Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus 51/ C. Materialekendska b. Værktøjsstå l

Transkript

1 Efteruddannelse i Materialeteknologi Kursus 51/ C Materialekendska b Værktøjsstå l Kursusmateriale udviklet under lov 271 om efteruddannelse i et samarbejde melle m Danmarks Ingeniørakademi, Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne, Forskningscenter Risø m.fl. 1991

2 Materialekendska b Værktøjsstå l 1. udgave, 1. oplag, Undervisningsministeriet - lov 27 1 Grafisk design : Grethe Jensen og Inger Vedel, DTI/Grafi k Sats : Repro-Sats Nord, Skage n Tryk : Omslag: Reproset, København Indhold : DTI/Tryk, Taastru p Dansk Teknologisk Institu t Forlaget ISBN Kopiering i uddrag tilladt med kildeangivelse

3 Materialekendskab - værktøjsstå l Historie 1 1 Behandles i S1-A Anvendelse 1 2 Indledning Anvendelse til maskindele og sliddele Anvendelse til værktøjer 1 3 Fremstilling 1 7 Behandles i S1-A Metallurgi Kortfattet resume af den generelle stålmetallurgi Legeringsstoffernes indflydelse pa egenskaberne 2 1 Hærdbarhed 2 1 Indhærdning 22 Anløbningsbestandighed 22 Slidstyrke 24 Korrosionsbestandighed Varmebehandling 25 Afspændingsglødning 25 Blødglødning 26 Hærdning og anløbning 26 Nitrering 3 0 Anløbning efter gnistbearbejdning 3 1 CVD, PVD, TD - overfladebehandling 3 1 Mål- og formændring 3 1 Fysiske og mekaniske egenskaber 3 3 Styrkeegenskaber 3 3 Træk-/trykstyrke 3 3 Hårdhed 3 3 Udmattelsesstyrke 34

4 5.1.4 Sejhed Slidstyrke Formændring efter hærdning Bearbejdelighed 37 Spåntagning 38 Slibning 38 Gnistbearbejdning 39 Polering 39 Varmebehandling 4 0 Overfladeforædling/-behandling 4 1 Ståltyper 43 Inddelingsprincipper 43 Normer og standarder 44 Sammenlignende oversigter over værktøjsstål Koldarbejdsstål De ulegerede kulstofstål De lavtlegerede stål De lavt legerede kold- og varmarbejdsstål De højtlegerede koldarbejdsstål (2-12% Cr) Varmarbejdsstål Hurtigstål Pulvermetallurgiske værktøjsstål Plastformstål 5 6 Sejhærdede formstål 5 6 Gennemhærdende formstål 5 6 Korrosionsbestandige formstål Andre værktøjsmaterialer Ferro-titanit (eller Ferro-TiC) Hårdmetal Prøvning Mekaniske prøvningsmetoder Trækprøvning - bøjeprøvning 64

5 7.1.2 Trykprøvning Brudmekanisk prøvning Hårdhedsprøvning Ikke destruktive prøvningsmetoder Metallografiske prøvningsmetoder Kemiske analysemetoder Slid- og friktionsprøvning 7 6 Slidprøvning med (PIN-ON-DISK) tribometer 7 7 Dokumentation (certifikater) 79 Valg af værktøjsmaterialer 85 Leveringsformer Fysiske dimensioner Normdele Overflade Hærdeforhold Mærkning Prisforhold Materialepriser Afhængighed af legeringstype Leveringsomkostninger m. m Bearbejdningsomkostninger Totalpris 9 3 Stikord 94

6

7 Forord Denne lærebog indgår i et omfattende, modulopbygget syste m af efteruddannelseskurser,»efteruddannelse i Materialeteknologi«, som har til formål at ruste dansk erhvervsliv til at arbejde optimalt med såvel nye som kendte materialetyper. Systemet dækker således alle materialetyper fra støbejern, stål, rustfrit stål, aluminium og diverse metallegeringer over plast, fiberforstærket plast og sandwichmaterialer til keramiske og pulvermetallurgiske materialer. For hver materiale - type vil der være kurser i relevante emner som grundlæggende materialekendskab, materialevalg, forarbejdning og konstruktion, nedbrydningsformer og tilstandskontro l m.m.m. Tanken med det modulopbyggede efteruddannelsessyste m er, at virksomheder - eller enkeltpersoner - har mulighe d for at sammensætte et kursusforløb som er tilpasset det aktuelle behov, hvad enten det drejer sig om at gå i dybde n med et materialeområde, eller man ønsker at udvide sin e kvalifikationer til flere materialetyper f.eks. inden for e t emne som forarbejdningsprocesser. Det er naturligvis vore s håb, at denne lærebog enten i forbindelse med det pågældende kursus - eller ved selvstudium - vil være et godt bidrag til en sådan opgradering af kvalifikationerne hos de n enkelte. For at bogen kan tjene både som kursusmateriale, opslags - bog og kilde til supplerende viden, er den forsynet me d mange figurer, der underbygger teksten, samt margentekste r og index, der letter opslag. Visse afsnit i teksten vil være for - synet med en tyk sort streg langs margin som indikation af, at det pågældende afsnit specielt henvender sig til læser e med ingeniørmæssig baggrund el.lign.. I forbindelse med kurser vil bogen blive ledsaget af en arbejdesmappe inde - holdende supplerende materialer, øvelsesvejledninger, op - gaver m.v. Kurserne er udviklet i et konsortium bestående af Danmarks Ingeniørakademi (maskinafdelingen), Dansk Teknologisk Institut, FORCE Institutterne og Forskningscenter RIS Ø samt en række danske virksomheder. I denne forbindelse 7

8 skal der lyde en tak til de mange rundt omkring i virksom - hederne, der har bidraget til udviklingsarbejdet i form af klarlægning af behov og løbende vurdering af materialet ve d deltagelse i følgegrupper m.v. (ingen nævnt - ingen glemt!). Udviklingsarbejdet er foretaget med støtte fra Undervisningsministeriet (Lov Lov om Efteruddannelse) og her - under har Indsatsgruppen for Materialeteknologi samt d e tilknyttede referee's ligeledes ydet en god indsats med hen - blik på afstemning mellem erhvervslivets behov og materialets indhold. Taastrup, september 1991 På konsortiets vegne - Lorens P. Sibbesen (projektadministrator ) 8

9 Forord til S1 /C Modulet SI,»Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbe - jern«er af praktiske grunde opdelt i : S1/A: Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (generelt ) S1/B: Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (konstruktion ) S1/C: Materialekendskab - stål, højstyrkestål & støbejern (værktøj ) Til hver af disse delmoduler er der udarbejdet en lærebog. Den foreliggende bog udgør sammen med en arbejdsmappe det kursusmateriale, som anvendes i S1-C. I forlængelse af grundkursus S1-A omhandlende stål generelt, gives der i dette kursus en grundig indføring i værktøjs - ståls specielle egenskaber og anvendelsesområder. Ved udarbejdelsen af materialet har fig. forfattere medvirket : Flemming Bach Thomassen, Dorthe Bred, Kim Glavind Rasmussen, Erik Ravnborg, Marianne Schmidt, Kirsten Arndal Rotvel, Dansk Teknologisk Institut. Århus, oktober Kirsten Arndal Rotvel Civilingeniør Kim Glavind Rasmussen Civilingeniør 9

10

11 Historie 1 Dette emne behandles i S1-A. 11

12 2 Værktøjsståls anvendelse 2. 1 Indledning Værktøjsstål adskiller sig fra andre ståltyper ved, at de kan hærdes til større styrke og hårdhed. Men overgangen fra konstruktionsstål med højt kulstofindhold, f.eks. slidplade, eller legerede konstruktionsstål, til værktøjsstål er ikk e skarp, og nogen eksakt definition på hvad værktøjsstål er, har vi ikke. En almindelig betragtning er, at værktøjsstål er de stål, so m sælges af værktøjsstålfirmaer, og som anvendes i værktøjer. Men til mindre belastede dele i værktøjerne sælges og an - vendes også andre stål, som ikke passer ind i en mere eksak t definition: At værktøjsstål er de stål som passer ind i divers e normer og standarder for værktøjsstål. Selv om mængden af værktøjsstål, der fremstilles, kun er e n meget lille brøkdel af den samlede stålproduktion, har de t alligevel særdeles stor betydning for vores samfund. Ikke fordi det pr kg er betydeligt dyrere end konstruktionsstål, men fordi det har været anvendt direkte eller indirekte i fremstillingen af næsten alle de produkter, vi omgiver os med. Så selvom det sjældent indgår i produktet, er det e n forudsætning for, at det kan fremstilles. Den primære anvendelse er, som navnet siger, til værktøjer, men det finder også anvendelse til andre formål, hvor der e r krav om høj styrke eller stor slidbestandighed. Værktøjsstål fremstilles i mange forskellige kvaliteter, for a t opfylde forskellige behov. Dertil kommer, at et værktøjsståls egenskaber med hensyn til hårdhed, sejhed o.s.v. i høj grad er bestemt af den varmebehandling, der foretages efter fremstillingen. Dette vil blive beskrevet meget mere indgå - ende i de senere afsnit. 2.2 Anvendelse til maskindele og sliddel e Til belastede dele i maskiner og motorer anvendes normal t en anden type legerede hærdbare stål. Som generel tendens 12

13 gælder at disse har et lavere kulstofindhold, og dårligere ka n gennemhærdes end værktøjsstålene. Men skellet er ikk e skarpt. Visse værktøjsstål, f.eks. sej hærdende værktøjsstål, minder meget om disse konstruktionsstål, og de højere lege - rede konstruktionsstål er meget lig de traditionelle værktøjs - stål. På tysk bruger man fællesbetegnelsen»edelstahl«for disse konstruktions- og værktøjsstål. Da der findes konstruktionstål med egenskaber der meget ligner værktøjsstål, betyder det, at værktøjsstålene kun sjæl - dent anvendes i maskiner. Kun til enkelte hårdt belasted e dele, hvor der er behov for gennemhærdning. Et tilsvarend e forhold gør sig gældende for sliddele på f.eks. landbrugsma - skiner. Derimod anvendes konstruktionsstål ofte til mindr e belastede dele i værktøjer. Anvendelse til værktøjer. De belastninger værktøjer er udsat for, er meget forskellige, og selv i det enkelte værktøj er de forskellige dele udsat fo r meget forskellige belastninger. Der kan være tale om forskel - lige tryk, træk, temperaturer, slid m.m. Desuden kan der stilles krav til blankhed m.m., samtidig med at økonomien spiller en stor rolle. Det kan være dyrt, både i materialepris og bearbejdningsomkostninger at anvende et meget stærke - re materiale end der er behov for De enkelte værktøjsstål er fra værkernes side skræddersyed e til bestemte formål, men kan grupperes efter deres hovedformål : koldarbejdsstå l varmarbejdsstå l hurtigstå l plastformstål o.s.v. Som et eksempel på et værktøj vises side 14 et stanseværktøj. Dele som matricer (1), indsatser(2) og stempler(4) er udsat for meget store trykpåvirkninger ved snitstedet, og specielt stemplet er også udsat for slid og trækpåvirkninger, når de t trækker sig tilbage. Disse dele skal derfor fremstilles i e t meget hårdt og slidstærkt materiale, der samtidig skal hav e en vis sejhed for at undgå, at der knækker splinter af (udflisning). For at opnå disse egenskaber er det nødvendigt at ac - 13

14 3 1 0 ceptere ulemper på andre punkter, f.eks. et dyrere materiale, der er sværere at bearbejde. Dele som stempelholder(7) og trykplade(8) er også rimeligt hårdt belastede med tryk og træk, hvorimod de ikke er ud - sat for noget nævneværdigt slid. De øvrige dele, styre-, støtte- og holdeplader, er mindre hårdt belastede, så de kan fremstilles i et billigt værktøjsstå l eller i et godt konstruktionsstål, og kan ofte dimensioneres, så mange af delene ikke behøver hærdning. De samme ståltyper anvendes også til klippeværktøjer, saks e og lignende. Andre koldarbejdsstål anvendes til de central e dele i værktøjer til dybtrækning, prægning, koldflydepresning, pulverpresning m.m. Her er store krav til trykstyrke, slidstyrke og polerbarhed. Men også for disse værktøje r gælder betydeligt større krav til de dele, der er i kontakt me d det emne, der skal fremstilles i værktøjet, end til de omgiv - ende dele. 14

15 På bukkeværktøjer er belastningen normalt noget mindre, så der kan anvendes billigere værktøjsstål eller konstruktions - stål. I sprøjtestøbeværktøjer er belastningen noget anderledes. Punktbelastningen er mindre end på stanseværktøjer, me n stadig stor, og den foregår ved forhøjet temperatur. Hel e konstruktionen er udsat for et kraftigt tryk, og visse steder i formhulrummet kan der være et kraftigt slid. Korrosive dampe betyder, at værktøjet ofte må fremstilles i et rustfas t værktøjsstål. Da der ofte er behov for en meget blank over - flade, har polerbarheden betydning, ligesom det kan vær e relevant at overveje en overfladebehandling af visse dele. Varmeledningsevnen kan til tider være en så vigtig parameter, at enkelte dele af værktøjet ikke fremstilles af stålmateriale, men af f.eks. berylliumkobber. Styresøjle Styrebøsning Fig Sprøjtestøbeværktøj Centrerin g Dys e Tallerke n Tilslutning til trykluft Udstøderrin g Udstøderstan g I modsætning hertil er belastningerne i vacuumformeværktøjer kun små, og der anvendes normalt aldrig værktøjsstål. Den mekaniske belastning i trykstøbeværktøjer svarer til sprøjtestøbeværktøjer, men den termiske belastning er bety - 15

16 deligt større, da det hele foregår ved en meget højere temperatur. I sænksmedevæktøjer og lignende er den termiske belastning ligeledes høj, men her kræves desuden en god sejhed, da værktøjet er udsat for slagpåvirkninger. Et stort anvendelsesområde er skærende værktøj som drejestål, fræsere, bor, savklinger og lignende. Disse værktøjer anvendes i stort tal til bearbejdning af metal, træ og en del andre materialer. Kravene varierer efter værktøjstype og anvendelse, men generelt stilles store krav til slidstyrke o g hårdhed ved høj temperatur, da der under anvendelsen kan opstå en høj temperatur ved skæreæggen. Til måleinstrumenter og -værktøjer stilles ret specielle krav, som i mange tilfælde bedst opfyldes af specielle værktøjs - stål. Belastningen er normalt ringe, men de skal være mege t målstabile, de skal være hårde, så de ikke får ridser og mær - ker fra punktbelastninger, og de skal være gode at slibe o g polere. Håndværktøjer som skruetrækkere, skruenøgler, tænger, sakse, hamre, mejsler, økser, file, stemmejern m.m. er et noget mere blandet marked. Her anvendes en del værktøjsstål, men til mange formål, specielt i de billigere kvaliteter, anvendes ikke egentligt værktøjsstål, men i stedet de tidligere omtalte legerede, hærdbare konstruktionsstål. 16

17 Fremstilling 3 Dette emne behandles i Sl-A. 17

18 4 Metallurg i 4.1 Kortfattet resume af den generelle stålmetallurg i Stål er betegnelsen for de metallegeringer, som fremkommer, når man blander kulstof i jern. En mindre andel kulsto f kan gå i fast opløsning i jern, men en større andel kulsto f danner en kemisk forbindelse med jern. Denne såkaldte intermediære forbindelse er en jernkarbid (Fe 3C), som kaldes cementit. Stål er legeringer mellem jern og kulstof De jern-kulstoflegeringer, som har teknisk, kommerciel in - teresse, indeholder op til 6,7% kulstof. Op til ca. 2% kulstof betegnes legeringerne som stål, og ved højere kulstofindhold er det støbejernslegeringer. Som mange andre materialer optræder stål i fast, flydende eller luftformig tilstand, afhængigt af temperaturen og trykket, men herudover kan stål i fast tilstand forekomme i for - skellige faser, d.v.s. med forskellige krystalgitteropbygninger. Da disse faser kan indeholde en begrænset andel kulstof i fast opløsning, vil der normalt optræde udskillelser af cementit. Forekomsten af faser og udskillelser er afhængig af tempera - tur, tryk og legeringens koncentration d.v.s. sammensætning. De såkaldte tilstandsdiagrammer viser sammenhængen mellem disse parametre ved atmosfærisk tryk. Tilstandsdiagrammet for jern-kulstof ses afbildet i fig. 4.1 for et kulstofindhold op til 2%. Ferrit, cementit og perlit Ved stuetemperatur optræder der en fase betegnet ferrit og den omtalte intermediære forbindelse, cementit, samt et 3. strukturelement betegnet perlit, der er en blanding melle m ferrit og cementit opbygget med skiftevise lameller. Fordelin - gen mellem de 3 strukturelementer afhænger af kulstofkoncentrationen, og den kan udregnes via tilstandsdiagrammet (vægtstangsreglen). Tilstandsdiagrammet er principielt kun gældende for ren e jern-kulstoflegeringer. Selv de såkaldte ulegerede stål inde - holder en mindre andel legeringselementer og urenheder. Et 18

19 c H ~~ Smelte (Sm ) =ene t r Ferrit = x '~ No~~a'Ser Austenit ='Y ~. dx S~ fn. x hørdni Qa ere~perat4r P~ Acement it Ferrit M +austenit A~ n9~ ~ P ~~ii~ii~iii~iii~ii~iii~:i~iii~%i~iii~ii~iii% Al %l ~~~~~~~~~ a ~~~~ o~~~~~ s K ) IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIItIIIIIIIIIIIIIIIIII S æroi. isering U~... UMM. A cww.. W~o... Wo. W a..ow. W Rekrystallisations.lodvin.\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\,....".. ~~jj ~~j~j~~~~~jtj~j~~ ; ; ;~~~'r ; ~ spæn. i n. s. o. n i n. ~~~~.4~~4~~~~~4~~~~/ ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~. ~.A. A A. A. A. A A. A. A. A A. A.~ \\\\\"\`\\"\\\\ Rekr sta llisations. lo. n in.\ I1 ; I ~ ~ `~. ä ~ ~ '"1 ~ {{{///~. ` --.. f $ 3d t.. ~ ; E, Ferrit + perlit Undereutektoi d ~1< Perlit + cementit Overeutektoi d 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2, 1 % c ~ I Fig Jern-kulstofdiagrammet, her vist som det metastabile ligevægtsdiagram for jern-cementit 19

20 indhold op til ca. 1% vil dog kun have begrænset indflydels e på diagrammets udseende. Hos lavtlegerede stål med 2-5% legeringselementer kan de r være tale om væsentlige ændringer, og for de egentlige højt - legerede stål (>5% legeringselementer) vil diagrammern e have et helt anderledes udseende. Det vil derfor i disse situationer være nødvendigt at anvende andre tilstandsdiagram - mer, som tager højde for de ekstra legeringselementer. Der legeres ud fra ønsket om at opnå bedre egenskaber Styrkeøgningsmekanismer Varmebehandlinger Der legeres med en række forskellige elementer såsom man - gan, silicium, krom, nikkel, molybdæn, kobber, kobolt, aluminium m.fl. Der legeres ud fra ønsket om at opnå bedre egenskaber f.eks. med hensyn til styrke, svejsbarhed, bearbejdelighed, varmebestandighed, hærdbarhed, korrosionsbestandighed, slidstyrke og meget mere. Stållegeringers styrke er baseret på mikroskopiske og sub - mikroskopiske forhold i materialet. Den aktuelle styrke hos en stållegering er grundlæggend e afhængig af kulstofindholdet. Dels fremkommer der hærdning ved den faste opløsning af kulstof i jern, og dels øge s styrken ved udskillelse af cementit. Også andre karbid- og nitrid-udskillelser kan give styrkeøgning, hvad der udnytte s ved høj styrkestål. Deformationshærdning er en velkendt styrkeøgningsmekanisme, som fremkommer ved kolddeformation. Kornstørrelsen i mikrostrukturen har ligeledes en stor indflydelse p å styrken, og man forsøger derfor bl.a. ved legering med forskellige elementer at sikre sig en kornforfining. Styrkeøgning kan endvidere opnås ved varmebehandling, idet man eksempelvis herved kan omdanne de velkendte fa - ser ferrit, perlit og cementit til en anden meget hård fase be - tegnet martensit. Denne proces kaldes hærdning (martensithærdning) og er en af mange forskellige varmebehandlinger, som anvendes til at forøge ståls styrke. Men der varmebehandles også for at ændre på andre egen - skaber hos stållegeringer. Eksempelvis egenskaber som duk - tiliteten (sejheden), slagsejheden, udmattelsesstyrken, krybestyrken, slidbestandigheden og korrosionsbestandigheden. Varmebehandlinger hertil kunne være sfæroidisering (blød - glødning), normalisering, sej hærdning, overfladehærdnin g med flere. Andre typer varmebehandlinger drejer sig primært om at 20

21 fjerne uønskede spændinger fra et let eller svært deformere t materiale. Disse processer kan være afspændingsglødnin g og rekrystallisationsglødning. Legeringselementernes indflydelse pa egenskabern e 4. 2 Hærdbarhed Hærdbarhed er begrebet knyttet til stålets evne til at dann e martensit. Hærdbarheden udtrykkes ved den hærdedybde, som opnå s ved hærdningen, hvilket gerne sættes i relation til den dyb - de under overfladen, hvor der dannes 50% martensit. Hærdedybde svarende til 50 % martensi t Begrebet må ikke forveksles med hårdhed ved hærdning, som helt er afhængig af kulstofindholdet. Denne sammenhæng fremgår af fig MP a Fig Martensittens hårdhed so m funktion af kulstofindholdet (Ref. 3) = ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 % C Hærdbarheden øges ved tilsætning af de fleste legeringselementer. Kulstof og krom virker kraftigt, mens nikkel kun ha r en svag virkning, hvilket fremgår af hosstående fig. 4.3, hvo r multiplikationsfaktor for flere legeringselementer er givet. Hærdbarheden øges ved tilsætning af de fleste legeringselemente r Af kurverne kan f.eks. læses, at et 1,2% kramindhold øge r hærdbarheden med en faktor 3,6. Eller sagt anderlede s kromindholdet i sig selv øger hærdediameteren af en rund 21

22 Fig Multiplikationsfaktorer for flere legeringselementer (Ref. 1) Multiplikationsfakto r 3,8-3,4 - Multiplikations - faktor - 8, 4 3,0 _ - 7, 6 2,6 _ - 6, 8 2, 2-6, 0 1, , 2-4, 4 1,4-1,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6-3, 6 4,0 % stang med en faktor 3,6 sammenlignet med et tilsvarend e kulstofstål uden krom. Af diagrammet ses, at mangan og molybdæn øger hærdbarheden kraftigt, mens nikkel har en ret svag virkning Indhærdning beskriver den effektive hærdedybde Indhærdnin g Indhærdning beskriver den effektive hærdedybde ofte i for - bindelse med overfladehærdning eller indsætning. Indhærdningsdybden bestemmes ved hårdhedsmåling p å tværsnit, hvorved en dybde svarende til et fastlagt hårdhedstal bestemmes. Generelt vil de under hærdbarhed nævnte elementer natur - ligvis fremme indhærdning Anløbningsbestandighe d Værktøjsstålet deles op i fire kategorier : 1. Koldarbejdsstål 2. Varmarbejdsstål 3. Hurtigstå l 4. Plastformstå l Koldarbejdsstål Betegnelserne er næsten selvforklarende. Koldarbejdsstå l anvendes til kolde processer som f.eks. klipning og lokning, 22

23 mens varmarbejdsstål anvendes til varme processer som smedning, extrudering af aluminium og sprøjtestøbning a f plast og zink. Her kan arbejdstemperaturen være i interval - let C, mens plastformstålene har en typisk arbejdstemperatur på under 250 C Hurtigstålene anvendes til drejning, boring og fræsning og anvendes også i større og større omfang til koldarbejde. Varmarbejdsstå l Plastformstå l Hurtigstålen e Stål, som ikke mister deres hårdhed og dermed styrke ve d høj temperatur, kaldes anløbningsbestandige, hvilket er karakteristisk for varmarbejdsstål og hurtigstål. Lad os se p å en karakteristisk stålkvalitet i hver gruppe, jævnfør tabel 4.1. Tabel 4. 1 Retningsanalyse for værktøjsstål tilhørende de fire kategorier. Sammensætning i % Betegnelse Kategori C Cr Mo V W W.nr W.nr W.nr W. n r I et fælles anløbningsdiagram i fig. 4.4 ses stålenes indbyrde s evne til at bevare deres hårdhed ved høje temperaturer. Molybdæn, vanadin og wolfram øger anløbningsbestandigheden ved den såkaldte sekundærhærdning, se afsnit Denne er en udskillelse af karbider ved temperaturer omkrin g 500 C. Karbiderne dannes under omdannelse af restaustenit til martensit med udfældet karbid, såkaldt udskillelseshærdning. 2 3

24 Fig. 4.4 Anløbningsdiagram for nogl e værktøjsstål. HR C , , , , Anløbningstemperatu r C Slidstyrke Værktøjsstålet skal naturligvis have høj slidstyrke og derme d lange standtider. Dette opnås dels ved en hård martensit, tilstrækkeligt kul - stof og dels ved at fiksere endnu hårdere og endnu mere slidstærke karbider fast forankret i martensitten. Karbide r De mest anvendte er karbider af : krom wolfram molybdæn vanadi n 24

25 Vanadin er en meget stærk karbiddanner og danner samtidig, sammenlignet med de nævnte, de hårdeste karbider. Med henvisning til fig. 4.3 ses, at disse elementer også spil - lede en afgørende rolle i forbindelse med anløbningsbestandigheden. Bemærk, at blandt disse stål vil W.nr ikke have særlig høj slidstyrke på grund af sit lave kulstofind - hold. Korrosionsbestandighed Værktøjsstålene vil generelt være stigende korrosionsbestandige med stigende kromindhold og især med deres stigende evne til at passivere ved dannelse af en tynd kromoxidhinde. Nogle stål svarer næsten til rustfrie stål, men problemet er dannelse af kromkarbid i korngrænserne, som nedsætter korrosionsbestandigheden her. Der kræves mindst 12% Cr for at et stål kan klassificeres som rustfrit. Varmebehandling Varmebehandling af stål udgør en betydelig vifte af proces - ser, som her sættes i relation til værktøjsstål. 4.3 Afspændingsglødning Værktøjer indeholder, allerede når materialet leveres fra stål - værket, egenspændinger hidrørende fra forskelligartet afkøling. Endvidere vil der opbygges overfladespændinger unde r skrubbearbejdninger af værktøjerne, og disse spændinger vil udløses i forbindelse med varmebehandlingen og føre ti l kast. Formforandringen forebygges ved at spændingsgløde 1-2 h før sletbearbejdningen. Formforandringen forebygge s Kulstofstål og lavtlegerede stål glødes ved C, men s varmarbejdsstål og hurtigstål spændingsglødes ve d C dog specifikt for de respektive kvaliteter. 25

26 4.3.2 Blødglødnin g Kulstofstål blødglødes lige under A I for de undereutektoide stå l og lige over A, for de overeutektoide stål, jævnfør jern-kulstofdiagrammet afsnit 4.1. I første tilfælde opnås en sfæroidisering af perlittens cementit, mens man med den lidt højere temperatur for de overeutektoide stål opnår, at korngrænsecementitten opløses helt eller del - vist. Glødetiden er for de fleste stål 2-6 h. Sigtet med blødglødninger er at opnå bedre bearbejdelighed. Højtlegerede værktøjsstål med A, omkring 800 C må blødglødes ved ca. 875 C Hærdning og anløbnin g Undereutektoide C-stål, der skal martensithærdes, opvarmes til C over A3-linjen, således at de bliver fuldstændig austenitiske. Da udgangsstrukturen her er perlit og ferrit, vil austenitte n ikke have ensartet C-%, når man netop når op på hærdetem - peraturen. Homogen kulstoffordeling i austenitten Det er nødvendigt med en vis holdetid på denne temperatur, for at diffusionen kan bevirke en ensartet - homogen - kulstoffordeling i austenitten inden den hurtige afgysning, der forårsager austenittens omdannelse til martensit. Overeutektoide C-stål austenitiseres ikke fuldstændigt. Udgangsstrukturen er som regel sfæroidiseret, dvs den bestå r af cementit- eller karbidkugler i en ferritgrundmasse. Hærdetemperaturen ligger C over A l-linjen. Ved denne temperatur vil ikke hele cementitmængden vær e opløst. Strukturen ved hærdetemperaturen bliver en austenit med en svagt overeutektoid C-% og karbidkuglerester. Når denne struktur afgyses, sker der ikke nogen ændring a f disse uopløste karbider, der har en stor hårdhed og slidbestandighed. Den næsten eutektoide austenit omdannes til martensit. Lavtlegerede stål - undereutektoide konstruktionsstål o g overeutektoide værktøjsstål - hærdes efter samme retnings - 26

27 linjer som ovenfor angivet, men A,, A l, Acm, M5 og Mrtemperaturerne er anderledes for disse stål. Hærdeprocedure, hærdetemperatur og afgysningsmiddel er oplyst i stålfirmaernes stålkataloger. Højtlegerede hærdbare stål har i de fleste tilfælde legerings - elementerne bundet i karbidfasen. Af den grund søger ma n en højere grad af karbidopløsning. Der anvendes derfor oft e en meget høj hærdetemperatur, f.eks. hærdes mange HS - stål fra austenitiseringstemperaturer på C. Høj hærdetemperatu r Den kritiske afkølingshastighed ved martensithærdning e r den afkølingshastighed, hvis afkølingskurve i et CCT - diagram netop tangerer diffusionsomdannelseslinjern e (perlit- eller bainitnæserne) og skærer MS-linjen. Alle afkølingshastigheder større end denne vil danne martensit (og eventuelt restaustenit). Anløbnin g Martensit er til de fleste formål uanvendelig på grund af si n sprødhed, men en varmebehandling kan ændre martensittens egenskaber, så passende kombinationer af hårdhed o g sejhed opnås. Denne varmebehandling kaldes anløbning. Skørheden af martensit skyldes en række faktorer, hvora f følgende kan være af betydning. Uorden i martensitgitteret på grund af fastlåste kulstof - atomer. Forureningsatomer udskilt ved austenitkorngrænserne. Karbiddannelse under bratkølingen, og endeli g Spændinger fremkaldt under bratkølingen. Alle de nævnte forhold er af betydning, dog tillægges de t førstnævnte størst indvirkning, og det tredie forhold får naturligvis først rigtig betydning ved de højere legerede stå l med stor andel af karbiddannere. Enhver temperatur fra 100 C op til den nedre kritiske (723 C) kan anvendes til anløbning, hvorved en meget vi d spændvidde i egenskaber kan opnås. 27

28 Bedste kombination af styrke og sejhed I praksis drejer det sig om at opnå bedst mulig kombination af hård - hed, eller styrke om man vil, og sejhed, således at det hærdede værktøj kommer til at fungere optimalt. For bedre forståelse af an - løbningsprocessens mekanisme nævnes i korthed tre stadier, so m det hærdede ulegerede kulstofstål gennemgår ved kontinuerli g temperaturstigning. Stadie Temperatu r C C 3.a C 3.b C Omdannelse Udskillelse af en kulstofrig fase, som benævnes E-karbid. Derved synker ma rtensittens kulstofindhold til ca. 0,30 % Sønderfald af restaustenit til ferrit og cementit i en bainitlignende struktu r Dannelse og tilvækst af cementit (Fe3C) under forbrug af E-karbid Fortsat tilvækst og sfæroidisering a f cementitte n De angivne temperaturer er ca. temperaturer, og hvor tiden for anløbningen gøres lang, falder de angivne temperaturer generelt. Fig. 4.5 viser anløbningsdiagram for et 1% C stål med indtegnede anløbningsstadier. Ved anløbning af værktøjsstål dannes ofte karbider, der er ansvarlige for sekundærhærdning. Dette omtales undertiden som det 2. anløbningsstadie. Hos disse stål sker sønderdelingen af restaustenitten ved en højere temperatur, og alt afhængigt af temperaturen og tiden, hvorunder anløbningen sker, omdannes restaustenitten til bainit eller martensit, hvilket ses af eksemplet i fig Stålet er et værktøjsstål med betegnelsen W.nr Bainitdannelsen sker isotermt, dvs ved konstant temperatu r under anløbningen, mens martensitdannelsen sker ved af - kølingen efter anløbningen. Sekundærhærdning Martensitdannelsen og karbidudskillelsen resulterer tilsammen i en hårdhedspukkel, som kaldes sekundærhærdning. 28

29 HR C 70 - Fig Anløbningsstadier for et stå l med 1% C (Ref. 1 ) An løbn i ngstemperatur C 'C Fig TTT-diagram for restaustenitten s omdannelse for W.nr (Ref. 1 ) s % 75% aa a E v ~ 200 o,i Anløbningsti d i Io r 'wo 100 % B woo n 29

30 For en række værktøjsstål er hårdheden vist på fig. 4.7 i afhængighed af anløbningstemperaturen ved en holdetid på2h. Fig Anløbningsdiagrammer for nog - le almindelige værktøjsstå l (Ref. 1) HRC a, r.ro S Anløbningtemperatu r ' i C Højtlegerede stål danner martensit og restaustenit ved hærdning. Disse anløbes flere gange for dels at nedbryde restauste - nitten dels at sikre, at martensit fra omdannet restaustenit anløbes. Endvidere kan sigtet være en stabilisering af restaustenitten Mange typer værktøjsstål kan nitreres Nitrerin g Nitrering af værktøjsstål er ret almindeligt i modsætning ti l indsætning af samme. Mange typer værktøjsstål kan nitreres, men ofte udnytte s disse ståls gode anløbningsbestandighed til at gennemføre processer, som foregår i temperaturområdet C, uden at det hærdede stål mister hårdhed. Tilmed kan sekundærhærdning opnås. Nitreringen kan ske som : Gasnitrering i krakket ammoniak. Glimnitrering under ionisering af kvælsto f Saltbadsnitrering i cyanidsal t og bedst resultat opnås, når stålet indeholder nitriddannende legeringselementer som f.eks. Al, Cr, V eller Mo. 30

31 Sigtet med nitrering er overfladehårdhed og eventuelt gode korrosionsegenskaber. Høj slidstyrke, gode friktionsegenskabe r Anløbning efter gnistbearbejdning Ved gnistbearbejdning af et hærdet værktøjsstål dannes uan - løbet martensit, hvorfra revner kan udbrede sig under bru g af værktøjet. Anløbning efter gnistbearbejdning er derfor påkrævet, o g her anvendes normalt 25 C lavere end sidste anløbning. Anløbning efter gnistbearbejdning er derfor påkræve t CVD, PVD, TD overfladebehandling Disse nyere belægningsprocesser anvendes i dag i stadig stigende udstrækning, hvorved der opnås markante forbedringer i værktøjers levetid. Det drejer sig om snit- og stanseværktøjer, skærende værk - tøjer med videre. Fælles for processerne er, at et hårdstof dannes enten ve d pådampning (PVD) eller ved pålægning under en kemis k reaktion (CVD) eller ved, at en karbiddanner f.eks. V elle r Cr inddiffunderer i værktøjet under dannelse af et karbid - lag. (TD ) CVD er en proces, som forløber ved ca. 900 C, mens PVD foregår ved 500 C, eventuelt lavere. I begge tilfælde påføres ofte TiN eventuelt TiC, og ofte p å pulvermetallurgisk hurtigstål. Mål- og formændringer Man bør gå ud fra, at enhver behandling af et værktøj føre r til mål- og formændringer Enhver behandling af et værktø j fører til mål- og formændringe r Disse kan være forårsaget af : Egenspændinger, som udløses ved spændingsglødning. Enhver fasetransformation. Vi ser det f.eks. ved martensitdannelsen. Anløbnin g Bearbejdning Termospændinger 31

32 Under hærdning ses forekomne formændringer, som dels e r betingede af værktøjets geometri dels hærdemetoden, so m anvendes. Endeligt kan stålene opføre sig forskelligt i relation til valse - retning med videre. Eksempelvis angiver en svensk leverandør om målændring ved hærdning og anløbning for materialet SIS 2310 svarend e til W. nr Tabel 4. 2 Målændring ved hærdning. Prøveplade 100 x 100 x 25 mm. (Ref. 4) Bredde % Længde % Tykkels e Oliehærdning min - 0,02 + 0,0 8 fra 990 C max - 0,06 + 0,12 + 0,08 Trinhærdning min 0 + 0,0 5 fra 990 C max - 0,01 + 0,06-0,1 2 Lufthærdning min + 0,01 + 0,04 fra 1020 C max - 0,06 + 0,08-0,10 Fig Målændring ved anløbning af SIS 2310 (Ref. 4) +0, ,04-0 a, -0,04 - c -p - 0, Anløbningstemperatu r 400 ' 500 ' ' 600 ' ' 700 C Referencer 1. Karl-Erik Thelning : Bofors Handbok, Värmebehandlin g av stål. Maskinaktiebolaget Karlebo, Göteborg C.A. Siebert : The hardenability of steels, American Society for Metals, USA, Borris Pedersen : Materialelære, Erhversskolernes Forlag, Odense Uddeholm Tooling stålkatalog. 32

33 Mekaniske og fysiske egenskaber 5 Styrkeegenskaber Træk-!trykstyrke I værktøjer til koldformning af stålplade eller massive stål - emner er der typisk tale om trykbelastninger, og derfor stil - les især krav til stålets trykstyrke. Trykbelastningsevnen hænger meget sammen med flydespændingen (hårdheden), og denne er igen mest betinget a f kulstofindholdet. Legeringselementerne anvendes først og fremmest for at op - nå stor gennemhærdningsevne og stor slidstyrke. Karbiderne bærer belastningen, mens det mere duktile grundmateriale fastholder karbiderne. Værktøjsstål til trækbelastninger har mindst lige så god e egenskaber under trykbelastninger, men kun i særlige tilfælde vil trækstål blive anvendt som trykstål. Trækstålene e r højere legerede og mere duktile end trykstålene og er oft e dyrere. Tryk- og trækspændinger bestemmes ved henholdsvis e n stukkeprøvning eller en trækprøvning (se disse, kap 7.1). Spændingerne angives som kraftenhed pr fladeenhed. Der anvendes flere forskellige måleenheder. Efter SI-systemet er måleenheden for tryk og spænding : Pa (Pascal). 1 Pa = 1 N /m2 1 MPa = 1 MN/m2 = 1 N/mm2 1 Lbf/in2 (engelsk) = 6,895 x 103 Pa 1 Kp/mm2 = 9,807 x 103 Pa Hårdhed Ved et materialet hårdhed forstås almindeligvis materialet s modstand mod en blivende deformation. - jo hårdere materiale, jo større er materialets modstand mod en blivend e (plastisk) deformation som følge af en påført belastning. - E t materialet modstand mod en blivende deformation er be - 33

34 stemt ved materialets flydespænding. En trykpåvirkning, der medfører en spænding i materialet, der overskrider materialets trykflydespænding, giver et blivende indtryk i materialet. Flydespændingen (eller hårdheden) af en værktøjsdel skal være tilstrækkelig stor til at modstå plastisk deformation, idet slidet øges væsentlig, dersom fladetrykket er større en d flydespændingen. Der er en vis sammenhæng mellem materialets flydespænding og materialets hårdhed, idet man ved en hårdhedsmåling netop måler stålets modstand mod, at det anvendt e prøvelegeme trykkes ind i ståloverfladen. Hårdheden af et stål måles ved en hårdhedsmåling (se kap ). Ved hårdhedsangivelse af hærdede værktøjsstål an - vendes Vickers-hårdheder (HV). Ved bløde eller sejhærded e stål anvendes Brinell-hårdheder (HB) Udmattelsesstyrke Udmattelsesstyrken af et materiale fortæller noget om et materiales evne til at bære en svingende belastning. I værktøjs - dimensioneringen skal tages hensyn hertil, hvis seriestørrelsen ligger på flere hundrede tusinde belastninger. Udmattelsesstyrken ligger på ca. 0,5 x brudstyrken (roteren - de bøjeudmattelsesprøvning). Der findes flere metoder ti l bestemmelse af udmattelsesstyrken. Udover den roterend e bøj eudmattelsesprøvning kan udmattelsen bestemmes ve d at påføre en skiftende/svingende belastning ved ren bøjning, ved træk-tryk belastning eller ved en vridning Sejhe d Ved sejhed forstås værktøjsstålets evne til ved plastisk defor - mation at forhindre revnedannelse og -udbredelse. En værktøjsdels sejhed er således ikke en specifik materiale - egenskab, men et samlet begreb for alle de faktorer, som ind - går i værktøjets brudsikkerhed. Til karakterisering af et hærdet ståls sejhed anvendes so m oftest enten kærvslagsejheden eller det plastiske arbejde 34

35 indtil brud ved bøje- eller torsionsprøvning (se disse i kap. 7). Kærvslaghedstyrken angives som J/cm2 eller kpmlcm2 (afhængig af den anvendte prøvningsstandard), oftes anføre s kun benævnelsen kpm. 1 kpm = 9,807 J De sejhedstal, som fås ved prøvning, er kun af begrænse t anvendelighed, når spændingerne i værktøjsdelen er flerakset og belastningshastigheden meget høj. Dette er ofte tilfældet i praksis. Hertil kommer, at den aktuelle spændingstilstand i værktøjsdelen i mange tilfælde er umulig at beregne. Værdierne fra sejhedprøvninger anvendes hovedsagelig ve d sammenligning af forskellige stålkvaliteter. Slidstyrke Slidstyrke eller slidbestandighed er en væsentlig faktor. Kra - vet til slidstyrken stiger med seriestørrelsen med store glidelængder og store fladetryk. Slid kan defineres som materialetab fra overfladen af et givet materiale under mekanisk kontakt. Slidmekanismerne er mange, og ofte er flere slidtyper ind - blandet samtidig. Tager vi de mest almindelige, er der : - Adhæsivt slid (kontaktslid ) - Abrasivt slid (skærende slid ) - Korrosivt slid (miljøbestemt ) - Udmattelsesslid (metaltræthed ) Slid er et af begreberne i det, der kaldes tribologi. De andr e er friktion og smøring. Adhæsivt slid kan mindskes ved følgende forholdsregler : God smøring med korrekt smøremiddel. Undgå en belastning, der kan gennembryde smørefilmen og det reaktionslag, der opstår mellem smøremiddel o g stål på emneoverfladen. Undgå kombinationen : metal glidende mod metal. Erstat den med : ikke-metallisk materiale mod metal eller ikkemetallisk materiale mod ikke-metallisk materiale. 35

36 Ved metalliske materialekombinationer : undgå at ens materialer glider mod hinanden og helst også metaller me d kubisk fladecentreret krystalstruktur : aluminium (Al), nikkel (Ni), kobber (Cu) og austenitisk stål. Abrasiv slid mindskes kun ved, at det påvirkede material e er hårdere end de partikler/overflader, der glider mod det. Derfor kan følgende forholdsregler angives : Værktøjsdelens hårdhed skal være større end hårdheden af emnematerialet. Er dette ikke muligt, vælges et materiale med hårde faser, f.eks. karbider, i en sej matrix. Den hårdeste overflade (normalt værktøjet), gøres glat ve d eksempelvis en polering, honing, lapning ect. Korrosivt slid (tribooxidation) kan mindskes ved bl.a. følgende forholdsregler : Fjern evt. angribende (korroderende) bestanddele fra det omgivende miljø (luft, smøremiddel, reaktionsprodukte r fra emnefremstillingen) til de udsatte flader. Kan ovennævnte ikke lade sig gøre, så vælg overfladematerialer, der ikke kan angribes af de evt. aggressive produkter, der omgiver emne eller værktøj. Udmattelsesslid kan mindskes ved at vælge : Værktøjsmaterialer med stor hårdhed og stor sejhed. Homogene (ensartede) materialer. Tilføje trykspændinger i overfladelaget, f.eks. ved shot - peening eller nitrering. På grund af den store usikkerhed, der er omkring forvente - de krav til slidstyrke og sejhed, foretages materialevalge t som oftest på basis af tidligere erfaringer med tilsvarend e værktøjer. Der er ofte tale om et kompromis mellem ønsker til slidstyrke og til sejhed, og det vil være et valg mellem e n af følgende to problemstillinger : 1. Den størst mulige slidbestandighed ved tilstrækkelig sej - hed 2. Den størst mulige sejhed ved tilstrækkelig slidbestandighe d Kan beregninger med sikkerhed vise, hvordan værktøjsdelen belastes, bør pkt. 1. ligge til grund for udvælgelsen. Er der derimod stor usikkerhed med hensyn til, hvor stor sej - hed der kræves, bør pkt. 2. ligge til grund for udvælgelsen. 36

37 Formændring efter hærdning De fleste værktøjer skal hærdes for at opnå de egenskaber, man ønsker af stålet, og derfor må man tage hensyn til d e mange faktorer, der kan spille ind, og som kan være årsag ti l form-ændring af værktøjet. Disse mange faktorer kan deles op i to grupper : Volumenændringe r Kast Volumenændringerne skyldes de strukturændringer, de r sker i stålet under varmebehandlingen. Denne strukturændring er årsag til en formændring. Et værktøj vil altid ændre dimensioner, da volumen af de forskellige strukturforme r (martensit, bainit, austenit, perlit) ikke er ens. Kast er den anden gruppe af formændringer, og der kan væ - re flere årsager hertil. Dels kan stålet indeholde spændinge r fra en forudgående bearbejdning, der udløses under varme - behandlingen, eller også kan årsagen være varmespændinger, som fremkommer ved en for uensartet opvarmning elle r afkøling af hele værktøjet. Mål- og formændringer kan påvirkes genne m Valg af værktøjsmaterial e Bearbejdningsparametren e Varmebehandlingen Værktøjskonstruktione n At tage hensyn til materialets valseretnin g Bearbejdelighed 5. 2 Der er stor forskel på bearbejdeligheden af de forskellig e ståltyper, men det er ikke altid den samme proces, der e r problemer med. Stålets egenskaber ved bearbejdelighed skal vurderes me d hensyn til : Spåntagning (drejning - fræsning) Slibning Gnistbearbejdning Polering Varmebehandling (hærdeegenskaber, hårdhed, gennem - hærdning, mål- og formstabilitet ) Ønske om overfladeforædling/-behandling 37

38 Alle værktøjsstål og de fleste andre værktøjsmaterialer ka n bearbejdes ved en af de tre første former for bearbejdning, og de kan alle gives en form for polering. Hurtigheden ved bearbejdningsform og sikkerheden mod ikke at ødelægge værktøjsmaterialerne er dog meget forskellige for alle fir e nævnte former for (spåntagende) bearbejdninger Spåntagnin g Det er af stor vigtighed, at materialerne besidder en god bearbejdelighed, da bearbejdningsomkostningerne udgør e n væsentlig del af de totale fremstillingsomkostninger. De fleste værktøjsmaterialer leveres i dag i blødglødet til - stand, hvorved de bedst mulige bearbejdningsegenskaber e r tilstede. Visse typer værktøjsstål leveres i sejhærdet tilstand, hvorve d en efterfølgende varmebehandling undgås. Dette er speciel t gældende for visse stål til anvendelse i plastformværktøjer, hvor hårdhedskravene er relativt lavere Slibnin g Ved en slibning kan der ved en fejlagtig behandling danne s slibehud. Dette kan ske på grund af : for høj slibehastighed, sløv slibeskive eller utilstrækkelig køling. Generelt skal man ved en slibning være opmærksom på, at det materiale, der ønskes fjernet»skæres af«og ikke tværes ud (»deformeres«). Slibeskiverne skal derfor generelt være skarpe. Slibehud er et meget tyndt ændret overfladelag på stålet, der kan inde - holde mikrorevner. Det kan være svært at opdage slibehu d efter en slibning. Slibehud er en fejl, der oftest forekomme r Fig Skitse over spor efter et slibekorn på en slibeskive. Et skarpt korn skærer materialet af, - et sløvt korn deformerer materia - let, og der skabes lommer, hvo r snavs og andet kan samle sig. (Ref 1) Belægnin g Dårligt spor efter et slibekorn. "Sløvt" korn Godt slibekornspor "Skarpt" kor n 38

39 ved værktøjer af hurtigstål (højt legerede stål), hvor en korrekt slibning er vanskeligst. Ved slibning i stål med mange store og hårde karbider vil et forkert valg af slibemiddel også kunne bevirke, at karbidern e i ståloverfladen rives ud istedet for at skæres over. Gnistbearbejdning Ved gnistede overflader dannes der en gnistzone yderst, størst ved sænkgnistning og mindst ved trådgnistning. Denne gnistzone består af et tyndt martensitisk lag. En anløbning af dette hårde og sprøde overfladelag vil gøre det sejere. Der skal ved gnistningen tages hensyn til, at denne an - løbning efter gnistningen også kan give årsag til formændringer. Med trådgnistning kan der let fremstilles komplicerede em - ner ud af en hærdet stålklods. Hærdet stål indeholder imidlertid altid spændinger, som kan give problemer, derso m store materialemængder fjernes i samme operation. Dette kan medføre problemer med formændringer og hærderevner. Ved en hensigtsmæssig bearbejdningsrækkefølge ve d gnistningen kan disse vanskeligheder imødegås. Polering Polering er en tidskrævende og derfor en dyr bearbejdnings - proces. Resultatet er i stor udstrækning afhængig af hvilk e poleringsmetoder, der anvendes samt af følgende faktorer : Stålets renhe d Stålets homogenitet Stålets hårdhed Varmebehandlingens udførelse (ved hærdet stål ) For at mindske mængden af ikke-metalliske indeslutninge r skal stålet ved fremstillingen vacuumafgases og/eller elektroslagge omsmeltes (ESR- proces ) Ved polering kan der ligesom ved slibning opstå et ændre t overfladelag ved forkert behandling. Også ved en polerin g skal materialet skæres væk (skarpe korn i polermateriale). 39

40 5.3 Varmebehandlin g Hærdning og anløbning foretages med hensyn til den valgte stålkvalitet, den ønskede hårdhed og sejhed samt med hensyn til en eventuel efterfølgende overfladebehandling. Varmebehandlingen er et meget vigtigt trin i værktøjsfremstillingen, da det er denne, der bestemmer en række af de egenskaber, som ståltypen kan gives. Varmebehandlingen påvirker : Målbestandighe d Formbestandighed Anløbningsbestandighed Hårdhe d Varmehårdhe d Trykstyrke Slidstyrke Sejhe d Oftest specificeres varmebehandlingen blot til ønsket o m en given hårdhed. - Et hårdhedstal! - Eller blot ordet : Hær - des! Dette er absolut ikke nok. Med hærdning fra forskellige temperaturer og anløbninger til ligeledes forskellige temperaturer kan stålets egenskaber modelleres med vægt på den spe - cifikke egenskab, der ønskes. Et værktøjsstål til pladebearbejdning får normalt en hærdning og anløbning efter en bearbejdning for at opnå tilstrækkelig styrke og hårdhed. Oplysninger ; som er nødvendige for, at en korrekt varmebehandling kan sikres : 1. Oplysninger om materialet : eks. DIN 15 CrNiMo 6 - SK F K ARNE - osv. 2. Ønsket varmebehandling : eks. hærdning - tenifering - afspændingsglødning - osv. 3. Ønsket hårdhed af overfladen : eks HRC eller 60 ± 2 HRC, HB eller 250 ± 25 HB, HV eller 500 ± 25 HV. 40

41 Ved angivelse af hårdhed i HB eller HV bør altid angives, ved hvilken belastning hårdhedsmålingen skal ske, f.eks 40 0 HV Anvendelsesformål Beskriv hvad emnet skal anvendes til, og om der er specielle ønsker. Eksempelvis angives om værktøjet skal arbejde varmt elle r koldt, om der ønskes størst mulig sejhed ved den anførte hårdhed - om værktøjet senere ønskes varmebehandlet o g ved hvilken proces. eks. : tenifering, PVD, hårdkrom, kemis k nikkel. En efterfølgende PVD-belægning kræver eksempel - vis, at stålet ikke hærdes i saltbad. Der kan også være ønsker om afdækning af overflader, de r eksempelvis ikke skal behandles f.eks. nitreres. Dette markeres på tegningen. Ved opvarmning af et bearbejdet værktøjsstål kan der del s udløses indre spændinger fra den forudgående bearbejdning, dels kan der opstå varmespændinger ved uens afkølingshastighed af de forskellige områder på værktøjsdelen. Begge dele vil give kast. Dersom temperaturen er tilstrækkelig høj, vil der også opstå ændringer af stålets struktur. Diss e strukturændringer giver dimensionsændringer, der resulterer i, at stålet ved varmebehandlingen»vokser«eller»krymper«. Endvidere kan stålets mekaniske egenskaber også bliv e ændret, som fx mindre brudstyrke eller ændret sejhed. De indre spændinger i stålet, der opstår som følge af en bearbejdning, skal altid minimeres før en varmebehandling el - ler en overfladebehandling. Dette gøres ved en afspændingsglødning. En afspændingsglødning foretages normal t mellem skrub- og sletbearbejdningen. Overfladeforædling/-behandling Hvilken overfladeforædling/-behandling, der eventuelt øn - skes anvendt, afhænger af de krav, overfladen skal opfyld e med hensyn til slid, friktion- og slipegenskaber, korrosionsbestandighed, polerbarhed o.a. Derudover vurderes om de t foreliggende eller valgte stål kan overfladebehandles me d den valgte proces, og hvorledes overfladebehandlingsprocessen påvirker stålets egenskaber f.eks. med hensyn til styr - ke og formændringer. 41

42 Mange af processerne til overfladebehandling af stål behøver varme for at foregå. Ved opvarmning af et bearbejde t værktøjsstål kan der dels udløses indre spændinger forårsaget af bearbejdningen, dels kan der opstå varmespændinge r ved uens afkølingshastighed af de forskellige områder p å værktøjsdelen. Begge dele vil give kast. Derudover kan varmepåvirkningen betyde et styrkefald, dersom stålet tidliger e er anløbet ved en temperatur lavere end procestemperature n for overfladebehandlingen. Reference r 1. Dorthe Bre d Overfladeteknikker til værktøjer. Jysk Teknologisk Forlag