Izdelava rezilnih robov orodij z navarjanjem Production of Cutting Edges by Surfacing R. Kejžar1, ZRMK Ljubljana L. Kosec, NTF - Oddelek za materiale in metalurgijo, Ljubljana Prejem rokopisa - received: 1995-10-04; sprejem za objavo - accepted for publication: 1995-12-22 Prihodnost izdelave orodij je v oplemenitenju delovnih površin in robov. Postopki navarjanja omogočajo izdelavo obremenjenih delov orodja (n.pr.: rezilnih robov) iz posebnih jekel in zlitin izbrane sestave glede na mehanske in toplotne obremenitve med obratovanjem. Rezilne robove je priporočljivo navarjati po postopkih z majhnim vnosom energije (n.pr ■ TIG in ročno obtočno) Pri produktivnejših postopkih nastopijo poleg razredčenja navara zaradi intenzivnega taljenja osnove še težave zaradi velike taline navara. Problem rešimo tako, da iztekanje taline omejimo s Cu-kokilo. Pri uporabi Cu-kokile pri navarjanju rezilnih robov dobimo lepo oblikovane navare. Stroški za mehansko obdelavo nožev po navarjanju so zato manjši. Navarjanje rezilnih robov z uporabo Cu-kokile je ekonomičnejše tudi zaradi manjše porabe dragih dodajnih materialov. Ključne besede: orodna jekla, rezilna orodja, navarjanje robov s Cu-kokilo, ročno obtočno, TIG, MIG/MAG in EPP-navarjanje-oplaščene elektrode, iegirani aglomerirani praški in strženske žice Tool manufacutre has a future in refining of working surfaces and edges. Surfacing processes permit manufacutre of tool parts subject to strain, e.g. cutting edges. from special steels and alloys having a composition selected vvith regard to mechanical and thermal strains during service. It is recommended to surface sutting edges by processes vvith low heat input, e.g. TIG vvelding manual are welding. In more produetive surfacing processes, namely, not only the surfacing gets diluted due to an intensive fusion of the parent metal, but we also come up a difficulty due to a large molten pool. The problem can be solved by restrieting the outflovv of the molten pool by a copper mould. When using a copper mould in surfacing of cutting edges, nicely shaped surfacings are obtamed. Cost of mechanical treatment of knives after surfacing is consequently lower. Surfacing of cutting edges with copper mould is more economic also due to lower consumption of expensive filler materials. Key words: tool steels, cutting tools; surfacing of edges vvith copper mould: manual are surfacing, TIG surfacing MIG/MAG surfacing, submerged are surfacing: covered electrodes, alloyed agglomerated fluxes and flux-cored ivires 1 Splošno o varjenju in navarjanju orodnih jekel Orodna jekla so pogojno variva. Zaradi višje vsebnosti ogljika in Iegirnih elementov (Cr, Mo, V, W...) so zelo občutljiva za temperaturne spremembe, ki jih povzročimo z varjenjem in navarjanjem. Pri tem je posebno pomembna hitrost ohlajanja, ki je največja neposredno pod varom oz. navarom. Pri prehitrem ohlajanju lahko pride do nastanka neželjenih kalilnih mikrostruk-tur, visokih notranjih napetosti in razpok. S predgrevan-jem orodja, pravilno izbiro postopka in nadzorovanim ohlajanjem po navarjanju lahko preprečimo nastanek škodljivih mikrostrukturnih sprememb v navaru in njegovi okolici - toplotno vplivanem področju1"4. Določanje tehnologije obnavljanja izrabljenih in poškodovanih orodij z varjenjem in navarjanjem je pogosto zelo zahtevno. Le redko si lahko pomagamo z ekvivalentom ogljika5. Resnično vredne podatke za predvidevanje strukturnih sprememb zaradi vnosa toplote med varjenjem pa dobimo iz diagramov CCT (continu-ous cooling transformation)5-8. Iz diagramov CCT je lepo viden vpliv hitrosti ohlajanja na mikrostrukturo in trdoto izbranega orodnega jekla. Pri prevelikih hitrostih ohlajanja nastajajo v navaru (če navarjamo z dodajnim materialom enake sestave, kot jo ima osnovno orodno jeklo) in njegovi okolici (TVP -toplotno vplivanem področju) kalilne mikrostrukture, kar povzroča nastanek notranjih napetosti ter tudi mikro 1 Prof.dr. Rajko KEJŽAR. dipl.inž.kem. Zavod za raziskavo materiala in konslrukeij 1000 Ljubljana, Dimiceva 12 razpok, razpok v navaru in pod njim. Če temu dodamo še napetosti zaradi krčenja navara pri ohlajanju, pride pri nepravilno izbranem postopku in tehnologiji navarjanja zelo pogosto do odluščenja navarjenih plasti. Orodja lahko obnavljamo na dva zelo različna načina: Orodno jeklo za delo v vročem - UTOPM06 Kemijska sestava (%) C 1 Si |Mn 1 P 1 S 1 Cr iNi 1 V |W ICulMo Č. 4758 Slika 1: Diagram CCT za orodno jeklo Č.4758; Utop Mo68 Figure 1: CCT diagram of tool steel Č.4758; Utop Mo68 a) brez posebne toplotne obdelave pred navarjanjem in po njem b) s sferoidizacijskim žarjenjem pred navarjanjem in po njem ter kaljenjem in popuščanjem do željenih mehanskih lastnosti navarjenih delovnih površin in robov. Obnavaljanje orodij brez toplotne obdelave pred navarjanjem in po njem je zelo problematično. Primerno je le za manj zapletena orodja. Navarjati pa moramo preko celotnega delovnega robu, ker okolico navara z navarjanjem izžarimo, da postane mehkejša od navara. Firma Bohler priporoča v navodilih za navarjanje orodij naslednje predgrevanje glede na vrsto in sestavo orodnega jekla9: 1 orodna jekla, kaljiva v vodi 100-250°C 2 orodna jekla, kaljiva v olju 100-300°C 3 orodna jekla, kaljiva na zraku (5% Cr) 150-250°C 4 (12% Cr)400-500°C 5 orodna jekla za delo v vročem 200-400°C 6 hitrorezna jekla 400-500°C Pri navarjanju s predgrevanjem po priporočilih firme Bohler dobimo trde zakaljene navare, ki jih lahko obdelujemo samo z brušenjem. Po navarjanju lahko navare, če je potrebno, še popuščamo na željeno trdoto (slika 2). Pri zahtevnejših popravilih orodja pred navarjanjem sferoidizacijsko žarimo, da odpravimo neprimerno mik-rostrukturo in notranje napetosti, navarjamo pa tako, da s predgrevanjem toliko upočasnimo hitrosti ohlajanja navara in TVP, da onemogočimo nastajanje neželjenih kalilnih mikrostruktur. Tako obnovljena orodja moramo po navarjanju še toplotno obdelati - kaliti in popuščati do zahtevanih mehanskih lastnosti. 2 Navarjanje rezilnih robov Prihodnost izdelave orodij je v oplemenitenju obrabno obremenjenih površin in robov. Navadno je znatno gospodarneje, da s postopki navarjanja izdelamo obrabno odporne le delovne površine in robove, ves preostali del orodja pa je iz ustreznega konstrukcijskega ali cenenega orodnega jekla. Tako izdelano orodje je večinoma kvalitetnejše od tistega, ki je v celoti izdelano iz orodnega jekla, saj ima trde in obrabno odporne delovne površine in robove na žilavi osnovi - nosilnem konstrukcijskem jeklu. Navarjanje na konstrukcijsko jeklo, to je platiranje z navarjanjem pri izdelavi orodij, je z vidika tehnologije navarjanja znatno manj zahtevno kakor obnavljanje orodij z navarjanjem. Pri izdelavi orodij bomo, če bo le mogoče, izbrali kot nosilni material dobro varivo konstrukcijsko jeklo. Pri navarjanju močno legiranih nanosov na konstrukcijsko jeklo je izredno pomembna izbira dodajnega materiala in postopka navarjanja (Tabela 1). Tabela 1: Produktivnost in uvarjanje v osnovo pri izbranih postopkih navarjanja Postopek navarjanja TIG RO MIG EPP Produktivnost (kg/h) 0,3-1,0 0,5-2,5 1,5-6,0 3,0-20,0 % uvara 10-30 20-40 30-50 20-80 Pri navarjanju na konstrukcijsko jeklo ne želimo taliti osnovnega meteriala, temveč je glavni cilj, da na delovno površino ali rezilni rob orodja nanesemo obrabno odporno prevleko, ki pa mora biti kvalitetno spojena z os- novo 10-16 u 64 cc Z 62 wire = 3 mm) and with alloyed fluxes: a) "U-Mo-6" and b) "BM-2 (I = 450 A, U = 40 V) •f cm >«&-------------^ Slika 4: Videz preseka navara s trojno elektrodo (0 1,6 mm) pod legiranim praškom: a) "UMo-6" in b) "BM-2" (I = 185 A/žico, U = 44 V) Figure 4: Macrography of the cross-section of the submerged are surfacing made with triple electrode (cfiwire = 1 -6 mm) and with alloyed fluxes: a) "UMo-6" and b) "BM-2" (I = 185 A/wire, U = 44 V) 2.2 Navarjanje pod legiranimi aglomeriranimi praški Pri produktivnejših postopkih nastopijo poleg razredčenja navara zaradi intenzivnega taljenja osnove, kar zelo uspešno rešujemo z dodatki kovin v elektrodno oblogo, visokoproduktivnimi in močno legiranimi aglomeriranimi praški ter strženskimi žicami, še težave zaradi velike taline navara17-24. Navarjanje z večžično elektrodo pod legiranimi aglomeriranimi praški omogoča enoslojno nanašanje močno legiranih zlitin izbrane sestave na nelegirana in malolegirana konstrukcijska ter cenena orodna jekla. Za razvoj tehnike in tehnologije visokoproduktivnega navarjanja rezilnih robov smo izbrali legirana aglomerirana praška "U-Mo 6" in "BM-2", ki smo ju razvili za enoslojno navarjanje na konstrukcijsko jeklo z enojno elektrodo "EPP 2" (tabela 3 in slika 3). Tabela 3: Kemijski sestavi enoslojnih navarov z enojno elektrodo pod močno legiranima praškoma "U-Mo 6" in BM-2" (žica: EPP 2, $ 3 mm; I = 450 A, U = 40 V) Varilni uvar C Si Mn Cr Mo W V prašek (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) U-Mo 6 46 0.8 1,0 0,4 7,5 1,8 0,5 0,9 BM-2 42 1,0 0,4 0,4 5,5 5,0 6,5 2,0 Rezultati navarjanja s trojno elektrodo "VAC 60" pod legiranima praškoma "U-Mo 6" in BM-2" so podani v tabeli 4, videz navarov na plošči pa prikazuje slika 4. 20/um | Slika 5: Mikrostruktura navara s trojno elektrodo "VAC 60" pod legiranim praškom "BM-2" Figure 5: Microstructure of the submerged are surfacing made with triple electrode "VAC 60" and with alloyed flux "BM-2" Tabela 4: Kemijski sestavi enoslojnih navarov s trojno elektrodo pod močno legiranima praškoma "U-Mo 6" in "BM-2" (žica: VAC 60 1 6 mm-1= 185 A/žico, U = 44 V) Varilni uvar C Si Mn Cr Mo W V prašek (%) (%) (%) (%) <%) (%) m (%) U-Mo 6 10 1,5 1,5 0,5 14,3 3,4 0,7 1,7 BM-2 15 1,3 1,1 0,5 8,3 7,2 9,9 2,8 Zaradi velike količine karbidotvornih elementov (Cr, W in V) v navarih s trojno elektrodo - še posebno pri navarjanju pod praškom "BM-2" (glej tabelo 4) - dobimo z vidika abrazijske odpornosti zelo neugodno mi-krostrukturo iz karbidnega evtektika (zmes karbidov, martenzita in zaostalega avstenita) ter ferita (slika 5). _ ...., .,.,,... J a) ravna Cu-kobila. (a itraitjhi ccpper mouldj b) oblikovana U-kokila (a tJtaped ccpper trtsuldj Slika 6: Navarjen rezilni rob z uporabo Cu-kokile Figure 6: Surfaced cutting edge made with a copper mould Vsebnost ogljika je glede na količino karbidotvornih elementov prenizka, da bi dobili mikrostrukturo s karbidi v martenzitni osnovi, kar bi zagotovilo dobro abrazijsko odpornost navarov. Rezultati meritev obrabne odpornosti navarov, ki smo jo ugotovili na tribometru "Amsler"25-26, so podani v tabeli 5. Tabela 5: Rezultati meritev trdote in obrabe enoslojnih navarov s trojno elektrodo pod legiranimi praški ("U-Mo 6" in "BM-2") in njihovi koeficienti relativne obrabe "e" Varilni prašek Trdote Obraba (Brus - H10; PN=200N/cm, (HRC)_v=l m/s: t=lmin)_ Teme Sredina (mg) povp. e (%) U-Mo 6 53 BM-2 41 53 218,0; 126,1; 154,3 33 637,4; 638,0; 579,4 166,1 29 618,3 108 Obraba primerjalnega vzorca (konstrukcijsko jeklo); 513,6; 632.8 ... - povpr. 573,2 mg Problem velike kopeli pri navarjanju rezilnega robu lahko zelo elegantno rešimo z uporabo Cu-kokile27, s katero omejimo navar - preprečimo iztekanje taline ter oblikujemo navarjen rezilni rob (slika 6). 3 Sklep Izdelava rezilnih robov orodij z navarjanjem pod legiranimi praški z večžično elektrodo je zelo produktivna. Postopek je perspektiven za orodjarstvo, predvsem pri izdelavi dolgih in ravnih rezilnih robov. Izpopolniti pa moramo še legiranje navara - zmanjšati količino karbidotvornih elementov in povečati vsebnost ogljika, da bomo dobili visoko abrazijsko odporne navare s karbidi v martenzitni osnovi. Pri navarjanju rezilnih robov z uporabo Cu-kokile dobimo lepo oblikovane navare. Stroški za mehansko obdelavo nožev po navarjanju so zato manjši. Navarjanje rezilnih robov z uporabo oblikovane Cu-kokile je še posebno ekonomično tudi zaradi manjše porabe dragih dodajnih materialov - za izdelavo rezilnega robu je potrebno odbrusiti manj navara (slika 6). 4 Literatura 1 R. Kejžar: Izdelava in obnavljanje orodij z navarjanjem. Zbornik seminarja "Materiali in sodobna izdelava", Ljubljana 1991, 117-136 2 R. Kejžar: Applicability of building-up processes to manufacture and restoration of tools. Proceedings of the International conference on the joining of materials, JOM-4, Helsingor 1989, 26-36 3 R. Kejžar: Razvoj varilnih postopkov obnavljanja in oplemenitenja površin. Strojniški vestnik - Tribologija, 31, 1985, 7-8, 179-183 4R. Kejžar: Popravilo in izdelava orodij z navarjanjem. Zbornik s XXXIII. posvetovanja metalurgov v Portorožu, Ljubljana 1984. 93-95 5 D. Seferijan: Metalurgija zavarivanja. Gradjevinska knjiga, Beograd 1969 6 F. Wever, A. Rose, W, Peter, W. Strassburg, L. Rademacher: Atlas zur VVarmebehandlung der Stahle. Verlag Stahleisen m.b.H.. Diisseldorf 1961 7 A. Schrader, A. Rose: De Ferri Metallographia II. Verlag Stahleisen m.b.H., Diisseldorf 1976 "Legirani alatni celici. Katalog Železarne Ravne 122/83 9 Bohler Schweisszusatzwerkstoffe fiir Werkzeugstahle 10 R. Kejžar: Platiranje konstrukcijskih jekel z navarjanjem. Kovine, zlitine, tehnologije, 28, 1994, 1-2, 95-100 11 R. Kejžar: Refinement of working surfaces by submerged are hardfac-ing. Proceedings of the intemational conference on the joining of materials, JOM-5, Helsingor 1991. 117-126 12 R. Kejžar: Hardfacing by submerged are welding. Proceedings of the 2nd intemational conference on tooling "Neue Werkstojfe und Verfa-hrenfur Werkzeuge". Bochum 1989, 301-314 13 R. Kejžar: Izdelava orodij z navarjanjem. Zbornik s 40. posveta o metalurgiji in kovinskih gradivih, Portorož/Ljubljana 1989, 201-224 14 R. Kejžar: Izdelava in vzdrževanje orodij z navarjanjem. Varilna tehnika, 32, 1983, 4, 81-83 15 R. Kejžar: Obnavljanje rezilnih robov in delovnih površin orodij. Varilna tehnika, 30, 1981, 2, 42-45 16 Weld Surfacing and Hardfacing. The Welding Institute, Abington Hali Abington Cambridge CB 1 GAL, 1980 17 R. Kejžar: Submerged are surfacing vvith multiple - vvire electrode and alloyed agglomerated fluxes. Proceedings ofthe intemational conference on the joining of materials, JOM-7, Helsingor 1995, 273-279 18 R. Kejžar: Razširjene perspektive navarjanja močno legiranih nanosov. Kovine, zlitine, tehnologije, 29, 1995, 1-2, 113-116 19 R. Kejžar: One-layer submerged are surfacing of high-alloyed clad-dings vvith single and multiple electrodes and vvith alloyed agglomerated povvders. Proceedings ofthe intemational conference on the joining of materials, JOM-6, Helsingor 1993, 455-463 20 R. Kejžar: Some results referring to alloying of submerged are surfac-ings in multiple electrode vvelding. IIW/IIS Madrid 1992, Doc. 212-813-92 (15 strani) 21 R. Kejžar: Navarjanje močno legiranih nanosov na konstrukcijska jekla. Varilna tehnika, 41, 1992, 4, 96-101 22 R. Kejžar: Produktivno navarjanje orodij. Strojniški vestnik - Tribologija, 36, 1990, 10-12, 217-220 23 J. Begeš: Strženske žice, nov proizvod Železarne Jesenice. Varilna tehnika, 34, 1985, 2, 35-39 24 G. Rihar: Razvoj strženskih žic za navarjanje. Varilna tehnika, 34. 1985, 4, 95-97 23 R. Kejžar, VŽivkovič: Kvaliteta abrazijsko odpornih navarov. Kovine, zlitine, tehnologije, 29, 1995, 1-2, 120-122 26 R. Kejžar: Wear-resistance of built-up claddings. Proceedings of the intemational conference on the joining of materials, JOM-7, Helsingor 1995, 261-272 27 R. Kejžar. M. Hrženjak: Izdelava orodij z navarjanjem v kokilo. Kovine, zlitine, tehnologije, 26, 1992, 1-2, 257-258