STAL

— 18 —

wrzesień-październik 2006 r.

Własności i pomiary

c.d. artykułu: Nie bójmy się mówić "nie wiem" (numer 7-8/06)

Z

bigniew

w

nęk

T

wardość

Pojęcie twardości każdy z nas in-

tuicyjnie rozumie, ale dla technicznego

zdefiniowania nie jest ono łatwe. Jest to

w zasadzie własność powierzchniowa.

Polega ona na odporności powierzch-

ni na odciśnięcia lub zarysowania in-

nym narzędziem lub materiałem, nie-

koniecznie nawet twardym. Nawet

narzędzia tkackie ulegają stopniowo

zniszczeniu wskutek przeciągnięcia

przez nie kilometrów zwykłej nici, gdyż

twardość jest bezpośrednio związana

z odpornością na ścieranie. Najprostszą

skalę twardości materiałów można wy-

znaczyć według zasady: twardszy pozo-

stawia zarysowanie na mniej twardym.

Nie jest to jednak dobra inżynierska de-

finicja. Piła do metalu przecina gwóżdź,

śladu tej operacji na niej nie widać, ale

jednak, po pewnym czasie, piła zużywa

się.

Najtwardszą znaną substancją jest

diament. Stąd pochodzi – obok wy-

sokiej zdolności do załamania i roz-

szczepienia światła – jego wartość ju-

bilerska: klejnoty nie tracą połysku.

Najwięcej diamentu zużywa się jednak

dla celów przemysłowych, np. na koń-

cówki do wierteł w poszukiwaniach

ropy, gazu itp., jako środek polerski w

postaci pasty itp. Twarde bywają róż-

ne tlenki, azotki, węgliki i inne ma-

teriały ceramiczne. Np. bardzo twardy

jest Al

2

O

3

, znany także w jubilerstwie

jako rubin, ametyst (specyficzne za-

barwienie tych kamieni szlachetnych

pochodzi z dodatku innych tlenków),

i tak np. wspomnijmy, iż korund uży-

wany bywa na szkiełka eleganckich ze-

garków – albowiem zwykłe szkło lub

tworzywo zarysowywuje się po pew-

nym czasie i traci połysk. Czarne pa-

piery ścierne są pokryte ziarnami wę-

glika krzemu SiC (karborund); w uży-

ciu są też papiery o odcieniu różowym,

pokryte korundem Al

2

O

3

– Tych kilka

ogólnych uwag miało nam przybliżyć

pojęcie twardości.

Dalsze przybliżenie da nam kilka

uwag o metodach pomiaru. Jest ich kil-

ka, stosowanych zależnie od twardości

materiału. Badania wykonuje się na

przyrządzie zwanym twardościomie-

rzem, który daje wynik wymagający

przeliczenia na konkretną wartość lub

automatycznie podaje wynik pomiaru,

wedle określonego symbolu. Badania

– w większości – polegają na wciskaniu

w metal wgłębnika (stalowego, węgli-

kowego, diamentowego) w postaci kul-

ki stalowej lub węglikowej (metoda Bri-

nella, oznaczenie HB); stożka (metoda

Rockwella, – podstawowe oznaczenie

HRC, ale też niekiedy dla bardzo twar-

dych materiałów HRA lub – dla stosun-

kowo miękkich – HRB); ostrosłupa w

kształcie czworokątnej piramidy (me-

toda Vickersa, oznaczenie HV). Aparat

powoduje wciskanie (z określoną siłą)

wgłębnika w matetriał i pozostawia na

nim wgłębienie, z którego rozmiarów

wnioskujemy o twardości.

W metodzie Brinella wielkość HB

jest ilorazem obciążenia i powierzchni

odcisku. Podaje się ją – podobnie jak

inne twardości – w postaci bezwymia-

rowej liczby, np. HB 400. Dla większych

twardości HB trzeba zastosować kulkę

węglikową, względnie inną metodę po-

miaru, np. Vickersa.

W metodzie Vickersa wgłębnikiem

jest piramidalny ostrosłup diamentowy,

a wielkość HV określa się podobnie jak

w metodzie Brinella. Tą metodą moż-

na nawet mierzyć twardość węglików,

zachowując jednak ostrożność, aby nie

uszkodzić diamentowego wgłębnika.

Z tego powodu pomiar twardości wę-

glików jest dość trudny.

W metodzie Rockwella wgłębni-

kiem jest stożek diamentowy. Tak jak

w innych metodach, wartość HRC jest

bezwymiarowa: podaje się tylko sym-

bol HRC i liczbę. Metoda ta jest przy-

datna dla twardych stali (np. hatrowa-

nych); dla twardości poniżej 160 HB

nie można określić HRC, dlatego sto-

suje się odmianę Rockwella HRB, gdzie

rolę wgłębnika pełni kulka z hartowa-

nej stali..

Spośród innych metod warto wy-

mienić – najwcześniej wprowadzoną

-próbę Mohsa, polegającą na zarysowa-

niu jednego materiału drugim, z cze-

go powstała dość nieprecyzyjna skala

twardości, w zasadzie już nieużywana

Niekiedy stosuje się prosty pomiar tzw.

młotkiem Poldiego, który podaje war-

tości HB: metoda jest szybka, ale nie-

dokładna. O innych metodach nie bę-

dziemy tu wspominać, ponieważ w

praktyce przemysłowej się nie spraw-

dziły i nie są stosowane.

Pomiarami twardości powinno się

zajmować wyspecjalizowane labora-

torim, natomiast technolog powinien

ogólnie orientować się w metodach po-

miarowych i rozumieć znaczenie war-

tości liczbowych. podawanych przez

producenta według różnych metod.

Gatunki stali odznaczają się bardzo

zróżnicowaną twardością. Wspomnij-

my na wstępie kilka ogólnych reguł.

Wzrost zawartości węgla w stali zwięk-

sza twardość: stale miękkie, tłoczne,

podatne na zaginanie, wyoblanie itp. są

z zasady niskowęglowe. Dodatki stopo-

we mogą prowadazić do wzrostu twar-

dości, ale nie muszą, przykładem są sta-

le kwasoodporne. Tym niemniej, bez

dodatków stopowych nie da się osią-

gnąć bardzo wysokiej twardości, cha-

rakterystycznej np. dla stali narzędzio-

wych. Wynika to z faktu, że na twardość

silnie wpływa struktura stali, np. drob-

ne ziarno, mikroskopowe wydzielenia

STAL

— 19 —

STAL

Metale & Nowe Technologie

cząstek węglików, azotków itp. oraz

różne formy strukturalne – których tu

opisywać nie będziemy – jak np. mar-

tenzyt, struktura powstająca w wyni-

ku hartowania. Wspomnijmy tylko, że

obecność w stali drobnodyspersyjnych

węglików i azotków względnie związ-

ków międzymetalicznych – prowadzi

do wzrostu twardości. Dlatego stale na-

rzędziowe, np. tzw. szybkotnące, za-

wierają dodatki stopowe zwłaszcza W

i Mo – tworzące węgliki, umacniające

mikrostrukturę.

Przy wytwarzaniu konstrukcji sta-

lowych twardość nie ma na ogół więk-

szego znaczenia, a konkretne wartości

nie są ani wymagane ani podawane w

atestach. Sprawa wygląda inaczej w bu-

dowie różnych maszyn i urządzeń na-

rażonych na ścieranie. Przykładem

mogą być skrzynie samochodów cięża-

rowych lub wagonów do transportu ka-

mienia, piasku, węgla itp.; rynny i rury

do transportu materiałów sypkich lub

szlamów; ściany komór do piaskowa-

nia; różnego rodzaju elementy maszyn

np. maszyn drogowych, spychaczy, ko-

parek, maszyn górniczych, rolniczych

i leśnych. Typowym materiałem do wy-

twarzania tych elementów są twarde,

odporne na ścieranie blachy, rzadziej

rury lub profile.

Twardość stali węglowych lub nisko-

stopowych mieści się ogólnie w grani-

cach 130-250 HB, zależnie zwłaszcza od

zawartości C lub dodatków stopowych.

Dla orientacji można powiedzieć, że im

stal bardziej wytrzymała, tym bardziej

twarda. I tak, popularny gatunek kon-

strukcyjkny 18G2A wg PN (S355 wg

EN), jest twardszy od St3S (S235). Jest

to jednak tylko orientacyjna reguła i nie

zalecamy się nią rutynowo posługiwać.

Użytkownik, który istotnie potrze-

buje blachy odpornej na ścieranie, po-

winien zaopatrzyć się w gatunek sta-

li specjalnie do tego celu przeznaczony.

Nie będzie opłacalne zastosowanie

zwykłej blachy, ponieważ ulegnie ona

szybkiemu zużyciu, a koszty remontów

i wymiany pogorszą opłacalność naszej

pracy. W zakresie blach trudnościeral-

nych, producenci oferują liczne gatunki

firmowe. W Polsce bardzo popularny

jest szwedzki HARDOX, ale na rynku

są też oferowane inne analogiczne ga-

tunki firmowe jak PAS, CR, BRINAR,

FORA, DILLIDUR. Zamawiając kon-

kretny gatunek firmowy, użytkownik

powinien żądać oryginalnej ulotki lub

prospektu, skąd uzyska dokładną in-

formację na temat własności, sposo-

bów obróbki, warunków spawania itp.

Należy się dokładnie stosować do fir-

mowych zaleceń, aby nie zepsuć ma-

teriału. Odradzamy zakupy blach nie-

określonego firmowego pochodzenia.

Zazwyczaj po nazwie podawana jest

wartość HB, przy czym typowe war-

tości wynioszą HB250, 300, 400 i z re-

guły nie więcej niż HB500. Grubości

tych blach nie przekraczają generalnie

20 mm.

Problem twardości nabiera innego

znaczenia w odniesieniu do stali na-

rzędziowych. Pod pojęciem narzędzia

należy tu rozumieć elementy służące

do obróbki innych materiałów, a więc

nożyce i noże, piły, wiertła, frezy, stem-

ple, matryce, walce, ciągadła, elementy

skrawające itp.; także zwykłe narzędzia

jak młotki, obcęgi, siekiery. Są to za-

zwyczaj stale stopowe, aczkolwiek nie-

kiedy jako narzędziowe określa się

również stale węglowe o wysokiej za-

wartości C, powyżej ok. 0,6%. Wszyst-

kie tego typu stale są hartowane i od-

puszczane. Twardość stali węglowych

narzędziowych jest na poziomie 50-60

HRC, w przypadku stali stopowych

osiąga ok. 70 HRC.

Wspomnieć tu należy, iż na niektóre

narzędzia, zwłaszcza skrawające i wier-

tła, stosuje się spieki węglikowe na ba-

zie WC/TiC/VC/TaC/MoC, wiązane

kobaltem w ilości kilku procent (ko-

balt nie tworzy węglików i dlatego na-

daje się szczególnie jako materiał wią-

żący; gdybyśmy zamiast Co zastosowali

np. Fe, żelazo odbierze węgiel i utwo-

rzy mało wytrzymały węglik Fe3C; z tej

przyczyny stosuje się – w skrajnych za-

stosowaniach – jako metal wiążący pla-

tynę). Narzędzia są prasowane w matry-

cach, a następnie spiekane w wysokich

temperaturach, z regułu w redukcyjnej

atmosferze wodoru. Znanym każdemu

zastosowaniem spieków węglikowych

są końcówki wierteł do betonu. Wy-

soką twardość tych spieków mierzy się

zazwyczaj w jednostach HRA. Ich wadą

jest stosunkowo niska udarność. Naj-

lepszą udarność mają spieki na bazie

węglika wolframu, ale ponieważ wol-

fram jest drogi, istnieje tendencja do

(częściowego przynajmniej) zastąpie-

nia go innymi węglikami. Wchodzą też

do użytku spieki ceramiczne, zwłaszcza

na bazie korundu lub niektórych azot-

ków, ale tu problemy z kruchością są

jeszcze większe (rozwiązanie problemu

zmierza ku użyciu jak najmniejszych,

nanometrowych cząstek i wiązanie ich

możliwie plastycznym materiałem me-

talicznym).

Wspomnijmy, na koniec, iż często

stosowane są metody powierzchniowej

obróbki stali, zmierzające do wzrostu

twardości powierzchni. Tu należy wy-

mienić nawęglanie wraz z hartowaniem

powierzchniowym, azotowanie lub też

napylanie narzędzi twardymi warstwa-

mi węglikowymi lub azotkowymi. Po-

pularne jest napylanie azotkiem tytanu

TiN, dającym ponadto estetyczną i nie-

korodującą złocistą barwę. Trwałość

tych warstw jest jednak, z natury rze-

czy, ograniczona. Tym niemniej, współ-

czesna technologia dokonuje w tym za-

kresie ogromnych postępów. Kogo

ten problem specjalnie interesuje, po-

winien go śledzić na bieżąco, najlepiej

przez udział w targach, seminariach itp.

Bywa tak, że więcej dowiemy się z naj-

nowszych prospektów firmowych, niż

z częściowo zdezaktualizowanych pod-

ręczników. Postęp wiedzy i technologii

jest coraz szybszy, wiele firm prowadzi

własne badania i wprowadza własne

firmowe produkty, wobec czego trady-

cyjny podręcznik nie jest w stanie na-

dążyć za tymi zmianami.

q

c.d. w wydaniu 11-12/06