Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

dr inż. Grzegorz Matula

SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

INSTITUTE OF ENGINEERING MATERIALS

AND BIOMATERIALS

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Phase transformation in

heat-treated high-speed steels

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Porównanie własności wybranych materiałów narzędziowych

0

2000

5000

8000

2000

4000

Sta

l sz

yb

ko

tn

ąc

a

W

ęg

liki

sp

iek

an

e

C

e

rme

tal

e

C

e

ram

ika

CBN

PC

D

W

y

tr

zy

m

a

ło

ś

ć

n

a

zg

in

a

n

ie

R

[

M

P

a]

Twa

rd

ość

H

V

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Narzędzia ze stali szybkotnących:
-

wieloostrzowe narzędzia skrawające,

-

narzędzia wykrojnikowe,

-

narzędzia do obróbki plastycznej na
zimno i gorąco

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

1980

1985 1990

1995

2000

C

en

a

w

r

el

at

yw

ny

ch

je

dn

os

tk

ac

h

Porównanie zmiany cen stali szybkotnących konwencjonalnych i spiekanych

Comparison of changes in the prices of conventional

or sintered high-speed steels

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Schemat technologiczny wytwarzania spiekanej stali szybkotnącej metodą

ASEA-STORA

Gaz

Ciecz

Gaz

Pompa próżniowa

Technological scheme of manufacturing of sinteredhigh-speed steel company

by ASEA-STORA

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

100

120

140

160

180

200

220

240

Konwenc.

1980s

1990-1995 1995-2000

po 2000

Wz

ględn

a p

op

raw

a

w

łasn

ości,

%

Wzrost wytrzymałości na zginanie spiekanych stali

szybkotnących Crucible CPM w stosunku do stali odlewanych

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali szybkotnącej HS12-1-5-5 konwencjonalnie odlewanej

– segregacja pasmowa węglików pierwotnych

Widoczna dysproporcja rozmiaru węglików pierwotnych

10

µm

10

µm

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali szybkotnącej HS6-5-2 konwencjonalnie

odlewanej

– skupiska węglików pierwotnych

10

µm

10

µm

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali szybkotnącej wytwarzanej metodą prasowania

i spiekania (a) lub formowania niskociśnieniowego gęstwy

polimerowo-proszkowej (b) na bazie proszku stali typu HS6-5-2

10

µm

10

µm

a)

b)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Wykres obróbki cieplnej stali szybkotnących

Wg L.A.

Dobrzańskiego

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

30

25

20

15

10

5

1120

1150

1180

1210

1240

°C

D

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Efekt

nadtopień w stali spowodowanych byt wysoką temperaturą austenityzowania

Struktura stali typu HS 12-1-5-5 austenityzowanej

w temperaturze 1240

o

C w czasie 800s

25

m

m

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

a)

Fe

Struktura stali szybkotnącej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)

austenityzowanej w temperaturze 1240

o

C i zahartowanej

oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali szybkotnącej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)

austenityzowanej w temperaturze 1240

o

C i zahartowanej

oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków

V

W

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Cr

Mo

Struktura stali szybkotnącej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)

austenityzowanej w temperaturze 1240

o

C i zahartowanej

oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

10 m

m

20 m

m

Pomiar wielkości ziarna metodą Snyder-Graffa

Odcinek wzorcowy wynosi 127

m

m

prawidłowa wielkość ziarna to 10-14

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Wyniki pomiarów wielkości ziarna austenitu pierwotnego wg Snyder-Graffa

w zależności od temperatury i czasu austenityzowania stali PHS6-5-3 (ASP23)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali HS 12-1-5-5 prasowanej,
austenityzowanej w temperaturze 1210

o

C

przez 100 s i zahartowanej pole jasne, b)
dyfraktogram z obszaru jak na rys. a, c)
rozwiązanie dyfraktogramu z rys. b

150 nm

MC [211]

022

022

000

111

111

204

240

222

113

113

131

131

a)

b)

c)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Struktura stali HS 6-5-2 austenityzowanej w temperaturze 1180

o

C przez 100 s i

zahartowanej; a) pole jasne, b) pole ciemne z refleksu (3ˉ1ˉ3) M

6

C, c) dyfraktogram z

węglika typu M

6

C, d) rozwiązanie dyfraktogramu z rys. c,

200 nm

M C[163]

6

00 0

31 3

311

313

024

602

02 4

311

602

a)

b)

d)

c)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

1 1 2 0

1 1 5 0

1 1 8 0

1 2 1 0

c

b

a

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

U d zia ł

p o w ie rzc h n io w y

w ę g lik ó w

p ie rw o tn y c h , %

Te mp e ra tu ra

a u ste n ity zo w a n ia , s

G a tu n e k sta li

a ) T 1 5 fo rm o w a n a

b ) T 1 5 p ra so w a n a

c ) S K 5 V

Udział powierzchniowy węglików pierwotnych
w zależności od temperatury austenityzowania

a) HS12-1-5-5 (PIM)
b) HS12-1-5-5 (PM)
c) HS 12-1-5-5 konwencjonalna

a)

c)

b)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

500 nm

202

111

020

111

202

111

020

111

103

002

101

101

002

103

101

101

000

Fe [101]



Fe [010]



a) struktura stali szybkotnącej typu HS 12-1-5-5 zahartowanej z temperatury

1180

o

C, b) pole ciemne z refleksu (020) Fe



, c) dyfraktogram z obszaru jak na rys.

a, d) rozwiązanie dyfraktogramu z rys. c

a)

b)

c)

d)

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Te

mp

era

tu

ra

,

C

o

Stężenie masowe, C%

600

200

-200

0

0,4

0,8

0

1,2

1,6

400

800

Ms - temperatura

początku przemiany

martenzytycznej

Mf - temperatura

końca przemiany

martenzytycznej

Mf

Ms

80

o

C

0,9

Wpływ stężenia węgla na temperaturę

Ms i Mf

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

40
35

20

30

64,5

65

65

25

65,5

65,5

64

64

63,5

63,5

63

63

15

62,5

62,5

62

62

1300

1300

1250

1250

1200

1200

1150

1150

60

60

150

150

420

420

60

60

150

150

420

420

Zawartość austenitu

Twardość HRC

Czas austenityzowania, s

Te

m

pe

ra

tu

ra

a

us

te

ni

ty

zo

w

an

ia

,

C

o

Wpływ czasu i temperatury austenityzowania na udział procentowy austenitu

szczątkowego i twardość po hartowaniu stali typu HS 6-5-2

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

1120

1150

1180

1210

a

b

c

50

55

60

65

70

T

w

ar

do

ść

, H

R

C

Temperatura
austenityzowania,

o

C

Gatunek stali

Wpływ temperatury austenityzowania na twardość po hartowaniu

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

42%

20%

38%

Węgliki pierwotne
Austenit szczątkowy
Martenzyt odpuszczony

27%

20%

53%

Węgliki pierwotne
Austenit szczątkowy
Martenzyt odpuszczony

61%

20%

19%

Węgliki pierwotne
Austenit szczątkowy
Martenzyt odpuszczony

8%

20%

72%

Węgliki pierwotne
Austenit szczątkowy
Martenzyt odpuszczony

Udział objętościowy faz w stali typu HS12-1-5-5, hartowanej

z temperatury 1210

o

C i odpuszczonej w 510, 540, 570 i 600

o

C

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Kondycjonowanie austenitu szczątkowego - schemat

C

M

4

C

3

M

2

C

C

>>

C

C

=

C

Austenit

Martenzyt

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Te

mp

era

tu

ra

,

C

o

Stężenie masowe, C%

600

200

-200

0

0,4

0,8

0

1,2

1,6

400

800

Ms - temperatura

początku przemiany

martenzytycznej

Mf - temperatura

końca przemiany

martenzytycznej

Mf

Ms

0,9

Wpływ stężenia węgla na temperaturę

Ms i Mf

0,7

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

temperatura odpuszczania

Twa

rdość

HR

C

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość

stali szybkotnących

Spadek twardości związany z mięknięciem osnowy martenzytycznej

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

temperatura odpuszczania

Twa

rdość

HR

C

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość

stali szybkotnących

Stały przyrost twardości od węglików pierwotnych

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

temperatura odpuszczania

Twa

rdość

HR

C

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość

stali szybkotnących

Przyrost twardości związany z przemianą austenitu

szczątkowego w martenzyt

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

temperatura odpuszczania

Twa

rdość

HR

C

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość

stali szybkotnących

Przyrost twardości związany z wydzielaniem dyspersyjnych węglików

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

temperatura odpuszczania

Twa

rdość

HR

C

Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość

stali szybkotnących

Sumaryczna twardość wynikająca z przemian wszystkich faz

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

a)

30 nm

c)

b)

M C [011]

4

3

Fe [391]



111

111

311

310

310

213

103

103

311

200

000

200

213

111

111

Structure of HS 6-5-2

quenched from

temperature of 1180

o

C

and tempered at 570

o

C

Struktura stali HS 6-5-2

zahartowanej z

temperatury 1180

o

C i

odpuszczonej w 570

o

C

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Wyekstrahowane wydzielenia

węglików typu M

4

C

3,

na replice ze

stali

HS12-1-5-5

Extracted carbides precipitations

type M

4

C

3,

on the extraction replica

of HS12-1-5-5 steel

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Wpływ temperatury odpuszczania na twardość wybranych stali

szybkotnących

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Wpływ stężenia węgla oraz temperatury odpuszczania na udział objętościowy

austenitu szczątkowego w stali szybkotnącej typu HS 6-5-2

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

2

4

8

16

32

64

500

450

550

600

650

700

750

68

67

66

63-65

60-63

30-35

35-40

40-45

55-60

60-63

63-65

T

em

pe

ra

tu

ra

o

dp

us

zc

za

ni

a,

C

o

Czas odpuszczania, h

Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardość HRC stali

szybkotnącej typu HS6-5-2

Przemiany fazowe w stalach

szybkotnących obrabianych cieplnie

Institute of Engineering Materials and Biomaterials

Silesian University of Technology

dr inż. Grzegorz Matula

Phase composition of

high-speed steels

quenched and double

tempered