STALE NARZĘDZIOWE (opracowanie dr Maria Głowacka) I. Ogólna charakterystyka Wysoka twardość Odporność na zużycie ścierne Odpowiednia hartowność

Transkrypt

1 STALE NARZĘDZIOWE (opracowanie dr Maria Głowacka) I. Ogólna charakterystyka Stale narzędziowe są stopami przeznaczonymi na narzędzia tj. przedmioty służące do rozdzielania i rozdrabniania materiałów bądź nadawania kształtu przez obróbkę skrawaniem lub przez przeróbkę plastyczną, a także stopami przeznaczonymi na przyrządy pomiarowe używane w masowej produkcji sprawdziany, a ponadto uchwyty, klucze itp. Różnorodność warunków pracy narzędzi stwarza konieczność zróżnicowania wymagań stawianych stalom narzędziowym, jednakże we wszystkich przypadkach zawsze dąży się do osiągnięcia największej trwałości narzędzia. Stalom narzędziowym stawiane są następujące podstawowe wymagania: Wysoka twardość (najczęściej ponad 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 własności mechanicznych na przekroju narzędzia Odporność na odpuszczające działanie podwyższonych temperatur, tj. zdolność do zachowania wysokiej twardości i odporności na ścieranie. Dalsze wymagania stawiane stalom są zróżnicowane dla poszczególnych grup narzędzi, jak np.: odporność na pękanie w warunkach cyklicznych zmian temperatury i obciążeń dynamicznych (narzędzia kuźnicze do przeróbki plastycznej na gorąco stali i stopów metali nieżelaznych oraz kokili odlewniczych), stabilność wymiarów (szczególnie istotne w wypadku sprawdzianów i dokładnych narzędzi pomiarowych, odporność na ścieranie i korozyjne oddziaływanie czynników aktywnych chemicznie (narzędzia do przetwórstwa tworzyw sztucznych). Ze względu na duże zróżnicowanie wymagań stawianych narzędziom, stale narzędziowe mają bardzo różnorodny skład chemiczny, obejmują prawie 50 gat. stali należących do 4 grup. Zgodnie z obowiązującą normą PN-EN ISO 4957:2004, wyróżnia się stale: 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 powierzchni narzędzia, która powinna być niższa od 200 dla stali do pracy na zimno, a dla stali przeznaczonych na narzędzia do pracy na gorąco wynosi zwykle powyżej 200. Stale szybkotnące przeznaczone głównie do obróbki skrawaniem i w produkcji formowania mogą nagrzewać się do temperatury 0. Podstawową rolę we wszystkich stalach narzędziowych odgrywa węgiel, który wpływa na twardość stali. W zasadzie stale narzędziowe są wysokowęglowe, tylko niektóre są stalami średniowęglowymi, jeśli muszą posiadać większą odporność na obciążenia dynamiczne. Węgiel i na ogół dość 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 drobno dyspersyjnymi, równomiernie rozmieszczonymi twardymi węglikami, która zapewnia wysoką odporność na zużycie ścierne. Pierwiastki stopowe przede wszystkim zwiększają hartowność, odporność na ścieranie i odporność na odpuszczające działanie ciepła oraz zachowanie twardości w wysokiej temperaturze. Zwiększenie hartowności pozwala jednocześnie na stosowanie podczas hartowania mniej intensywnych środków chłodzących, co zmniejsza zmiany wymiarów i kształtu narzędzi oraz zmniejsza naprężenia i ogranicza możliwość wystąpienia pęknięć hartowniczych. Stale narzędziowe należą do stali o najwyższej czystości metalurgicznej.

2 II. Stale narzędziowe niestopowe Stale narzędziowe niestopowe (dawniej nazywane węglowymi) są stalami do pracy na zimno. Obejmują sześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,42 do 1,25%, tabl. 1. Znak stali niestopowej składa się z litery C, następnie z dwucyfrowej liczby oznaczającej średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta i na ostatniej pozycji litery U oznaczającej przeznaczenie stali na narzędzia. Stale niestopowe ze względu na skład chemiczny posiadają małą hartowność; 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 głębokość warstwy 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. Poza ciągliwym rdzeniem także korzystny rozkład naprężeń własnych (w warstwie wierzchniej martenzytycznej - naprężenia ściskające) kompensuje występujące w czasie pracy naprężenia rozciągające. Stale niestopowe przeznaczone są do wyrobu 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 przeprowadza się w temperaturach powyżej linii Ac 3 (stale podeutektoidalne) a powyżej linii Ac 1 (stale eutektoidalne i nadeutektoidalne). Hartowanie stali niestopowych w wodzie lub solance powoduje wielkie naprężenia w stali i może doprowadzić do odkształceń trwałych (paczenie) oraz pęknięć hartowniczych. Po hartowaniu stal uzyskuje strukturę martenzytyczną, a nadeutektoidalna - martenzytyczną z kulkowym cementytem drugorzędowym. Odpuszczanie przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń, w zasadzie w temperaturze 180, przy czym zostaje zachowana struktura martenzytyczna i wysoka twardość, rys. 1a. III. Stale narzędziowe stopowe Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno W porównaniu ze stalami niestopowymi mają: Zwiększoną hartowność, co daje możliwość produkcji większych narzędzi o bardziej skomplikowanych kształtach, z uwagi na stosowanie podczas hartowania łagodniejszych ośrodków chłodzących (olej, powietrze), Podwyższoną odporność na ścieranie wskutek na występowanie drobno dyspersyjnych węglików pierwiastków stopowych (Cr, Mo, V, W). Przykłady stali stopowych do pracy na zimno (wg PN-EN 4957:2004) zawarto w tabl. 2. Oznaczenia stali składają się z liczby wskazującej na zawartość węgla w setnych częściach procenta, a następnie z symboli pierwiastków chemicznych występujących w składzie stali, w malejącej kolejności ich udziału, na końcu jest liczba, która może wskazywać na udział głównego pierwiastka stopowego. Węgiel zawarty jest w szerokich granicach od 0,3 do 2,3%, a dodatkami stopowymi tych stali są chrom do 17%, molibden do 1,3%, wanad do 1,0%, wolfram do 2,2% i nikiel do 4,3, a także mangan do 2,5 i krzem do 1,0%. Są to w zasadzie stale nisko- i wysokostopowe. Stale niskostopowe o zawartości węgla od 0,30 do 0, mają dobrą odporność na uderzenia i dlatego stosuje się je na takie narzędzia jak: nitowniki, dłuta. Stale wysokostopowe o wysokiej zawartości węgla od 1,45 do 2,30 należą do stali ledeburytycznych, ponieważ po odlaniu występuje w strukturze ledeburyt przemieniony

3 mieszanina eutektyczna węglików pierwotnych, wtórnych i najczęściej drobnego perlitu. Po przeróbce plastycznej i rozbiciu struktury pierwotnej, w osnowie stali występują węgliki pierwotne i wtórne. Stale te mają dużą hartowność, która pozwala 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. Ponadto 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 stopowych do pracy na zimno Narzędzia ze stali stopowych do pracy na zimno przede wszystkim muszą mieć dużą twardość i odporność na ścieranie, dlatego są hartowane i nisko odpuszczane. Nagrzewanie narzędzi ze stali wysokostopowych o skomplikowanych kształtach przeprowadza się kilkustopniowo dla zminimalizowania naprężeń cieplnych. Hartowanie stali nadeutektoidalnych przeprowadza się z temperatur powyżej Ac 1, a ledeburytycznych z temperatur powyżej Ac cm. (W stalach nadeutektoidalnych podczas austenityzowania węgliki wtórne pozostają nie rozpuszczone, a w stalach ledeburytycznych rozpuszczają się w większości węgliki wtórne, a pozostają nie rozpuszczone węgliki pierwotne.) Podczas austenityzacji pozostawia się więc pewną część węglików nie rozpuszczoną, co zwiększa odporność na ścieranie. Odpuszczanie w temperaturze 180 zapewnia wysoką twardość, rys. 1b, struktura składa się z martenzytu listwowego z austenitem szczątkowym i węglikami nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji. Rys.1. Wpływ temperatury na zmiany twardości stali narzędziowych: a) niestopowych, b) stopowych do pracy na zimno Stale narzędziowe do pracy na gorąco Są przeznaczone na narzędzia, których temperatura powierzchni nagrzewa się powyżej 200 i jednocześnie narażone są na częste i nagłe zmiany temperatury, odpuszczające działanie ciepła, duże naciski i ścieranie. Stosowane są m.in. na matryce, narzędzia do wyciskania, walce hutnicze, formy odlewnicze. Stale do pracy na gorąco muszą odznaczać się: Dobrymi własnościami mechanicznymi w podwyższonych temperaturach (wysoką wytrzymałością, twardością, dobrą ciągliwością), a w wypadku dużych wymiarów narzędzi w nich wykonywanych (matryce) muszą mieć dużą hartowność,

4 Dostateczną odpornością 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. Wszystkie gatunki tych stali mają zbliżoną średnią zawartość węgla, w granicach od 0,25 do 0,% i należą do średniostopowych i wysokostopowych, z udziałem chromu (do 5,5%), molibdenu (do 3,2%) i wanadu (do2,1%), krzemu (do 1%), w niektórych gatunkach; wolframu (do 9,5%), kobaltu (ok. 4,5%) i niklu (do 2%). Skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej przedstawiono w tabl. 3. Oznaczenie stali składa się z liczby wskazującej na zawartość węgla w setnych częściach procenta, czasem poprzedzonej literą X, następnie z symboli pierwiastków w kolejności ich udziału, na końcu występuje liczba, lub liczby niekiedy wskazujące na udział pierwiastków. Stale średniostopowe mają lepszą przewodność cieplną niż wysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięć wskutek zmęczenia cieplnego. Stosuje się je do wyrobu matryc kuźniczych, kowadeł do pras i młotów. Stosunkowo krótki czas kontaktu narzędzia z obrabianym materiałem powoduje, że odporność na odpuszczające działanie ciepła, w tym wypadku ma mniejsze znaczenie. Natomiast z uwagi na duże naciski i wstrząsy w czasie kucia muszą wykazywać dostateczną twardość i dużą ciągliwość. Stale wysokostopowe do pracy na gorąco 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. Dodatki stopowe; wolfram, molibden i wanad dają podczas efekt twardości wtórnej lub hamują spadek twardości przy odpuszczaniu. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu. austenityzacji stali średniostopowych wynosi , a wysokostopowych Nagrzewanie do hartowania dużych narzędzi prowadzi się stopniowo z małymi szybkościami, a czas austenityzacji narzędzi o dużych wymiarach może dochodzić do kilku godzin. Chłodzenie przeprowadza się w oleju lub powietrzu. Po hartowaniu stal ma strukturę martenzytu z niewielką ilością austenitu szczątkowego i węglikami stopowymi nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji. Odpuszczanie stali średniostopowych w zakresie , a wysokostopowych w 0 ma na celu zapewnienie dobrej udarności w warunkach pracy i odporność na odpuszczające działanie ciepła. Po odpuszczaniu struktura składa się z martenzytu odpuszczonego, drobnodyspersyjnych węglików wydzielonych podczas i większych skoagulowanych, nie rozpuszczonych podczas austenityzacji. Rys. 2. Wpływ temperatury na zmiany twardości stali narzędziowych: a) stopowych do pracy na gorąco, b) szybkotnących

5 Stale szybkotnące 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 0 oraz zależnych od nich własności tnących stali. Własności stali szybkotnących wynikają ze składu chemicznego oraz obróbki cieplnej, podczas której występuje zjawisko twardości wtórnej, rys. 2b. Wszystkie stale szybkotnące mają wysokie stężenie węgla (0,77 1,4%) i dodatki stopowe przede wszystkim; wolfram - do 18%, molibden - do 8,7%, wanad - do 4%, chrom ok. 4%, a kilka z nich kobalt do 10%. Wysoki udział węgla jest niezbędny do utworzenia węglików, zależnie od dodatków stopowych mogą to być węgliki stopowe typu: M 6 C, M 23 C 6, MC, M 2 C i M 3 C. 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 (dla nasycenia austenitu i zwiększenia hartowności stali) i część pozostawić dla zapobieżenia rozrostu ziarn austenitu i zwiększenia odporności na ścieranie. Rola dodatków stopowych w stalach szybkotnących jest następująca: Chrom zwiększa hartowność, wzmacnia efekt twardości wtórnej, zmniejsza szybkość utleniania, Wolfram i molibden podstawowe dodatki stosowane zamiennie; 1% Mo zastępuje 2% W, opóźniają procesy występujące podczas. Wanad zwiększa odporność na ścieranie, jest najsilniej węglikotwórczym pierwiastkiem wśród pozostałych dodatków stali szybkotnących, węgliki typu MC, bardzo twarde i trwałe w wysokich temperaturach przyczyniają się do efektu twardości wtórnej, rys. 2b, Kobalt zwiększa twardość w podwyższonych temperaturach (ale nie tworzy węglików) oraz jako jedyny zwiększa przewodność cieplną, szczególnie w wysokiej temperaturze wskutek czego narzędzia ze stali z kobaltem mogą skrawać z większą szybkością. Wśród stali szybkotnących można wyróżnić stale wolframowe, molibdenowe i kobaltowe. Z uwagi na własności tnące stale kobaltowe są uważane za najlepsze, o czym zadecydowały względy ekonomiczne, które jednocześnie doprowadziły do ograniczenia stosowania rozpowszechnionej klasycznej stali szybkotnącej HS 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 ujednoradniającym wlewek poddaje się kuciu (lub walcowaniu) w zakresie temperatur 1100 do 900 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 przeróbce plastycznej półwyroby ze stali szybkotnącej podlegają wyżarzaniu zmiękczającemu w temperaturze przez ok. 10 godz. Zapewnia ono zmniejszenie twardości poniżej 300HV i dobrą obrabialność dzięki strukturze równomiernie rozłożonych węglików, których udział objętościowy osiąga 30%, w osnowie ferrytu stopowego. Narzędzia ze stali szybkotnących podlegają hartowaniu i odpuszczaniu, według schematu przedstawionego na rys. 3. Mała przewodność cieplna jest powodem stosowania podgrzewania stopniowego narzędzi do temperatury austenityzowania w kąpielach solnych, z wygrzaniem w ok. 550 i 850. austenityzowania jest bardzo wysoka, około 50 do 70 niższa od temperatury solidusu i wynosi około Umożliwia to rozpuszczenie się takiej ilości węglików w austenicie aby został on nasycony pierwiastkami stopowymi i węglem dla zwiększenia hartowności, a jednocześnie pozostawienie pewnej ilości węglików nie rozpuszczonych, które zahamują rozrost ziarn austenitu.

6 Bardzo ważnym parametrem obróbki jest czas austenityzowania, który wynosi 80 do 150 s i jest niezależny od wielkości narzędzia. Chłodzenie z temperatury austenityzowania odbywa się stopniowo w kąpieli solnej o temperaturze ok. 550 i następnie w spokojnym powietrzu. Większe narzędzia można chłodzić w oleju. Po hartowaniu struktura stali składa się z martenzytu listwowego z austenitem szczątkowym (ok. 30%) oraz węglików nie rozpuszczonych podczas austenityzowania. Odpuszczanie przeprowadza się bezpośrednio po hartowaniu, zwykle dwukrotnie w temperaturze od przez 2 godz. i chłodzi w powietrzu. Najkorzystniejsza jest temperatura wyższa od wykazującej maksymalną twardość wtórną, co daje twardość do ok. 3 HRC wyższą od uzyskanej po zahartowaniu. Podczas pierwszego z martenzytu i austenitu szczątkowego wydzielają się drobnodyspersyjne węgliki, a podczas chłodzenia z temperatury następuje przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt hartowania. Po pierwszym odpuszczaniu struktura stali zawiera więc martenzyt odpuszczony, martenzyt hartowania, węgliki pierwotne i drobnodyspersyjne oraz pozostały austenit szczątkowy. Drugie odpuszczanie ma na celu usunięcie kruchości martenzytu hartowania i dalsze obniżenie udziału austenitu szczątkowego. Po drugim odpuszczaniu struktura stali złożona jest z martenzytu odpuszczonego, węglików pierwotnych i drobnodyspersyjnych oraz śladów austenitu szczątkowego. Oznaczenie stali szybkotnącej składa się z dwóch liter HS i liczb wyrażających procentowy udział pierwiastków stopowych, najpierw wolframu, następnie molibdenu, wanadu i kobaltu. Na końcu znaku może występować litera C, jeśli stal ma podwyższoną zawartość węgla w stosunku do stali o takim składzie. Przykłady gatunków stali narzędziowych; skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej przedstawiono w tabl. 4 Rys. 3. Schemat obróbki cieplnej narzędzi ze stali szybkotnącej HS18-0-1; hartowanie i dwukrotne odpuszczanie z zaznaczeniem procesów występujących w czasie poszczególnych zabiegów oraz zmniejszania się ilości austenitu szczątkowego i wzrostu twardości podczas

7 Przykłady gatunków stali narzędziowych wg PN-EN wraz z odpowiednikami wg PN-84-H-85020, PN-86-H-85023, PN-86-H i PN-86-H dostosowanymi tylko pod względem składu chemicznego C45U C70U C80U C90U C105U C120U Odpowiednik wg PN N7(E) N8(E) N9(E) N10(E)/N11(E) N12(E) Tabl. 1. Stale narzędziowe niestopowe Średnia zawartość hartowania węgla % 0,45 0,70 0,80 0,90 1,05 1, cieplnej HRC Cr6 95MnCrV8 X100CrMoV5 X210Cr12 Odpowiednik wg PN NC11 Tabl. 2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno Średnia Dodatki zawartość stopowe hartowania węgla % 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, cieplnej HRC 62 32CrMoV12-28 X40CrMoV5-1 50CrMoV13-15 Tabl. 3. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco Średnia Dodatki stopowe zawartość % hartowania węgla Odpowiednik wg PN WLV WCLV 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, cieplnej HRC HS HS6-5-2 Odpowiednik wg PN SW18 SW7M Tabl. 4. Stale narzędziowe szybkotnące Średnia Dodatki zawartość stopowe hartowania węgla % 0,80 0,85 W 18,0 V 1,1 Cr 4,0 W 6,3 Mo 5,0 V 1,0 Cr 4, cieplnej HRC 63 65