SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE DIFÚZNE BORIDOVANIE OCELE K110

Transcript

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE DIFÚZNE BORIDOVANIE OCELE K110 BAKALÁRSKA PRÁCA MTF GERGELY TAKAČ

2 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE MATERIÁLOVOTECHNOLOGICKÁ FAKULTA SO SÍDLOM V TRNAVE DIFÚZNE BORIDOVANIE OCELE K110 BAKALÁRSKA PRÁCA MTF Študijný program: materiálové inžinierstvo Číslo a názov študijného odboru: materiály Školiace pracovisko: UMAT MTF STU-KMI Trnava Vedúci záverečnej práce/školiteľ: doc. Ing. Mária Hudáková, PhD Trnava 2009 GERGELY TAKAČ

3 POĎAKOVANIE Touto cestou by som sa chcel poďakovať vedúcej mojej bakalárskej práce doc. Ing. Márii Hudákovej, PhD. za veľmi vecné a odborné rady k problematike týkajúcej sa mojej práce a za jej usmernenia a zaujatie počas vzniku tejto práce.

4 SÚHRN TAKÁČ, Gergely: Difúzné boridovanie ocele K110. [Bakalárska práca] Slovenská technická univerzita v Bratislave. Materiálovotechnologická fakulta so sídlom v Trnave;. Školiteľ: doc. Ing. Mária Hudáková, PhD. Trnava: UMAT MtF STU, kľúčové slová: difúzne boridovanie, boridická vrstva, nástrojové ocele Cieľom bakalárskej práce bolo pozorovanie vplyvu parametrov difúzneho boridovania na vlastnosti ledeburitickej ocele K110, ako sú hrúbka vrstvy a mikrotvrdosť boridickej vrstvy. V teoretickej časti bakalárskej práce je charakteristika ocelí pre prácu za studena s teóriou a technológiou boridovania. Experimentálna časť sa zaoberá výsledkami vplyvu boridovania na oceľ K110 pri troch rôznych časoch výdrže na teplote boridovania v prášku Durborid.

5 ABSTRAKT TAKÁČ, Gergely: Diffuse boronizing steel K110. [Bachelor work] - Slovak University of Technology Bratislava. Faculty of Materials Science and Technology; Institute of Material Supervisor: doc. Ing. Mária Hudáková, PhD. Trnava: UMAT MtF STU, key words: diffuse boronizing, boronized layer, tool steels The work was to observe the impact of parameters on the characteristics of diffuse boronizing ledeburitic steel K110, such as thickness and microhardness boronizing layer. In the theoretical part of this work is characteristic of steels for cold work to the theory and technology boronizing. Experimental section discusses the results of the impact boriding K110 for steel at three different holding times at a temperature boronizing Durborid powder.

6 OBSAH OBSAH... 4 ZOZNAM ILUSTRÁCIÍ... 6 ZOZNAM TABULIEK... 6 ZOZNAM SKRATIEK, SYMBOLOV A ZNAČIEK CHARAKTERISTIKA NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRE PRÁCU ZA STUDENA DELENIE NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRE PRÁCU ZA STUDENA Uhlíkové nástrojové ocele Rýchlorezné ocele(ro) Nástrojové ocele na odliatky Zliatinové nástrojové ocele VLASTNOSTI NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRE PRÁCU ZA STUDENA Tvrdosť Pevnosť, medza pružnosti, medza sklzu Kaliteľnosť, prekaliteľnosť Húževnatosť Odolnosť proti popúšťaniu Stálosť rozmerov Odolnosť proti opotrebeniu Náchylnosť na deformáciu a bortenie Brúsiteľnosť, leštiteľnosť TEPELNÉ SPRACOVANIE NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRE PRÁCU ZA STUDENA Východiskový stav nástrojových ocelí Austenitizácia Kalenie Popúšťanie LITERÁRNY PREHĽAD O TEÓRII A TECHNOLÓGII BORIDOVANIA CHEMICKO-TEPELNÉ SPRACOVANIE OCELÍ (CHTS) TEÓRIA BORIDOVANIA Rovnovážny binárny diagram Fe B Boridické vrstvy Vplyv legujúcich prvkov na hrúbku boridickej vrstvy Vlastnosti boridovanej vrstvy Boridovanie ocelí TECHNOLÓGIE PROCESU BORIDOVANIA Boridovanie v soľných kúpeľoch Elektrolytické boridovanie Boridovanie v pastách Práškové boridovanie Boridovanie vo fluidnej vrstve Mnohokomponentné boridovanie

7 2.3.7 Plazmové boridovanie NÁVRH A REALIZÁCIA EXPERIMENTOV CHARAKTERISTIKA OCELE K PRÍPRAVA VZORIEK NA BORIDOVANIE PRÍPRAVA VZORIEK PRE METALOGRAFICKÚ ANALÝZU METALOGRAFICKÁ ANALÝZA OCELE K MERANIE MIKROTVRDOSTI ZHODNOTENIE DOSIAHNUTÝCH VÝSLEDKOV ZÁVER ZOZNAM BIBLIOGRAFICKÝCH ODKAZOV

8 ZOZNAM ILUSTRÁCIÍ A TABULIEK OBR.1 ZÁKLADNÉ TYPY PORUŠOVANIA NÁSTROJOV OBR.2 ZÁVISLOSŤ TVRDOSTI OD OBSAHU UHLÍKA KALENÝCH UHLÍKOVÝCH OCEL OBR.4 STRIŽNÁ HRANA OPOTREBOVANÁ ADHÉZNE, NÁSTROJOVÝ MATERIÁL OBR.5 STRIŽNÁ HRANA OPOTREBOVANÁ ABRAZÍVNE, NÁSTROJOVÝ MATERIÁL OBR.6 RIADKOVITÉ ROZLOŽENIE LEDEBURITICKÝCH KARBIDOV CHRÓMU V OCELI , ZV. 250X OBR.7 ARA DIAGRAM RÝCHLOREZNEJ OCELE M2. TEPLOTA AUSTENITIZÁCIE 1080 C. ČAS 30 MIN OBR.8,9,10 VPLYV RÝCHLOSTI OCHLADZOVANIA NA MIKROŠTRUKTÚRU LEDEBURITICKAJ OCELÍ, TYPU M OBR. 11 PRÍSPEVOK DIAĽKOVÝCH DEJOV NA TVRDOSTI OCELÍ LEDEBURITISKÉHO TYPU PRI POPÚŠŤANÍ OBR.12 BINÁRNY DIAGRAM FE-B OBR.13 SCHÉMA DVOJFÁZOVEJ BORIDOVANEJ VRSTVY TVORENEJ BORIDMI FEB A FE2B OBR.14 ROZDELENIE BORIDICKÝCH VRSTIEV PODĽA MIKROŠTRUKTÚY OBR. 15 HRÚBKA BORIDICKEJ VRSTVY V ZÁVISLOSTI OD ČASU PRE RÔZNE BORIDOVANÉ MATERIÁLY PRI ROVNAKÝCH PODMIENKACH BORIDOVANIA OBR.16 SCHÉMA ZARIADENIA PRE ELEKTROLYTICKÉ BORIDOVANIE OBR.17 MIKROŠTRUKTÚRA KVALITNEJ BORIDOVANEJ VRSTVY OBR.18 MIKROŠTRUKTÚRA CHYBNE BORIDOVANEJ VRSTVY OCELE, VZNIK POLYEDRICKÝCH ZŔN BORIDOV OBR.19 SCHÉMA KONTAJNERA OBR.20 MIKROŠTRUKTÚRA ZÁKLADNÉHO MATERIÁLU OCELE K OBR.21 MIKROŠTRUKTÚRA ZÁKLADNÉHO MATERIÁLU OCELE K OBR.22 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 4, 1030 C / 45 MIN. / VZDUCH OBR.23 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 4, 1030 C / 45 MIN. / VZDUCH OBR.24 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 5, 1030 C / 75 MIN. / VZDUCH OBR.25 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 5, 1030 C / 75 MIN. / VZDUCH OBR.26 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 6, 1030 C / 150 MIN. / VZDUCH OBR.27 MIKROŠTRUKTÚRA BORIDICKEJ VRSTVY VZORKY 6, 1030 C / 150 MIN. / VZDUCH

9 OBR.28 PRINCÍP MERANIA TVRDOSTI PODĽA VICKERSA OBR.29 POROVNANIE MIKROTVRODSTI BORIDOVANÝCH VRSTIEV TABUĽKA:1 OZNAČOVANIE A ROZDELENIE NÁSTROJOVÝCH OCELÍ TABUĽKA:2 NÁSTROJOVÉ RÝCHLOREZNÉ OCELE TABUĽKA:3 NÁSTROJOVÉ ZLIATINOVÉ OCELE TABUĽKA:4 VYBRANÉ ZNAČKY CHRÓMOVÝCH LEDEBURITICKÝCH OCELÍ [4] TABUĽKA:5 MEDZA PEVNOSTI OCELE PRI RÔZNOM SPÔSOBE ZAŤAŽENIA [6] TABUĽKA:6 CHEMICKÉ ZLOŽENIE EXPERIMENTÁLNEJ OCELE K110 (HMOT.%)[ TABUĽKA:7 OZNAČOVANIE A PARAMETRE BORIDOVANÝCH VZORIEK TABUĽKA:8. HRÚBKA BORIDOVANÝCH VRSTIEV TABUĽKA:9 VÝSLEDKY NAMERANÝCH MIKROTVRDOSTI VZORKY PRED BORIDOVANÍM TABUĽKA:10 VÝSLEDKY NAMERANÝCH MIKROTVRDOSTI VZORKY TABUĽKA:11 PRIEMERNÉ HODNOTY VZORKY TABUĽKA:12 VÝSLEDKY NAMERANÝCH MIKROTVRDOSTI VZORKY TABUĽKA:13 PRIEMERNÉ HODNOTY MIKROTVRDOSTI VZORKY TABUĽKA:14 VÝSLEDKY NAMERANÝCH MIKROTVRDOSTI VZORKY TABUĽKA:15 PRIEMERNÉ HODNOTY MIKROTVRDOSTI VZORKY

10 ZOZNAM SKRATIEK, SYMBOLOV A ZNAČIEK R m v ťahu Rm v ohybe Rm v tlaku R e HV RO TS CHTS ARA M S M f HRC PM Medza pevnosti v ťahu Medza pevnosti v ohybe Medza pevnosti v tlaku Medza klzu Tvrdosť podľa Vickersa Rýchlorezné ocele Tepelné spracovanie Chemicko-tepelné spracovanie Anizotermický rozpad austenitu Začiatok martenzitickej premeny Koniec martenzitickej premeny Tvrdosť podľa Rockwella Prášková metalurgia -8-

11 ÚVOD Stále rastúce požiadavky na kvalitu a rýchly rozvoj techniky a aj zmeny technologických vlastností, ktoré nie sú žiadajúce sú príčinou riešenia nových, moderných povrchových úprav. Práve tieto úpravy vyžadujú také riešenia, ktoré vedú k úspore materiálu a energií a zvyšujú kvalitnú životnosť hotových výrobkov a súčiastok. Aby sme dosiahli dobré a výnimočné vlastnosti výrobkov, je potrebné zvoliť vhodný materiál, ale aj dobrý spôsob tepelného spracovania, ktoré nám pomôžu skvalitniť povrchové úpravy. Povrchy materiálov sú vystavené rôznym vonkajším, poveternostným vplyvom, ktoré vedú ku korózií a tým aj k väčšiemu opotrebeniu materiálu. Preto je potrebné životnosť a úžitkové vlastnosti súčiastok a nástrojov zvyšovať chemicko-tepelným spracovaním, boridovaním dosiahnuť najmenšie opotrebenie materiálu a povrchových vrstiev. Tento proces pomôže minimalizovať opotrebenie materiálu a nástrojov. Ochranná vrstva, ktorá sa vytvorí na povrchu materiálu týmto procesom má vysokú oteruvzdornosť a tvrdosť, ktoré získame s nasycujúcimi prvkami. Hlavným cieľom bakalárskej práce je oboznámiť sa a rozšíriť okruh poznatkov jednotlivých postupov, jednotlivých druhov boridovania a tepelné spracovanie ocelí a súčiastok a vyhodnocovanie štruktúr vzoriek po boridovaní. -9-

12 1 CHARAKTERISTIKA NÁSTROJOVÝCH OCELÍ PRE PRÁCU ZA STUDENA Nástrojové ocele pre prácu za studena sa nachádzajú v strojárskej výrobe vďaka svojím vlastnostiam, (ako je vysoká tvrdosť, vysoká húževnatosť, odolnosť proti tlaku a vysoká oteruvzdornosť) a majú široké uplatnenie vo výrobe. Technológia typu tvárnenia za studena, strihanie, delenie, lisovanie, pretlačovanie, valcovanie za studena, ťaženie atď. sa nezaobídu bez kvalitných ocelí. Vysokú efektivitu a kvalitu u uvedených technológií sa dá docieliť správnu konštrukciu nástroje, voľbou správnej technológie spracovania, ale hlavne správnym výberom kvalitnej ocele. Nástrojová oceľ je oceľ určená na výrobu náradia a obrábacích nástrojov[2]. Na výrobu nástrojov, ktoré mnohokrát limitujú produktivitu práce, sa používajú nástrojové ocele a iné nástrojové materiály[1]. Nástrojové ocele sú materiály vysokej akosti, vyrábané elektrickým oblúkovým, alebo indukčným tavením[3].k výrobe nástrojov sa používa široký sortiment materiálu. Na nástrojové ocele sa kladú vysoké požiadavky, ku ktorým patrí tvrdosť, odolnosť proti popúšťaniu, húževnatosť, reznosť a odolnosť proti opotrebeniu, prekaliteľnosť a stálosť rozmerov [5]. 1.1 Delenie nástrojových ocelí pre prácu za studena Všetky nástrojové ocele môžeme rozdeliť podľa rôzných hľadísk: 1. podľa podmienok namáhania 2. podľa obsahu legujúcich prvkov 3. podľa druhu ochladzovacieho prostredia 4. podľa chemického zloženia Základné rozdelenie nástrojových ocelí robí väčšina autorov podľa podmienok namáhania nástrojov, pre ktoré sú ocele predurčené. Pri takomto prístupe odlišujeme nasledovné skupiny ocelí:[6] 1. nástrojové ocele pre prácu za studena, -10-

13 2. nástrojové ocele pre prácu za tepla, 3. nástrojové ocele na nástroje pre trieskové obrábanie kovov, 4. nástrojové ocele na nástroje pre tvárnenie plastických hmôt. Podľa obsahu legujúcich prvkov sa odporúča nástrojové ocele zaradiť do štyroch skupín:[6] 1. ocele uhlíkové, 2. ocele nízkolegované, obsahujúce 5 % legujúcich prvkov, 3. ocele stredne legované, s obsahom 5 až 10 % legujúcich prvkov, 4. ocele vysokolegované, u ktorých celkový obsah legúr prevyšuje 10 %. Podľa druhu ochladzovacieho prostredia pri kalení sa nástrojové ocele delia na: [8] a) ocele kaliteľné do vody b) ocele kaliteľné do oleja c) ocele kaliteľné na vzduchu Podľa chemického zloženia rozoznávame nástrojové ocele: 1.uhlíkové 2. zliatinové 3. rýchlorezné 4. na odlievanie Tabuľka: 1 Označovanie a rozdelenie nástrojových ocelí [1] Označenia 19 0XX 19 1XX 19 2XX 19 3XX 19 4XX 19 5XX 19 6XX 19 7XX nástrojové ocele zliatinové nástrojové uhlíkové Prísadová skupina, resp. kombinácia prvkov zliatinové 19 8XX rýchlorezné ocele 19 9XX ocele na liate nástroje 0,3 až 0,6 % 0,5 až 1,10 % 1,0 až 1,5 % Mn, Mn-V, Mn-Cr-V, Mn-Cr-W-V, Mn-Si, V Cr, Cr-V, Cr-Si, Cr-Mn-V Cr-Mo, Cr-Mo-V, Cr-Mo-Mn, Cr-Mo-Si-V Ni, Ni-V, Cr-Ni, Cr-Ni + (V, Mn, W) W, W-Cr, W-Cr + (V, Si, V, Mo, Co) -11-

14 1.1.1 Uhlíkové nástrojové ocele Na ich vlastnosti vplýva v prvom rade množstvo uhlíka. Vyrábajú sa s obsahom uhlíka 0,5 až 1,5 %. Podľa tvrdosti ich možno rozdeliť na húževnaté, stredne tvrdé, tvrdé a veľmi tvrdé (obsahujú nad 1,4 % C).Obsah Mn, Si, a Cr je pomerne malý. Sú to napr. ocele STN , , , , atd.[1]. Kalením sa pri nich dosahuje veľká tvrdosť iba na povrchu do hĺbky asi 2 až 3 mm. (V jadre je nástroj nezakalený.) V niektorých prípadoch je to výhodné, pretože jadro je húževnaté a nástroj z uhlíkovej ocele dobre odoláva nárazom. Uhlíkové ocele strácajú už pri ohreve nad teplotu 150 C tvrdosť, nemôžu sa preto použiť na nástroje na lisovanie za tepla a iba obmedzene na rezné nástroje. [5] Rýchlorezné ocele(ro) Rýchlorezné ocele (RO) tvoria samostatnú skupinu nástrojových ocelí, ktoré označujeme 19 8XX. Zásluhou vysokej legovanosti majú veľmi veľkú štruktúrnu stabilitu, tvrdosť (viac ako 60 HRC), reznosť a pevnosť za pracovných teplôt až do 650 C. Od ostatných nástrojových ocelí sa odlišujú chemickým zložením a tepelným spracovaním [7]. Majú zvyčajne obsah uhlíka od 0,7 do 1,5 %. Hlavné prísadové prvky W, Cr, V, a to v množstve od 15 do 22 %. Niektoré druhy majú ešte Mo a Co. Cr zlepšuje prekaliteľnosť. Úlohou karbidotvorných prísadových prvkov je vytvárať s uhlíkom karbidy na zlepšenie rezných vlastností. Veľmi jemné karbidy vanádu zabraňujú zväčšeniu zrna pri vysokom ohreve, pričom spôsobujú tzv. precipitačné spevnenie. Obsah vanádu je ale limitovaný len do 4 %, lebo vytvára veľmi tvrdé karbidy typu V4C3 a tvar nástroja nemožno dosiahnuť klasickými spôsobmi obrábania alebo tvárnenia, ale len brúsením. Rýchlorezné ocele s vyšším obsahom vanádu ako 4 % sa spracovávajú na nástroje odlievaním. [7]. Rýchlorezné ocele sa žíhajú pri teplote 800 až 840 C. Kaliace teploty sú veľmi vysoké (1 260 až C), ale výdrž je veľmi krátka (asi 100 s) [5]. Vzhľadom na vysoký obsah prísad je rozpustnosť uhlíka v rýchlorezných oceliach iba 0,7 % a ich štruktúra je ledeburitická. Pri tuhnutí v nich vzniká eutektikum s kontinuálnymi karbidickými fázami, ktoré je v liatom stave príčinou krehkosti týchto vysokolegovaných materiálov. Veľký podiel karbidov v štruktúre rozhodujúco ovplyvňuje vlastnosti RO. Druh karbidov, ich množstvo, morfológia a distribúcia významne ovplyvňujú úžitkové vlastnosti nástrojov z RO [7]. -12-

15 Druhy karbidov, ktoré obsahujú nástroje z RO : 1. karbid M6C - je primárny karbid vznikajúci z taveniny typu Fe4W2C, ktorý zväčšuje tvrdosť za tepla a reznosť. 2. karbid M23C6 - je sekundárny karbid vznikajúci z austenitu napr. Cr23C6. Pri vysokých teplotách sa rozpúšťa a obohacuje austenit, čo je príčinou veľmi veľkej prekaliteľnosti ocelí. 3. karbid MC, M4C3 sú sekundárne karbidy vznikajúce z feritu typu VC, V4C3. Tieto karbidy majú veľkú teplotnú stabilitu, čím zapríčiňujú veľkú sekundárnu tvrdosť ocele, a tým aj odolnosť proti opotrebeniu.[7] Tabuľka: 2 Nástrojové rýchlorezné ocele[1] Označenie Chemické zloženie (%) Tvrdosť materiálu C Mn Si P + S max Cr Mo V W Co žíhaný HB Kalený HRC ,8 0,4 0,4 0,06 4,5 0, ,8 0,4 0,4 0,06 4,6 0,5 1, ,9 0,4 0,4 0,06 4,6 5,5 2, ,0 0,4 0,4 0,06 4,6 0,5 2, ,8 0,4 0,4 0,06 4,6 0,9 1, ,3 0,4 0,4 0,06 4,6 4,3 3, Nástrojové ocele na odliatky Odlievať sa môžu skoro všetky nástrojové ocele. Pre liate oceľové valce sa používajú uhlíkové alebo nízkolegované Cr-Ni ocele s vyšším obsahom uhlíka (0,6 až 1,8). Pre liate nástroje (formy a zápustky) sa používajú Cr-Mo alebo Cr-Ni-Mo-V ocele s obsahom uhlíka 0,4 až 0,55 % a s celkovým obsahom prísadových prvkov do 10 %. V praxi sa uplatňujú aj liati rýchlorezné ocele. Veľkou prednosťou týchto ocelí je lepšie využitie materiálu, menšia anizotrópia vlastností, ale na druhej strane oduhličenie povrchu, hrubozrnnejšia štruktúra pri rozmernejších odliatkoch, menšia rozmerová presnosť a pod. Po odliatí nasleduje tepelné spracovanie ako pri tvárnených nástrojových oceliach [1]. -13-

16 1.1.4 Zliatinové nástrojové ocele Ani najakostnejšie druhy uhlíkových nástrojových ocelí nemôžu splniť požiadavky na niektoré nástroje pracujúce za studena alebo za tepla. Nedostatkom uhlíkových ocelí je: 1. malá prekaliteľnosť a malá tvrdosť, 2. malá odolnosť proti hrubnutiu zrna pri prekročení kaliacej teploty 3. nepostačujúci výkon pri obrábaní kovov vyššími rýchlosťami. Zliatinové prvky odstraňujú tieto nedostatky a umožňujú vyrábať výkonnejšie nástroje. Najdôležitejšie prísadové prvky zliatinových nástrojových ocelí sú Cr, Mo, V, W. Sú to karbidotvorné prvky, zvyšujú tvrdosť a stabilitu karbidickej fázy a zmenšujú pokles tvrdosti pri popúšťaní. Výrazne zvyšujú odolnosť proti opotrebeniu. Tým, že prísadové prvky zvyšujú prekaliteľnosť, možno vyrábať z týchto ocelí aj nástroje väčších rozmerov. Pridaním niklu sa zvyšuje húževnatosť týchto ocelí. Chemické zloženie vybraných zliatinových nástrojových ocelí je uvedené v tabuľke 3.[1] Tabuľka:3 Nástrojové zliatinové ocele[1] Označenie Chemické zloženie (%) Tvrdosť materiálu C Mn Si P + S max Cr Ni Mo V W žíhaný HB Kalený HRC ,9 2,1 0,3 0,06 0,4 0,3-0, ,0 0,4 0,4 0, ,5-0, ,3 0,7 0,6 0,06 5-0,8 4,8 1, ,3 0,4 0,4 0,06 0,9 4,6 1, ,3 0,5 0,4 0,06 2, , ,5 0,5 0,4 0,06 4, , Chrómové ledeburitické nástrojové ocele Ledeburitické chrómové ocele predstavujú skupinu najvýkonnejších ocelí. Majú v štruktúre špeciálne ledeburitické karbidy chrómu, prípadne vanádu. Ich prítomnosť spôsobuje výbornú odolnosť proti opotrebeniu. -14-

17 Vysokolegované ocele všeobecne obsahujú spravidla viac, že 10 % legujúcich prvkov a veľmi často i vyšší obsah uhlíka. Do tejto skupiny patria materiály, používané na najviac namáhavé nástroje a tiež v prípadoch, keď je nutné zaistiť vysokú stabilitu výroby. Prvou skupinou týchto materiálov sú chrómové ledeburitické a subledebiritické ocele. Vynájdené boli v priebehu prvej svetovej vojny vo Francúzku, kde bol nedostatok suroviny pre výrobu iných typov nástrojových materiálov, a to s cieľom uplatnenia v trieskovom opracovaní. Neskôr sa však zistilo, že tieto materiály vykazujú vynikajúcu oterovzdornosť a majú (keď sú správne vyrobené) aj pomerne dobrú húževnatosť, a tak sa začali používať pre prácu za studena. Typickým predstaviteľom tejto skupiny ocelí je oceľ s 12 % Cr a 2 % C (X210CR12, ČSN , POLDI 2002). Vysoký obsah uhlíka a chrómu je zárukou pre vytvorenie veľkého množstva karbidov na báze chrómu M7C3, ktoré majú tvrdosť až 1800 HV a zvyšujú oteruvzdornosť a odolnosť proti opotrebeniu. Kým je oceľ správne vyrobená, nepodlieha v procese tepelného spracovanie veľkým deformáciam a dá sa z nej vyrábať i presné a zložité nástroje. Táto oceľ a oceľ od nej odvodená sa používajú na obrábanie kovov i nekovov za studena, lisovanie, pretláčanie, spracovanie kamene a keramiky atď. Materiály tejto skupiny majú veľkú pevnosť v tlaku, ale v dôsledku veľkého množstva tvrdých a krehkých karbidov trochu zníženú húževnatosť, ktorú sa dá zlepšiť znížením obsahu uhlíka tak, že podiel veľkých eutektických karbidov sa zníži na cca 5 %. Nevýhodou tejto úpravy je však znížená odolnosť proti opotrebeniu, takže sa často musí povrchovo spracovávať tak, aby táto vlastnosť dosiahla vyhovujúce hodnoty. Nevýhodou ledeburitických 12 % - ných chrómových ocelí je však usporiadanie karbidov do typických riadkov u jednosmerne tvárnených tyčových polotovarov a z toho vyplývajúce anisotrópie vlastnosti deformácie po tepelnom spracovaní a mechanické vlastnosti. Chrómové ledeburitické ocele majú veľkú prekaliteľnosť a prekalujú u používaných rozmerov v celom priereze. U menších rozmerov je účelné vykonávať kalenie s ochladením na vzduchu. Pre zníženie deformácie a zlepšenie húževnatosti je vhodné termálne kalenie do soľnej kúpele o teplote 300 až 450 C. Správne kalenie chrómovej ocele ledeburitického typu majú schopnosť sekundárneho vytvrdzovania. Teplota maxima sekundárnej tvrdosti sa pohybuje okolo 520 C. To znamená, že po tepelnom spracovaní môžu byť ocele napr. nitridované, alebo povlakované nízkotepelnými procesmi PVD. Chrómové ocele sú veľmi citlivé na prekročenie optimálnej výške kaliacej teploty, takže je potreba venovať na ich spracovanie náležitú pozornosť [4]. -15-

18 Tabuľka: 4 Vybrané značky chrómových ledeburitických ocelí [4] ČSN EN Staré označenie Chemické zloženie [hm. %] Vlastnosti X210Cr12 ozn. POLDI ,POLDI 2002 C Cr W Mo V Vysoká tvrdosť, zlá húževnatosť, výborná oteruvzdornosť X210CrW12 X50CrMoV9-1-1 X63CrMoV , POLDI 2002 SPECIAL , POLDI NLKH , POLDI RAZM Vysoká tvrdosť, zlá húževnatosť (ale o niečo lepšia, než u ocelí X210Cr12, výborná oteruvzdornosť. Nižšia tvrdosť a odolnosť proti opotrebeniu, než u predošlých značiek, ale výrazne lepšia húževnatosť. Nižšia tvrdosť, než u ocelí X210Cr12 a X210CrW12, ale však výrazne lepšia húževnatosť. X100CrMo V5-1 X155CrVMo , POLDI RAZI Vyššia tvrdosť, než u dvoch predošlých značiek, ale nižšia, než u ocelí X210CrW12, nižšia húževnatosť než u predošlých dvoch značiek. Takmer rovnaká tvrdosť, ako u ocelí X210CrW12, vyššia húževnatosť, ale však nižšia, než u troch predchádzajúcich typov. -16-

19 1.2 Vlastnosti nástrojových ocelí pre prácu za studena Na vlastnosti nástrojových materiálov je kladená rada požiadaviek. Týmto požiadavkám musí materiál vyhovieť, aby sa dalo z neho vyrobiť nástroj v požadovanej kvality a aby nástroj splnil svoju funkciu v priebehu exploatácie a odolával rôznym degradačným procesom, ktoré vidíme na obrázku 1.[4] Opotrebovanie Napäťová prasklina Plastická deformácia Nalepovanie Vyštiepavanie Obr.1 Základné typy porušovania nástrojov[9] Požiadavky na základné vlastnosti nástrojových ocelí pre prácu za studena:[6] 1. Od nástrojových ocelí pre prácu za studena sa žiada predovšetkým: - tvrdosť, - pevnosť v tlaku, - odolnosť proti opotrebeniu, -17-

20 - malá náchylnosť na deformáciu a bortenie pri tepelnom spracovaní, - kaliteľnosť a prekaliteľnosť, - obrobiteľnosť. Okrem uvedených základných vlastností by sa mali nástrojové ocele vyznačovať aj ďalšími technologickými vlastnosťami, ako je napríklad: - dobrá tvárniteľnosť za tepla - malá náchylnosť na prehriatie pri tepelnom spracovaní, - malý sklon k oduhličovaniu povrchu, - čo najnižšia náchylnosť k praskaniu pri tepelnom spracovaní, - dobrá prekaliteľnosť, - dobrá obrobiteľnosť pri trieskovom obrábaní a brúsení, - nízka náchylnosť k nalepovaniu spracovávanej zliatiny. Medzi požiadavkami na základné vlastnosti nástrojových ocelí uvedených štyroch skupín sú niektoré rovnaké, napr. tvrdosť, pevnosť, húževnatosť a podobné. Poradie ich dôležitosti je však v každej skupine iné. Najviac u nástrojových ocelí jednej určitej skupiny podľa konkrétnych podmienok namáhania daného nástroja vo výrobe môže vystúpiť do popredia vždy iná vlastnosť, napríklad tvrdosť, alebo húževnatosť, odolnosť proti opotrebeniu, alebo odolnosť proti tepelnej únave atď. Uprednostneniu tejto rozhodujúcej vlastnosti má obvykle za následok zníženie ďalších. Preto pri klasickom materiálovom riešení sme nútení vychádzať vždy z kompromisu požiadaviek na vlastnosti nástrojovej ocele, čo je veľkou nevýhodou doterajšieho materiálového riešenia nástrojov. V ďalšom sú uvedené niektoré zo základných vlastností nástrojových ocelí a faktory, ktoré ich v rozhodujúcej miere ovplyvňujú.[6] Tvrdosť Tvrdosť nástrojových ocelí sa môže meniť v širokom rozsahu v závislosti od ich chemického zloženia a mikroštruktúry, ktorá je výsledkom tepelného spracovania. Na výslednú tvrdosť nástrojov po dokončovacom kalení a popúšťaní vplýva celý rad faktorov: [6] - obsah uhlíka v martenzite, - miera precipitačného spevnenia, -18-

21 - množstvo zvyškového austenitu, resp. jeho premena na martenzit, - hustota dislokácií tuhého roztoku (martenzitu, resp. zvyškového austenitu),ktorá sa dá zvýšiť plastickou deformáciou za studena, alebo termomechanickým spracovaním, - stabilné fázy nachádzajúce sa v matrici (karbidy, intermetalické zlúčeniny), ich tvrdosť, disperzita, množstvo, rozmiestnenie. Obsah uhlíka v martenzite má rozhodujúci vplyv na jeho tvrdosť, ako vidíme na obrázku 2. Obr.2 Závislosť tvrdosti od obsahu uhlíka kalených uhlíkových ocel [6] í Uhlík do 0,5 % vplýva veľmi silne, nad týmto obsahom už podstatne miernejšie na tvrdosť martenzitu. Celková tvrdosť zakalenej ocele je vždy nižšia, než tvrdosť martenzitu pôsobením nemartenzitiských zložiek (bainit, zvyškový austenit). U danej oceli obsah uhlíka v presýtenom tuhom roztoku ά závisí od podmienok austenitizácie, kalenia a popúšťania. Správnou voľbou týchto parametrov dosahujeme u danej oceli predpísanú tvrdosť. Veľkosť austenitiského zrna nevplýva na tvrdosť ocelí [6]. -19-

22 1.2.2 Pevnosť, medza pružnosti, medza sklzu Vysoká pevnosť a tvrdosť pracovného povrchu nástrojov, ktorých teplota pri práci často stúpa, je potrebná predovšetkým z hľadiska odolnosti proti opotrebeniu. S rastom tvrdosti a pevnosti ocele na pracovnom povrchu nástrojov odolnosť proti adhezívnemu, abrazívnemu a erozívnemu opotrebeniu rastie [6]. Nie je vhodné prepočtom stanoviť pevnosť v ťahu z nameraných hodnôt tvrdosti HRC v prípadoch, kedy hodnota HRC > 50. Pri takej vysokej tvrdosti sa totiž nástrojové ocele pri namáhaní na ťah krehko porušujú, ich schopnosť plasticky sa deformovať je minimálna. Pri takýchto vlastnostiach ocelí sa odporúča skúšať statickú pevnosť v ohybe. Túto charakteristiku je možné používať aj pre vzájomné porovnanie z hľadiska húževnatosti ocelí, u ktorých rázová húževnatosť je veľmi nízka. Pevnosť najmä u ledeburitických veľmi tvrdých nástrojových ocelí silne závisí od spôsobu mechanickej skúšky a od smeru odberu vzoriek, tabuľka 5 [6]. Tabuľka:5 Medza pevnosti ocele pri rôznom spôsobe zaťaženia [6] Spôsob skúšky Medza pevnosti Rm [MPa]. pozdĺžny smer priečny smer Rm v ťahu Rm v ohybe τm v krute Rm v tlaku Z tabuľky vidieť, že veľmi tvrdé ledeburistické ocele vykazujú zákonite anizotrópiu pevnostných vlastností. Hodnoty uvedené v tejto tabuľke ďalej dokazujú, že sú veľké rozdiely v hodnotách Rm pri rôznych spôsoboch skúšania. Pri voľbe nástrojovej ocele by sa malo vychádzať z jej pevnosti stanovenej takým spôsobom, ktorý najviac vystihuje prevládajúce namáhanie nástroja pri práci. Anizotrópia pevnostných vlastností nadeutektoidných a ledeburitických nástrojových ocelí je spôsobená riadkovitým rozložením karbidov v smere tvárnenia. Rozdiel medzi pevnosti (v ohybe a krute) u veľmi tvrdých nástrojových ocelí v pozdĺžnom a priečnom smere dosahuje u nadeutektoidných ocelí 10 až 20 %, u ledeburitických ocelí 20 až 30 %. [6] -20-

23 1.2.3 Kaliteľnosť, prekaliteľnosť Pod kaliteľnosťou sa rozumie najvyššia možná tvrdosť danej ocele, dosiahnutá procesom tepelného spracovania. S tým súvisí i potreba používať ocele s dobrou kaliteľnosťou všade tam, kde sa vyžaduje vysoká tvrdosť ocele. U rezných nástrojov by bolo súčasne vhodné, aby jadro malo nižšiu tvrdosť a vyššiu húževnatosť. Týmto požiadavkám by najlepšie vyhovovali ocele s nižšou prekaliteľnosťou (nižšou schopnosťou dosiahnuté vysoké tvrdosti v celom priereze), najlepšie však ocele nelegované s vysokým obsahom uhlíka. Keďže však tieto ocele vykazujú nízku odolnosť proti popusteniu, nedá sa pre rezné nástroje, predovšetkým pre obrábanie kovov použiť. Pre tento účel sa používajú rýchlorezné ocele, a ich všeobecné nižšia húževnatosť je riešená použitím kvalitnejšieho, predovšetkým čistejšieho materiálu. U ocelí pre zápustky a formy sa vyžaduje veľká prekaliteľnosť, preto sa pre tieto účely používajú ocele s prísadou predovšetkým chrómu. Podobne sa dobrá prekaliteľnosť vyžaduje aj u nástrojov, pracujúcich za studena, pretože z hľadiska dynamického namáhania vedie vysoká tvrdosť v celom priereze ku zvýšenému riziku krehkého porušeniu. Rozhodujúcim požiadavkám je avšak rozmerová a tvarová stabilita, na ktorých sú potrebné vysoké pevnosti. Nedostatok v podobe krehkosti sa v praxi rieši použitím PM materiálov, ktoré majú vysokú húževnatosť i pri veľkej prekaliteľnosti.[4] Húževnatosť Húževnaté nástrojové ocele sa okrem vysokej pevnosti vyznačujú aj dostatočnou plasticitou. K ich porušeniu pri skúške ťahom dochádza pri vyššom napätí, ako je medza sklzu. Porušeniu predchádza pomerne veľká plastická deformácia. Čím húževnatejšia je určitá nástrojová oceľ, tým nižšie je riziko krehkého porušenia nástroja v prevádzke a jeho predčasného porušenia krehkým lomom.[6] Húževnatosť nástrojových ocelí, ich odolnosť proti krehkému porušeniu pri daných vonkajších faktoroch významne ovplyvňuje celý rad vnútorných (materiálových, mikroštrúkturálnych) faktorov, ako: - chemické zloženie ocele (predovšetkým obsah uhlíka, menej obsah legujúcich prvkov) - škodlivé prímesi, - množstvo a kvalita nekovových vtrúsením, - stupeň prekovania, -21-

24 - veľkosť austenitického zrna, - množstvo, veľkosť a rozloženie karbidických a iných fáz (precipitáty, zvyškový austenit a i.), - vnútorné napätia. Z uvedených faktorov vidieť, že húževnatosť ocelí sa dá ovládať zmenou ich mikroštruktúry vhodným tepelným spracovaním, zvyšovať náročnejšími metalurgickými pochodmi (napr. elektrotroskovým a iným pretavením ocele obvyklej akosti), ďalej vhodnou technológiou tvárnenia za tepla [6]. Húževnatosť a tvrdosť nástrojových ocelí sú protichodné vlastnosti. Obecne možno konštatovať, že zvýšenie tvrdosti spôsobuje pokles húževnatosti a naopak zvýšenú húževnatosť je možné u danej oceli dosiahnuť len na úkor tvrdosti. Pritom môžeme zohľadniť rezervy v húževnatosti, ktorými sa vyznačujú pri rovnakej tvrdosti ocele vyrobené náročnejšími metalurgickými pochodmi (napr. pretavné pochody, stupeň prekovania a iné). Veľkosť austenitického zrna závisí od podmienok austenitizácie pred kalením. Za účelom maximálneho nalegovania austenitu uhlíkom a legujúcimi prvkami sa volia také podmienky austenitizácie (čo najvyššia teplota a vhodný čas), ktoré hrozia hrubnutím austenitického zrna a tým poklesom húževnatosti. Na druhej strane však vyššia legovanosť austenitu je zárukou väčšieho precipitačného spevnenia, vyššej pevnosti a odolnosti proti opotrebeniu, potrebných pri práci nástroja za zvýšených teplôt. Z uvedeného vidieť, že pri zaužívanom klasickom materiálovom riešení s cieľom zaistiť čo najvyššiu životnosť nástroja, sme nútení voliť kompromis medzi protichodnými požiadavkami na vlastnosti ocele [6]. -22-

25 Obr.3 Závislosť húževnatosti na teplote popúšťania pre nástrojovú oceľ pre prácu za studena [6] Odolnosť proti popúšťaniu Sú dôležité vlastnosti nástrojov, ktorých pracovný povrch je vystavený namáhaniu pri zvýšených teplotách. Zvýšenie teploty pracovného povrchu nástroja môže spôsobiť jeho dodatočné popustenie a tým pokles tvrdosti, pevnosti, odolnosti proti opotrebeniu, ako ja pokles merného objemu mikroštruktúry povrchovej vrstvy postihnutej dodatočným popustením [6]. Odolnosťou proti popúšťaniu rozumieme stabilitu mikroštruktúry pracovného povrchu nástrojov pri zvýšených teplotách vznikajúcich pri namáhaní v prevádzke. To znamená, že sa mikroštruktúra ocele dosiahnutá tepelným spracovaním nemení pri zvýšených teplotách prevádzky nástroja. Takúto odolnosť vykazuje napríklad mikroštruktúra tepelne spracovaných rýchlorezných ocelí až do 600 C. [6] Stálosť rozmerov Stabilita rozmerov je dôležitá predovšetkým u takých nástrojov, aké sú etalóny, meradlá v menšej miere o nástroje pre presné strihanie a tvárnenie plechov za studena. Z hľadiska konečného užívateľa nástrojov rozoznávame stabilitu počas tepelného spracovania a stabilitu počas používania. Rozmerové a tvarové zmeny v dôsledku tepelného spracovania môžeme minimalizovať dokončujúcimi operáciami. Oveľa nepriaznivejšie sú rozmerové a tvarové -23-

26 zmeny, spôsobené transformačnými zjavmi, prebiehajúcimi v priebehu používanie nástrojov. Týmto nežiaducim a nekontrolovateľným javom sa dá zabrániť s kvalitným tepelným spracovaním [4]. Príčinou nekontrolovateľných zmien v priebehu používania nástrojov sú samovoľne prebiehajúce transformácie v materiálu, ktoré majú súvislosť so zmenou objemu. Je to predovšetkým transformácia zvyškového austenitu na martenzit, alebo rovnaké precipitačné zjavy z martenzitu, spôsobujúce zmeny tetragonality martenzitu. Prvý zjav sa dá vyriešiť s vhodnou kombináciou (skôr nižšie) teploty austenitizácie, kalením sa, zmrazovaním a okamžitým popúšťaním. Druhý zjav súvisí predovšetkým s čistotou materiálu[4] Odolnosť proti opotrebeniu Pri používaní nástrojov vo veľkosériovej výrobe dochádza k veľmi zložitým procesom, ktorých výsledkom je opotrebenie pracovného povrchu. U nástrojov pre trieskové obrábanie, alebo tvárnenie kovov obvykle spolupôsobí viac druhov trenia (adhezívne, erozívne, únavové a iné). Niekedy je ťažké posúdiť, ktorý spôsob trenia je rozhodujúci z hľadiska výsledného opotrebenia. Najviac miera opotrebenia sa zvyšuje, keď pristupuje dynamický účinok pôsobiacich síl, alebo zvýšená teplota pracovného povrchu vyvolá dodatočné popustenie nástrojovej ocele [4]. Z vonkajších faktorov, ktoré môžu významne ovplyvniť odolnosť proti opotrebeniu jedného určitého nástroja, je možné uviesť: - kvalitu spracovávaného materiálu, - trecie pomery a v tejto súvislosti mazanie, - korózne vplyvy mazacieho prostredia, - veľkosť stykových napätí, - technológiu obrábania, resp. tvárnenia a pod. Adhézny typ opotrebovania Typický pri spracovaní mäkkých adhéznych kovových materiálov, ako hliník, meď, nerezy, nízkouhlíkové ocele. Pôsobením tlaku a trenia dochádza k vytváraniu mikrozvarov na rozhraní materiál-nástroj. Pri vzájomnom pohybe dochádza k vytrhávaniu mikročastíc nástroja, tieto ostávajú na pracovnom materiály a spôsobujú dodatočné opotrebovanie povrchu nástroja [9]. -24-

27 Tento typ opotrebovania často spôsobuje aj vyštiepavanie hrán nástroja. Cyklickým namáhaním dochádza k únave materiálu, mikropoškodenia na povrchu nástroja sa spájajú do mikrotrhlín, tie sa ďalej rozširujú a prehlbujú, čo môže viesť až k deštrukcii strižných hrán [9]. Dôležité vlastnosti nástrojovej ocele pri adhéznom type opotrebovania: vysoká tvrdosť nízky koeficient trenia materiál-nástroj vysoká plasticita Obr.4 Strižná hrana opotrebovaná adhézne, nástrojový materiál [9] Abrazívny typ opotrebovania Typický pri spracovaní tvrdých alebo materiálov obsahujúcich abrazívne častice ako karbidy alebo oxidy, napr. kalené pásky, trafoplechy a podobne.[9] Dôležité vlastnosti nástrojovej ocele pri abrazívnom type opotrebovania:[9] vysoká tvrdosť vysoký obsah karbidov vysoká tvrdosť karbidov veľkosť karbidov -25-

28 Obr.5 Strižná hrana opotrebovaná abrazívne, nástrojový materiál , [9] Náchylnosť na deformáciu a bortenie Rovnomerná zmena rozmerov, t.j. deformácia je spôsobená zmenami mikroštruktúry nástrojových ocelí vyvolanými tepelným spracovaním (napr. fázové premeny spojené so zmenou rozpustnosti tuhého roztoku, precipitačné procesy, premena zvyškového austenitu na martenzit a i.), prípadne dlhotrvajúcim zotrvaním na teplote okolia. Bortenie zmena tvaru nástrojov je zapríčinená napätiami makroskopickej veľkosti, ktoré vznikli v nástrojoch pri ich tvárnení, trieskovom opracovaní, tepelnom spracovaní. Na zníženie týchto napätí sa odporúča zaradiť po uvedených operáciách žíhanie na zníženie napätí. Bortenie môžu vyvolať aj napätie, ktoré vznikli v nástrojoch v priebehu ich používania. Aj v tomto prípade, s cieľom zabrániť ich nahromadeniu a tým borteniu, prípadne praskaniu nástrojov sa odporúča po určitej dobe prevádzky niektoré druhy nástrojov (napr. formy pre tlakové liatie zliatin hliníka) žíhať na zníženie napätí. Tepelným spracovaním nástrojov sa má dosiahnuť zmena ich vlastností zmenou mikroštruktútry ocele (s výnimkou žíhania na zníženiu napätí), preto zákonite dochádza pri tepelnom spracovaní k deformácii a k borteniu. Tieto neželané zmeny rozmerov a tvaru je možné predvídať, zahrnúť do vhodne voleného prídavku na brúsenie a a odstrániť brúsením. Veľmi škodlivé je neočakávané objavenie sa týchto chýb. Napr. u nástrojov pre trieskové obrábanie kovov brúsených na konečné rozmery, vplyvom nedostatočného popustenia veľmi často dochádza k zväčšeniu rozmerov pri nitridácii (premenou zvyškového austenitu na martenzit), alebo k zmenšeniu rozmerov (popúšťacími procesmi v martenzite pri teplotných podmienkach nitridácie). V takýchto prípadoch deformácia znamená obvykle znehodnotenie nástroja. [6]. -26-

29 1.2.9 Brúsiteľnosť, leštiteľnosť Z technologických vlastností sa dá spomenúť napr. brúsiteľnosť a leštiteľnosť. Obidve vlastnosti čiastočne súvisia s oteru vzdornosťou. Napríklad brúsiteľnosť sa stáva problematickou, kým materiál obsahuje väčší objemový podiel tvrdých karbidov typu MC (až 3000 HV tvrdosti). Zhoršovanie brúsiteľnosti bežnými brúsivami výrobcovia nástrojových materiálov riešia normatívy, ktoré popisujú, akým brúsivam a za akých podmienok sa dá ten, ktorý materiál brúsiť. Čo sa týka leštiteľnosti, problém spočíva najmä v rovnorodosti štruktúry a v schopnosti matrice (spravidla v martenzitickom stavu) viazať karbidické fázy. Pokiaľ sú v materiály zhluky karbidov, tieto majú tendenciu uvoľňovať sa z matrice, čo po leštení zhoršuje drsnosť a tým bráni dokonalému vylešteniu tvarovej plochy.[4] Leštiteľnosť vystupuje do popredia predovšetkým u nástrojov pre tvárnenie plastických hmôt, u nástrojov pre razenie mincí a pod. Leštiteľnosť sa zlepšuje s rastom tvrdosti, s rovnomernosťou rozloženia karbidov v matrici, s poklesom množstva nekovových inklúzií a zvyškového austenitu. Preto ledeburitické chrómové ocele, ktoré vykazujú obvykle zvýšenú riadkovistosť karbidov, sú z hľadiska leštiteľnosti veľmi negatívne hodnotené, obr 6. Na vyleštený povrch sa spracovávaný materiál intenzívne nalepuje. Oxidáciou, alebo nitridáciou povrchu je možno tento nevítaný jav obmedziť.[6]. Obr.6 Riadkovité rozloženie ledeburitických karbidov chrómu v oceli , zv. 250x[6] -27-

30 1.3 Tepelné spracovanie nástrojových ocelí pre prácu za studena S ohľadom na použitie v praxi sa nástrojové ocele delia na ocele pre prácu za studena, za tepla, ocele pre výrobu ručného náradia, ocele pre trieskové opracovávanie kovov atď. Toto rozdelenie však z hľadiska posudzovania nárokov na tepelné spracovanie nie je úplne najvhodnejšie. Dôvodom je najmä skutočnosť, že napr. pre prácu za studena sa používa veľká skupina materiálu, ktoré sa rozlišujú od seba výrazne chemickým zložením, a teda i nároky na tepelné spracovanie. Z hľadiska tepelného spracovania je výhodné rozdeliť nástrojové ocele do nasledujúcich 4 skupín: ocele uhlíkové, ocele nízkolegované, ocele vysokolegované pre prácu za tepla a ocele ledeburitické a rýchlorezné [15] Východiskový stav nástrojových ocelí Nástrojové ocele sa do výrobného procesu dodávajú z hutníctva prevažne v stave žíhania na mäkko. Štruktúra je tvorená feritickou matricou a globulárnymi karbidmi eutektoidného, častejšie tiež sekundárneho pôvodu. U vysokolegovaných ocelí sa v štruktúre rovnako nachádzajú eutektické, alebo dokonca primárne karbidy. U ocelí, vyrobených klasickou tavnou metalurgiou, tieto karbidy sa líšia od globulárnych karbidov, sféroidických v procese žíhania na mäkko, veľkosť (spravidla sú väčšie), tvarom (väčšinou sa jedná o hranaté karbidické častice) a rozmiestnením (zachovávajú si svoje distribúcie, získanú primárnou metalurgiou, alebo nasledujúcim tvárnením). U ocelí, vyrobených postupom metalurgie rýchlo stuhnutých častíc (PM ocele), sa od seba jednotlivé karbidické fázy nelíšia ani veľkosťou, ani tvarom, a ich rozmiestnenie po objeme materiálu je statisticky náhodné. Primárne a eutektické fázy sa procesu tepelného spracovania väčšinou aktívne nezúčastnia, lebo behom austenitizácie (ohrev na teplotu kalení) sa v autenite nerozpustia. Ich pasívne role napr. pri obmedzovaní rastu zrna, je však tiež veľmi dôležité. Tak isto funkcia nástrojov bez existencie týchto karbidov je nepredstaviteľná sú to napr. práve nerozpustné karbidy vanádu, ktoré väčšine ocelí, určených pre aplikácie, vyžadujúce vysokú oteruvzdornosť, umožňujú plniť svoju funkciu [15]. -28-

31 1.3.2 Austenitizácia Ledeburitické a rýchlorezné ocele Tieto ocele majú zo skupiny všetkých nástrojových materiálov najvyšší stupeň legovania. Väčšina legúr, ktoré sú v oceliach obsiahnuté, výrazne znižujú obsah uhlíku v eutektoidnej zmesi. Následkom toho preto nemá premena eutektoidu dostatočné nasýtenie austenitu uhlíkom a legúrmi. K tomu dochádza až vplyvom postupného rozpustenia sekundárnych karbidov pri vyšších teplotách. Súčasne dochádza k homogenizácii chemického zloženia austenitu. Z dôvodu potreby vysokej teploty pre rozpustenie väčšiny sekundárnych karbidov v austenite sa kaliace teploty rýchlorezných ocelí, určených pre rezné nástroje, nachádzajú v úzkom páse pomerne tesne pod solidusom materiálu. V prípade rýchlorezných ocelí, určených pre nástroje pracujúce za studena sa volia austenitizačné teploty skôr nižšie, aby bolo zrno jemnejšie a tým sa zvýši húževnatosť. Podobne sa nižšie kaliace teploty volia i pre nástroje, vyrobené z chrómových ledeburitických ocelí obvykle sa používajú teploty v rozmedzí 950 až Väčšina chrómových karbidov typu M7C3 sa v austenite už pri týchto teplotách rozpustí intenzívnejšie. Vyššie austenitizačné teploty nevedú k zlepšeniu vlastnosti, práve naopak. Okrem nežiaduceho rastu zrna dochádza rovnako k stabilizácii veľkého množstva zbytku austenitu, čo je spojené s výrazným poklesom tvrdosti. Mechanizmus ohrevu na austenitizáanej teplote vo vákuových pecných zariadeniach a voľba teplôt behom tohto ohrevu je veľmi podobné, ako u ocelí pre prácu za tepla. Nástroje pre práce za studena spravidla výrazne subtilnejšie, ich tepelná vodivosť je naopak ešte výraznejšie horšia, než u nástrojov pre prácu za tepla. Preto môže nerovnomerný ohrev na kaliaciu teplotu zapríčiniť deformáciu i u menších nástrojov. Na podmienkach austenitizácie závisí tvrdosť po kalení a tiež po nasledujúcom popustení. Podobne závisí na podmienkach austenitizácie a ďalšie veľmi dôležité vlastnosti najmä húževnatosť. Tieto skutočnosti už boli spomenuté u chrómových ledeburitických ocelí, ale sú podstatné i u rýchlorezných ocelí. Už pri malom prekročení optimálnej výške kaliacej teploty dochádza k hrubnutiu austenitického zrna, ktoré je spojené s výrazným poklesom húževnatosti. O niečo vyššia odolnosť voči prehriatiu majú ledeburitické ocele vyrobené práškovou metalurgiou rýchle stuhnutých častíc vďaka jemným a rovnomerne rozmiestneným časticiam karbidov. Najmä -29-

32 karbidy typu MC sú pri zabránení prehriatiu ledeburitických ocelí veľmi účinné. Na druhej strane je pre austenitizácie ocelí s vysokým obsahom vanádu (PM ocele) za potreby použiť dlhších výdrži na austenitizačné teploty [15] Kalenie Ledeburitické a rýchlorezné ocele Vzhľadom k vysokému stupňu legování sú ocele ledeburitického typu veľmi dobré prekaliteľné, takže do priemeru cca 100 mm sa dá zakaliť i na vzduchu. Pri pomalom ochladzovaní z kaliacej teploty však môže dôjsť k vylúčeniu proeutektoidných karbidov podľa prerušovanej čiary v ARA diagramu na obr. 7. po hraniciach zŕn austenitu, čím sa jednak znižuje sekundárnu vytvrdzovaciu schopnosť materiálu, jednak môže klesnúť húževnatosť či je týchto karbidov viac a vytvorí spojité obálky. Snímka na obr. 8,9,10. ukazujú na postupnosť štruktúrnej zmeny v závislosti na rýchlosť ochladzovaní v teplotnom intervalu C pre oceľ typu M2 (ČSN ). Z uvedených dôvodov je nutné tieto materiály aj napriek ich výbornej prekaliteľnosti ochladiť dostatočne rýchlo [15]. Obr.7 ARA diagram rýchloreznej ocele M2. Teplota austenitizácie 1080 C. Čas 30 min. V kalenom stavu je štruktúra ocele ledeburitického typu tvorená martenzitom, nerozpustenými karbidmi a obj. % zvyškového austenitu. So zvyšujúcou sa kaliacou -30-

33 Bakalárska práca teplotou množstvo zvyškového austenitu vzrastá v dôsledku väčšieho nasýtenia austenitu uhlíkom a legúrmi, snižujúcimi teplotu Ms. Podobne rastie množstvo zvyškového austenitu i neskôr na austenitizačnej teplote, i keď menej výrazne. Na druhej strane však napríklad odolnosť voči popúšťaniu a tvrdosť po kalení podľa očakávania mierne rastú [15]. Obr.8,9,10 Vplyv rýchlosti ochladzovania na mikroštruktúru ledeburitickaj ocelí, typu M2 (zľava 14- t8/5=20 s, 15- t8/5=172 s, 16- t8/5= 1295 s) Popúšťanie Ledeburitické a rýchlorezné ocele Zvyškový austenit tohto typu ocele vykazuje a dôsledku vysokého stupňa legovania značnou termickou stabilitou. Preto je nutné, podobne ako nástroje pre prácu za tepla, i tieto materiály ihneď po kalení popúšťať. Pre dosiahnutie úplne rozmery zvyškového aistenitu s počtom popúšťaní rastú teploty Ms a Mf, čo sa niekedy využíva pri racionalizácii popúšťania rýchlorezných ocelí. Väčšina ocelí ledeburitického typu má schopnosť tzv. sekundárneho vytvrdzovaniu. Príčinou tohto efektu je transtormačno - precipitačný proces, spočívajúci v sekundárnej martenzitickej transformácii a precipitacii jemných karbidov behom izotermickej výdrže na popúšťanej teplote. Pre ilustráciu vplyvu jednotlivých podprocesov na výsledný efekt vytvrdzovaniu sa dá použiť rozdelené popúšťacie krivky na príspevkyod čiastkových podprocesov podľa Kulmburga (obr. 11). Pri popúšťaní v oblasti nižších teplôt (do 350 C) sa objavuje pokles tvrdosti pri súčasnom zvýšení húževnatosti. V prípadoch, keď dochádza k precipitácii karbidov typu M3C sa martenzit ochudobňuje o uhlík so súčasným poklesom jeho tvrdosti. Vznik týchto karbidických precipitátov nestačí totiž vykompenzovať úbytok tvrdosti, spôsobený ochudobnením mrtenzitu o uhlík. Zvýšené teploty popúšťania na 400 C 525 C má za -31-

34 následok precipitáciu karbidov na báze chrómu a rast tvrdosti, predovšetkým u chrómových ocelí. U rýchlorezných ocelí je maximum sekundárnej tvrdosti v závislosti na chemickom zložení a teplote austenitizácie pri teplotách 540 C 580 C, kedy dochádza k precipitáciu karbidov na báze volfrámu, molybdému a vanádu [15]. Tvrdosť [HV] Teplota popúšťania [ C] Obr. 11 Príspevok diaľkových dejov na tvrdosti ocelí ledeburitiského typu pri popúšťaní. (1 - výsledná krivka, 2 vplyv popúšťania martenzitu, 3 vplyv precipitácie karbidov, 4 vplyv transformácie zvyškového austenitu) [15] Pri prekročení optimálnej teploty popúšťania nastáva úplný rozpad martenzitu, sferoidizacia a následne rast karbidických precipitátov. Súčasne klesá ich počet, čo spôsobuje znižovanie tvrdosti ocele a zvýšenie húževnatosti. Pre zabezpečenie úplnej transformácie zvyškového austenitu na martenzit a popúšťanie tohto martenzitu sa ledeburitickej a rýchloreznej ocele bez obsahu kobaltu musí popúšťať najmenej trikrát.. Rýchlorezné ocele, obsahujúce kobalt, sa musí popúšťať najmenej štyrikrát, a to väčšinou tiež pri vyššej teplote, než ocele bezkobaltové. Dôvodom je skutočnosť, že kobalt pôsobí ako legúra, spevňujúca substitučné tuhý roztok (nevytvára karbidy), čím spomaľuje difúzii. Po kalení a popúšťaní môže tvrdosť dosahovať v závislosti na chemickom zložení a účelu použitia až cez 900 HV (rezné aplikácie obrábanie kovov). Pre nástroje pre prácu za studena sa tak vysoké tvrdosti nepoužívajú, obvykle stačí 700 HV (cca 60 HRC). Každopádne, tepelným spracovaním sa dosahuje prakticky konečných vlastností nástroje, ktoré sa následne už nemenia, aspoň čo sa týka jadra materiálu [15]. -32-

35 2 LITERÁRNY PREHĽAD O TEÓRII A TECHNOLÓGII BORIDOVANIA 2.1 Chemicko-tepelné spracovanie ocelí (CHTS) Cieľom každého procesu tepelného spracovania je získanie istého štruktúrneho stavu, ktorý zabezpečí dosiahnutie vyžadovaných vlastností[12]. Chemicko-tepelné spracovanie materiálov je proces, ktorým zabezpečíme zmenu chemického zloženia povrchu kovov a zliatin, vytvorenie iného typu štruktúry povrchovej vrstvy, čím sa získajú výhodnejšie mechanické, fyzikálne a chemické vlastnosti súčiastok. Zmena chemického zloženia povrchu súčiastok sa dosahuje chemickým pôsobením obklopujúceho prostredia pri zvýšenej, resp. vyššej teplote [14]. Cieľom chemicko-tepelného spracovania materiálov je najčastejšie zvýšenie tvrdosti povrchu, zlepšenie odolnosti súčiastok proti opotrebeniu a zvýšenie odolnosti proti únavovému porušeniu. Požadované vlastnosti sa dosiahnu buď priamo, t.j. obohatením povrchovej vrstvy príslušným prvkom (napr.:n, S, Cr, Al, B), alebo aj nasledujúcim tepelným spracovaním kalením a popúšťaním(c, C+N).V jadre súčiastok sa pri tomto procese zachováva, prípadne vzniká rozdielny typ mikroštruktúry v porovnaní s povrchom, najčastejšie charakterizovaný nižšími hodnotami tvrdosti, vyššími hodnotami húževnatosti a zvýšenou odolnosťou voči krehkému lomu. V niektorých špecifických prípadoch chemickotepelného spracovania sa dosiahnu aj výborné žiaruvzdorné a koróziivzdorné vlastnosti materiálov [14]. Celý proces chemicko-tepelného spracovania možno rozdeliť na tri štádiá: 1. tvorba aktívnych atómov v nasycujúcom prostredí 2. adsorpcia atómov na povrchu nasycovanej súčiastky 3. difúzia atómov v mriežke základného materiálu Tieto jednotlivé procesy spolu navzájom súvisia a ovplyvňujú kinetiku procesu, fázové zloženie a štruktúru nasycovanej vrstvy [18]. Pri chemicko-tepelnom spracovaní musí prísun aktívnych atómov k nasycovanému povrchu prevyšovať množstvo atómov, difundujúcich z povrchu súčiastky smerom do jadra. Koncentrácia prvku v povrchovej vrstve závisí od aktivity prvku v nasycujúcom prostredí (potenciálu atmosféry) a rýchlosti difúzie prvku z povrchu smerom do jadra. Čím vyššia je aktivita prvku v nasycujúcej atmosfére a nižšia rýchlosť jeho difúzie -33-

36 v základnom materiáli, tým vyššia koncentrácia prvku vzniká v blízkosti fázového rozhrania s nasycujúcim prostredím[18]. Postupy chemicko-tepelného spracovania možno rozdeliť do dvoch skupín:[1] 1. Cementovanie, nitridovanie, nitrocementovanie, 2. difúzne pokovovanie nasycovanie ďalšími prvkami. Proces prenosu hmoty (nasycujúcich prvkov) je možné principiálne rozdeliť na päť podprocesov:[13] 1)reakcie v reakčnom prostredí (tvorba zložky zabezpečujúcej prenos difundujúceho prvku) 2) difúzia v reakčnom prostredí (prívod difundujúceho prvku k povrchu, odvod produktov reakcie tvoriacich sa na fázovom rozhraní) 3) reakcie na fázovom rozhraní kov-reakčné prostredie 4) difúzia v kove 5) reakcia v kove 2.2 Teória boridovania Boridovanie je nasycovanie povrchu ocelí bórom za účelom zvýšenia povrchovej tvrdosti, odolnosti proti opotrebeniu pri abrazívnom trení, klznom trení a trení za zvýšených teplôt [14]. Proces sa realizuje v intervale teplôt C. Nasycovať bórom je možné všetky typy ocelí. Boridujú sa rôzne tvárniace nástroje, súčiastky mechanizmov pracujúcich v abrazívnych prostrediach, formy pre tlakové liatie farebných kovov a pod.. Hrúbky boridovaných vrstiev bývajú v rozsahu 0,1 0,3 mm a čas boridovania je najčastejšie 3 až 6 hodín. Uhlík a legujúce prvky spomaľujú rast vrstvy boridov. Boridovaná vrstva má vysokú tvrdosť 2000 HV, odolnosť proti opotrebovaniu, tepelnú odolnosť (do C) a je odolná proti tvorbe okují.[13,14]. -34-

37 2.2.1 Rovnovážny binárny diagram Fe B Bór je chemický prvok v periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku B a protónové číslo 5. Bór je prvým a najľahším prvkom v tretej skupine. Známe sú dva prirodzené izotopy s hmotnostnými číslami 10 a 11. Zvyšuje prekaliteľnosť a je možné ho pridať i do žiarupevných ocelí. V množstve 0,001 až 0,005% sa pridáva do ocelí na zušľachťovanie, kde nahrádza deficitné prvky ako Ni, Mo, Cr. Bór sa zaraďuje do skupiny metaloidov, ktoré s polomerom atómov menším ako 10 ¹ºm vytvárajú s tranzitnými kovmi, ktoré nie sú silne elektronegatívne, intersticiálne tuhé roztoky. [18]. Intenzívnym nasycovaním ocele bórom podľa diagramu Fe-B (obr.12.) sa vytvorí na povrchu materiálu súvislá vrstva boridu FeB (koncentrácia 16,25 hmot. % B), pod ňou je súvislá vrstva boridu Fe2B (koncentrácia 8,84 hmot. % B) a v prechodovej zóne do jadra materiálu vznikne tuhý roztok α-železa alebo γ-železa podľa výšky teploty. Rozpustnosť bóru v mriežke feritu, resp. austenitu dosahuje iba tisíciny hmot. % [14]. Bór vytvára v priestorovo centrovanej mriežke Feα substitučný tuhý roztok a v plošne centrovanej mriežke Feγ interstitický tuhý roztok. Tento neobvyklý jav možno vysvetliť tým, že z hľadiska veľkosti atómu stojí bór na rozhraní prvkov s minimálnymi rozmermi atómov (H, N, C) a substitučne difundujúcimi atómami ostatných prvkov v mriežkach železa [6]. -35-

38 Obr.12 Binárny diagram Fe-B [6] Zistilo sa, že pri boridovaní ocelí nastáva redistribúcia prvkov medzi povrchovou vrstvou a jadrom. Uhlík je v procese boridovania vytláčaný z povrchu do jadra. Tesne pod vrstvou boridov sa vytvára prechodová zóna obohatená uhlíkom. Podobne sa správa aj kremík. V oceliach so zvýšeným obsahom Si sa v prechodovej oblasti tvorí grafit a ferit. Pri tvorbe grafitu sa vrstva boridov ľahko porušuje. Chróm a mangán difundujú z jadra k povrchu. V takýchto prípadoch sa tvoria boridy typov (Fe, Mn, Cr)B a (Fe, Mn, Cr)2B, ktoré sú izomorfné s boridmi FeB a Fe2B. Uhlík a legujúce prvky spomaľujú rast vrstvy boridov [12]. Mikrotvrdosť boridu FeB je najvyššia, dosahuje 1800 až 2200 HV. Legujúce prvky majú na túto hodnotu minimálny vplyv: Mo, W, Mn a Cr ju mierne zvyšujú, a Ni, Al, Cu ju znižujú. Mikrotvrdosť boridu Fe2B dosahuje o niečo nižšie hodnoty 1600 až 1800 HV. Obsah legujúcich prvkov tvrdosť Fe2B prakticky neovplyvňuje [6]. Rozpustnosť bóru v α, resp. v γ mriežke železa dosahuje len tisíciny percent. Vlastnosti tuhého roztoku α nie sú v literatúre opísané, ale dá sa predpokladať, že sú silne závislé od -36-

39 chemického zloženia ocele a jej tepelného spracovania po boridovaní. Tvrdosť boridov nezávisí od tepelného spracovania ocele [6] Boridické vrstvy Boridické vrstvy Fe2B a FeB (obrázok 13) sa podstatne odlišujú v rozťažnosti. Po ochladzovaní vo vrstve Fe2B vzniknú tlakové napätia, vo vrstve FeB ťahové napätia. Rozdiel rozťažnosti v rozsahu teplôt C je viac ako trojnásobný, čo môže viesť k tvorbe trhlín kolmo vo vrstve a aj medzi vrstvami. Najvýhodnejšie je, ak vrstvu tvorí samotný borid Fe2B alebo s čo najmenším podielom FeB [14]. Obr. 13 Schéma dvojfázovej boridovanej vrstvy tvorenej boridmi FeB a Fe2B [14] Podľa Vorošnina a Ljachoviča môžeme boridické vrstvy rozdeliť zo štruktúrneho hľadiska do skupín, uvedených na obr. 14 [18]. -37-

40 Obr. 14 Rozdelenie boridických vrstiev podľa mikroštruktúy [18] 1 FeB, 2 Fe2B, 3 α fáza, 4 Fe(B), 5 eutektikum (α + Fe2B), 6 perlit, IX XIV prechodové typy štruktúr Do prvej skupiny patria jedno a dvojfázové vrstvy so súvislou vrstvou boridov, ako aj boridické vrstvy s charakterom tuhého roztoku. Do druhej skupiny patria štruktúry eutektického typu, v ktorých nie je kontinuálna vrstva boridov. Dvojfázové súvislé boridované vrstvy (FeB + Fe2B) vznikajú na oceliach boridovaním v aktívnych prostrediach pri teplotách pod 1100 C. Jednofázové boridované vrstvy možno získať v málo aktívnych zmesiach (napr. na báze karbidu bóru alebo amorfného bóru) s vysokým obsahom výplňových látok. Jednofázové vrstvy boridov typu Fe2B vznikajú aj pri boridovaní v roztavenej zmesi bóraxu s ferosilíciom, feromangánom alebo silikomangánom. Boridované vrstvy s charakterom tuhého roztoku možno získať vo veľmi málo aktívnych nasycujúcich prostrediach. Tento spôsob sa používa len v špeciálnych prípadoch. Boridované vrstvy s charakterom legovaného tuhého roztoku, vznikajú pri nasycovaní ocelí v zložitých zmesiach obsahujúcich bór. Majú len malý praktický význam [18]. -38-

41 Štruktúry eutektického typu vznikajú na oceliach pri boridovaní v blízkosti teploty solidu systému železo bór.možno ich získať boridovaním v neizotermických podmienkach, pri postupne vzrastajúcej teplote (do 1100 C až 1175 C) alebo krátkodobým indukčným ohrevom súvislých boridických vrstiev na teplotu 1100 C až 1150 C v inertnej atmosfére alebo vo vákuu. Najväčší praktický význam majú súvislé jedno a dvojfázové boridované vrstvy. Ich nevýhodou je náchylnosť na vylamovanie v podmienkach dynamického namáhania. V takýchto prípadoch je výhodnejšie použiť boridované vrstvy so štruktúrou eutektického typu, ktoré sú menej krehké a odolnejšie proti porušeniu pri dynamickom namáhaní. Štruktúra boridovaných vrstiev závisí nielen od technologických parametrov procesu boridovania, ale je výrazne ovplyvnená aj chemickým zložením základného materiálu. Kryštály boridov majú na uhlíkových a nízkolegovaných oceliach charakteristický ihlicový, kužeľovitý tvar [18] Vplyv legujúcich prvkov na hrúbku boridickej vrstvy V legovaných oceliach vznikajú komplexné boridy železa a legujúcich prvkov. Rozpustnosť uhlíka v boridoch je veľmi nízka (pod 0,047 % C). Z tohto dôvodu v priebehu rastu stĺpcovitých kryštálov boridov z povrchu smerom do jadra dochádza súčasne k difúzii uhlíka smerom do jadra a k podstatnému zvýšeniu jeho koncentrácie pod boridovanou vrstvou. Obsah uhlíka pod boridovanou vrstvou sa môže v nízkolegovaných oceliach zvýšiť až na eutektoidnú koncentráciu. Súčasne dochádza k difúznemu premiestneniu niektorých legujúcich prvkov z boridovanej vrstvy smerom do jadra (Cr, W, Mo), iných z jadra do vrstvy (Ni, Mn, Si). K najvýraznejšiemu zmenšeniu hrúbky boridovanej vrstvy dochádza v oceliach legovaných Mo, W, menší účinok majú Cr, Al, Cu, najmenší Ni a Mn. Z (obr. 15) možno pozorovať, že hrúbka boridickej vrstvy sa pri rovnakých podmienkach boridovania zmenšuje so zvyšovaním legovanosti ocelí [14]. -39-

42 Obr. 15 Hrúbka boridickej vrstvy v závislosti od času pre rôzne boridované materiály pri rovnakých podmienkach boridovania Vlastnosti boridovanej vrstvy Odolnosť proti oteru Vyššia tvrdosť sa väčšinou hodnotí ako ukazovateľ vyššej odolnosti oproti oteru. Okrem tvrdosti je ešte veľa ďalších ovplyvňujúcich faktorov, napr. stav povrchu, sklon ku studenému navarovaniu a spôsob namáhania (tie rozhodujú o odolnosti proti oteru). Boridické vrstvy vykazujú vysoké tvrdosti 1700 až 2500 HV ale aj malé sklony k navarovaniu za studena. V pokusoch sa ukázalo, že hrúbku boridickej vrstvy treba prispôsobiť účelu použitia. Pri čisto kovovom otere strojných dielov väčšinou stačí hrúbka vrstvy v rozsahu 50 µm až 100µm, ale pri minerálnom otere sa požaduje hrúbka až 300 µm [17]. -40-

43 Priľnavosť a ťažnosť Dobre zúbkovité prichytenie boridovanej vrstvy k základnému materiálu je predpokladom toho, že vrstva pri iným namáhaním sa neodtrhne a neodlepuje. Intemetalické zlúčeniny sú vo všeobecných prípadoch skutočne krehké, je treba vždy venovať pozornosť tomu, že (podobne ako u cementových obrobkov) boridovaný obrobok sa skladá zo spojeného materiálu a preto ťažnosť závisí na hrúbke vrstvy a na zbývajúcom základnom materiálu a jeho vlastnostiach. Pri ohybových skúškach boridovaných vzoriek sa strednými silami vrstvy od 150µm do 200µm sa u jednofázových vrstiev dosahuje preťaženie do hodnoty okolo 4 % bez vytvárania prasklín. To znamená že i boridované diely sa dajú v určitom rozsahu po spracovaní upravovať bez tvorby trhlín [17]. Stav povrchu Hrubosť povrchu sa pri boridovaní mení len v tom prípade, keď plocha pre boridovaním vykazuje menšiu hrubosť jak 3 µm. V takýchto prípadoch sa prejaví zvýšenie hrubosti až na úroveň 3 µm. Pri spracovaní dielov s vyššími hodnotami hrubosti povrchu sa ďalšie zvýšenie tohto parametru neprejavuje, ale tak isto sa neprejaví ani žiadne vyhladzovanie. V mnohých prípadoch je možné spracované výrobky používať bez následného spracovania. Kvôli vysokej tvrdosti následné spracovanie boridovaných výrobkov je ťažké. Podľa skúseností sa pre leštenie povrchu najlepšie hodí leštiace telesá z čistého korundu v tvrdom až veľmi tvrdom prevedení. Zrnitosť brusného prostriedku má pritom byť najmenej 100 až 200. Kým sa požaduje spracovanie s odberom triesky, tak sa môžu použiť diamantové nástroje, ale aj brúsne telesá z čistého korundu, alebo z karbidu krémiku, s podobným stupňom tvrdosti a s podobnou veľkosti zrna [17]. Zmena rozmerov Rovnako ako u všetkých difúznych postupov, tak aj pri vytváraní boridických vrstiev, je potrebné počítať so zvyšovaním objemu. Zmeny rozmerov závisia najviac na vytvorenej hrúbke vrstvy, ale tiež na používanom materiáli. Zvýšenie objemu robí všeobecne 20 až 25% hrúbky vrstvy. U vysokolegovaných materiálov je zvýšenie objemu výrazne väčšie a môže byť až 80% hrúbky vytvorenej vrstvy. Zvýšenie objemu možno stanoviť predbežnými skúškami, takže nárast vrstvy sa môže zohľadniť už pri opracovaní súčiastok. Zmeny tvaru sú na základe pomalého ohrievania a -41-

44 ochladzovania v priebehu boridovania za normálnych okolností malé. Možné je tiež spracovanie dlhých a tenkých súčiastok bez deformácie. Pretože boridovaná vrstva môže prijať určité zaťaženie bez vzniku trhlín, je v prípade menších deformácií možná náprava [17]. Korózne vlastnosti Korózna odolnosť nízkolegovaných a nelegovaných ocelí sa boridovaním zlepšuje. Ponorením do 18 % kyseliny chlorovodíkovej je možné základný materiál pod boridickou vrstvou úplne rozpustiť, ale boridická vrstva zostáva nenarušená. Oproti tomu sú korózne vlastnosti horšie v odolnosti proti oxidujúcim kyselinám, ako je napríklad kyselina dusičná HNO3 [17] Boridovanie ocelí Konštrukčné ocele, väčšinou cementovaných a tvrdených, chemicky odolných a nástrojových typov sa boridujú ako napríklad Armco železo, liatina a železo. Vysokokaliteľné ocele v minulosti boli nahradené oceľami s nižšou kvalitou a týmto zlepšili potrebné vlastnosti prostredníctvom boridovania. Toto nie je bežný postup. Tak, ako pri iných technológiach povlakovania je možno dnes použitie boridavania akejkoľvek ocele a pre zabezpečenie dodatočnej ochrany povrchu. Dosiahnuteľná hrúbka boridovanej vrstvy sa znižuje so vzrastajúcim množstvom legujúcich prvkov. Štruktúra boridovanej vrstvy je značne ovplyvňovaná základným materiálom. Štruktúrna charakteristika boridovanej vrstvy nelegovanej a nízkolegovanej ocele sa stáva menej zrejmou, ako časť narastajúcich zliatinových prvkov. Pre boridovanie nie sú vhodné vysokorýchlostné ocele. Kaliaca teplota týchto ocelí je obyčajne na 1150 C a cez tvorbu eutektika začína ničiť teplotu boridovanej vrstvy, čo znamená, že tieto ocele bez zničenia boridovanej vrstvy nemôžu byť správne kalené [19]. -42-

45 2.3 Technológie procesu boridovania Boridovanie je možné realizovať v tuhom prostredí, plynnom prostredí, elektrolyticky alebo v plazme [14]. Boridovanie je možné robiť: v práškovej zmesi asi 60% amorfného bóru, ferrobóru alebo karbidu bóru, 2 až 4% NH4Cl a mletého šamotu, oxidu hlinitého, prípadne kremičitého piesku : - v plynnej zmesi B2H6 + H2 v pomere 1:25 až 1:150; - ďalej v zmesi BCl3 + H2 v pomere 1:20. Nevýhodou týchto atmosfér je ich výbušnosť v zmesi so vzduchom; v soľných kúpeľoch, napr. v bóraxe Na2B4O7, v zmesi 70 % Na2B4O7 + 30% NaCl; 40% B4C + 60% Na2B4O7 [6] Boridovanie v soľných kúpeľoch Boridovanie v soľných kúpeľoch za súčasného pôsobenia elektrolýzy je najvýhodnejšie zo všetkých spôsobov. Zaisťuje optimálnu kvalitu boridovanej vrstvy pri rýchlosti rastu vrstvy o 25% vyššej, ako bez elektrolýzy za inak rovnakých podmienok [6] Elektrolytické boridovanie Elektrolytické boridovanie je najprogresívnejším procesom a je jedinýmm spôsobom využívaným u nás v prevádzkovom rozsahu [6]. Tento typ boridovania sa najčastejšie uskutočňuje v roztavených soliach. Nasycujúcim prostredím býva bórax Na2B4O7. Niekedy sa do bóraxu pridávajú ďalšie prísady napr. NaCl, B4C, B2O3. Pri elektrolytickom boridovaní sa súčiastky ohrievajú tiež odporovým teplom. Tým sa ich teplota zvyšuje o 20 až 30 C nad teplotu kúpeľa. Teplota nasycovaného povrchu z uvedeného dôvodu je o 100 až 150 C vyššia, ako teplota kúpeľa. Miestne zvýšenie teploty na elektrolyticky boridovanom povrchu nad 1100 C hrozí natavením boridového eutektika, preto je potrebné dodržiavať teplotu kúpeľa a hustotu prúdu na povrchu katód v predpísanom rozmedzí [12,6]. Potenciál elektrolytického vylučovania bóru z roztaveného bóraxu je v celom intervale teplôt bórovania nižší, ako potenciál vylučovania sodíka, preto produktom vylučovania má byť v prvom rade bór. Tento jav podporuje aj zníženie koncentrácie bóru na styku s katódou -43-

46 jeho absorpciou povrchom katódy. Podľa tohoto názoru teda bor v stave zrodu vzniká na povrchu katódy boridovanej súčasti priamo ako produkt elektrolýzy a nie nepriamo cestou redukcie B2O3 sodíkom. Obsah B2O3 v kúpeli vplýva na hrúbku difúznej vrstvy do 60 % kladne, ďalšie zvyšovanie obsahu B2O3 vplýva záporne, pretože spôsobuje stúpnutie viskozity kúpeľa a tým zhoršenie difúznych procesov v kúpeli. S cieľom zvýšiť aktívnosť kúpeľa sa niekedy postupne pridáva doň B2O3 alebo B4C.Karbid bóru reaguje s bóraxom: 6B4C + Na2B4O7 28B + Na2O + 6CO [6]. Obr. 16 Schéma zariadenia pre elektrolytické boridovanie 1 - súčiastka, 2 - uhlíková elektróda, 3 - kúpeľ, 4 - ukazovateľ teploty, 5 - zdroj jednosmerného prúdu, 6 - regulačný transformátor, 7 - termočlánok, 8 - kelímok, 9 - kompenzačné vedenie Pri elektrolytickom boridovaní sú súčiastky pripojené na zdroj jednosmerného prúdu o napätí 6 až 24V ako katódy, anódou je grafitová elektróda ponorená do kúpeľa. Hustota prúdu na povrchu katód má dosahovať 0,20 až 0,24Acmˉ².Teplotu kúpeľa pri elektrolytickom boridovaní je treba udržiavať v rozmedzí 900 až 950 C a čas nasycovania je obvykle 2 až 4 h, celková hrúbka vrstvy je 0,1 až 0,3 [6]. Pri elektrolytickom boridovaní možno získať monofázovú vrstvu z Fe2B vtedy, keď katódová prúdová hustota nepresiahne ³ 1*10 Ammˉ². Po skončení procesu elektrolytického boridovania býva povrch predmetov pokrytý vrstvou usadenín z kúpeľa, ktoré sa veľmi ťažko odstraňujú. Priaznivejšie vlastnosti možno -44-

47 dosiahnuť zmenou polarity na elektródach v posledných 5 až 30 minútach procesu nasycovania. Týmto spôsobom sa zabráni vzniku usadenín na povrchoch súčiastok, ktoré je takto možné v prípade potreby kaliť z teploty boridovania [12] Žiadané vlastnosti vykazuje len kvalitná boridovaná vrstva, ktorej mikroštruktúru tvoria vzájomne dobre sa prelínajúce stĺpkovité kryštály boridov a ostro zakončených kryštálov α fázy, obr.17 [6]. Obr.17 Mikroštruktúra kvalitnej boridovanej vrstvy [6] Boridovaná vrstva vzniknutá na oxidovanom povrchu ocele vykazuje miestne rozdiely v stavbe mikroštruktúry, kde boridy vytvárajú polyedrické zrná v α fáze(obr.18), takáto stavba mikroštruktúry spôsobuje zvýšenú krehkosť vrstvy [6]. Obr. 18 Mikroštruktúra chybne boridovanej vrstvy ocele, vznik polyedrických zŕn boridov [6] Tepelné spracovanie bórovaných súčiastok sa uskutočňuje z dôvodu zvýšenia mechanických vlastností jadra. Súčiastky sa obvykle kalia a popúšťajú. Pri kalení existuje -45-

48 nebezpečenstvo porušenia celistvosti povrchovej vrstvy boridov. Preto sa niekedy po austenitizácii uskutočňuje izotermické (bainitické) kalenie pri teplote asi 300 C [12] Boridovanie v pastách Vedľa boridovaní v prášku alebo v granuláte sa pod ochranným plynom môže boridovať s použitím boridovacej pasty DURBORID. Táto pasta bola vyvinutá pre obmedzenie manuálnej námahy, potrebné pre používanie prášku alebo granulátu. Pasta je výhodná zvlášť pri spracovaní väčších sérií. Je veľmi dobrá i pre boridovanie jednotlivých určených častí výrobkov. V porovnaní s boridovaním v prášku alebo granulátu nie je potrebné pri použití pasty DURBORID uskutočňovať žiadne zmeny pri voľbe materiálu, hrúbky vrstvy a teploty spracovania. Pasta je vytvorená na vodnej báze. Nie sú nutné žiadne zvláštne opatrenia vo veci požiarneho nebezpečenstva alebo v podobných záležitostiach. Pastu je možné nanášať natieraním, ponorením, alebo nastriekaním na spracované výrobky alebo na ich časti. Pritom je potrebné dávať pozor, aby medzi výrobkami a pastou nezostávali žiadne vzduchové bubliny. V strojárenstve obvykle na boridovanú vrstvu (do 100 µm) postačuje nanesenie pasty v hrúbke 1,5 až 3,00 mm. Boridovanie s použitím pasty DURBORID môže prebiehať len pod ochranným plynom, najlepšie vyhovuje formovací plyn (dusík: vodík = 90:10 alebo 95 : 5). Dá sa použiť i čistý dusík, alebo argón. Použitý ochranný plyn ovplyvňuje dosiahnuteľnosť sily boridovanej vrstvy. Pri takých istých podmienkach spracovania (teplota, doba trvania) sú vrstvy, vytvorené s použitím formovacieho plynu, podstatne silnejšie oproti použitím prachu. Preto je možné znížiť dobu spracovania až na 50 %. Pri použití čistého dusíka alebo argónu sú sily vytváranej vrstvy trochu nižšie jak sú u prášku DURBORID, alebo u granulátu DURBORID. Odporúča sa hodnoty podľa obr. 1 predĺžiť o 20 %. Väčšinou toto predĺženie pri použití pasty vyrovnáva skrátením doby predhrievania dielu [17]. -46-

49 2.3.4 Práškové boridovanie V práškovej zmesi, ktorá obsahuje asi 60 % amorfného bóru a 2-4 % NH4CL je možné boridovať. Šamot, kremičitý piesok, kysličník hlinitý a iné zložky tvoria zvyšok zmesi. Obvykle sa využíva v priemysel práškové boridovanie v hermetických kontajneroch. Prášky sa skladajú z aktívnej zložky, väčšinou z karbidu bóru B4C, z aktivátora a z inertnej výplňovej látky. Táto látka pri teplote boridovania zabraňuje spekaniu boridovacieho prášku, a aj jeho zachytávaniu na boridovaný predmet. Hrúbku a fázové zloženie vrstvy boridov je potrebné prispôsobiť účelu použitia. Práškové boridovania sa vykoná pri teplotách 850 až 1050 C. V blízkosti povrchu kvôli vysokej teplote vznikne z tuhej fázy plynná fáza. Táto fáza obsahuje zlúčeniny bóru. Výhody tohto boridovania je: relatívne jednoduchý proces, vrstvy sú rovnomerné a je možnosť nasycovať aj tvarovo zložité súčiastky [20] Boridovanie vo fluidnej vrstve Pomocou vírivého nanášania sa uskutočňuje boridovanie vo fluidnej vrstve. Elektrický prúd je tepelným zdrojom, a vírivé nanášanie slúži ako rýchly postup tepla. Nanášaný materiál obsahuje hrubo zrnité častice karbidu, kremíka a špeciálny boridovací prášok, ako EKABOR WB a bezkyslíkový plyn zmes N2-H2. Rozdiel medzi obyčajnom práškovom boridovaní a týmto boridovaním je, že aktívnosť nasycujúceho prostredia vo fluidnej vrstve je omnoho vyššia. Pri boridovaní oceľových vzoriek vo fluidnej vrstve sú častice nasycujúcej zmesi intenzívnejšie s povrchom kovu. Procesy boridovania vo fluidnej vrstve prebiehajú v základnom materiáli za účelom plnofázového procesu a rýchlosť nasycovania sa zvýši. Tento proces difúzneho nasycovania sa uskutoční pri teplotách 900 až 950 C cca 30 až 90 minút [21]. Výhody procesu: - rýchlosť ohrevu je vysoká, čím sa skráti čas nasycovania, -dobrá tepelná rovnomernosť prostredníctvom výmeny tepla vibrujúcich zŕn s nízkymi nákladmi a dobrou flexibilitou, - veľká tesnosť vírivej komory, -malá tolerancia rozmerov a rovnaké spracovanie produkovaných častí, -kalenia a následné popúšťanie súčiastok sa uskutočňuje hneď po boridovaní. -47-

50 2.3.6 Mnohokomponentné boridovanie Pri tomto procese spracovania sa využíva difúzia bóru do povrchu materiálu s jedným, alebo viacerými prvkami. Tieto prvky môžu byť napr. kremík, hliník, chróm [21]. Proces sa uskutoční v dvoch fázach a to: - práškové, pastové a iné boridovanie - difúzia kovových elementov prostredníctvo práškovej zmesi alebo bóraxove taveniny do povrchu boridovaného materiálu Mnohopomponentné boridovanie sa dá rozdeliť podľa použitého prídavného prvku: - borochrómovanie - borochrómtitánovanie - borochrómvanádovanie - borovanádovanie - borokremíkovanie - borohliníkovanie Plazmové boridovanie Na proces tohto boridovania sa používa zmes typu B2H6-H2 a BCl3H2-Ar, ktorá sa môže použiť aj pri práškovom ale aj pri tekutom procese boridovania pre tvorbu vrstvy na oceliach pri relatívne nízkej teplote. Výhodnejšie charakteristiky sa dajú dosiahnuť pri plazmovom boridovaní v zmesi BCl3H2-Ar lepšia kontrola koncentrácie BCl3, zníženie výbojového napätia, zvýšenie mikrotvrdosti boridickej vrstvy. Zvýšením koncentrácie BCl3 sa dá minimalizovať viditeľnú pórovitosť dvojfázovej vrstvy. Boridická vrstva do 200 µm hrúbky vzniká na povrchu ocelí po šesťhodinovom spracovaní pri teplotách 750 až 800 C a tlaku 270 až 800 MPa. Výhody tohto boridovania je: kontrola hrúbky a zloženia boridovanej vrstvy, jemná plazmová tvorba, nárast boridického potenciálu v porovnaní s iným práškovým boridovaním, zníženie dĺžky a teploty celého procesu, úspora spotreby plynu a eliminácia vysokej teploty pece a príslušenstva [21]. -48-

51 3 NÁVRH A REALIZÁCIA EXPERIMENTOV Cieľ bakalárskej práce bol analyzovať difúzne boridovanú oceľ K110 pri rôznych parametroch boridovania. Analyzované boli mikroštruktúry ocele, hrúbky boridovaných vrstiev, mikrotvrdosti boridických vrstiev a základného materiálu. Experimenty boli vykonávané v laboratóriách LŠA MTF STU v Trnave. 3.1 Charakteristika ocele K110 Nástrojová oceľ K110 je ledeburitická chrómová oceľ s vysokou oteruvzdornosťou, dobrou húževnatosťou, výbornou prekaliteľnosťou a rozmerovou stálosťou. Oceľ K110 je molybdénom a vanádom legovaná s vysokým obsahom uhlíka a chrómu, ktorá vykazuje vysokú odolnosť proti opotrebeniu, vysokú pevnosť v tlaku a vysokú odolnosť proti popúšťaniu. Kaliteľná na vzduchu, vhodná k nitridácií v kúpeli, plazme a v plyne. Táto oceľ je najpoužívanejšia na celom svete a obsahuje 12 % chrómu. Chemické zloženie ocele je v tabuľke 6 [10,11]. Tabuľka :6 Chemické zloženie experimentálnej ocele K110 (hmot.%)[11] Chemické zloženie C Cr Mo V Obsah prvkov v % 1,55 11,8 0,8 0,95 Oceľ K110 je možné doporučiť na nástroje, od ktorých sa požaduje veľmi vysoká odolnosť proti opotrebeniu v spojení s dobrou húževnatosťou. Môžeme ju používať na: - vysokovýkonné strižné nástroje (matrice a razníky), - náradie pre lisovaciu techniku, - strižné nože na prestrihovanie tenkých vrstiev - náradie na valcovanie závitov, - pracovné valce pre valcovanie za studena, -49-

52 3.2 Príprava vzoriek na boridovanie Na difúzne boridovanie povrchu ocelí boli použité oceľové kontajnery s rozmermi 85 x 80 x 125 mm, ktoré boli vyrobené z austenitickej ocele. Do týchto kontajnerov bol nasypaný vysušený boridovací prášok Durborid, ktorý sa skladá zo 61% Si, 6,8% B, 29,7% C, približne do výšky 1,5cm. Na túto vrstvu boli uložené odmastené vzorky pomocou pinzety. Vzorky boli uložené s rozostupmi 1cm aby sa nedotýkali navzájom a aby sa nedotýkali ani stien kontajnera, ako je to vidieť na obrázku 19. Vzorky sa nakoniec zasypali vysušenou práškovou zmesou Durboridu vo výške približne 1 cm, potom sa kontajnery uzavreli kovovými platňami a utesnili tesniacou vatou z Al 2 O 3. Kovová platňa sa zasypala drveným sklom, a tým sa vytvoril taviteľný uzáver. Kontajnery sa aj so vzorkami uložili do pece, ktorá bola vyhriata na teplotu boridovania 1030 C. Po ukončení boridovania sa kontajnery nechali vychladnúť na vzduchu. Označenie vzoriek a parametre boridovania sú uvedené v tabuľke č.7. Tabuľka:7 Označovanie a parametre boridovaných vzoriek Označovanie Čas boridovania Teplota boridovania Ochladzovacie vzoriek [min.] [ºC] prostredie vzduch vzduch vzduch -50-

53 (1- kontajner, 2- taviteľný uzáver, 3- kovová platňa, 4- boridovací prášok, 5- vzorky) Obr.19 Schéma kontajnera 3.3 Príprava vzoriek pre metalografickú analýzu Po ukončení procesu boridovania a po vychladnutí sa vzorky vybrali z kontajnerov, vyčistili a povrch sa elektrolyticky ponikloval. Zalisovali do špeciálnej zalievacej hmoty, ktorá slúži na ochranu okrajov vzoriek. Následne sa vzorky metalograficky pripravili na mikroštruktúrnu analýzu: brúsením na brúsnych papieroch so zrnitosťou 80, 240, 600 a 1200 za mokra na kombinovanej brúske typu od firmy BUEHLER BETA GRINDER POLISHER. Potom sa mechanicky vyleštili použitím diamantových pást zrnitosti 3, 2 a 1µm. Po každom jednom leštení boli vzorky opláchnuté vodou a liehom a potom boli vysušené horúcim vzduchom. Mikroštruktúra takto vybrúsených a vyleštených vzoriek bola naleptaná v 3 % Nitale. 3.4 Metalografická analýza ocele K110 Pri pozorovaní mikroštruktúry metalograficky pripravených vzoriek bol použitý svetelný mikroskop NEOPHOT 30 a mikroštruktúry boli zdokumentované s aplikačným programom IMPOR

54 Na obrázkoch 20 a 21 sú mikroštruktúry základného materiálu ocele K110 pred procesom boridovania pri rôznych zväčšeniach. Dajú sa na nich pozorovať karbidické fázy rovnomerne rozložené v matrici.. Prítomnosť karbidických fáz prispieva vysokej odolnosti proti opotrebovaniu. 20 µm Obr.20 Mikroštruktúra základného materiálu ocele K µm Obr.21 Mikroštruktúra základného materiálu ocele K

55 Na obrázkoch 22 a 23 vidíme mikroštruktúry chrómovej ledeburitickej ocele K110 vzorky 4. Táto vzorka bola boridovaná 45 minút pri teplote 1030 C a ochladzovaná na vzduchu. Na vzorke sa vytvorila súvislá boridická vrstva s maximálnou hrúbkou 75 µm. Na oboch obrázkoch je dobre viditeľná oblasť FeB, Fe 2 B a prechodová oblasť. 50 µm Obr.22 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 4, 1030 C / 45 min. / vzduch Ni-vrstva FeB Fe 2 B difúzna vrstva 20 µm Obr.23 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 4, 1030 C / 45 min. / vzduch -53-

56 Na obrázkoch 24 a 25 je mikroštruktúra boridovanej vzorky 5, ktorá bola boridovaná 75 minút pri teplote 1030 C a pomaly ochladená na vzduchu. Na mikroštruktúrach sa dá dobre vidieť súvislá dvojfázová oblasť, s boridmi FeB a Fe 2 B s maximálnou hrúbkou 100 µm. 50 µm Obr.24 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 5, 1030 C / 75 min. / vzduch 25 µm Obr.25 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 5, 1030 C / 75 min. / vzduch -54-

57 Mikruštruktúry vzorky 6 vidíme na obrázkoch 26 a 27. Táto vzorka bola boridovaná 150 minút pri teplote 1030 C a chladená na vzduchu. Na obrázkoch je zreteľne rozpoznateľná tmavšia vrstva boridu FeB a svetlejšia vrstva boridu Fe 2 B. Celková hrúbka boridickej vrstvy 140 µm. 50 µm Obr.26 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 6, 1030 C / 150 min. / vzduch 30 µm Obr.27 Mikroštruktúra boridickej vrstvy vzorky 6, 1030 C / 150 min. / vzduch -55-

58 Z uvedených obrázkov vyplýva, že hrúbky boridických vrstiev závisia od dĺžky výdrže na teplote boridovania. Hrúbky boridovaných vrstiev sú uvedené v tabuľke 8. Boridovanie ocele K110 preukázalo, že túto oceľ môžeme používať na bežné strojové súčiastky a nástroje vzhľadom na získané hrúbky vrstiev. Ak by bolo nutné získať väčšie hrúbky (napr. pre súčiastky pracujúce v abrazívnom prostredí) museli by sa použiť dlhšie časy čo by z ekonomického hľadiska mohlo predražiť výrobu. Tabuľka: 8. Hrúbka boridovaných vrstiev Označenie vzorky Vzorka 4 Vzorka 5 Vzorka 6 Hrúbka celkovej vrstvy [µm] V takomto prípade by bolo vhodné použiť nelegované ocele, ktoré sú schopné vytvoriť hrúbky vrstiev až do 300µm. 3.5 Meranie mikrotvrdosti Meranie mikrotvrdosti bolo uskutočnené na metalograficky pripravených vzorkách a na základnom materiáli ocele K110. Mikrotvrdosti sa merali vo všetkých oblastiach a to v oblasti FeB, Fe 2 B,v difúznej zóne a v základnom materiáli. Meranie bolo vykonané podľa Vickersa, so zaťažením 100pondov HV 0,1. Podstata skúšky spočíva vo vtláčaní diamantového pravidelného štvorbokého ihlana s vrcholovým uhlom stien 136 do skúšaného materiálu. Zaťažujúca sila pôsobí v kolmom smere na povrch vzorky (viď obr.28). Tieto mikrotvrdosti boli merané na mikrotvrdomeri značky BUEHLER INDENTAMET Vo všetkých oblastiach bolo spravených 12 meraní, ktoré sú zapísané v tabuľkách 9 až 15. Mikrotvrdosť HV0,1 pred boridovaním sa merala len na jednej vzorke a po procese boridovania bola meraná na každej vzorke (viď. tabuľky 9 až 15). Z nameraných hodnôt sa vypočítali aritmetické priemery v každej oblasti zvlášť a výsledné hodnoty sú znázornené na obrázku

59 Obr. 28 Princíp merania tvrdosti podľa Vickersa [3] Tabuľka: 9 Výsledky nameraných mikrotvrdosti vzorky pred boridovaním Číslo merania Vzorka pred boridovaním [HV 0,1] Priemerná hodnota 255 Priemerná hodnota tvrdosti ocele K110 približne odpovedá tvrdosti, ktorú uvádza výrobca ocele v materiálovom liste. -57-