STALE NARZĘDZIOWE
Stale narzędziowe - stopy przeznaczone na narzędzia tj. przedmioty służące do rozdzielania i rozdrabniania materiałów bądź nadawania kształtu przez obróbkę skrawaniem lub przez przeróbkę plastyczną, 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 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 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 muszą posiadać 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, odporność na 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 obejmują sześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,45 do 1,20% Gatunek C45U C70U C80U C90U C105U C120U Odpowiednik wg PN brak N7(E) N8(E) N9(E) N10(E)/N11(E) N12(E) Tabl. 1. Stale narz dziowe niestopowe Średnia Temperatura zawartość hartowania węgla C % 0,45 0,70 0,80 0,90 1,05 1,20 810 800 790 780 780 770 Temperatura odpuszczania C 180 Twardość po obróbce cieplnej HRC 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 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. 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 Ac 3 (stale podeutektoidalne) a powyżej linii Ac 1 (stale eutektoidalne i nadeutektoidalne) Chłodzenie w wodzie Struktura po hartowaniu: martenzyt (stal podeutektoidalna i eutektoidalna), martenzyt z kulkowym cementytem drugorzędowym (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-Fe 3 C 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).
Niektóre gatunki stali Gatunek 102Cr6 95MnCrV8 X100CrMoV5 X210Cr12 Odpowiednik wg PN brak brak brak NC11. Stale narz dziowe stopowe do pracy na zimno Średnia Dodatki Temperatura zawartość stopowe hartowania węgla % C 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 Temperatura odpuszczania C 180 Twardość po obróbce cieplnej HRC 60 60 60 62
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 dobrą odporność 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 dużą hartowność, 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 naprężeń cieplnych Austenityzowanie w temperaturach 30-50 C powyżej linii Ac 1 (stale nadeutektoidalne), powyżej linii Ac cm (stale ledeburytyczne). W stalach nadeutektoidalnych podczas austenityzowania węgliki wtórne pozostają nie rozpuszczone, 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 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. Niektóre gatunki stali Gatunek 32CrMoV12-28 X40CrMoV5-1 50CrMoV13-15 Odpowiednik wg PN WLV WCLV brak Średnia zawartość węgla 0,32 0,40 0,50 Dodatki stopowe % 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 Temperatura hartowania C 1040 1020 1010 Temperatura odpuszczania C 550 550 510 Twardość po obróbce cieplnej HRC 46 50 56
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 niż wysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięć wskutek 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: staleśredniostopowe 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 HS18-0-1 HS6-5-2 Odpowiednik wg PN SW18 SW7M Średnia zawartość węgla 0,80 0,85 Dodatki stopowe % W 18,0 V 1,1 Cr 4,0 W 6,3 Mo 5,0 V 1,0 Cr 4,0 Temperatura hartowania C 1260 1220 Temperatura odpuszczania C 560 560 Twardość po obróbce cieplnej HRC 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 węglików stopowych. 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 zwiększyć hartowności 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 podlegają wyżarzaniu 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 się drobnodyspersyjne 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.