Zobrazit Älánek ve formátu PDF - ZápadoÄeská univerzita v Plzni
Zobrazit Älánek ve formátu PDF - ZápadoÄeská univerzita v Plzni
Zobrazit Älánek ve formátu PDF - ZápadoÄeská univerzita v Plzni
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
ABSTRAKT<br />
TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ RYCHLOŘEZNÝCH OCELÍ<br />
SVOČ – FST 2010<br />
Lukáš Martinec,<br />
Západočeská uni<strong>ve</strong>rzita v <strong>Plzni</strong>,<br />
Uni<strong>ve</strong>rzitní 8, 306 14 Plzeň<br />
Česká republika<br />
Hlavní skupinu materiálů, pouţívanou pro výrobu nástrojů, tvoří tzv. nástrojové oceli. Pro různé typy nástrojů, a pro<br />
jejich odlišné provozní podmínky jsou poţadovány také různé vlastnosti těchto materiálů. Výběrem vhodného druhu<br />
oceli, a vhodného druhu tepelného zpracování se zajišťují poţadavky na tyto vlastnosti daných materiálů. Poţadavky<br />
kladené na vlastnosti nástrojových ocelí jsou především tvrdost, houţevnatost, odolnost proti popuštění, kalitelnost a<br />
prokalitelnost nebo stálost rozměrů za vysokých teplot.<br />
KLÍČOVÁ SLOVA<br />
Tepelné zpracování, rychlořezné oceli, karbidy, metalografie, ţíhání, kalení, popouštění<br />
ÚVOD<br />
Tato práce se soustřeďuje na samostatnou skupinu vysokolegovaných nástrojových ocelí na tzv. rychlořezné oceli. Tato<br />
skupina nástrojových materiálů je značně vyuţívána při výrobě nejrůznějších nástrojů. V teoretické části této práce je<br />
zpracován přehled nástrojových ocelí, jejich vlastností a postupů při jejich tepelném zpracování, coţ je důleţité pro<br />
pochopení problematiky tepelného zpracování rychlořezných ocelí. Praktická část projektu je zaměřena na zkoumání<br />
vlastností rychlořezných ocelí po tepelném zpracování. Zkoumány budou 4 druhy rychlořezných ocelí, za účelem<br />
porovnání výsledků experimentu se vzorky po správném tepelném zpracování, tak i za účelem vyhodnocení správnosti<br />
tepelného zpracování. U ocelí budou zkoumány jak vlastnosti mechanické, tak i vlastnosti zjišťované<br />
z metalografických výbrusů. Tyto poznatky budou uloţeny do materiálové databanky, která slouţí jak pro výukové<br />
účely, tak i pro praktické vyuţití.<br />
CHAREKTIRISTIKA RYCHLOŘEZNÝCH OCELÍ<br />
Rychlořezné oceli jsou nástrojové oceli vysoce legované, a patří k ocelím ledeburitickým. Rychlořezné oceli si udrţují<br />
vysokou tvrdost i za zvýšených teplot (typicky 52HRC při 540°C, 48HRC při 595°C). Tak, jak naznačuje teplota jejich<br />
pouţití, jsou především pouţívané na řezné nástroje, kde se během obrábění generuje značné mnoţství tepla. U těchto<br />
ocelí je charakteristická tzv. čer<strong>ve</strong>ná tvrdost, coţ je schopnost vzdorovat měknutí, kdyţ je ocel rozţha<strong>ve</strong>ná do čer<strong>ve</strong>na.<br />
Určitý obsah uhlíku a vysoký podíl legujících prvků zajišťuje v tepelně zpracovaných nástrojích dostatek speciálních<br />
karbidů. Pro rozpuštění těchto karbidů, je potřeba kalení z vysokých kalících teplot blíţících se bodu tání. Vyznačují se<br />
také vysokou prokalitelností, i na klidném vzduchu.<br />
Vlastnosti získané po tepelném zpracování jsou:<br />
- Velká odolnost proti popuštění<br />
- Vysoká tvrdost i za zvýšených teplot<br />
- Velká odolnost proti opotřebení<br />
- Přiměřená houţevnatost<br />
Od těchto vlastností se odvíjí <strong>ve</strong>lký výkon těchto ocelí, který zahrnuje řezivost a trvanlivost rychlořezných ocelí.<br />
Tváření a tepelné zpracování hutních výrobků[ 2,3]<br />
Převáţná část vyrobené oceli se dále zpracovává tvářením za tepla. Nejobvyklejšími hutními výrobky jsou tyčová ocel<br />
různých profilů nebo výkovky. Podle druhu oceli a charakteru výrobku se ingoty tvářejí válcováním nebo kováním.<br />
Tvářením se rozruší struktura vzniklá v průběhu tuhnutí oceli v kokile. Dochází k redistribuci segregátů a k odstranění<br />
některých vnitřních vad jako je porezita, popřípadě drobnější necelistvost. Oproti litému stavu se tedy tvářením zlepšuje<br />
homogenita chemického sloţení a kompaktnost oceli. Z hlediska anizotropie je výhodnější provádět tvarové výkovky<br />
(všestranně kované kotouče), neţ tyčové výkovky se strukturou upořádanou do hlavního směru tváření. Důleţitým<br />
ukazatelem pro získání optimální struktury tvářené oceli, je stupeň prokování zpravidla vyjadřovaný jako poměr<br />
průřezu slitku k průřezu výkovku nebo vývalku. Minimální stupeň prokování je závislý na druhu oceli. Rychlořezné
oceli mohou být tvářeny s redukcí průřezu 13:1, při jednom ohřevu materiálu. Vhodnou <strong>ve</strong>likostí redukce průřezu<br />
docílíme optimálního rozrušení eutektických karbidických struktur (karbidického síťoví).<br />
Vlastnímu tváření předchází ohřev na tvářecí teplotu, která se odvozuje od teploty solidu. Reţim ohřevu a interval<br />
tvářecích teplot se odvíjí od dané oceli nebo skupiny ocelí. Ohřev se skládá z předehřevu a vlastního ohřevu na tvářecí<br />
teplotu. Interval tvářecích teplot je poměrně úzký a tak se často provádí v průběhu tváření příhřev materiálu. Typicky,<br />
tvářecí operace nástrojových ocelí začínají na teplotách 1090 – 1190°C, a teploty při dokončení se pohybují v rozmezí<br />
995 – 1010°C. Po tváření je povrch výkovků značně poškozen (otlaky, necelistvost). Povrchová vrstva můţe být vli<strong>ve</strong>m<br />
oxidace při ohřevu oduhličena. Proto je nutné počítat s přídavkem na opracování, jehoţ odstraněním docílíme<br />
optimálního stavu povrchu pro výrobu nástroje.<br />
Součástí výroby nástrojových ocelí (výkovků, vývalků) je tepelné zpracování. Nejčastěji se jedná o mezioperační ţíhání<br />
prováděné mezi jednotlivými operacemi tváření, nebo o ţíhání na závěr výrobního procesu jako konečná úprava.<br />
Mezioperační ţíhání se provádí u polotovarů pro odstranění vnitřního pnutí. Závěrečné tepelné zpracování oceli je<br />
důleţité pro její další zpracování.<br />
Na obrázku 1 je zachycena struktura polotovaru oceli ČSN 19830 po tváření, kde je patrná karbidická řádkovitost.<br />
Mikrostruktura oceli, vyrobené pomocí práškové metalurgie, je zachycena na obrázku 2. Jedná se o rychlořeznou ocel<br />
s jakostí CPMREX 76. V tomto případě je zde patrné rovnoměrné rozloţení jemných karbidů.<br />
Obr. 1: Karbidy v oceli ČSN 19830 [5] Obr. 2: Přášková metal. ocel 19830 [5]<br />
KARBIDICKÉ FÁZE V RYCHLOŘEZNÝCH OCELÍCH [1,4]<br />
Uhlík, vţdy přítomný <strong>ve</strong> všech druzích ocelí, působí na vlastnosti svou přítomností v tuhých roztocích α a γ, kde<br />
s rostoucím obsahem zvyšuje pevnost i tvrdost, ale sniţuje houţevnatost. Mimo těchto vlivů, uhlík vytváří karbidické<br />
fáze s některými slitinovými prvky převáţně s Cr, W, V, Ti. Tyto karbidy zajišťují odolnost proti popuštění, odolnost<br />
proti otěru a řezné vlastnosti. V rovnováţném stavu za normálních teplot jsou karbidické fáze přítomny, téměř <strong>ve</strong> všech<br />
ocelích, neboť rozpustnost uhlíku se ţelezem je niţší, neţ mnoţství uhlíku obsaţené v ocelích. U uhlíkových ocelí je<br />
karbidická fáze zastoupena cementitem Fe 3 C.<br />
U slitinových ocelí jsou <strong>ve</strong> struktuře přítomny také jiné karbidické fáze. Pevnostní vlastnosti slitinové oceli, při<br />
normální teplotě, daném chemickém sloţení a vlastnostech základní kovové hmoty, více ovlivňuje způsob rozloţení<br />
karbidické fáze neţ její sloţení. Čím jsou karbidy hrubší, tím menší je jejich vliv na zvýšení pevnosti. Karbidická fáze,<br />
která je vyloučena <strong>ve</strong> tvaru malých lamelek zvyšuje pevnost a sniţuje tvárnost více neţ karbidické fáze kulového tvaru.<br />
Karbidy vyloučené po hranicích zrn zvětšují náchylnost ke křehkosti oceli.<br />
Karbidy různých přísadových prvků jsou, stejně jako cementit, <strong>ve</strong>lmi tvrdé a křehké. Vliv jednotlivých druhů karbidů,<br />
se tedy výrazně neprojevuje na základní mechanické vlastnosti. Následkem odlišného chemického sloţení jsou však<br />
značně ovlivněny některé zvláštní vlastnosti jako jsou například odolnost proti opotřebení, řezivost za vysokých teplot.<br />
TEPELNÉ ZPRACOVÁNÍ RYCHLOŘEZNÝCH OCELÍ [1,2,4,6,7]<br />
Tepelným zpracováním se rozumí záměrné vyuţívání fázových a strukturních přeměn v tuhém stavu, kterým dochází ke<br />
změně struktury a tím k získání poţadovaných vlastností výrobku nebo polotovaru. Příčinou fázových přeměn je<br />
polymorfie slitin ţeleza. Průběh fázových přeměn, a vlastnosti nově vzniklých fází, závisejí u dané slitiny především na
ychlosti ohřevu a na rychlosti ochlazování, ale také na teplotě a době prodlevy v izotermické etapě zpracování. Tepelné<br />
zpracování se tedy skládá z ohřevu na určitou teplotu, výdrţe na této teplotě, a z ochlazování určitou rychlostí.<br />
Polotovary pro výrobu nástrojů jsou obvykle dodávány <strong>ve</strong> stavu ţíhaném na měkko. Konečné vlastnosti nástroje jsou<br />
získány vhodně zvoleným postupem a kombinací tepelného zpracování. Tepelné zpracování rychlořezných ocelí má své<br />
specifické znaky, jako je vysoká kalící teplota (pro dostatečné rozpuštění karbidů vzniklých metalurgií). Dalším<br />
typickým rysem jsou prodlevy při ohřevu na kalící teplotu (pro rozpuštění karbidů a pro zamezení pnutí mezi povrchem<br />
a jádrem nástroje). Rychlořezné oceli jsou také výrazně citlivé na přehřátí. Po kalení rychlořezných ocelí vţdy následuje<br />
popouštění (obvykle vícenásobné). Postup základního tepelného zpracování nástrojů z rychlořezné oceli je znázorněn<br />
na obrázku 3 (I/1 – hrubování, I/2 – ţíhání ke sníţení<br />
pnutí, I/3 – opracování na čisto, II/1 – ohřev<br />
s předehře<strong>ve</strong>m, II/2 – prodleva na kalící teplotě, II/3a<br />
– kalení v oleji nebo na vzduchu, II/3b – kalení v solné lázni, III/1 aţ 4 – trojnásobné aţ čtyřnásobné popouštění, III/5 –<br />
broušení načisto).<br />
Žíhání<br />
Obr. 3: Tepelné zpracování rychlořezné oceli [6]<br />
Obr. 4: Postup ţíhání na měkko rychlořezné oceli<br />
Ţíháním nazýváme postup při tepelném zpracování, při kterém se výrobky ohřívají na určitou teplotu, následuje dlouhá<br />
výdrţ a poté, zpravidla pomalé ochlazování. Cílem ţíhání je tedy dosaţení určité úrovně rovnováţného stavu (stabilní<br />
struktury).<br />
Žíhání na měkko<br />
Jedná se o ţíhání bez překrystalizace, a cílem je pře<strong>ve</strong>dení lamelárního perlitu na perlit globulární tj. základní feritickou<br />
hmotu s globulemi karbidů. U ocelí tím dochází ke sníţení tvrdosti a tím ke zlepšení následné obrobitelnosti a<br />
tvařitelnosti za studena. Také je přínosné dosaţení větší homogenizace struktury, coţ je vhodné pro následující kalení.<br />
Postup pří ţíhání na měkko obvykle sestává z ohřevu na teplotu těsně pod teplotou přeměny (A c1 ), výdrţe na této<br />
teplotě a z řízeného ochlazování obvykle v peci. U ocelí s vyšším obsahem slitinových prvků, které sniţují rychlost<br />
difúze uhlíku <strong>ve</strong> feritu nebo stabilizují cementit, je potřebné prodlouţit dobu ţíhání aţ na desítky hodin. Je-li výchozí<br />
strukturou lamelární perlit, obsahuje-li ocel větší mnoţství slitinových prvků je rychlost sferoidizace cementitických<br />
lamel příliš malá. V tom případě se volí teploty ţíhání mírně nad teplotou přeměny (A c1 ). Čím má ocel více uhlíku a<br />
čím více je legována tím déle se karbidy rozpouštějí a proto bývá ţíhací teplota vyšší. Průběh ţíhání lze poněkud<br />
urychlit kolísáním ţíhací teploty kolem teploty přeměny (A c1 ). Na obrázku 4 je znázorněn postup při ţíhání na měkko<br />
rychlořezných ocelí.<br />
Kalení<br />
Účelem kalení je zvýšení tvrdosti oceli vytvořením částečně nebo zcela nerovnováţné struktury. Princip kalení spočívá<br />
v ohřevu na kalící teplotu, výdrţi na této teplotě a v ochlazení větší rychlostí neţ kritickou. Kalící teplota je u<br />
rychlořezných ocelí poměrně vysoká, a to kvůli vysoce stabilním karbidům které se v rychlořezných ocelích hojně<br />
vyskytují. Kalící teplota musí být tak vysoká, aby došlo k rozpuštění dostatečného mnoţství karbidů, a tím obohacení<br />
austenitu uhlíkem a dalšími prvky. Základní strukturou kalených ocelí je tedy struktura martenzitická nebo bainitická.<br />
Předměty a nástroje z rychlořezných ocelí je důleţité ohřívat, na kalící teplotu, pozvolně a rovnoměrně.<br />
Vysocelegované oceli, tedy i oceli rychlořezné, se vyznačují horší tepelnou vodivostí, a jsou citlivé na prudký ohřev.<br />
Proto se volí několikastupňový ohřev pro dokonalé vyrovnání teplot mezi povrchem a jádrem. Tím se zabrání vzniku
tvarových deformací a trhlin při ohřevu. Pro rychlořezné oceli, nejčastěji kalené v solné lázni, jsou pro stupňe ohřevu<br />
doporučeny teploty 500 – 550°C a 850 – 900°C. Délka prodlevy se volí 0,5 minuty na 1mm tloušťky při teplotách<br />
předehřevu do 650°C a 1 minuta na 1mm tloušťky při teplotách předehřevu nad 850°C.<br />
Vzhledem k tomu ţe rychlořezné oceli obsahují <strong>ve</strong>lké mnoţství karbidotvorných prvků, jejich austenitizace probíhá při<br />
relativně vysokých teplotách, které se pohybují aţ do teplot 1280°C. Tím se docílí rozpuštění některých typů karbidů, a<br />
dochází tak k nalegování základní hmoty uhlíkem a karbidotvornými prvky. Po dosaţení kalící teploty nezbytně<br />
následuje prodleva na této teplotě. Vzhledem k vysokým kalícím teplotám, je u rychlořezných ocelí prodleva poměrně<br />
krátká (80 – 150 sec.). Není vhodné volit horní hranici kalících teplot, ani dlouhou prodlevu na kalící teplotě, neboť to<br />
<strong>ve</strong>de k růstu austenitického zrna a tím ke sníţení houţevnatosti zákalné struktury. Jedním z cílů bakalářské práce je<br />
sledování růstu austenitického zrna v závislosti na kalící teplotě a prodlevě na této teplotě. Zvyšováním kalící teploty<br />
(do horní hranice) způsobuje rozpuštění více karbidů, a tím dochází k následnému zvýšení sekundární tvrdosti. Ocel ale<br />
obsahuje <strong>ve</strong>lké mnoţství zbytkového austenitu, a proto má bezprostředně po kalení tvrdost niţší.<br />
Kalení termální<br />
Tento způsob kalení odděluje tepelná a strukturní pnutí, a tím zmenšuje jejich společný účinek. Kalení<br />
sestává z martenzitického kalení s ochlazovací rychlostí větší neţ kritickou v teplé lázni o teplotě nad Ms, z výdrţe do<br />
vyrovnání teplot v celém průřezu předmětu aniţ by nastala přeměna na bainit a z následného ochlazení na teplotu okolí<br />
obvykle na vzduchu. Termální kalení se obvykle pouţívá u ocelí, které obsahují větší obsah slitinových prvků.<br />
S výhodou se pro tento způsob kalení vyuţívá solných lázní pro jejich vysokou chlazovací schopnost. Průběh<br />
termálního kalení je znázorněn na obrázku 5. [6,7]<br />
Obr. 5: Kalení termální /teplota středu (s), povrchu (p)/ [6]<br />
Popouštění<br />
Popouštěním rychlořezných ocelí se získávají konečné vlastnosti kaleného nástroje, poněvadţ nástroje po kalení jsou<br />
křehké a náchylné k praskání. Proto je popouštění bezpodmínečně nutné. Popouštění zajišťuje strukturní změny u ocelí<br />
s martenzitickou nebo bainitickou strukturou. Cílem popouštění je přiblíţit se rovnováţnému stavu struktury.<br />
Popouštění je tedy ohřev kaleného předmětu na teplotu pod A 1 , výdrţ na této teplotě a ochlazení na teplotu okolí<br />
vhodným způsobem. Fázové přeměny, ke kterým dochází, se týkají nejen základních fází (martenzitu a zbytkového<br />
austenitu), ale i minoritních fází (karbidů, karbonitridů aj.), které buď jiţ existují v zákalném stavu, nebo vznikají<br />
během popouštění. Při popouštění kalené oceli se obvykle rozlišují čtyři stádia popouštění.<br />
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST<br />
Účelem této bakalářské práce je zjištění vlivu výše kalící teploty a délky výdrţe na této teplotě na stav mikrostruktury<br />
vybraných rychlořezných ocelí a tím i na jejich vlastnosti. Důleţité je zejména vyhodnocení <strong>ve</strong>likosti původního<br />
austenitického zrna po různých reţimech tepelného zpracování.<br />
Na tepelně zpracovaných vzorcích bylo pro<strong>ve</strong>deno:<br />
<br />
<br />
<br />
měření tvrdosti<br />
měření <strong>ve</strong>likosti původního austenitického zrna<br />
metalografický rozbor s pouţitím světelné mikroskopie
Experimentální materiál<br />
Pro pro<strong>ve</strong>dení experimentální části této práce byli vybrány čtyři druhy rychlořezných ocelí a to:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
ocel 19802 – ocel wolframová<br />
ocel 19830 – ocel wolfram-molybdenová<br />
ocel 19856 – ocel kobaltová<br />
ocel 19861 – ocel kobaltová<br />
Experimentální program tepelného zpracování<br />
Experimentální materiál (vzorky) byl dodán jiţ <strong>ve</strong> stavu po tepelném zpracování, a to společností PILSEN TOOLS.<br />
Vzorky byly dodány v kaleném stavu a to ze tří různých kalících teplot. Pro tepelné zpracování těchto vzorků byla<br />
pouţita solná lázeň. Pro první předehřívací stupeň byla pouţita elektrická komorová pec. U vybraných ocelí byl jeden<br />
vzorek tepelně zpracován (kalen) <strong>ve</strong> vakuové peci. Pouţita byla vakuová pec Aichelin, která umoţňuje volbu dvou<br />
ochlazovacích prostředí (dusík nebo olej). V tomto případě byl jako ochlazovací médium pouţit dusík o tlaku 2 bary.<br />
Schéma celého průběhu kalení pomocí solných lázní je znázorněno na obrázku 6. Obrázek 7 pak znázorňuje<br />
schéma průběhu kalení <strong>ve</strong> vakuové peci. Výše teplot předehřívacích stupňů a délky prodlev na nich jsou voleny podle<br />
údajů z kapitoly Kalení. Také výše teploty solné lázně pro ochlazení, a příslušná prodleva je volena s ohledem na údaje<br />
v kapitole Kalení. Kalící teploty (v případě solných lázní) byly zvoleny na 1180 °C, 1230 °C a 1280 °C. Cílem je tedy<br />
posouzení vlivu výše kalící teploty na <strong>ve</strong>likost zrna, a na tzv. přehřátí oceli. Výše teplot byly zvoleny tak aby byly<br />
zachyceny jak vhodné tak i nevhodné způsoby kalení. Pro některé typy ocelí je teplota 1280 °C dostatečně vysoká pro<br />
tzv. přehřátí oceli, pro některé jiţ tak dostatečná není, ale teplota 1280 °C je maximální dosaţitelná teplota na pouţitém<br />
kalícím zařízení. Postup kalení se také lišil v prodlevách na kalící teplotě. Zvoleny byly tři doby výdrţe na kalící<br />
teplotě, a to 1, 3 a 9 minut (v případě solných lázní). Parametry tepelného zpracování (kalení) s příslušným označením<br />
vzorku je u<strong>ve</strong>deno v tabulce 1. Tabulka 2 uvádí reţimy kalení pro vzorky kalené <strong>ve</strong> vakuové peci. Pro kalení vzorků <strong>ve</strong><br />
vakuové peci byly zvoleny vhodné (správné) kalící teploty a prodlevy na nich. Pro výzkum bylo tedy dodáno 9 (10 při<br />
kalení <strong>ve</strong> vakuové peci) vzorků kaţdé oceli s různými parametry tepelného zpracování. Cílem je tedy také stanovit<br />
vhodnou dobu výdrţe na kalící teplotě pro danou ocel, a zhodnotit důsledky nevhodně zvoleného času výdrţe.<br />
Tab. 1: Parametry kalení – označení vzorků<br />
Tab. 2: Parametry kalení – vakuová pec<br />
Obr. 6: Průběh kalení – solné lázně<br />
Obr. 7: Průběh kalení – vakuová pec
Měřené vlastnosti a použité metody<br />
Změna struktury, která nastává díky tepelnému zpracování, se projeví změnou mechanických vlastností. Sledována<br />
bude tedy tvrdost. Změna tvrdosti v závislosti na výši kalící teploty a na výdrţi na této teplotě bude vyhodnocována<br />
pomocí metody měření tvrdosti podle Vickerse. Metoda byla zvolena kvůli její jednoduchosti a přesnosti.<br />
Dalším cílem je také vytvoření série snímků, zachycující vliv správnosti volby parametrů tepelného zpracování (kalení).<br />
Pro vytvoření snímků mikrostruktury tepelně zpracovaných vzorků bude pouţita světelná mikroskopie. Stano<strong>ve</strong>na bude<br />
také <strong>ve</strong>likost původního austenitického zrna, která vypovídá o správné volbě parametrů tepelného zpracování.<br />
Ocel 19802<br />
Obr.8: Číslo <strong>ve</strong>l. zrna v závislosti na kal. teplotě oceli 19802 Obr.9: Tvrdost v závislosti na kalící teplotě oceli 19802<br />
Ocel 19830<br />
Obr.10: Číslo <strong>ve</strong>l. zrna v závislosti na kal. teplotě oceli 19830 Obr.11: Tvrdost v závislosti na kalící teplotě oceli 19830<br />
Ocel 19856<br />
Obr.12: Číslo <strong>ve</strong>l. zrna v závislosti na kal. teplotě oceli 19856 Obr.13: Tvrdost v závislosti na kalící teplotě oceli 19856
Ocel 19861<br />
Obr.14: Číslo <strong>ve</strong>l. zrna v závislosti na kal. teplotě oceli 19861 Obr.15: Tvrdost v závislosti na kalící teplotě oceli 19861<br />
Metalografické pozorování<br />
Mezi základní metody zkoumání vlastností a technologie zpracování kovů a jejich slitin patří hodnocení jejich<br />
mikrostruktury neboli metalografický rozbor. Metalografie je tedy nauka o vnitřní stavbě kovů, jejich slitin nebo směsí.<br />
Vlastnosti materiálu jsou dány jeho vnitřní stavbou (strukturou) a chemickým sloţením. Chceme-li měnit vlastnosti,<br />
musíme změnit strukturu, popř. i chemické sloţení pomocí tepelného, tepelně mechanického nebo chemicko tepelného<br />
zpracování. Metalografické studium zpravidla začíná světelnou mikroskopií a podle jejích výsledků jsou voleny další<br />
metody vhodné pro řešení daného problému.<br />
Příprava vzorků pro metalografické pozorování je poměrně náročná. Skládá se z odběru vzorku, jeho broušení, leštění a<br />
vyvolání mikrostruktury leptáním. Metalografický rozbor byl prováděn v laboratořích pro zpracování vzorků na katedře<br />
materiálu a strojírenské metalurgie (KMM) fakulty strojní ZČU v <strong>Plzni</strong>. Pro přípravu vzorků byly pouţity metody a<br />
pomůcky popsané v kapitole bakalářské práce Mikrostruktura. Pro vyvolání mikrostruktury bylo <strong>ve</strong> všech případech<br />
pouţito leptadlo Nital 3% (3 ml kyseliny dusičné v 97 ml etanolu).<br />
Vlastní pozorování mikrostruktury jednotlivých vzorku se provádělo na světelném mikroskopu Carl Zeiss Axio<br />
Obser<strong>ve</strong>r Z1m, především při zvětšení 500x. Zvětšení 500x je dostatečné pro pozorování zákalných struktur, případně<br />
vyskytující se anomálie.<br />
Na obrázku 16 je zachycena struktura vzorku oceli 19861 kaleného <strong>ve</strong> vakuové peci při parametrech kalení<br />
1220°C/30min. Je zde značný rozdíl mezi strukturou tohoto vzorku kaleného <strong>ve</strong> vakuové peci, a mezi strukturou vzorku<br />
kaleného v solných lázních. Je to dáno rozdílným způsobem ochlazování. Na vzorku kaleném <strong>ve</strong> vakuové peci není<br />
rozpoznatelná martenzitická struktura. Naměřeno zde bylo číslo <strong>ve</strong>likosti zrna G11 (přijatelná hodnota). Můţeme si<br />
všimnout <strong>ve</strong>lkých nerozpuštěných karbidů.<br />
Na obrázku 17 je zachycena struktura vzorku kaleného v solných lázních z teploty 1180°C při době výdrţe tři minuty na<br />
této teplotě. Je zde patrné <strong>ve</strong>lké mnoţství <strong>ve</strong>lkých nerozpuštěných karbidů (vysoce legovaná ocel). Nachází se zde <strong>ve</strong>lké<br />
mnoţství různých typů karbidů (viz. jejich <strong>ve</strong>likost). Naměřeno zde bylo opět číslo <strong>ve</strong>likosti zrna G11 (přijatelná<br />
hodnota). Martenzitická struktura je zde téměř nerozpoznatelná, ale viz tvrdost HV je zřejmé, ţe se jedná o<br />
martenzitickou strukturu.<br />
Obrázek 18 zachycuje strukturu vzorku kaleného v solných lázních z teploty 1280°C při třech minutách výdrţe na této<br />
teplotě. Zjištěna zde byla poměrně hrubozrnná struktura reprezentovaná číslem <strong>ve</strong>likosti zrna G8 (neakceptovatelná<br />
hodnota). Ve struktuře se nevyskytují ţádné karbidy, neboť jsou zcela rozpuštěny v základní hmotě. Po hranicích zrn se<br />
vyskytují rozsáhlé oblasti transformovaného ledeburitu.
Poslední snímek /obr. 19/ zachycuje strukturu vzorku kaleného v solných lázních z teploty 1280°C při výdrţi na této<br />
teplotě devět minut. Naměřena zde byla enormní <strong>ve</strong>likost zrna vyjádřená číslem <strong>ve</strong>likosti zrna G7 (neakceptovatelná<br />
hodnota). Opět se zde nevyskytují ţádné karbidy, neboť jsou zcela rozpuštěny v základní hmotě. Také se po hranicích<br />
zrn vyskytují rozsáhlé oblasti transformovaného ledeburitu.<br />
Obr. 16: Vakuová pec - 1220°C/30min., 814 HV 60, G11, Nital 3%/18s<br />
Obr. 17: Solné lázně - 1180°C/3min., 795 HV 60, G11, Nital 3%/18s
Obr. 18: Solné lázně - 1280°C/3min., 778 HV 60, G8, Nital 3%/18s Obr. 19: Solné lázně - 1280°C/9min., 811 HV 60, G7, Nital 3%/18s<br />
ZÁVĚR<br />
Výsledkem bakalářské práce je hodnocení vlastností a mikrostruktur jednotlivých vzorků u dané oceli. Z jednotlivých<br />
měření vyplívá, ţe na správný postup tepelného zpracování (kalení) rychlořezných ocelí závisí nejen na správné kalící<br />
teplotě, ale také na času výdrţe na této teplotě. Pro relativně malé nástroje (malý průřez) je časový interval <strong>ve</strong>lmi úzký,<br />
a překročení tohoto intervalu <strong>ve</strong>de k nepřípustným změnám (praskání nástrojů, nepřijatelná <strong>ve</strong>likost zrna, tvorba<br />
transformovaného ledeburitu…). Z bakalářské práce vyplívá, ţe i při správné kalící teplotě a nevhodně zvoleném času<br />
výdrţe na této teplotě <strong>ve</strong>de k těmto nepříznivým změnám. Z práce je zřejmé, ţe některé oceli jsou více náchylné na tzv.<br />
přehřátí neţ jiné. U těchto ocelí má nepatrné přesáhnutí správné kalící teploty nepříznivý vliv na strukturu a vlastnosti<br />
oceli (tvorba ledeburitu, hrubnutí původního austenitického zrna). Vysoká kalící teplota, které se vyuţívá při kalení<br />
rychlořezných ocelí pro dostatečné rozpuštění karbidů (nalegování základní hmoty) musí být přesně dodrţena (úzký<br />
interval teplot), neboť její přesáhnutí má za následek hrubnutí původního austenitického zrna. Naopak nízká kalící<br />
teplota má za následek nedostatečné rozpuštění karbidů. Následné sekundární vytvrzování pak není pro<strong>ve</strong>deno správně.<br />
Na rozpouštění karbidů a na hrubnutí zrna má také značný vliv prodleva na kalící teplotě. Proti sobě jsou zde dva<br />
faktory a to hrubnutí původního austenitického zrna. Na správné pro<strong>ve</strong>dení tepelného zpracování má také značný vliv<br />
stav dodaného polotovaru, zejména stupeň protváření polotovaru. Vhodným protvářením polotovaru se dociluje<br />
rozrušením karbidického síťoví, coţ je příznivé pro rozpouštění primárních karbidů při kalení. Také je zde moţnost<br />
vyuţití postupů výroby pomocí práškové metalurgie coţ je popsáno v předchozí kapitole tváření a Tepelné zpracování<br />
hutních výrobků. Hodnocení pro jednotlivé vybrané oceli, a vyhodnocení výsledků je kompletně u<strong>ve</strong>deno v bakalářské<br />
práci.<br />
PODĚKOVÁNÍ<br />
Děkuji <strong>ve</strong>doucímu bakalářské práce Doc.Dr.Ing. Antonínu Kříţovi a konzultantovi Ing. Jiřímu Hájkovi, Ph.D. za rady,<br />
čas a za odbornou pomoc, kterou mi ochotně poskytli v průběhu řešení bakalářské práce.<br />
LITERATURA<br />
[1] PŘIBIL, E. a kol., Nástrojové oceli POLDI a jejich použití - I. díl. Praha: SNTL, 1986<br />
[2] KŘÍŢ, A., Nástrojové oceli.pdf. Plzeň: Západočeská uni<strong>ve</strong>rzita v <strong>Plzni</strong><br />
[3] Roberts,G. ,Krauss,G.,Kennedy,R. : TOOL STEELS. USA: Library of Congress Cataloging-inPublication Data,<br />
1997.<br />
[4] DUŠEK, M., Vliv ochlazovací rychlosti na mikrostrukturu a mechanické vlastnosti rychlořezných ocelí. Plzeň:<br />
Západočeská uni<strong>ve</strong>rzita, 2009<br />
[5] KESL, M., Konstruktérské okénko.pdf. Praha, 2009<br />
[6] KRAUS, V., Tepelné zpracování a slinování. Plzeň: Západočeská uni<strong>ve</strong>rzita v <strong>Plzni</strong>, 2000<br />
[7] KŘÍŢ, A., Tepelné zpracování.pdf. Plzeň: Západočeská uni<strong>ve</strong>rzita v <strong>Plzni</strong>