Wprowadzenie W. Sitek

1. Wprowadzenie
Ustalanie zale no ci mi dzy struktur , procesem technologicznym i własno ciami
u ytkowymi, jak równie dobór materiałów i procesów technologicznych kształtuj cych ich
struktur i własno ci w celu stosowania w zło onych systemach produkcyjnych, stanowi
przedmiot głównych zainteresowa in ynierii materiałowej. Dobór wła ciwego materiału wraz
z odpowiednim procesem technologicznym ma kluczowe znaczenie, zapewniaj c najwi ksz
trwało ć produktu przy najni szych kosztach.
Nauka o materiałach i in ynieria materiałowa znajduj si w ród tych dyscyplin nauki,
od których w istotnej mierze zale eć b dzie dalszy rozwój cywilizacyjny [49, 74, 84, 155,
179]. Jej rol
b dzie sprostanie zapotrzebowaniu na nowoczesne materiały in ynierskie,
uwzgl dniaj ce obecne wymagania gospodarcze, w tym tendencje do zwi kszania
konkurencyjno ci w wytwarzaniu materiałów i produktów.
Szybki post p wiedzy w wielu obszarach in ynierii wytwarzania stawia coraz wi ksze
wyzwania producentom i projektantom narz dzi. Oczywistym bowiem jest, e niezawodno ć,
trwało ć, jako ć i inne cechy narz dzi, zapewniaj ce komfort w ich eksploatacji zale
głównej mierze od
w
wiadomego, przemy lanego doboru materiałów, z uwzgl dnieniem
wielokryterialnej optymalizacji. W ród wielu kryteriów, coraz wi kszego znaczenia, oprócz
wymaga
konstrukcyjnych, technologicznych i eksploatacyjnych, nabieraj tak e wzgl dy
ekonomiczne oraz ekologiczne. W przypadku materiałów stosowanych na narz dzia
skrawaj ce decyduj cymi własno ciami s
twardo ć oraz ci gliwo ć. Zadanie doboru
wła ciwego materiału przez projektanta narz dzi stanowi nieustaj cy kompromis pomi dzy
wyborem materiału o wysokiej twardo ci, lecz małej ci gliwo ci, lub odwrotnie – wybór
materiału o dobrej ci gliwo ci, ale relatywnie mniejszej twardo ci. W ród wielu stosowanych
obecnie materiałów narz dziowych materiałami o najlepszej ci gliwo ci i odporno ci na
p kanie s
stale szybkotn ce, które wydaje si ,
e jeszcze przez długi czas w wielu
zastosowaniach pozostan niezast pione.
Ci gły intensywny rozwój materiałów narz dziowych i przemysłu narz dziowego, np.
w takich krajach jak Włochy, Austria, Niemcy, Szwecja, Francja czy Słowenia, zwi zany jest
ze zmianami na rynku narz dzi i zaawansowanych materiałów narz dziowych. Ma to zwi zek
ze specyfik współczesnego wytwarzania, wymuszon tani konkurencj rynków wschodnich,
w porównaniu do sytuacji sprzed kilku, kilkunastu lat. Wci
w odniesieniu do materiałów
narz dziowych oczekuje si zapewnienia najlepszych z mo liwych do osi gni cia własno ci
6
W. Sitek
u ytkowych i eksploatacyjnych, a w szczególno ci trwało ci (czasu eksploatacji) narz dzi, co
wymusza konieczno ć prowadzenia bada
nad nowymi materiałami. Niestety, klasyczne
podej cie wymaga du ych nakładów finansowych i czasu, oraz wi e si z konieczno ci
przeprowadzenia kompleksowych bada
podstawowych nowo projektowanych materiałów
narz dziowych, technologii ich wytwarzania, technologii poprawiaj cych ich własno ci oraz
bada
stosowanych,
polegaj cych
na
kompleksowych
próbach
technologicznych,
pozwalaj cych na ocen własno ci u ytkowych narz dzi.
Wymagania wieloaspektowego projektowania in ynierskiego narz dzi, jak równie
liczne wiatowe doniesienia literaturowe wskazuj na potrzeb kompleksowego podej cia do
zagadnienia doboru materiałów wraz z procesami technologicznymi na współczesne narz dzia,
cechuj ce si wysok jako ci , niezawodno ci i b d ce przyjazne dla rodowiska [5, 30, 74,
84, 137].
Stale szybkotn ce stanowiły przez kilkadziesi t lat przedmiot zainteresowania
rodowiska naukowego, z którego wywodzi si autor. Prowadzone najpierw w Instytucie
Metaloznawstwa, a nast pnie w Instytucie Materiałów In ynierskich i Biomedycznych (IMIiB)
badania nad tymi materiałami dotyczyły wpływu m. in. obróbki cieplnej i cieplnomechanicznej na własno ci stali szybkotn cych [1, 2, 73, 75], przemian fazowych [43, 65, 67],
jak równie mo liwo ci substytucji niektórych dodatków stopowych [45, 57, 64, 66, 68, 69].
Liczne prace prowadzone we współpracy z kilkoma o rodkami europejskimi dotycz rozwoju
metody PVD i jej zastosowaniu do pokrywania stali konwencjonalnych oraz spiekanych stali
szybkotn cych powłokami jedno- i wielowarstwowymi [32, 33, 34, 35, 37, 44], a obecnie
równie gradientowymi [38, 42, 61, 71, 117, 139]. W Instytucie prowadzone s tak e badania
nad spiekanymi stalami szybkotn cymi [47, 48, 140, 142, 143]. Efektem tych bada były
liczne rozprawy doktorskie i habilitacyjne oraz opracowania monograficzne [4, 29, 39, 62, 63,
77, 93, 114, 134, 216], co stanowi istotny wkład naukowy w rozwój bada nad stalami
szybkotn cymi nie tylko w kraju.
Równocze nie, istotny obszar zainteresowa naukowych IMIiB stanowi Komputerowa
Nauka o Materiałach, która jest od kilkunastu lat przez ten Zespół kreowana w kraju. Główne
osi gni cia w zakresie zastosowa narz dzi informatycznych, w tym sztucznej inteligencji,
zostały opublikowane m.in. w pracach [46, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 58, 59, 60, 129, 198, 199,
200, 201, 207, 208, 209, 210].
Tematyka podj tych w ramach pracy bada
stanowi naturalny kierunek rozwoju
obszarów badawczych realizowanych w IMIiB.
7
1. Wprowadzenie
1.1. Stale szybkotn>ce i ich znaczenie
We współczesnej, nowoczesnej produkcji przemysłowej, a szczególnie w produkcji
masowej, obróbka skrawaniem stanowi jeden z najwa niejszych procesów kształtowania i
wytwarzania produktów. Wymagania konkurencyjnej, ł cz cej wysok jako ć i wydajno ć
produkcji w poł czeniu z mo liwie niskimi jednostkowymi kosztami, stwarzaj potrzeb
dysponowania wysokowydajnymi materiałami narz dziowymi [80].
W odniesieniu do materiałów stosowanych na kształtowe narz dzia skrawaj ce,
najistotniejszymi własno ciami s
twardo ć oraz odporno ć na uszkodzenia podczas
eksploatacji np. p kni cie lub złamanie, któr wyrazić mo na udarno ci lub odporno ci na
p kanie materiału. To wła nie wysoka ci gliwo ć materiału predysponuje narz dzie do pracy
w warunkach obci e
udarowych, jak równie w warunkach powoduj cych uszkodzenie
zm czeniowe. Zapewnienie tych oczekiwanych własno ci eksploatacyjnych uzyskuje si dla
materiału o okre lonym składzie chemicznym podczas obróbki cieplnej.[31, 126, 166]
W ród stosowanych obecnie podstawowych materiałów narz dziowych mo na wskazać
trzy podstawowe grupy:
̇ stale szybkotn ce,
̇ w gliki spiekane,
̇ materiały ceramiczne oraz materiały supertwarde (kompozyty na bazie aluminium,
sialony, regularny azotek boru i diament syntetyczny).
Skład chemiczny i struktura współczesnych stali szybkotn cych jest efektem
prowadzonych przez dziesi ciolecia bada eksperymentalnych. Przyjmuje si , e pierwsz
stal szybkotn c była opracowana w 1900 roku przez F.W. Taylora i M. White’a stal
zawieraj ca 1,85% C, 0,15% Si, 0,3% Mn, 3,8% Cr i 8,0% W. Prace nad rozwojem stali
szybkotn cych doprowadziły do wprowadzenia do stali dodatku wanadu, nast pnie wolframu
w st eniu ok. 18% oraz kobaltu. Kolejna modyfikacja składu chemicznego stali
szybkotn cych dotyczyła cz ciowego zast pienie wolframu przez molibden. Dalsze badania
eksperymentalne doprowadziły do równoczesnego zwi kszenie st enia wanadu i w gla, a
nast pnie do zredukowania st enia wolframu podwy szenia st enia wanadu, co
doprowadziło do opracowania nowego typu stali szybkotn cych 12-0-4 o st eniu wanadu
3÷5% i w gla ok. 1,6%. Wtedy te prowadzone badania wykazały, e w gliki typu MC,
8
W. Sitek
tworzone w du ej cz ci przez wanad, maj wi ksz odporno ć na cieranie od w glików typu
M6C. W efekcie pozwoliło to na opracowanie stali o du ym st eniu w gla i wanadu, zwanych
stalami "super-szybkotn cymi".[184]
W latach 1940-1952 w USA podj to próby zast powania wolframu molibdenem, a
opracowana tam stal typu 6-5-2 jest obecnie jedn z najbardziej rozpowszechnionych stali
szybkotn cych [186].
Tak wi c ewolucja w składzie stali szybkotn cych od ich powstania a do ko ca II
Wojny wiatowej dokonała si metod empiryzmu naukowego i wymagała przeprowadzania
wielu prób eksperymentalnych, ko cz cych si niejednokrotnie niepowodzeniem lub wr cz
prowadz cych do bł dów.
Obecnie podstawowymi składnikami stopowymi w stalach szybkotn cych s chrom,
wolfram, wanad, a tak e molibden i kobalt. Oprócz wymienionych, podstawowych
pierwiastków, jako dodatki stopowe niekiedy wprowadzane s
krzem, niob i tytan.
Systematyczne badania nad zale no ci mi dzy składem chemicznym, procesami wytwarzania
oraz obróbki cieplnej i własno ciami stali szybkotn cych podj to dopiero w latach 60-tych
ubiegłego wieku. W ich wyniku ustalono, e własno ci stali szybkotn cych zale
istotnie od
stosunku mi dzy st eniem w gla, a sumarycznym st eniem pierwiastków stopowych [13,
127]. Doprowadziło to do podania wzoru na tzw. wska nik ekwiwalentu w gla (rys. 1) [13,
127]:
CE =
%W + 1.9% Mo + 6,3%V
30
(1)
gdzie: W, Mo, V − odpowiednio st enie masowe tych pierwiastków w stali w %.
Wyniki bada
[13, 127] pozwoliły ustalić,
e najkorzystniej jest, ze wzgl du na
własno ci eksploatacyjne, aby stale z dodatkami wolframu, molibdenu i wanadu, zawierały o
0,1÷0,2% wi ksze st enie w gla od warto ci wska nika ekwiwalentu w gla CE (rys. 1).
Podwy szenie st enia w gla powy ej 0,2% od warto ci wska nika ekwiwalentu w gla CE
spowodowało powstanie nowej grupy stali szybkotn cych osi gaj cych du
wi ksz
twardo ć i
odporno ć na odpuszczanie przy nie zmienionej ci gliwo ci, w porównaniu z
gatunkami konwencjonalnymi [13, 14].
9
1. Wprowadzenie
Rys. 1. StCcenie masowe wCgla i pierwiastków stopowych w stalach szybkotn>cych rócnych
typów [39]
Na przełomie lat 70 i 80-tych ubiegłego wieku, w zwi zku z trudno ciami w pozyskaniu
niektórych dodatków stopowych, zapocz tkowano szereg prac dotycz cych ograniczenia
st enia w stalach szybkotn cych bardzo drogich lub deficytowych wówczas pierwiastków
takich jak wolfram, wanad, molibden i kobalt, poprzez zast pienie ich innymi – ta szymi i
łatwo dost pnymi pierwiastkami, w tym krzemem, aluminium, tytanem lub niobem [40, 43, 65,
77, 83, 91, 127, 185, 195, 213].
I tak w przypadku krzemu stwierdzono, e mo e on zast pować wolfram i molibden [9,
10, 11, 12, 43, 57, 65, 69, 70, 75, 77, 91, 167, 168, 169, 170, 195, 213], co zaowocowało
opracowaniem nowych gatunków stali szybkotn cych z podwy szonym st eniem krzemu [68,
76, 77].
Badania [12, 17, 20, 41, 63, 64, 66, 67, 68, 69, 70, 99, 100, 102, 115, 122, 127, 160,
185, 216] wykazały,
e celowe jest stosowanie niobu, dla cz ciowego zast pienia nim
wanadu.
Natomiast wyniki bada nad stali szybkotn cych z dodatkiem tytanu [45, 62, 63, 64, 66,
67, 83, 88, 176, 184] wskazuj , e mo e on cz ciowo zast pować wanad. Ponadto prace [21,
22, 24, 119, 120, 121, 122, 180, 181, 182, 183] pozwoliły na opracowania nieledeburytycznych
stali szybkotn cych, wykazuj cych brak segregacji w glików, przy innych własno ciach
porównywalnych z konwencjonalnymi stalami szybkotn cymi.
10
W. Sitek
Przedstawiony rozwój stali szybkotn cych, w zakresie doskonalenia ich składu chemicznego oraz procesów wytwórczych, był niezwykle długotrwały i zło ony.
Konwencjonalna produkcja stali szybkotn cych składa si
odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Pierwsz
z procesów topienia,
metod
wytwarzania stali
szybkotn cych stosowan głównie do odlewania małych wlewków był proces tyglowy. W
połowie XX wieku został zast piony przez indukcyjne i łukowe piece elektryczne stosowane z
du ym powodzeniem do dnia dzisiejszego. W latach 60-tych istotnym krokiem w metalurgii
stali szybkotn cych było pojawienie si
procesów przetapiania elektro u lowego i
pró niowego przetapiania łukowego, które zapewniły podwy szenie czysto ci metalurgicznej
stali szybkotn cych i mo liwo ć kontrolowania krystalizacji wytwarzanych produktów.
Pierwiastki stopowe s dodawane w formie elazostopów takich jak: elazo-wolfram, elazomolibden, elazo-wanad, które s podstawowymi pod wzgl dem udziałów masowych jak i cen,
a ich udział uzale niony jest od st enia w gla [108]. Za pomoc procesów ESR (electroslag
refining) i VAR (vacuum arc remelting) oraz bardziej popularnego electron beam lub plasma
arc melting osi gany jest wi kszy stopie kontroli szybko ci chłodzenia oraz zwi zanej z tym
lokalnej krystalizacji. Odmian ESR jest CESM (continuous electroslag melting) nazywane
tak e ci głym elektro u lowym topieniem [107, 108]. W tym przypadku elektroda ulegaj ca
stopieniu, zast powana jest wlewkiem ze stali, podawanej w sposób ci gły do kadzi wraz z
pierwiastkami
stopowymi.
Kolejn
metod
gwarantuj c
zmniejszenie
stopnia
niejednorodno ci składu chemicznego i segregacji w glików pierwotnych jest rafinacja
pró niowo-łukowa w procesie VAD (vacuum arc depositions). Stale szybkotn ce wytworzone
t metod , w porównaniu ze stalami wytopionymi konwencjonalnie, odznaczaj si mniejszym
st eniem szkodliwych domieszek, zwłaszcza tlenu i siarki oraz wykazuj po hartowaniu
bardziej jednorodn wielko ć ziarna austenitu pierwotnego. Metoda odlewania ci głego nie
znalazła zastosowania w przypadku wytwarzania stali szybkotn cych z powodu trudno ci w
otrzymaniu struktury wolnej od segregacji, zwi zanej z szybko ciami odlewania [108].
Wytwarzanie stali odlewanych poci ga za sob
konieczno ć stosowania obróbki
plastycznej na gor co, maj cej za zadanie rozbicie komórkowej struktury lanej stali
szybkotn cej
z
siatk
w glików
eutektycznych, poprzedzanej
operacj
wy arzania
ujednorodniaj cego. Tak wi c znacz cy wpływ na rozwój konwencjonalnych stali szybkotn cych wywarły czynniki technologiczne, w tym przede wszystkim u ycie kowarek do
przekuwania stali szybkotn cych [95, 96, 97]. Umo liwiaj one uzyskanie korzystnej struktu11
1. Wprowadzenie
ry, przez praktyczn likwidacj segregacji w glików pierwotnych, wyst puj c przypadku
zastosowania walcowania.
Pocz wszy od lat 70 -tych ubiegłego wieku rozwój stali szybkotn cych i wytwarzanych
z nich narz dzi nast pował w zakresie technologii ich wytwarzania, w tym zastosowanie do ich
wytwarzania metod metalurgii proszków, obróbki cieplno-chemicznej i procesów PVD do
pokrywania narz dzi z tych stali twardymi warstwami powierzchniowymi w celu polepszenia
własno ci eksploatacyjnych, jak równie
rozwoju technologii obróbki cieplnej mniej
uci liwych dla rodowiska od tradycyjnej wykorzystuj cej piece solne. Własno ci narz dzi ze
stali szybkotn cych ulegaj wydatnej poprawie w wyniku zastosowania obróbki cieplnochemicznej, w tym azotowania gazowego, azotowania jonizacyjnego, azotowania pró niowego
i siarkoazotowania gazowego [1, 3, 81, 82, 124, 125, 177]. W Szwecji w 1970 r. została
opracowana metoda wytwarzania spiekanych stali szybkotn cych, znana jako proces ASEAStora [103]. W ostatnim dziesi cioleciu XX wieku, bardzo wiele prac badawczych i badawczowdro eniowych dotyczy wła nie spiekanych stali szybkotn cych, które nie wykazuj
kłopotliwej segregacji w glików pierwotnych przy g sto ci zbli onej do odpowiadaj cej
stalom konwencjonalnym, oraz o własno ciach u ytkowych narz dzi, zwłaszcza o du ych
przekrojach, lepszych od wykonywanych ze stali konwencjonalnych [42, 47, 48, 94, 104, 105,
117, 133, 140, 141, 142, 143, 152, 187, 188, 189, 190, 191, 194, 205, 206, 211, 212].
Przełomowe dla poprawy własno ci eksploatacyjnych narz dzi było wprowadzenie
metody PVD - niskotemperaturowego fizycznego osadzania z fazy gazowej warstw
powierzchniowych, zło onych z w glików i azotków tytanu, a tak e powłok wielowarstwowych. Pokrywane narz dzia wykazuj nawet kilkakrotnie wi ksz trwało ć eksploatacyjn , od
narz dzi wytwarzanych konwencjonalnie. Powłoki wytwarzane w procesie PVD mo na podzielić
na proste (składaj ce si z jednego materiału, metalu lub fazy) i zło one (składaj ce si z wi cej ni
jednego materiału, przy czym materiały te zajmuj ró ne pozycje w powłoce). Z powłok zło onych
dodatkowo mo na wyró nić powłoki wieloskładnikowe, wielowarstwowe, wielofazowe,
kompozytowe i gradientowe. [15]
Prace nad wykorzystaniem tej nowoczesnej technologii, w tym równie
zło onych
(wieloskładnikowych,
wielowarstwowych,
wielofazowych,
powłok
kompozytowych
i
gradientowych) do poprawy własno ci eksploatacyjnych narz dzi s intensywnie prowadzone
w ostatnich kilkunastu latach i obszernie publikowane [4, 15, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 44, 56,
61, 71, 90, 93, 139, 175, 215].
12
W. Sitek
Inne kierunki rozwoju i doskonalenia technologii obróbki cieplnej stali szybkotn cych,
w tym uwzgl dniaj ce aspekt ekologiczny [28], dotycz zastosowania obróbki podzerowej w
celu poprawienia głównie trwało ci narz dzi [25, 87, 130, 151], obróbki cieplnej pró niowej
[131, 132, 205], natryskiwania plazmowego b d cego kombinacj metody PVD i metalurgii
proszków [148] oraz stopowania powierzchni stali szybkotn cych [8, 106]. W pracy [7]
przedstawiono interesuj ce wyniki bada
wpływu kinetyki przemian fazowych przy
nagrzewaniu ci głym i wygrzewaniu izotermicznym na własno ci odpuszczanej stali, przy
zastosowaniu tzw. odpuszczania wst pnego, co umo liwia modyfikacje technologii obróbki
cieplnej dotychczas stosowanych.
Struktura i własno ci stali szybkotn cych kształtowane s
zarówno podczas ich
wytwarzania jak i podczas obróbki cieplnej. Własno ci stali szybkotn cych w bardzo du ym
stopniu zale
od ich struktury pierwotnej, utworzonej w wyniku krystalizacji. Sekwencja
przemian podczas krystalizacji oraz skład fazowy w glików utworzonych w ich wyniku, zale
głównie od rodzaju i st enia pierwiastków w glikotwórczych w stali, a tak e od sposobu
chłodzenia [12, 39, 43, 77, 89, 92, 128, 185]. Obróbka cieplna stali szybkotn cych polega na
hartowaniu i odpuszczaniu, pocz tkowo wykonywana w k pielach solnych, a obecnie w
piecach pró niowych, komorowych z atmosferami regulowanymi, ze zło em fluidalnym, lub z
zastosowaniem nagrzewania indukcyjnego [39]. Podczas hartowania stosuje si dwu- lub
niekiedy
trójstopniowe
podgrzewanie
narz dzi
do
temperatury
austenityzowania
z
wytrzymaniem w k pielach solnych o temperaturze 550, 850 i ewentualnie 1150°C.
Zapewnienie wysokiej hartowno ci i umo liwienie utwardzania wydzieleniowego podczas
odpuszczania wymaga cz ciowego rozpuszczenia w glików pierwotnych w roztworze stałym
i nasycenie austenitu w glem i pierwiastkami stopowymi. Uzyskuje si
to poprzez
zastosowanie wysokiej temperatury austenityzowania, zwykle o ok. 50÷70°C ni szej od
temperatury solidusu i krótkiego czasu austenityzowania, zwykle 80÷150 s [13, 39, 126].
Stopie
nasycenia austenitu pierwiastkami stopowymi zale y tak e od wielko ci
w glików i ich rozmieszczenia w strukturze stali wy arzonej sferoidyzuj co. W odpowiednio
dobranej temperaturze austenityzowania cze ć w glików przechodzi do roztworu stałego, a
pozostała ich nierozpuszczona cz ć hamuje nadmierny rozrost ziarn austenitu pierwotnego.
Zbyt niska temperatura austenityzowania nie zapewnia niezb dnego nasycenia austenitu
w glem i pierwiastkami stopowymi, pochodz cymi z w glików rozpuszczonych w roztworze
stałym i obni a twardo ć stali po odpuszczaniu. Z drugiej strony za wysoka temperatura
13
1. Wprowadzenie
austenityzowania, jak i nadmierny czas grzania podczas hartowania, wpływaj na zwi kszenie
udziału austenitu szcz tkowego w stali a przez to na zmniejszenie jej twardo ci bezpo rednio
po hartowaniu. Towarzyszy temu równocze nie zwi kszenie odporno ci stali na p kanie oraz
wzrost wielko ci ziarna austenitu pierwotnego [39]. Przemiany zachodz ce w stali
szybkotn cej podczas chłodzenia z temperatury austenityzowania mo na okre lić za pomoc
wykresów czas-temperatura-przemiana przy chłodzeniu ci głym CTPc lub wykresów TPc
przemian fazowych [126, 144, 145, 146].
Istotny wpływ na struktur i własno ci stali szybkotn cych wywiera odpuszczanie. Przy
odpuszczaniu w zakresie temperatury 400÷450°C, w zale no ci od gatunku stali, w
martenzycie nast puje wydzielanie cementytu [39, 77]. Powoduje to popraw
wytrzymało ciowych, jednak e zmniejsza si
własno ci
odporno ć stali na p kanie [156, 158].
Odpuszczanie w temperaturze 500÷580°C, w zwi zku z cz ciowym rozpuszczaniem si
cementytu w martenzycie odpuszczonym, powoduje zmniejszenie wytrzymało ci i
współczynnika intensywno ci napr e KIc b d cego miar odporno ci na p kanie [166] (rys.
2).
30
1000
HV
900
25
800
20
700
15
600
10
200
Twardo ć, HV30
Współczynnik intensywno ci
napr e KIc, MPa m1/2
35
500
KIC
400
400
500
300
600
700
Temperatura odpuszczania, °C
Rys. 2. Wpływ temperatury odpuszczania na warto ć współczynnika intensywno ci napr e
KIc i twardo ć stali typu 6-5-2 [166]
Równocze nie nast puje wydzielanie drobnych w glików stopowych, maj cych wpływ
na efekt twardo ci wtórnej. W stalach zawieraj cych powy ej 1% V za efekt twardo ci wtórnej
14
W. Sitek
odpowiedzialne s
wydzielenia w glików M4C3 typu MC, wykazuj ce
ci le okre lone
zale no ci krystalograficzne wzgl dem osnowy martenzytu odpuszczonego. Oprócz w glików
typu M4C3, w stalach o małym st eniu V (ok. 1%), w zakresie temperatury odpuszczania
odpowiadaj cym twardo ci wtórnej, mog wydzielać si równie w gliki typu M2C, a przy
jeszcze mniejszych st eniach tego pierwiastka w gliki typu M23C6 i M6C. [2, 13, 39, 72, 73]
Podczas odpuszczania, du y udział austenitu szcz tkowego istotnie uwydatnia efekt
twardo ci wtórnej w wyniku przemiany austenitu szcz tkowego w martenzyt. Obecno ć
martenzytu jest niezb dna do przebiegu procesu kondycjonowania austenitu szcz tkowego
podczas wygrzewania w temperaturze odpuszczania, w której nast puje przygotowanie tej fazy
do przemiany martenzytycznej, przebiegaj cej podczas chłodzenia z temperatury odpuszczania
[72, 73]. Podczas wygrzewania w temperaturze odpuszczania, nast puje dyfuzyjne
wyrównanie st enia w gla w austenicie szcz tkowym, s siaduj cym z martenzytem
zubo onym w w giel, w wyniku wydzielania si w martenzycie w glików stopowych. Wy sza
temperatura
pocz tku
przemiany
martenzytycznej
zubo onego
w
w giel
austenitu
szcz tkowego umo liwia przemian martenzytyczn tej fazy podczas chłodzenia z temperatury
odpuszczania [39, 72, 73, 172]. Przemiana martenzytyczna austenitu szcz tkowego przebiega
cz ciowo po odpuszczaniu ju
w temperaturze o 50÷100°C ni szej od temperatury
zapewniaj cej maksymaln twardo ć wtórn [39]. Natomiast niemal cały austenit szcz tkowy
ulega przemianie w martenzyt podczas chłodzenia po odpuszczaniu w temperaturze ni szej o
20÷30°C od temperatury maksymalnej twardo ci wtórnej [39]. Zwykle odpuszczanie
wykonuje si
dwu- lub trzykrotnie. Struktur
składaj c
si
niemal w cało ci z
wysokoodpuszczonego martenzytu i w glików uzyskuje si dopiero po drugim, a w przypadku
stali kobaltowych, nawet po trzecim odpuszczaniu.
Reasumuj c struktura stali szybkotn cych po odpuszczaniu składa si
z osnowy,
w glików pierwotnych MC i M6C (niekiedy równie M2C), dyspersyjnych w glików wtórnych
MC, M2C i M4C3, oraz w szczególnych przypadkach z austenitu szcz tkowego. Gruboziarniste
w gliki typu MC i M6C (wielko ci rz du mikrometrów) krystalizuj bezpo rednio ze stanu
ciekłego albo jako wydzielenia powstałe wspólnie z elazem w wyniku reakcji eutektycznej i
st d nazywane s w glikami pierwotnymi. Spo ród wszystkich składników strukturalnych
wła nie te w gliki wykazuj najwy sz twardo ć. Równocze nie maj one decyduj cy wpływ
na odporno ci narz dzi na zu ycie. W niektórych warunkach krystalizacji lub w przypadku gdy
stal zawiera pierwiastki stopowe Mo i V, mog tak e wydzielać si w gliki typu M2C. Osnow
15
1. Wprowadzenie
stanowi martenzyt odpuszczony. Drobne (dyspersyjne) w gliki typu MC, M2C i M4C3
(wielko ci rz du kilkudziesi ciu nanometrów), wydzielaj
si
podczas odpuszczania.
Wpływaj one na efekt twardo ci wtórnej wyst puj cy w stalach szybkotn cych i dlatego
zwane s tak e w glikami wtórnymi. Rozwa aj c kolejno ć powstawania faz w strukturze,
powstaj one w ko cowym etapie formowanie si ostatecznej struktury stali szybkotn cych.
Ró norodno ć dodatków stopowych wyst puj cych w stalach szybkotn cych (C, W, Mo, V,
Si, Cr, Nb, Ti, Co) powoduje, e stanowi one niezwykle zło ony system wielofazowy.
Ró norodno ć przemian, fizykalne współzale no ci decyduj
o tym,
e ich badania
strukturalne wymagaj zastosowania najbardziej subtelnych metod badawczych stosowanych
w in ynierii materiałowej.
Mo na było s dzić,
e dynamiczny rozwój nowych materiałów ceramicznych,
ceramiczno-w glikowe, w glików spiekanych, a tak e stosowanie technologii pokrywania tych
materiałów w celu ograniczenia zu ycia i wydłu enia czasu pracy narz dzi spowoduje
stopniowe odchodzenie od stosowania stali szybkotn cych [191]. Jednak e mała ci gliwo ć,
jak wykazuj spiekane i ceramiczne materiały narz dziowe, powoduje, e nie stanowi one
konkurencji dla stali szybkotn cych, a obydwie te grupy materiałów nale y uznać jako
wzajemnie komplementarne (rys. 3).
Współczynnik intensywno ci
1/2
napre e , KIC, MPa m
100
WC-Co
HSS
Al2O 3
10
SiC
Sialony
Si3N4
1,0
100
1000
Diament
10000
Wytrzymało ć, MPa
Rys.3. Porównanie wytrzymało ci i odporno ci na kruche p kanie dla materiałów stosowanych
na narz dzia skrawaj ce (dla stali oraz WC-Co podano granic plastyczno ci, a dla
pozostałych napr enie ciskaj ce) [149]
16
W. Sitek
W przypadkach gdy szczególnie po dan własno ci materiałów stosowanych na
narz dzia skrawaj ce jest du a ci gliwo ć, jak równie
dobra obrabialno ć w stanie
zmi kczonym, stale szybkotn ce nadal pozostaj materiałem dominuj cym.
Z pozycji u ytkownika narz dzi najistotniejsza jest, obok trwało ci, odporno ć
narz dzia na uszkodzenia. W przypadku stali szybkotn cych i wyst puj cego w nich efektu
twardo ci wtórnej, sama twardo ć nie mo e być własno ci decyduj c o jako ci materiału,
bowiem stale szybkotn ce o tej samej twardo ci, lecz ró nej mikrostrukturze mog posiadać
ró n odporno ć na p kanie [85, 116, 165, 166]. Fakt ten stał u podstaw szeregu bada
maj cych na celu ustalenie zale no ci pomi dzy mikrostruktur stali a jej odporno ci na
p kanie [132, 157, 162, 163, 165, 166, 196, 197]. Wyniki prac [161, 164] wskazuj , e istotn
rol
mog
odgrywać w gliki pierwotne, przy czym istotny jest nie tylko ich udział
obj to ciowy w strukturze, ale równie
ich wielko ć oraz rozmieszczenie w osnowie,
wyra one np. redni odległo ci mi dzy nimi. Znaczenie wielko ci w glików dla odporno ci
stali na p kanie wydaje si być dyskusyjnym, gdy panuje pogl d, i w gliki o umownej
redniej wielko ci, równomiernie rozło one w osnowie gwarantuj
najlepsze własno ci.
Mechanizm propagacji p kni ć w stalach potwierdzony badaniami [132, 161, 164] wskazuje,
e taka segregacja w glików nie tworzy bariery dla propagacji p kni ć, a uszkodzenie
materiału post puje niejednokrotnie wył cznie na granicy fazowej w glik – osnowa. Tak wi c
mo na przypuszczać, e na zwi kszenie odporno ci stali na p kanie korzystnie mog wpływać
du e w gliki, o rozmiarach wi kszych od czoła propaguj cego p kni cia (strefy odkształce
plastycznych). W przypadku, gdy p kni cie napotyka na nie, stanowi
swoist
barier
spowalniaj c proces p kania. Kolejn faz której przypisuje si wpływ na odporno ć na
p kanie jest austenit szcz tkowy. Wcze niej prace badawcze nad rozwojem stali
szybkotn cych miały m. in. na celu okre lenie parametrów obróbki zapewniaj cej minimalny
udział austenitu szcz tkowego w strukturze stali jako fazy niepo danej. Jednak e wyniki
bada [116, 163, 165, 196] wskazuj , e austenit jako faza o wiele lepszych własno ciach
plastycznych ni
martenzyt mo e poprawiać odporno ć stali na p kanie. Odr bnym
zagadnieniem pozostaje kwestia wpływu jego rozło enia w strukturze oraz metody stabilizacji
na własno ci plastyczne stali [118]. ci le z tym wi
si badania wpływu wielko ci ziarna
austenitu pierwotnego, zale nej od temperatury austenityzowania [157].
W zakresie bada
twardo ci wtórnej stali szybkotn cych, dotycz cych wpływu
pierwiastków stopowych oraz parametrów obróbki cieplnej zagadnienie wydaje si być dosyć
17
1. Wprowadzenie
dobrze zbadane a kompleksowa analiza została przedstawiona w pracach [29, 39, 62, 63, 114,
134, 216].
Nieliczne doniesienia literaturowe wskazuj
na próby opracowania alternatywnych
metod obliczania odporno ci na p kanie stali, jak równie innych materiałów metalowych [98,
101, 136, 132, 178]. Bazuj one na wynikach badania współczynnika intensywno ci napr e
KIc lub udarno ci. W przypadku modelowania twardo ci stali szybkotn cych doniesienia
literaturowe wskazuj , e dotycz one wył cznie pojedynczych typów stali spiekanych [90,
135]. Natomiast w pracach własnych [93, 105] prowadzono badania nad opracowaniem
modelu twardo ci stali szybkotn cych dla mo liwie szerokiej grupy gatunków tych stali. Jako
narz dzia modelowania komputerowego stosowane s metody programowania genetycznego
[98], sztuczne sieci neuronowe [101, 136], metody statystyczne [132, 178] oraz metoda
elementów sko czonych [193, 202, 203, 204].
1.2. Komputerowa Nauka o Materiałach i jej rola w projektowaniu nowych
materiałów
Post p w obszarze in ynierii materiałowej jest nierozerwalnie zwi zany ze stosowaniem
i rozwojem metod modelowania matematycznego, metod numerycznych, metod inteligencji
obliczeniowej i sztucznej inteligencji. Modelowanie i symulacja komputerowa umo liwiaj
popraw własno ci materiałów in ynierskich oraz przewidywanie ich własno ci nawet przed
wyprodukowaniem materiałów, przy znacz cym zmniejszeniu nakładów i czasu niezb dnych
dla ich badania i wdro enia. Modelowanie staje si wi c nieodzownym narz dziem w nauce o
materiałach i in ynierii materiałowej zapewniaj c chemiczny i fizyczny opis materiałów w
szerokiej skali zarówno długo ci jak i czasu.
Wi e si
to z konieczno ci
poznania
zachowania materiałów w ró nych skalach, od atomowej przez mezo- do skali makro, z
wykorzystaniem znajomo ci zasad fizyki i chemii dotycz cych stanu i własno ci materii stałej.
W ten sposób współczesna nauka o materiałach a szczególnie projektowanie materiałowe,
którego istot jest symulacja komputerowa dla oceny własno ci materiałów w rodowisku
wirtualnym, umo liwia dostosowanie składu chemicznego i struktury do zbioru własno ci
wymaganych dla nowych materiałów i produktów, przed wytworzeniem tych materiałów [5,
74, 154, 155].
Nale y wyró nić dwa aspekty projektowania materiałowego. Pierwszy, dotycz cy
18
W. Sitek
doboru materiału na okre lony produkt spo ród opracowanych dotychczas i znanych ju
materiałów [5, 27, 30, 84, 137, 138] oraz drugi, zwi zany z opracowaniem nowych materiałów
do zastosowa
dotychczas nieokre lonych lub materiałów lepiej spełniaj cych wymagania
u ytkowe [59, 574, 147, 159, 171, 179]. W tym wła nie drugim aspekcie szczególnie wa ne
jest, aby do nowych rozwi za materiałowych dochodzić nie metod prób i bł dów, lecz
metodami modelowania matematycznego czy fizycznego, i przy wspomaganiu komputerowym
uzyskać rozwi zanie optymalne, bez konieczno ci prowadzenia czaso- i kosztochłonnych
eksperymentów. Znajomo ć zjawisk - elektrycznych, magnetycznych, mechanicznych,
cieplnych, strukturalnych lub innych, oraz dalsze ich umiej tne poznawanie przy
uwzgl dnieniu teorii dotycz cej ich podstaw, z wykorzystaniem metod współczesnego
modelowania (np. sztucznej inteligencji), technik analitycznych i zaawansowanych metod
badawczych wyja niaj cych zachowanie materiałów umo liwia projektowanie nowych
materiałów o takich własno ciach, które najlepiej spełniaj wymagania praktycznego ich
zastosowania (rys. 4). Przedstawione działania stanowi
obszar zainteresowania nowej
specjalno ci in ynierskiej – Komputerowej Nauki o Materiałach (ang. Computational Materials
Science, Materials Informatics).
teoria nauki
o materiałach
eksperyment
s ymulacja komputerowa
modelowanie
w skali atomowej
modelowanie
mikrostruktury
modelowanie
w skali makro
metody sztucznej
inteligencji
modelowanie kom pleksowo-hybrydowe w ró nych skalach
zastosowania materiałów
nowe i ulepszone materiały
Rys. 4. Relacje pomi dzy teori nauki o materiałach, symulacj komputerow
i działaniami eksperymentalnymi [31]
W przypadkach gdy brak ogólnie przyj tej teorii dotycz cej zjawiska lub modelu go
19
1. Wprowadzenie
opisuj cego, przydatne staj si metody odkrywania wiedzy (KDD) i eksploracji danych (data
mining) w istniej cych interdyscyplinarnych bazach danych [86]. Przykładem bada
prowadzonych w tym zakresie na Wydziale Mechanicznym Technologicznym s prace z
obszaru diagnostyki maszyn [19, 150]. Techniki te stanowić mog
niejednokrotnie
niezast pione narz dzie, pozwalaj ce zintegrować informacje naukowe, np. w postaci
wyników bada z istniej c teori w odkrywaniu nowych materiałów [109, 111, 112].
Wydaje si ,
e w przypadku takich dziedzin jak biologia, farmacja, astronomia,
diagnostyka maszyn czy nauki społeczne, zastosowanie technik informatycznych jest
stosunkowo zaawansowane. Natomiast w przypadku in ynierii materiałowej mo na uznać, e
zastosowania szczególnie zaawansowanych technik informatycznych s w pocz tkowej fazie.
Mo na si
doszukiwać przyczyny takiego stanu rzeczy w specyfice dziedziny jak
jest
in ynieria materiałowa, gdzie dochodzenie do wyniku eksperymentu jest procesem
długotrwałym
i
wymaga
stosowania
wielu
wysublimowanych
technik
oraz
wysokospecjalizowanej aparatury. W konsekwencji zasoby danych eksperymentalnych nie s
a tak obszerne, jak w przypadku innych dziedzin nauki i nadal pozostaj w stosunkowo
wysokim stopniu rozproszone. Obecnie za najbardziej usystematyzowane w tym zakresie
nale y uznać prace Ashby’ego wraz z zespołem [5, 6, 214]. Zaproponowane w tych pracach
poł czenie opracowanych zale no ci fenomenologicznych z dyskretnymi danymi zawartymi w
katalogach materiałów zaowocowało opracowaniem modeli klasyfikacyjnych materiałów w
postaci
tzw.
„map”
przedstawiaj cych
wielowariantowo
własno ci
materiałów
wg
ujednoliconego schematu (rys. 5). Co istotne, po raz pierwszy zostały zestawione informacje
typu struktura-własno ci dla materiałów odmiennych klas.
Podkre laj c niepodwa aln warto ć tego podej cia, nale y jednak wskazać na pewne
jego ograniczenia, w tym w zakresie predykcji, zarówno wewn trz przestrzeni opracowanych
map, jak i poza tym obszarem. Nie da si bowiem swobodnie ekstrapolować własno ci
materiałów jednej klasy na drug
(materiałów ró nych klas np. ceramiki, stali) bez
uwzgl dnienia szeregu ogranicze , np. technologii wytwarzania lub poszczególnych własno ci
np. g sto ci.
Podstawowym zadaniem Komputerowej Nauki o Materiałach jest zagadnienie integracji
wiedzy materiałoznawczej oraz narz dzi informatycznych (rys. 6) dla odkrywania nowych,
niepoznanych dotychczas zale no ci oraz budowania modeli materiałowych w oparciu o t
wiedz , która została na przestrzeni wielu lat pozyskana w wyniku bada eksperymentalnych.
20
W. Sitek
Rys. 5. Przykład mapy Ashby’ego – porównanie wytrzymało ci i współczynnika intensywno ci
napr e (opracowano w [31] na podstawie prac Ashby’ego)
Logika
rozmyta
Sieci
neuronowe
Algorytmy
ewolucyjne
MES/MEB
Data
mining
Systemy
ekspertowe
Narz dzia Komputerowej
Nauki o Materiałach
Metody
statystyczne
KDD
Systemy CAx
Systemy
CAMS/CAMD
Rys. 6. Narz dzia Komputerowej Nauki o Materiałach
21
1. Wprowadzenie
Badania w obszarze modelowania matematycznego, inteligencji obliczeniowej i
sztucznej inteligencji wskazuj
na du e mo liwo ci zwi zane z zastosowaniem modeli
hybrydowych [78]. Ł czenie metod w jednym modelu umo liwia rozwa enie szerszego
obszaru problemowego a co wa niejsze, wykorzystanie zalet ka dej metody i uzyskanie efektu
synergicznego. Podstaw
powstania takich rozwi za
jest zało enie,
e metody te s
w
stosunku do siebie komplementarne.
Przy zastosowaniu narz dzi komputerowych, w tym symulacji komputerowej, mo liwe
jest rozwi zywanie zada dwóch klas:
•
Prostych (analizy), gdzie dokonuje si prognozowania własno ci materiałów w zale no ci
od ich składu chemicznego, struktury oraz stanu przetworzenia;
•
Odwrotnych (syntezy), gdzie nast puje zdefiniowanie składu materiału oraz stanu jego
przetworzenia, które zapewniaj
osi gni cia po danych przez u ytkownika, lub
projektanta jego wła ciwo ci.
W przewa aj cej liczbie przypadków zagadnienia projektowania nowych materiałów
stanowi
zadania odwrotne, gdzie niejednokrotnie konieczne jest opracowanie nowego
materiału wykazuj cego zespół wielu własno ci mechanicznych, u ytkowych, ekonomicznych
lub ekologicznych. W tym przypadku mo liwa jest realizacja tych zada w oparciu o istniej ce
zasoby danych eksperymentalnych i przy wykorzystaniu narz dzi sztucznej inteligencji
W strategiach hybrydowych stosowane s
systemy zło one ze sztucznych sieci
neuronowych i metody elementów sko czonych. Cechuj si one ró nymi stopniami integracji,
które wynikaj z rodzaju prowadzonej analizy i s stosowane do rozwi zywania ró nego
rodzaju zada . Interesuj cym podej ciem do budowy systemów hybrydowych jest poł czenie
metody elementów sko czonych i algorytmów ewolucyjnych. [16]
Sztuczne sieci neuronowe s równie cz sto kojarzone z innymi metodami inteligencji
obliczeniowej i metodami statystycznymi. Poł czenie sztucznych sieci neuronowych z jedn z
metod optymalizacji, bazuj cej na przykład na algorytmach genetycznych umo liwia
utworzenie bardzo wielu algorytmów dedykowanych do rozwi zania konkretnego problemu.
Zalety metod hybrydowych wykorzystuj cych elementy inteligencji obliczeniowej od
dawna wykorzystywane w wielu dziedzinach nauki w Polsce wydaj si być niedostrzegane w
obszarze in ynierii materiałowej.
22
W. Sitek