Stal Hadfielda określana jest także mianem stali więziennej co wynika z jednego jej zastosowania. Stal Hadfielda (tabela 1) powszechnie znana jest z wysokiej odporności na ścierani i zdolność do utwardzania się przy jednoczesnym zachowaniu dobrych własności plastycznych. Stal wysokomanganowa (manganowa), znajduje zastosowanie przy produkcji części do maszyn i urządzeń od których wymagana jest bardzo duża odporność na ścieranie przy uderzeniach powodujących tak zwany zgniot na zimno: szczęki kruszarek do kamieni, sworznie i tulejki do łańcuchów gąsienicowych, kule i płyty do młynów, kraty, krzyżownice tramwajowe, czerpaki koparek itp. Trudnościeralna stal Hadfielda w stanie przesyconym jest stalą niemagnetyczną.

Długo się wahałem jak do tego artykułu podejść. Rozbudowane wprowadzenie podkreśla jak istotne są właściwości materiału obrabianego i jak zaawansowane są badania by wyjaśnić przyczyny takich, a nie innych właściwości. Postanowiłem w skrócony sposób objaśnić dlaczego stal Hadfielda jest materiałem trudno obrabialnym.

Stal Hadfielda

Warunkiem koniecznym do wystąpienia wysokiej odporności na ścieranie w przypadku stali Hadfielda jest wystąpienie znacznych nacisków wraz ze zgniotem.

Stal Hadfielda to austenityczna stal manganowa (np. X120Mn12, 1.3401, X120Mn13), która zawiera 1÷1,3% C oraz 11÷14% Mn. Stosunek ilości węgla do manganu w tej stali powinien wynosić jak 1 do 10. Wynika to z faktu, iż wyłącznie właściwa zawartość węgla może zapewnić stałość struktury austenitycznej. Stal Hadfielda charakteryzuje się niską granicą sprężystości i plastyczności oraz niską twardość (210 HB) przy jednoczesnej wysokiej wytrzymałości R_m=1050 MPa i bardzo dobrych właściwościach plastycznych [4, 5].

Stal Hadfielda badano w różnych warunkach obciążenia: ściskanie/rozciąganie, skręcanie wysokociśnieniowe (HPT), obciążenie ściskające o wysokiej prędkości, walcowanie, cykliczne odkształcenie i obciążenia udarowe.

Trudnoobrabialność

Główną cechą stali Hadfielda jest bardzo duży współczynnik umocnienia pod wpływem zgniotu. Twardość stali wynosząca 190÷220 HB w wyniku zgniotu zwiększa się nawet ponad dwukrotnie do ponad 500 HB. Silne utwardzenie wynika z powstawania tzw. mikrobliźniaków w austenicie manganowym. To stanowi o bardzo wysokiej odporności na ścieranie przy dużych naciskach i czyni tę stal materiałem trudno skrawalnym [9].

Analiza literatury wskazuje na zróżnicowanie hipotez opisujących mechanizmy umacniania się stali Hadfielda pod wpływem nacisków.

W kontekście obróbki skrawaniem stal Hadfielda uznawana jest z materiał trudnoobrabialny. Stal ta umacnia się pod działaniem nacisków zewnętrznych. Wynika to z faktu, iż struktura austenityczna posiada wiele kierunków łatwego poślizgu. Zgniot na zimno powoduje również rozdrobnienie ziarn oraz częściową przemianę martenzytyczną austenitu [7, 10]. Mangan jako dodatek stopowy przyczynia się do obniżenia temperatury przemiany eutektoidalnej oraz do szybszego tempa chłodzenia. W efekcie zwiększenie wytrzymałości spowodowane jest, iż przemiana perlityczna występuje przy niższych temperaturach, także podczas chłodzenia na powietrzu [9].

W przemianie martenzytycznej, dla której temperatura przemiany dla stali wynosi poniżej 200°C czas nie odgrywa roli. Warunkiem koniecznym jest odpowiednie chłodzenie austenitu. Istotna w tym przypadku jest jest tzw. krytyczna szybkość chłodzenia czyli szybkość zabezpieczająca przed wystąpieniem przemian dyfuzyjnych, które zachodzą w wyższych temperaturach niż przemiana martenzytyczna uniemożliwiając jego przemianę w martenzyt [11].

Utwardzanie się stali Hadfielda pod wpływem nacisku, niska przewodność cieplna, dobra właściwości plastyczne stanowią główne czynniki powodujące jej trudno obrabialność.

Obróbka skrawaniem

W przypadku obróbki materiałów trudno obrabialnych istotną rolę odgrywa narzędzie (ilustracja 1), w tym technologia jego wykonania, w tym zastosowane powłoki. Okazuje się, że przy obróbce tego typu materiałów ma znaczenie nawet metoda pokrywania narzędzi (PVD lub CVD). Na ilustracji 1 przedstawiono dwa frezy palcowe Ø12 pokrywane monolityczne z węglików spiekanych dwóch różnych producentów (SANDVIK Coromant i MITSUBISHI MATERIALS). Frez firmy SANDVIK Coromant pokryty AlCrN metodą PVD. Frez palcowy MITSUBISHI MATERIALS to frez trzpieniowy z dwustopniowym promieniem naroża o krótkiej części roboczej 6 ostrzowy.

Ilustracja 1. Frezy palcowe monolityczne pokrywane z węglików spiekanych firm, od lewej, SANDVIK Coromant 2N342 1200 PC oraz VFFDRB 1200.

Oba frezy dedykowane są do obróbki stali utwardzonych. Dlaczego takie narzędzia wybrałem? Plan zakładał wykorzystanie szybkości wchodzenia ostrza w materiał zabezpieczającej przed wystąpieniem umocnienia stali Hadfielda. Frezowanie wieloostrzowym frezem palcowym monolitycznym przy zastosowaniu parametrów obróbkowych typowych dla obróbki szybkościowej HSM (ang. High Speed Machining) w założeniach miało umożliwić obróbkę tej stali.

Obróbki wstępne

Obróbki zostały przeprowadzone na pionowym 5-osiowym centrum frezarskim GF Machining Solutions MIKRON P 500 UD (ilustracja 2), obrabiarkę co prawda dedykowaną dla obróbki wydajnościowej (ang. HPM), lecz spełniającą wymagania co do uzyskania dobranych parametrów obróbkowych.

Ilustracja 2. Pionowe 5-osiowe centrum frezarskie firmy GF Machining Solutions MILL P 500 UD.

Ze względu na ograniczony sposób ustalenia przedmiotu obrabianego (płyta o wymiarach 200x100x10) w uchwycie obróbkowym (ilustracja 3) dostępna powierzchnia obróbki była ograniczona. Ograniczenie wynikło z braku w danym momencie bardziej właściwego imadła pasującego do dostępnej palety w ramach wykorzystywanego systemu paletowego.

Ilustracja 3. Ustalenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego.

Uwzględniając posiadany półfabrykat (płytka stali X120Mn12 o wymiarach 200x100x10) oraz możliwe do wykorzystania oprzyrządowanie technologiczne (ilustracja 3) zaplanowano następujące obróbki:

1. planowanie powierzchni o wymiarach 60×100 mm;
2. wykonanie rowka nieprzelotowego o szerokości 15 mm i długości 60 mm;
3. wykonanie rowka nieprzelotowego o szerokości 18 mm i długości 60 mm;
4. wykonanie otworu przelotowego o średnicy Ø18.

Na ilustracji 4 przedstawiono efekt obróbek. Natomiast w tabeli 2 zawarto zastosowane parametry obróbkowe. Postanowiono zachować stałą prędkość skrawania v_c=229 m/min.

Ilustracja 4. Efekt zaplanowanych obróbek.

Dobór parametrów obróbkowych bazował na zalecanych danych katalogowych dla wybranego narzędzia – SANDVIK Coromant 2N342 1200 PC – frez o średnicy Ø12 oraz pięciu ostrzach.

Na ilustracji 5 pokazano uzyskane podczas obróbki wióry, które wskazują, iż parametry były dobrane prawidłowo i stal Hadfielda mogła być obrobiona frezowaniem. Analiza zużycia ostrza frezu (ilustracja 6) nie wskazuje na znaczące zużycie co dodatkowo potwierdziło prawidłowość wybranych parametrów obróbkowych. Trzeba jednak podkreślić, że były to obróbki o charakterze wstępnym mające na celu przeprowadzenia pierwszych prób. Dopiero dalsze obróbki pozwolą opracowanie miarodajnych zaleceń w zakresie doboru parametrów obróbkowych dla tej stali.

Ilustracja 5. Wióry, które powstały podczas wykonywania otworu w stali Hadfielda.

Ilustracja 6. Przykładowe zdjęcia w powiększeniu ostrza użytego narzędzia (z lewej przed obróbką, z prawej po obróbce).

Stal Hadfielda jest uznawana za stal trudno obrabialną, lecz współczesne metody skrawania, do jakich zalicza się obróbki szybkościowe, umożliwiają obróbkę z niewielkim i akceptowalnym zużyciem narzędzia. Jednak zabieg wiercenia z użyciem wiertła krętego może ze względu na mniejszą liczbę ostrzy nie być możliwy. Wykonywanie otworów wymagało by w wielu przypadkach zastosowania obrabiarek wielkogabarytowych lub bardzo świadomego definiowania wymagań konstrukcyjnych co do elementów konstrukcyjnych – np. obudowy ze stali Hadfielda.

Z punktu widzenia doboru parametrów obróbkowych za kluczowy należy uznać mechanizm umacniania się stali Hadfielda i to będzie wiodącym zagadnieniem kolejnych badań, które planuję.

Źródła

1. D.V. Lychagin, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev, O.S. Novitskaia, Y.I. Chumlyakov, A.V. Kolubaev, Dry sliding of Hadfield steel single crystal oriented to deformation by slip and twinning: Deformation, wear, and acoustic emission characterization, Tribology Internation 119 (2018)
2. Turgay Kıvak, Optimization of surface roughness and flank wear using the Taguchi method in milling of Hadfield steel with PVD and CVD coated inserts, Measurement 50 (2014)
3. Janez Kopac, Hardening phenomena of Mn-austenite steels in the cutting process, Journal of Materials Processing Technology 109 (2001)
4. Jenn-Tsong Horng, Ko-Ta Chiang, A grey and fuzzy algorithms integrated approach to the optimization of turning Hadfield steel with Al2O3/TiC mixed ceramic tool, Journal of Materials Processing Technology 207 (2008)
5. Ergün EKİCİ, Gültekin UZUN, Turgay KIVAK, Evaluation of the effects of cutting parameters on the surface roughness during the turning of Hadfield Steel with response surface methotodology, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 19, Sayı 2, 2014
6.  Turgay KIVAK, Gültekin UZUN, Ergün EKİCİ, An Experimental and Statistical Evaluation of The Cutting Parameters on The Machinability of Hadfield Steel, Gazi University Journal of Science 29(1):9-17 (2016)
7. Yuri N. Petrov, Valentin G. Gavriljuk, Hans Berns, Fabian Schmalt, Surface structure of stainless and Hadfield steel after impact wear, Wear 260 (2006)
8. Bolanowski K., Wpływ twardości warstwy wierzchniej na odporność staliwa Hadfielda na ścieranie, Problemy eksploatacji Nr 1/2013
9. Frydrycka Katarzyna, Praca dyplomowa inżynierska. Degradacja mikrostruktury i właściwości wytrzymałościowych stali manganowej typu 09G2S w warunkach eksploatacji cyklonów w reaktorze FCC (Fluid Catalytic Cracking), WIM PW 2012
10. Jabłońska M., B., Struktura i właściwości austenitycznej stali wysokomanganowej umacnianej wskutek mechanicznego bliźniakowania w procesach dynamicznej deformacji. Monografia, WPŚl, Gliwice, 2016
11. Faryna Marek, materiały dydaktyczne, www.imim.pl
12. X120MN12, 1.3401, A128 WYSOKOMANGANOWA, ODPORNA NA ŚCIERANIE – STAL HADFIELDA