Nástrojové oceli Ing. Karel Němec, Ph.D.

Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN 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) 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)

Rozdělení nástrojových ocelí podle 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 Tvrdost [HV 0,1] prvky (M) Pozn. M3C asi 950 Fe, Mn Karbid cementitického typu, je relativně měkký M23C6 1000-1100 Cr Při ohřevu na kalící teplotu se zcela rozpustí, chrom přechází do tuhého roztoku a zvyšuje prokalitelnost oceli M6C 1200-1300 W Při ohřevu na kalící teplotu se zčásti rozpustí v austenitu, zčásti zůstává zachován a omezuje růst zrna austenitu. M7C3 1600-1800 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) b – 90MnCrV8 (19 313) 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 ocelí

Odolnost proti popouštění Tvrdost nástrojových materiálů v závislosti na teplotě: a – nelegovaná ocel b – rychlořezná ocel c – 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 Martenzit Žádoucí struktura - tvrdý, pevný, křehký. Zbytkový austenit Nežádoucí struktura (je měkký), jeho množství závisí na obsahu uhlíku a legujících prvků rozpuštěných v austenitu po výdrži na kalící teplotě. Karbidy Žádoucí 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) - lomené - termální - se zmrazením Kalení

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) Struktury materiálů budou studentům promítnuty na foliích, v případě zajištění světelných mikroskopů na všech učebnách je možno připravit metalografické vzorky pro přímé pozorování.

Mikrostruktura legované oceli ocel X210Cr12 (19 436), 980°C/ olej/ 200°C Martenzit Karbidy chromu 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-Co Příklady: 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