WYDZIAŁ METALURGII I INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ AGH
Nazwisko i imię: Szczepan Tęcza	MATERIAŁOZNAWSTWO
Rok studiów, rok akadem. II, 2004/2005	Prowadzący dr inż. F. Ciura	Data 13.04.2005	Ocena:
Nr ćwiczenia 4	Temat ćwiczenia: Obróbka cieplna stali narzędziowych

STALE NARZĘDZIOWE :

-są przeznaczone do wyrobu narzędzi służących do obróbki różnych materiałów drogą skrawania lub obróbki plastycznej oraz narzędzi pomiarowych i sprawdzianów. Powinny cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie, a także dobrą hartownością, aby uzyskać dostateczna grubość powłoki

martenzytycznej.

Cechy: -duża twardość -odpornością na ścieranie. Korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone tzn. chrom, molibden i wolfram.

Stale narzędziowe pracujące w warunkach obciążeń dynamicznych muszą być ciągliwe, co wiąże się z obniżeniem ich twardości. Osiągamy to przez zmniejszenie zawartości C i stosowanie wysokiego odpuszczania (czasem wprowadzamy Ni).

Stale przeznaczone na narzędzia skrawające powinny być odporne na ścieranie i jednocześnie zachowywać wysoką twardość także w podwyższonych temperaturach. Do stali takich wprowadza się pierwiastki, które hamują skłonność martenzytu do odpuszczania i wywołują twardość wtórną (W, Mo, V). Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków pracy, na 3 grupy: do pracy na zimno, do pracy na gorąco, stale szybkotnące.

a). stale narzędziowe do pracy na gorąco: charakteryzują się stosunkowo małą zawartością węgla (0.3-0.55%) i znaczną zawartością pierwiastków stopowych, których maksymalne zawartości w stalach krajowych wynoszą: 9% W, 5% Cr, 4.2% Ni, 1.3% Mo, 0.3% V, 1.4% Mn, 1% Si. Stale te służą do przeróbki plastycznej innych materiałów ogrzanych do wyższych temperatur (temperatura narzędzia nie powinna przekraczać 600[°C]), ponieważ w tym stanie obrabiane metale są plastyczne nie jest wymagana bardzo duża twardość i odporność na ścieranie. Pożądana jest natomiast wytrzymałość na obciążenia dynamiczne w podwyższonych temperaturach. Własności te zapewniają Ni, Si, V. Oprócz tego stale do pracy na gorąco powinny mieć dobre przewodnictwo cieplne i mały współczynnik rozszerzalności. Hartowanie przeprowadza się w oleju z temperatur 770-1120[°C], a odpuszczanie w temp. 300-600[°C] (temperatura pracy nie może być wyższa od temperatury odpuszczania). Ostatnio coraz częściej stosuje się wysokostopowe stale austenityczne umacniane fazami międzymetalicznymi (np. Ni₃AlTi) oraz stale typu maraging.

Np.:WLK,WNL,WNLV

b). stale narzędziowe do pracy na zimno: służą do wykonywania narzędzi do obróbki materiałów nie nagrzanych (temperatura pracy narzędzia nie powinna przekraczać 250°C]. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno produkuje się jako średniowęglowe (0.4-0.55% C) oraz wysokowęglowe (0.75-2.1% C). Stale średniowęglowe są stosowane na narzędzia, które powinny wykazywać zwiększoną plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, np. matryce, stemple, tłoczniki, rolki do prasowania. Stale wysokowęglowe służą głównie do wyrobu narzędzi skrawających. Podstawowymi dodatkami stopowymi są: Cr, W, V i ewentualnie Mo, nadające stali dużą hartowność i drobnoziarnistą strukturę, wysokie własności wytrzymałościowe, szczególnie zaś odporność na ścieranie przez tworzenie węglików stopowych o dużej twardości i dyspersji. Węgliki te nie rozpuszczone całkowicie podczas austenityzowania przeciwdziałają rozrostowi ziarn austenitu, zapewniając tym samym drobnoziarnistość stali. Wszystkie wymienione pierwiastki powodują również zwiększenie odporności na odpuszczanie. Hartowanie przeprowadza się w wodzie lub oleju z temperatur 770-960[°C], a odpuszczanie w temperaturach 100-320[°C] (wysokowęglowe) lub 350-450[°C] (średniowęglowe). Uzyskiwane twardości: 45-60 HRC.

Np.NMV,NWC,NC10,NC11VL

c). stale szybkotnące: skład chemiczny: 0.6-1.6% C, 3.5-5% Cr, 0-20% W, 0-9% Mo, 1-4% V, 0-10% Co. Wspólną cechą stali szybkotnących jest znaczna zawartość pierwiastków węglikotwórczych, własność zachowywania drobnego ziarna podczas hartowania z temperatur nieznacznie poniżej solidusu, wysoka hartowność, twardość wtórna przy odpuszczaniu w zakresie 500-600[°C], oraz zachowywanie dużej twardości do tego zakresu temperatur. Wolfram jest najważniejszym i najczęściej spotykanym składnikiem stali szybkotnących. nadaje on stali żarowytrzymałość i twardość w podwyższonych temperaturach, wpływa na drobnoziarnistość, hamuje procesy odpuszczania i przeciwdziała przegrzaniu podczas hartowania przez tworzenie wysokodyspersyjnych węglików. Hartowanie przeprowadza się w 1200-1300[°C] (chłodzi się olejem lub sprężonym powietrzem). Występujący przy odpuszczaniu efekt twardości wtórnej jest związany z wydzielaniem się węglików MC i M₂C. Stale szybkotnące stosuje się m.in. na noże skrawające i tokarskie, gdzie wskutek tarcia wydzielają się znaczne ilości ciepła

Np.:SW18,SW2M5,SK5M

Oznakowanie stali narzędziowych:

Stale do pracy na zimno oznacza się literą N, stale do pracy na gorąco literą W, a szybkotnące literą S. Pierwiastki oznacza się następującymi literami C-chrom, K- kobalt, L-molibden(w stalach typu N i W), M - mangan( w stalach typu N i W0 w stalach typu S molibden, P-grupa, chrom, nikiel, wanad, Z-grupa: krzem, chrom, wolfram, S-krzem, W-wolfram, V-wanad.

Twardość wtórna:

Jest to zjawisko które występuje podczas odpuszczania stali powyżej 450 C. Jest on wtedy gdy z osnowy wydzielają się bardzo dyspersyjne węgliki, a cementyt ulega w niej rozpuszczeniu. Twardość wtórną po odpuszczeniu można regulować temperaturą austenizowania stali. Stopień twardości wtórnej zalezy od zawartości węgla oraz ilości i rodzaju pierwiastków stopowych- węglikotwórczych, rozpuszczonych w austenicie.

Węgliki

Związki te tworzą atomy o bardzo małych promieniach atomowych C i dlatego zwane są węglikami. Ze względu na budowę, ogólnie węgliki możemy podzielić na węgliki proste (MC, M₂C) oraz na węgliki złożone (M₆C, M₇C₃, M₂₃C₆). Węgliki w stalach tworzą pierwiastki na lewo od żelaza w układzie okresowym.

Węgliki MC - struktura regularnie ściennie centrowana. Tworzą go takie pierwiastki jak V,

Ti, Nb. Charakteryzują się bardzo wysoką temperaturą topnienia (ponad 3000°C). Są równomiernie rozłożone w osnowie. Są bardzo twarde 1600-3000HV.

Węgliki M₂C - struktura heksagonalna. Są one głównym węglikiem powodującym twardość

wtórną. Są mniej twarde i mają niższą temp topnienia od węglików MC.

Węglik M₆C - struktura regularnie ściennie centrowana. Może w nim się rozpuszczać

umiarkowana ilość Cr, V i C. Jest podstawowym węglikiem stali

szybkotnących

Węglik M₇C₃ - struktura heksagonalna, jest bogaty w Cr, który może być częściowo

zastąpiony przez Fe.

Węglik M₂₃C₆ - złożona struktura krystalicznie regularnie ściennie centrowana.

Występuje w stalach chromowych (Cr₂₃C₆) i w większości stali wyżarzonych

szybkotnących.

Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali:

Mangan - austenitotwórczy; rozszerza zakres austenitu. Jego rozpuszczalność w Fe-γ jest nieograniczona, w Fe-α ograniczona. Ma większe od żelaza powinowactwo do węgla, siarki i tlenu. Gromadzi się w cementycie i złożonych węglikach typu M₇C₃ i M₂₃C₆ utworzonych na przykład przez chrom. Sam węglików tych nie tworzy w stalach wiążąc się z siarką i tlenem, neutralizuje szkodliwy wpływ tych domieszek na własności stali. Dlatego w każdej stali występuje do min. ok. 0,5%. Bardzo zwiększa hartowność. Obniża M_s i M_f, a więc zwiększa ilość austenitu szczątkowego. Obniża temp. A₁ oraz zawartość węgla w perlicie. Rozpuszczony w ferrycie bardzo zwiększa jego twardość; udarność tylko do ok. 1%. Sprzyja rozrostowi ziarna austenitu. W stalach austenitycznych może częściowo zastąpić nikiel. Chrom - ferrytotwórczy; zwęża zakres austenitu. W żelazie γ rozpuszcza się do 12%, w Fe-α nieograniczenie. Z żelazem tworzy kruchą fazę σ. Ma większe powinowactwo do węgla niż żelazo, rozpuszcza się w cementycie; przy większych zawartościach tworzy węgliki M₂₃C₆ i M₇C₃. Nieznacznie podnosi temp. A₁ i zmniejsza zawartość węgla w perlicie. Ferryt utwardza się dopiero przy wyższych zawartościach, zmniejszając jednocześnie udarność. Obniża punkt M_s, zwiększając ilość austenitu szczątkowego. Dość silnie podwyższa hartowność. Przy większych zawartościach wywołuje twardość wtórną. Powoduje tzw. kruchość 475 ferrytu chromowego. Wprowadza się go do stali konstrukcyjnych, narzędziowych, nierdzewnych i żaroodpornych.

Nikiel - austenitotwórczy; rozszerza zakres austenitu. Jego rozpuszczalność w Fe-γ, jest nieograniczona, w Fe-α ograniczona. W stalach nie tworzy węglików, lecz rozpuszcza się w austenicie i ferrycie, zwiększając jego twardość i udarność, również w obniżonych temp. Sprzyja grafityzacji i zwiększa szybkość koagulacji cementytu. Obniża temp. A₁ silniej niż Mn, a także zawartość węgla w perlicie. Obniża temp. M_s i M_f (zwiększa ilość austenitu szczątkowego). Hartowność zwiększa w sposób umiarkowany. Jest częstym dodatkiem do stali konstrukcyjnych, nierdzewnych, utwardzanych wydzieleniowo oraz stopów specjalnych (magnetycznych, invar).

Kobalt - austenitotwórczy, rozszerza zakres austenitu. Rozpuszcza się nieograniczenie w Fe-γ, w mniejszym stopniu Fe-α. Ma powinowactwo do węgla zbliżone do żelaza. W stalach nie tworzy węglików. Sprzyja grfityzacji, zmniejsza hartowność. Podwyższa punkt M_s, a więc zmniejsza ilość austenitu szczątkowego. Jest stosowany w stalach szybkotnących, stopach na magnesy trwałe alnico, węglikach spiekanych, w stalach maraging.

Molibden - ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-γ ograniczona, znacznie mniejsza niż w Fe-α. ­­­­­­­­­Ma większe powinowactwo do węgla niż chrom i wolfram. Tworzy złożone węgliki typu M₆C oraz metastabilne typu M₂C, które w czasie odpuszczania wywołują twardość wtórną. Bardzo zwiększa hartowność stali. Stromo podnosi A₁ oraz obniża zawartość węgla w perlicie. Rozpuszczony w ferrycie zwiększa jego twardość, ale zmniejsza udarność. Jest dodawany do stali konstrukcyjnych w ilości ok. 0,3%, gdzie zapobiega kruchości odpuszczania. Wprowadza się go do stali narzędziowych do pracy na gorąco i szybkotnących. W stalach żarowytrzymałych podnosi granicę pełzania, a w kwasoodpornych zwiększa odporność korozyjną na działanie chlorków. Sprzyja drobnoziarnistości stali.

Wolfram - ferrytotwórczy. Rozpuszczalność w Fe-α ograniczona, ale większa niż w Fe-γ. Jest węglikotwórczy - tworzy w stalach węgliki M₆C i M₂C. Te ostatnie wywołują przy odpuszczaniu twardość wtórną. W sposób umiarkowany podwyższa hartowność stali. Zwiększa temp. A₁ i silnie zmniejsza zawartość węgla w perlicie. Sprzyja drobnoziarnistości stali. Zwiększa twardość ferrytu, ale bardzo obniża jego udarność. Jest wprowadzany do stali narzędziowych, gdyż tworzy twarde węgliki. Jest głównym składnikiem stali szybkotnących; w stalach żaroodpornych zwiększa odporność na pełzanie.

Wanad-silnie ferrytotwórczy. Jest silnie węglikotwórczy - tworzy bardzo trwałe węgliki typu mc. Sprzyja drobnoziarnistości stali. Podnosi temperaturę A1. Bardzo zwiększa hartowność stali ,gdy jest rozpuszczony w austenicie. Wprowadza się go do stali jako mikrododatek do ok. 0,3%. Tworzy węgliki bardzo twarde i wywołuje twardość wtórną.

Wyniki ćwiczenia :

Nr. Próbki	Temp hartowania	Temp odpuszczania	Twardość
1	980		58
2	980	560	52
3	1100		63,5
4	1100	560	59
5	1200	300	63
6	1200	500	65
7	1200	560	67
8	1200		66

Wnioski:

Z powyższego wykresu wynika iż twardość materiału po hartowaniu zależy zarówno od temperatury hartowania, jak i od temperatury odpuszczania. Im wyższa temperatura hartowania tym twardość większa, wynika to z tego iż w wyższych temperaturach rozpuszczają się więcej węglików w austenicie, wskutek czego austenit wzbogaca się w węgiel oraz pierwiastki stopowe. Po kilkakrotnym odpuszczaniu pozostaje jeszcze ok. 1-3% austenitu szczątkowego i uzyskana twardość waha się w granicach 65HRC. Twardość ta spowodowana jest wydzieleniem bardzo dyspersyjnych węglików, głównie M₂C, bogatych w wolfram i molibden, ale występują również inne węgliki, jak M₇C₃, M₂₃C₆ oraz powyżej temp. 600°C - M₆C. Wysokie odpuszczanie w temp. 560°C jest najbardziej korzystne, ponieważ zachodzi utwardzenie wydzieleniowe, powstaje twardość wtórna - cecha stali szybkotnącej. Po prawidłowo wykonanej obróbce cieplnej twardość stali powinna być o ok. 2 - 3 HRC większa od uzyskanej po zahartowaniu.

---