POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAŁACH II

(TWORZYWA METALICZNE)

ĆWICZENIA LABORATORYJNE

Temat ćwiczenia:

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH

Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, właściwościami i
zastosowaniem stali narzędziowych.


Wstęp

Stale narzędziowe są przeznaczone do wyrobu narzędzi do kształtowania lub

skrawania materiału, pracujących w temperaturach do 600°C, oraz do wyrobu
narzędzi pomiarowych i sprawdzianów pracujących w temperaturze otoczenia.
Narzędzie musi być twardsze od obrabianego materiału i odporne na ścieranie.
Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą
węgliki złożone typu M

23

C

6

i M

6

C, tzn. chrom, wolfram, molibden.

Z punktu widzenia zastosowania stale narzędziowe klasyfikuje się następująco:

• stale zwykłe węglowe

• stale stopowe do pracy na zimno

• stale stopowe do pracy na gorąco

• stale szybkotnące

Stale narzędziowe zwykłe

Stale narzędziowe zwykłe, przeznaczone na narzędzia pracujące w temperaturach

do 200°C produkowane są jako uspokojone najwyższej jakości w dziewięciu
gatunkach o zawartości C od 0,55% do 1,35% oraz w dwóch odmianach: płytko
hartujące się (N7E ÷ N13E) i głęboko hartujące się (N5 ÷ N13)*.
Stale narzędziowe zwykłe stosuje się do wyrobu narzędzi pracujących z małymi
prędkościami skrawania, przy czym zastosowanie stali głęboko hartujących się nie
podlega ograniczeniom, natomiast stale płytko hartujące się są przeznaczone na
narzędzia o przekroju mniej niż 20 mm. Zastosowanie wybranych stali
narzędziowych węglowych przedstawiono w tabeli 1.

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

1

Stal N11 normalizowana w 900°C i zmiękczona
w 750°C/5h; cementyt ziarnisty w ferrycie;
replika; 25000x

Stal N11 normalizowana w 900°C; perlit z
nielicznymi skoagulowanymi ziarnami cementytu
wtórnego; replika; 25000x

Tabela 1. Zastosowanie i twardość wybranych stali narzędziowych węglowych

Gatunek %C

Twardość w

stanie

hartowanym

HRC

Zastosowanie

N5* 0,55 58

Młoty, siekiery, narzędzia ślusarskie, części
chwytowe narzędzi ze stali stopowych

N8E, N8*

0,8

61

Narzędzia pneumatyczne, do obróbki miękkiego
kamienia i drewna, duże noże do nożyc, wykrojniki

N11E, N11*

1,1

62

Wiertła, frezy, rozwiertaki, gwintowniki, narzędzia do
walcowania gwintu i wyrobu gwoździ, kły tokarskie,
noże krążkowe, wykrojniki

N13E, N13*

1,3

63

Narzędzia skrawające z małą szybkością, piłki do
metali, skrobaki, pilniki, narzędzia grawerskie,
brzytwy, ciągadła, małe matryce i wykrojniki

* Oznaczenia wg PN-84/H-85020

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno przeznaczona jest na narzędzia

pracujące w temperaturach do 200 ÷ 250°C. Zasadniczym składnikiem stali jest Cr
ewentualnie z dodatkiem W, V, lub Mo. Gatunki średniowęglowe (0,4 ÷ 0,6 %C) o
większej ciągliwości używane są na narzędzia pracujące przy obciążeniach
dynamicznych, a wysokowęglowe (powyżej 0,75 %C) – na narzędzia silnie
obciążone statycznie oraz na narzędzia skrawające z małymi prędkościami. Skład
chemiczny i zastosowanie wybranych stali narzędziowych do pracy na zimno
przedstawiono w tabeli 2.

Ze względu na właściwości i zastosowanie wyróżnia się następujące grupy stali

stopowych do pracy na zimno:

• Pierwsza grupa obejmuje stale średniowęglowe (ok. 0,5 %C) zawierające 1 ÷

1,5 %Cr, 0,5 ÷ 2,0 %W z dodatkiem V lub Ni, ciągliwe i odporne na uderzenia,
o twardości po obróbce cieplnej 50 ÷ 55 HRC.

• Do drugiej grupy zalicza się stale wysokowęglowe (0,75 ÷ 1,5 %C),

zawierające ok. 0,5 %Cr z dodatkiem W lub V. W stanie zahartowanym mają
odporną na ścieranie strukturę martenzytyczną z udziałem węglików.

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

2

• Trzecia grupa obejmuje stale wysokowęglowe (ok. 1 %C) z podwyższoną

zawartością Mn 1 ÷ 2 % i dodatkami Cr, W, V, odznaczające się stabilnością
wymiarów po obróbce cieplnej. Udział 10 ÷ 15 % austenitu szczątkowego w
strukturze stali zahartowanej częściowo kompensuje wzrost objętości
wywołany przemiana martenzytyczną. Po odpuszczaniu, częściowo
przemieniony austenit szczątkowy równoważy zmniejszenie objętości
martenzytu, co w rezultacie zapewnia minimalne zmiany wymiarowe.

• Czwarta grupa obejmuje ledeburytyczne, wysokowęglowe (1 ÷ 2 %C) stale

wysokochromowe (5 albo 12 %Cr), ewentualnie z dodatkami W, Mo i V.

Stal NC10 hartowana z 900°C w oleju i
odpuszczana w 500°C/1,5h; martenzyt
odpuszczony w wyraźnie zaznaczonej
podstrukturze blokowej fazy

α

z drobnymi

oraz dużymi węglikami; 15000x

Stal NC10 hartowana z 950°C w oleju i
odpuszczona w 700°C/1,5h; sorbit – węgliki
stopowe o zmiennej wielkości w osnowie fazy

α

; 15000x

Tabela 2. Skład chemiczny i zastosowanie wybranych stali narzędziowych stopowych do pracy

na zimno

Średni skład chemiczny %

Gr Gatunek

C Mn Si Cr W V

Zastosowanie

I

NZ2* 0,45 0,30 0,95 1,05 1,90 0,22

Narzędzia pneumatyczne, przecinaki, dłuta,
zagłowniki, przebijaki

II NC5* 1,37 0,30 0,27 0,55 -

-

Narzędzia chirurgiczne, narzędzia
grawerskie, brzytwy, pilniki, kółka do cięcia
szkła

III NMWV 0,95 1,15 0,27 0,55 0,55 0,17

Narzędzia pomiarowe, piłki do metali,
wykrojniki

IV NC11* 1,95 0,30 0,27 12,0 -

-

Narzędzia wysokowydajne do cięcia,
narzędzia do głębokiego tłoczenia, rolki do
profilowania i wywijania kołnierzy

* Oznaczenie wg PN-86/H-85023

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco przeznaczone są na narzędzia

pracujące w temperaturze do 600°C, przy dużych naciskach statycznych albo
dynamicznych. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki
plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie
wysokiej temperatury. Powinny mieć więc możliwie dużą twardość, utrzymującą się

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

3

w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych
muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość, którą spełnia zawartość 0,3 ÷ 0,6
%C. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i
odporność na zmęczenie cieplne. Skład chemiczny i zastosowanie wybranych stali
narzędziowych do pracy na gorąco przedstawiono w tabeli 3.

Ze względu na właściwości i zastosowanie wyróżnia się następujące grupy stali:

• Stale o zawartości 0,3 ÷ 0,4 %C z dodatkami Cr, V, W lub Mo. Przeznaczone

są na narzędzia silnie obciążone i narażone na kontakt z gorącym metalem
przez dłuższy czas.

• Stale o zawartości 0,3 ÷ 0,6 %C z dodatkami Cr i Mo, ewentualnie V lub Ni,

przeznaczone na narzędzia podlegające obciążeniom udarowym, stykające się z
gorącym metalem przez stosunkowo krótki czas.

Stal WNL hartowana z 880°C w wodzie i
odpuszczana w 350°C/1h; martenzyt
odpuszczony z węglikami wydzielonymi na
granicy igieł i bloków; replika ekstrakcyjna;
10000x

Stal WNL hartowana z 880°C w wodzie i
odpuszczana w 650°C/1h; sorbit-
skoagulowane wydzielenia cementytu
stopowego, w osnowie fazy

α

; replika

ekstrakcyjna; 20000x

Tabela 3. Skład chemiczny i zastosowanie wybranych stali narzędziowych stopowych do

pracy na gorąco

Średni skład chemiczny %

Zastosowanie

Gr Gat.

C Mn Si Cr Mo

V inne

WWV* 0,30 0,37 0,27 2,75 -

0,4 9,0 W

Wysoko obciążone matryce, formy
do odlewów ciśnieniowych,
ciągadła na gorąco

I

WCL* 0,38 0,35 1,00 5,00 1,35

0,4

-

Formy do odlewów pod
ciśnieniem, wkładki matrycowe

WNL* 0,55 0,65 0,27 0,65 0,20

-

1,6 Ni

Matryce kuźnicze, kowadła,
stemple, wkładki matrycowe

II

WLK* 0,35 0,37 0,45 2,75 2,75

0,5 3,0 Co

Stemple do szybkobieżnych
maszyn

* Oznaczenia wg PN-86/H85021

Stale szybkotnące

Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi

prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temperaturze 550 ÷ 600°C.

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

4

Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego oraz
obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania
wydzieleniowego. Zawierają one znaczna ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą
nawet do 30%.

Stale szybkotnące należą do typu ledeburytycznego. W stanie lanym mają

mikrostrukturę złożoną z ferrytu i siatki węglików stopowych. Po ujednorodnieniu,
przekuciu wlewka (1100 ÷ 900°C) kruszy siatkę węglików, a następnie wyżarzanie
zmiękczające (800 ÷ 840°C przez 10h) powoduje równomierne rozłożenie
sferoidalnych węglików w osnowie ferrytu stopowego.

W stali szybkotnącej Cr zapewnia drobnoziarnistość i hartowność oraz tworzy

węgliki łatwo rozpuszczalne w austenicie (900°C). W, Mo i V powiększają
hartowność, hamując przemiany odpuszczania stabilizują twardość w
podwyższonych temperaturach i wywołują twardość wtórną. Kobalt występujący w
roztworze stałym, polepsza właściwości skrawne i mechaniczne w podwyższonych
temperaturach. Skład chemiczny i twardość wybranych stali szybkotnących
przedstawiono w tabeli 4.

Stal SW18 hartowana z 1280°C w oleju;
martenzyt z austenitem szczątkowym oraz
węglikami (W) nie rozpuszczonymi podczas
austenityzowania; brak wyraźnej granicy faz:
martenzyt – austenit szczątkowy; replika;
25000x

Stal SW18 hartowana z 1280°C w oleju i
odpuszczana 3-krotnie w 550°C/1h; martenzyt
odpuszczony z dyspersyjnymi wydzieleniami
węglików na granicach igieł i bloków;
replika; 24000x

Tabela 4. Skład chemiczny i twardość wybranych stali szybkotnących

Średni skład chemiczny %

Gatunek

C Cr W V Mo Co

Twardość po

hartowaniu i

odpuszczaniu

HRC

SW18* 0,8 4,0 18,0 1,2 -

-

64

SW2M5*

0,95 4,0 1,8 1,3 5,0 -

64

SK5M*

0,9 4,0 6,4 1,9 4,9 5,0

65

SK10V*

1,2 4,0 10,0 3,0 3,3 10,0

66

* Oznaczenia wg PN-86/H-85022

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

5

Wykonanie ćwiczenia.

Ćwiczenie obejmuje identyfikację, narysowanie i opisanie mikrostruktury próbek

wskazanych przez prowadzącego zajęcia. Na rysunkach mikrostruktur należy
zaznaczać składniki strukturalne.

Pytania kontrolne:

• Jakie są wymagania stawiane stalom narzędziowym?

• Jaki jest podział stali narzędziowych?

• Zasada znakowania stali narzędziowych wg PN i PN-EN

• Właściwości i zastosowanie stali narzędziowych do pracy na zimno

• Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno

• Właściwości i zastosowanie stali narzędziowych do pracy na gorąco

• Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco

• Jaka jest różnica składu chemicznego stali narzędziowych do pracy na zimno i

do pracy na gorąco?

• Co to są stale szybkotnące?

• Składniki stali szybkotnących i ich znaczenie

• Struktura stali szybkotnących po odlaniu i po obróbce plastycznej

• Obróbka cieplna stali szybkotnących

Literatura:

1. S. Prowans: „Metaloznawstwo” PWN; Warszawa 1986
2. K. Przybyłowicz: „Metaloznawstwo” Wydawnictwo Naukowo-Techniczne;

Warszawa 1994

3. L. A. Dobrzański: „Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach”

Wydawnictwo Naukowo-Techniczne; warszawa 1996

4. A. Barbacki: „Metaloznawstwo dla mechaników” Wydawnictwo Politechniki

Poznańskiej; Poznań 1998

5. PN-84/H-85020 – Stal węglowa narzędziowa
6. PN-86/H-85021 – Stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco
7. PN-86/H-85023 – Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno
8. PN-86/H-85022 – Stal szybkotnąca

STRUKTURY STALI NARZĘDZIOWYCH – ćwiczenia laboratoryjne

6