Wpływ segregacji węglików na właściwości mechaniczne stali o strukturze ledeburytycznej

• Autorzy: Berkowski L.

Warianty tytułu

EN

Effect of carbide segregation on mechanical properties of steel with ledeburite structure

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Tradycyjnym materiałem stosowanym na silnie obciążone narzędzia do obróbki plastycznej są stale narzędziowe o ledeburytycznej strukturze (stale narzędziowe do pracy na zimno i stale szybkotnące). Charakterystyczną cechą tych stali, wytwarzanych tradycyjnie, zwłaszcza o większych wymiarach, jest duża niejednorodność struktury węglikowej – segregacja, która wpływa dominująco na odkształcenie trwałe zahartowanego materiału. Odporność na odkształcenie trwałe jest cechą użytkową stali i może być – według autora – wyrażona granicą plastyczności w próbach mechanicznych, np. w próbie zginania. W Instytucie Obróbki Plastycznej analizowano wpływ struktury węglikowej na właściwości mechaniczne stali o ledeburytycznej strukturze oraz wybrane metody umożliwiające poprawę tych właściwości. Zastosowano metodę przetapiania elektro- żużlowego (metalurgiczną) oraz metody plastycznego kształtowania – wyciskanie współ- bieżne i przekuwanie. Badania wykazały, że segregacja pasmowa węglików, zwłaszcza w wałkach o dużych średnicach, jest duża i wzrasta w głąb materiału. Taki stan powoduje znaczne różnice właściwości w prostopadłych do siebie kierunkach (w próbkach pobranych wzdłuż i w poprzek pręta). Zastosowane przetapianie elektrożużlowe spowodowało polepszenie własności mechanicznych stali SW7M, zwłaszcza zmęczeniowych (spowodowało zwiększenie liczby cykli naprężenia do zniszczenia próbki) oraz sprawiło, że materiał wykazywał jednorodne właściwości. Kolejne przekuwanie materiału przetopionego nie spowodowało dalszej poprawy właściwości, spowodowało natomiast anizotropię, choć nie tak wyraźną jak w materiale wyjściowym (w elektrodzie). Obróbka plastyczna spowodowała znaczną poprawę właściwości stali o strukturze ledeburytycznej po wyciskaniu dużym gniotem i po wielokrotnym (trzykrotnym) przekuciu. Po obróbce cieplno-plastycznej stali SW7M (hartowanie z temperatury wyciskania) uzyskano wyraźny wzrost umownej granicy plastyczności w próbie zginania, choć anizotropia materiału nie została usunięta, a duża wartość odkształcenia spowodowała znaczne rozdrobnienie węglikowej struktury. Po przekuciu wałka ze stali NC11 o średnicy 100 mm uzyskano pogorszenie właściwości – zmniejszenie udarności zarówno po jedno, jak i po trzykrotnym przekuciu. Podczas badań zmęczeniowych stwierdzono natomiast wyraźną poprawę właściwości wytrzymałościowych (wzrost liczby cykli do zniszczenia próbki o około 160 %) po trzykrotnym przekuciu. Badania wykazały, że niezależnie od gatunku stali duża segregacja węglików i jej nieodpowiednie rozmieszczenie (w miejscach dużych obciążeń podczas pracy) wpływa na zmniejszenie trwałości narzędzi ocenianej liczbą cykli do zniszczenia próbek. Wykazano ponadto, że zastosowane w badaniach technologie (przetapiania i obróbki plastycznej) zmniejszają niekorzystne zróżnicowanie właściwości, choć całkowite usunięcie niejednorodności – jak w stalach produkowanych metodami metalurgii proszków – nie jest możliwe.

EN

Tool steels with ledeburite structure (cold-work and high-speed steels) are the materials conventionally used to make tools for plastic working subjected to high loads. A characteristic quality of these steels, manufactured traditionally, particularly at larger dimensions, is high inhomogeneity of the carbide structure – segregation, which has a dominant impact on permanent deformation of hardened material. Resistance to permanent deformation is a functional property of steel and can be – according to the author – expressed by the yield point in mechanical tests, e.g. bending test. The effect of the carbide structure on the mechanical properties of steel with ledeburite structure as well as selected methods enabling improvement of these properties were analyzed at the Metal Forming Institute. Electroslag remelting (metallurgical) and plastic working methods – co-extrusion and reforging were applied. Investigations showed that segregation of carbides into bands, particularly in shafts of large diameters, is high and increases deeper into the material. Such a state causes significant differences in properties in directions perpendicular to one another (in samples collected from a rod longitudinally and transversely). The application of electroslag remelting improved the mechanical properties of SW7M steel, particularly fatigue properties (increased to number of stress cycles until sample destruction), and caused the material to exhibit homogeneous properties. Reforging of the remelted material did not bring about further improvement of properties, however it did cause anisotropy, although not as distinct as in the starting material (in electrode). Plastic working significantly improves the properties of steel with ledeburite structure after high-draft extrusion and multiple (three-fold) forging. After thermo-mechanical treatment of SW7M steel (hardening from extrusion temperature), a clear increase in the conventional yield point was obtained in the bending test, although the material’s anisotropy was not removed, and the high value of deformation caused significant refinement of the carbide structure. After reforging of a shaft made of NC11 steel with a diameter of 100 mm, deterioration of properties was obtained – reduction of impact resistance after both single and triple forging. However, clear improvement of strength properties was observed during fatigue tests (approx. 160% increase of number of cycles until sample destruction) after triple forging. Tests showed that, regardless of the grade of steel, high carbide segregation and inadequate distribution (at high load points during work) reduces the lifetime of tools, evaluated as the number of cycles until sample destruction. Moreover, it was also shown that the technologies used over the course of investigations (remelting and plastic working) reduce unfavorable diversification of properties, although complete removal of inhomogeneity – as in steels manufactured using powder metallurgy methods – is not possible.

Słowa kluczowe

PL

stale narzędziowe; obróbka plastyczna; segregacja węglików; własności mechaniczne

EN

tool steels; plastic working; carbide segregation; mechanical properties

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2016
• Tom: T. 27, nr 2
• Strony: 83--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Berkowski L.

• Instytut Obróbki Plastycznej, ul. Jana Pawła II 14, 61-139 Poznań, Poland

Bibliografia

• [1] Berkowski Leopold. 1981. Analiza wpływu umocnienia cieplno-plastycznego na strukturę i własności wyciskanych na gorąco stali narzędziowych, 174. Poznań: INOP.
• [2] Berkowski Leopold. 1983. „Wpływ warunków odkształcania na strukturę i własności stali szybkotnącej”. Obróbka Plastyczna 22 (2): 85–92.
• [3] Berkowski Leopold, Beata Pachutko. 1995. „Wpływ warunków obróbki cieplnej na strukturę i właściwości stali SW7M. Część I: Informacje ogólne, wpływ parametrów struktury na właściwości”. Obróbka Plastyczna Metali VI (5): 5–17.
• [4] Berkowski Leopold, Beata Pachutko. 1997. „Wpływ warunków obróbki cieplnej na strukturę i właściwości stali SW7M. Część II: Wpływ parametrów obróbki cieplnej na własności”. Obróbka Plastyczna Metali VIII (2): 23–33.
• [5] Pachutko Beata, Leopold Berkowski. 1997. „Wpływ warunków obróbki cieplnej na strukturę i właściwości stali SW7M. Część III: Segregacja i jej wpływ na strukturę ziarnowa hartowanej stali SW7M”. Obróbka Plastyczna Metali VIII (5): 41–55.
• [6] Berkowski Leopold. 1976. „Próby określenia segregacji węglików w stali szybkotnącej przy pomocy komputerowego analizatora obrazu Quantimet 720”. Hutnik 3: 107.
• [7] Pachutko Beata, Leopold Berkowski. 1998. „Wpływ warunków obróbki cieplnej na strukturę i właściwości stali SW7M. Część IV: Wpływ segregacji i struktury ziarnowej na własności mechaniczne”. Obróbka Plastyczna Metali IX (2): 23–35.
• [8] Pachutko Beata. 1991. Analiza wpływu segregacji węglików ledeburytycznych na parametry ziaren i właściwości obrobionej cieplnie stali szybkotnącej typu 6-5-2, 163. Poznań: Politechnika Poznańska (praca doktorska).
• [9] Kęsy B., K. Pietrzak, J. Straus. 1981. „Ilościowe określenie segregacji węglików w stalach szybkotnących”. Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna 5: 7–11.
• [10] Geller Û.A. 1963. „Ob. ulučšenii struktury bystrorežuŝej stali v slitke, prokatke i pokovkah”. Stal’ 9: 831–834.
• [11] Saltykow S.A. 1970. Stereometričeskaâ metallografiâ, 175. Moskwa: Izd. Metallurgiâ.
• [12] Krisch A., W. Schmidt. 1962. „Verleigh der verschiedenen Verfahren zur Ermittlung der Zähigkeit von Stählen hoher Härte in statischen Biegeversuch und Richtlinien für die zweckmäßige Durchführung und Auswertung derartiger Versuche“. Arch. Aisenhüttenwes. 33 (7): 476–483.
• [13] Kaliszewski E., C .Witek,. S. Hadasik. 1979. Badania prowadzone w Hucie Bailon nad modyfikacją składu chemicznego stali SW7M. W mat. konf. III Konferencji N-T SITPH pt. Postęp w badaniach i technologii produkcji stali szybkotnących, Katowice, 13–20.
• [14] Dobrzański L.A., E. Hajduczek, J. Marciniak, R. Nowosielski. 1990. Metaloznawstwo i obróbka cieplna materiałów narzędziowych, 746. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne.
• [15] Plewiński A. 1976. „Badania nad przydatnością stali przetopionej elektrożużlowo na stemple do wyciskania”. Obróbka Plastyczna 15 (nr): 181–196.
• [16] Ohrimenko Ȃ.M., L.N. Mironov. 1971. „Povyšenie stojkosti štampov, polučennyh èlektrošlakowym poreplavom”. Kuznečno-Štampovočnoe Proizvodstwo 9: 7–8.
• [17] Dybiec C. 1973. „Anizotropia własności statycznych i zmęczeniowych stali z wytopów konwencjonalnych i po przetopie”. Metaloznawstwo i Obróbka Cieplna 6: 55.
• [18] Feldmann H.D., H.K.F. Honnens. 1966. “Development of tools for the cold forming process”. Sheet Metal Industries 466: 95–109.
• [19] Afanaśeva G.I., V.A. Evstpalov. 1974. “O vadah i pričinah vyhoda iz stroâ puansonov dlâ holodnogo vydavlivania staĺnyh detalej”. Kuznečno-Štampovočnoe Proizvodstwo 4: 7–10.
• [20] Berkowski Leopold. 1971. „Technologiczne próby wyciskania na gorąco wysokochromowej stali narzędziowej”. Obróbka Plastyczna 10 (3): 41–49.
• [21] Kruk A.T., A.D. Hvan. 2013. „Vliânie plastičeskoj deformacii na stojkosť instrumentaĺnoj satali H12M”. Kuznečno – Stampovočnoe Proizvostvo 2: 17.
• [22] Hvan A.D., A.V. Popov, A.V. Tokarev. 2008. „Vliânie mehano-termičeskoj obrabotki na sniženie balla karbidnoj neodnorodnosti instrumentalnoj stali”. Obrabotka Materialov Davleniem 7: 29.
• [23] Gregev M. [i in.]. 2009. „Vliv parametru kovani na strukturu oceli X160CrMV12.1”. Kovárenstvi 34: 36.
• [24] Harvey R.F. 1967. „The ‘Kross Roll’ process”. Metal Forming 4: 106.
• [25] Konieczyński M., K. Wroczyński. 1977. Technologia obróbki cieplno-mechanicznej stempli o wysokiej twardości i odporności na uderzenia. Praca 77/BM/P 6.2/III/2506/ INOP/MPM, 40. Poznań (praca niepublikowana).
• [26] Filimonov Ȗ.F., L.A. Poznâk. 1964. Štampovka pressovaniem, 188. Moskwa: Izd.Mašinostroenie.