Uprawniony z patentu: Surface Technology Corporation, Stone Park, Illinois (Stany Zjednoczone Ameryki) Azotowane stopy metali odpornych na scieranie Przedmiotem wynalazku jest stop azotowany me¬ tali trój lub wiecej skladnikowy, zawierajacy me¬ tale sposród nastepujacych trzech grup: A. Niob, tantal, wanad albo dwa lub wiecej spo¬ sród nich, B. Tytan, C. Molibden lub wolfram albo oba te metale, w dokladnie okreslonych stosunkach ilosciowych. Wy¬ roby hutnicze z takich azotowanych stopów mo¬ ga byc wykorzystywane jako material na narzedzia do obróbki skrawaniem pracujace przy duzych szybkosciach skrawania jak równiez na inne wyro¬ by. Przedmioty wykonane z tego stopu maja bar¬ dzo duza trwalosc, daja sie latwio obrabiac, maja dobre wlasciwosci i sa tansze niz dotychczas sto¬ sowane materialy narzedziowe jak na przyklad wegliki spiekane. Materialy te odznaczaja sie rów¬ niez szczególnie wysoka odpornoscia na zuzycie i scieranie. Równiez tego rodzaju stopy do azo¬ towania sa same przez sie nowymi stopami i przy¬ nosza ze soba duze korzysci.Przedmiotem wynalazku sa wiec stopy do azoto¬ wania o wyzej podanym skladzie. Przy stopach te¬ go rodzaju musi byc zachowany w okreslonych granicach stosunek ilosciowy tytanu do innych metali z grupy A.Fachowcy w tej dziedzinie uwazali dotychczas, ze stopy tego rodzaju, przeznaczone do azotowa¬ nia, staja sie zbyt kruche po tej obróbce aby mozna je bylo skutecznie stosowac.Wiadomym jest ze rózne metale i stopy z in¬ nymi pierwiastkami tworzacymi zwiazki, takimi jak wegiel, tlen i azot tworza zwiazki majace dobre wlasciwosci mechaniczne. W wiekszosci 5 przypadków procesowi naweglania i azotowania poddaje sie przedmioty ze stopów zelaza.Zgodnie ze znanymi sposobami z reguly stosuje sie te dodatkowe pierwiastki w postaci gazowej.Przy tym w przypadku stopów zelaza stosuje sie io temperatury rzedu 430°C podczas gdy w przypadku wolframu i tantalu temperatury od 1930 do 2760°C.Publikacja na ten temat znajduje sie w czasopis¬ mie amerykanskim Journal of American Chemical Society, zeszyt 54 (1932) oraz w patencie USA nr 15 3163 563. Moga tutaj wystepowac produkty reak¬ cji w postaci warstwy powierzchniowej skladajacej sie z azotynów, weglików i tlenków. Dodatkowe pierwiastki moga byc równiez rozproszone we¬ wnatrz fazy metalicznej. Moga równiez zachodzic 20 oba te zjawiska jednoczesnie.Wiadomym jest równiez, ze jeden ze stopów miedzi o niewielkiej zawartosci aluminium pod¬ daje sie obróbce w atmosferze tlenu i przy wy¬ sokich temperaturach. Tlen zostaje przy tym wpro- 25 wadzony do stopu, dyfunduje w jego masie i la¬ czy sie z aluminium tak, ze powstaje rozproszona faza tlenku aluminium. Podobne zjawiska zostaly zaobserwowane gdy molibden zawierajacy jako stop niewielka ilosc tytanu i/lub cyrkonu (do l,5°/e) 30 jest poddawany obróbce w obecnosci azotu przy 793613 79361 4 temperaturze podwyzszonej. Nastepuje tutaj dys¬ persja azotynu tytanowego i/lub cyrkonowego w molibdenie. Zjawisko to zostalo omówione przez Mukheriie i Martina w czasopismie Journal of Less Common Metals (1960) str. 393. Oba otrzy¬ mane w tych przypadkach materialy odznaczaja sie wysoka wytrzymaloscia.Znane jest równiez azotowanie w wysokich tem¬ peraturach tantalu, niobu, tytanu i stopów tytanu, przy czym z reguly otrzymuje sie zlozona, naazoto- wana warstwe powierzchniowa o wysokiej twardos¬ ci. Warstwa ta byla ogólnie uwazana za krucha.Takze naweglanie tantalu prowadzi do powstania warstwy powierzchniowej zawierajacej weglik i od¬ znaczajacej sie duza twardoscia. Poniewaz tantal to¬ pi sie przed ta obróbka to powstajaca warstwa u- twardzona przywiera lepiej do podloza. Zjawisko to zostalo. xÓwniez omówione w patencie USA nr 3163 563. Podobne zjawiska rozdzialu faz jak tez przywierania warstwy powierzchniowej zaobserwo¬ wane w przypadku niobu, który przed poddaniem go obróbce za pomoca tlenu zostal stopiony z cyr¬ konem lub tytanem.W przeciwienstwie do tego znanego stanu tech¬ niki niniejszy wynalazek dotyczy wytwarzania szczególnie wartosciowych materialów, które po¬ wstaja gdy okreslone stopy zostana poddane azoto¬ waniu. Jednym ze skladników stopowych jest tu¬ taj tantal lub wanad lub niob albo dwa lub wie¬ cej sposród tych metali. Drugim skladnikiem stopu jest tytan. Niewielka jego ilosc moze byc zasta¬ piona cyrkonem, mianowicie w ilosci do 3°/o calkowitej ilosci potrzebnego tytanu. Trzecim is¬ totnym skladnikiem jest molibden lub wolfram albo mieszanina obu tych metali. Niewielkie ilos¬ ci materialów lub metali moga sie dostac do tego stopu jako zanieczyszczenia lub jako nieszkodliwe dodatki technologiczne przy topieniu. Po azotowa¬ niu material taki wykazuje wlasciwosci mechani¬ czne, które czynia go szczególnie przydatnym i war¬ tosciowym do stosowania w bardzo trudnych wa¬ runkach pracy.Wiadomym jest, ze przy obróbce metali takich jak niob, tytan, tantal lub wanad w molekular¬ nym azocie, przy podwyzszonej temperaturze oraz przy cisnieniu jednej atmosfery otrzymuje sie cia¬ gla warstwe powierzchniowa z azotków lub pod- azotków. Pod ta warstwa powierzchniowa moga sie tworzyc czastki podazotków i roztworu stalego.W ten sposób azotowane metale sa pod wzgledem ich wlasciwosci lub mozliwosci zastosowania ab¬ solutnie nieporównywalne z materialami wedlug wynalazku. Chociaz znane dotychczas materialy ma¬ ja wysoka twardosc powierzchniowa to jednak ich wartosc pod wzgledem konstrukcyjnym jest bardzo ograniczona. Materialy to bardzo zle zno¬ sza obciazenia mechaniczne co wykazuja badania przez wciskanie diamentowych wglebników. Rów¬ niez zawodza one przy skrawaniu metali pod du¬ zym obciazeniem. Nie sa one równiez wytrzyma¬ le na erozje i nie maja wcale wysokiej udarnosci.Ich niewielka wytrzymalosc, niewielka ciagliwosc i podatnosc na tworzenie sie odprysków czynia te materialy nieprzydatnymi do wielu celów. Jak to bedzie wykazane ponizej, koniecznym jest uniknie¬ cie tworzenia sie ciaglej, jednolitej warstwy fiajtjjoi towanej. Uzyskuje sie to wlasnie przez odpowiecm wybór materialów wyjsciowych co wlasnie jest przedmiotem wynalazku. Naprawde dobre ma- 5 terialy azotowane mozna tylko wtedy otrzymac gdy jako material wyjsciowy zastosuje sie od¬ powiednie stopy zawierajace okreslone metale w okreslonych proporcjach ilosciowych.Istota rozwiazania wedlug wynalazku jest to, ze stop stanowia metale z trzech róznych grup a mia¬ nowicie: Grupy A skladajacej sie z niobu, tantalu i wanadu, przy czym jako skladnik reprezentujacy te grupe mozna stosowac jeden, dwa lub wszy¬ stkie trzy te metale, grupy B, która stanowi ty¬ tan i grupy C, w której sklad wchodzi molibden i wolfram przy czym moga byc one uzyte razem lub osobno.Nizej podano sklady procentowe, które wszedzie sa wyrazone w procentach wagowych. Jesli jako metal reprezentujacy grupe A stosuje sie jedynie niob, wtedy jego zawartosc powinna byc utrzy¬ mana w granicach 10 do 85%, natomiast jesli me¬ talem z tej grupy jest jedynie tantal to jego za¬ wartosc powinna wynosic 25 do 80% zas w przy¬ padku samego wanadu powinien on wystepowac w ilosciach od 15 do 90%. Dalej zostana opisane stosunki ilosciowe w przypadku gdy stop zawiera dwa lub wiecej metali z grupy A.We wszystkich przypadkach dodatek tytanu po¬ winien byc mniejszy to znaczy powinien on wy¬ stepowac w ilosciach mniejszych niz 45%. Ma¬ terialy tego typu wykazujace szczególnie korzyst¬ ne wlasciwosci zawieraja tytan w ilosci znacznie mniejszej niz 45%. W kazdym przypadku koniecz¬ ne jest aby utrzymywac zawartosc tytanu mniej¬ sza niz niobu lub tantalu i mniejsza niz zawartosc obu tych metali. Jesli stosuje sie jako metal z grupy A jedynie wanad to wtedy stop moze za¬ wierac nieco wiecej tytanu niz wanadu. Stosunek zawartosci wanadu do tytanu moze wtedy docho¬ dzic do 0,66 :1 ale korzystniej jest jesli zawartosc tytanu jest mniejsza niz wanadu. Równiez gdy grupa A sklada sie z dwóch lub wiecej metali to zawartosc tytanu powinna byc nizsza niz zawartosc wszystkich tych metali razem.Tytan moze byc zastapiony w niewielkiej ilosci, to jest do 3% zawartosci ogólnej, cyrkonem baz obnizania jakosci materialu pod wzgledem jego wlasciwosci.Jesli z metali nalezacych do grupy C dodaje sie wylacznie molibden to jego zawartosc powinna byc utrzymana w granicach 2 do 60% jesli stop zawiera jednoczesnie niob i/lub wanad, i wilosci 2 do 50% jezeli sposród metali grupy A stop zawiera jedynie tantal. Jesli jako metal grupy C stosuje sie sam wolfram powinien on znajdowac sie w ilosci od 2 do 80%. Granica ta ulegnie obnizeniu jesli stop bedzie zawieral zarówno molibden jak tez wolfram. Zawartosc molibdenu i/lub wolframu zalezy równiez od ilosci innych skladników obec¬ nych w stopie.Przedmiotem wynalazku sa wiec stopy do azoto¬ wania skladajace sie zasadniczo z trzech grup skladników stopowych: (Nb, Ta, V) — Ti (Zr) — (Mo, W). Stop wedlug wynalazku moze zawierac 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 79361 6 od trzech do siedmiu skladników jesli czesc tytanu jest zastapiona cyrkonem, jak równiez materialy te moga równiez zawierac niewielkie ilosci zanie¬ czyszczen lub innych metali nie wplywajacych szkodliwie na jakosc stopu. Szczególnie korzyst¬ nym jest stop, zwlaszcza na wyroby odznaczajace sie szczególnie dobra obrabialnoscia, odpornoscia na zuzycie i scieranie wykorzystywane do wytwa¬ rzania narzedzi skrawajacych.Materialy wedlug wynalazku maja bardzo duza twardosc i duza wytrzymalosc na zuzycie w po¬ laczeniu z duza ciagliwoscia i brakiem sklon¬ nosci do wykruszania sie. Z reguly uzyskanie ko¬ rzystnego kompromisu w zakresie tych wszystkich wlasciwosci jest bardzo trudne. Szerokie jak do¬ tychczas stosowanie weglików spiekanych stano¬ wi wlasnie kompromis pomiedzy wlasciwosciami wymaganymi od narzedzi skrawajacych i odpornos¬ cia na zuzycie. Bod kazdym tym wzgledem ma¬ terialy wedlug wynalazku sa lepsze od weglików spiekanych. Równiez ustepuja tym materialom ma¬ terialy ceramiczne, które moga byc twardsze od weglików ale ich zastosowanie jest ograniczone na skutek sklonnosci do wykruszania sie.Dla sprawdzenia wlasciwosci materialów we¬ dlug wynalazku przeprowadzone próby skrawania przy predkosciach skrawania od 30 do 2300 m/min.Tego rodzaju próby sa latwe do powtórzenia i ma¬ ja duze znaczenie dla poznania wlasciwosci tych materialów poniewaz ich glównym przeznaczeniem jest uzycie na narzedzia skrawajace.Skrawanie stali hartowanej z duza predkoscia skrawania, rzedu 230 m/min stanowi dobry wskaz¬ nik wlasciwosci skrawajacych oraz odpornosci na zuzycie. Przy mniejszych predkosciach skrawa¬ nia, rzedu 30 m/min mozna latwiej okreslic sklon¬ nosc do wykruszania sie tych materialów. Wiado¬ mym jest, ze obciazenia przy takich próbach sa bardzo wysokie. Zaleznosci te beda dokladniej wy¬ jasnione w dalszej czesci opisu.Przedmiot wynalazku jest objasniony ponizej w przykladach wykonania zilustrowanych na ry¬ sunku, na którym fig. 1 przedstawia uklad rów¬ nowagi potrójnego stopu do azotowania zawieraja¬ cego niob, wolfram i tytan, fig. 2 — uklad rów¬ nowagi potrójnego stopu do azotowania zawieraja¬ cego tantal, molibden i tytan, fig. 3 — uklad równo¬ wagi potrójnego stopu do azotowania zawieraja¬ cego tantal, wolfram i tytan, fig. 4 — uklad rów¬ nowagi potrójnego stopu do azotowania zawieraja¬ cego tantal, molibden i tytan, fig. 5 — uklad rów¬ nowagi potrójnego stopu do azotowania zawiera¬ jacego wanad, wolfram i tytan, fig. 6 — uklad równowagi stopu potrójnego do azotowania zawie¬ rajacego wanad, molibden i tytan, fig. 7 — grafi¬ czne porównanie odpornosci na zuzycie najlep¬ szych obecnie znanych materialów z weglików spiekanych z niektórymi z materialów wedlug wynalazku, fig. 8 — wykres obrazujacy zalez¬ nosc mikrotwardosci od odleglosci od powierzchni dla róznych stopów potrójnych do azotowania zawierajacych niob, molibden i tytan.Ponizej opisano szereg prób na stopach wedlug wynalazku oraz sposoby ich przeprowadzania. Wy¬ niki tych prób sa zestawione w tabelach.Do wytwarzania stopów uzywano chlodzonego woda pieca lukowego z tronem miedzianym i nie- topliwymi elektrodami, przy czym topienie ma¬ terialów wyjsciowych w tym piecu prowadzono w atmosferze argonu. Uzyto materialów wyjscio¬ wych o czystosci wiekszej niz 99,5°/o i wykonano z otrzymanych stopów odlewy o ciezarze okolo 70 g.Odlewy te pocieto na kawalki o wymiarach oko¬ lo 10 X 10 X 3 mm i poddano azotowaniu w czy¬ stym azocie przy cisnieniu jednej atmosfery.Otrzymane struktury, grubosc i mikrotwardosc w poszczególnych strefach reakcji lub warstw zba¬ dano znanymi metodami metalograficznymi. Prze¬ prowadzono rózne próby w celu zbadania wy¬ trzymalosci i ciagliwosci tych materialów a tym samym mozliwosci ich zastosowania.Próby skrawania przeprowadzono przy uzyciu na¬ kladek skrawajacych o jednakowych wymiarach, majacych krawedz tnaca zaszlifowana przed azo¬ towaniem na promien okolo 0,75 mm.Próbki poddano po obróbce azotowaniu. Do te¬ go celu zastosowano piec o chlodzonych scianach.Wewnatrz pieca umieszczono element grzewczy wykonany z molibdenu oraz oslone przed promie¬ niowaniem cieplnym. We wnetrzu pieca wytwo¬ rzono podcisnieniem rzedu okolo 5 mikronów Hg a nastepnie wypelniono ten piec azotem przed ogrzaniem. Temperatury mierzono za pomoca pi¬ rometru optycznego nakierowanego na element grzewczy z molibdenu. Podane nizej temperatury obejmuja bez wyjatku wartosci zmierzone optycz¬ nie i nieskorygowane.Po obróbce przeprowadzono próby skrawania za pomoca azotowanych próbek. Jako skrawany ma¬ terial uzyto stal AISI 4340 o twardosci rzedu 43 do 45 jednostek w skali C Rockwella. Stosowano predkosci skrawania w granicach od 30 do 230 m/ /min przy glebokosci skrawania okolo 1,25 mm.Ujemny kat przylozenia wynosil 5° a kat przysta¬ wienia krawedzi tnacej 15°. Po zdjeciu okreslonej ilosci materialu mierzono jego ubytek. Jako mier¬ nik przydatnosci przyjeto zdolnosc do usuniecia okreslonej ilosci materialu (wyzej wspomnianej stali) przy predkosci skrawania od 30 do 230 m/ /min.Przy predkosci skrawania wynoszacej 230 m/min material wedlug wynalazku zbiera 33 cm3 meta¬ lu w ciagu okolo jednej minuty. Przy sprawdzaniu narzedzia przyjeto jako ubytek graniczny nie od¬ powiadajacy wymaganiom wartosc 0,75 mm. Przy bardzo ostrych wymaganiach i trudnych warunkach prowadzenia prób a wiec przy predkosciach skra¬ wania 230 i 30 m/min i zdjeciu przy tych pred¬ kosciach 33 cm8 materialu zaobserwowano ubytek na narzedziach wykonanych z materialu wedlug wynalazku wynoszacy 0,6 mm. Z materialów be¬ dacych przedmiotem wynalazku mozna wytwa¬ rzac takie narzedzia. Nalezy ponadto zaznaczyc, ze odpornosc na wykruszanie przy malych predkos¬ ciach skrawania rzedu 30 m/min gra bardzo duza role. Z tego wzgledu wybrano obie te predkosci dla prowadzenia prób.Próby w których badane narzedzie zdejmowalo 33 cm3 materialu z niewielkim ubytkiem i nie¬ znacznym wykruszeniem uznano za zadawalajace. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6079361 Narzedzia wykazujace duze odpryski i duzy uby¬ tek na krawedzi tnacej lub ostrzu uznano za nieza- dawalajace. Inne narzedzia zdejmuja zadawalaja¬ co 33 cm8 materialu skrawanego, wykazuja jed¬ nak duze odpryski.Badania wykazaly, ze te narzedzia sa jeszcze gorsze i w zwiazku z tym uznano je równiez za niezadawalajace. Jeszcze inne narzedzia nie wy¬ kazuja zadnych odprysków ale za to wykazuja duzy ubytek na krawedzi tnacej lub tez mikro¬ skopijne pekniecia lub odpryski na krawedzi tna¬ cej po zdjeciu okolo 8 cm3 materialu skrawane¬ go. Jednakze ciagliwosc tych materialów byla tak duza, ze ubytek na krawedzi tnacej dalej juz nie postepowal. Zdejmowaly one podczas skrawania do 100 cm3 metalu bez dalszych zauwazalnych zmian krawedzi tnacej. Te narzedzia byly uzna¬ wane, zaleznie od stopnia ubytku na krawedzi tna¬ cej jako zadawalajace lub niezadawalajace.Tabela I zawiera wyniki niektórych prób prze¬ prowadzonych na hartowanej stali przy predkos¬ ciach skrawania 230 i 30 m/min przy czym kazdo¬ razowo ilosc usunietego przez skrawanie metalu wynosila 33 cm3. Wszystkie te próbki byly podda¬ ne azotowaniu czystym azotem przy podanych temperaturach zmierzonych optycznie oraz w cia¬ gu podanego czasu. l Sklad stopu i-i Metaliczny Nb Nb-20Ti Nb-20Ti Nb-20Ti Nb-27Ti Nb-27Ti Nb-40Ti Nb-40Ti Nb-60Ti Nb-60Ti Nb-70Ti Nb-70Ti Nb-80Ti Nb-lOW-lOTi Nb-19W-5Ti Nb-20W-10Ti Nb-9W-20Ti Nb-9W-20Ti Nb-lW-29Ti Nb-18W-18Ti Nb-13W-15Ti Nb-35W-8Ti Nb-38W-2Ti Nb-20W-30Ti Nb-40W-20Ti Tablica 1 Sposób azotowania °C 2 1980 1760 1980 2090 1980 2090 1870 1980 1870 1980 1760 1870 1760 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 2150 go¬ dzi¬ ny 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 Wynik badania zdolnosci skra¬ wania przy pred¬ kosci skrawania 230 m/min. 4 F F F F F F F F F F F F F P' P' P' P' P' P' P' P' P' P P' P' 30 m/min. 5 . F F F F F F F F F F F F F P P P' P F F P' P' P' P P' P' 10 20 25 30 40 45 50 55 1 1 ** Nb-40W-20Ti Nb-50W-12Ti Nb-56W-15Ti Nb-40W-40Ti Nb-20W-50Ti Nb-20W-50Ti Nb-70W-10Ti Nb-8Mo-4Ti Nb-16Mo-5Ti Nb-27Mo-3Ti Nb-lOMo-lOTi Nb-20Mo-10Ti Nb-30Mo-10Ti Nb-10Mo-20Ti Nb-10Mo-20Ti Nb-20Mo-20Ti Nb-20Mo-20Ti Nb-20Mo-20Ti Nb-35Mo-15Ti Nb-10Mo-30Ti Nb-10Mo-30Ti Nb-20Mo-30Ti Nb-20Mo-30Ti Nb-20Mo-30Ti Nb-20Mo-30Ti Nb-50Mo-10Ti Nb-lMo-39Ti Nb-lMo-39Ti Nb-10Mo-40Ti Nb-7Mo-35Ti Nb-32Mo-26Ti Nb-5Mo-65Ti Nb-5Mo-65Ti Nb-10Mo-60Ti Nb-30Mo-40Ti Katalityczny Ta Ta-5Ti Ta-lOTi Ta-lOTi Ta-20Ti "" Ta-23Ti Ta-30Ti Ta-50Ti Ta-70Ti Ta-80Ti Ta-33, 5W-1, 5Ti Ta-6W-6Ti Ta-60W-5Ti Ta-lOW-lOTi Ta-25W-10Ti Ta-2W-20Ti Ta-10W-20Ti Ta-18W-18Ti Ta-29W-17Ti Ta-45W-15Ti Ta-20W-30Ti Ta-20W-30Ti Ta-10W-40Ti Ta-20W-50Ti Ta-40W-40Ti Ta-70W-10Ti 2 1980 2035 1980 1980 1870 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1980 1760 1980 1870 1980 2150 2150 2150 1980 1760 1870 1980 2150 1980 1980 1980 1980 1980 1870 1760 1870 1760 1980 1980 1980 1980 2090 1980 1980 1980 1980 1870 1760 1980 1980 2150 1980 1980 1980 1980 1980 1980 2150 1980 2150 2150 1980 1760 1980 3 2 2,5 4 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 2 2 6 2 2 | 2 2 2 2 6 2 2 2 1 2 2 2 4 2 2 2 2 2 2 2 1/2 2 2 2 2 2 2 ' 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 c.d. 4 P' P' P' F F F P P P' P' P(c) P' P' F P' P' P' P' P' P' P' F P' P' P' P' F P(w) P P P F F F F F P(c) P' P(c) P' P' P' P(c) F F P' P F' P(c) P' P' P' P' P' P' P P(w) P F F P tablicy 1 r~^~i p' pr pr p..F F P' F P P P P' P/ P' P' . P' P'.P | P' 1 P P/ Pr . P P' ' F P' P F P/ P P' F F F F X F F F F F F F F F Pr P P' P P' P P p/ P' p/ F P F F X P'79361 10 1 1 Ta-10Mo-5Ti Ta-38Mo-2Ti Ta-5Mo-10Ti Ta-lOMo-lOTi Ta-19Mo-9Ti Ta-30Mo-10Ti Ta-22Mo-17Ti Ta-10Mo-20Ti Ta-4,4Mo-22Ti Ta-10Mo-60Ti Ta-20Mo-30Ti Ta-10Mo-40Ti Ta-5Mo-45Ti Ta-20Mo-50Ti Metaliczny V V-20Ti V-40Ti V-50Ti V-50Ti V-lÓMo-10Ti V-25Mo-10Ti V-25Mo-10Ti V-17Mo-17Ti V-17Mo-17Ti V-2Mo-33Ti V-10Mo-50Ti V-10MoH30Ti V-10Mo-30Ti V-10Mo-27Ti V-10Mo-27Ti V-10Mo-27Ti V-10Mo-27Ti V-17Mo-28Ti V-20Mo-24Ti V-30Mo-20Ti V-30Mo-2ÓTi V-30Mo-20Ti V-45Mo-15Ti V-45Mo-15Ti V-5Mo-47, 5Ti V-5Mo-47, 5Ti W5MO-47, 5Ti V-10Mo-45Ti : . V-10Mo-45Ti V-30MOr35Ti V-72Mo-8Ti V-72Mo-8Ti V-15Mo-55Ti v-i5Mo-55Hi V-10W-10Ti V-20W-15Ti V-20W-15Ti V-20W-15Ti V-42W-4,5Ti V-42W-4,5Ti V-20W-24Ti V-10W-36Ti V-10W-36Ti V-lW-40Ti V-10W-54Ti V-40W-36Ti 2 1980 1980 1980 1980 1980 1980 2150 1980 1980 2150 1980 1980 1980 1980 1760 1760 1760 1540 1425 1540 1540 1650 1540 1650 1540 1760 1540 1650 1540 1540 1650 1650 1650 1650 1540 1650 1760 1650 1 1650 1 1425 1425 1650 .1540 1650 1760. 1760 1870 1760 1760 1540 1425 1425 1650 1650 1650 1650 1425 1650 1540 1760 1760 3 1 2 1 2 2 2 2 2 2 .2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 2 6 2 4 2 2 4 2 2 2 4 4 8 2 2 4 4 2 ' 2 ' '¦ 2. 4 2 4 8 2 2 4 2 8 2 2 2 2 ad. 1 4 P(c) p/ P(c) p' ¦ 1 P' . P' P' P' P' F P F F . F X X X F F P' P' P' P' P' P' F P' P' F F P' P' P' P' P' p/ P' P P' F . F P F P' P' F F F F P/ 1 P/ P' P' P' P' P' P ¦P' F F P/ tablicy 1 1 5 P . P' P P P' P' P P' P F P' P' F F F F.F F F P P' P' P' P P P' F P P' P' P F P' P/ P' P' P' P' P' P P F F P P F F — — P' P' P' P' P' — P' P' P' F F P 1 10 15 20 35 40 45 50 55 1 1 V-20W-40Ti V-35W-20Ti V-35W-20Ti V-40W-24Ti V-40W-24Ti V-50W-10Ti V-50W-10Ti V-60W-15Ti V-75W-5'n 2 1760 2090 1650 1540 1650 1650 1650 1540 1760 3 2 2 2 2 2 2 4 2 2 Cd. 4 P' P' P' P' P' P' P' P' P tablicy 1 5 P 'P' —.P/ — P/ p/ F P/ Oznaczenia: P' — szczególnie dobra, przy czym oznaczenie P' okresla skrawalnosc — odnosi sie do próbek, które wykazaly sie bardzo dobra skrawalnoscia przy szybkosci skrawania 230 m/min. i 30 m/min.P — dobra, F — niedobra, (c) — wykrusza sie, (w) — duza scieralnosc,.X — nie badana.Chociaz badane próbki róznych stopów byly azo¬ towane azotem czasteczkowym pod cisnieniem at¬ mosferycznym, to jednak do wyrobu materialów wedlug wynalazku mozna uzywac azotu w innej postaci niz dwuatomowy lub tez mieszaniny ga¬ zów, w której zawartosc azotu jest stosunkowo nieznaczna. Na przyklad azotowano próbke stopu Nb-20W-30Ti przez 2 godziny w temperaturze 1980°C w mieszaninach azotu z argonem (195°/o A + +5% N, II 97,5% A+2,5°/o N) otrzymujac absorbcje azotu 18 i 20 mg/cm2 podczas gdy po azotowaniu takich samych próbek w tych samych warunkach w czystym azocie absorbcja azotu wynosila 18 mg/cm2.Ponadto zmiana sposobu obróbki cieplnej moze byc uzyta do kierowania kinetyka reakcji azoto¬ wania i do zmiany wlasnosci gotowego wyrobu.Stwierdzono, ze stosowanie róznych sposobów ogrzewania i studzenia, wielokrotne wygrzewanie w azocie i sposób obróbki po azotowaniu moze spowodowac polepszenie wlasnosci materialów. Na przyklad gdy stop Nb-20W-30Ti azotowano przez dwie godziny w temperaturze 2150°C i nastepnie wyzarzono przez godzine w argonie to otrzyma¬ ny produkt wykazal zwiekszona odpornosc na wyszczerbianie sie przy skrawaniu z szybkoscia 30 m/min.Aby otrzymac materialy wedlug wynalazku o wysokich wlasnosciach, konieczne jest przepro¬ wadzenie licznych zmian w skladzie stopów (z pewnymi nizej podanymi ograniczeniami), pro¬ wadzenie azotowania w róznych temperaturach i przez rózne okresy czasu.Badania przeprowadzono w celu wytypowania najbardziej wlasciwych metod azotowania obejmo¬ waly zwykle okreslenie twardosci i mikrotwardos- ci, skladu metalograficznego i przyrostu ciezaru.Ponadto stwierdzono, ze dla otrzymania odpo¬ wiednich azotowanych stopów objetych zakresem niniejszego wynalazku, wymagana ilosc wchlonie-11 79361 12 tego azotu powinna wynosic oo najmniej 1 mg/cm2 powierzchni azotowanego przedmiotu, przy tym pewne zwiekszenie tej ilosci daje lepsze wyniki, mikrotwardosc powierzchniowa powinna wynosic przy pomiarze ostroslupem diamentowym ponad 1000 jednostek (DPN), a grubosc warstwy wykazu¬ jacej ta mikrotwardosc powinna wynosic co naj¬ mniej 0,13 mm.Pod wzgledem sklonnosci do reagowania z azo¬ tem molibden i wolfram sa stosunkowo bierne, niob,.tantal i wanad reaguja dosc latwo a cyr¬ kon i tytan wykazuja najwyzsza reaktywnosc z azotem. Po azotowaniu stwierdzono rozdzie¬ lenie azotu zaleznie od stopnia reaktywnosci sklad¬ ników stopu. Poniewaz jak wykazuja wyniki ba¬ dan zawartosc cyrkonu i/lub tytanu jesli jest rów¬ niez uzyty musi byc ograniczona w stosunku do Innych skladników, a zatem stosunkowa zawartosc molibdenu i wolframu wzrasta, wiec na ogól za¬ kres reakcji azotowania proporcjonalnie sie zmniej¬ sza. .,.Wymagana temperatura i czas azotowania jest zalezny od skladu azotowanego stopu.Inna wazna cecha stopów wedlug niniejszego wynalazku jest fakt, ze stosunkowo duze ilosci niobu, tantalu i/lub wanadu moga byc zastapione nieco mniejszymi ilosciami tytanu, wolframu i/lub molibdenu przy zachowaniu ich dobrych wlas¬ nosci. Ma to znaczenie ekonomiczne, poniewaz wiele takich stopów mozna obrobic na zimno do zadanych wymiarów a nastepnie dopiero azoto¬ wac oraz fakt ze wymiary próbki lub obrabianego narzedzia nie ulegaja zmianie podczas azotowania w wysokiej temperaturze.Przy próbkach wykonywanych w sposób podany w niniejszym opisie zwiekszenie próbki jest zwyk¬ le mniejsze niz l*/o, jednak wiele stopów wyka¬ zalo znacznie mniejszy wzrost objetosci a u nie¬ których stwierdzono nieznaczny skurcz. Dzieki temu azotowanie materialów moze byc prowadzone w warunkach zapewniajacych odpowiednie ich wlasnosci bez obawy o odksztalcenie azotowanych przedmiotów.Wiele stopów wedlug wynalazku mozna azoto¬ wac w calym przekroju (wglebnie), aby w ten sposób otrzymac bardziej jednorodna lecz lagod¬ nie stopniowana strukture materialu polaczona z dobra wytrzymaloscia. Zwykle jednak zasieg re¬ akcji moze byc ograniczony do warstwy zewnetrz¬ nej, bez wiekszego utwardzania warstw wewnetrz¬ nych lub rdzenia. Minimalna glebokosc utwardza¬ nia jest zalezna od przeznaczenia obrabianego przedmiotu jednak wiadomo, ze zasieg reakcji, na¬ wet do tak ciezkich warunków pracy jak przy opisanym wyzej badaniu na zdolnosc skrawania metali, moze byc bardzo maly.Grubosc obrabianego przedmiotu ma równiez wplyw na kinetyke azotowania i ilosc zaabsorbo¬ wanego azotu niezbedna dla zapewnienia odpo¬ wiedniej twardosci, odpornosci na scieranie i zdol¬ nosci skrawania metalu.Stwierdzono, ze próbki cienkie mozna wystarcza¬ jaco utwardzic w krótszym czasie lub w nizszej temperaturze. Mozna to odpowiednio wykorzystac zaleznie od tego czy azotowany stop stanowi osob¬ ny przedmiot, czy tez jest naniesiony w postaci warstwy lub otuliny na odmienny podklad. Jako przyklad tego efektu podac mozna stop Nb-30Ti- -20W, który przy grubosci próbki 6 mm nalezy 5 azotowac przez 2 godziny w temperaturze 1980°C, aby otrzymac twardosc powierzchni równa 1175 DPN na glebokosci 0,025 mm. Jesli jednak grubosc próbki wynosi 0,165 mm ta sama twardosc o tym samym zasiegu mozna otrzymac po azotowaniu io przez 1 1/4 godziny w temperaturze i760°C. Ab- sorbcja azotu próbki grubosci 6 mm wynosila 18 mg/cm2, a próbki o grubosci 0,165 mm — 5,6 mg/cm2.Ilosc zaabsorbowanego azotu potrzebna do otrzy- 15 mania dobrych wlasnosci jest zalezna zarówno od skladu stopu jak i grubosci próbki. Na przyk¬ lad wszystkie ponizsze stopy utwardzone w podany sposób wykazaly dobre wlasnosci tnace. Badania przeprowadzono na próbkach o wymiarach 10X 20 X10X3 mm.Sklad stopu i Nb-20W-30Ti V-25Mo-10Ti Ta-33,5W-l,5Ti Ta-60W-5Ti Sposób azotowania temp.°C 1980 1540 1980 2150 czas godziny 2 2 2 2 Przyrost ciezaru mg/cm2 i 18 8,3 5 3,7 Jesli stopy sa stosowane w postaci cienkich warstw lub przedmiotów to niezbedna ilosc za¬ absorbowanego azotu moze byc powaznie zmniej- 35 szona.Stop trójskladowy ukladu Nb-W-Ti (Niob-Wolf- ram-Tytan) poddano azotowaniu przy podwyzszo¬ nej temperaturze. Warunki azotowania i wyniki badania na zdolnosc skrawania sa podane w tab- 40 licy 1 a wyniki skrawania sa ponadto podane graficznie na fig. 1.Stopy lezace w granicach wieloboku utworzone¬ go przez linie A B C D E F A obejmuja azotowane stopy wedlug wynalazku skladajace sie z ndo- 45 bu, wolframu i tytanu, które odpowiadaja poda¬ nym wyzej wymaganiom jak dobra zdolnosc skra¬ wania zarówno przy szybkosci 230 jak i 30 m/min. oraz materialy o bardzo niskiej scieralnosci nale¬ zace do grupy PI szczególnie dobrych materialów. 50 Z fig. 1 jest widoczne, ze w tym azotowanym trójskladnikowym ukladzie warunkom badan od¬ powiadaja stopy zawierajace: od 10^/t do 85§/t niobu 55 od ltyt do 45«/« tytanu od 2§/t do 80§/§ wolframu przy czym stosunek niobu do tytanu powinien byc wiekszy niz 1:1.Posród tak duzej ilosci przydatnych materialów 60 stwierdzono, ze po odpowiednim ich azotowaniu szczególnie przydatne do wyrobu narzedzi tnacych sa stopy zawierajace: od 24°/o do 75§/t niobu od 3Vo do 36§/f tytanu 65 od 10Vo do 60^/a wolframu13 79361 14 przy czym stosunek zawartosci niobu do tytanu powinien byc wiekszy od 1,5 : 1.Takie szczególnie przydatne do wyrobu narze¬ dzi tnacych zestawy stopów Nb-Ti-W mieszcza sie wewnatrz wieloboku ograniczonego liniami H I J K L H na fig. 1, nalezy zaznaczyc, ze wszystkie one naleza pod wzgledem zdolnosci skrawania przy szybkosciach 30 m/min i 230 m/min do ma¬ terialów szczególnie dobrych.Stop o skladzie Nb-31W-15Ti nalezy do szcze¬ gólnie dobrych ukladów trójskladnikowych, który po azotowaniu daje przydatny material wedlug wynalazku. Stop ten azotowany przez cztery go¬ dziny w temperaturze 1980°C przybiera strukture wielofazowa, to znaczy strukture skladajaca sie z dwóch lub wiecej faz, rózniacych sie zarówno zawartoscia azotu jak i metalu. Fazy te mozna rozróznic przy obserwowaniu przekroju próbki pod mikroskopem przy uzyciu zwyklej techniki meta¬ lograficznej.Mozna przy tym latwo ocenic glebokosc warst¬ wy azotowanej. Pewne zwiekszenie twardosci moze wystepowac równiez ponizej widocznej pod mi¬ kroskopem warstwy azotowanej. W próbce stopu Nb-31W-15Ti grubosc warstwy azotowanej wynosi 0,75 mm.Po takiej obróbce próbka stopu Nb-31W-15Ti wykazuje wysoka twardosc powierzchniowa do odpowiedniej glebokosci.Wkladki narzedziowe (noze tokarskie z na¬ kladkami) sporzadzone ze stopu Nb-31W-15Ti utwardzone w wyzej podany sposób daly naste¬ pujace wyniki przy badaniu na zdolnosc skrawa¬ nia stali 4340 przy szybkosci 230 m/min.Objetosc skrojonego Scieralnosc narzedzia materialu w cm' mm 33,5 0,15 69,5 0,175 108 0,2 Oczywiscie jest to w tych warunkach bardzo mala scieralnosc. Jeden z najlepszych gatunków spiekanego weglika wolframu (06) po skrojeniu tej samej ilosci materialu przy tejze szybkosci zo¬ stal calkowicie zniszczony i okazal sie nie zdatny do dalszego uzytku.Jezeli sklad stopu zmienic przez zastapienie czesci niobu zwiekszona iloscia wolframu przy utrzymaniu tytanu w ilosci 15f/o to stwierdzono, ze po azotowaniu tych stopów otrzymuje sie rów¬ niez materialy odporne na scieranie i zuzycie. Na przyklad stop o skladzie Nb-56W-15Ti azotowany przez cztery godziny w temperaturze 1980°C wy¬ kazal dobra zdolnosc skrawania.Zawartosc tytanu w azotowanych stopach moze byc równiez zwiekszona dosc znacznie przy za¬ chowaniu dobrych wlasnosci stopu.Na przyklad jak widac z tablicy 1 stopy o skla¬ dzie Nb-40W-20Ti oraz Nb-20W-30Ti po azotowa¬ niu daly uzyteczne narzedzia.Stwierdzono, ze przy azotowaniu stopu Nb-20W- -30Ti do dostatecznej glebokosci i przy zapewnie¬ niu odpowiedniej glebokosci reakcji mozna zen otrzymac uzyteczny material do wyrobu narzedzi skrawajacych o wysokich wlasnosciach.Dane kinetyczne dla próbek o wymiarach 10X X10X3 mm z tego stopu, azotowanych w róznych temperaturach sa nastepujace: Sposób azotowania °C silil godz. 2 2 4 2 2 Przyrost ciezaru mg/cm2 12,7 18 25 27 40 Metalograficznie stwierdzona glebokosc reakcji mm 0,5 0,75 1,0 1,15 1,5 | Po azotowaniu w temperaturze 187Ó°C wypro¬ dukowane narzedzie nie dalo zadawalajacych wy¬ ników przy skrawaniu stali, zarówno przy ma¬ lej jak i przy duzej szybkosci. Po azotowaniu przez dwie godziny w temperaturze 1980°C narze¬ dzie z tego stopu skrawalo stal z szybkoscia 230 m/min, wykazujac równomierna scieralnosc ostrza, równa 0,1 mm po skrojeniu 33 cm1 stali, a przy szybkosci 30 m/min narzedzie wykazalo poprawe wlasnosci tnacych. Po azotowaniu przez 2 godziny w temperaturze powaznie przekracza¬ jacej 1980°C narzedzie z tego stopu wykazywalo niska równomierna scieralnosc przy szybkosci 230 m/min, lecz stwierdzono jednoczesnie tendencje do tworzenia sie odprysków i wyszczerbien na czolowej krawedzi. Powyzsza sklonnosc do wysz¬ czerbien wystepuje jeszcze bardziej wyraznie przy nizszych szybkosciach.Po azotowaniu tego stopu w temperaturze od 2090°C do 2150°C narzedzie tnace wykazywalo przy skrawaniu powazne wyszczerbienia, a przy ma¬ lych szybkosciach calkowicie zawiodlo.Jak widac z powyzszego stop ten jest bardzo wrazliwy na sposób azotowania, niemniej jednak przy wlasciwej obróbce mozna zen otrzymac uzy¬ teczne narzedzia do skrawania.Stwierdzono, ze przy stopach zawierajacych wieksze ilosci wolframu, granice azotowania, w których otrzymuje sie dobre wlasnosci, pod wzgledem temperatury i czasu sa znacznie szer¬ sze. Ta cecha ma znaczenie nie tylko pod wzgle¬ dem kontroli procesu azotowania, lecz pozwala równiez na uzywanie materialów wedlug niniej¬ szego wynalazku do calego szeregu róznych spo¬ sobów skrawania metali przy malej scieralnosci narzedzia.Doswiadczenia wykazaly, ze jesli w stopie Nb- -20W-30Ti zmniejszyc zawartosc wolframu poni^ zej pewnej granicy lub zbytnio zwiekszyc zawar¬ tosc tytanu to jakosc otrzymywanych stopów stop¬ niowo sie pogarsza.Na iprzyklad stop Nb-50Ti-20W azotowany w temperaturze 1870°C lub 1980°C nie odpowiada wymaganiom zarówno przy malych jak i duzych szybkosciach skrawania, w przypadku gdy stop zawiera wiecej tytanu niz niobu. Stop Nb-29Ti-lW azotowany przez 1 godzine w temperaturze 1980°C skrawa dobrze stal przy szybkosci 230 m/min, lecz 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6079361 15 16 zawodzi wskutek wyszczerbiania sie przy szybkos¬ ci 30 m/min. Stop taki powinien zawierac co naj¬ mniej 2tyo wolframu.Stop Nb-40W-20Ti wymaga dla uzyskania odpo¬ wiednich wlasnosci pewnego minimum azotowania.Stop ten mozna bardzo gleboko azotowac i otrzy¬ mane w ten sposób narzedzia zachowuja swa przydatnosc do skrawania zarówno przy malych jak i duzych szybkosciach skrawania.Narzedzia otrzymane przez azotowanie zarówno przy 1980°C jak i przy 2150° wykazaly doskonala zdolnosc skrawania i niska scieralnosc przy szyb¬ kosci 230 m/min. i nie wykazaly lokalnych uszko¬ dzen ani tez kruchosci przy szybkosci 30 m/min.Ponizej zamieszczono wyniki badan stopu Nb- -40W-2ÓTL 1 Sposób azotowania °C 1980 2150 godz. 2 4 Glebokosc reakcji mm 0,4 1,5 Srednia scieralnosc narzedzi przy szybkosci 30 m/min 0,1 mm (33 cm8) 0,075 mm (33 cm8) 230 m/min. 125 mm (62 cm8) 0,2 mm (206 cm8) A zatem choc stop ten wykazuje powazne róz¬ nice w zasiegu reakcji, to jednak w kazdym przy¬ padku wykazuje on odpowiednie wlasnosci pod wzgledem zdolnosci skrawania.Wyrazna i istotna róznice wlasnosci tych na¬ rzedzi skrawajacych podaje ponizsze porównanie rozkladu mikrotwardosci w obu tych materialach podana ponizej: Mikrotwardosc (DPN obciazenie 200 g) Odleglosc od powierzchni w mm 0,013 0,025 0,05 0,1 0,2 1 Sposób azotowania 1980°C 2 godz. 1380 1360 830 860 600 2150°C 4 godz. 2000 1500 1210 1150 890 | Jak widac z powyzszego stop azotowany przez 2 godziny w temperaturze 1980°C mial umiarko¬ wana twardosc, zblizona do twardosci narzedzi ze spiekanego wegliku wolframu siegajaca niespelna 0,05 mm w glab powierzchni, podczas gdy ma¬ terial azotowany w wyzszej temperaturze wykazal znacznie wieksza i glebiej siegajaca twardosc.W tym stopie powazne znaczenie ma fakt, ze moze on wykazywac powazne róznice w rozkladzie twardosci przy zachowaniu dobrych zdolnosci skra¬ wania.Stopy zawierajace znaczne ilosci niobu wyma¬ gaja, dla uzyskania po azotowaniu odpowiedniej zdolnosci, skrawania, okreslonych ilosci wolframu 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 i tytanu. Stop Nb-lOW-lOTi po azotowaniu daje material majacy dobra zdolnosc skrawania przy szybkosci 230 m/min., ale przy szybkosci 30 m/min. wlasnosci jego z tego powodu sa nienajlepsze, jak równiez ze wzgledu na duza zawartosc niobu nie zaliczamy go do materialów szczególnie dobrych.Stop Nb-30W-STi po azotowaniu przez 2 godzi¬ ny w temperaturze 1980°C wykazuje bardzo dob¬ ra zdolnosc skrawania zarówno przy niskiej jak i przy wysokiej szybkosci.Jesli jednak obnizyc zawartosc tytanu jak np. w stopie Nb-38W-2Ti to zdolnosc skrawania za¬ równo przy szybkosci 30 jak i przy 230 m/min. nieco sie pogarsza.Stopy lezace w granicach szczególnie dobrych materialów po azotowaniu nadaja sie do wyrobu przedmiotów o wysokiej odpornosci na scieranie i do narzedzi skrawajacych. Materialy te sa w wy¬ sokim stopniu odporne na tworzenie sie kraterów (lokalne wytapianie sie lub wykruszanie). Tworze¬ nie sie kraterów przy badaniu w zaostrzonych wa¬ runkach to jest przy wysokiej szybkosci skrawa¬ nia i duzym obciazeniu moze doprowadzic do szyb¬ kiego zniszczenia narzedzia.Odpornosc na tworzenie sie kraterów w ma¬ terialach wedlug niniejszego wynalazku moze byc zapewniona przez odpowiedni dobór stopu i gleb¬ sze azotowanie w celu otrzymania wiekszej twar¬ dosci zewnetrznych warstw materialu.Stwierdzono, ze po azotowaniu przez 2 godziny w temperaturze 1980°C stopów nalezacych do ukla¬ du Nb-W-Ti w wypadku szczególnie dobrych ma¬ terialów i materialów o podwyzszonej zawartosci wolframu otrzymuje sie doskonale narzedzia skra¬ wajace. Dla stopów zawierajacych duze ilosci nio¬ bu lub stopów o stosunkowo malej zawartosci wol¬ framu na ogól jest wskazane stosowanie nizszych temperatur i/lub krótszego czasu azotowania.Uklad Nb-Mo-Ti (Niob—Molibden—Tytan) pod wzgledem azotowania, wedlug niniejszego zglosze¬ nia, jest porównywalny z ukladem Nb-W-Ti z ta zasadnicza róznica, ze w poprzednim ukladzie za¬ wartosc niobu jest nieco mniejsza <20°/o do 85f/») w porównaniu do ukladu No-W-Ti (10Vo do 85f/o), a maksymalna uzyteczna zawartosc molibdenu jest troche mniejsza od zawartosci wolframu (60% Mo w porównaniu do 80Vo W). Za wyjatkiem tych niewielkich róznic w skladzie te dwa uklady sto¬ pów z punktu widzenia niniejszego wynalazku sa w zasadzie identyczne, podobnie jak wszystkie uklady podane w niniejszym zgloszeniu, a ich wlasnosci i wyniki badan przydatnosci sa porów¬ nywalne.W rzeczywistosci jak jest to nizej podane wol¬ fram moze byc w pewnych granicach zastepowa¬ ny molibdenem i odwrotnie lub oba te metale mozna wlaczyc do podstawowego stopu.Szereg przykladów z tego ukladu stopów wraz z temperatura i czasem azotowania jest podany w tablicy 1 a wyniki badania zdolnosci skrawa¬ nia sa podane graficznie na fig. 2.Stopy zawarte w granicach wieloboku utworzo¬ nego przez linie A B C D E F A (fig. 1) zawieraja wszystkie azotowane materialy wedlug wynalazku17 79361 18 skladajace sie z niobu, molibdenu i tytanu, które odpowiadaja podanym wyzej wymaganiom.Przyklady dwuskladnikowych azotowanych sto¬ pów niobu z tytanem podane sa w tablicy 1 i wszystkie te stopy nie odpowiadaja postawio¬ nym wymaganiom. Zestaw ten obejmuje zakres od czystego niobu do stopu 80Vo Nb-S^/oTi azoto¬ wanych przez 2 godziny w temperaturze od 1760°C do 2090°C.Z danych tych wynika, ze zawartosc molibdenu i/lub wolframu jest konieczna dla otrzymania uzy¬ tecznych azotowanych stopów zawierajacych jako pozostale zasadnicze skladniki niob i tytan.Wyniki te wykazujace koniecznosc dodania mo¬ libdenu i/lub wolframu do ukladu Nb-Ti moga byc zwiazane z rozkladem mikrotwardosci w struk¬ turze azotowanych stopów wedlug wynalazku. Jak podano wyzej, jedna z waznych cech materialów wedlug wynalazku jest fakt, ze lacza one bardzo wysoka twardosc powierzchniowa z wlasciwa gra¬ dacja tej twardosci w miare posuwania sie w glab materialu.Fig. 8 — przedstawia wykres rozkladu mikro¬ twardosci paru stopów nalezacych do ukladu Nb- -Mo-Ti azotowanych przy 1980°C przez 2 godziny.Z wykresu tego wynika ze najlepszy z trzech na nim przedstawionych stopów a mianowicie Nb- -30Ti-20Mo ma wysoka twardosc powierzchniowa, (powyzej 1500 DPN), która równomiernie sie zmniejsza proporcjonalnie do odleglosci od po¬ wierzchni.Stop Nb-35Ti-7Mo wykazuje podobnie wysoka twardosc powierzchniowa i w pewnym stopniu podobne nachylenie krzywej, co wykazuje, ze w tym przypadku rozklad mikrotwardosci w glab materialu jest wlasciwy. Stop dwuskladnikowy (60 Nb-40Ti) wykazuje niska twardosc na glebokosci ~0,026 mm ponizej powierzchni. Wprawdzie jego zewnetrzna warstwa ma bardzo duza twardosc, lecz nagly spadek twardosci miedzy warstwa ze¬ wnetrzna i wnetrzem materialu powoduje jego kru¬ chosc co uniemozliwia pomiar twardosci.Liczne przyklady ukladu Tantal—Wolfram—Ty¬ tan wraz z czasem i temperatura azotowania po¬ dane sa w tablicy 1, a wyniki badania zdolnosci skrawania sa podane graficznie na fig. 3.Podobnie jak w poprzednio opisanych ukladach stopów materialy zawarte w obrebie wieloboku utworzonego przez linie A B C DE F A (fig. 3) obejmuja wszystkie, azotowane stopy tantalu, wol¬ framu i tytanu wedlug wynalazku, które odpo¬ wiadaja podanym wyzej wymaganiom.Szczególnie korzystne stopy ukladu Ta-Ti-W mieszcza sie w wieloboku utworzonym przez linie HU KH na fig. 3.Dla otrzymania korzystnych stopów stosunek za¬ wartosci tantalu do tytanu, podobnie jak w opi¬ sanych trójskladnikowych stopach niobu powinien byc wiekszy od jednosci. Z tablicy 1 widac, ze stop Ta-20W-50Ti azotowany przez 2 godziny w temperaturze 1980QC nie odpowiadal wymaga¬ niom przy obu szybkosciach skrawania.Stwierdzono, ze azotowanie przez 2 godziny w temperaturze 1980°C szczególnie dobrych ma¬ terialów oraz stopów zawierajacych wyzsza za¬ wartosc wolframu daje doskonale narzedzia do ) skrawania. Dla stopów o duzej zawartosci tan¬ talu lub stopów o stosunkowo malej zawartosci wolframu wskazane jest stosowanie nizszej tem- 5 peratury i/lub krótszego czasu azotowania.Uklad Tantal—Molibden—Tytan azotowanych stopów jest pod wzgledem przydatnosci porówny¬ walny z opisanym poprzednio ukladem . tantal — wolfram — tytan, oraz do trójskladnikowych sto¬ lo pów zawierajacych niob, w których czesc lub ca¬ losc wolframu moze byc zastapiona molibdenem bez zmiany zasadniczych wlasnosci.Jedna róznica pod wzgledem skladu jest ogra¬ niczenie zawartosci molibdenu w stopach do 50e/o iB podczas gdy zawartosc wolframu moze dochodzic do 80°/o.Liczne przyklady ukladu Ta-Mo-Ti wraz z tem¬ peratura i czasem azotowania sa podane w tab¬ licy 1 a wyniki badania na zdolnosc skrawania 20 podane sa graficznie na fig. 4.Stopy mieszczace sie w obrebie wieloboku utwo¬ rzonego przez linie A B C D E F A na fig. 4 obejmuja wszystkie azotowane materialy odpowia¬ dajace podstawionym wyzej wymaganiom. Szcze- 25 golnie korzystne stopy ukladu Ta-Mo-Ti mieszcza sie we wewnetrznym wieloboku ograniczonym li¬ niami HIJKLHna fig. 4.Stwierdzono, ze stopy ukladu Ta-Mo-Ti po azo¬ towaniu przez 2 godziny w temperaturze 1980°C 30 w wypadku naszych specjalnie dobrych materia¬ lów daja doskonale narzedzia skrawajace. Dla sto¬ pów o duzej zawartosci tantalu lub stopów o sto¬ sunkowo malej zawartosci molibdenu wskazane jest na ogól stosowanie nizszej temperatury i/lub 35 krótszego czasu azotowania.Liczne przyklady stopów ukladu Y-Mo-Ti (wa¬ nad—Molibden—Tytan) wraz z czasem i tempera¬ tura azotowania sa podane w tablicy 1, a wyniki badania zdolnosci skrawania podane sa graficznie 40 na fig. 6.Podobnie jak w wyzej opisanych ukladach, sto¬ py mieszczace sie w obrebie wieloboku utworzo*- nego przez linie A B C D E F A na fig. 6 obej¬ muja wszystkie stopy azotowane wanadu z mo- 45 libdenem i tytanem, które odpowiadaja podanym wyzej wymaganiom. Najkorzystniejsze sklady sto¬ pów do wyrobu narzedzi skrawajacych mieszcza sie wewnatrz wieloboku ograniczonego linia HI? K F H na fig. 6. 50 Stwierdzono, ze w tym ukladzie mozna w szero¬ kich granicach zmieniac zawartosc wanadu pod warunkiem utrzymania w stopie odpowiedniego stosunku zawartosci tytanu do molibdenu. Ogól¬ nie biorac, jak wynika to z fig. 6 obnizenie sto- 55 sunku zawartosci Ti/Mo powoduje wzrost wytrzy¬ malosci azotowanych stopów, a ponadto stwierdzo¬ no, ze azotowanie moze byc przeprowadzane w szerokich granicach temperatur przy zachowa¬ niu dobrej zdolnosci skrawania hartowanej stali, 60 zarówno przy niskich jak i wysokich szybkos¬ ciach.Jesli zawartosc molibdenu w stopach VriMo-Ti jest wysoka w porównaniu dc zawartosci tytanu to zdolnosc azotowania tych stopów zmniejsza os sie i nie mozna otrzymac dostatecznej twardosci79361 19 powierzchni, wymaganej do skrawania z szybkoscia 230 m/min. Z tego powodu stop V-72Mo-STi- nie jest objety zakresem niniejszego wynalazku.Stwierdzono, ze ze stopów ukladu V-Mo-Ti po azotowaniu przez 2 do 4 godzin w temperaturze od 1540°C do 1760°C otrzymuje sie doskonale na¬ rzedzia skrawajace.Przyklady stopów z ukladu V-W-Ti (Wanad-Wol- fram-Tytan) wraz z czasem i temperatura azoto¬ wania sa podane w tablicy 1, a wyniki badan zdol¬ nosci skrawania sa przedstawione graficznie na fig. 5.Podobnie jak w poprzednio opisanych ukladach stopy mieszczace sie w obrebie wieloboku utwo¬ rzonego przez linie ABCDEFCAna fig. 5 obejmuja wszystkie azotowane stopy niobu z wolf- framem i tytanem, które odpowiadaja ustalonym przez nas wymaganiom.Sklad szczególnie dobrych stopów V-W-Ti miesci sie w granicach wewnetrznego wieloboku utworzo¬ nego przez linie HIJKLHna fig. 5. Omawia¬ ne tu stopy wanadu mozna na ogól azotowac w troche nizszych temperaturach niz odpowiada¬ jace im stopy niobu lub tantalu, a ponadto wysoka zdolnosc skrawania mozna latwiej uzyskac w sto¬ pach zawierajacych wanad przy stosunkowo niskich temperaturach azotowania nawet przy materialach zawierajacych duza ilosc wolframu. Uklady trój¬ skladnikowe stopów wanadu po azotowaniu ich przez dwie godziny w temperaturze od 1540°C do 1650°C daja uzyteczne narzedzia do skrawania.Stopy zawierajace duza ilosc wanadu lub tez stosunkowo mala ilosc wolframu nalezy na ogól azotowac w nizszej temperaturze i/lub przez krót¬ szy okres czasu.Stopy zawierajace wieksza ilosc wolframu i nie nalezace do szczególnie dobrych materialów, po azotowaniu ich przez 2 godziny w temperaturze 1760°C wykazaly dobra zdolnosc skrawania.Typowe przyklady stopów wieloskladnikowych, objetych zakresem niniejszego wynalazku, sposób azotowania i wyniki badan zdolnosci skrawania stali Rc 43—45 sa podane w tablicy 2.Tablica 2 20 Sklad stopu w '/o ciezarowych 1 35Nb-35Ta-10Mo-20Ti 1 30Nb-30Ta-10Mo-10W- -20Ti 5ÓND-12, 5MO-12, 5W- -25Ti Sposób azotowania °C 2 1980 1980 1980 godz. 3 2 2 2 Wynik badania zdolnosci skrawania przy szybkosci 230 m/min 4 P' P' P' 30 m/min 5 P' P' P' 15 20 25 35 40 45 50 55 60 65 cd. tablicy-2 1 1 52, 4Ta-12, 5MO-12, 5W-22, 5Ti 30Nb-20V-10Mo-40Ti 29Nb-39V-8Mo-24Ti 37Nb-30V-8Mo-25Ti 37Nb-30V-8Mo-25Ti 13Nb-25Ta-34V-7Mo- -21Ti 53Ta-22V-7Mo-18Ti 18Nb-36Ta-10V-18Mo- -18Ti 12V-42Ta-26Mo-20Ti 25Nb-25Ta-25V-15Ta- -5W-5M0 2 1980 1650 1425 1425 1425 1425 1425 1760 1870 1650 3 2 4 2 2 6 2 2 2 2 2 4 P' P' P' P' P' P' P' P' P' P* 5 P' P* P* ¦ ** P' ¦ P' P' P* P' ¦ P' W tablicy 2 uzyto tych samych oznaczen co w tablicy 1.Przy stosowaniu wieloskladnikowych stopów we¬ dlug wynalazku nalezy zachowywac pewne pro¬ porcje skladników i w niektórych wypadkach uzy¬ wac wzorów okreslajacych czy dany stop bedzie odpowiadal postawionym w niniejszym opisie wy¬ maganiom.W niniejszym opisie nastepujace litery oznaczaja ponizej podane stosunki poszczególnych metali: Nb A = Nb+Ta+V to jest stosunek zawartosci niobu do calkowitej zawartosci niobu, tantalu i wanadu; Ta B = Nb+Ta+V Mo Nb+Ta+V ' W D=- Mo+W E = Mo+W Jezeli w stopie niniejszego ukladu jest zawarty wiecej niz jeden metal z grupy niobu, tantalu i wanadu to calkowita zawartosc tych metali w procentach ciezarowych powinna byc równa lub mniejsza od sumy: 85-A+88-B+90-C a minimalna ich zawartosc przy obecnosci wolfra¬ mu i/lub molibdenu powinna byc równa lub wiek¬ sza od sumy: A+B+10E+25D+15C.Ponadto jesli stop zawiera wiecej niz jeden me¬ tal z grupy niobu, tantalu i wanadu, najwyzsza dopuszczalna zawartosc tytanu w ukladzie stopów powinna byc równa lub mniejsza od zawartosci wynikajacej ze wzoru 45/A+C/+35B a stosunek zawartosci tych metali do zawartosci tytanu powi¬ nien byc wiekszy od stosunku wynikajacego ze wzoru: A+B+0,66C.Ponadto jesli stop 1 zawiera wolfram i molib¬ den maksymalna ich zawartosc wynika ze wzoru: 60/A+C/+D+50B+D+80E; Poza tym, jezeli z metali grupy A uzyc jedynie niobu, a w stopie wystepuje molibden i wolfram,79361 21 22 minimalna zawartosc niobu wynika ze wzoru: 10E+20D.Powyzsze obliczenia sa potrzebne jedynie w wy¬ padku, gdy zawartosc metali jest bliska wartosci granicznej i tylko przy stopach wieloskladniko¬ wych.Przydatnosc jednego z wyzej omówionych sto¬ pów wieloskladnikowych 37Nb-30V-8Mo-25Ti mo¬ zna latwo ocenic na podstawie ponizszych danych: 1 Sposób azotowania °C 1540 1540 godziny 2 4 Przyrost ciezaru (mg/cm2) 11,3 17,0 Srednia scieralnosc 30 m/min. 15,0 33,0 26,0 56,5 Scieral¬ nosc (mm) 0,1 0,175 0,1 0,15 230 (mm) Obj. skr. materialu cm3 33,0 54,0 42,5 9,0 Scieral¬ nosc (mm) 0,075 0,1 0,125 0,15 Stopy zawierajace rózne zestawy tych skladni¬ ków odpowiadajace w ogólnych ilosciach szczegól¬ nie dobrym stopom trójskladnikowym wykazuja równiez szczególnie dobre wlasnosci w ukladach wieloskladnikowych. Szereg tych szczególnie do¬ brych stopów wieloskladnikowych podano w ta¬ blicy 2.Grupa azotowanych materialów, wykazujaca zdol¬ nosc skrawania stali (Re 43—45) ze znacznie wiek¬ sza szybkoscia to azotowane stopy zawierajace co najmniej 749/t metali: niobu, tantalu i/lub wanadu oraz tytan, molibden i/lub wolfram.Stopy te po azotowaniu maja wlasnosci zblizone do materialów ceramicznych. Nadaja sie one nie tylko do skrawania przy duzych szybkosciach ale i do innych celów, gdzie jest wymagana duza od¬ pornosc na scieranie.Z ukladu niob-wlolfram-tytan (fig. 1 — materialy wykazujace zdolnosc skrawania przy duzych szyb¬ kosciach mieszcza sie w wieloboku ograniczonym linia M B C N M.Z ukladu niob-molibden-tytan (fig. 2) takie uzy¬ teczne szybkotnace materialy mieszcza sie w obre¬ bie wieloboku utworzonego przez linie M E F N M.W ukladzie tantal-wolfram-tytan (fig. 3) mate¬ rialy szybkotnace mieszcza sie w obrebie wielobo¬ ku utworzonego przez linie M D E N M.W ukladzie tantal-molibden-tytan (fig. 4) mate¬ rialy szybkotnace mieszcza sie w obrebie wielobo¬ ku ograniczonego linia M D E N E.W ukladzie wanad-wolfram-tytan (fig. 5) mate¬ rialy szybkotnace mieszcza sie w obrebie wielobo¬ ku utworzonego przez linie M E F N M.W ukladzie wanad-molibden-tytan (fig. 6) mate¬ rialy szybkotnace mieszcza sie w obrebie wielobo¬ ku utworzonego przez linie MDENM.Stopy wedlug wynalazku moga byc azotowane przez co uzyskuja nadzwyczaj dobre wlasnosci we¬ dlug opisanych wyzej wyników badan. Jest zrozu¬ miale, ze stopy te mozna formowac za pomoca róznych technik jak odlewanie, tradycyjna obrób¬ ke metali, nakladanie powlok i okladzin, praso¬ wanie proszków itp. 5 Przydatnosc do bezposredniej obróbki na zimno lub goraco i kowalnosc materialu pozwala na ob¬ róbki odpowiednich czesci przed ich azotowaniem.Duzy asortyment stopów nadajacych sie do azoto¬ wania jest bardzo korzystny dla przemyslu.Jak juz poprzednio podano niektóre z badanych stopów byly przed azotowaniem walcowane na zimno lub goraco na blachy. Wszystkie te mate¬ rialy wykazywaly twardosc nie mniejsza niz 400 jednostek DPN (mierzona ostroslupem diamento¬ wym) co w przyblizeniu odpowiada 70 jednostkom wedlug skali A. Rockwella w stanie odlewu nie- walcoiwanym.Stwierdzono, ze materialy mieszczace sie w ob¬ rebie przydatnych stopów podanych na fig. 1 do 6 i wykazujace stosunek zawartosci Ti/Mo lub W wiekszy od jednosci odpowiadajace tym wymaga¬ niom, a poza tym sa latwo obrabialne.W ukladzie niob-wolfram-tytan (fig. 1) takie szczególnie dobrze obrabialne materialy mieszcza sie w wieloboku utworzonym przez linie PQF AP.W stopach opartych na bazie niobu i tytanu, jak widac to z fig. 2 molibden mozna zastapic wolfra¬ mem, jak to ma miejsce w ukladzie podanym na fig. 1. Te latwo obrabialne stopy niobu z mo¬ libdenem i tytanem mieszcza sie w wieloboku P Q B C D F.Latwo obrabialne stopy ukladu tantal-wolfram- -tytan sa podane na fig. 3. Mieszcza sie one w ob¬ rebie wieloboku ograniczonym linia P Q B C D P.Latwo obrabialne stopy na bazie tantalu i tytanu z dodatkiem molibdenu sa podane na fig. 4. Mie¬ szcza sie one w obrebie wieloboku ograniczonego linia PQBCDP.Na fig. 5 latwo obrabialne stopy mieszcza sie w obrebie wieloboku P Q C D E P. W ukladzie stopów V-Mo-Ti przedstawionym na fig. 6 latwo obrabialne stopy mieszcza sie w obrebie wieloboku P Q B C D P.W latwo obrabialnych stopach wedlug niniejsze¬ go wynalazku ma zasadnicze znaczenie stosunek zawartosci tytanu do molibdenu i/lub wolframu równy lub wiekszy od jednosci. Widac to po prze¬ biegu linii PQ na wszystkich wykresach. W tym ukladzie latwo obrabialnych stopów miesci sie spe¬ cjalnie pozadana grupa stopów, które sa nie tylko latwo obrabialne ale odznaczaja sie szczególnie do¬ bra zdolnoscia skrawania. Materialy te maja po¬ wazne znaczenie dla przemyslu.W ukladzie Nb-W-Ti (fig. 1) materialy te miesz¬ cza sie w obrebie wieloboku R S I J R. Takie szczególnie dobre materialy z ukladu Nb-Mo-Ti mieszcza sie w obrebie wieloboku R S I J R na fig. 2, przy czym stosunek zawartosci tytanu do molibdenu i/lub wolframu jest równy lub wiekszy od jednosci.W ukladzie Ta-W-Ti te szczególnie dobre trój¬ skladnikowe stopy mieszcza sie w wieloboku R S I J R na fig. 3. W ukladzie Ta/Mo-Ti takie szczególnie dobre, trójskladnikowe stopy mieszcza sie w wieloboku R S I J R na fig. 4. 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6023 79361 24 W ukladzie V-W-Ti takie szczególnie dobre sto¬ py mieszcza sie w wieloboku R S I J R na fig. 5.W skladzie V/Mo-Ti mieszcza sie one w wieloboku J R I J na fig. 6.Materialy te moga byc latwo wyrabiane zarówno 5 w postaci pretów jak i na przyklad w postaci proszków do prasowania. Przydatnosc tych azoto¬ wanych stopów do wyrobu narzedzi szybkotnacych do obróbki hartowanej stali zostala juz opisana powyzej. Na przyklad wiele azotowanych stopów io wedlug wynalazku skrawa 33 cm3 stopu na bazie kobaltu z szybkoscia 120 m/min przy niskiej scie¬ ralnosci podczas, gdy spiekane wegliki zawodza w tych warunkach. Powyzej opisane badania do¬ wiodly, ze materialy te wykazuja nadzwyczaj dobra 15 odpornosc na scieranie. PL PL PL