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