POLITECHNIKA SZCZECIC
SKA
INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAA
OWEJ
ZAKA
AD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA
PRZEDMIOT: PODSTAWY NAUKI O MATERIAA
ACH II
(TWORZYWA METALICZNE)
ĆWICZENIA LABORATORYJNE
Temat ćwiczenia:
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH
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 materiaÅ‚u, pracujÄ…cych 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 M23C6 i M6C, 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 gorÄ…co
" stale szybkotnÄ…ce
Stale narzędziowe zwykłe
Stale narzędziowe zwykłe, przeznaczone na narzędzia pracujące w temperaturach
do 200°C produkowane sÄ… jako uspokojone najwyższej jakoÅ›ci w dziewiÄ™ciu
gatunkach o zawartości C od 0,55% do 1,35% oraz w dwóch odmianach: płytko
hartujÄ…ce siÄ™ (N7E ÷ N13E) i gÅ‚Ä™boko hartujÄ…ce siÄ™ (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.
1
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne
Stal N11 normalizowana w 900°C i zmiÄ™kczona Stal N11 normalizowana w 900°C; perlit z
w 750°C/5h; cementyt ziarnisty w ferrycie; nielicznymi skoagulowanymi ziarnami cementytu
replika; 25000x wtórnego; replika; 25000x
Tabela 1. Zastosowanie i twardość wybranych stali narzędziowych węglowych
Twardość w
stanie
Gatunek %C Zastosowanie
hartowanym
HRC
Młoty, siekiery, narzędzia ślusarskie, części
N5* 0,55 58
chwytowe narzędzi ze stali stopowych
Narzędzia pneumatyczne, do obróbki miękkiego
N8E, N8* 0,8 61
kamienia i drewna, duże noże do nożyc, wykrojniki
Wiertła, frezy, rozwiertaki, gwintowniki, narzędzia do
N11E, N11* 1,1 62 walcowania gwintu i wyrobu gwoz
dzi, kły tokarskie,
noże krążkowe, wykrojniki
Narzędzia skrawające z małą szybkością, piłki do
N13E, N13* 1,3 63 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
pracujÄ…ce w temperaturach do 200 ÷ 250°C. Zasadniczym skÅ‚adnikiem stali jest Cr
ewentualnie z dodatkiem W, V, lub Mo. Gatunki Å›redniowÄ™glowe (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 Å›redniowÄ™glowe (ok. 0,5 %C) zawierajÄ…ce 1 ÷
1,5 %Cr, 0,5 ÷ 2,0 %W z dodatkiem V lub Ni, ciÄ…gliwe i odporne na uderzenia,
o twardoÅ›ci po obróbce cieplnej 50 ÷ 55 HRC.
" Do drugiej grupy zalicza siÄ™ stale wysokowÄ™glowe (0,75 ÷ 1,5 %C),
zawierajÄ…ce ok. 0,5 %Cr z dodatkiem W lub V. W stanie zahartowanym majÄ…
odporną na ścieranie strukturę martenzytyczną z udziałem węglików.
2
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne
" Trzecia grupa obejmuje stale wysokowęglowe (ok. 1 %C) z podwyższoną
zawartoÅ›ciÄ… Mn 1 ÷ 2 % i dodatkami Cr, W, V, odznaczajÄ…ce siÄ™ stabilnoÅ›ciÄ…
wymiarów po obróbce cieplnej. UdziaÅ‚ 10 ÷ 15 % austenitu szczÄ…tkowego 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, wysokowÄ™glowe (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 Stal NC10 hartowana z 950°C w oleju i
odpuszczana w 500°C/1,5h; martenzyt odpuszczona w 700°C/1,5h; sorbit  wÄ™gliki
odpuszczony w wyraz
nie zaznaczonej stopowe o zmiennej wielkości w osnowie fazy
podstrukturze blokowej fazy Ä… z drobnymi Ä…; 15000x
oraz dużymi węglikami; 15000x
Tabela 2. Skład chemiczny i zastosowanie wybranych stali narzędziowych stopowych do pracy
na zimno
Średni skład chemiczny %
Gr Gatunek Zastosowanie
C Mn Si Cr W V
Narzędzia pneumatyczne, przecinaki, dłuta,
I NZ2* 0,45 0,30 0,95 1,05 1,90 0,22
zagłowniki, przebijaki
Narzędzia chirurgiczne, narzędzia
II NC5* 1,37 0,30 0,27 0,55 - - grawerskie, brzytwy, pilniki, kółka do cięcia
szkła
Narzędzia pomiarowe, piłki do metali,
III NMWV 0,95 1,15 0,27 0,55 0,55 0,17
wykrojniki
Narzędzia wysokowydajne do cięcia,
IV NC11* 1,95 0,30 0,27 12,0 - - 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
pracujÄ…ce 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
3
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne
w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych
muszÄ… wykazywać dostatecznie dużą ciÄ…gliwość, którÄ… speÅ‚nia 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 zawartoÅ›ci 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 zawartoÅ›ci 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 Stal WNL hartowana z 880°C w wodzie i
odpuszczana w 350°C/1h; martenzyt odpuszczana w 650°C/1h; sorbit-
odpuszczony z węglikami wydzielonymi na skoagulowane wydzielenia cementytu
granicy igieł i bloków; replika ekstrakcyjna;
stopowego, w osnowie fazy Ä…; replika
10000x
ekstrakcyjna; 20000x
Tabela 3. Skład chemiczny i zastosowanie wybranych stali narzędziowych stopowych do
pracy na gorÄ…co
Średni skład chemiczny % Zastosowanie
Gr Gat.
C Mn Si Cr Mo V inne
Wysoko obciążone matryce, formy
WWV* 0,30 0,37 0,27 2,75 - 0,4 9,0 W do odlewów ciśnieniowych,
I ciągadła na gorąco
Formy do odlewów pod
WCL* 0,38 0,35 1,00 5,00 1,35 0,4 -
ciśnieniem, wkładki matrycowe
Matryce kuz
nicze, kowadła,
WNL* 0,55 0,65 0,27 0,65 0,20 - 1,6 Ni
stemple, wkładki matrycowe
II
Stemple do szybkobieżnych
WLK* 0,35 0,37 0,45 2,75 2,75 0,5 3,0 Co
maszyn
* Oznaczenia wg PN-86/H85021
Stale szybkotnÄ…ce
Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi
prÄ™dkoÅ›ciami. MogÄ… one pracować bez utraty twardoÅ›ci w temperaturze 550 ÷ 600°C.
4
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne
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 siatkÄ™ wÄ™glików, a nastÄ™pnie wyżarzanie
zmiÄ™kczajÄ…ce (800 ÷ 840°C przez 10h) powoduje równomierne rozÅ‚ożenie
sferoidalnych węglików w osnowie ferrytu stopowego.
W stali szybkotnącej Cr zapewnia drobnoziarnistość i hartowność oraz tworzy
wÄ™gliki Å‚atwo rozpuszczalne w austenicie (900°C). W, Mo i V powiÄ™kszajÄ…
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; Stal SW18 hartowana z 1280°C w oleju i
martenzyt z austenitem szczÄ…tkowym oraz odpuszczana 3-krotnie w 550°C/1h; martenzyt
węglikami (W) nie rozpuszczonymi podczas odpuszczony z dyspersyjnymi wydzieleniami
austenityzowania; brak wyraz
nej granicy faz: węglików na granicach igieł i bloków;
martenzyt  austenit szczÄ…tkowy; replika; replika; 24000x
25000x
Tabela 4. Skład chemiczny i twardość wybranych stali szybkotnących
Średni skład chemiczny % Twardość po
hartowaniu i
Gatunek
C Cr W V Mo Co 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
5
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne
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 gorÄ…co?
" Co to sÄ… stale szybkotnÄ…ce?
" 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 szybkotnÄ…ca
6
STRUKTURY STALI NARZ
DZIOWYCH  ćwiczenia laboratoryjne