Nástrojové oceli

1. Nástrojové oceli Ing. Karel Němec, Ph.D.

2. Rozdělení nástrojových ocelí podle chemického složení dle ČSN EN • 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) • 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)

3. Rozdělení nástrojových ocelípodle 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

4. Další dělení nástrojových ocelí • Podle druhu ochlazovacího prostředí při tepelném zpracování • kalitelné do vody • kalitelné do oleje • kalitelné na vzduchu

5. Základní vlastnosti nástrojových ocelí • Tvrdost • Pevnost v ohybu • Houževnatost • Kalitelnost a prokalitelnost • Odolnost proti popouštění • Odolnost proti otěru • Odolnost proti otupení (řezivost) • Stálost rozměrů

6. 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

7. Karbidy v nástrojových ocelích

8. 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

9. 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

10. 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

11. Prokalitelnost Křivky prokalitelnosti nástrojových ocelí: a – C105U (19 191) b – 90MnCrV8 (19 313) c – X210CrW12 (19 437)

12. 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

13. Odolnost proti popouštění Vliv V, Mo a W na odolnost proti popouštění u nástrojových ocelí

14. Odolnost proti popouštění Tvrdost nástrojových materiálů v závislosti na teplotě: a – nelegovaná ocel b – rychlořezná ocel c – slinutý karbid

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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.

19. 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.

20. 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

21. Kalení - nepřetržité (přímé) - lomené - termální - se zmrazením Kalení nástrojových ocelí

22. 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

23. Nízkoteplotní popouštění nástrojových ocelí na primární tvrdost a) Popouštěcí křivka (ocel C105U) b) Vrstevnicový diagram

24. Vysokoteplotní zušlechťování nástrojových ocelí na sekundární tvrdost a) Popouštěcí křivka (HS 6-5-2) b) Vrstevnicový diagram

25. Karbidy (Fe3C) Martenzit ocel C105U (19 191), 850°C/ voda/ 200°C Mikrostruktura nelegované oceli

26. Karbidy chromu Martenzit ocel X210Cr12 (19 436), 980°C/ olej/ 200°C Pozn.: Ukázka struktury nevhodně tvářené nástrojové oceli – karbidická řádkovitost Mikrostruktura legované oceli

27. 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)

28. Schéma tepelného zpracování rychlořezných ocelí

29. Martenzit Karbidy (MC, M2C) ocel HS 6-5-2 (19 830), 1200°C/ olej/ 550°C Mikrostruktura rychlořezné oceli

30. 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

31. 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