Värmebehandling 2013 Anders Ullgren

Värmebehandling 2013 Anders Ullgren

2 Vad är värmebehandling?

Vad är värmebehandling? Värmebehandling är en process där man med en kontrollerad värmning och kylning vill uppnå en förväntad struktur och egenskaper. För att verktyget skall uppfylla de kav på hårdhet,seghet och nötning som krävs för en given applikation. 3

Värmebehandling Värmebehandling är utan tvivel det mest kritiska steget vid tillverkningen av ett verktyg Alla verktygets egenskaper bestäms av resultatet från värmebehandlingen 4

Värmebehandlings problem Långsam kylning Ger utskiljning av karbider i korngränserna Långtid vid högtemperatur Ger ett grovkornigt material Leder till dåliga mekaniska egenskaper som kan resultera i sprickor/haveri 5

CCT-diagram 20 J 6 8J

KEMISK SAMMANSÄTTNING Fe C Stål = järn + kol* Verktygs stål = järn + kol + andra element Ni Cr Mo V Mn Co W Si 7 *kol upp till ca 3%

Analys internationella standarder vs Uddeholms verktygsstål C 0,30 0,34 0,38 0,42 Mo 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 Cr 4,80 5,00 5,20 5,40 V 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 UDDEHOLM W.Nr. AISI 8

Kallarbetstål Varmarbetsstål Plastformstål Component Business 9

Kristall strukturer i stål vid värmning och snabb kylning Austenite (FCC = Face Centered Cubic) Uppvärmning 3,57Å Ferrite (BCC = Body Centered Cubic) I martensite är kol atomerna tvingade att inta en position de inte vill ha Genom snabb kylning bildas martensit Martensite 2,98Å 2,86Å 2,86Å 10 Name, Company, Date

Uppkomst av formförändringar Snabb kylning / uppvärmning Temperaturgradienten orsakar termiska spänningar. Varierande kylningshastighet Orsakar olika fasomvandlingar i olika delar. Fasernas volymskillnad påverkar spänningsförloppet. Inre spänningar Byggs in genom tidigare värmebehandlingar eller bearbetning. Relaxeras vid värmebehandling. 11

Varför uppstår formförändringar? Specifik volym hos olika stålfaser Ferrit (cm 3 /g): Austenit (cm 3 /g): Martensit (cm 3 /g): 0,1271 0,1245 0,1296 Volym Stålets volymförändring vid härdning Omvandling till martensit Omvandling till austenit Temperatur 12 M s A c1 A c3

Hur att minimera formförändringar Gör konstruktionen enkel och symmetrisk Avspänningsglödga efter grovbearbetning Värma långsamt vid härdning, flera förvärmningssteg Använd lämplig stålsort Kyl så långsamt som möjligt vid härdningen Använd lämplig anlöpningstemperatur 13

Mjukglödgning Materialet värms till en temperatur på 780-920 C beroende på stålsort. Efter genomvärmning och hålltid för utjämning sänks temperaturen stegvis till ca 700-500 C innan materialet tas ut ur ugnen. Mikrostruktur: sfäroidiserad struktur. Verktygsstål levereras ofta i mjukglödgat tillstånd till kunden. Orsak: materialet är lätt att maskinbearbeta och hårdheten ligger på 180-250HB beroende på stålsort. Mjukglödgning bör också utföras på härdat material som skall härdas på nytt p.g.a felaktig struktur och/eller för låg hårdhet. 14

Rekommendationer för bearbetningsmån: Stålsort ARNE RIGOR SVERKER 21 CALMAX STAVAX ESR MIRRAX ESR ORVAR SUPREME QRO 90 SUPREME HOTVAR DIEVAR Bearbetningsmån i % av dimensionen 0.25 0.20 0.20 0.20 0.15 0.20 0.20 0.30 0.40 0.30 Rekommenderad Bearbetningsmån för att undvika undermått efter härdningen p.ga. dimensionsförändring

Härdning är att göra stålet hårt. För att härdas måste stålet först omvandlas till austenit genom värmning till en viss temperatur (ca 800-1200 C) beroende på stålsort. Efter en hålltid kyls materialet i vatten, olja, polymer eller luft. I detta tillstånd är stålet mycket hårt och sprött. Därför skall härdning alltid följas av anlöpning. 16

Placering av termoelement Termoelementen skall placeras så att de visar ett korrekt värde för temperaturen vid ytan och i centrum. Om möjligt placera termoelementen på den färdiga detaljen. Går inte det, använd dummy block som motsvarar tjockleken på den chargerade detaljen Ts Tc Tc Ts 17 Dummy Block

Step Quenching Tc 580 Kg. Ts 18

Inverkan av kolhalt på stålets hårdhet ( 95% martensit): Hårdhet HRC 70 60 50 40 30 19 20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 %C Kolhalt (%)

STÅLETS HÄRDBARHET God härdbarhet = god genomhärdningsförmåga =förmågan att uppnå samma hårdhet rakt igenom tvärsnittet. Följande element förbättrar starkt härdbarheten: Ni Si Cr Mo Mn Ökande inverkan Bra härdbahet = Jämn hårdhet Dålig Dålig härdbahet = Ojämn hårdhet 20

TTT-diagram / CCT-diagram Temp Carbon steel Låg legerat material Perlite Mn,Ni,Si flyttar kurvan till höger Bainite M S M f Temp Hög legerat material Perlite Time Karbid formande element Cr,Mo,W, flyttar perlite kurvan längre till höger men har mindre inverkan på bainiten M S Bainite Hög andel Cr kommer att få till resultat att kurvorna delas M f Time 21 Name, Company, Date

Kylmedel och deras kylförmåga Härdnings temperatur Olja Luft Saltbad Vatten Rumstemperatur 22

CCT-diagram 20 J 23 8J

Skyddsgasugn Vakuumugn Vid härdning av verktyg vill man skydda verktygsytan från oxidation/avkolning. Vakuumugnar är idag den dominerande tekniken vid härdning av verktygsstål. 24

Djupkylning Används för verktyg som kräver hög dimensions stabilitet. Reducerar restaustenit halten till mycket låga värden. Stålet kyls till en temperatur mellan 70 och -120 C med hjälp av t.ex flytande kväve. Djupkylningen sker oftast före anlöpning. Men vid extrema krav på precision kan det ske även mellan Anlöpningarna. Kryogenbehandling betyder kylning till nära -196 C. I båda fallen får man en hårdhetsökning på ca 2HRC efter djupkylningen om man gör en lågtemperatur anlöpning. Gör man anlöpningen vid temperature över 500 C får man normalt ingen hårdhetsökning 25

Allmänna synpunkter på värmebehandling av verktygsstål Högre härdtemperatur: Högre hårdhet Högre restaustenithalt Lägre seghet Högre svalningshastighet vid härdningen: Högre seghet Större risk för för härdsprickor Större formförändringar 26

27 Anlöpnings diagram

Allmänna synpunkter på värmebehandling av verktygsstål Högtemperaturanlöpning:(relativt lågtemp.) Högre tryckhållfasthet Lägre restaustenithalt Lägre seghet/ brottseghet Något högre slitstyrka Bättre måttstabilitet vid vid användning Bättre måttstabilitet i i samband med ytbeläggning Mindre risk för för sprickbildning i i samband med trådgnistning av av speciellt grövre block 28

Antal anlöpningar Austenit Oanlöpt martensit Anlöpt martensit Rest - austenit Före härdningen Efter härdningen Efter 1:a anlöpningen Efter 2:a anlöpningen 29

Värmebehandling Temperatur C Grovbearbetning Fin bearbetning 1 22 3 3 3 1.Avspännings glödning vacuum TidTid Olja 2.Austenitisering + Kylning Hög temperatur anlöpning Hög temperatur anlöpning Salt bad 3.Anlöpning 30 Tid

Nitrering

Nitrering är en termo kemisk process där kväve och/eller kol förs över från ett kvävegivande medium till stålytan vid en temperatur på 400-500 C. I princip kan alla stål och gjutjärn nitreras. Stålets kemiska sammansättning har stor inverkan på nitrerdjup samt diffusionszonenens och föreningszonens hårdhet. Vanliga nitridbildande legeringselement är aluminium,molybden,krom,volfram,vanadin,kisel. Ett högre legerat stål kräver längre nitrertid för att ge samma nitrerdjup som lägre legerat stål. 32

En nitrerad yta består av två lager Föreningszon: Ett tunt ytskikt som består av järnnitrider och nitrider bildade av legeringsämnen. Kallas även Vita skiktet Det undre skiktet benämns Diffusionszon: Vid övernitrering uppträder s.k Vita ormar i detta skikt. Ett höglegerat material ger ett tunnare skikt. NITRERING 33

Skarp kant lätt att få övernitrering Crack 34

Beläggning Substrat Om substratet är för mjukt från början eller har fått en hårdhets sänkning på grund av beläggningstemperaturen, är det stor risk för sprickor i beläggningen vid belastning: 35

Inverkan av olika nitrerdjup ORVAR SUPREME 45 HRC Jonnitrering, 10% kväve och 90% väte vid 480 C Böjhållfasthet, kn/mm² 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0,04 0,14 0,3 0,45 mm 200C 20C 36

Nitrerings processer: -Gasnitrering med ammoniak som kväveavgivande medium. -Nitrokarburering i gas här tillförs även kol till ytan. -Nitrokarburering i saltbad (Ersätts med andra processer av miljö skäl). -Plasma /ion nitrering.utförs inom temperaturintervallet 400-650 C. 37

Ythårdhet för olika ståltyper efter 2tim. nitrokarburering Stålsort Låglegerade stål Sätthärdningsstål Seghärdningsstål Nitrerstål Kullagerstål Kallarbetsstål Varmarbetsstål Snabbstål Hårdhet, HV1 300-500 500-700 500-650 700-1100 Ca 600 >1000 >1000 1200-14000 38

Uddeholms stålsorter som är vanliga att niterera ORVAR 2M ORVAR SUPREME VIDAR SUPREME DIEVAR QRO 90 SUPREME HOTVAR THG 2000 IMPAXSUPREME NIMAX 39

HÅRDHETSPROVNING Brinell (HB) : för glödgat och seghärdat material F 1. En hårdmetallkula pressas med en viss kraft mot materialet 2. Intryckets medeldiameter mäts och hårdheten erhålls som kraften dividerad med intrycksarean. 3. Motsvarande HB-värde får man ur en tabell d d = ~ 2.5 mm 40

HÅRDHETSPROVNING Rockwell (HRC) : för härdat material 1. Pressa en diamantkon mot materialet med kraftenf och sen med kraften (F 0 + F 1 ) F0 (F0 + F1) F0 h e 2. Avlasta till F 0 och mät ökningen på intrycksdjupet orsakat av F 1. Detta görs automatiskt hos moderna instrument. Rockwell hårdheten kan avläsas direkt i fönstret på instrumentet. Metoden kräver plana ytor. 41

Hårdhetsprovning Vickers (HV) : för mjukt och hårt material och för kontroll av ythårdhet 1. Tryck en diamant pyramid med en rektangulär bas och 136 topp vinkel mot materialet med kraften F. F d i = ~ 0.3 mm 136 d 1 d 2 2. Avlasta och mät diagonalen på intrycket. 3. HV-värdet fås ur en tabell. Metoden kräver plana blankpolerade ytor. 42

Var försiktig när ni använder översättningstabell. En omräkning mellan olika mätmetodr ger endast ungefärliga värden. Det finns flera olika översättningstabeller. 43

TRUST IS SOMETHING YOU EARN, EVERY DAY.