Nástrojové oceli

Ing. Karel Němec, Ph.D.Ing. Karel Němec, Ph.D.

Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN

Podle ČSN 420002• Nelegované nástrojové oceli

Nízkouhlíkové (0,3 – 0,6 % C) Středněuhlíkové (0,5 – 1,1 % C) Vysokouhlíkové (1,0 – 1,5 % C)

• Legované nástrojové oceli Nízkolegované (do 5% legur) Střednělegované (5 – 10% legur) Vysokolegované (nad 10% legur)

• Rychlořezné oceli Oceli pro běžné použití Výkonné oceli Vysoce výkonné oceli (+ Co)

Podle ČSN EN-10027-1• Nástrojové oceli nelegované

C35U (19065) C105U (19191) C125U (19255)

• Nástrojové oceli legované 90MnV8 (19312) 35CrMo8 (19520) X210Cr12 (19436)

• Rychlořezné oceli HS 3-2-2 (19820) HS 6-5-2 (19830) HS 10-5-3-10 (19861)

Rozdělení nástrojových ocelípodle použití (ČSN 42 0075)

• NA – na řezné nástroje• NB – na nástroje pro střihání• NC – na nástroje pro tváření

(NCS – za studena, NCT – za tepla)

• ND – na formy• NE – na nástroje pro drcení a mletí• NF – na ruční nástroje a nářadí• NG – na měřidla• NH – na upínací nářadí

Další dělení nástrojových ocelí

• Podle druhu ochlazovacího prostředí při tepelném zpracování kalitelné do vody

kalitelné do oleje

kalitelné na vzduchu

Základní vlastnosti nástrojových ocelí

• Tvrdost• Pevnost v ohybu• Houževnatost• Kalitelnost a prokalitelnost• Odolnost proti popouštění• Odolnost proti otěru• Odolnost proti otupení (řezivost)• Stálost rozměrů

Tvrdost nástrojových ocelí

• Výše optimální tvrdosti je dána způsobem a podmínkami namáhání nástrojů

• Tvrdost nástrojů po kalení závisí především na obsahu uhlíku a vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem

• Legující přísady ovlivňují výrazněji tvrdost oceli tehdy, tvoří-li s uhlíkem karbidy. Používají se zejména Cr, V, W a Mo

Karbidy v nástrojových ocelích

Karbidy Tvrdost [HV 0,1] prvky (M) Pozn.

M3C asi 950 Fe, Mn Karbid cementitického typu, je relativně měkký

M23C6 1000-1100 CrPři ohřevu na kalící teplotu se zcela rozpustí, chrom přechází do tuhého roztoku a zvyšuje prokalitelnost oceli

M6C 1200-1300 WPři ohřevu na kalící teplotu se zčásti rozpustí v austenitu, zčásti zůstává zachován a omezuje růst zrna austenitu.

M7C3 1600-1800 Cr

M2C 1700-1900 W, Mo Precipitují ve struktuře při popouštění 500-600°C

MC(M4C3) 2200-3000 V

Jemné velmi tvrdé karbidy, které se při austenitizaci jen zčásti rozpustí a zabraňují zhrubnutí austenitického zrna. Dále precipitují ve struktuře při popouštění 500-600°C

Pevnost v ohybu

• Pevnost v ohybu u nástrojových ocelí lépe vystihuje způsob namáhání nástroje

• Obdobně jako tvrdost závisí především na obsahu uhlíku (vzrůstá s jeho zvyšujícím se obsahem) a způsobu tepelného zpracování

• Významně závisí rovněž na stavu povrchu, protože vysoce pevné materiály jsou citlivé na vruby

Houževnatost

• Určuje odolnost nástrojů vůči mechanickým rázům (tj. proti tvorbě trhlin a jejich šíření)

• Houževnatost je důležitá hlavně u materiálů na nástroje pro stříhání a tváření

• Zvýšení houževnatosti lze dosáhnout zjemněním zrna, rovnoměrným rozložením jemných karbidů a minimalizováním vnitřních pnutí

• Nežádoucí je struktura s výraznou karbidickou řádkovitostí a přítomnost nečistot a vměstků

Kalitelnost a prokalitelnost

• U nástrojových ocelí bývá obvykle požadováno prokalení celého průřezu

• Prokalitelnost závisí hlavně na chemickém složení oceli, velikosti nástroje a rychlosti ochlazování při kalení

• Podstatně se zvyšuje zejména přísadou Mn, Cr, Mo a W

Prokalitelnost

Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C105U (19 191)Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C105U (19 191) b – 90MnCrV8 (19 313)b – 90MnCrV8 (19 313) c – X210CrW12 (19 437)c – X210CrW12 (19 437)

Odolnost proti popouštění

• Nástrojové oceli si musí zachovat mechanické vlastnosti (hlavně tvrdost) i při práci za vyšších teplot, aby se nesnížila odolnost proti otěru a řezivost, tedy životnost nástroje

• Dostatečnou životnost nástrojů lze zajistit především vhodným výběrem oceli

• Odolnost proti popouštění zvyšují hlavně W, Mo, V, Co

Odolnost proti popouštění

Vliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelíVliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelí

Odolnost proti popouštění

Tvrdost nástrojových Tvrdost nástrojových materiálů v závislosti materiálů v závislosti na teplotě:na teplotě:

a – nelegovaná ocela – nelegovaná ocel

b – rychlořezná ocelb – rychlořezná ocel

c – slinutý karbidc – slinutý karbid

Odolnost proti otěru a otupení

• Otěr ovlivňuje velikost opotřebení a tím i řezivost (odolnost proti otupení) nástrojů

• Odolnost proti otěru je výrazně ovlivňována množstvím, typem a rozložením karbidů ve struktuře

• Při otěru se funkční části nástroje zahřívají, proto je nutné, aby měla ocel i dobrou odolnost proti popouštění

Stálost rozměrů

• U většiny nástrojů je požadováno, aby měly po tepelném zpracování minimální rozměrové změny, neboť další opracování (broušení) je velice drahé

• Navíc u přesných nástrojů musí být zaručena rozměrová stálost i po dlouhých dobách používání

Chemické složení nástrojových ocelí

Nástrojové oceli obsahují mimo různé množství uhlíku následující prvky:

• Doprovodné prvky prospěšné (z výroby) Mn, Si, Al

• Legující prvky Cr, W, Mo, V, Co, Ni

• Nečistoty P, S, Cu, O, N, H

Strukturní složky nástrojových ocelí

• MartenzitŽádoucí struktura - tvrdý, pevný, křehký.

• Zbytkový austenitNežádoucí struktura (je měkký), jeho množství závisí na obsahu uhlíku a legujících prvků rozpuštěných v austenitu po výdrži na kalící teplotě.

• KarbidyŽádoucí struktura, karbidy vyskytující se v matrici nástrojových ocelí jsou tvrdší než základní matrice, takže zvyšují odolnost proti opotřebení. Jejich vliv je tím větší, čím vyšší je jejich tvrdost a plocha povrchu.

Tepelné zpracování nástrojových ocelí

• Polotovary se před vlastní výrobou nástroje žíhají naměkko. Smyslem tohoto žíhání je získat strukturu vhodnou pro zpracování oceli - s nízkou tvrdostí a dobrou obrobitelností.

• Výkon nástroje je podmíněn nejen výběrem vhodné oceli pro daný účel použití, ale rovněž zvoleným postupem tepelného zpracování.

• Nástroje získávají výsledné vlastnosti dalším tepelným zpracováním, a to obvykle martenzitickým kalením a popouštěním.

Kalení nástrojových ocelí

• Ohřev na kalící teplotu je pozvolný, často v několika teplotních stupních - kvůli rovnoměrnému ohřevu součásti

• Výše kalící teploty závisí na chemickém složení oceli

• Doba výdrže na kalící teplotě je zpravidla 10-15 minut, max. 30 minut (neplatí pro rychlořezné oceli viz. dále)

• Ochlazovací rychlost nemá být vyšší než je bezpodmínečně nutná, proto jsou jako ochlazovací prostředí používány olej nebo vzduch, voda jen výjimečně

Kalení nástrojových ocelí

- nepřetržité (přímé)- nepřetržité (přímé)- lomené- lomené- termální- termální- se zmrazením- se zmrazením

KaleníKalení

Tepelné zpracování nástrojových ocelí na primární a sekundární tvrdost

• Primární tvrdost – cílem nízkoteplotního popouštění (do 200°C) je přeměna tetragonálního martenzitu na martenzit kubický, přeměna zbytkového austenitu na martenzit kubický. Výsledná tvrdost oceli po popouštění je odvozena od tvrdosti kubického martenzitu.

• Sekundární tvrdost – zvýšením popouštěcí teploty na 550 – 600°C dochází: k precipitaci jemné disperze částic speciálních karbidů

(W2C, V4C3, Mo2C) – vzrůst tvrdosti oceli po popouštění při ochlazení z popouštěcí teploty k transformuje

ochuzeného zbytkového austenitu na martenzit, čímž dochází opět ke zvýšení tvrdosti oceli po popouštění

Nízkoteplotní popouštění nástrojových ocelí na primární tvrdost

a) Popouštěcí křivka (ocel C105U) b) Vrstevnicový diagram

Vysokoteplotní zušlechťování nástrojových ocelí na sekundární tvrdost

a) Popouštěcí křivka (HS 6-5-2) b) Vrstevnicový diagram

Mikrostruktura nelegované oceli

ocel C105U (19 191), 850°C/ voda/ 200°C

Martenzit Karbidy(Fe3C)

Mikrostruktura legované oceli

ocel X210Cr12 (19 436), 980°C/ olej/ 200°C

Martenzit

Karbidychromu

Pozn.: Ukázka struktury nevhodně tvářené nástrojové oceli – karbidická řádkovitost

Rozdělení a značení RO dle ČSN EN

• Dělení se provádí dle chemického složení následovně: W-Cr-V W-Cr-Mo-V W-Cr-V-Co W-Cr-Mo-V-Co

• Označení oceli začíná písmeny HS (High Speed)Následují čísla udávající střední obsahy legujících prvků v pořadí

W-Mo-V-CoPříklady: HS18-0-1 (19 824 – chem. slož.: 18%W, 0%Mo, 1%V) HS10-4-3-10 (19 861)

Schéma tepelného zpracování rychlořezných ocelí

Mikrostruktura rychlořezné oceli

ocel HS 6-5-2 (19 830), 1200°C/ olej/ 550°C

Martenzit

Karbidy(MC, M2C)

Povrchové úpravy nástrojů

K zlepšení užitných vlastností nástrojů, zejména řezných a lisovacích, byla vypracována řada postupů povrchových úprav. Nejdůležitější z nich jsou:

• Naprašování vrstvy nitridu titanu (TiN) – podstatně zlepšuje životnost nástrojů, zejména řezných

• Nitridování – zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení a zlepšují se kluzné vlastnosti

• Tvrdé chromování - zvyšuje tvrdost, odolnost proti opotřebení, u řezných a lisovacích nástrojů lze tímto postupem zvýšit životnost až trojnásobně

• Fosfátování – získaná vrstva je porézní, dobře zadržuje mazivo a tím zlepšuje odolnost proti opotřebení

Doporučená literatura

• Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakla-datelství CERM, Brno, 2001, (2. opravené a doplněné vydání 2003)

• Fremunt, P., Krejčík, J., Podrábský, T.: Nástrojové oceli. Dům techniky Brno, Brno, 1994

• Pluhař, J. a kol.: Nauka o materiálech. SNTL, Praha,1989• Askeland, D.R., Phulé, P.P.: The Science and

Engineering of Materials. Thomson-Brooks/Cool, 4th ed. 2003 (5th ed. 2005)

• Callister, W.D., Jr.: Materials Science and Engineering. An Introduction. John Wiley & Sons, Inc., 6th ed., 2003