STALE NARZĘDZIOWE

Stale narzędziowe - stopy przeznaczone na

narzędzia tj. przedmioty służące do rozdzielania i

rozdrabniania materiałów bądź nadawania kształtu

przez obróbkę skrawaniem lub przez przeróbkęplastyczną, a także stopy przeznaczone na

przyrządy pomiarowe używane w masowej

produkcji.

Różnorodność warunków pracy narzędzi stwarza

konieczność zróżnicowania wymagań stawianych

stalom narzędziowym, jednakże we wszystkich

przypadkach zawsze dąży się do osiągnięcia

największej trwałości narzędzia.

Podstawowe wymagania:

•Wysoka twardość (najczęściej ponad 60 HRC) –narzędzie musi być twardsze od obrabianego materiału, przy dostatecznej ciągliwości i odporności na pękanie,

•Odporność na zużycie ścierne, zabezpieczające trwałość narzędzia w warunkach tarcia przy znacznych naciskach jednostkowych,

•Odpowiednia hartowność, dla zapewnienia niezbędnej grubości warstwy martenzytycznej, a tym samym odpowiednich właściwości mechanicznych na przekroju narzędzia,

•Odporność na odpuszczające działanie podwyższonych temperatur, tj. zdolność do zachowania wysokiej twardości i odporności na ścieranie.

Dodatkowe wymagania, zróżnicowane dla poszczególnych grup narzędzi, np.:

•odporność na pękanie w warunkach cyklicznych zmian temperatury i obciążeń dynamicznych (narzędzia kuźnicze do przeróbki plastycznej na gorąco),• stabilność wymiarów (sprawdziany i dokładne narzędzia pomiarowe, •odporność na ścieranie i korozyjne oddziaływanie czynników aktywnych chemicznie (narzędzia do przetwórstwa tworzyw sztucznych).

Zgodnie z normą PN-EN ISO 4957:2004 wyróżnia sięstale:

1. Narzędziowe niestopowe,

2. Narzędziowe stopowe do pracy na zimno,

3. Narzędziowe stopowe do pracy na gorąco,

4. Szybkotnące.

Podstawą podziału stali narzędziowych do pracy na zimno i na gorąco jest temperatura powierzchninarzędzia, która powinna być niższa od 200°C dla stali do pracy na zimno, a dla stali przeznaczonych na narzędzia do pracy na gorąco wynosi zwykle powyżej 200°C. Stale szybkotnące przeznaczone głównie do obróbki skrawaniem i w produkcji formowania mogą nagrzewać się do temperatury 600°C.

Podstawową rolę we wszystkich stalach narzędziowych odgrywa węgiel, który wpływa na twardość stali.

Stale narzędziowe są zwykle wysokowęglowe, tylko niektóre są stalami średnio- węglowymi, jeśli musząposiadać większą odporność na obciążenia dynamiczne.

Węgiel i na ogół duża zawartość pierwiastków stopowych, głównie węglikotwórczych (Cr, Mo, W, V) w połączeniu z obróbką cieplną - hartowaniem i odpuszczaniem - są podstawą ukształtowania struktury, w postaci twardej osnowy martenzytu odpuszczonego z drobnymi, równomiernie rozmieszczonymi twardymi węglikami, co zapewnia wysoką odporność na zużycie ścierne.

Pierwiastki stopowe zwiększają hartowność, odpornośćna ścieranie i odporność na odpuszczające działanie ciepła oraz zachowanie twardości w wysokiej

temperaturze.

Zwiększenie hartowności pozwala na stosowanie podczas hartowania mniej intensywnych środków chłodzących, co zmniejsza naprężenia, a tym samym ogranicza możliwość wystąpienia pęknięć hartowniczych oraz zmiany wymiarów i kształtu narzędzi.

Stale narzędziowe niestopowe

Stale narzędziowe niestopowe (węglowe) są stalami do

pracy na zimno. Wg PN-EN ISO 4957:2004 obejmująsześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,45

do 1,20%Tabl. 1. Stale narzędziowe niestopowe

Gatunek

Odpowiednik wg

PN Średnia

zawartość węgla

%

Temperatura

hartowania

°C

Temperatura

odpuszczania

°C

Twardość po

obróbce

cieplnej HRC

C45U

C70U

C80U

C90U

C105U

C120U

brak

N7(E)

N8(E)

N9(E)

N10(E)/N11(E)

N12(E)

0,45

0,70

0,80

0,90

1,05

1,20

810

800

790

780

780

770

180

54

57

58

60

61

62

Hartowność stali niestopowych: mała, zahartowanie na

wskroś można uzyskać tylko dla średnic do 10 mm. W przypadku większych średnic głębokość warstwy zahartowanej zmienia się, np. dla średnicy 30 mm głębokośćwarstwy zahartowanej wynosi około 3mm. Nie zahartowany rdzeń o strukturze, najczęściej drobnego perlitu, jest bardziej miękki ale jednocześnie bardziej ciągliwy, co pozwala stosować taką stal na narzędzia narażone na obciążenia dynamiczne.

Przeznaczenie stali niestopowych:wyrób narzędzi o

prostych kształtach. Z gatunków o niższej zawartości węgla wykonuje się narzędzia pracujące udarowo, jak przecinaki, młotki, siekiery, wykrojniki, przebijaki, narzędzia tnące; piły, dłuta, a stale o dużej zawartości węgla na narzędzia do obróbki metali z niewielką szybkością skrawania; frezy, wiertła, narzynki, gwintowniki.

Obróbka cieplna stali narzędziowych niestopowych

Półwyroby ze stali narzędziowych są dostarczane z hut w stanie zmiękczonym aby umożliwić obróbkę wiórową. Wytworzone narzędzia poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu:

• Austenityzowanie w temperaturach 30 - 50°C powyżej linii Ac3 (stale podeutektoidalne) a powyżej linii Ac1 (stale eutektoidalne i nadeutektoidalne)

• Chłodzenie w wodzie

• Struktura po hartowaniu: martenzyt (stal podeutektoidalna i eutektoidalna), martenzyt z kulkowym cementytemdrugorzędowym (stal nadeutektoidalna)

• Odpuszczanie niskie, w temperaturze ~180°C w celu usunięcia naprężeń. Zostaje zachowana struktura hartowania i wysoka twardość.

Fragment wykresu układu równowagi fazowej Fe-Fe3C z pasmem prawidłowych temperatur hartowania

Stale narzędziowe stopowe

Stale do pracy na zimno (PN-EN ISO 4957:2004)

W porównaniu ze stalami niestopowymi mają:

1. Zwiększoną hartowność, co daje możliwość produkcji

większych narzędzi o bardziej skomplikowanych

kształtach, z uwagi na stosowanie podczas

hartowania łagodniejszych ośrodków chłodzących

(olej, powietrze),

2. Podwyższoną odporność na ścieranie wskutek

obecności drobnych węglików pierwiastków

stopowych (Cr, Mo, V, W).

. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno

Gatunek Odpowied-

nik wg PN Średnia

zawartość węgla

Dodatki

stopowe

%

Temperatura

hartowania

°C

Temperatura

odpuszczania

°C

Twardość po

obróbce

cieplnej HRC

102Cr6

95MnCrV8

X100CrMoV5

X210Cr12

brak

brak

brak

NC11

1,02

0,95

1,00

2,05

Cr 1,5

Mn 1,2 Cr 0,5

V 0,13

Cr 5,2 Mo1,0

V 0,25

Cr 12,0

840

800

970

970

180

60

60

60

62

Niektóre gatunki stali

Skład chemiczny:

• Węgiel 0,3 - 2,3%

• Dodatki stopowe: Cr do 17%, Mo do 1,3%, V do 1,0%, W do 2,2%, Ni do 4,3, Mn do 2,5 i Si do 1,0%

Przeznaczenie:

• Stale o niższej zawartości węgla (0,3-0,6% C) mają dobrąodporność na uderzenia i dlatego stosuje się je np. na nitowniki, dłuta.

• Stale o zawartości węgla 1,4-2,3% to stale ledeburytyczne; po odlaniu występuje w strukturze ledeburyt przemieniony –mieszanina eutektyczna węglików i perlitu. Stale mają dużąhartowność, pozwalającą na hartowanie narzędzi o mniejszych przekrojach w powietrzu, a dzięki dużemu udziałowi objętościowemu twardszych od cementytu węglików stopowych (głównie chromu) należą do bardzo odpornych na ścieranie. Duża regularność odkształceń po hartowaniu bez zmiany kształtu powoduje, że stosuje się je do wyrobu narzędzi o skomplikowanych kształtach, m.in. na płyty tnące do wykrojników, pierścienie do przeciągania, szczęki i rolki do walcowania i wytłaczania, sprawdziany itp.

Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno

• Hartowanie i odpuszczanie niskie (wyższe od temperatury pracy)

• Kilkustopniowe nagrzewanie narzędzi ze stali wysokostopowych o skomplikowanych kształtach dla zminimalizowania naprężeńcieplnych

• Austenityzowanie w temperaturach 30 - 50°C powyżej linii Ac1(stale nadeutektoidalne), powyżej linii Accm (stale ledeburytyczne).

W stalach nadeutektoidalnych podczas austenityzowania węgliki wtórne pozostają nie rozpuszczone, w stalach ledeburytycznychrozpuszczają się w większości węgliki wtórne, a pozostają nie rozpuszczone węgliki pierwotne. Podczas austenityzacjipozostawia się więc pewną część węglików nie rozpuszczoną, co zwiększa odporność na ścieranie.

• Odpuszczanie w 180°C. Zostaje zachowana struktura martenzytu z węglikami nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji, co zapewnia wysoką twardość i odporność na ścieranie.

Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: a) niestopowych, b) stopowych do pracy na

zimno

Stale narzędziowe do pracy na gorąco(PN-EN ISO 4957:2004)

Przeznaczone na narzędzia, których temperatura powierzchni nagrzewa się powyżej 200°C i jednocześnie narażone są na częste i nagłe zmiany temperatury, odpuszczające działanie ciepła, duże naciski i ścieranie.

Gatunek

Odpowied-

nik wg PN Średnia

zawartość węgla

Dodatki stopowe

%

Temperatura

hartowania

°C

Temperatura

odpuszczania

°C

Twardość po

obróbce

cieplnej

HRC

32CrMoV12-28

X40CrMoV5-1

50CrMoV13-15

WLV

WCLV

brak

0,32

0,40

0,50

Cr 3,0 Mo 2,75 V

0,55

Cr 5,2 Mo 1,3 V

1,0

Mn 0,7 Cr 5,3 Mo

1,5 V 0,25

1040

1020

1010

550

550

510

46

50

56

Niektóre gatunki stali

Cechy stali narzędziowych do pracy na gorąco:

• Dobre właściwości mechaniczne w podwyższonych

temperaturach (wysoka wytrzymałość, twardość, dobra

ciągliwość), a w wypadku dużych wymiarów narzędzi, np.

matryc - duża hartowność,

• Dostateczna odporność na szybkie zmiany temperatury; w

wyniku wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia wierzchniej

warstwy narzędzi wytwarza się z upływem czasu na ich

powierzchni siatka pęknięć. Zjawisko to zwane zmęczeniem

cieplnym jest podstawową przyczyną zużywania się narzędzi

do pracy na gorąco.

Skład chemiczny:

• Węgiel 0,25 – 0,60%

• Dodatki stopowe: Cr do 5,5%, Mo do 3,2%, V do 2,1%,

Si do 1,0%, w niektórych gatunkach Ni do 2%, W do 9,5%,

Co ok.4,5%

Przeznaczenie:

• Stale średniostopowe mają lepszą przewodność cieplną niżwysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięćwskutek zmęczenia cieplnego. Stosuje się je do wyrobu matryc kuźniczych, kowadeł do pras i młotów. Z uwagi na duże naciski i wstrząsy w czasie kucia muszą wykazywać dostateczną twardość i dużą ciągliwość.

• Stale wysokostopowe stosowane są na matryce do pras i formy do odlewów pod ciśnieniem, gdzie kontakt gorącego materiału jest stosunkowo długi i silniejsze nagrzewanie powierzchni narzędzia, przy spokojniejszych warunkach pracy. W, Mo i V hamują spadek twardości przy odpuszczaniu.

Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco

• Hartowanie i wysokie odpuszczanie (temperatura wyższa od

temperatury pracy narzędzia)

•Temperatura austenityzacji: stale średniostopowe 1010 - 1040°C,

wysokostopowe 1120 - 1150°C. Nagrzewanie dużych narzędzi prowadzi się stopniowo z małymi szybkościami, a czas

austenityzacji narzędzi o dużych wymiarach może dochodzić do

kilku godzin. Chłodzenie w oleju lub powietrzu. Struktura stali po

hartowaniu to martenzyt z niewielką ilością austenitu szczątkowego i

węglikami stopowymi nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji.

• Odpuszczanie stali średniostopowych 500 – 550°C,

wysokostopowych w 600°C ma na celu uzyskanie dobrej udarności i odporności na odpuszczające działanie ciepła. Struktura po

odpuszczaniu to martenzyt odpuszczony, węgliki drobnodyspersyjne wydzielone podczas odpuszczania i większe

węgliki, nie rozpuszczone podczas austenityzacji.

Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: a) stopowych do pracy na gorąco, b)

szybkotnących

Stale narzędziowe szybkotnące PN-EN ISO 4957:2004

Stale szybkotnące stosowane są na narzędzia skrawające pracujące w bardzo ciężkich warunkach; dużych szybkościach skrawania i dużych przekrojach wióra, dzięki zdolności zachowania twardości, odporności na ścieranie do temperatury 600°C oraz zależnych od nich własności tnących stali.

Gatunek Odpowied-

nik wg PN Średnia

zawartość węgla

Dodatki

stopowe

%

Temperatura

hartowania

°C

Temperatura

odpuszczania

°C

Twardość po obróbce

cieplnej

HRC

HS18-0-1

HS6-5-2

SW18

SW7M

0,80

0,85

W 18,0 V

1,1 Cr 4,0

W 6,3 Mo

5,0 V 1,0

Cr 4,0

1260

1220

560

560

63

65

Skład chemiczny:

• Węgiel 0,77 – 1,40%

• Dodatki stopowe: W do 18%, Mo do 8,7%, V do 4%,

Cr do 4%; w kilku gatunkach stali Co do 10%

Wysoki udział węgla jest niezbędny do utworzenia węglikówstopowych. Zawartość węgla jest tak dobrana, aby w stanie wyżarzonym związać w węglikach prawie całkowicie pierwiastki stopowe – Mo, W, V i Cr, a w temperaturze austenityzowania do hartowania część rozpuścić (nasycić austenit i zwiększyćhartowności stali) i część pozostawić w celu zwiększenia odporności na ścieranie.

Znaczna zawartość pierwiastków węglikotwórczych zapewnia: zachowanie drobnego ziarna w stali przy hartowaniu z wysokich temperatur, wysoką hartowność, twardość wtórną przy odpuszczaniu w 500-600ºC oraz zachowanie wysokiej twardości do 500-600ºC. Kobalt – pierwiastek, który nie tworzy węglików zwiększa przewodność cieplną stali, wskutek czego narzędzia mogą skrawać z większą szybkością.

Stale szybkotnące należą do stali ledeburytycznych, tzn. w

stanie odlanym i powolnym chłodzeniu mają strukturę

złożoną z drobnego perlitu, węglików wtórnych i ledeburytu

- eutektyki przemienionej – w skład której wchodzi perlit

drobny, węgliki pierwotne i wtórne. Po wyżarzaniu

ujednorodniającym wlewek poddaje się kuciu (lub

walcowaniu) w zakresie temperatur 1100 do 900°C celem

rozbicia ledeburytycznej siatki węglików. Co najmniej

ośmiokrotne zmniejszenie przekroju wlewka jest niezbędne

dla obniżenia stopnia segregacji węglików. Segregacja

węglików podlega ścisłej kontroli w oparciu o wzorce

zawarte w normach, ponieważ w końcowym efekcie

decydują one w dużym stopniu o zużywaniu narzędzia i

jego jakości.

Obróbka cieplna stali szybkotnących

Po obróbce plastycznej półwyroby ze stali szybkotnącej podlegająwyżarzaniu zmiękczającemu w temperaturze 800 - 850°C przez ok. 10 godz. Zapewnia ono zmniejszenie twardości poniżej 300HV i dobrą obrabialność dzięki równomiernemu rozłożeniu węglików , w osnowie ferrytu stopowego. Gotowe narzędzia hartuje się i odpuszcza.

Schemat obróbki cieplnej stali szybkotnącej

• Podgrzewanie stopniowe z uwagi na małą przewodność cieplną

•Temperatura austenityzowania około 1280°C, co umożliwia

rozpuszczenie takiej ilości węglików w austenicie aby został on

nasycony pierwiastkami stopowymi i węglem dla zwiększenia hartowności, a jednocześnie pozostawienie części węglików nie

rozpuszczonych, które zahamują rozrost ziaren austenitu

•Chłodzenie stopniowe w kąpieli solnej lub oleju o temperaturze ok.

550°C i następnie w spokojnym powietrzu. Struktura stali po

hartowaniu: martenzyt z austenitem szczątkowym (ok. 30%) i

nierozpuszczone podczas austenityzowania węgliki

• Dwukrotne odpuszczanie w temperaturze od 550 ÷ 600°C przez 2

godz. z chłodzeniem w powietrzu. Podczas pierwszego

odpuszczania z martenzytu i austenitu szczątkowego wydzielają siędrobnodyspersyjne węgliki, a podczas chłodzenia następuje

przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt hartowania. Drugie

odpuszczanie ma na celu usunięcie kruchości martenzytu hartowania

i dalsze obniżenie udziału austenitu szczątkowego.