Värmebehandling 2013 Anders Ullgren

2

Vad är värmebehandling ?

3 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.

4

Värmebehandling

• Värmebehandling är utan tvivel det mest kritiska steget vid tillverkningen av ett verktyg •

Alla verktygets egenskaper bestäms av resultatet från värmebehandlingen

5

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

6

CCT-diagram

KEMISK SAMMANSÄTTNING

Fe

C

Stål = järn + kol* Verktygs stål = järn + kol + andra element

Mn Si

7

Cr Mo Ni

*kol upp till ca 3%

V Co W

8

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

AISI

9

Kallarbetstål Varmarbetsstål Plastformstål Component Business

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

Name, Company, Date

11

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.

12

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

Stålets volymförändring vid härdning

Volym Omvandling till austenit Omvandling till martensit Temperatur M

s

A

c1

A

c3

13

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

14

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.

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

16

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.

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 “Dummy Block” 17

18

Step Quenching

Tc 580 Kg.

Ts

Inverkan av kolhalt på stålets hårdhet ( 95% martensit):

19

Hårdhet

70

HRC

60 50 40 30 20 0.1 0.2 0.3 0.4

Kolhalt (%)

0.5

0.6

0.7

0.8 %C

STÅLETS HÄRDBARHET

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

Temp TTT-diagram / CCT-diagram Carbon steel Låg legerat material Perlite Bainite M S M f Temp Time Hög legerat material Perlite Bainite M S M f Time

Name, Company, Date Mn,Ni,Si flyttar kurvan till höger Karbid formande element Cr,Mo,W, flyttar perlite kurvan längre till höger men har mindre inverkan på bainiten Hög andel Cr kommer att få till resultat att kurvorna delas

Kylmedel och deras kylförmåga

Härdnings temperatur Olja Luft Saltbad

22

Rumstemperatur Vatten

23

CCT-diagram

Skyddsgasugn Vakuumugn

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

25

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

26

Allmänna synpunkter på värmebehandling av verktygsstål

• • • • • •

Högre svalningshastighet vid härdningen:

• • • • • •

27

Anlöpnings diagram

28

Allmänna synpunkter på värmebehandling av verktygsstål Högtemperaturanlöpning:(relativt lågtemp.)

• • • • • • • • • • • •

Bättre måttstabilitet i samband med ytbeläggning

• •

Mindre risk för sprickbildning i samband med trådgnistning av speciellt grövre block

Antal anlöpningar

Austenit Oanlöpt martensit Anlöpt martensit Rest austenit

29

Före härdningen Efter härdningen Efter 1:a anlöpningen Efter 2:a anlöpningen

30

Värmebehandling

Grovbearbetning Fin bearbetning

vacuum Olja Salt bad 1 1.Avspännings glödning 2 2 Tid + Kylning 3 3 3.Anlöpning 3 Tid

Nitrering

32 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.

33

NITRERING

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.

34

Skarp kant – lätt att få övernitrering Crack

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: Beläggning Substrat 35

Inverkan av olika nitrerdjup ORVAR SUPREME 45 HRC Jonnitrering, 10% kväve och 90% väte vid 480°C

36

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

37 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.

38 Ythårdhet för olika ståltyper efter 2tim. nitrokarburering

Stålsort Hårdhet, HV1

Låglegerade stål 300-500 Sätthärdningsstål Seghärdningsstål Nitrerstål Kullagerstål Kallarbetsstål Varmarbetsstål Snabbstål 500-700 500-650 700-1100 Ca 600 >1000 >1000 1200-14000

39

Uddeholms stålsorter som är vanliga att niterera

ORVAR 2M ORVAR SUPREME VIDAR SUPREME DIEVAR QRO 90 SUPREME HOTVAR THG 2000 IMPAXSUPREME NIMAX

40

HÅRDHETSPROVNING…

Brinell (HB) : för glödgat och seghärdat material

F

1.

2.

3.

En hårdmetallkula pressas med en viss kraft mot materialet Intryckets medeldiameter mäts och hårdheten erhålls som kraften dividerad med intrycksarean.

Motsvarande HB-värde får man ur en tabell d d = ~ 2.5 mm

41

HÅRDHETSPROVNING…

Rockwell (HRC) : för härdat material 1.

Pressa en diamantkon mot materialet med kraftenF och sen med kraften (F 0 + F 1 ) F 0 (F 0 + F 1 ) F 0 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.

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

42

2.

3.

Avlasta och mät diagonalen på intrycket. HV-värdet fås ur en tabell. Metoden kräver plana blankpolerade ytor.

43 Var försiktig när ni använder översättningstabell.

En omräkning mellan olika mätmetodr ger endast ungefärliga värden.

Det finns flera olika översättningstabeller.

TRUST IS SOMETHING YOU EARN, EVERY DAY.