Ć w i c z e n i e 26

Temat: STALE NARZĘDZIOWE

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z typowymi strukturami stali narzędziowych. Podziałem tych stali według zastosowania oraz zasadami ich

doboru na nrzedzia.

2. Wiadomości podstawowe

Przez narzędzia rozumie się przedmioty służące do kształtowania, dzielenia lub rozdrabniania materiałów. Ksztaltownie może zachodzić w drodze

obróbki skrawaniem lub przeróbki plastycznej. Do grupy tej zalicza się również narzędzia warsztatowe, takie jak klucze, uchwyty, sprawdziany.

Stal narzędziową charakteryzują zasadniczo: skład chemiczny, twardość i wytrzymałość oraz hartowność. Do dalszych właściwości należą:

odporność ścieranie, ciagliwość, zdolność skrawania, odporność na działanie wysokich temperatur, skłonność do rozrostu ziarna, wytrzymałość

zmęczeniowa, stabilność wymiarów, odporność na działanie czynników korozyjnych oraz zdolność do regeneracji. W zależności od rodzaju

narzędzia i jego warunków pracy niektóre z tych własności mogą mieć znaczenie decydujące, a inne drugorzędne, albo nie muszą być w ogóle

brane pod uwagę.

Stale narzędziowe w stanie dostawy powinny mieć odpowiednio duży stopień przerobu plastycznego gwarantujący zgrzanie się różnych

nieciągłości występujących we wlewku oraz "rozbicie" struktury pierwotnej. Zwykle przyjmuje się minimalny stopień przerobu równy 4 x. Tylko

dla kutych narzędzi, np. dużych walców, stopień przerobu ogranicza się do ok. 2,5 x. Zasadniczo huty dostarczają stale na narzędzia w stanie

zmiękczonym, aby umożliwić ich obróbkę skrawaniem oraz zapewnić korzystną strukturę wyjściową do dalszej obróbki cieplnej. '

W Polskich Normach stale narzędziowe sklasyfikowane są następująco:

1. Stale narzędziowe niestopowe (PN-66/H-85020).

2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno (PN-77/H-85023).

3. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco (PN-77/H-85021).

4. Stale szybkotnące (PN-77/H-85022).

2.1. Stale narzędziowe niestopowe

Niestopowe stale narzędziowe charakteryzują się stosunkowo wysoką twardością po zahartowaniu, która wzrasta wraz z zawartością węgla, dużą

skłonnością do mięknięcia przy podwyższeniu temperatury pracy narzędzia, natomiast odporność na ścieranie tych stali zalety w dużym stopniu od

obecności w nich nierozpuszczonych cząstek cementytu. W zależności od hartowności węglowe stale narzędziowe dzieli się na dwie grupy:

Stale płytko hartujące

Stale głęboko hartujące.

Stale pierwszej grupy są stalami o małej hartowności, wykazują niewielką wrażliwość na przegrzanie. W stalach płytko hartujących graniczne

zawartości domieszek zwykle występujących w stalach węglowych tj. Mn, Si, P, S, Cr, Ni i Cu, są mniejsze niż w stalach głęboko hartujących.

Stale płytko hartujące są stosowane na narzędzia o grubości, lub średnicy do 20 mm; głębokość osiąganej w nich warstwy zahartowanej nie

przekracza 3 mm. Przy większych wymiarach narzędzi, warstwa ta jest zwykle bardzo cienka i mogą wystąpi miękkie plamy, jeśli chłodzenie

podczas hartowania nie jest energiczne.

Stale głęboko hartujące są stalami o większej hartowności, wykazującymi dużą wrażliwość na przegrzanie. Stale te można stosować także na

narzędzia o większych wymiarach, ale o przekrojach i grubościach tylko niewiele większych od 20 mm. Głębokość warstwy zahartowanej zależna

jest od gatunku stali, temperatury austenityzowania i od wymiarów narzędzia; zazwyczaj wynosi ona od 5 do 12 mm.

W skład stali głęboko hartujących wchodzą dodatkowo dwa gatunki: N5 i N6, tworzące dawniej oddzielną grupę stali zgrzewalnych, Mają one

nieco podwyższoną zawartość manganu w stosunku do pozostałych stali narzędziowych węglowych, zaś zawartość krzemu obniżoną do max.

0,15%, co umożliwia zgrzewanie ich ze stalami konstrukcyjnymi, zwykle w gatunkach: 45, 55, 65. Przestarzała metoda zgrzewania ogniowego jest

zastępowana w produkcji masowej zgrzewaniem oporowym i tarciowym.

Stale narzędziowe niestopowe hartuje się zwykle w wodzie od temperatur 40 do 60o C powyżej Ac1,3, praktycznie z zakresu 760 - 780o C. Jeśli

konieczne jest uzyskanie większej głębokości warstwy zahartowanej, dopuszcza się hartowanie z temperatur podwyższonych do 880o C, jednak

w stalach głęboko hartujących, których to głównie dotyczy, już w zakresie 840 - 860 C może nastąpić rozrost ziarna.

Konieczność stosowania intensywnych ośrodków hartowniczych spowodowana jest dużą szybkością krytyczną chłodzenia. Powoduje to

wprowadzenie znacznych naprężeń własnych, wynikających z dużych gradientów temperatury, prowadzących do powstawania pęknięć

hartowniczych i odkształceń.

Węglowe stale narzędziowe są bardzo mało odporne na spadek twardości podczas odpuszczania. Stosowany zakres temperatur odpuszczania

wynosi: l70 do 200o C, zaś temperatury pracy nie powinny przekraczać 180o C.

2.2. Stale narzędziowe do pracy na zimno

Stopowe stale narzędziowe do pracy na zimno służą do wykonywania narzędzi do obróbki materiałów nie nagrzanych, jednak zarówno materiał

jak i narzędzie mogą nieznacznie nagrzewać się podczas pracy wskutek tarcia lub pracy odkształcenia. Konieczność stosowania stali stopowych

narzędziowych do pracy na zimno występuje, gdy musimy wykonywać narzędzia o większych przekrojach, wymagających większej hartowności,

oraz kiedy zwiększona ścieralność narzędzia powoduje konieczność wystąpienia w strukturze opornych na ścieranie węglików stopowych, jak np.

Cr7 C3. Możliwość stosowania łagodniejszych ośrodków hartowniczych zmniejsza udział naprężeń własnych (zmniejsza niebezpieczeństwo

pękania narzędzi), a zwiększenie odporności na mięknięcie przy odpuszczaniu umożliwia stosowanie wyższych temperatur odpuszczania niż dla stali

węglowych, dodatkowo zmniejszając naprężenia własne przy zachowaniu wysokiej twardości. Z reguły ciągliwość hartowanych i odpuszczanych

na tę samą twardość narzędzi ze stali stopowych jest większa niż ze stali węglowych.

Narzędziowe stale stopowe do pracy na zimno podzielić można na stale wysokowęglowe (0,75 - 2,10 % C) i stale średniowęglowe (0,40 : 0,6 %

C). Oddzielny gatunek stanowi stal NW9 występująca poprzednio w normie PN-71/H-85022 jako stal szybkotnąca SW9.

Stale wysokowęglowe stosuje się na narzędzia, którym nie stawia się wysokich wymaga co do odporności na naprężenia udarowe, a więc głównie

na narzędzia skrawające i tnące. Podstawowymi składnikami stopowymi są tu chrom, wolfram, wanad, niekiedy molibden, które z jednej strony

wpływają na zwiększenie hartowności stali, a z drugiej mogą wytworzyć odporne na ścieranie węgliki stopowe.

Zawartość manganu podwyższa się w tych stalach celem zwiększenia hartowności. Ze względu na zawartość węgla i pierwiastków stopowych

stale wysokowęglowe należą do kategorii nadeutektoidalnych. Oddzielną podgrupę tworzą tu ledeburytyczne stale wysokochromowe (NC1O,

NC11, NC91LV), to znaczy po odlaniu występuje w nich składnik ledeburytyczny. Po przeróbce plastycznej stale te zawferają węgliki pierwotne i

wtórne rozmieszczone na tle produktów rozkładu austenitu. Stale wysokochromowe charakteryzują się dużą hartownością, a dzięki dużemu

udziałowi objętościowemu twardszych od cementytu węglików chromu należą do bardzo odpornych na ścieranie.

Temperatura hartowania stali wysokowęglowych winna być tak dobrana, aby pozostawić część węglików nie rozpuszczonych w austenicie, co

zapewnia stali drobnoziarnistość, a po zahartowaniu zwiększoną odporność na ścieranie i zużycie. Rozpuszczony w austenicie węgiel z węglików ,

powoduje zwiększenie twardości martenzytu po hartowaniu. Wobec tego stale nadeutektoidalne hartuje się od temperatur 30 do 50o C powyżej

Ac1, zaś stale ledeburytyczne od temperatur wyższych (ok. 1000o C), co pozwala na wydzielenie podczas odpuszczania drobnodyspersyjnych

węglików stopowych. W pierwszym przypadku przy nagrzewaniu zachodzi przemiana perlitu w austenit, a pozostają częściowo niedopuszczone

węgliki wtórne; w drugim zaś przechodzą do roztworu również węgliki wtórne, a pozostają nierozpuszczone węgliki pierwotne. Po odpuszczeniu w

zakresie od 150 do 320o C ( do 450o C dla stali wysokochromowych) uzyskuje się strukturę węglików na tle martenzytu odpuszczonego.

Twardość tak obrobionych cieplnie stall wynosi średnio 60 HRC,

Stale średniowęglowe wykorzystuje się na narzędzia, które winny wykazywać zwiększoną ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne, np.

wkładki matrycowe i stemple do przeróbki plastycznej na zimno narzędzia pneumatyczne. prócz chromu, wolframu i wanadu stale te zawierają

krzem lub nikiel. Krzem pozwala uzyskać te same twardości narzędzia przy zastosowaniu wyższych temperatur odpuszczania, dzięki czemu

uzyskuje się lepszą ciągliwość oraz zmniejszenie naprężeń własnych przy podwyższonej granicy sprężystości. Nikiel poprawia również ciągliwość,

a ponadto w połączeniu z innymi pierwiastkami znacznie zwiększa hartowność; umożliwiając hartowanie dużych przekrojów w oleju.

Stale średniowęglowe są w zasadzie stalami podeutektoidalnymi, tak więc hartuje się je z temperatur powyżej Ac3, uzyskując całkowite lub

prawie całkowite rozpuszczenie węglików w austenicie, a po hartowaniu jednorodną strukturę martenzytyczną bez śladów ferrytu.

Po odpuszczaniu uzyskuje się twardości niższe (45 - 58 HRC) niż w stalach wysokowęglowych. Należy podkreślić, że stale średniowęglowe

charakteryzują się stosukowo małą odpornością na ścieranie ze względu na mały udział węglików w strukturze.

Wolframowa stal NW9 podlega typowej dla stali szybkotnących obróbce cieplnej, w wyniku której uzyskuje się efekt twardości wtórnej.

2.3. Stale narzędziowe do pracy na gorąco

Stale te przeznaczone są do pracy w szerokim i zmiennym zakresie temperatur od ponad 250o C dla niektórych narzędzi kuźniczych i dobrze

chłodzonych noży do cięcia na gorąco aż do, 600 - 700o C dla pewnych części oprzyrządowania pras do wyciskania i form do odlewania pod

ciśnieniem. Ze względu na większą plastyczność materiału obrabianego w podwyższonych temperaturach stale narzędziowe do pracy na gorąco nie

muszą odznaczać się tak dużą twardością i odpornością na ścieranie jak stale do pracy na zimno. Powinny natomiast zachowywać wysokie

własności mechaniczne w podwyższonych temperaturach, a ze względu na duże niekiedy rozmiary elementów z nich wykonywanych (szczególnie

matryc) - powinny mieć dużą hartowność. Od stali na narzędzia do pracy na gorąco wymaga się również dobrej wytrzymałości na obciążenia

dynamiczne, której technologiczną miarą jest udarność. Szczególnie ważna jest zdolność do znoszenia nagłych zmian temperatury oraz odporność

na zmęczenie cieplne prowadzi ono do powstawania siatki pęknięć, tzw. pęknięć ogniowych, które są najczęstszą przyczyną zużywania się

narzędzi do pracy gorąco.

Twardość stali narzędziowych do pracy na gorąco w stanie obrobionym cieplnie jest mniejsza od twardości stali do pracy na zimno. Stale na

matryce do pras i formy na odlewy ciśnieniowe o niskiej zawartości węgla wykazują po obróbce cieplnej twardość około 45 HRC, gdy

tymczasem stale bogatsze w węgiel, na matryce kuźnicze, posiadają twardość nieco wyższą dochodzącą nawet do 55 HRC.

Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco podzielić można na dwie grupy:

1.niskowęglowe stale na matryce do pras i formy do odlewania pod ciśnieniem, o wysokiej zawartości pierwiastków stopowych,

2.stale niskostopowe na matryce kuźnicze o wyższej zawartości węgla.

2.4. Stale szybkotnące

Podstawową cechą stali szybkotnących jest zdolność zachowania twardości i odporności na ścieranie przy temperaturach dochodzących do 600 -

650o C. Własność tę nadaje stalom szybkotnącym twarda i nie mięknąca pod wpływem odpuszczania osnowa, w której rozmieszczone są twarde

węgliki. Powyższą strukturę uzyskuje się w drodze obróbki cieplnej stali o odpowiednim składzie chemicznym.

Poniżej podano krótką charakterystykę poszczególnych gatunków stali szybkotnących, ujętych w normie PN-77/H-85022.

2.4.1, Stal wolframowa SW18

Stale wolframowe są historycznie najwcześniejsze ze wszystkich stali szybkotnących, wychodzą jednak z użycia ze względu na nieproporcjonalnie

wysoki koszt w stosunku do własności użytkowych narzędzi z nich wykonywanych.

Stal SW18 jest mało ekonomiczna nisko wydajna, charakteryzuje się jednak dobrą ciągliwością i niewielką wrażliwością na wrażliwością

austenityzowania, z tego względu może być hartowana przy mniej dokładnym pomiarze temperatury /jednym z powodów niechęci do

wprowadzenia nowoczesnych gatunków stal I szybkotnących, wymagających precyzyjnego prowadzenia zabiegów obróbki cieplnej jest niski

poziom technologiczny o.c. niektórych zakładów. Stal SW18 stosowna jest na jednolite noże tokarskie i strugarskie, frezy i wiertła w produkcji

małoseryjnej do obróbki skrawaniem materiałów o średniej wytrzymałości.

2.4.2. Stale o podwyższonej zawartości węgla: SW12C i SKC

W wyniku poszukiwań stali, która wykazywałaby możliwie największą odporność na ścieranie, miała wysoką odporność na odpuszczające

działanie podwyższonych temperatur i była przy tym ekonomiczna w użytkowaniu, opracowane zostały specjalne, polskie stale szybkotnących o

podwyższonych zawartościach węgla (do 1,10 %), wanadu (do ok. 2,5 %) i obniżonej zawartości wolframu (do 12 %).

Stale te cechuje szereg zalet, jak:

bardzo wysoka odporność na ścieranie,

stosunkowo niskie temperatury austenityzowania (do,1230o C) zapewniające po odpuszczeniu twardość 63 + 68 HRC,

małe odkształcenia i zmiany wymiarów po hartowaniu,

dobra kowalność i zgrzewalność,

lepsza lub co najmniej równa w stosunku do normalnych stali szybkotnących ciągliwość w stanie obrobionym cieplnie.

Wysoka ciągliwość stali tej grupy wynika m.in. z tego, te temperatury hartowania są niższe, przez co uzyskuje się drobniejsze ziarno. Poza tym

podwyższenie zawartości węgla zubaża osnowę stali w pierwiastki węglikotwórcze, zwłaszcza w wolfram i molibden, co w konsekwencji

powoduje niższą twardość 'osnowy po odpuszczaniu, a przez to lepszą ciągliwość. Pomimo plastyczniejszej osnowy twardośó tych stali mierzona

klasycznymi metodami jest wysoka, w wyniku obecności znacznej ilości węglików.

Stal SW12C przeznaczona jest na wysoko wydajne, wieloostrzowe narzędzia do obróbki skrawaniem w masowej lub wielkoseryjnej produkcji

(frezy, gwintowniki, rozwiertaki, przeciągacze); stosuje się ją również na narzędzia do przeróbki plastycznej w trudnych warunkach na zimno na

gorąco. Dodatek kobaltu w stali SKC powoduje wyższą twardość na gorąco i odporność na ścieranie od stali SW12C przy nieco obniżonej

udarności, Stal SKC stosowana jest głównie na wysoko wydajne narzędzia do obróbki skrawaniem: frezy ślimakowo-modułowe oraz inne

narzędzia do obróbki kół zębatych, wysoko wydajne przeciągacze, noże kształtowe, itp.

2.4.3. Stale wolframowo-molibdenowe: SW7M, S K Sp1 i SKBM

Stale z molibdenem wprowadzono po raz pierwszy w Stanach Zjednoczonych podczas II wojny światowej. Molibden stanowi w nich całkowity

lub częściowy zamiennik wolframu (przyjmuje się, te 1 % zawartości molibdenu może zastąpić 1,9 % W). Szybkotnące stale molibdenowe i

molibdenowo-wolframowe wykazują w porównaniu ze zwykłymi stalami wolframowymi szereg zalet. Mają one mniejszą gęstość oraz lepsze

przewodnictwo cieplne, głównie z powodu mniejszej sumarycznej zawartości pierwiastków stopowych. Są one przez to mniej wrażliwe na błędy

szlifowania. Węgliki w stalach z molibdenem są drobniejsze, a temperatury hartowania niższe niż; w stalach wolframowych, co powoduje dobrą

ciągliwość i odporność na obciążenia dynamiczne. Z ujemnych ńatomiast cech stali molibdenowych wymienić można większą skłonność do

przegrzewania się odwęglenia oraz nieco większe zmiany wymiarowe podczas hartowania.

Stal SW7M stanowi najbardziej rozpowszechniony gatunek atali szybkotnącej w krajach uprzemysłowionych. Charakteryzuje się ona dobrą

ciągliwością,. jej główne zastosowanie to małe wiertła spiralne i gwintowniki. Wykonuje się z tej stali również piły tarczowe (segmenty), frezy,

przeciągacze oraz wysoko wydajne narzędzia do przeróbki plastycznej na zimno. Stal SK5 stanowi wariant stali SW7M zawierający 5 % kobaltu.

Jest to stalwysoko wydajna, bardzo oporna na ścieranie; o średniej ciągliwości. Stosowana jest na wysoko wydajne jedno- i wieloostrzowe

narzędzia do obróbki materiałów trudnoskrawalnych, narzędzia do obróbki kół zębatych, noże kształtowe, itp. Jako ostatnia wprowadzona do

Polskich Norm stal SK8M posiada prawie cały wolfram zamieniony molibdenem. Jest to stal w pełni nowoczesna, należy w Stanach

Zjednoczonych do grupy tzw. "super stali szybkotnących". Stal SKBM wykazuje najwyższą odporność na ścieranie z wymienionych tu stali

wolframowo-molibdenowych przy zachowaniu wysokiej ciągliwości narzędzia. Stosowana jest na narzędzia do zgrubnej obróbki przy dużych

szybkościach skrawania stali twardych i austenitycznych, również na automatach (frezy, noże kształtowe). Podkreślić tu należy, te przy aktualnych

cenach molibdenu na rynkach światowych stale omówionej grupy winny być stosowane w naszych warunkach tylko w szczególnie uzasadnionych

przypadkach, stąd też brak jest w Polskich Normach grupy stali opartych wyłącznie na molibdenie.

2.4.4.Stale o najwyższej wydajności z podwytszoną zawartością wanadu: SKSV i 5K10Y

Zwiększenie zawartości wanadu do 3 - 5% umożliwiło stworzenie typu stali bardzo twardej, odpornej na ścieranie, ale trudnej do szlifowania i o

lpszejszej ciągliwości. Stale SK5V i SK10V reprezentują najwyżej stopowe gatunki stali szybkotnących w naszych normach. Przy stosunkowo

dużej zawartości wolframu w skład ich wchodzi kobalt, który dodatkowo jeszcze podwyższa twardość i odporność na ścieranie. Molibden

występuje tutaj jako składnik łagodzący spadek ciągliwości spowodowany wysokimi zawartościami kobaltu. Wysoki poziom węgla konieczny jest

dla związania W węgliki typu MC znacznych ilości wanadu. Ze względu na niską ciągliwość nie zaleca się stosować tych stali na narzędzia

wieloostrzowe. Stale z wanadem są również skłonne do odwęglenia. Stale te stosuje się na narzędzia jednoostrzowe pracujące w najcięższych

warunkach, często w zastępstwie węglików spiekanych, na końcówki noży automatowych, noże kształtowe oprawkowe, ciągadła, itp,

3. Materiały i urządzenia

1.Komplet zgładów do obserwacji mikroskopowych.

2.Mikroskopy metalograficzne wraz z wyposażeniem.

4. Przebieg ćwiczenia

Na przebieg ćwiczenia składają się następujące czynności:

a.Omówienie stali podlegających obserwacji mikroskopowej, ich obróbki cieplnej, własności i zastosorwania.

b.Obserwacje mikroskopowa zgładów, określenie składników strukturalnych z uwzględnieniem ich rozwoju, kształtu i wzajemnego

rozmieszczenia.

c.Narysowanie obserwowanych struktur z zaznaczeniem strzałkami poszczególnych składników strukturalnych

5. Wytyczne do opracowania sprawozdania

Sprawozdanie winno zawierać:

a.Charakterystykę obróbki cieplnej dużych matryc kuźniczych.

b.Opis struktur występujących w stali szybkotnącej po:

odlaniu

walcowaniu

wytarzaniu zmiękczającym,

hartowaniu,

hartowaniu i odpuszczaniu,

c.Rysunki obserwowanych mikrostruktur z zaznaczonymi strzałkami składnikami mikrostruktury. Przy każdym rysunku należy podać

oznaczenie stali, jej skład chemiczny, stan, w jakim jest obserwowana i zastosowanie, natomiast pod rysunkiem powiększenie mikroskopu i

odczynnik trawiący.

d.Typową obróbkę cieplną, własności i zastosowanie obserwowanych stali.

6. Literatura uzupełniająca

[1] S.Rudnik: Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1996.

[2] E.Żmihorski: Stale narzędziowe i obrobka cieplna narzędzi, WNT, Warszawa 1976.

[3] Praca zbiorowa: Poradnik inżyniera, Obrobka cieplna stopow żelaza, WNT, Warszawa 1977.

---