Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
INSTITUTE OF ENGINEERING MATERIALS
AND BIOMATERIALS
dr inż. Grzegorz Matula
Przemiany fazowe w stalach
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Phase transformation in
heat-treated high-speed steels
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
8000
5000
2000
0
2000
4000
Porównanie własności wybranych materiałów narzędziowych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
PCD
Twardość HV
CBN
Ceramika
Węgliki
spiekane
Cermetale
Stal szybkotnÄ…ca
Wytrzymałość na
zginanie R [MPa]
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Narzędzia ze stali szybkotnących:
- wieloostrzowe narzędzia skrawające,
- narzędzia wykrojnikowe,
- narzędzia do obróbki plastycznej na
zimno i gorÄ…co
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
1980 1985 1990 1995
2000
Comparison of changes in the prices of conventional
or sintered high-speed steels
Porównanie zmiany cen stali szybkotnących konwencjonalnych i spiekanych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Cena w relatywnych jednostkach
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Ciecz
Pompa próżniowa
Gaz
Technological scheme of manufacturing of sinteredhigh-speed steel company
by ASEA-STORA
Schemat technologiczny wytwarzania spiekanej stali szybkotnÄ…cej metodÄ…
ASEA-STORA
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Gaz
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
240
220
200
180
160
140
120
100
Konwenc. 1980s 1990-1995 1995-2000 po 2000
Wzrost wytrzymałości na zginanie spiekanych stali
szybkotnÄ…cych Crucible CPM w stosunku do stali odlewanych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Względna poprawa własności, %
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
10µm
10µm
Struktura stali szybkotnÄ…cej HS12-1-5-5 konwencjonalnie odlewanej
 segregacja pasmowa węglików pierwotnych
Widoczna dysproporcja rozmiaru węglików pierwotnych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
10µm 10µm
Struktura stali szybkotnÄ…cej HS6-5-2 konwencjonalnie
odlewanej  skupiska węglików pierwotnych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
a)
b)
10µm
10µm
Struktura stali szybkotnÄ…cej wytwarzanej metodÄ… prasowania
i spiekania (a) lub formowania niskociśnieniowego gęstwy
polimerowo-proszkowej (b) na bazie proszku stali typu HS6-5-2
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wg L.A.
Dobrzańskiego
Wykres obróbki cieplnej stali szybkotnących
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
°C
1240
1210
1180
1150
1120
25 20
30 5 D
15 10
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Efekt nadtopień w stali spowodowanych byt wysoką temperaturą austenityzowania
25 mm
Struktura stali typu HS 12-1-5-5 austenityzowanej
w temperaturze 1240oC w czasie 800s
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Fe
a)
Struktura stali szybkotnÄ…cej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)
austenityzowanej w temperaturze 1240oC i zahartowanej
oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
W
V
Struktura stali szybkotnÄ…cej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)
austenityzowanej w temperaturze 1240oC i zahartowanej
oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Mo Cr
Struktura stali szybkotnÄ…cej W-Mo-V typu PHS6-5-3 (ASP23)
austenityzowanej w temperaturze 1240oC i zahartowanej
oraz rozkład powierzchniowy poszczególnych pierwiastków
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Pomiar wielkości ziarna metodą Snyder-Graffa
10mm
20 mm
Odcinek wzorcowy wynosi 127mm
prawidłowa wielkość ziarna to 10-14
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wyniki pomiarów wielkości ziarna austenitu pierwotnego wg Snyder-Graffa
w zależności od temperatury i czasu austenityzowania stali PHS6-5-3 (ASP23)
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
a) b)
150 nm
204
113
c)
022
Struktura stali HS 12-1-5-5 prasowanej,
131
222
austenityzowanej w temperaturze 1210oC
111
przez 100 s i zahartowanej pole jasne, b)
000
111
dyfraktogram z obszaru jak na rys. a, c)
240
MC [211]
131
rozwiÄ…zanie dyfraktogramu z rys. b
022
113
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
b)
a)
200 nm
d)
c)
313
602
024
311
311
000
M6C[163]
602
024
313
Struktura stali HS 6-5-2 austenityzowanej w temperaturze 1180oC przez 100 s i
zahartowanej; a) pole jasne, b) pole ciemne z refleksu (3É1É3) M6C, c) dyfraktogram z
węglika typu M6C, d) rozwiązanie dyfraktogramu z rys. c,
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Udział powierzchniowy węglików pierwotnych
w zależności od temperatury austenityzowania
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
30
25
U d zia Å‚
20
p o w ie rzc h n io w y
15
w ę g lik ó w
p ie rw o tn y c h , %
10
5
0
1120
a
1150 a)
b
1180 b)
c
Te mp era tu ra c)
1210
G a tu n ek sta li
a u ste n ity zo w a n ia , s
a) HS12-1-5-5 (PIM)
b) HS12-1-5-5 (PM)
c) HS 12-1-5-5 konwencjonalna
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
a) b)
500 nm
103
d)
c)
002
020
Fegð [010]
111
101
101 202
111
000 Feað [101]
111
202 101
101
111
020
002
103
a) struktura stali szybkotnÄ…cej typu HS 12-1-5-5 zahartowanej z temperatury
1180oC, b) pole ciemne z refleksu (020) Fegð, c) dyfraktogram z obszaru jak na rys.
a, d) rozwiÄ…zanie dyfraktogramu z rys. c
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wpływ stężenia węgla na temperaturę
Ms - temperatura
Ms i Mf
poczÄ…tku przemiany
800
martenzytycznej
600
Mf - temperatura
końca przemiany
400
martenzytycznej
200
Ms
80oC 0
Mf
-200
0 0,4 0,8 1,2 1,6
Stężenie masowe, C%
0,9
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
o
Temperatura, C
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Zawartość austenitu
Twardość HRC
1300
1300
65,5
65,5
1250
1250
40
65
65
35
64,5
30
1200
1200
64
64
25
62
62
63,5
63,5
20
62,5
62,5
63
63
15
1150
1150
60 150 420 60 150 420
60 150 420 60 150 420
Czas austenityzowania, s
Wpływ czasu i temperatury austenityzowania na udział procentowy austenitu
szczątkowego i twardość po hartowaniu stali typu HS 6-5-2
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
o
Temperatura austenityzowania, C
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wpływ temperatury austenityzowania na twardość po hartowaniu
70
65
60
55
50
1120
c
1150
b
Temperatura
1180
a
1210
o
Gatunek stali
austenityzowania, C
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość, HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Węgliki pierwotne Węgliki pierwotne
Austenit szczÄ…tkowy Austenit szczÄ…tkowy
Martenzyt odpuszczony Martenzyt odpuszczony
20%
20%
42%
53%
27%
38%
Węgliki pierwotne Węgliki pierwotne
Austenit szczÄ…tkowy Austenit szczÄ…tkowy
Martenzyt odpuszczony Martenzyt odpuszczony
20% 20%
8%
19%
61% 72%
Udział objętościowy faz w stali typu HS12-1-5-5, hartowanej
z temperatury 1210oC i odpuszczonej w 510, 540, 570 i 600oC
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Kondycjonowanie austenitu szczÄ…tkowego - schemat
Martenzyt
Austenit
M4C3
M2C
C
C>>C
C=C
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wpływ stężenia węgla na temperaturę
Ms - temperatura
Ms i Mf
poczÄ…tku przemiany
800
martenzytycznej
600
Mf - temperatura
końca przemiany
400
martenzytycznej
200
Ms
0
Mf
-200
0 0,4 0,8 1,2 1,6
Stężenie masowe, C%
0,7
0,9
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
o
Temperatura, C
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość
stali szybkotnÄ…cych
temperatura odpuszczania
Spadek twardości związany z mięknięciem osnowy martenzytycznej
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość
stali szybkotnÄ…cych
temperatura odpuszczania
Stały przyrost twardości od węglików pierwotnych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość
stali szybkotnÄ…cych
temperatura odpuszczania
Przyrost twardości związany z przemianą austenitu
szczÄ…tkowego w martenzyt
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość
stali szybkotnÄ…cych
temperatura odpuszczania
Przyrost twardości związany z wydzielaniem dyspersyjnych węglików
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość
stali szybkotnÄ…cych
temperatura odpuszczania
Sumaryczna twardość wynikająca z przemian wszystkich faz
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Twardość HRC
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
a) b)
Structure of HS 6-5-2
quenched from
temperature of 1180oC
and tempered at 570oC
30 nm
c)
Struktura stali HS 6-5-2
310
zahartowanej z
M C [011]
4 3 temperatury 1180oC i
111
213
103
111
200
odpuszczonej w 570oC
000 311
311
200
111
111
103
213
Feað [391]
310
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Extracted carbides precipitations
type M4C3, on the extraction replica
of HS12-1-5-5 steel
Wyekstrahowane wydzielenia
węglików typu M4C3, na replice ze
stali HS12-1-5-5
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wpływ temperatury odpuszczania na twardość wybranych stali
szybkotnÄ…cych
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Wpływ stężenia węgla oraz temperatury odpuszczania na udział objętościowy
austenitu szczÄ…tkowego w stali szybkotnÄ…cej typu HS 6-5-2
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
750
30-35
700
35-40
650
40-45
600
550
67
66
68
60-63
500
450
32
2 4 8 16 64
Czas odpuszczania, h
Wpływ temperatury i czasu odpuszczania na twardość HRC stali
szybkotnÄ…cej typu HS6-5-2
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology
o
Temperatura odpuszczania, C
5
5
-
6
0
6
0
-
6
3
6
3
-
6
5
6
3
-
6
5
Przemiany fazowe w stalach dr inż. Grzegorz Matula
szybkotnÄ…cych obrabianych cieplnie
Phase composition of
high-speed steels
quenched and double
tempered
Institute of Engineering Materials and Biomaterials
Silesian University of Technology