Maraging čelici

21
Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje SEMINAR : MARAGING ČELICI Kolegij : Alatni materijali

description

Seminar iz kolegija alatni materijali

Transcript of Maraging čelici

Page 1: Maraging čelici

Sveučilište u Zagrebu Fakultet strojarstva i brodogradnje

SEMINAR : MARAGING ČELICI Kolegij : Alatni materijali

Matija MiletićDr. sc. Franjo Cajner 0035146546Dr. sc. Darko Landek Konstrukcijski smjer Matija Petranović 0035148514 Računalno inženjerstvo

Page 2: Maraging čelici

Sadržaj:

1.Općenito o Maraging čelicima……………………...22.Vrste Maraging čelika………………………………2 2.1 Maraging čelici za hladni rad…………………..3 2.2 Maraging čelici za topli rad…………………….4 2.3 Maraging čelici povišene postojanosti na koroziju……………………………………….. 5 3.Mikrostruktura……………………………………...6 3.1 Svojstva maraging čelika……………………....8 3.2 Prednosti maraging čelika u alatnoj primjeni.....8 3.3 Mehanička svojstva maraging čelika…..............94.Toplinska obrada…………………………………...11 4.1 Opće značajke mehaničke obradljivosti i zavarljivosti…………………………………..12 4.2 Primjena maraging čelika……………………..145.Zaključak..................................................................146.Popis literature..........................................................15

1

Page 3: Maraging čelici

1.Općenito o Maraging čelicima

Naziv maraging dolazi iz engleskog – “martensit aging “ (starenje martenzita).Čelici Maraging su po sastavu niskougljični (< 0,03 %C), visokolegirani u ternarnom sustavu :Fe-Ni-Co ili podsustavima Fe-Ni-Co i Fe-Co-Cr s dodacima Mo, Ti, Al i Co i eventualnoB i Zr.Uobičajeno čelici Maraging sadrže: oko 18%Ni, 7...14%Co, 3...6%Mo, 0,15...2%Ti,0,05...0,2%Al.Maraging čelici imaju ultra visoku čvrstoću i odlična mehanička svojstva.

2.Vrste Maraging čelika

Maraging čelici za hladni rad (do θr = 425°C) X3 NiCoMo 18 8 5 X3 NiCoMo 18 9 5 X3 NiCoMoTi 18 12 4

Maraging čelici za topli rad (do θr = 650°C)

X2 NiCoMo (Ti) 12 8 8

Maraging čelici povišene postojanosti na koroziju

X1 CrNiCoMo 9 10 3 X2 CrNiCoMo 12 8 5 X1 CrNiCoMo 13 8 5

2

Page 4: Maraging čelici

2.1 Maraging čelici za hladni rad

Ova skupina čelika se primjenjuje samo za radne temperature ispod θr < 425°C jer se tada Re ovih čelika počinje naglo smanjivati.

Slika 1. Ovisnost granice razvlačenja čelika Maraging o temperaturi ispitivanja[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]

Primjena: kalupi za preradu polimera, kalupi za tlačno lijevanje silumina, kalupi za tlačni lijev Zn-legure, žigovi za ekstrudiranje olovnih kabela, Pilger-trnovi, alati za hladno istiskivanje Al-legura, stezni plaštevi oko matrica za hladno udarno isprešavanje Al-,Sn-,Zn- i Pb-legura, matrice i žigovi za hladno kovanje tijela i glava vijaka

3

Page 5: Maraging čelici

2.2 Maraging čelici za topli rad

Ovi čelici se primjenjuju u višim temperaturnim područjima jer imaju sniženi postotak nikla.Posjeduju veliku otpornost toplinskom umoru i trošenju.

Posljedice sniženog Ni postotka:

-pojava austenita pri grijanju tek pri višim temperaturama -rastvorno žarenje će se morati izvesti pri višim temperaturama-temperature starenja, kao i temperature intenzivne koalescencije čestica jesu iznad onih čelika s 18%Ni

Kako se pri temperaturi starenja 625 °C događaju neke intenzivne promjene (jaka koalescencija izlučenih intermetalnih čestica, jak porast udjela zaostalog austenita) radi sigurnosti bi trebalo ograničiti radne temperature alata od ovog čelika na θr ≤ 600°C uzimajući u obzir da će izloženost radnoj temperaturi biti razmjerno duga.

Slika 2. Dimenzijske promjene pri starenju[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]

Dijagram prikazuje Maraging čelik za topli rad (X2 NiCoMoTi 12 8 8 ) te njegove promjene dimenzija prilikom zagrijavanja za određeni vremenski period.

4

Page 6: Maraging čelici

2.3 Maraging čelici povišene postojanosti na koroziju

Uvođenje kroma u sastav čelika Maraging povisuje njihovu korozijsku postojanost ali se time uzrokuje izvjesno sniženje iznosa vlačne čvrstoće, granice elastičnosti i tvrdoće.Posjeduju veliku otpornost na pitting i na napetosnu koroziju (i u morskoj vodi).Uzroke ovom neželjenom sniženju treba tražiti u nižoj gustoći dislokacija u Ni-Cr martenzitu i pojavi faza sa sadržajem kroma koju su manje učinkovite zapreke gibanju dislokacija nego

same faze i Nužnost sniženja udjela nikla sa 18% na 8 do 10% u ovoj grupi čelika bila je potreban kako bi se spriječilo prejako sniženje temperatura Ms i Mf jer i Cr i Ni intenzivno djeluju na takvo sniženje.Ova grupa čelika je prvenstveno razvijana za konstrukcijsku primjenu ali se koristi i u alatnoj primjeni u problematici izrade vitalnih dijelova kalupa za preradbu polimera kada se od kalupa traži nepromjenljivost dimenzija pri toplinskoj obradi, povišena postojanost na djelovanje kemijski agresivnih medija i visokih temperatura prerade.

5

Page 7: Maraging čelici

3.MikrostrukturaMaraging čelici imaju ekstremno nizak udjel ugljika, stoga martenzit nije ugljični nego nikl-martenzit.Za razliku od ugljičnog martenzita prezasičenog ugljikovim atomima nikl-martenzit nije tako tvrd niti krhak.Njegova tvrdoća nakon gašenja iznosi 280 do 320 HV za čelike koji sadrže 18% Ni.Fe-Ni (i Fe-Ni-Co) legura s visokim udjelima Ni (i Co) pretvara se hlađenjem iz austenitnog područja (θa ≈ 820°C) proizvoljnom brzinom hlađenja u Fe-Ni (-Co) martenzit tvrdoće oko 300 HV.U tom su martenzitu otopljeni i ostali legirajući elementi.Taj je martenzit vrlo dobro obradljiv odvajanjem čestica, oblikovanjem deformiranjem i vrlo je dobro zavarljiv.

Slika 3. Realni dijagram stanja Fe-Ni[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]Ugrijavanjem ovako nastalog Ni – martenzita M(Ni) (ili Ni-Co- martenzita M(Ni,Co)) doći će do precipitacije čestica intermetalnih faza : , , ,

, , a ako čelik sadrži i Cr, još i FeCr , ,, . Intermetalne faze su jednoličnije raspoređene

nego karbidi (u ostalim vrstama alatnih čelika), pa one utječu manje negativno na svojstva duktilnosti nego karbidi.Te čestice, optimalnih dimenzija 0,5 do 2 μm te razmaka oko 10 μm su vrlo učinkovite zapreke gibanju dislokacija, što dovodi do povišenja čvrstoće, granice elastičnosti i tvrdoće.

Slika 4. Utjecaj režima starenja na tvrdoću nekih Maraging čelika

6

Page 8: Maraging čelici

[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]Volumenski udjel precipitiranih faza ovakvih čelika ne bi trebao biti viši od 8% (obično 2 do 6%),kako ne bi došlo do prejakog utjecaja na povišenje krhkosti.Posebno treba cijeniti visoki stupanj disperznosti intermetalnih čestica, pa je njihova razdioba gotovo idealno jednolična.I zbog toga su njihovi utjecaji na očvrsnuće i otvrdnuće jači nego oni karbidni.

Slika 5. Mikrostruktura Maraging čelika[http://www.diratslabs.com/metal.html]

Slika 6. Mikrostruktura Maraging čelika[www.industrialheating.com]

7

Page 9: Maraging čelici

Za detaljnije istraživanje mikrostrukture i distribuciju legirnih elemenata u matrici potrebni su uređaji velikih rezolucija kao transmisijski elektronski mikroskop (TEM) i trodimenzijalna sonda za atome (3DAP) .

Slika 7. Trodimenzionalno mapiranje atoma elemenata Al, Ni i Ti unutar analiziranog volumena čelika maraging dimenzija 10x10x90 nm nakon dozrijevanja pri temp.475 °C u trajanju od 1 sata.[www.hmi.de/bereiche/SF/SF3/materials/ni_based_superalloys/maraging_steels]

Slika 8. Trodimenzijonalna rekonstrukcija položaja svih elemenat unutar malog volumena dimenzija 1,5x1,5x10 nm [www.hmi.de/bereiche/SF/SF3/materials/ni_based_superalloys/maraging_steels]

Slika 9. Dubina profila svih legirnih elemenata unutar promatranog volumena dimenzija 1,5x1,5x10 nm[www.hmi.de/bereiche/SF/SF3/materials/ni_based_superalloys/maraging_steels]

8

Page 10: Maraging čelici

3.1 Svojstva maraging čelika

Ovi čelici odlikuju se slijedećim svojstvima : ultra visoka čvrstoća, visoka granica razvlačenja, visoka lomna žilavost, lako se nitrira, otporan na koroziju i naglo širenje pukotina u materijalu, male deformacije pri toplinskoj obradi,a nema niti opasnosti od razugljičenja i oksidacije, laka obradljivost odvajanjem čestica i hladna deformabilnost nakon rastvornog žarenja, dobra zavarljivost zahvaljujući niskim udjelima C, P i S.

3.2 Prednosti maraging čelika u alatnoj primjeni

U izradi alata čelici Maraging imaju odlične prednosti u odnosu na ostale alatne materijale. Niski udjel ugljika uzrokom je da se ovi čelici uopće ne razugljićuju, pa ih se smije rastvorno žariti, meko žariti i stariti i u atmosferama peći bez zaštitnih plinova.Proizvoljna brzina (intenzivnost) ohlađivanja s temperature rastvornog žarenja dopušta postignuće stanja bez zaostalih naprezanja tj. i bez deformacija zbog temperaturnih razlika po presjeku alata. Obradljivost proizvoda odvajanjem čestica omogućava sigurnu bezdeformacijsku toplinsku obradu u cjelini, jer pri idućem postupku starenja pri razmjerno niskim temperaturama ne dolazi do transformacija martenzita pa zato niti do transformacijskih napetosti i deformacija. U ovom je stanju čelik dobro zavarljiv.

Maraging čelici nisu prikladni za izradu alata za obradu odvajanjem čestica, jer im je otpornost na trošenje slaba strana. U slučaju kalupa ta njihova mana se može smanjiti izvedbom nitriranja pri oko 500 °C.

Slika 10. Krivulje tijeka tvrdoće po presijecima nitriranih epruveta od maraging čelika [M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]

9

Page 11: Maraging čelici

3.3 Mehanička svojstva Maraging čelika:

Tablica 1. Mehanička svojstva Maraging čelika

[www.fsb.hr/zavod_za_materijale/html/index.php?name=Downloads&req=getit&lid=2 ]

Slika 11. Lomna žilavost u odnosu na ugljične čelike[www.fsb.hr/zavod_za_materijale/html/index.php?name=Downloads&req=getit&lid=2 ]

10

Page 12: Maraging čelici

4.Toplinska obrada

Kako se pri toplinskoj obradi čelika maraging radi o pretvorbi austenita u martenzit, moglo bi se osnovne postupke nazvati i austenitizacijom odnosno popuštanjem, no kako su svojstva, postignuta tim postupcima gotovo jednaka onima rastvornog žarenja odnosno starenja, uobičajili su se ovi posljednji nazivi.Čelik se prvo rastvorno žari na temperaturu od oko 820 °C, u trajanju od 15-30 minuta za tanke presjeke i 1 sat po 25 mm debljine za guste presjeke s ciljem da se osigura potpuno austenitna struktura. Nakon toga čelik se mora intenzivno gasiti u vodi ili na zraku u cilju dobivanja prezasićenog masivnog (ne igličastog) nikl-martenzita. U takvom stanju izradak se oblikuje ne željeni konačni oblik i dimenzije, jer je čelik dobro obradljiv odvajanjem čestica i plastično deformabilan. Starenjem u nikl-martenzitu precipitira niz fino disperziranih intermetalnih spojeva. To traje oko 3 sata pri temperaturi od 480-500 °C što daje za rezultat finu disperziju intermetalnih spojeva uzduž dislokacija koje su nastale martenzitnom transformacijom.

Slika 12. Dijagram postupka toplinske obrade čelika tipa maraging.(RŽ - rastvorno žarenje, S - starenje)[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]

11

Page 13: Maraging čelici

Svi eventualno potrebni korekcijski postupci toplinske obrade (različita žarenja) svode se u slučaju čelika maraging na ponovno zakaljivanje.Raskaljivanje (ekvivalent mekom žarenju) sastojat će se od ponovne austenitizacije rastvornog žarenja pri oko 820 °C i hlađenja (na zraku ili u peći). Tim se putem postiže i najniža tvrdoća (300 do 350 HV) i najbolja obradljivost odvajanjem čestica (a i oblikovljivost deformiranjem te zavarljivost).Najučinkovitija redukcija napetosti izvodi se također ponovnom austenitizacijom pri oko 820 °C te sporim hlađenjem (većinom u peći).Kako se time alat ujedno i raskali, treba ga ponovno stariti. Drugi način (manje efikasan) sastoji se od kratkotrajnog držanja alata pri temperaturi 20 do 30 K nižoj od one starenja, uz također sporo ohlađivanje.Od termokemijskih obradbi čelika maraging izvodi se nitriranje, a u tijeku je ispitivanje primjenjivosti boriranja. Svrha je ovih obradbi povišenje otpornosti na različite vrste trošenja kalupnih dijelova izređenih od čelika nesklonog deformacijama pri otvrdnuću.

4.1 Opće značajke mehaničke obradljivosti i zavarljivosti

Obradljivost odvajanjem čestica najbolja je u gašenom (martenzitnom) stanju. U tom stanju vlačna je čvrstoća maraging čelika oko 1000 do 1100 N/mm , pa su obradljivi alatom od brzoreznog čelika s tim, da stražnji kut noža bude 20° (u slučaju primjene alata od tvrdog metala 12°) . Za alate od brzoreznog čelika primjenjuju se brzine rezanja 20 do 25 m/min, a za alat od tvrdog metala 70 do 100 m/min (uz posmak 0,4…0,5 mm/okretaj).

Hladno oblikovanje deformiranjem dolazi kod alata u obzir eventualno pri hladnom utiskivanju matrica (npr. za preradbu polimera ili za kalupe za tlačni lijev silumina).Čelici maraging najlakše se daju hladno utiskivati u austenitnom stanju, a to je moguće ili pri temperaturama oko 800 °C ili pri obustavljenog gašenju s te temperature (npr. pri izotermi 300 °C kada čelik ima samo oko 180HB). Iako se može utiskivati i nakon pretvorbe u martenzit (pri 20 °C), ipak je povoljnije ono prvo, jer je taj austenit manje sklon očvrsnuću nego martenzit, a i sposobnost promjene oblika znatno je bolja u austenitnom stanju.Eventualno ugrijavanje martenzita malo koristi u tom smislu, jer već pri 200 °C počinju procesi precipitacije intermetalnih faza i očvrsnuće. Nakon utiskivanja u austenit treba računati s pozitivnim promjenama dimenzija tijekom idućeg hlađenja (i pretvorbe u martenzit) i to čak 0,2 % (linearno).

12

Page 14: Maraging čelici

Slika 13. Očvrsnuća hladnim oblikovanjem (čelika X2 NiCoMo 18 8 5)[M. Novosel, F. Cajner, D. Krumes: Alatni materijali]

Slika prikazuje razlike u sklonosti prema očvrsnuću za slučaj hladnog oblikovanja deformiranjem različitih strukturnih stanja.Razlika ordinata krivulja jest očvrsnuće starenjem. Zaključuje se o razmjerno malom utjecaju prethodnog hladnog oblikovanja na konačno očvrsnuće starenjem.

Zavarljivost čelika maraging postaje u alatnoj primjeni važna tek u slučaju potrebe reparaturnog zavarivanja.Ova je skupina čelika zavarljiva metodom REL (s obloženom elektrodom), te medodama MIG i TIG.Iako je zavarljivost zadovoljavajuća i u ostarenom stanju alata, ipak se preporuča zavarivanje u martenzitnom (austenitnom) neostarenom stanju. Naime zavarivanjem postiže se u ZUT-u 300 do 350 HV, pa bi sam ZUT trebalo stariti. Kako je ipak jednostavnije stariti cijeli alat, to treba prije zavarivanja rastvorno žariti i ohladiti, ili pak zavariti pri visokoj temperaturi cijelog alata. Ako se ne radi pri visokim temperaturama može se zavariti bez predgrijavanja. Obično se uzimaju za reparaturno zavarivanje elektrode od istovrsnog materijala od kojeg je izrađen (oštećeni) alat.

13

Page 15: Maraging čelici

4.2 Primjena maraging čelika

Alatna primjena:-koriste se za izradu kalupa, ukovnja i kokila

Konstrukcijska primjena:-gradnja zrakoplova i helikoptera: za pogonske osovine, okvire pilotskih sjedala, hidraulične odbojnike-za dijelove trkaćih automobila: koljenaste osovine, kardanske zglobne glave

Primjenjuju se i za izradu sportskih rekvizita: palice za golf, mačevi za sportska natjecanjaKoristi se i za izradu kućišta za nuklearne projektile.

5. Zaključak

14

Page 16: Maraging čelici

6. Popis literature

[1] M.Novosel, F.Cajner, D.Krumes: Alatni materijali[2] T.Filetin, F.Kovačićek, J.Indof: Svojstva i primjena materijala[3] www.fsb.hr/zavod_za_materijale/html/index.php?name=Downloads&req=getit&lid=2[4] www.hmi.de/bereiche/SF/SF3/materials/ni_based_superalloys/maraging_steels[5] www.key-to-steel.com/default.aspx?ID=CheckArticle&LN=EN&NM=103[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Maraging_steel[7] www.clubmaker-online.com/mw.html

15