Värmebehandling av verktygsstål VÄRMEBEHANDLING

Transkript

1 Värmebehandling av verktygsstål VÄRMEBEHANDLING 1

2 Innehåll Vad är verktygsstål?... 3 Härdning och anlöpning... 3 Mått- och formstabilitet... 7 Ytbehandling... 8 Provning av mekaniska egenskaper Några råd till verktygskonstruktörer Uppgifterna i denna trycksak bygger på vårt nuvarande kunnande och är avsedda att ge allmän information om våra produkter och deras användningsområden. De får således inte anses utgöra någon garanti för att de beskrivna produkterna har vissa egenskaper eller är lämpliga för speciella ändamål. 2

3 Denna broschyr ger rekommendationer till hur verktygsstål ska värmebehandlas och förklaringar till hur det uppför sig. Speciell uppmärksamhet ägnas hårdhet, seghet och dimensionsförändringar. Vad är verktygsstål? Uddeholm har koncentrerat sitt verktygsstålsprogram till höglegerade stål för i första hand plastformning, klippning och pressning, pressgjutning, strängpressning, smide och träbearbetning. Snabbstål, konventionellt stål och pulvermetallurgiskt framställda stål, ingår också i programmet. Verktygsstål levereras normalt i mjukglödgat skick. Avsikten med detta leveranstillstånd är att materialet skall vara lätt att bearbeta med spånskärande verktyg och ha en struktur som är lämplig för härdning. Strukturen består av en mjuk ferritisk grundmassa med karbider. I kolstål är det järnkarbid, i de legerade stålen krom (Cr)-, volfram (W)-, molybden (Mo)- och vanadin (V)-karbider, alltefter sammansättning. Karbider är föreningar mellan kol och dessa legeringsämnen. En typisk egenskap hos karbider är hög hårdhet. Ökad karbidmängd betyder höjd slitstyrka. I legerade stål är det viktigt att karbiderna är jämnt fördelade. Även andra legeringsämnen används i verktygsstål, t ex kobolt (Co) och nickel (Ni), vilka emellertid inte bildar karbider. Kobolt används vanligen för att ge bättre varmhårdhet i snabbstål, nickel för att ge ökad genomhärdning. Härdning och anlöpning När ett verktyg härdas är det många faktorer som påverkar resultatet. NÅGRA TEORETISKA SYNPUNKTER I mjukglödgat verktygsstål är större delen av legeringsämnena uppbundna tillsammans med kol i karbider. Därtill kommer legeringsämnena kobolt och nickel, som inte bildar karbider utan är lösta i grundmassan. Då stålet värms för härdning är grundtanken att karbiderna skall lösas upp i sådan grad att grundmassan får en legeringshalt som ger härdningseffekt utan att bli grovkornig och spröd. = järnatomer = möjliga lägen för kolatomer 2,86 A Enhetscell hos ferrit. Rymdcentrerad = BCC 3,57 A Enhetscell hos austenit. Ytcentrerad = FCC 2,85 A Enhetscell hos martensit 2.98 A Observera att karbiderna löses. Grundmassan blir alltså legerad med kol och karbidbildande element. Då stålet upphettas till härdningstemperatur (austenitiseringstemperatur) löses karbiderna till en del, och samtidigt förändras grundmassan. Den övergår från ferrit till austenit. Detta innebär att järnatomerna ändrar läge i atomgittret och plats beredes för koloch legeringsatomer. Kol och legeringsämnen från karbiderna löses i grundmassan. Om stålet vid härdningen kyls tillräckligt snabbt hinner inte kolatomerna flytta sig i samband med omvandling från austenit till martensit. De fixeras i lägen där utrymmen egentligen är för litet, och resultatet blir mikrospänningar som med ett bekvämt mått kan definieras som ökad hårdhet. Martensit kan således ses som en tvångslösning av kol i ferrit. När ett stål härdas omvandlas inte grundmassan helt till martensit. Någon austenit finns alltid kvar och kallas restaustenit. Mängden ökar med ökad legeringshalt, höjd härdningstemperatur och långa hålltider. Efter kylning har stålet en struktur bestående av martensit, restaustenit och karbider. Denna struktur har inbyggda spänningar som lätt kan leda till sprickor. Detta kan dock förhindras genom att stålet återupphettas till en viss temperatur, varigenom spänningarna minskas, samtidigt omvandlas restausteniten i en utsträckning som beror på temperaturen. Denna återupphettning efter härdning kallas anlöpning. Härdning av ett verktygsstål skall alltid följas av anlöpning. Det bör observeras att anlöpning vid låg temperatur endast påverkar martensiten, medan anlöpning vid hög temperatur även påverkar restausteniten. Efter en anlöpning vid hög temperatur består strukturen av anlöpt martensit, nybildad martensit, någon restaustenit och karbider. Utskiljda sekundära (nybildade) karbider och nybildad martensit kan höja hårdheten vid högtem- 3

4 peraturanlöpning. Typiskt för detta är den s k sekundärhårdheten i t ex snabbstål och höglegerat verktygsstål. Hårdhet B C Anlöpningstemperatur A = anlöpning av martensit B = karbidutskiljning C = omvandling av restaustenit till martensit D = anlöpningsdiagram för snabbstål och höglegerat verktygsstål A+B+C = D Diagrammet visar olika faktorers inverkan på sekundärhårdnandet. Verktygsstål skall alltid dubbelanlöpas. Andra anlöpningen tar hand om den nybildade martensiten som kan uppträda efter första anlöpningen. För snabbstål med hög kolhalt rekommenderas tre anlöpningar. D A HUR HÄRDNING OCH ANLÖPNING GÖRS I PRAKTIKEN Redan när ett verktyg grovbearbetas måste hänsyn tas till eventuell formförändring vid härdning. Grovbearbetningen innebär en lokal upphettning och mekanisk påverkan av stålet, vilket ger inbyggda spänningar. Detta är inte allvarligt på en enkelt utformad symmetrisk detalj men kan vara mycket störande vid bearbetning av osymmetrisk detalj, t ex på en formhalva för ett pressgjutningsverktyg. Här är alltid avspänningsglödgning att rekommendera. Avspänningsglödgning Denna behandling skall utföras efter en grovbearbetning och innebär värmning till C. Materialet skall värmas tills full genomvärmning uppnåtts och skall sedan svalna utan att vara utsatt för drag, t ex i ugn. Tanken bakom avspänningsglödgningen är att materialet vid den förhöjda temperaturen får så låg sträckgräns att det inte kan motstå spänningarna. Sträckgränsen överskrides och spänningarna utlöses med mer eller mindre kraftig formförändring som följd. Uppvärmning till härdningstemperatur Grundregeln för värmning till härdningstemperatur är att den skall ske långsamt. Detta ger minsta formförändring. I vakuumugnar och ugnar med kontrollerad skyddsgasatmosfär höjs effekten stegvis. Vid saltbad tillämpas förvärmning och vid inpackning i muffelugn blir upphettningen automatiskt långsam. I fluidiserad bädd kombineras fördelarna från saltbad och skyddsgas. Värmnings- och kylningshastigheter kan jämföras med saltbad. Som skyddsatmosfär används aluminiumoxid och gas vilket innebär mindre negativ påverkan på miljön jämfört med saltbad. Vakuumugn. Anlöpt en gång. Rätta arbetsgången är alltså grovbearbetning, avspänningsglödgning och finbearbetning. Argument som att man inte har tid att avspänningsglödga är oftast inte hållbara. En justering av en detalj vid finbearbetning på glödgat material är oftast billigare än en måttjustering under finbearbetning på ett härdat verktyg. Saltbad. Anlöpt två gånger 1000x Rigor, härdat och anlöpt. Kammarugn med reglerad atmosfär. 4

5 Viktigt är att verktygen skyddas mot oxidation och avkolning. Bästa skyddet ger en vakuumugn, där stålytan blir opåverkad. Gott skydd ger även ugnar med kontrollerad skyddsgasatmosfär eller saltbad. Om elektrisk muffelugn används kan verktyget skyddas genom inpackning i kokspulver eller gjutjärnsspån. Det skall observeras att dessa inpackningsmedel kan ge en uppkolande effekt om stålen har låg kolhalt, t ex normala varmarbetsstål. Inslagning i rostfri folie ger också ett bra skydd vid värmning i muffelugn. Avkolning ger låg ythårdhet och risk för sprickor. Uppkolning ger ett hårdare ytskikt, vilket kan inverka negativt. Värmningstid vid härdningstemperatur Det finns många regler för hur länge verktygsstål skall värmas innan det kyls. Vissa av dess regler är mycket komplicerade och grundade på teoretiska fakta, andra är typiska tumregler beroende på erfarenhet. Det finns även regler som utgör en blandning av dessa två. Det är dock inte möjligt att i koncentrerad form ge exakta rekommendationer och täcker alla värmningssituationer. Här måste hänsyn tas till ugnstyp, dess effekt, temperaturnivå, chargens vikt i förhållande till ugnens storlek m m. Följande rekommendation är giltig i praktiskt taget alla situationer: då stålet uppnått härdningstemperatur och är genomvärmt lägg till en hålltid av 30 minuter. Med hålltid menas tiden från den tidpunkt då stålet genom hela tvärsnittet nått härdningstemperaturen. Ett undantag är dock klena dimensioner värmda i saltbad vid hög temperatur, t ex snabbstål. Här rör sig ofta hela doppningstiden om minuter. Kylning För att få minsta möjliga formförändring bör kylning göras så långsamt som möjligt. Det är allmänt känt att vattenhärdning ofta kan vålla problem i form av kastning och härdsprickor. Oljehärdning är säkrare men härdning i luft eller etappbad är allra bäst. Den främsta orsaken härtill är att långsam kylning ger mindre temperaturskillnad mellan yta och kärna på en detalj och olika grova sektioner får en mera likartad kylningshastighet. Detta har stor betydelse vid kylning genom martensitområdet under M s - temperaturen. Observera att martensitbildning betyder volymökning och spänningar i materialet. Det är också av denna anledning som kylningen bör avbrytas innan rumstemperatur nås, vanligen vid C. Som kylningsmedel för olegerade stål används vatten. Vattnet skall ha en tillsats av 8 10% koksalt eller soda för att ge optimal kylningseffekt. Kristaller av dessa tillsatser faller ut på stålets yta och gör att isolerande luftblåsor släpper. För låglegerade stål bör olja användas. Oljan skall vara av god kvalitet och gärna av s k snabbkylande typ. Den skall hållas ren och måste bytas efter en viss tid. Härdoljor skall ha en temperatur av C för att ge bästa kylningseffekt. Lägre temperatur ger högre viskositet, dvs oljan blir mera trögflytande. Härdning i olja är inte det säkraste sättet att behandla stål med tanke på kastningar och risk för härdsprickor. Riskerna kan minskas med etapphärdning. Detta betyder att materialet kyls i två etapper. Från härdningstemperatur kyls materialet i ett saltbad vars temperatur lagts ovanför M s. Det hålls där tills temperaturutjämning skett mellan yta och kärna, och därefter kan verktyget svalna fritt i luften ned genom martensitområdet. Vid etapphärdning av oljehärdande stål skall även hållas i minnet att materialet är relativt omvandlingssnabbt och inte kan hållas alltför länge vid etapptemperaturen. Detta kan ge en mer eller mindre långt driven bainitomvandling och risk för låg hårdhet. Temperatur M S Yta Martensit A C3 A C1 Kärna Kylningsförloppet vid härdning inlagt i ett TTT-diagram Höglegerade stål kan härdas i olja, etappbad eller luft. För- och nackdelar med de olika metoderna kan diskuteras. Olja ger bra ytor och hög hårdhet, men risken är här störst för otillåten formförändring och sprickor. Vid grova dimensioner är kylning i olja ofta enda möjligheten att nå maximal hårdhet. Etappbad ger goda ytor, hög hårdhet och mindre risk för otillåten formförändring. För vissa stålsorter läggs oftast Temperatur Yta M S A C3 A C1 Kärna Martensit Etapphärdning Tid 5

6 etappbadets temperatur vid ca 500 C. Denna temperatur ger en relativt mild termisk chock men tillräcklig kylningshastighet för att fasomvandlingar skall undvikas. Full martensitomvandling hinner ske vid luftsvalning från etapptemperaturen. Relativt grova dimensioner kan härdas på detta sätt. Maximidimensionen begränsas av stålets härdbarhet. Luft ger minsta risken för otillåten formförändring. En tendens till lägre hårdhet är märkbar vid grövre dimensioner. En nackdel är att ytorna blir sämre. En viss oxidation sker då materialet kommer i kontakt med luft och svalnar långsamt från den höga härdningstemperaturen. Val av kylningsmedium måste bedömas från fall till fall, men allmän rekommendation kan möjligen formuleras så här: Etappbad är det säkraste i de flesta fall. Luf tas till då krav på bästa måttstabilitet dominerar. Olja bör undvikas men kan tas till då det är enda chansen att klara ett hårdhetskrav vid grov dimension. Temperatur Härdningstemperatur M S Olja Yta Rumstemperatur Luft Kärna Etappbad Tid Jämförelse av kylningshastigheten hos olika media Vid denna teknik, liksom vid kylning i luft, skall man vara medveten om riskerna med för långsam kylning. Det som vanligen märks är att hårdheten blir lägre än väntat. Vad som då mäts är ythårdheten. Hårdheten i centrum hos grova dimensioner är ännu lägre. Effekten kan vara helt förödande hos t ex snabbstål och varmarbetsstål, där ett centrumparti kan vara så långsamt kylt att karbidutskiljning skett på vägen ned. Här blir grundmassan utarmad på kol och karbidbildande legeringsämnen. Resultatet blir en sänkt hårdhet och hållfasthet hos grundmassan. Anlöpning Materialet skall anlöpas i direkt anslutning till härdningen. Kylningen skall avbrytas vid en temperatur av C och anlöpning ske omedelbart. Om detta inte är möjligt måste materialet hålls varmt, t ex i ett speciellt värmeskåp i väntan på anlöpning. Val av anlöpningstemperatur styrs ofta av erfarenhet. Här kan dock vissa riktlinjer dras och hänsyn kan lämpligen tas till: hårdhet seghet måttförändring. Om maximal hårdhet önskas, anlöp vid ca 200 C men aldrig lägre än 180 C. Det ger ingen effekt i praktiken. Snabbstål anlöps normalt vid en temperatur ca 20 C över den vid sekundärmaximat. Om annan hårdhet önskas betyder detta höjd anlöpningstemperatur. Tag hänsyn till segheten. Sänkt hårdhet betyder inte alltid ökad seghet, vilket framgår av seghetsvärdena i Uddeholms produktbroschyrer. Undvik att anlöpa inom temperaturområden som ger sänkt seghet. Om samtidigt hänsyn skall tas till dimensionsstabiliteten vid anlöpning måste valet av anlöpningstemperatur ofta bli en kompromiss. Man skall dock låta seghetskravet om möjligt vara i förgrunden. Hur många anlöpningar behövs? Två anlöpningar rekommenderas för verktygsstål och tre anses lämpligt för snabbstål med hög kolhalt, t ex över 1%. Två anlöpningar är under alla förhållanden att rekommendera. Om grundregeln vid kylning följs att avbryta vid C är det helt klart att en viss mängd austenit finns kvar oomvandlad då materialet skall anlöpas. När materialet svalnar efter anlöpningen omvandlas större delen av austeniten till martensit. Den är oanlöpt. En andra anlöpning ger materialet optimal seghet vid den aktuella hårdheten. Samma resonemang kan tillämpas då det gäller restaustenit i snabbstål. Här tillkommer dock att restausteniten är högt legerad och omvandlingströg. Under anlöpningen sker diffusion i austeniten, sekundära karbider faller ut, austeniten blir lägre legerad och omvandlas lättare till martensit då den svalnar efter anlöpning. Här kan flera anlöpningar göra nytta för att driva austenitens omvandling längre. Hålltider vid anlöpning Även här bör man undvika alla mer eller mindre komplicerade formler och tumregler och formulera rekommendationen på följande sätt: Håll materialet minst 2 timmar vid full temperatur varje gång. Här har nämnts tre välkända sätt att kyla vid härdning. Med moderna ugnstyper har en del nya begrepp införts, och tekniken att kyla med reglerad hastighet i skyddande gasatmosfär eller med gas i vakuumugn används mer och mer. Kylningshastigheten är ungefär som för luft men problemet med oxiderade ytor bortfaller. I moderna ugnar finns möjlighet att använda övertryck, vilket ökar kylningshastigheten. Ytorna är helt opåverkade efter vakuumhärdning. 6 Anlöpningsugn av konvektionstyp.

7 Mått- och formstabilitet FORMFÖRÄNDRINGAR VID HÄRDNING OCH ANLÖPNING AV VERKTYGSSTÅL Då en detalj av verktygsstål härdas och anlöps uppträder normalt en viss formförändring, som vanligen är större vid högre temperatur. Detta är välkänt, och det är normal praxis att lämna en viss bearbetningsmån på verktyg före härdningen. Detta gör det möjligt att efter härdning och anlöpning justera dem till korrekta mått, t ex genom slipning. Hur uppkommer formförändringen? Orsaken är spänningar i materialet. Dessa spänningar kan delas upp i: bearbetningsspänningar värmespänningar omvandlingsspänningar. Bearbetningsspänningar Denna typ av spänningar alstras under maskinbearbetning som svarvning, fräsning och slipning. De bildas i ännu högre grad vid kalldeformation som klippning, bockning och dragning. Om spänningar har byggts upp i en detalj, utlöses de i samband med värmning. Värmningen ger en sänkt hållfasthet, varvid spänningar utlöses genom lokal deformation. Detta kan leda till en formförändring. För att undvika att eventuella formförändringar uppstår i samband med värmning vid härdning kan en extra värmningsoperation (avspänningsglödgning) utföras. Det rekommenderas därför att avspänningsglödga materialet efter grovbearbetning. Eventuell formförändring kan då justeras i mjukglödgat tillstånd innan härdningen. Detta minimerar formförändringarna under den följande härdningen och därmed också den slutliga finbearbetningen. Sträckgräns Rp0,2 MPa Värmespänningar Dessa spänningar bildas då en detalj värms. De ökar om uppvärmningen sker snabbt eller olikformigt. Vid värmningen ökas stålets volym. En ojämn värmning kan ge lokala volymökningar som leder till spänningar och formförändringar. Längdutvidgning mm/100 mm 0,8 0,6 0,4 0, C Temperatur Sträckgränsens beroende av temperaturen hos Orvar 2 Microdized, mjukglödgat C Temperatur Längdutvidgningens beroende av temperaturen hos Orvar 2 Microdized, mjukglödgat. Som ett alternativ vid stora eller komplexa detaljer kan uppvärmning göras i steg (förvämningssteg) för att få en temperaturutjämning i detaljen. Man skall alltid sträva efter att värma upp så långsamt att temperaturen hela tiden är praktiskt taget lika i hela detaljen. Vad som sägs beträffande upphettning gäller även vid avkylning. Också vid kylningen kan mycket kraftiga spänningar uppstå. Som en allmän regel gäller att ju långsammare kylningen kan göras, desto mindre deformation förorsakad av värmespänningar uppstår. Omvandlingsspänningar Denna typ av spänningar uppstår då strukturen omvandlas i stålet. Orsaken är att de tre aktuella strukturtyperna ferrit-austenit-martensit har olika densitet. Störst inverkan har omvandlingen från austenit till martensit. Denna ger en volymökning. Volym Omvandling till martensit Omvandling till austenit M s A C1 A C3 Temperatur Volymförändringar vid strukturomvandling. 7

8 Hur kan formförändringen påverkas? Minsta möjliga formförändringar erhålls om: konstruktionen är enkel och symmetrisk bearbetningsspänningar tas bort genom avspänningsglödgning efter grovbearbetning långsam uppvärmning sker vid härdningen lämplig stålsort används detaljen kyls så långsamt som möjligt vid härdningen anlöpning utförs vid lämplig temperatur. Nedanstående värden på bearbetningstillägg kan användas som riktlinjer. Bearbetningstillägg på dimensionerna Stålsort i % av måttet ARNE 0,25 % RIGOR 0,20 % SVERKER 21 och 3 0,20 % CARMO 0,20 % SLEIPNER 0,25 % CALDIE 0,25 % VANADIS 4 Extra SuperClean 0,15 % VANADIS 6 SuperClean 0,15 % VANADIS 10 SuperClean 0,15 % VANADIS 23 SuperClean 0,15 % CALMAX 0,20 % GRANE 0,15 % STAVAX ESR 0,15 % STAVAX SUPREME 0,20 % ELMAX SuperClean 0,15 % CORRAX 0,05 0,15 % ORVAR 2 Microdized 0,20 % ORVAR SUPREME 0,20 % VIDAR SUPREME 0,20 % QRO 90 SUPREME 0,30 % HOTVAR 0,40 % DIEVAR 0,30 % ROLTEC SF 0,15 % TOUGHTEC SF 0,15 % WEARTEC SF 0,15 % Notera: Corrax är ett utskiljningshärdande stål. Ett bearbetningstillägg behövs för att kompensera för krympningen vid stålets åldring. Storleken på krympningen beror på vilken åldringstemperatur som används (se produktbroschyren). Ingen distorsion sker. DJUPKYLNINGSBEHANDLING Verktyg som kräver maximal dimensionsstabilitet vid användning kan djupkylningsbehandlas enligt följande: Omedelbart efter härdningen skall verktyget djupkylas till 70 till 80 C, hålltid 1 3 timmar, följt av anlöpning. Djupkylningsbehandlingen leder till en reducering av restaustenithalten. Detta i sin tur resulterar i en hårdhetsökning på 1 2 HRC jämfört med icke djupkylda verktyg som endast lågtemperaturanlöpts. För högtemperaturanlöpta verktyg blir hårdhetsökningen liten eller ingen alls. Vid högtemperaturanlöpning bör man också notera att när man refererar till de normala anlöpningskurvorna så skall anlöpningstemperaturen sänkas med C för att uppnå önskad hårdhet om verktyget har djupkylts. Verktyg som högtemperaturanlöpts, även utan djupkylningsbehandling, har normalt en låg restaustenithalt och därmed också en tillräcklig dimensionsstabilitet. För höga krav på dimensionsstabilitet vid användningen av verktyget rekommenderas dock en djupkylningsbehandling även i kombination med högtemperaturanlöpning. För de högsta kraven på dimensionsstabilitet rekommenderas djupkylningsbehandling i flytande kväve efter härdningen och mellan anlöpningarna. Ytbehandling NITRERING Nitrering avser att höja stålets ythårdhet och förbättra dess friktionsegenskaper. Behandlingen sker i ett medium (gas eller salt) som avger kväve. Vid Nitrerat ytskikt i 100 X förstoring, Orvar 2 Microdized. nitrering diffunderar kväve in i stålet och bildar hårda slitstarka nitrider. Detta ger ett icke metalliskt ytskikt med goda friktionsegenskaper. Nitrering görs i gas vid ca 510 C och i salt vid ca 570 C eller som jonnitrering vid ca 500 C. Metoden kräver således anlöpningsbeständiga stål för att grundmaterialet inte skall mjukna. Exempel på tillämpningar Nitrering används i vissa fall vid seghärdade plastformar då det gäller att undvika intryckningar och defekter i delningsplanet. Det skall dock observeras att en nitrerad yta inte kan bearbetas med spånskärande verktyg och endast med svårigheter låter sig slipas eller reparationssvetsas. Nitreringen kan också verka som en avspänningsglödgning. Kraftigt bearbetade detaljer kan få en viss formförändring under nitrering genom att inbyggda spänningar från bearbetningen utlöses. Smidessänken kan ges ökad livslängd genom nitrering. Här måste observeras att behandlingen kan ge ökad känslighet för sprickor i skarpa hörn. Skäggranden måste dessutom ges en mjukare utformning. Strängpressningsverktyg av Orvar 2 Microdized nitreras med fördel speciellt då det gäller aluminiumlegeringar. Undantag kan vara profiler med skarpa hörn och tunna sektioner i verktygen. NITROKARBURERING En mycket känd metod är nitrering i saltbad. Temperaturen är normalt 570 C. Tack vare luftströmmen kan cyanathalten regleras bättre och nitreringsverkan blir mycket god. En nitrokarbureringseffekt kan också uppnås i gasatmosfär vid ca 570 C. Resultaten efter dessa båda metoder är jämförbara. Totala nitreringstiden måste varieras för olika verktygstyper och dimensioner. Gäller det grova dimensioner blir uppvärmningstiden till angiven nitreringstemperatur väsentligt längre än för klena verktyg. 8

9 JONITRERING Detta är en ny teknik att nitrera. Nitrergodset placeras i en processkammare fylld med gas, huvudsakligen kväve. Nitrergodset är katod och kammarens mantel anod i en strömkrets. Då kretsen sluts joniseras gas och nitrergodset utsätts för ett jonbombardemang. Gasen är uppvärmande och nitrerande medium. Fördelar med jonitrering är låg processtemperatur och ett segt ytskikt. Diffusionsdjupet är av samma storleksordning som vid gasnitrering. Anläggning för jonitrering SÄTTHÄRDNING Metoden innebär att stålet upphettas i ett medium som avger kol (gas, salt eller torrt inpackningsmedel). Kol diffunderar in i ytan på materialet och efter härdning betyder detta ett ytskikt med förhöjd hårdhet och slitstyrka. Metoden används för konstruktionsstål men rekommenderas vanligen inte för legerade verktygsstål. Sådana fall kan dock förekomma. HÅRDFÖRKROMNING Hårdförkromning kan förbättra slitstyrkan och korrosionsbeständigheten hos ett verktyg. Förkromningen sker elektrolytiskt. Skiktets tjocklek är vanligen mellan 0,001 och 0,1 mm. Det kan vara svårt att får ytskiktet jämnt, speciellt på komplicerade verktyg utstående hörn och kanter kan få ett tjockare skikt än stora plana sidor och hålytor. Vid en skada i kromskiktet kan också korrosionsskador snabbt uppstå i grundmaterialet. Fördelen med kromskiktet är också att ytan får en mycket låg friktionskoefficient. Vid förkromningen kan väteupptagning förorsaka ett sprött ytskikt. Denna olägenhet kan elimineras genom anlöpning efter förkromningen vid 180 C i 4 timmar. YTBELÄGGNINGAR Beläggning av ytan hos verktygsstål blir mer och mer vanligt. Det gäller inte enbart kallarbetsverktyg utan också formar för plastbearbetning och varmarbetsverktyg. Det hårda material som avsätts på verktygets yta är vanligen titannitrid och/eller titankarbid. Beläggningens mycket höga hårdhet och låga friktion ger en slitstark yta som minskar risken för vidhäftning och kletning. För att kunna utnyttja dessa egenskaper maximalt måste man välja ett verktygsstål av hög kvalitet eller ett pulvermetallurgiskt tillverkat stål som grundmaterial. De båda viktigaste ytbeläggningsmetoderna är: PVD-beläggning, som kan utföras vid temperaturer mellan C (PVD = Physical Vapour Deposition). CVD-beläggning, som utföres vid en temperatur av ca 1000 C (CVD = Chemical Vapour Deposition). Belagda verktyg. Beläggningsmetoden, verktygets geometri och toleransföreskrifterna ställer vissa krav på verktygsmaterialet. Vid PVD-beläggning, som ger ett verktyg med snäva toleranser, måste ett grundmaterial med hög anlöpningsbeständighet användas och ytbeläggningen göras som sista arbetsoperation. Vid CVD-beläggning måste härdning och anlöpning utföras efter beläggningsoperationen och ett stål med en austenitiseringstemperatur på ca 1000 C användas. Vid denna senare metod föreligger risk för måttförändringar, och CVD-beläggning är därför mindre lämplig för verktyg med mycket snäva toleranskrav. De lämpligaste stålen för de beskrivna ytbeläggningsmetoderna är Vanadis 4 Extra, Vanadis 6, Vanadis 10, Vanadis 23 och Caldie. Ytbeläggning av verktyg bör emellertid diskuteras från fall till fall med hänsyn till applikation, beläggningens art, toleranskrav osv. Uddeholms närmaste försäljningskontor kan ge ytterligare upplysningar. 9

10 Provning av mekaniska egenskaper När stålet härdas och anlöps påverkas dess hållfasthet och det kan vara på sin plats att se litet närmare på hur dessa egenskaper mäts. HÅRDHETSPROVNING Hårdhetsprovning är det populäraste sättet att kontrollera härdresultatet. Oftast är hårdheten den egenskap som är föreskriven vid härdning av verktyg. Det är enkelt att prova hårdheten. Materialet förstörs inte och apparaten är relativt billig. De vanligaste metoderna är Rockwell C (HRC), Vickers (HV) och Brinell (HBW). Vi skall inte helt glömma det gamla uttrycket filhårt. För att kontrollera om hårdheten är tillräckligt hög, t ex över 60 HRC, kan en fil av god kvalitet ge en bra ledning. Vickers (HV) Vid hårdhetsprovning enligt Vickers pressas en diamantpyramid med kvadratisk bas och 136 toppvinkel med en belastning F mot det material vars hårdhet skall bestämmas. Efter avlastning mäts intryckets diagonaler d 1 och d 2 och HV avläses i tabell. Vid redovisning av provningsresultat betecknas vickershårdhet med HV och ett tillägg för den massa som åstadkommer belastning och (om så fordras) belastningstid enligt följande exempel: HV 30/20 = vickershårdhet bestämd med 294 N (30 kp) belastning under 20 s. F 136 d 1 d 2 Principen för Vickers (HV). Rockwell (HRC) Vid hårdhetsprovning enligt Rockwell pressas en kon eller kula först med en kraft F 0 och därefter med en kraft F 0 +F 1 mot en provkopp av det material vars hårdhet skall bestämmas. Efter avlastning till F 0 bestäms den ökning, e, av intryckningsdjupet som orsakats av F 1. Ur e härleds rockwellhårdheten som avläses direkt på apparatens mätskala. Brinell (HBW) Vid hårdhetsprovning enligt Brinell pressas en kula med diametern D med kraften F mot det material vars hårdhet skall bestämmas. Efter avlastning mäts intryckets diameter i två mot varandra vinkelräta riktningar, d 1 och d 2 och HBW-värdet avläses i tabell. Vid redovisning av provningsresultat betecknas brinellhårdheten med HBW och ett tillägg för kuldiameter, den F 0 F 0 +F 1 =F F 0 D h 0 h e HRC F Provyta 100 h 0 d h 0,2 mm 0 Hårdhetsskala h e HRC Principen för Brinell (HBW). Principen för Rockwell (HRC). massa som åstadkommer belastning och (om så erfordras) belastningstid, enligt följande exempel: HBW 5/750/15 = brinellhårdhet bestämd med 5 mm kula och 7360 N (750 kp) belastning under 15 s. 10

11 DRAGHÅLLFASTHET Draghållfastheten bestäms på en provstav som dras av i en speciell provningsapparat. De storheter som normalt registreras är sträckgräns Rp0,2 och brottgräns Rm, och på provstaven uppmäts förlängningen A 5 och kontraktionen Z. Rent allmänt kan sägas att sträckgräns och brottgräns beror på hårdheten; förlängning och kontraktion är mått på segheten. Höga värden på sträck- och brottgräns ger i regel låga värden på förlängning och kontraktion. Dragprov används mest för konstruktionsstål. Mera sällan för verktygsstål. Det är svårt att göra dragprov vid hårdheten över 55 HRC. Dragprov kan vara av intresse för segare typer av höghållfasta konstruktionsmaterial. Hit räknas t ex Impax Supreme och Orvar 2 Microdized. Några råd till verktygskonstruktörer STÅLVALET Välj lufthärdande stål för komplicerade verktyg. UTFORMNINGEN Undvik skarpa hörn anvisningar stora skillnader i godstjocklek. Dessa är ofta orsak till härdsprickor, särskilt om materialet kyls ned för långt eller får ligga oanlöpt. Olämplig utformning Lämplig utformning SLAGSEGHETSPROVNING För att ett brott skall uppstå i ett material krävs en viss mängd energi. Denna mängd energi kan användas som ett mått på materialets seghet. Högre energiåtgång innebär bättre seghet. Den vanligaste och enklaste metoden att bestämma segheten är genom slagseghetsprovning. En pendelhammare får falla från en viss höjd och i sitt nedersta läge slå av en provstav. Utslagsvinkeln efter det att staven slagits av uppmäts och den energimängd som åtgått för att slå av provstaven kan beräknas. Ett flertal varianter av slagseghetsprovning används. Skillnaden mellan metoderna ligger i utformningen av provstavarna. Vanligen är dessa anvisade med en v- eller u-formad skåra och metoderna benämns Charpy V- resp Charpy U-provning. Verktygsstål har på grund av sin höga hållfasthet oftast en tämligen låg seghet. Material med låg seghet blir anvisningskänsliga och därför används ofta släta och oanvisade provstavar vid slagseghetsprovning av verktygsstål. Resultaten av provningen anges vanligen i J alternativt kpm men även, speciellt vid Charpy U-provningen, i J/cm 2 alternativt kpm/cm 2. Ytterligare ett flertal varianter på slagseghetsprovning användes utomlands, t ex Mesnager och Izod. VÄRMEBEHANDLINGEN Välj lämpliga hårdheter. Undvik framför allt områden som kan ge sprödhet efter anlöpning. Tänk på formförändringen och rekommendationerna beträffande arbetsmån. Ange gärna avspänningsglödgning på ritningarna. hålkäl 11

12 VÄRMEBEHANDLING EUROPA BELGIEN N.V. Waterstraat 4 B-9160 Lokeren Telefon: Telefax: DANMARK A/S Kokmose 8 Bramdrupdam DK-6000 Kolding Telefon: Telefax: ESTLAND TOOLING ESTI OÜ Silikatsiidi 7 EE Tallinn Telefon: Telefax: FINLAND OY AB Ritakuja 1, PL 57 FIN VANTAA Telefon: Telefax: FRANKRIKE S.A. 12 Rue Mercier, Z.I. de Mitry-Compans F Mitry Mory Cedex Telefon: +33 (0) Telefax: +33 (0) Säljkontor Besançon GREKLAND STEEL TRADING COMPANY 20, Athinon Street, G-Piraeus Telefon: / Telefax: SKLERO S.A. Steel Trading Comp. and Hardening Shop Frixou 11/Nikif. Ouranou G Thessaloniki Telefon: Telefax: SKLERO S.A. Heat Treatment and Trading of Steel Uddeholm Tool Steels Industrial Area of Thessaloniki P.O. Box 1123 G Sindos, Thessaloniki Telefon: Telefax: ITALIEN div. della Bohler Uddeholm Italia S.p.A. Via Palizzi, 90, I Milano Telefon: Telefax: KROATIEN BOHLER Zagreb d.o.o za trgovinu Zitnjak b.b Zagreb Telefon: Telefax: LETTLAND TOOLING AB Piedrujas street 7 LV-1073 Riga Telefon: Telefax: LITAUEN TOOLING AB BE PLIENAS IR METALAI T. Masiulio 18b LT Kaunas Telefon: , -669 Telefax: NEDERLÄNDERNA B.V. Isolatorweg 30 NL-1014 AS Amsterdam Telefon: Telefax: NORGE A/S Jernkroken 18 Postboks 85 Kalbakken, N-0902 Oslo Telefon: Telefax: POLEN INTER STAL CENTRUM Sp. z. o.o./co. Ltd. ul. Kolejowa 291, Dziekanów Polski PL Lomianki Telefon: Telefax: PORTUGAL F RAMADA Aços e Industrias S.A. P.O. Box 10 P-3881 Ovar Codex Telefon: Telefax: RUMÄNIEN BÖHLER ROMANIA SRL Uddeholm Branch Str. Atomistilor Nr 14A Magurele Jud Ilfov Telefon: Telefax: RYSSLAND TOOLING CIS 25 A Bolshoy pr PS St. Petersburg Telefon: Telefax: SCHWEIZ HERTSCH & CIE AG General Wille Strasse 19 CH-8027 Zürich Telefon: Telefax: SLOVAKIEN Slovakia Nástrojové ocele, s.r.o KRÁCINY Martin Telefon: Telefax: SLOVENIEN div. della Bohler Uddeholm Italia S.p.A. Via Palizzi, 90 I Milano Telefon: Telefax: SPANIEN Guifré E Badalona, Barcelona Telefon: Telefax: Säljkontor Zamudio Bizkaia STORBRITANNIEN OCH IRLAND UK LIMITED European Business Park Taylors Lane, Oldbury West Midlands B69 2BN Telefon: Telefax: Dublin SVERIGE TOOLING SVENSKA AB Aminogatan 25 SE Mölndal Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Box 45 SE Anderstorp Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Box 148 SE Eskilstuna Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Aminogatan 25 SE Mölndal Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Nya Tanneforsvägen 96 SE Linköping Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Derbyvägen 22 SE Malmö Telefon: Telefax: TOOLING SVENSKA AB Honnörsgatan 16A SE Växjö Telefon: Telefax: TJECKIEN BOHLER CZ s.r.o. Division Uddeholm U silnice Praha 6 Ruzyne Czech Republic Telefon: ,8 Telefax: TYSKLAND Hansaallee 321 D Düsseldorf Telefon: Telefax: Säljkontor Bad Soden/TS., Neuhausen UNGERN TOOLING/BOK Dunaharaszti, Jedlik Ányos út 25 H-2331 Dunaharaszti 1. Pf. 110 Telefon/Telefax: ÖSTERRIKE Hansaallee 321 D Düsseldorf Telefon: Telefax: NORDAMERIKA USA 4902 Tollview Drive Rolling Meadows IL Telefon: Telefax: Region Öst Shrewsbury, MA Region Central Wood Dale, IL Region Väst Santa Fe Springs, CA KANADA LIMITED 2595 Meadowvale Blvd. Mississauga, ON L5N 7Y3 Telefon: Telefax: Säljkontor St. Laurent, QC New Westminster, BC Värmebehandling THERMO-TECH Mississauga, ON MEXICO ACEROS BOHLER, S.A. de C.V. Calle 8 No 2, Letra "C" Fraccionamiento Industrial Alce Blanco C.P Naucalpan de Juarez Estado de Mexico Telefon: Telefax: Lerdo de Tejada No.542 Colonia Las Villas San Nicolas de Los Garza, N.L. Telefon: Telefax: SYDAMERIKA ARGENTINA S.A Mozart Centro Industrial Garin Garin-Prov. Buenos Aires Telefon: Telefax: BRASILIEN ACOS ESPECIAIS Ltda. Estrada Yae Massumoto, 353 CEP Sao Bernardo do Campo - SP Brazil Telefon: , Telefax: SYDAFRIKA Africa (Pty) Ltd. P.O. Box 539 ZA-1600 Isando/Johannesburg Telefon: Telefax: AUSTRALIEN BOHLER- Australia McCredie Road Guildford NSW 2161 Private Bag 14 Telefon: Telefax: Säljkontor Sydney, Melbourne, Adelaide, Brisbane, Perth, Newcastle, Launceston, Albury, Townsville ASSAB ASSAB INTERNATIONAL Skytteholmsvägen 2, Box 42 SE Solna Sverige Telephone: Telefax: Dotterbolag Förenade Arabemiraten, Indien, Iran, Saudi Arabien, Turkiet Leverantörer i Mellersta Östern, Afrika, Latinamerika ASSAB PACIFIC ASSAB Pacific Pte. Ltd 171, Chin Swee Road No , San Centre Singapore Telefon: Telefax: Dotterbolag/Säljkontor Filippinerna, Hong Kong, Indonesien, Japan, Kina, Korea, Malaysia, Singapore, Taiwan, Thailand Hagfors Klartext AB U / Tryckeri Knappen, Karlstad När de första idéerna dyker upp, genom hela utvecklingsprocessen och fram till lanseringen av de nya produkerna, var du än befinner dig i kedjan vill vi vara din partner. Uddeholm är världens ledande tillverkare av verktygsstål. Vi finns nära dig, oavsett var i världen du har din tillverkning. Utgåva: 4,