera

tura

°C

ϑ TO

ugrijavanje progrijavanje držanje ohlađivanje Vrijeme

grijanje

površina

jezgra

jezgra

površina

ukupno vrijeme ugrijavanja

AUSTENITIZACIJA- , t- zaštitaϑa a

REŽIM GRIJANJA GAŠENJE

ϑa

Presjek vakuumske peći

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

ZAŠTITA PRI KALJENJU AČ

- zaštitna atmosfera- solna kupka- vakuumska peć-pakovanjem u koks, papir,

drveni ugljen, istrošeni granulat itd.

- zbog niske toplinske vodljivosti λ, naročito visokolegirani AČ, λ = f (ϑ)

- eventualno prisutnih zaostalih naprezanja- te nastupa novih toplinskih naprezanja

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

- postupno, ili sporo ugrijavanje, ili- što brojnija predgrijavanja

Utjecaj temperature na toplinsku vodljivosti (λ) raznih čelika

I. predgrijavanje 400 ....500 °C za sve AČII. predgrijavanje 860...880 °C za visokolegirane AČčija je ϑa 960...1150 °CIII. predgrijavanje 1050 °C za BČ. ϑa > 1200 °C

Predgrijavanje se izvodi u pećima ili solnim kupkama

a) Režim grijanja na temperaturu austenitizacije

< 700… 800 °C bez ZAŠTITE> 700… 800 °C potrebna zaštita ( razugljičenje,

pougljičenje i oksidacija):- zaštitna atmosfera- solna kupka- vakuumska peć- pakovanjem u koks, papir, drveni ugljen, istrošeni

granulat itd.

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

TRANSFORMACIJE PRI UGRIJAVANJU:Čelik u polaznom stanju sadrži strukturu F + K (Kid , K” i Ke)

Austenitizacijom težimo strukturi: Za podeutektoidne AČ AZa nadeutektoidne čelike A + xK” (x<1)Za podeutektične čelike A + xK” + Ke (x<<1)

b) Izbor temperature austenitizacije

za podeutektoidne ϑa = A3 + 30...70 Cza nadeutektoidne ϑa = A1 + 50...70 Cza ugljične: FeCza legirane: pseudobinarni FeC

b) Izbor temperature austenitizacije

Dijagrami FeC i pseudobinarni FeC (2%Mn)

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

b) Izbor temperature austenitizacije

Za podeutektične čelike vrijedi tzv. KRITERIJ 0,6 %C: griju se na onu ϑa koja osigurava barem 0,5...0,6 %C otopljenog u austenitu. Neotopljeni K!

Obavezna zaštita: - zaštitna atmosfera- solna kupka- vakuumska peć- pakovanjem u koks, papir, drveni ugljen, istrošeni granulat itd.

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

b) Trajanje austenitizacije

FeC i TTS dijagrami podeutektoidnog čelika

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

c) Gašenje

Mikrostruktura:

na ϑa: A + xK” (+ Ke) (Ke u slučaju podeutektičnih čelika)

u kaljenom stanju: M + Az + xK” (+ Ke) pri čemu je x < 1

Transformacije pri gašenju

Nadkritično gašenje!

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

c) Gašenje

Faza Az nepoželjna (osim 15 % "bezdeformacijsko kaljenje")Pretvorba Az → mijenja dimenzije i izaziva naprezanja i lom

Eliminacija: - DH ( prikladno za C i niskoleg. AČ + podeutektične )- dovoljno visoko popuštanje → Az ⇒ B - opasnost "krhkosti 300 °C"

ili Az ⇒ Kp + M” IV. stadij pop. - sekundarna tvrdoća

a) Režimom TO (prikladnim) izbjegavati Az:VAz = e –1,1 • 10-2 (Ms- ϑg) vrijedi za ϑg < Ms

pri čemu je: -ϑg - temp. sredstva za gašenje-VAz- volumenski udjel Az-Ms – temperatura početka

stvaranja M

Da bi VAz bio što niži treba biti što veća razlika Ms - ϑg (tj. viši Ms niža ϑg)

Kod C i niskolegiranih AČ (u cilju što manje Az):

b) DH neposredno nakon gašenja

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

MARBURGER KOISTINEN:

)(101,1 2gs

Z

M

A eV ϑ−•− −

=

099,0)20230(101,1 2

== −•− −eVZA

138,0)50230(101,1 2

== −•− −eVZA

1. Čelik s 0,8 %CMs = 230 °C

Temperatura sredstva za gašenje, ϑg, °C

Udjel zaostalog austenitaVAz , %

20 10

50 14

2. Čelik 100 Cr6 gašen u vodi, ulju i postupkom Martempering: ϑa = 845 °C , Ms = 215 °C, ϑTK=230 °CNačin gašenja % AZ

kontinuirano u vodi do 20 °C 5,8kontinuirano u ulju do 20 °C 7martempering ϑTK =230 °C/zrak 10,6martempering ϑTK =230 °C/voda 6,1

gašen u vodi

ϑg < Ms

c) Gašenje

Način gašenja za izbjegavanje Az:

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

c) Gašenjeb) DH neposredno nakon gašenja

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

c) Gašenje

Zaključak:

U cilju što manjeg udjela Az čelik treba:• austenitizirati na donjoj dopuštenoj ϑa te gasiti• najintenzivnije dopušteno ili

nakon martemperinga što brže (ulje, voda)na najnižu moguću temperaturu sredstva za gašenje

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

c) Gašenje

TEHNIKE GAŠENJA ALATNIH ČELIKA

KALJENJE ALATNIH ČELIKA

1005/8t=λPARAMETAR HLAĐENJA

c) GašenjeKALJENJE ALATNIH ČELIKA

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

1. Mikrostruktura kaljenja (gašenja): = f (sastava, ϑa, gašenja):

MM + AzM + Az + xK″M + Az + xK″ + Ke

M + P + B ( +F)B

2. Tvrdoća3. Zaostala naprezanja

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

II. stadij:

180 ... 320 °C/1h

AZ ⇒ B ″

200 °C/1 h ⇒ M0,25 + Fe 2,4C + B″ + AZ (+ K)

M + AZ + (K)

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

Brzorezni i visokolegirani AČ

IV. Stadij:

480 ... 620 °C/1h

AZ ⇒ Kp + M″

Dijagram popuštanjabrzoreznog čelika

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

{ { {

Nepp

ez

KxKMKM

KxKAM

++++

+++

////

%12...5

//

%30....15%80...58

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

Glavne krivulje popuštanja pojedinih skupina AČ (t = 1h)

Parametar popuštanja: P = T (C + lg t) (HRC = F (P))

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

Dijagram popuštanja čelika 90MnCrV 8 (0,9 %C, 2,0 %Mn, 0,3 %Cr, 0,1 %V)

POPUŠTANJE ALATNOG ČELIKA

Dijagram popuštanja čelika 90MnCrV 8ϑa = 775 °C/ ulje; tp = 1h

(0,9 %C, 2,0 %Mn, 0,3 %Cr, 0,1 %V, dimenzije: 50x50x12 mm)

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

- djelovanjem topline- difuzijom- nanošenjem- mehaničkim putem

modificiranje OTMikrostruktura površinskog sloja OK

stvaranje nove TBC itd

Toplinsko djelovanje na alatPrianjanje na podlogu (OT, Rmt, Rd)

ČELICI 250 °C < Temperatura popuštanja > 250 °C

Čelici za hladni rad - brzorezni čelici

- ugljični niskolegirani - čelici za topli rad

- ledeburitni alatni s 12 % Cr - ledeburitni alatni s 12 %Cr + 1 %V

- čelici za cementiranje - čelici za nitriranje

- čelici otporni na koroziju - čelici za poboljšavanje

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

PLAMENO KALJENJE

-grijanje plamenom predmeta većih dimenzija

-viša ϑa = 50...100 °C-δ > 2 mm

INDUKCIJSKO KALJENJE

-brže ugrijavanje-više ϑa-opasnost pukotina pri ugrijavanju pa će trebati predgrijavati-δ = f (KHz), parametara,...

KALJENJE DJELOMIČNIM URANJANJEM

-rastaljena solna kupka-ϑa > 150...200 °C-u slučaju pojedinačne obradbe kada nijeopravdano plameno ili indukcijsko kaljenje ni tehnički ni ekonomski

POSTUPCI POVRŠINSKOG KALJENJA: M, dubina, kratkotrajno, osjetljivost na gr.,polazna mikrostruktura?,deformacije

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATAKALJENJE LASEROM

-103-106 W/cm2

-kratko vrijeme: djelić sekunde-bitno viša ϑa-široko se mogu varirati dubine-samoohlađivanje vrlo intenzivno 106-107 K/s-više tehnika površinskog otvrdnjavanja: kaljenje s i bez rastaljivanja

-mikrostruktura u površini: fini M + Az u slučajurastaljivanja ledeburitnih čelika: fina ljevačkastruktura: M (+Az) + Ke visoka OT abrazijom

-primjena: parcijalno kaljenje:npr. površina velikih alata:-bridova za zatvaranje-vodilice-noževi za granuliranje polimera itd.

KALJENJE ELEKTRONSkiMSNOPOM

-pretvorbom kinetičke energije visoko ubrzanih čestica na površinu obratka precizno se može regulirati energija i dubina, (u vakuumu)-samoohlađivanje

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

IMPULSNO KALJENJE

- energetskim impulsima (0,5 do 50 ms)- minimalne deformacije- Male dubine: δ = 0,05 … 0,5 mm- ohlađivanje: samoohlađivanjem ili sredstvom- koristi se visokofrekventno ugrijavanje,

snopom elektrona, laserskim snopom ili plazmom.

- primjena: - tračne pile- rezni alat- britvice itd.

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

TOPLINSKO KEMIJSKI POSTUPCI(TERMOKEMIJSKI POSTUPCI)

DIFUZIJSKI POSTUPCI- nemetala- metala- metala i nemetala

POSTUPCI PREVLAČENJA- CVD- PVD- PACVD

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

CEMENTIRANJE-C (N)-pri ≈ 900 °C-obično u ganulatu-Eht = 0,5 -1,0 mm-niskotemp. popušt.-visoka HX (65 HRC)-visoka OTKarbonitriranje

-iako su AČ visokougljični-cilj: povisiti udjel posebnih K ( ↑ OT)-imaju višak MePrimjena:-W-Cr(Si) čelici (0,45 … 0,8 %C)-čelici za topli rad (primjena za hladni rad)-brzorezni čelici (za hladni rad – štance)-kalupi za polimere (Č. za cementiranje)

NITRIRANJE (NITROKARBURIRANJE)-N, (C, O)-450 … 580 °C-nitridi → OT (adhezija –ljepljenje)-nema brušenja samo poliranje-ϑp > ϑn-«bez deformacija»

Primjena:-brzorezni (kratko)-alati za topli rad (kalupi za tlačni lijev)-X155CrVMo12 1 (Č4850) s ϑa = 1080 °C-čelici za poboljšavanje, kalupi za preradu polimera

DIFUZIJSKI POSTUPCI -difuzija nemetaIa

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

DIFUZIJSKI POSTUPCI -difuzija nemetaIa

BORIRANJE

-oko 900 °C-boridi-tvrdoće oko 2000 HV-dubine nek. desetaka do 300 μm-OT (AD + AB)-moguća naknadna obrada jezgre

-nema brušenja samo honovanje

Primjena:

-alati za oblikovanje

OKSIDACIJA U VODENOJ PARI

-npr. BRČ pri 550 °C u pari oksidira: Fe3O4, 10 μm→ otpornost prema stvaranju lažne oštrice

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

- ALITIRANJE (FexAl– otpornost na oksidaciju, postojanost u

plinovima sa S

- SILICIRANJE (FexSi) – otpornost prema kiselinama

-900…1100 °C u kupkama-jedan ili više Me-povišenje OT-povišenje korozijskepostojanosti

-otpornost na oksidaciju

- VANADIRANJE ( VC ) 3000…4800 HV0,1- DIFUZIJSKO KROMIRANJE(Cr23C6 1200 HV0,1; Cr7C3 2000 HV0,1)

DIFUZIJSKI POSTUPCI -difuzija metala ( i nemetaIa)

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA - prevlačenje

CVDChemical vapourdeposition

-jedan ili više slojeva-TiN, TiC, Ti(CN), Al2O3-tvrdoće 2500…3000 HV0,1-debljine 1…20 μm-OT (AB, AD, OK)-800…1000 °C-poseban režim za AČ zbog visoke ϑ

Primjena:-rezni alat (sinterirani TM,ledeburitni i AČ za topli rad

-alati za oblikovanje

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA - prevlačenjePACVD Plasma assistedCVD

-karbidi, nitridi, oksidi, dijamant idijamantu slični spojevi (DLC)

-ϑ ~ 500 °C

PVDPhysical vapordeposition

-slojevi TiN, TCN, TC, oksidi-debljine 2…6 μm-ϑ = 200 - 500 °C

-BRČ (svrdla, glodala…)

-alati za oblikovanje-alati za preradu polimera…

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA

TVRDO KROMIRANJE

Cr se elektrolitičkim putem nanosi depozit (2,5...100 μm )- niski koeficijent trenja, inkopatibilnost Fe- otpornost na kiseline, (osim na HCl)- toplinska otpornost do 300 °C- neotporan na udarce

T- glodala

POSTUPAK SULF B.T.

elektrolitički pri 190 °C tijekom 10 min- stvara se FeS oko 5 μm debljine- niska je temperatura pa su prikladni svi A.Č

POSTUPCI POVRŠINSKIH OBRADA ALATA