Anton Razinger dipl. inž. Železarna Jesenice DK: 669.14.018.232/.8 ASM/SLA: SSd; SSe Nerjaveča jekla za obdelavo na avtomatih Nerjaveča jekla za obdelavo na avtomatih so sestavni del velike družine nerjavečih jekel in v precejšnji meri razširjajo območje uporabnosti le-teh. V železarni Jesenice so bile osvojene vse tri osnovne vrste teh jekel: avstenitno, feritno in martenzitno. Domača industrija troši zaenkrat relativno male količine nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih, kar menimo, da je predvsem posledica slabega poznavanja uporabnosti in prednosti teh jekel v določenih pogojih preoblikovanja z odre-zovanjem. Namen tega sestavka je opozoriti na zelo zanimivo problematiko osvajanja teh jekel ter obenem s tem prikazati njihove glavne fizikalno-kemične lastnosti. UVOD Uporabnost nerjavečih jekel je pogojena z njihovo korozijsko obstojnostjo, mehanskimi lastnostmi, sposobnostjo utrjevanja ter plastičnostjo jekla. V slučaju, ko se jeklo obdeluje na obdelovalnih strojih z odrezovanjem, pa nastopi kot odločujoči faktor tudi sposobnost jekla za obdelavo. Z odrezovanjem je mogoče obdelovati vse vrste nerjavečih jekel, vendar pa je večina le-teh slabo obdelovalna in se nerjaveča jekla lahko obdelujejo pri ekonomskih hitrostih rezanja, ki so manjše od 30mf/min. (si. 1) Hitrost rezanja m/min 20 25 30 35 40 50 60 Jndex obdeiovalnosti % Slika 1 Primerjava obdeiovalnosti standardnih nerjavečih (etalon avtomatsko jeklo B 1112 = 100 %) jekel (Članek je predelan avtorjev referat na IV. Savjeto-vanju proizvodnog mašinstva, Sarajevo, 1968) Avstenitna jekla se relativno težje obdelujejo kot feritna in martenzitna, ker so v gašenem stanju lepljiva in tvorijo pri rezanju trakaste ostružke. Smisel razvoja avtomatskih nerjavečih jekel je torej v tem, da se s poboljšanjem obdeiovalnosti sicer slabo obdelovalnih nerjavečih jekel poceni obdelava strojnih delov, ki morajo biti zaradi zahtev po dobri korozijski obstojnosti iz nerjavečega jekla. Obdelovalnost nerjavečih jekel poboljšamo z dodatkom t. i. avtomatskih dodatkov, predvsem žvepla in selena. Ti elementi poboljšajo obdelovalnost jekla s tem, da tvorijo nemetalne vključke — sulfide in selenide — ki zmanjšujejo trenje pri rezanju in povzročajo tvorbo krhkih lahko lomljivih ostružkov. Na splošno velja, da se zaradi avtomatskih dodatkov poslabša korozijska obstojnost, mehanske lastnosti v prečni smeri valjanja ter sposobnost jekla za preoblikovanje. žveplo je najbolj uporaben avtomatski dodatek, ker ni strupeno in je poceni. V zadnjem času pa se kljub visoki ceni vedno bolj uveljavlja kot avtomatski dodatek selen. Prednosti selena pred žveplom se kažejo predvsem v boljši korozijski obstojnosti ter sposobnosti jekel za vročo in hladno predelavo. To pa so prednosti, zaradi katerih se zelo razširja območje uporabnosti nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih tudi za najzahtevnejše namene. Žveplo in selen imata podoben vpliv na obdelovalnost jekel, pri tem pa kažejo jekla z žveplom večjo vzdržnost rezalnih nožev, jekla s selenom pa dajejo boljšo površino obdelovancev. Avtomatske modifikacije so bile razvite v vsaki grupi nerjavečih jekel, zato tudi v tem primeru klasifikacija jekel temelji na obliki mikrostrukture in kemični sestavi. Poznamo torej: Cr-Ni avstenitna in Cr feritna in martenzitna jekla za obdelavo na avtomatih. 2. NEMETALNI VKLJUČKI Obdelovalnost nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih določa: 1. količina ter kemične in fizikalne lastnosti nemetalnih vključkov. 2. način izdelave in predelave jekla. Način, kako doseči optimalno obdelovalnost, je za posamezne vrste nerjavečih jekel različen. Skupne vsem tipom jekel pa so zahteve, ki jih postavljamo nemetalnim vključkom. Te zahteve pa so: 1. Pravilna sestava sulfidnih vključkov. 2. Enakomerna porazdelitev le-teh po preseku. 3. Nizka vsebnost oksidnih nemetalnih vključkov. Obravnavane vrste nerjavečih jekel vsebujejo tri glavne elemente, ki tvorijo sulfide: železo, mangan, krom. Tip sulfida, ki se razvije, je odvisen od kompleksnega odnosa med temi elementi v jeklu ter njihove sulfidotvornosti. Za razumevanje teh kompleksnih vplivov so bile potrebne obširne preiskave fizikalnih in kemičnih lastnosti nastalih sulfidov. Ugotovljeno je bilo, da ima na tip rezultirajočih sulfidov primarni vpliv vsebnost Mn v jeklu, oziroma razmerje Mn : S. Sulfidni vključki v jeklih z nizko vsebnostjo Mn in razmerjem Mn : S < 3 so bogati na Cr in večfazni. Osnovna faza je kubični MnS, bogat s Cr, izločena faza pa je heksagonalni CrS. Karateri-stične večfazne sulfidne vključke smo našli v feritnem jeklu za obdelavo na avtomatih (eksperimentalna talina) z vsebnostjo 0.40 % Mn, 17.5 % Cr, 0.250 % S — Mn : S = 1.6. Slika 2 — X 500 Sulfidni nemetalni vključki v feritnem jeklu za obdelavo na avtomatih z nizkim razmerjem Mn:S Sulfidni vključki v jeklih z višjo vsebnostjo Mn in razmerjem Mn : S > 4 so enofazni in imajo sestavo in kristalografsko strukturo MnS. Primer takšnih sulfidnih vključkov v feritnem jeklu za obdelavo na avtomatih C 4790 (1.20 % Mn, 0.250 S, 16.6 % Cr — Mn:S = 4) je prikazan na sliki 3. | Slika 3 — X 500 Sulfidni nemetalni vključki v feritnem jeklu za obdelavo na avtomatih z visokim razmerjem Mn:S Karakteristike sulfidnih nemetalnih vključkov, ki nastopajo v nerjavečih jeklih za obdelavo na avtomatih z različno vsebnostjo Mn, ilustriramo s podatki za martenzitno jeklo za obdelavo na avtomatih v tabeli 1. Tabela 1 — Karakteristike sulfidnih nemetalnih vključkov v martenzitnem jeklu za obdelavo na avtomatih Analiza jekla Trdota vklj. Faza % Mn % S Mn:S Mn Cr Fe S HB kp/mm3 CrS 0.30 0.30 1.0 5 54 2 37 300—450 (Mn, Cr) S 0.55 0.30 1.8 32 28 4 36 280 MnS 2.00 0.30 6.7 56 4 4 36 150 žveplo, ki je vezano kot kromov sulfid, na obdelovalnost nima ugodnega vpliva, kajti kromov sulfid je trd (trdota HB 300 — 400 kpVmm2) in deluje pri rezanju abrazivno, podobno kot oksidi. Odločujoča za dobro obdelovalnost je torej prisotnost čistega manganovega sulfida. Manganov sulfid je mehak (trdota cca HB 150 kpVmm2), prostorska centrirana kubična mreža, kateri pripada MnS je zelo duktilna, zato imajo vključki MnS ugoden vpliv na obdelovalnost, ker delujejo kot mazivo in s tem zmanjšujejo trenje pri rezanju. Poizkusi so pokazali, da je možna zelo enostavna identifikacija kemičnih karakteristik sulfidnih vključkov v nerjavečih jeklih za obdelavo na avtomatih že z enostavnim Baumannovim odtisom. Jekla, ki vsebujejo sulfidne vključke, ki so bogati na kromu, pri Baumannovem preizkusu ne reagirajo. Nasprotno pa dobimo pri jeklih, ki vsebujejo sulfidne nemetalne vključke sestave MnS, zelo intenzivne odtise. Pri poznani kemični sestavi jekla je torej mogoča enostavna ocena obdelovalnosti že z Bauman-novim odtisom. Rezultati preiskave vpliva vsebnosti Mn na obdelovalnost Cr nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih so prikazani na sliki 4. 150 120 90 ■S 60 E -1-i-1—i—TI 'I l i .....i 1 Jeklo - martenzitno Mn -1,82 V. ~~ Mn-0,95%--- Mn -0,52 '/o ------ i i i i i i i i o c 8j al t. 8 120 S 90 3 4 5 7 910 20 30 50 70 100 Vzdržnost rezalnih nožev-min 60 30 i i i i i i i i I I I I l I I I ~ °—. x _______ 0 --- o-0,08%Mn A-0,7?'/.Mn *- 0,12 '/.Mn a-1,S6'/.Mn I I . : Jeklo- feritno i i i i i i 11 C 150 £ 120 F n y u i; 0* 60 V) P S 30 i i i i i i i i i i i i i i i i ----- n ■—■—— i i ...... . Si =0,39 ■ Si =0,04 i i i i i i i i 20 JO 40 60 80 100 1 2 3 4 5 7 910 20 30 50 70 100 Vzdržnost rezalnih nožev-min Slika 4 Vpliv vsebnosti Mn na obdleovalnost Cr nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih Stalni spremljevalec nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih so tudi oksidni nemetalni vključki, ki se tvorijo med taljenjem in vlivanjem jekla. Za obdelovalnost teh jekel so najbolj škodljivi oksidni nemetalni vključki aluminatne narave (si. 5) ter vsi nemetalni vključki eksogenega izvora. Manj škodljivi kot aluminati pa so kompleksni oksidi kroma, mangana, silicija, ki jih nahajamo 2 3 4 5 67 8 910 Vzdržnost rezalnih nožev - min Slika 6 Vpliv vsebnosti Si na obdelovalnost feritnega jekla za obdelavo na avtomatih v jeklih, pri katerih Al ni bil dodan. Pri teh jeklih nizka vsebnost Si pogojuje tvorbo kromovega tipa oksidnih vključkov, kar zmanjšuje obdelovalnost jekla. Rezultati preiskave obdelovalnosti na si. 6 kažejo, da je v nerjavečih jeklih za obdelavo na avtomatih zaželjena višja vsebnost Si, kar je ravno nasprotno kot pri ogljikovih jeklih za obdelavo na avtomatih. 3 KROMOVA NERJAVEČA JEKLA ZA OBDELAVO NA AVTOMATIH Obdelovalnost kromovih nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih je odvisna od kemične sestave ter načina predelave jekla. Ugotovljeni so bili naslednji vplivi kemične sestave in predelave na obdelovalnost jekla: a) Obdelovalnost jekla narašča z večanjem vsebnosti žvepla ali selena do vsebnosti 0.35 %. Nad to mejo povečana vsebnost avtomatskih dodatkov nima močnejšega vpliva, le oblika ostružkov je ugodnejša. Žveplo je bolj efektivno v povečanju obdelovanlosti kot selen (slika 7). a. 4 «? Slika 5 — X 500 Oksidni nemetalni vključki Al v nerjavečih jeklih za obdelavo na avtomatih Slika 7 Vpliv avtomatskih dodatkov S in Se na obdelovalnost kromovih nerjavečih jekel Zaradi povišane vsebnosti avtomatskih dodatkov se površina obdelovancev ne poslabša. Pokazalo se je tudi, da povišana vsebnost fosforja in svinca pri teh jeklih nima večjega vpliva na obdelovalnost. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Vsebnost S ali Se v % 0 0,1 0,2 0,3 ^ Vsebnost Sali Se v % Jeklo 17 % Cr Jeklo 13 Vo Cr b) Poleg vsebnosti avtomatskih dodatkov ima na obdelovalnost kromovih jekel največji vpliv trdota jekla. Na splošno velja, da dobimo pri rezanju jekla z nizko trdoto višjo vzdržnost rezalnih nožev, pri jeklih z visoko trdoto pa boljšo površino obdelovancev (slika 8). svetla c o a S § motna 75 Slika 8 Soodvisnost osnovnih kriterijev obdelovalnosti kromovih jekel za obdelavo na avtomatih Vzdržnost rezalnih nožev in kvaliteta površine obdelovancev sta si torej pri kromovih jeklih za obdelavo na avtomatih nasprotujoči si zahtevi. V konkretnem primeru uporabe teh jekel je potreben kompromis med zaželeno kvaliteto površine ter optimalno vzdržnostjo rezalnih nožev. Kako dosežemo zaželeno trdoto, ali s hladno predelavo ali pa s poboljšanjem, je za obdelovalnost vseeno. Navadno imajo kromova jekla za obdelavo na avtomatih trdoto HB 180... 240 kp/mm2, če pa je zahteva po dobri kvaliteti površine obdelovancev prevladujoča, pa trdoto HB 220 ... 310 kp/mm2. Z ozirom na vsebnost ogljika in kroma v teh jeklih ločimo dva tipa kromovih jekel za obdelavo na avtomatih: feritna in martenzitna. 3.1 Feritna nerjaveča jekla za obdelavo na avtomatih Ta jekla so avtomatska varianta nerjavečega jekla z vsebnostjo 16 ... 18 % Cr. Imajo feritno strukturo z enakomerno vloženimi sulfidnimi ali selenidnimi vključki. So magnetna v vseh stanjih in jih s toplotno obdelavo ni mogoče utrditi. Od vseh standardnih vrst nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih ima ta tip jekel najboljšo obdelovalnost. Kljub visoki vsebnosti avtomatskih dodatkov ima feritno nerjaveče jeklo za obdelavo na avtomatih dobro korozijsko obstojnost in ga lahko uporabljamo povsod tam, kjer je zaželena odpornost jekla pred vplivom atmosferilij, predvsem pa v industriji precizne mehanike. Železarna Jesenice ima v svojem rednem proizvodnem programu iz te grupe jeklo č 4790 z avtomatskim dodatkom S. Značilna kemična analiza te vrste jekla je naslednja: 0.08% C 0.56 % Si 1.02 % Mn 0.019 % P 0.326 % S 16.62 % Cr 0.32 % Ni 0.23 % Mo Reprezentativne mehanske lastnosti za palično jeklo (0 25.4 mm) v žarjenem ter žarjenem + hladno vlečenem stanju so podane v tabeli 2. Tabela 2 — Mehanske lastnosti jekla Č 4790 Stanje a m a 02 6 5 kp/mm2 kp/mm2 % % Trdota HB kp/mm2 zarjeno žarjeno + hI. vlečeno 56 63 39 56 30 15 65 55 155 190 Ekonomska hitrost rezanja Vjqq m/min Orientacijske, ekonomske hitrosti rezanja za posamezne vrste obdelave z odrezovanjem so podane v tabeli 3. Za primerjavo so podane vrednosti tudi za feritno nerjaveča jekla brez avtomatskih dodatkov. Tabela 3 — Hitrosti rezanja feritnih jekel Vrsta obdelave hitrost rezanja (m/min) podajanje feritno mm/obr. feritno jeklo avtomat. jeklo struženje 0.08/0.3 27.. .33 37., ..50 frezanje 0.08/0.2 23.. .35 37., ..45 povrtavanje 0.08/0.2 5.5. ..20 10.. ,.40 vrtanje 0.05/0.2 12.. .25 23.. ,.48 rezanje navojev 3.5. ..6.5 3.5 . ..8.5 Navedene vrednosti veljajo za rezalne nože iz brzoreznega jekla; če pa se uporabljajo noži iz karbidnih trdnin, je navedene hitrosti mogoče povečati min. za 15 %. Rezalni noži morajo biti nabrušeni v skladu s splošnimi zahtevami, ki veljajo za rezanje nerjavečih jekel. 3.2 Martenzitna nerjaveča jekla za obdelavo na avtomatih Jekla spadajo v grupo martenzitnih nerjavečih jekel z vsebnostjo 12 ... 14 % Cr. So magnetna v vseh stanjih in jih je mogoče s toplotno obdelavo utrditi. Uporabljajo se povsod tam, kjer je zaželena visoka trdota, dobra obdelovalnost in ne-rjavnost jekla. Tipična področja uporabnosti martenzitnih nerjavečih jekel za obdelavo na avtomatih so: matice, vijaki, zobate letve, deli črpalk, deli za ventile in podobno. Zaradi avtomatskih dodatkov imajo ta jekla slabšo korozijsko obstojnost kot enaka martenzitna jekla brez avtomatskih dodatkov, široko postavljene meje za kemično analizo jekla ter sposobnost jekla za poboljšanje omogočajo izde- 0 toplo obdelano » žarjeno +hladno vlečeno -1_I_L- lavo velikega števila različnih modifikacij te vrste jekla, s čimer v praksi dosežemo optimalno obnašanje jekla v specifičnih pogojih uporabe. Značilnosti posameznih modifikacij so naslednje: 3.21 Obdelovalno jeklo To jeklo je osnova vseh ostalih modifikacij. Značilna kemična analiza jekla je naslednja: 0.12 % C, 0.50 % Si, 0.97 % Mn, 0.028 % P, 0.276 % S, 0.10 °/o Cu, 0.29 % Ni, 12.40 % Cr, 0.20 % Mo. Reprezentativne lastosti standardne modifika cije v žarjenem stanju so naslednje: ffv = 53 kp/mm2 Ka-Beiomeft craAH BbipaSoTaHM copTbi aBT0MaTH