STALE NARZĘDZIOWE STOPOWE Stalom narzędziowym stawia się inne wymagania niż konstrukcyjnym. Powinny one cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie. Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone (M23C6 i M6C), tzn. chrom, molibden i wolfram. Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków ich pracy, na trzy grupy: stale do pracy na zimno, stale do pracy na gorąco, stale szybkotnące. Przez określenie na zimno rozumie się, że temp. pracy narzędzia nie wzrasta ponad 250°C, a na gorąco, że utrzymuje się w zakresie do ok. 600°C. Znakowanie stali narzędziowych. Stale do pracy na zimno oznacza się na początku literą N, stale do pracy na gorąco - literą W, a stale szybkotnące - literą S. Pierwiastki stopowe oznacza się następującymi literami: C - chrom, K - kobalt, L - molibden (stalach N i W), M - mangan (w N i W), molibden (w S), P - grupa : chrom, molibden, wanad, Z - grupa: krzem, chrom, wolfram, S - krzem, W - wolfram, V - wanad. Cyfry w stalach W i S umieszczone po symbolu dodatku stopowego oznaczają średnią zawartość tego pierwiastka w procentach, w stalach N nie jest zawsze przestrzegana ta zasada. Stale do pracy na zimno. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom (do 12%), wolfram (do 9%) i wanad (do 2%, zwykle jednak ok. 0,25%). Nieliczne z nich mają zwiększoną zawartość manganu, krzemu, niklu lub molibdenu. W wielu stalach do pracy na zimno głównymi dodatkami stopowymi są węgiel i chrom i dlatego one decydują o strukturze tych stali. Jako stale narzędziowe są stosowane głównie stale martenzytyczne. Stale te można podzielić na trzy grupy: Do pierwszej grupy zaliczamy stale nisko- i średnio- stopowe o zawartości ok. 1%C - nadeutektoidalne, o małej lub średniej hartowności. Mają one po zahartowaniu wysoką twardość (ponad 60 HRC), ale stosunkowo małą odporność na odpuszczanie. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do obróbki papieru, gumy, drewna oraz metalu (gwintowniki, narzynki, piłki) oraz sprawdziany i przyrządy pomiarowe. Do grupy drugiej należą stale zawierające mało węgla (ok. 0,5%), średniostopowe o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt dużą twardością, ale znaczną ciągliwością. Są one dzięki temu stosowane na narzędzia udarowe, jak dłuta, nitowniki, przebijaki, tłoczniki, stemple. Po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną (bez węglików). Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania, co powoduje, że stale te mogą pracować w podwyższonej temperaturze. Do trzeciej grupy zaliczamy stale wysokostopowe o dużej zawartości węgla dochodzącej do 2%. Mają one strukturę ledeburyczną, cechuje je duża hartowność. Są hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach. Ze względu na dużą ilość węglików mają znaczną odporność na ścieranie, są głównie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach, jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noże do nożyc. Mogą również pracować w podwyższonych temperaturach. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno polega na ich zmiękczaniu do ok. 250 HB drogą wyżarzania, zwykle w zakresie temp. 680­­­­­­*850°C. Po obróbce mechanicznej poddaje się je hartowaniu w wodzie lub oleju, z tym, że stale wyżej stopowe hartuje się w oleju. Temperatura hartowania na ogół jest zawarta w granicach 800*900°C; przy chłodzeniu w wodzie jest o ok. 20°C niższa. Stale zawierające więcej dodatków stopowych węglikotwórczych hartuje się od wyższych temp. 950*1050°C. Twardość po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zależy od temperatury i czasu austenityzowania (od ilości rozpuszczonych węglików). Stale do pracy na gorąco. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie ciepła. Powinny więc mieć możliwie dużą twardość, utrzymującą się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie termiczne. Wymienione własności osiągają stale średniowęglowe (0,3*0,55% C) zawierające przede wszystkim takie pierwiastki stopowe, jak chrom i molibden, rzadziej - wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Chrom występuje we wszystkich stalach w ilościach 0,65*5%, molibden w większości z nich w ilościach 0,25*3%; wanad głównie jako mikrododatek na ogół 0,2*0,6%. Jak również stal z borem (MNLB - ok. 0,003% B). Stal WLK zawiera ok. 3% Co i 3% Mo. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na: stale wyżej stopowe oraz stale niżej stopowe. Stale wyżej stopowe są bardziej odporne na odpuszczające działanie ciepła i w związku z tym są stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach, np. wysoko obciążone matryce, formy do odlewania ciśnieniowego. Najbardziej popularną stalą matrycową jest stal WNL. Znaczny wzrost żywotności matryc można osiągnąć stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromowanie. Na narzędzia pracujące w temp. powyżej 600°C stosuje się żarowytrzymałe stale austenityczne. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco, zwłaszcza zawierających wolfram i molibden, powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtórnej. Stale wyżej stopowe należy hartować od wysokich temperatur, np. stal WWV hartuje się od temp. 1100*1140°C. Temperatura odpuszczania mieści się na ogół w zakresie 500*600°C, z tym że dla stali o większej zawartości pierwiastków stopowych może być wyższa. Narzędzia ze stali do pracy na gorąco powinny być przed rozpoczęciem eksploatacji nagrzane do 200*300°C i nie należy ich schładzać w czasie pracy poniżej tego zakresu, ponieważ to przyspiesza ich zmęczenie termiczne. Stale szybkotnące. Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550*600°C. Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania. Zawierają one znaczną ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą nawet do 30%. Własności pierwiastków stopowych: chrom zapewnia odpowiednio dużą hartowność stali. Wolfram i molibden tworzą węgliki pierwotne bardzo odporne na ścieranie, a przy odpuszczaniu - dyspersyjne węgliki typu M2C, które silnie umacniają stal, z tym że molibden może zastąpić podwójną ilość wolframu. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczątkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzędzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde węgliki typu MC (V4C3), które utrudniają rozrost ziarna austenitu podczas austenityzowania, a wydzielając się przy odpuszczaniu mają duży wpływ na twardość wtórną. Pod względem struktury węgliki w stalach wyżarzonych można podzielić na: - węgliki typu M6C, w których oprócz żelaza występuje wolfram, molibden i wanad; - węgliki typu M23C6 bogate w chrom i żelazo; - węgliki typu MC bogate w wanad, najtwardsze i zawierające najwięcej węgla. Stosunek ilościowy wymienionych węglików zależy od składu chemicznego stali. Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na ich hartowaniu od temperatur bliskich solidusu (1200*1270°C) i następnym odpuszczaniu. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych w stopionych BaCl2, dwu- lub trójstopniowo celem zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i skłonności do pękania. Bardzo ważną operacją obróbki cieplnej stali szybkotnącej jest wyżarzanie zmiękczające przeprowadzane w zakresie 800*840°C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Własności narzędzi ze stali szybkotnących zależą od technologii ich wytwarzania. Można je otrzymać trzema metodami: 1) przez odlewanie metodą traconego wosku, 2) ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, 3) ze stali otrzymanej metodą metalurgii proszków. Najgorsze własności mają narzędzia otrzymane metodą odlewania, a najlepsze - metodą metalurgii proszków. Problem jakości wiąże się ściśle ze stopniem dyspersji i segregacją węglików. Jeśli stale mają drobne i równomiernie rozłożone węgliki, to duży wpływ na jakość wykonywanych z nich narzędzi będzie wywierać obróbka cieplna. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu, nie może mieć rozrośniętego ziarna, a jednocześnie powinna być maksymalnie twarda. Odporność na ścieranie, a więc skrawalność, zależy od składu chemicznego. Stale niżej stopowe zawierają mniej fazy węglikowej, są mniej odporne na ścieranie i nie są zalecane. Dodatek do stali kobaltu lub molibdenu zwiększa odporność narzędzi na odpuszczające działanie ciepła, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiększoną zawartością węgla i wanadu są bardziej odporne na ścieranie, gdyż zawierają więcej twardego węglika MC, ale jednocześnie ich szlifowanie sprawia duże trudności. Dalsze zwiększenie odporności na ścieranie można uzyskać przez zastosowanie obróbki cieplno - chemicznej: azotowania, tleno-azotowania, siarko-azotowania i cyjanowania lub pasywowania w przegrzanej parze wodnej. Rodzaj stali na narzędzia powinien być dobrany w zależności od własności skrawanego materiału, kształtu samego narzędzia i charakteru jego pracy. STALE NIERDZEWNE I KWASOODPORNE. Stale tej grupy muszą być odporne na korozję, przy czym od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i słabych roztworów soli lub kwasów, natomiast od stali kwasoodpornych odporność na działanie stężonych kwasów i ługów. Stale kwasoodporne nie są w jednakowym stopniu odporne na wszystkie kwasy i w związku z tym granica między stalami nierdzewnymi i kwasoodpornymi nie jest sztywna. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do pasywacji, a to zależy od składu chemicznego stopu. Jest wiele rodzajów korozji, np. równomierna, wżerowa, międzykrystaliczna, naprężeniowa, elektrochemiczna. Najbardziej niebezpieczna jest międzykrystaliczna, gdyż zachodzi nierównomiernie i na dużych głębokościach. Najbardziej odporne na korozję elektrochemiczną są materiały jednofazowe, dlatego że stale nierdzewne i kwasoodporne są przeważnie stalami ferrytycznymi lub austenitycznymi. W materiale dwufazowym istnieją warunki do powstawania tzw. ogniw lokalnych przyspieszających korozję. Stale ferrytyczne i martenzytyczne. Wprowadzenie do żelaza ok. 12% Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17% Cr i C<0,05% ferryt jest stabilny aż do temp. Topnienia. Jeśli stale zawierają ok. 13% Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temp. 1000÷1100°C pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temp. 700°C. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temp. 700°C przez okres 2h. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiążę azot. Znakowanie stali ferrytycznych i martenzytycznych przeprowadza się podobnie jak stali konstrukcyjnych. Cyfra na początku znaku wskazuje, zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu, cyfra po literze oznaczającej składnik stopowy podaje jego ilość w procentach. W przypadku dodatku tytanu lub aluminium na końcu dodaje się literę T lub J. Stale ferrytyczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie są odporne na kwasy redukujące (solny, siarkowy), są spawalne. Stale martenzytyczne nie są kwasoodporne, lecz nierdzewne. Hartuje się je od 950÷1000°C i odpuszcza w zakresie 600÷700°C. Do temp. ok. 500°C nie tracą twardości i wytrzymałości. Stale o większej zawartości chromu (np. H25T) mogą wykazywać kruchość spowodowaną wydzielaniem fazy σ. Stale martenzytyczne są stosowane na: łopatki turbin, zawory, artykuły gospodarstwa domowego, noże, sprężyny. Stal 2H17N2 jest odporna na działanie wody morskiej, a stal H18 stosuje się na łożyska odporne na korozję oraz narzędzia chirurgiczne. Stale austenityczne. Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bezwęglowych (C<0,1%), zawierających chrom i nikiel. Nikiel może być zastąpiony częściowo manganem. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Stąd szeroko jest stosowana stal 18-8 (18% Cr i 8% Ni). Połowa niklu może być zastąpiona podwójną zawartością manganu. Oprócz wymienionych dodatków wprowadza się do tych stali niekiedy molibden (2÷5%) oraz małe ilości tytanu lub niobu w celu związania węgla, co zapobiega korozji międzykrystalicznej. Dodatek azotu do 0,25% zapobiega rozrostowi ziarna i podwyższa granicę plastyczności. Stale austenityczne są znakowane analogicznie jak stale ferrytyczne. Stale Cr-Ni-Mn mają gorszą odporność na korozję w roztworze chlorków niż stale Cr-Ni, ale są tańsze. Stosuje się je w przemyśle spożywczym i do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące (HCl, H2SO4). Molibden, nikiel i miedź polepszają odporność na działanie H2SO4. Stale austenityczne są odporne na działanie roztworów alkalicznych, ale nie wytrzymują działania stężonych zasad w wyższych temp.. Sole chlorkowe wywołują korozję wżerową. Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnych jest wywołana powstaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr23C6), które wyciągają chrom ze strefy przygranicznej. Jeśli zawartość chromu w roztworze spadnie poniżej 12%, ulega ona korozji jak zwykła stal. Korozja międzykrystaliczna niszczy spójność ziarn, sięga na duże głębokości i jest trudno zauważalna. Zapobiegać jej można przez: -ograniczenie zawartości węgla do 0,02­÷0,03%; -stosowanie przesycenia stali od temp. 1000÷1100°C, przez co osiąga się równomierne rozłożenie węgla w roztworze; -unikanie nagrzewania stali do temp. 500÷800°C, przy której wydzielają się węgliki chromu (jest to niemożliwe, jeśli stale te muszą być spawane); -wprowadzenie do stali tytanu lub niobu co najmniej w ilości 5- lub 10-krotnej zawartości węgla. Dodatki te tworzą trwałe węgliki MC usuwając węgiel z roztworu stałego i uodparniają całkowicie stal na korozję międzykrystaliczną. Stale są spawalne bez konieczności ich przesycania. Niob, chociaż droższy, daje lepsze efekty, gdyż nie obniża odporności na korozję i nie wypala się przy spawaniu. Stale austenityczne cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi. Granicę plastyczności można podnieść przez dodatek azotu lub przez zgniot. Z profili giętych i spawanych punktowo można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe konstrukcje. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających w temp. wyższych od 500°C, natomiast żarowytrzymałość - odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach (pełzanie). Żaroodporność wiąże się ściśle ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Warstwa zgorzeliny powinna być zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie powinna być mała. Warunki takie spełniają jednofazowe stale austenityczne lub ferrytyczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu oraz zawierające dodatkowo takie pierwiastki, jak krzem i aluminium. Odporność na korozję gazową zależy również od składu atmosfery, np. obecność związków siarki działa ujemnie na stale zawierające nikiel. Żarowytrzymałość jest zależna od odporności stali na pełzanie, a więc sprzyjają jej takie czynniki, jak zmniejszenie współczynników samodyfuzji składników stopu, wydzielenie dyspersyjnych faz, zwłaszcza na granicach ziarn, oraz rozrost ziarn. W stalach austenitycznych współczynniki dyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Gazy redukujące są bardziej szkodliwe niż utleniające. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe ogólnego przeznaczenia. Gatunki niżej stopowe mają strukturę ferrytyczno-perlityczną (np. H5M) i zakres temperatur ich pracy jest najniższy. Stale wyżej stopowe na osnowie chromu (np. 2H17, H13JS, H25T) są ferrytyczne i mogą być stosowane od 850÷1200°C. W zależności od gatunku stale chromoniklowe o strukturze austenitycznej z dodatkiem krzemu, wolframu i molibdenu mogą być również stosowane od 850÷1150°C, przy czym zarówno stale ferrytyczne, jak austenityczne wykazują tym większą żaroodporność, im więcej zawierają pierwiastków stopowych. Stale zaworowe. Od stali zaworowych wymaga się oprócz odporności na korozję gazową, również odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Stale te powinny dawać się łatwo kształtować i skrawać. Stale zaworowe zawierają podobny zestaw pierwiastków stopowych jak stale żarowytrzymałe, z tym że zawartość węgla dochodzi w nich do 0,5%. Struktura tych stali jest albo martenzytyczna (np. H10S2M), albo austenityczna z zawartością węglików (np. 4H14N14W2M), dzięki czemu następuje utwardzenie wydzieleniowe stali. Obróbka stali chromowo-krzemowych polega na hartowaniu w oleju od temp. 1020÷1070°C. Odpuszczanie przeprowadza się w zakresie 700÷800°C. Stale austenityczne przesyca się od temp. ok. 1000°C i poddaje starzeniu w temp. 700÷750°C. Stale i stopy na elementy grzewcze. Stale na elementy grzewcze pieców powinny cechować się następującymi własnościami: dużą odpornością właściwą, odpornością na utlenianie i rozrost ziarn oraz pewną minimalną wytrzymałością zapobiegającą odkształcaniu elementów. W tym celu stosuje się stopy austenityczne, tzw. nichromy, zawierające ok. 80% Ni i 20% Cr. Temperatura ich pracy wynosi 1200°C. Dodatek żelaza do tych stopów (do 50%) obniża temp. pracy do 1050°C. Druga grupa stopów to niskowęglowe stale chromowe z dodatkiem 5% Al, ferrytyczne lub ewentualnie z kobaltem (do 3%) - typu kanthal. Mają temp. pracy 1200÷1300°C. Stosuje się również stopy wieloskładnikowe, np. magapyr lub alchrom, mające temp. pracy 1300°C. Plastyczność stopów oporowych maleje ze wzrostem zawartości chromu i przy dużych zawartościach elementy grzewcze wytwarza się metodą odlewania. Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności. Stopy tego rodzaju nazywane nadstopami są stosowane w temp. wyższych od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów: Na osnowie Fe-Cr-Ni, temp. pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C. 1.Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temp. 800÷850°C. 2.Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę własności tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40÷60%, a oprócz tego zawierają Cr, Ni, Mo, W. Temp. pracy tych stopów dochodzi do 980°C. Ostatnią grupę stopów stanowią tzw. nimoniki na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temp. pracy do 1000°C. Gotowe łopatki turbin poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (aluminiowaniu), która istotnie poprawia ich żywotność.

STALE NARZĘDZIOWE STOPOWE Stalom narzędziowym stawia się inne wymagania niż konstrukcyjnym. Powinny one cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie. Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone (M23C6 i M6C), tzn. chrom, molibden i wolfram. Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków ich pracy, na trzy grupy: stale do pracy na zimno, stale do pracy na gorąco, stale szybkotnące. Przez określenie na zimno rozumie się, że temp. pracy narzędzia nie wzrasta ponad 250°C, a na gorąco, że utrzymuje się w zakresie do ok. 600°C. Znakowanie stali narzędziowych. Stale do pracy na zimno oznacza się na początku literą N, stale do pracy na gorąco - literą W, a stale szybkotnące - literą S. Pierwiastki stopowe oznacza się następującymi literami: C - chrom, K - kobalt, L - molibden (stalach N i W), M - mangan (w N i W), molibden (w S), P - grupa : chrom, molibden, wanad, Z - grupa: krzem, chrom, wolfram, S - krzem, W - wolfram, V - wanad. Cyfry w stalach W i S umieszczone po symbolu dodatku stopowego oznaczają średnią zawartość tego pierwiastka w procentach, w stalach N nie jest zawsze przestrzegana ta zasada. Stale do pracy na zimno. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom (do 12%), wolfram (do 9%) i wanad (do 2%, zwykle jednak ok. 0,25%). Nieliczne z nich mają zwiększoną zawartość manganu, krzemu, niklu lub molibdenu. W wielu stalach do pracy na zimno głównymi dodatkami stopowymi są węgiel i chrom i dlatego one decydują o strukturze tych stali. Jako stale narzędziowe są stosowane głównie stale martenzytyczne. Stale te można podzielić na trzy grupy: Do pierwszej grupy zaliczamy stale nisko- i średnio- stopowe o zawartości ok. 1%C - nadeutektoidalne, o małej lub średniej hartowności. Mają one po zahartowaniu wysoką twardość (ponad 60 HRC), ale stosunkowo małą odporność na odpuszczanie. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do obróbki papieru, gumy, drewna oraz metalu (gwintowniki, narzynki, piłki) oraz sprawdziany i przyrządy pomiarowe. Do grupy drugiej należą stale zawierające mało węgla (ok. 0,5%), średniostopowe o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt dużą twardością, ale znaczną ciągliwością. Są one dzięki temu stosowane na narzędzia udarowe, jak dłuta, nitowniki, przebijaki, tłoczniki, stemple. Po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną (bez węglików). Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania, co powoduje, że stale te mogą pracować w podwyższonej temperaturze. Do trzeciej grupy zaliczamy stale wysokostopowe o dużej zawartości węgla dochodzącej do 2%. Mają one strukturę ledeburyczną, cechuje je duża hartowność. Są hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach. Ze względu na dużą ilość węglików mają znaczną odporność na ścieranie, są głównie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach, jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noże do nożyc. Mogą również pracować w podwyższonych temperaturach. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno polega na ich zmiękczaniu do ok. 250 HB drogą wyżarzania, zwykle w zakresie temp. 680­­­­­­*850°C. Po obróbce mechanicznej poddaje się je hartowaniu w wodzie lub oleju, z tym, że stale wyżej stopowe hartuje się w oleju. Temperatura hartowania na ogół jest zawarta w granicach 800*900°C; przy chłodzeniu w wodzie jest o ok. 20°C niższa. Stale zawierające więcej dodatków stopowych węglikotwórczych hartuje się od wyższych temp. 950*1050°C. Twardość po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zależy od temperatury i czasu austenityzowania (od ilości rozpuszczonych węglików). Stale do pracy na gorąco. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie ciepła. Powinny więc mieć możliwie dużą twardość, utrzymującą się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie termiczne. Wymienione własności osiągają stale średniowęglowe (0,3*0,55% C) zawierające przede wszystkim takie pierwiastki stopowe, jak chrom i molibden, rzadziej - wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Chrom występuje we wszystkich stalach w ilościach 0,65*5%, molibden w większości z nich w ilościach 0,25*3%; wanad głównie jako mikrododatek na ogół 0,2*0,6%. Jak również stal z borem (MNLB - ok. 0,003% B). Stal WLK zawiera ok. 3% Co i 3% Mo. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na: stale wyżej stopowe oraz stale niżej stopowe. Stale wyżej stopowe są bardziej odporne na odpuszczające działanie ciepła i w związku z tym są stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach, np. wysoko obciążone matryce, formy do odlewania ciśnieniowego. Najbardziej popularną stalą matrycową jest stal WNL. Znaczny wzrost żywotności matryc można osiągnąć stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromowanie. Na narzędzia pracujące w temp. powyżej 600°C stosuje się żarowytrzymałe stale austenityczne. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco, zwłaszcza zawierających wolfram i molibden, powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtórnej. Stale wyżej stopowe należy hartować od wysokich temperatur, np. stal WWV hartuje się od temp. 1100*1140°C. Temperatura odpuszczania mieści się na ogół w zakresie 500*600°C, z tym że dla stali o większej zawartości pierwiastków stopowych może być wyższa. Narzędzia ze stali do pracy na gorąco powinny być przed rozpoczęciem eksploatacji nagrzane do 200*300°C i nie należy ich schładzać w czasie pracy poniżej tego zakresu, ponieważ to przyspiesza ich zmęczenie termiczne. Stale szybkotnące. Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550*600°C. Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania. Zawierają one znaczną ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą nawet do 30%. Własności pierwiastków stopowych: chrom zapewnia odpowiednio dużą hartowność stali. Wolfram i molibden tworzą węgliki pierwotne bardzo odporne na ścieranie, a przy odpuszczaniu - dyspersyjne węgliki typu M2C, które silnie umacniają stal, z tym że molibden może zastąpić podwójną ilość wolframu. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczątkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzędzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde węgliki typu MC (V4C3), które utrudniają rozrost ziarna austenitu podczas austenityzowania, a wydzielając się przy odpuszczaniu mają duży wpływ na twardość wtórną. Pod względem struktury węgliki w stalach wyżarzonych można podzielić na: - węgliki typu M6C, w których oprócz żelaza występuje wolfram, molibden i wanad; - węgliki typu M23C6 bogate w chrom i żelazo; - węgliki typu MC bogate w wanad, najtwardsze i zawierające najwięcej węgla. Stosunek ilościowy wymienionych węglików zależy od składu chemicznego stali. Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na ich hartowaniu od temperatur bliskich solidusu (1200*1270°C) i następnym odpuszczaniu. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych w stopionych BaCl2, dwu- lub trójstopniowo celem zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i skłonności do pękania. Bardzo ważną operacją obróbki cieplnej stali szybkotnącej jest wyżarzanie zmiękczające przeprowadzane w zakresie 800*840°C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Własności narzędzi ze stali szybkotnących zależą od technologii ich wytwarzania. Można je otrzymać trzema metodami: 1) przez odlewanie metodą traconego wosku, 2) ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, 3) ze stali otrzymanej metodą metalurgii proszków. Najgorsze własności mają narzędzia otrzymane metodą odlewania, a najlepsze - metodą metalurgii proszków. Problem jakości wiąże się ściśle ze stopniem dyspersji i segregacją węglików. Jeśli stale mają drobne i równomiernie rozłożone węgliki, to duży wpływ na jakość wykonywanych z nich narzędzi będzie wywierać obróbka cieplna. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu, nie może mieć rozrośniętego ziarna, a jednocześnie powinna być maksymalnie twarda. Odporność na ścieranie, a więc skrawalność, zależy od składu chemicznego. Stale niżej stopowe zawierają mniej fazy węglikowej, są mniej odporne na ścieranie i nie są zalecane. Dodatek do stali kobaltu lub molibdenu zwiększa odporność narzędzi na odpuszczające działanie ciepła, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiększoną zawartością węgla i wanadu są bardziej odporne na ścieranie, gdyż zawierają więcej twardego węglika MC, ale jednocześnie ich szlifowanie sprawia duże trudności. Dalsze zwiększenie odporności na ścieranie można uzyskać przez zastosowanie obróbki cieplno - chemicznej: azotowania, tleno-azotowania, siarko-azotowania i cyjanowania lub pasywowania w przegrzanej parze wodnej. Rodzaj stali na narzędzia powinien być dobrany w zależności od własności skrawanego materiału, kształtu samego narzędzia i charakteru jego pracy. STALE NIERDZEWNE I KWASOODPORNE. Stale tej grupy muszą być odporne na korozję, przy czym od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i słabych roztworów soli lub kwasów, natomiast od stali kwasoodpornych odporność na działanie stężonych kwasów i ługów. Stale kwasoodporne nie są w jednakowym stopniu odporne na wszystkie kwasy i w związku z tym granica między stalami nierdzewnymi i kwasoodpornymi nie jest sztywna. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do pasywacji, a to zależy od składu chemicznego stopu. Jest wiele rodzajów korozji, np. równomierna, wżerowa, międzykrystaliczna, naprężeniowa, elektrochemiczna. Najbardziej niebezpieczna jest międzykrystaliczna, gdyż zachodzi nierównomiernie i na dużych głębokościach. Najbardziej odporne na korozję elektrochemiczną są materiały jednofazowe, dlatego że stale nierdzewne i kwasoodporne są przeważnie stalami ferrytycznymi lub austenitycznymi. W materiale dwufazowym istnieją warunki do powstawania tzw. ogniw lokalnych przyspieszających korozję. Stale ferrytyczne i martenzytyczne. Wprowadzenie do żelaza ok. 12% Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17% Cr i C<0,05% ferryt jest stabilny aż do temp. Topnienia. Jeśli stale zawierają ok. 13% Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temp. 1000÷1100°C pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temp. 700°C. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temp. 700°C przez okres 2h. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiążę azot. Znakowanie stali ferrytycznych i martenzytycznych przeprowadza się podobnie jak stali konstrukcyjnych. Cyfra na początku znaku wskazuje, zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu, cyfra po literze oznaczającej składnik stopowy podaje jego ilość w procentach. W przypadku dodatku tytanu lub aluminium na końcu dodaje się literę T lub J. Stale ferrytyczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie są odporne na kwasy redukujące (solny, siarkowy), są spawalne. Stale martenzytyczne nie są kwasoodporne, lecz nierdzewne. Hartuje się je od 950÷1000°C i odpuszcza w zakresie 600÷700°C. Do temp. ok. 500°C nie tracą twardości i wytrzymałości. Stale o większej zawartości chromu (np. H25T) mogą wykazywać kruchość spowodowaną wydzielaniem fazy σ. Stale martenzytyczne są stosowane na: łopatki turbin, zawory, artykuły gospodarstwa domowego, noże, sprężyny. Stal 2H17N2 jest odporna na działanie wody morskiej, a stal H18 stosuje się na łożyska odporne na korozję oraz narzędzia chirurgiczne. Stale austenityczne. Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bezwęglowych (C<0,1%), zawierających chrom i nikiel. Nikiel może być zastąpiony częściowo manganem. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Stąd szeroko jest stosowana stal 18-8 (18% Cr i 8% Ni). Połowa niklu może być zastąpiona podwójną zawartością manganu. Oprócz wymienionych dodatków wprowadza się do tych stali niekiedy molibden (2÷5%) oraz małe ilości tytanu lub niobu w celu związania węgla, co zapobiega korozji międzykrystalicznej. Dodatek azotu do 0,25% zapobiega rozrostowi ziarna i podwyższa granicę plastyczności. Stale austenityczne są znakowane analogicznie jak stale ferrytyczne. Stale Cr-Ni-Mn mają gorszą odporność na korozję w roztworze chlorków niż stale Cr-Ni, ale są tańsze. Stosuje się je w przemyśle spożywczym i do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące (HCl, H2SO4). Molibden, nikiel i miedź polepszają odporność na działanie H2SO4. Stale austenityczne są odporne na działanie roztworów alkalicznych, ale nie wytrzymują działania stężonych zasad w wyższych temp.. Sole chlorkowe wywołują korozję wżerową. Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnych jest wywołana powstaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr23C6), które wyciągają chrom ze strefy przygranicznej. Jeśli zawartość chromu w roztworze spadnie poniżej 12%, ulega ona korozji jak zwykła stal. Korozja międzykrystaliczna niszczy spójność ziarn, sięga na duże głębokości i jest trudno zauważalna. Zapobiegać jej można przez: -ograniczenie zawartości węgla do 0,02­÷0,03%; -stosowanie przesycenia stali od temp. 1000÷1100°C, przez co osiąga się równomierne rozłożenie węgla w roztworze; -unikanie nagrzewania stali do temp. 500÷800°C, przy której wydzielają się węgliki chromu (jest to niemożliwe, jeśli stale te muszą być spawane); -wprowadzenie do stali tytanu lub niobu co najmniej w ilości 5- lub 10-krotnej zawartości węgla. Dodatki te tworzą trwałe węgliki MC usuwając węgiel z roztworu stałego i uodparniają całkowicie stal na korozję międzykrystaliczną. Stale są spawalne bez konieczności ich przesycania. Niob, chociaż droższy, daje lepsze efekty, gdyż nie obniża odporności na korozję i nie wypala się przy spawaniu. Stale austenityczne cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi. Granicę plastyczności można podnieść przez dodatek azotu lub przez zgniot. Z profili giętych i spawanych punktowo można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe konstrukcje. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających w temp. wyższych od 500°C, natomiast żarowytrzymałość - odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach (pełzanie). Żaroodporność wiąże się ściśle ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Warstwa zgorzeliny powinna być zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie powinna być mała. Warunki takie spełniają jednofazowe stale austenityczne lub ferrytyczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu oraz zawierające dodatkowo takie pierwiastki, jak krzem i aluminium. Odporność na korozję gazową zależy również od składu atmosfery, np. obecność związków siarki działa ujemnie na stale zawierające nikiel. Żarowytrzymałość jest zależna od odporności stali na pełzanie, a więc sprzyjają jej takie czynniki, jak zmniejszenie współczynników samodyfuzji składników stopu, wydzielenie dyspersyjnych faz, zwłaszcza na granicach ziarn, oraz rozrost ziarn. W stalach austenitycznych współczynniki dyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Gazy redukujące są bardziej szkodliwe niż utleniające. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe ogólnego przeznaczenia. Gatunki niżej stopowe mają strukturę ferrytyczno-perlityczną (np. H5M) i zakres temperatur ich pracy jest najniższy. Stale wyżej stopowe na osnowie chromu (np. 2H17, H13JS, H25T) są ferrytyczne i mogą być stosowane od 850÷1200°C. W zależności od gatunku stale chromoniklowe o strukturze austenitycznej z dodatkiem krzemu, wolframu i molibdenu mogą być również stosowane od 850÷1150°C, przy czym zarówno stale ferrytyczne, jak austenityczne wykazują tym większą żaroodporność, im więcej zawierają pierwiastków stopowych. Stale zaworowe. Od stali zaworowych wymaga się oprócz odporności na korozję gazową, również odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Stale te powinny dawać się łatwo kształtować i skrawać. Stale zaworowe zawierają podobny zestaw pierwiastków stopowych jak stale żarowytrzymałe, z tym że zawartość węgla dochodzi w nich do 0,5%. Struktura tych stali jest albo martenzytyczna (np. H10S2M), albo austenityczna z zawartością węglików (np. 4H14N14W2M), dzięki czemu następuje utwardzenie wydzieleniowe stali. Obróbka stali chromowo-krzemowych polega na hartowaniu w oleju od temp. 1020÷1070°C. Odpuszczanie przeprowadza się w zakresie 700÷800°C. Stale austenityczne przesyca się od temp. ok. 1000°C i poddaje starzeniu w temp. 700÷750°C. Stale i stopy na elementy grzewcze. Stale na elementy grzewcze pieców powinny cechować się następującymi własnościami: dużą odpornością właściwą, odpornością na utlenianie i rozrost ziarn oraz pewną minimalną wytrzymałością zapobiegającą odkształcaniu elementów. W tym celu stosuje się stopy austenityczne, tzw. nichromy, zawierające ok. 80% Ni i 20% Cr. Temperatura ich pracy wynosi 1200°C. Dodatek żelaza do tych stopów (do 50%) obniża temp. pracy do 1050°C. Druga grupa stopów to niskowęglowe stale chromowe z dodatkiem 5% Al, ferrytyczne lub ewentualnie z kobaltem (do 3%) - typu kanthal. Mają temp. pracy 1200÷1300°C. Stosuje się również stopy wieloskładnikowe, np. magapyr lub alchrom, mające temp. pracy 1300°C. Plastyczność stopów oporowych maleje ze wzrostem zawartości chromu i przy dużych zawartościach elementy grzewcze wytwarza się metodą odlewania. Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności. Stopy tego rodzaju nazywane nadstopami są stosowane w temp. wyższych od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów: Na osnowie Fe-Cr-Ni, temp. pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C. 1.Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temp. 800÷850°C. 2.Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę własności tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40÷60%, a oprócz tego zawierają Cr, Ni, Mo, W. Temp. pracy tych stopów dochodzi do 980°C. Ostatnią grupę stopów stanowią tzw. nimoniki na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temp. pracy do 1000°C. Gotowe łopatki turbin poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (aluminiowaniu), która istotnie poprawia ich żywotność.

STALE NARZĘDZIOWE STOPOWE Stalom narzędziowym stawia się inne wymagania niż konstrukcyjnym. Powinny one cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie. Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone (M23C6 i M6C), tzn. chrom, molibden i wolfram. Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków ich pracy, na trzy grupy: stale do pracy na zimno, stale do pracy na gorąco, stale szybkotnące. Przez określenie na zimno rozumie się, że temp. pracy narzędzia nie wzrasta ponad 250°C, a na gorąco, że utrzymuje się w zakresie do ok. 600°C. Znakowanie stali narzędziowych. Stale do pracy na zimno oznacza się na początku literą N, stale do pracy na gorąco - literą W, a stale szybkotnące - literą S. Pierwiastki stopowe oznacza się następującymi literami: C - chrom, K - kobalt, L - molibden (stalach N i W), M - mangan (w N i W), molibden (w S), P - grupa : chrom, molibden, wanad, Z - grupa: krzem, chrom, wolfram, S - krzem, W - wolfram, V - wanad. Cyfry w stalach W i S umieszczone po symbolu dodatku stopowego oznaczają średnią zawartość tego pierwiastka w procentach, w stalach N nie jest zawsze przestrzegana ta zasada. Stale do pracy na zimno. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom (do 12%), wolfram (do 9%) i wanad (do 2%, zwykle jednak ok. 0,25%). Nieliczne z nich mają zwiększoną zawartość manganu, krzemu, niklu lub molibdenu. W wielu stalach do pracy na zimno głównymi dodatkami stopowymi są węgiel i chrom i dlatego one decydują o strukturze tych stali. Jako stale narzędziowe są stosowane głównie stale martenzytyczne. Stale te można podzielić na trzy grupy: Do pierwszej grupy zaliczamy stale nisko- i średnio- stopowe o zawartości ok. 1%C - nadeutektoidalne, o małej lub średniej hartowności. Mają one po zahartowaniu wysoką twardość (ponad 60 HRC), ale stosunkowo małą odporność na odpuszczanie. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do obróbki papieru, gumy, drewna oraz metalu (gwintowniki, narzynki, piłki) oraz sprawdziany i przyrządy pomiarowe. Do grupy drugiej należą stale zawierające mało węgla (ok. 0,5%), średniostopowe o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt dużą twardością, ale znaczną ciągliwością. Są one dzięki temu stosowane na narzędzia udarowe, jak dłuta, nitowniki, przebijaki, tłoczniki, stemple. Po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną (bez węglików). Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania, co powoduje, że stale te mogą pracować w podwyższonej temperaturze. Do trzeciej grupy zaliczamy stale wysokostopowe o dużej zawartości węgla dochodzącej do 2%. Mają one strukturę ledeburyczną, cechuje je duża hartowność. Są hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach. Ze względu na dużą ilość węglików mają znaczną odporność na ścieranie, są głównie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach, jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noże do nożyc. Mogą również pracować w podwyższonych temperaturach. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno polega na ich zmiękczaniu do ok. 250 HB drogą wyżarzania, zwykle w zakresie temp. 680­­­­­­*850°C. Po obróbce mechanicznej poddaje się je hartowaniu w wodzie lub oleju, z tym, że stale wyżej stopowe hartuje się w oleju. Temperatura hartowania na ogół jest zawarta w granicach 800*900°C; przy chłodzeniu w wodzie jest o ok. 20°C niższa. Stale zawierające więcej dodatków stopowych węglikotwórczych hartuje się od wyższych temp. 950*1050°C. Twardość po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zależy od temperatury i czasu austenityzowania (od ilości rozpuszczonych węglików). Stale do pracy na gorąco. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie ciepła. Powinny więc mieć możliwie dużą twardość, utrzymującą się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie termiczne. Wymienione własności osiągają stale średniowęglowe (0,3*0,55% C) zawierające przede wszystkim takie pierwiastki stopowe, jak chrom i molibden, rzadziej - wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Chrom występuje we wszystkich stalach w ilościach 0,65*5%, molibden w większości z nich w ilościach 0,25*3%; wanad głównie jako mikrododatek na ogół 0,2*0,6%. Jak również stal z borem (MNLB - ok. 0,003% B). Stal WLK zawiera ok. 3% Co i 3% Mo. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na: stale wyżej stopowe oraz stale niżej stopowe. Stale wyżej stopowe są bardziej odporne na odpuszczające działanie ciepła i w związku z tym są stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach, np. wysoko obciążone matryce, formy do odlewania ciśnieniowego. Najbardziej popularną stalą matrycową jest stal WNL. Znaczny wzrost żywotności matryc można osiągnąć stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromowanie. Na narzędzia pracujące w temp. powyżej 600°C stosuje się żarowytrzymałe stale austenityczne. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco, zwłaszcza zawierających wolfram i molibden, powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtórnej. Stale wyżej stopowe należy hartować od wysokich temperatur, np. stal WWV hartuje się od temp. 1100*1140°C. Temperatura odpuszczania mieści się na ogół w zakresie 500*600°C, z tym że dla stali o większej zawartości pierwiastków stopowych może być wyższa. Narzędzia ze stali do pracy na gorąco powinny być przed rozpoczęciem eksploatacji nagrzane do 200*300°C i nie należy ich schładzać w czasie pracy poniżej tego zakresu, ponieważ to przyspiesza ich zmęczenie termiczne. Stale szybkotnące. Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550*600°C. Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania. Zawierają one znaczną ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą nawet do 30%. Własności pierwiastków stopowych: chrom zapewnia odpowiednio dużą hartowność stali. Wolfram i molibden tworzą węgliki pierwotne bardzo odporne na ścieranie, a przy odpuszczaniu - dyspersyjne węgliki typu M2C, które silnie umacniają stal, z tym że molibden może zastąpić podwójną ilość wolframu. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczątkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzędzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde węgliki typu MC (V4C3), które utrudniają rozrost ziarna austenitu podczas austenityzowania, a wydzielając się przy odpuszczaniu mają duży wpływ na twardość wtórną. Pod względem struktury węgliki w stalach wyżarzonych można podzielić na: - węgliki typu M6C, w których oprócz żelaza występuje wolfram, molibden i wanad; - węgliki typu M23C6 bogate w chrom i żelazo; - węgliki typu MC bogate w wanad, najtwardsze i zawierające najwięcej węgla. Stosunek ilościowy wymienionych węglików zależy od składu chemicznego stali. Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na ich hartowaniu od temperatur bliskich solidusu (1200*1270°C) i następnym odpuszczaniu. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych w stopionych BaCl2, dwu- lub trójstopniowo celem zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i skłonności do pękania. Bardzo ważną operacją obróbki cieplnej stali szybkotnącej jest wyżarzanie zmiękczające przeprowadzane w zakresie 800*840°C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Własności narzędzi ze stali szybkotnących zależą od technologii ich wytwarzania. Można je otrzymać trzema metodami: 1) przez odlewanie metodą traconego wosku, 2) ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, 3) ze stali otrzymanej metodą metalurgii proszków. Najgorsze własności mają narzędzia otrzymane metodą odlewania, a najlepsze - metodą metalurgii proszków. Problem jakości wiąże się ściśle ze stopniem dyspersji i segregacją węglików. Jeśli stale mają drobne i równomiernie rozłożone węgliki, to duży wpływ na jakość wykonywanych z nich narzędzi będzie wywierać obróbka cieplna. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu, nie może mieć rozrośniętego ziarna, a jednocześnie powinna być maksymalnie twarda. Odporność na ścieranie, a więc skrawalność, zależy od składu chemicznego. Stale niżej stopowe zawierają mniej fazy węglikowej, są mniej odporne na ścieranie i nie są zalecane. Dodatek do stali kobaltu lub molibdenu zwiększa odporność narzędzi na odpuszczające działanie ciepła, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiększoną zawartością węgla i wanadu są bardziej odporne na ścieranie, gdyż zawierają więcej twardego węglika MC, ale jednocześnie ich szlifowanie sprawia duże trudności. Dalsze zwiększenie odporności na ścieranie można uzyskać przez zastosowanie obróbki cieplno - chemicznej: azotowania, tleno-azotowania, siarko-azotowania i cyjanowania lub pasywowania w przegrzanej parze wodnej. Rodzaj stali na narzędzia powinien być dobrany w zależności od własności skrawanego materiału, kształtu samego narzędzia i charakteru jego pracy. STALE NIERDZEWNE I KWASOODPORNE. Stale tej grupy muszą być odporne na korozję, przy czym od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i słabych roztworów soli lub kwasów, natomiast od stali kwasoodpornych odporność na działanie stężonych kwasów i ługów. Stale kwasoodporne nie są w jednakowym stopniu odporne na wszystkie kwasy i w związku z tym granica między stalami nierdzewnymi i kwasoodpornymi nie jest sztywna. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do pasywacji, a to zależy od składu chemicznego stopu. Jest wiele rodzajów korozji, np. równomierna, wżerowa, międzykrystaliczna, naprężeniowa, elektrochemiczna. Najbardziej niebezpieczna jest międzykrystaliczna, gdyż zachodzi nierównomiernie i na dużych głębokościach. Najbardziej odporne na korozję elektrochemiczną są materiały jednofazowe, dlatego że stale nierdzewne i kwasoodporne są przeważnie stalami ferrytycznymi lub austenitycznymi. W materiale dwufazowym istnieją warunki do powstawania tzw. ogniw lokalnych przyspieszających korozję. Stale ferrytyczne i martenzytyczne. Wprowadzenie do żelaza ok. 12% Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17% Cr i C<0,05% ferryt jest stabilny aż do temp. Topnienia. Jeśli stale zawierają ok. 13% Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temp. 1000÷1100°C pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temp. 700°C. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temp. 700°C przez okres 2h. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiążę azot. Znakowanie stali ferrytycznych i martenzytycznych przeprowadza się podobnie jak stali konstrukcyjnych. Cyfra na początku znaku wskazuje, zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu, cyfra po literze oznaczającej składnik stopowy podaje jego ilość w procentach. W przypadku dodatku tytanu lub aluminium na końcu dodaje się literę T lub J. Stale ferrytyczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie są odporne na kwasy redukujące (solny, siarkowy), są spawalne. Stale martenzytyczne nie są kwasoodporne, lecz nierdzewne. Hartuje się je od 950÷1000°C i odpuszcza w zakresie 600÷700°C. Do temp. ok. 500°C nie tracą twardości i wytrzymałości. Stale o większej zawartości chromu (np. H25T) mogą wykazywać kruchość spowodowaną wydzielaniem fazy σ. Stale martenzytyczne są stosowane na: łopatki turbin, zawory, artykuły gospodarstwa domowego, noże, sprężyny. Stal 2H17N2 jest odporna na działanie wody morskiej, a stal H18 stosuje się na łożyska odporne na korozję oraz narzędzia chirurgiczne. Stale austenityczne. Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bezwęglowych (C<0,1%), zawierających chrom i nikiel. Nikiel może być zastąpiony częściowo manganem. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Stąd szeroko jest stosowana stal 18-8 (18% Cr i 8% Ni). Połowa niklu może być zastąpiona podwójną zawartością manganu. Oprócz wymienionych dodatków wprowadza się do tych stali niekiedy molibden (2÷5%) oraz małe ilości tytanu lub niobu w celu związania węgla, co zapobiega korozji międzykrystalicznej. Dodatek azotu do 0,25% zapobiega rozrostowi ziarna i podwyższa granicę plastyczności. Stale austenityczne są znakowane analogicznie jak stale ferrytyczne. Stale Cr-Ni-Mn mają gorszą odporność na korozję w roztworze chlorków niż stale Cr-Ni, ale są tańsze. Stosuje się je w przemyśle spożywczym i do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące (HCl, H2SO4). Molibden, nikiel i miedź polepszają odporność na działanie H2SO4. Stale austenityczne są odporne na działanie roztworów alkalicznych, ale nie wytrzymują działania stężonych zasad w wyższych temp.. Sole chlorkowe wywołują korozję wżerową. Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnych jest wywołana powstaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr23C6), które wyciągają chrom ze strefy przygranicznej. Jeśli zawartość chromu w roztworze spadnie poniżej 12%, ulega ona korozji jak zwykła stal. Korozja międzykrystaliczna niszczy spójność ziarn, sięga na duże głębokości i jest trudno zauważalna. Zapobiegać jej można przez: -ograniczenie zawartości węgla do 0,02­÷0,03%; -stosowanie przesycenia stali od temp. 1000÷1100°C, przez co osiąga się równomierne rozłożenie węgla w roztworze; -unikanie nagrzewania stali do temp. 500÷800°C, przy której wydzielają się węgliki chromu (jest to niemożliwe, jeśli stale te muszą być spawane); -wprowadzenie do stali tytanu lub niobu co najmniej w ilości 5- lub 10-krotnej zawartości węgla. Dodatki te tworzą trwałe węgliki MC usuwając węgiel z roztworu stałego i uodparniają całkowicie stal na korozję międzykrystaliczną. Stale są spawalne bez konieczności ich przesycania. Niob, chociaż droższy, daje lepsze efekty, gdyż nie obniża odporności na korozję i nie wypala się przy spawaniu. Stale austenityczne cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi. Granicę plastyczności można podnieść przez dodatek azotu lub przez zgniot. Z profili giętych i spawanych punktowo można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe konstrukcje. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających w temp. wyższych od 500°C, natomiast żarowytrzymałość - odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach (pełzanie). Żaroodporność wiąże się ściśle ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Warstwa zgorzeliny powinna być zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie powinna być mała. Warunki takie spełniają jednofazowe stale austenityczne lub ferrytyczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu oraz zawierające dodatkowo takie pierwiastki, jak krzem i aluminium. Odporność na korozję gazową zależy również od składu atmosfery, np. obecność związków siarki działa ujemnie na stale zawierające nikiel. Żarowytrzymałość jest zależna od odporności stali na pełzanie, a więc sprzyjają jej takie czynniki, jak zmniejszenie współczynników samodyfuzji składników stopu, wydzielenie dyspersyjnych faz, zwłaszcza na granicach ziarn, oraz rozrost ziarn. W stalach austenitycznych współczynniki dyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Gazy redukujące są bardziej szkodliwe niż utleniające. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe ogólnego przeznaczenia. Gatunki niżej stopowe mają strukturę ferrytyczno-perlityczną (np. H5M) i zakres temperatur ich pracy jest najniższy. Stale wyżej stopowe na osnowie chromu (np. 2H17, H13JS, H25T) są ferrytyczne i mogą być stosowane od 850÷1200°C. W zależności od gatunku stale chromoniklowe o strukturze austenitycznej z dodatkiem krzemu, wolframu i molibdenu mogą być również stosowane od 850÷1150°C, przy czym zarówno stale ferrytyczne, jak austenityczne wykazują tym większą żaroodporność, im więcej zawierają pierwiastków stopowych. Stale zaworowe. Od stali zaworowych wymaga się oprócz odporności na korozję gazową, również odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Stale te powinny dawać się łatwo kształtować i skrawać. Stale zaworowe zawierają podobny zestaw pierwiastków stopowych jak stale żarowytrzymałe, z tym że zawartość węgla dochodzi w nich do 0,5%. Struktura tych stali jest albo martenzytyczna (np. H10S2M), albo austenityczna z zawartością węglików (np. 4H14N14W2M), dzięki czemu następuje utwardzenie wydzieleniowe stali. Obróbka stali chromowo-krzemowych polega na hartowaniu w oleju od temp. 1020÷1070°C. Odpuszczanie przeprowadza się w zakresie 700÷800°C. Stale austenityczne przesyca się od temp. ok. 1000°C i poddaje starzeniu w temp. 700÷750°C. Stale i stopy na elementy grzewcze. Stale na elementy grzewcze pieców powinny cechować się następującymi własnościami: dużą odpornością właściwą, odpornością na utlenianie i rozrost ziarn oraz pewną minimalną wytrzymałością zapobiegającą odkształcaniu elementów. W tym celu stosuje się stopy austenityczne, tzw. nichromy, zawierające ok. 80% Ni i 20% Cr. Temperatura ich pracy wynosi 1200°C. Dodatek żelaza do tych stopów (do 50%) obniża temp. pracy do 1050°C. Druga grupa stopów to niskowęglowe stale chromowe z dodatkiem 5% Al, ferrytyczne lub ewentualnie z kobaltem (do 3%) - typu kanthal. Mają temp. pracy 1200÷1300°C. Stosuje się również stopy wieloskładnikowe, np. magapyr lub alchrom, mające temp. pracy 1300°C. Plastyczność stopów oporowych maleje ze wzrostem zawartości chromu i przy dużych zawartościach elementy grzewcze wytwarza się metodą odlewania. Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności. Stopy tego rodzaju nazywane nadstopami są stosowane w temp. wyższych od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów: Na osnowie Fe-Cr-Ni, temp. pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C. 1.Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temp. 800÷850°C. 2.Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę własności tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40÷60%, a oprócz tego zawierają Cr, Ni, Mo, W. Temp. pracy tych stopów dochodzi do 980°C. Ostatnią grupę stopów stanowią tzw. nimoniki na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temp. pracy do 1000°C. Gotowe łopatki turbin poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (aluminiowaniu), która istotnie poprawia ich żywotność.

STALE NARZĘDZIOWE STOPOWE Stalom narzędziowym stawia się inne wymagania niż konstrukcyjnym. Powinny one cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie. Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone (M23C6 i M6C), tzn. chrom, molibden i wolfram. Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków ich pracy, na trzy grupy: stale do pracy na zimno, stale do pracy na gorąco, stale szybkotnące. Przez określenie na zimno rozumie się, że temp. pracy narzędzia nie wzrasta ponad 250°C, a na gorąco, że utrzymuje się w zakresie do ok. 600°C. Znakowanie stali narzędziowych. Stale do pracy na zimno oznacza się na początku literą N, stale do pracy na gorąco - literą W, a stale szybkotnące - literą S. Pierwiastki stopowe oznacza się następującymi literami: C - chrom, K - kobalt, L - molibden (stalach N i W), M - mangan (w N i W), molibden (w S), P - grupa : chrom, molibden, wanad, Z - grupa: krzem, chrom, wolfram, S - krzem, W - wolfram, V - wanad. Cyfry w stalach W i S umieszczone po symbolu dodatku stopowego oznaczają średnią zawartość tego pierwiastka w procentach, w stalach N nie jest zawsze przestrzegana ta zasada. Stale do pracy na zimno. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom (do 12%), wolfram (do 9%) i wanad (do 2%, zwykle jednak ok. 0,25%). Nieliczne z nich mają zwiększoną zawartość manganu, krzemu, niklu lub molibdenu. W wielu stalach do pracy na zimno głównymi dodatkami stopowymi są węgiel i chrom i dlatego one decydują o strukturze tych stali. Jako stale narzędziowe są stosowane głównie stale martenzytyczne. Stale te można podzielić na trzy grupy: Do pierwszej grupy zaliczamy stale nisko- i średnio- stopowe o zawartości ok. 1%C - nadeutektoidalne, o małej lub średniej hartowności. Mają one po zahartowaniu wysoką twardość (ponad 60 HRC), ale stosunkowo małą odporność na odpuszczanie. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do obróbki papieru, gumy, drewna oraz metalu (gwintowniki, narzynki, piłki) oraz sprawdziany i przyrządy pomiarowe. Do grupy drugiej należą stale zawierające mało węgla (ok. 0,5%), średniostopowe o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt dużą twardością, ale znaczną ciągliwością. Są one dzięki temu stosowane na narzędzia udarowe, jak dłuta, nitowniki, przebijaki, tłoczniki, stemple. Po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną (bez węglików). Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania, co powoduje, że stale te mogą pracować w podwyższonej temperaturze. Do trzeciej grupy zaliczamy stale wysokostopowe o dużej zawartości węgla dochodzącej do 2%. Mają one strukturę ledeburyczną, cechuje je duża hartowność. Są hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach. Ze względu na dużą ilość węglików mają znaczną odporność na ścieranie, są głównie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach, jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noże do nożyc. Mogą również pracować w podwyższonych temperaturach. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno polega na ich zmiękczaniu do ok. 250 HB drogą wyżarzania, zwykle w zakresie temp. 680­­­­­­*850°C. Po obróbce mechanicznej poddaje się je hartowaniu w wodzie lub oleju, z tym, że stale wyżej stopowe hartuje się w oleju. Temperatura hartowania na ogół jest zawarta w granicach 800*900°C; przy chłodzeniu w wodzie jest o ok. 20°C niższa. Stale zawierające więcej dodatków stopowych węglikotwórczych hartuje się od wyższych temp. 950*1050°C. Twardość po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zależy od temperatury i czasu austenityzowania (od ilości rozpuszczonych węglików). Stale do pracy na gorąco. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie ciepła. Powinny więc mieć możliwie dużą twardość, utrzymującą się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie termiczne. Wymienione własności osiągają stale średniowęglowe (0,3*0,55% C) zawierające przede wszystkim takie pierwiastki stopowe, jak chrom i molibden, rzadziej - wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Chrom występuje we wszystkich stalach w ilościach 0,65*5%, molibden w większości z nich w ilościach 0,25*3%; wanad głównie jako mikrododatek na ogół 0,2*0,6%. Jak również stal z borem (MNLB - ok. 0,003% B). Stal WLK zawiera ok. 3% Co i 3% Mo. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na: stale wyżej stopowe oraz stale niżej stopowe. Stale wyżej stopowe są bardziej odporne na odpuszczające działanie ciepła i w związku z tym są stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach, np. wysoko obciążone matryce, formy do odlewania ciśnieniowego. Najbardziej popularną stalą matrycową jest stal WNL. Znaczny wzrost żywotności matryc można osiągnąć stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromowanie. Na narzędzia pracujące w temp. powyżej 600°C stosuje się żarowytrzymałe stale austenityczne. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco, zwłaszcza zawierających wolfram i molibden, powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtórnej. Stale wyżej stopowe należy hartować od wysokich temperatur, np. stal WWV hartuje się od temp. 1100*1140°C. Temperatura odpuszczania mieści się na ogół w zakresie 500*600°C, z tym że dla stali o większej zawartości pierwiastków stopowych może być wyższa. Narzędzia ze stali do pracy na gorąco powinny być przed rozpoczęciem eksploatacji nagrzane do 200*300°C i nie należy ich schładzać w czasie pracy poniżej tego zakresu, ponieważ to przyspiesza ich zmęczenie termiczne. Stale szybkotnące. Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550*600°C. Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania. Zawierają one znaczną ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą nawet do 30%. Własności pierwiastków stopowych: chrom zapewnia odpowiednio dużą hartowność stali. Wolfram i molibden tworzą węgliki pierwotne bardzo odporne na ścieranie, a przy odpuszczaniu - dyspersyjne węgliki typu M2C, które silnie umacniają stal, z tym że molibden może zastąpić podwójną ilość wolframu. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczątkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzędzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde węgliki typu MC (V4C3), które utrudniają rozrost ziarna austenitu podczas austenityzowania, a wydzielając się przy odpuszczaniu mają duży wpływ na twardość wtórną. Pod względem struktury węgliki w stalach wyżarzonych można podzielić na: - węgliki typu M6C, w których oprócz żelaza występuje wolfram, molibden i wanad; - węgliki typu M23C6 bogate w chrom i żelazo; - węgliki typu MC bogate w wanad, najtwardsze i zawierające najwięcej węgla. Stosunek ilościowy wymienionych węglików zależy od składu chemicznego stali. Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na ich hartowaniu od temperatur bliskich solidusu (1200*1270°C) i następnym odpuszczaniu. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych w stopionych BaCl2, dwu- lub trójstopniowo celem zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i skłonności do pękania. Bardzo ważną operacją obróbki cieplnej stali szybkotnącej jest wyżarzanie zmiękczające przeprowadzane w zakresie 800*840°C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Własności narzędzi ze stali szybkotnących zależą od technologii ich wytwarzania. Można je otrzymać trzema metodami: 1) przez odlewanie metodą traconego wosku, 2) ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, 3) ze stali otrzymanej metodą metalurgii proszków. Najgorsze własności mają narzędzia otrzymane metodą odlewania, a najlepsze - metodą metalurgii proszków. Problem jakości wiąże się ściśle ze stopniem dyspersji i segregacją węglików. Jeśli stale mają drobne i równomiernie rozłożone węgliki, to duży wpływ na jakość wykonywanych z nich narzędzi będzie wywierać obróbka cieplna. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu, nie może mieć rozrośniętego ziarna, a jednocześnie powinna być maksymalnie twarda. Odporność na ścieranie, a więc skrawalność, zależy od składu chemicznego. Stale niżej stopowe zawierają mniej fazy węglikowej, są mniej odporne na ścieranie i nie są zalecane. Dodatek do stali kobaltu lub molibdenu zwiększa odporność narzędzi na odpuszczające działanie ciepła, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiększoną zawartością węgla i wanadu są bardziej odporne na ścieranie, gdyż zawierają więcej twardego węglika MC, ale jednocześnie ich szlifowanie sprawia duże trudności. Dalsze zwiększenie odporności na ścieranie można uzyskać przez zastosowanie obróbki cieplno - chemicznej: azotowania, tleno-azotowania, siarko-azotowania i cyjanowania lub pasywowania w przegrzanej parze wodnej. Rodzaj stali na narzędzia powinien być dobrany w zależności od własności skrawanego materiału, kształtu samego narzędzia i charakteru jego pracy. STALE NIERDZEWNE I KWASOODPORNE. Stale tej grupy muszą być odporne na korozję, przy czym od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i słabych roztworów soli lub kwasów, natomiast od stali kwasoodpornych odporność na działanie stężonych kwasów i ługów. Stale kwasoodporne nie są w jednakowym stopniu odporne na wszystkie kwasy i w związku z tym granica między stalami nierdzewnymi i kwasoodpornymi nie jest sztywna. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do pasywacji, a to zależy od składu chemicznego stopu. Jest wiele rodzajów korozji, np. równomierna, wżerowa, międzykrystaliczna, naprężeniowa, elektrochemiczna. Najbardziej niebezpieczna jest międzykrystaliczna, gdyż zachodzi nierównomiernie i na dużych głębokościach. Najbardziej odporne na korozję elektrochemiczną są materiały jednofazowe, dlatego że stale nierdzewne i kwasoodporne są przeważnie stalami ferrytycznymi lub austenitycznymi. W materiale dwufazowym istnieją warunki do powstawania tzw. ogniw lokalnych przyspieszających korozję. Stale ferrytyczne i martenzytyczne. Wprowadzenie do żelaza ok. 12% Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17% Cr i C<0,05% ferryt jest stabilny aż do temp. Topnienia. Jeśli stale zawierają ok. 13% Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temp. 1000÷1100°C pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temp. 700°C. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temp. 700°C przez okres 2h. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiążę azot. Znakowanie stali ferrytycznych i martenzytycznych przeprowadza się podobnie jak stali konstrukcyjnych. Cyfra na początku znaku wskazuje, zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu, cyfra po literze oznaczającej składnik stopowy podaje jego ilość w procentach. W przypadku dodatku tytanu lub aluminium na końcu dodaje się literę T lub J. Stale ferrytyczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie są odporne na kwasy redukujące (solny, siarkowy), są spawalne. Stale martenzytyczne nie są kwasoodporne, lecz nierdzewne. Hartuje się je od 950÷1000°C i odpuszcza w zakresie 600÷700°C. Do temp. ok. 500°C nie tracą twardości i wytrzymałości. Stale o większej zawartości chromu (np. H25T) mogą wykazywać kruchość spowodowaną wydzielaniem fazy σ. Stale martenzytyczne są stosowane na: łopatki turbin, zawory, artykuły gospodarstwa domowego, noże, sprężyny. Stal 2H17N2 jest odporna na działanie wody morskiej, a stal H18 stosuje się na łożyska odporne na korozję oraz narzędzia chirurgiczne. Stale austenityczne. Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bezwęglowych (C<0,1%), zawierających chrom i nikiel. Nikiel może być zastąpiony częściowo manganem. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Stąd szeroko jest stosowana stal 18-8 (18% Cr i 8% Ni). Połowa niklu może być zastąpiona podwójną zawartością manganu. Oprócz wymienionych dodatków wprowadza się do tych stali niekiedy molibden (2÷5%) oraz małe ilości tytanu lub niobu w celu związania węgla, co zapobiega korozji międzykrystalicznej. Dodatek azotu do 0,25% zapobiega rozrostowi ziarna i podwyższa granicę plastyczności. Stale austenityczne są znakowane analogicznie jak stale ferrytyczne. Stale Cr-Ni-Mn mają gorszą odporność na korozję w roztworze chlorków niż stale Cr-Ni, ale są tańsze. Stosuje się je w przemyśle spożywczym i do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące (HCl, H2SO4). Molibden, nikiel i miedź polepszają odporność na działanie H2SO4. Stale austenityczne są odporne na działanie roztworów alkalicznych, ale nie wytrzymują działania stężonych zasad w wyższych temp.. Sole chlorkowe wywołują korozję wżerową. Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnych jest wywołana powstaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr23C6), które wyciągają chrom ze strefy przygranicznej. Jeśli zawartość chromu w roztworze spadnie poniżej 12%, ulega ona korozji jak zwykła stal. Korozja międzykrystaliczna niszczy spójność ziarn, sięga na duże głębokości i jest trudno zauważalna. Zapobiegać jej można przez: -ograniczenie zawartości węgla do 0,02­÷0,03%; -stosowanie przesycenia stali od temp. 1000÷1100°C, przez co osiąga się równomierne rozłożenie węgla w roztworze; -unikanie nagrzewania stali do temp. 500÷800°C, przy której wydzielają się węgliki chromu (jest to niemożliwe, jeśli stale te muszą być spawane); -wprowadzenie do stali tytanu lub niobu co najmniej w ilości 5- lub 10-krotnej zawartości węgla. Dodatki te tworzą trwałe węgliki MC usuwając węgiel z roztworu stałego i uodparniają całkowicie stal na korozję międzykrystaliczną. Stale są spawalne bez konieczności ich przesycania. Niob, chociaż droższy, daje lepsze efekty, gdyż nie obniża odporności na korozję i nie wypala się przy spawaniu. Stale austenityczne cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi. Granicę plastyczności można podnieść przez dodatek azotu lub przez zgniot. Z profili giętych i spawanych punktowo można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe konstrukcje. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających w temp. wyższych od 500°C, natomiast żarowytrzymałość - odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach (pełzanie). Żaroodporność wiąże się ściśle ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Warstwa zgorzeliny powinna być zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie powinna być mała. Warunki takie spełniają jednofazowe stale austenityczne lub ferrytyczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu oraz zawierające dodatkowo takie pierwiastki, jak krzem i aluminium. Odporność na korozję gazową zależy również od składu atmosfery, np. obecność związków siarki działa ujemnie na stale zawierające nikiel. Żarowytrzymałość jest zależna od odporności stali na pełzanie, a więc sprzyjają jej takie czynniki, jak zmniejszenie współczynników samodyfuzji składników stopu, wydzielenie dyspersyjnych faz, zwłaszcza na granicach ziarn, oraz rozrost ziarn. W stalach austenitycznych współczynniki dyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Gazy redukujące są bardziej szkodliwe niż utleniające. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe ogólnego przeznaczenia. Gatunki niżej stopowe mają strukturę ferrytyczno-perlityczną (np. H5M) i zakres temperatur ich pracy jest najniższy. Stale wyżej stopowe na osnowie chromu (np. 2H17, H13JS, H25T) są ferrytyczne i mogą być stosowane od 850÷1200°C. W zależności od gatunku stale chromoniklowe o strukturze austenitycznej z dodatkiem krzemu, wolframu i molibdenu mogą być również stosowane od 850÷1150°C, przy czym zarówno stale ferrytyczne, jak austenityczne wykazują tym większą żaroodporność, im więcej zawierają pierwiastków stopowych. Stale zaworowe. Od stali zaworowych wymaga się oprócz odporności na korozję gazową, również odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Stale te powinny dawać się łatwo kształtować i skrawać. Stale zaworowe zawierają podobny zestaw pierwiastków stopowych jak stale żarowytrzymałe, z tym że zawartość węgla dochodzi w nich do 0,5%. Struktura tych stali jest albo martenzytyczna (np. H10S2M), albo austenityczna z zawartością węglików (np. 4H14N14W2M), dzięki czemu następuje utwardzenie wydzieleniowe stali. Obróbka stali chromowo-krzemowych polega na hartowaniu w oleju od temp. 1020÷1070°C. Odpuszczanie przeprowadza się w zakresie 700÷800°C. Stale austenityczne przesyca się od temp. ok. 1000°C i poddaje starzeniu w temp. 700÷750°C. Stale i stopy na elementy grzewcze. Stale na elementy grzewcze pieców powinny cechować się następującymi własnościami: dużą odpornością właściwą, odpornością na utlenianie i rozrost ziarn oraz pewną minimalną wytrzymałością zapobiegającą odkształcaniu elementów. W tym celu stosuje się stopy austenityczne, tzw. nichromy, zawierające ok. 80% Ni i 20% Cr. Temperatura ich pracy wynosi 1200°C. Dodatek żelaza do tych stopów (do 50%) obniża temp. pracy do 1050°C. Druga grupa stopów to niskowęglowe stale chromowe z dodatkiem 5% Al, ferrytyczne lub ewentualnie z kobaltem (do 3%) - typu kanthal. Mają temp. pracy 1200÷1300°C. Stosuje się również stopy wieloskładnikowe, np. magapyr lub alchrom, mające temp. pracy 1300°C. Plastyczność stopów oporowych maleje ze wzrostem zawartości chromu i przy dużych zawartościach elementy grzewcze wytwarza się metodą odlewania. Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności. Stopy tego rodzaju nazywane nadstopami są stosowane w temp. wyższych od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów: Na osnowie Fe-Cr-Ni, temp. pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C. 1.Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temp. 800÷850°C. 2.Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę własności tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40÷60%, a oprócz tego zawierają Cr, Ni, Mo, W. Temp. pracy tych stopów dochodzi do 980°C. Ostatnią grupę stopów stanowią tzw. nimoniki na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temp. pracy do 1000°C. Gotowe łopatki turbin poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (aluminiowaniu), która istotnie poprawia ich żywotność.

STALE NARZĘDZIOWE STOPOWE Stalom narzędziowym stawia się inne wymagania niż konstrukcyjnym. Powinny one cechować się możliwie dużą twardością i odpornością na ścieranie. Szczególnie korzystnie wpływają na te własności pierwiastki stopowe, które tworzą węgliki złożone (M23C6 i M6C), tzn. chrom, molibden i wolfram. Stale narzędziowe stopowe dzielimy, w zależności od warunków ich pracy, na trzy grupy: stale do pracy na zimno, stale do pracy na gorąco, stale szybkotnące. Przez określenie na zimno rozumie się, że temp. pracy narzędzia nie wzrasta ponad 250°C, a na gorąco, że utrzymuje się w zakresie do ok. 600°C. Znakowanie stali narzędziowych. Stale do pracy na zimno oznacza się na początku literą N, stale do pracy na gorąco - literą W, a stale szybkotnące - literą S. Pierwiastki stopowe oznacza się następującymi literami: C - chrom, K - kobalt, L - molibden (stalach N i W), M - mangan (w N i W), molibden (w S), P - grupa : chrom, molibden, wanad, Z - grupa: krzem, chrom, wolfram, S - krzem, W - wolfram, V - wanad. Cyfry w stalach W i S umieszczone po symbolu dodatku stopowego oznaczają średnią zawartość tego pierwiastka w procentach, w stalach N nie jest zawsze przestrzegana ta zasada. Stale do pracy na zimno. Głównymi dodatkami stopowymi tych stali są: chrom (do 12%), wolfram (do 9%) i wanad (do 2%, zwykle jednak ok. 0,25%). Nieliczne z nich mają zwiększoną zawartość manganu, krzemu, niklu lub molibdenu. W wielu stalach do pracy na zimno głównymi dodatkami stopowymi są węgiel i chrom i dlatego one decydują o strukturze tych stali. Jako stale narzędziowe są stosowane głównie stale martenzytyczne. Stale te można podzielić na trzy grupy: Do pierwszej grupy zaliczamy stale nisko- i średnio- stopowe o zawartości ok. 1%C - nadeutektoidalne, o małej lub średniej hartowności. Mają one po zahartowaniu wysoką twardość (ponad 60 HRC), ale stosunkowo małą odporność na odpuszczanie. Wykonuje się z nich narzędzia skrawające z małymi prędkościami do obróbki papieru, gumy, drewna oraz metalu (gwintowniki, narzynki, piłki) oraz sprawdziany i przyrządy pomiarowe. Do grupy drugiej należą stale zawierające mało węgla (ok. 0,5%), średniostopowe o znacznej hartowności, cechujące się niezbyt dużą twardością, ale znaczną ciągliwością. Są one dzięki temu stosowane na narzędzia udarowe, jak dłuta, nitowniki, przebijaki, tłoczniki, stemple. Po zahartowaniu mają strukturę martenzytyczną (bez węglików). Dodatki chromu, krzemu lub niklu zwiększają hartowność, a wolfram hamuje proces odpuszczania, co powoduje, że stale te mogą pracować w podwyższonej temperaturze. Do trzeciej grupy zaliczamy stale wysokostopowe o dużej zawartości węgla dochodzącej do 2%. Mają one strukturę ledeburyczną, cechuje je duża hartowność. Są hartowane w oleju i mogą być odpuszczane w wyższych temperaturach. Ze względu na dużą ilość węglików mają znaczną odporność na ścieranie, są głównie stosowane na narzędzia pracujące w trudnych warunkach, jak wykrojniki, ciągadła, przeciągacze, rozwiertaki, noże do nożyc. Mogą również pracować w podwyższonych temperaturach. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno polega na ich zmiękczaniu do ok. 250 HB drogą wyżarzania, zwykle w zakresie temp. 680­­­­­­*850°C. Po obróbce mechanicznej poddaje się je hartowaniu w wodzie lub oleju, z tym, że stale wyżej stopowe hartuje się w oleju. Temperatura hartowania na ogół jest zawarta w granicach 800*900°C; przy chłodzeniu w wodzie jest o ok. 20°C niższa. Stale zawierające więcej dodatków stopowych węglikotwórczych hartuje się od wyższych temp. 950*1050°C. Twardość po hartowaniu stali o większej zawartości węglików zależy od temperatury i czasu austenityzowania (od ilości rozpuszczonych węglików). Stale do pracy na gorąco. Stale tej grupy stosuje się przeważnie do wyrobu narzędzi do obróbki plastycznej na gorąco, które są narażone na ścieranie i odpuszczające działanie ciepła. Powinny więc mieć możliwie dużą twardość, utrzymującą się w temperaturze pracy narzędzia, a przy pracy w warunkach obciążeń dynamicznych muszą wykazywać dostatecznie dużą ciągliwość. Inne wymagania stawiane tym stalom to: dobre przewodnictwo cieplne i odporność na zmęczenie termiczne. Wymienione własności osiągają stale średniowęglowe (0,3*0,55% C) zawierające przede wszystkim takie pierwiastki stopowe, jak chrom i molibden, rzadziej - wolfram, krzem, nikiel, mangan, kobalt. Chrom występuje we wszystkich stalach w ilościach 0,65*5%, molibden w większości z nich w ilościach 0,25*3%; wanad głównie jako mikrododatek na ogół 0,2*0,6%. Jak również stal z borem (MNLB - ok. 0,003% B). Stal WLK zawiera ok. 3% Co i 3% Mo. Stale narzędziowe do pracy na gorąco można podzielić na: stale wyżej stopowe oraz stale niżej stopowe. Stale wyżej stopowe są bardziej odporne na odpuszczające działanie ciepła i w związku z tym są stosowane na narzędzia pracujące w szczególnie niekorzystnych warunkach, np. wysoko obciążone matryce, formy do odlewania ciśnieniowego. Najbardziej popularną stalą matrycową jest stal WNL. Znaczny wzrost żywotności matryc można osiągnąć stosując obróbkę cieplno - chemiczną, jak nawęglanie, azotowanie, borowanie, chromowanie. Na narzędzia pracujące w temp. powyżej 600°C stosuje się żarowytrzymałe stale austenityczne. Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco, zwłaszcza zawierających wolfram i molibden, powinna być przeprowadzona w taki sposób, aby w czasie pracy narzędzia był wykorzystywany efekt twardości wtórnej. Stale wyżej stopowe należy hartować od wysokich temperatur, np. stal WWV hartuje się od temp. 1100*1140°C. Temperatura odpuszczania mieści się na ogół w zakresie 500*600°C, z tym że dla stali o większej zawartości pierwiastków stopowych może być wyższa. Narzędzia ze stali do pracy na gorąco powinny być przed rozpoczęciem eksploatacji nagrzane do 200*300°C i nie należy ich schładzać w czasie pracy poniżej tego zakresu, ponieważ to przyspiesza ich zmęczenie termiczne. Stale szybkotnące. Stale szybkotnące stosuje się głównie do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Mogą one pracować bez utraty twardości w temp. 550*600°C. Ich wysoka odporność na odpuszczanie jest wynikiem składu chemicznego tych stali oraz obróbki cieplnej, w której wykorzystuje się zjawisko wtórnego utwardzania. Zawierają one znaczną ilość pierwiastków stopowych, dochodzącą nawet do 30%. Własności pierwiastków stopowych: chrom zapewnia odpowiednio dużą hartowność stali. Wolfram i molibden tworzą węgliki pierwotne bardzo odporne na ścieranie, a przy odpuszczaniu - dyspersyjne węgliki typu M2C, które silnie umacniają stal, z tym że molibden może zastąpić podwójną ilość wolframu. Kobalt zmniejsza ilość austenitu szczątkowego oraz skłonność do odpuszczania i wykruszania węglików, poprawiając tym samym skrawalność narzędzi. Wanad tworzy trudno rozpuszczalne i bardzo twarde węgliki typu MC (V4C3), które utrudniają rozrost ziarna austenitu podczas austenityzowania, a wydzielając się przy odpuszczaniu mają duży wpływ na twardość wtórną. Pod względem struktury węgliki w stalach wyżarzonych można podzielić na: - węgliki typu M6C, w których oprócz żelaza występuje wolfram, molibden i wanad; - węgliki typu M23C6 bogate w chrom i żelazo; - węgliki typu MC bogate w wanad, najtwardsze i zawierające najwięcej węgla. Stosunek ilościowy wymienionych węglików zależy od składu chemicznego stali. Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnących polega na ich hartowaniu od temperatur bliskich solidusu (1200*1270°C) i następnym odpuszczaniu. Nagrzewanie przeprowadza się zwykle w piecach solnych w stopionych BaCl2, dwu- lub trójstopniowo celem zmniejszenia naprężeń wewnętrznych i skłonności do pękania. Bardzo ważną operacją obróbki cieplnej stali szybkotnącej jest wyżarzanie zmiękczające przeprowadzane w zakresie 800*840°C. Operacja ta ma na celu przygotowanie prawidłowej struktury do hartowania. Własności narzędzi ze stali szybkotnących zależą od technologii ich wytwarzania. Można je otrzymać trzema metodami: 1) przez odlewanie metodą traconego wosku, 2) ze stali odlanej i przerobionej plastycznie, 3) ze stali otrzymanej metodą metalurgii proszków. Najgorsze własności mają narzędzia otrzymane metodą odlewania, a najlepsze - metodą metalurgii proszków. Problem jakości wiąże się ściśle ze stopniem dyspersji i segregacją węglików. Jeśli stale mają drobne i równomiernie rozłożone węgliki, to duży wpływ na jakość wykonywanych z nich narzędzi będzie wywierać obróbka cieplna. Stal nie może ulec nadtopieniu lub przegrzaniu, nie może mieć rozrośniętego ziarna, a jednocześnie powinna być maksymalnie twarda. Odporność na ścieranie, a więc skrawalność, zależy od składu chemicznego. Stale niżej stopowe zawierają mniej fazy węglikowej, są mniej odporne na ścieranie i nie są zalecane. Dodatek do stali kobaltu lub molibdenu zwiększa odporność narzędzi na odpuszczające działanie ciepła, a tym samym polepsza skrawalność. Stale ze zwiększoną zawartością węgla i wanadu są bardziej odporne na ścieranie, gdyż zawierają więcej twardego węglika MC, ale jednocześnie ich szlifowanie sprawia duże trudności. Dalsze zwiększenie odporności na ścieranie można uzyskać przez zastosowanie obróbki cieplno - chemicznej: azotowania, tleno-azotowania, siarko-azotowania i cyjanowania lub pasywowania w przegrzanej parze wodnej. Rodzaj stali na narzędzia powinien być dobrany w zależności od własności skrawanego materiału, kształtu samego narzędzia i charakteru jego pracy. STALE NIERDZEWNE I KWASOODPORNE. Stale tej grupy muszą być odporne na korozję, przy czym od stali nierdzewnych jest wymagana odporność na działanie atmosfery powietrza, wilgoci i słabych roztworów soli lub kwasów, natomiast od stali kwasoodpornych odporność na działanie stężonych kwasów i ługów. Stale kwasoodporne nie są w jednakowym stopniu odporne na wszystkie kwasy i w związku z tym granica między stalami nierdzewnymi i kwasoodpornymi nie jest sztywna. Odporność korozyjna stopów jest związana z ich zdolnością do pasywacji, a to zależy od składu chemicznego stopu. Jest wiele rodzajów korozji, np. równomierna, wżerowa, międzykrystaliczna, naprężeniowa, elektrochemiczna. Najbardziej niebezpieczna jest międzykrystaliczna, gdyż zachodzi nierównomiernie i na dużych głębokościach. Najbardziej odporne na korozję elektrochemiczną są materiały jednofazowe, dlatego że stale nierdzewne i kwasoodporne są przeważnie stalami ferrytycznymi lub austenitycznymi. W materiale dwufazowym istnieją warunki do powstawania tzw. ogniw lokalnych przyspieszających korozję. Stale ferrytyczne i martenzytyczne. Wprowadzenie do żelaza ok. 12% Cr wywołuje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego, a tym samym skokowo zwiększa się odporność tych stopów na korozję. Stopy żelaza z chromem o większych zawartościach chromu przy bardzo małej zawartości węgla mają strukturę ferrytyczną. Przy zawartości 17% Cr i C<0,05% ferryt jest stabilny aż do temp. Topnienia. Jeśli stale zawierają ok. 13% Cr i mały dodatek węgla lub azotu, to w zakresie temp. 1000÷1100°C pojawia się pole dwufazowe (ferryt + austenit), które rozszerza się ze wzrostem zawartości węgla. Dzięki temu stale te można hartować na martenzyt. Stale o wysokich zawartościach chromu cechuje duża hartowność, mogą być hartowane na powietrzu, nie mają w ogóle zakresu przemiany bainitycznej, lecz perlityczną z maksimum w temp. 700°C. W celu otrzymania struktury perlitycznej należy je po obróbce plastycznej wygrzać w temp. 700°C przez okres 2h. Po zahartowaniu stale te zawierają duże ilości austenitu szczątkowego. Tworzeniu się martenzytu w tych stalach można zapobiec przez wprowadzenie tytanu w ilości koniecznej do związania węgla i azotu. Również aluminium stabilizuje ferryt i wiążę azot. Znakowanie stali ferrytycznych i martenzytycznych przeprowadza się podobnie jak stali konstrukcyjnych. Cyfra na początku znaku wskazuje, zawartość węgla w dziesiątych częściach procentu, cyfra po literze oznaczającej składnik stopowy podaje jego ilość w procentach. W przypadku dodatku tytanu lub aluminium na końcu dodaje się literę T lub J. Stale ferrytyczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasów utleniających (np. azotowego), nie są odporne na kwasy redukujące (solny, siarkowy), są spawalne. Stale martenzytyczne nie są kwasoodporne, lecz nierdzewne. Hartuje się je od 950÷1000°C i odpuszcza w zakresie 600÷700°C. Do temp. ok. 500°C nie tracą twardości i wytrzymałości. Stale o większej zawartości chromu (np. H25T) mogą wykazywać kruchość spowodowaną wydzielaniem fazy σ. Stale martenzytyczne są stosowane na: łopatki turbin, zawory, artykuły gospodarstwa domowego, noże, sprężyny. Stal 2H17N2 jest odporna na działanie wody morskiej, a stal H18 stosuje się na łożyska odporne na korozję oraz narzędzia chirurgiczne. Stale austenityczne. Strukturę austenityczną uzyskuje się w stalach prawie bezwęglowych (C<0,1%), zawierających chrom i nikiel. Nikiel może być zastąpiony częściowo manganem. Zawartość niklu konieczna do uzyskania struktury austenitycznej wynosi ok. 8%. Stąd szeroko jest stosowana stal 18-8 (18% Cr i 8% Ni). Połowa niklu może być zastąpiona podwójną zawartością manganu. Oprócz wymienionych dodatków wprowadza się do tych stali niekiedy molibden (2÷5%) oraz małe ilości tytanu lub niobu w celu związania węgla, co zapobiega korozji międzykrystalicznej. Dodatek azotu do 0,25% zapobiega rozrostowi ziarna i podwyższa granicę plastyczności. Stale austenityczne są znakowane analogicznie jak stale ferrytyczne. Stale Cr-Ni-Mn mają gorszą odporność na korozję w roztworze chlorków niż stale Cr-Ni, ale są tańsze. Stosuje się je w przemyśle spożywczym i do wyrobów artykułów gospodarstwa domowego. Stale austenityczne wykazują dobrą odporność na działanie kwasu azotowego, nie są natomiast odporne na kwasy redukujące (HCl, H2SO4). Molibden, nikiel i miedź polepszają odporność na działanie H2SO4. Stale austenityczne są odporne na działanie roztworów alkalicznych, ale nie wytrzymują działania stężonych zasad w wyższych temp.. Sole chlorkowe wywołują korozję wżerową. Korozja międzykrystaliczna stali nierdzewnych jest wywołana powstaniem na granicach ziarn węglików chromu (Cr23C6), które wyciągają chrom ze strefy przygranicznej. Jeśli zawartość chromu w roztworze spadnie poniżej 12%, ulega ona korozji jak zwykła stal. Korozja międzykrystaliczna niszczy spójność ziarn, sięga na duże głębokości i jest trudno zauważalna. Zapobiegać jej można przez: -ograniczenie zawartości węgla do 0,02­÷0,03%; -stosowanie przesycenia stali od temp. 1000÷1100°C, przez co osiąga się równomierne rozłożenie węgla w roztworze; -unikanie nagrzewania stali do temp. 500÷800°C, przy której wydzielają się węgliki chromu (jest to niemożliwe, jeśli stale te muszą być spawane); -wprowadzenie do stali tytanu lub niobu co najmniej w ilości 5- lub 10-krotnej zawartości węgla. Dodatki te tworzą trwałe węgliki MC usuwając węgiel z roztworu stałego i uodparniają całkowicie stal na korozję międzykrystaliczną. Stale są spawalne bez konieczności ich przesycania. Niob, chociaż droższy, daje lepsze efekty, gdyż nie obniża odporności na korozję i nie wypala się przy spawaniu. Stale austenityczne cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi. Granicę plastyczności można podnieść przez dodatek azotu lub przez zgniot. Z profili giętych i spawanych punktowo można otrzymać bardzo lekkie i wytrzymałe konstrukcje. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe. Żaroodporność jest to odporność na działanie gazów utleniających w temp. wyższych od 500°C, natomiast żarowytrzymałość - odporność na odkształcenia w wysokich temperaturach (pełzanie). Żaroodporność wiąże się ściśle ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Warstwa zgorzeliny powinna być zwarta i ściśle przylegająca do podłoża, a szybkość dyfuzji jonów metalu i tlenu w zgorzelinie powinna być mała. Warunki takie spełniają jednofazowe stale austenityczne lub ferrytyczne o małej zawartości węgla, podwyższonych zawartościach chromu i niklu oraz zawierające dodatkowo takie pierwiastki, jak krzem i aluminium. Odporność na korozję gazową zależy również od składu atmosfery, np. obecność związków siarki działa ujemnie na stale zawierające nikiel. Żarowytrzymałość jest zależna od odporności stali na pełzanie, a więc sprzyjają jej takie czynniki, jak zmniejszenie współczynników samodyfuzji składników stopu, wydzielenie dyspersyjnych faz, zwłaszcza na granicach ziarn, oraz rozrost ziarn. W stalach austenitycznych współczynniki dyfuzji są znacznie mniejsze niż w ferrytycznych. Gazy redukujące są bardziej szkodliwe niż utleniające. Stale żaroodporne i żarowytrzymałe ogólnego przeznaczenia. Gatunki niżej stopowe mają strukturę ferrytyczno-perlityczną (np. H5M) i zakres temperatur ich pracy jest najniższy. Stale wyżej stopowe na osnowie chromu (np. 2H17, H13JS, H25T) są ferrytyczne i mogą być stosowane od 850÷1200°C. W zależności od gatunku stale chromoniklowe o strukturze austenitycznej z dodatkiem krzemu, wolframu i molibdenu mogą być również stosowane od 850÷1150°C, przy czym zarówno stale ferrytyczne, jak austenityczne wykazują tym większą żaroodporność, im więcej zawierają pierwiastków stopowych. Stale zaworowe. Od stali zaworowych wymaga się oprócz odporności na korozję gazową, również odporność na ścieranie w wysokich temperaturach. Stale te powinny dawać się łatwo kształtować i skrawać. Stale zaworowe zawierają podobny zestaw pierwiastków stopowych jak stale żarowytrzymałe, z tym że zawartość węgla dochodzi w nich do 0,5%. Struktura tych stali jest albo martenzytyczna (np. H10S2M), albo austenityczna z zawartością węglików (np. 4H14N14W2M), dzięki czemu następuje utwardzenie wydzieleniowe stali. Obróbka stali chromowo-krzemowych polega na hartowaniu w oleju od temp. 1020÷1070°C. Odpuszczanie przeprowadza się w zakresie 700÷800°C. Stale austenityczne przesyca się od temp. ok. 1000°C i poddaje starzeniu w temp. 700÷750°C. Stale i stopy na elementy grzewcze. Stale na elementy grzewcze pieców powinny cechować się następującymi własnościami: dużą odpornością właściwą, odpornością na utlenianie i rozrost ziarn oraz pewną minimalną wytrzymałością zapobiegającą odkształcaniu elementów. W tym celu stosuje się stopy austenityczne, tzw. nichromy, zawierające ok. 80% Ni i 20% Cr. Temperatura ich pracy wynosi 1200°C. Dodatek żelaza do tych stopów (do 50%) obniża temp. pracy do 1050°C. Druga grupa stopów to niskowęglowe stale chromowe z dodatkiem 5% Al, ferrytyczne lub ewentualnie z kobaltem (do 3%) - typu kanthal. Mają temp. pracy 1200÷1300°C. Stosuje się również stopy wieloskładnikowe, np. magapyr lub alchrom, mające temp. pracy 1300°C. Plastyczność stopów oporowych maleje ze wzrostem zawartości chromu i przy dużych zawartościach elementy grzewcze wytwarza się metodą odlewania. Stopy o szczególnie wysokiej żarowytrzymałości i żaroodporności. Stopy tego rodzaju nazywane nadstopami są stosowane w temp. wyższych od 750°C, np. na łopatki turbin gazowych. Znanych jest kilka rodzajów tych stopów: Na osnowie Fe-Cr-Ni, temp. pracy tych stopów nie powinna przekraczać 800°C. 1.Złożone stopy Cr-Ni-Co-Fe, gdzie część żelaza zastąpiono kobaltem. Elementy ze stopów o większej zawartości węgla (do 0,4%) wytwarza się przez odlewanie. Materiały te mogą pracować w temp. 800÷850°C. 2.Całkowite zastąpienie żelaza kobaltem pozwoliło na dalszą poprawę własności tych stopów. Zawartość kobaltu wynosi 40÷60%, a oprócz tego zawierają Cr, Ni, Mo, W. Temp. pracy tych stopów dochodzi do 980°C. Ostatnią grupę stopów stanowią tzw. nimoniki na bazie 20% Cr i 80% Ni (nikiel może być zastąpiony częściowo kobaltem) z dodatkiem Mo, Ti, Al, Zr, B. Mogą być obrabiane plastycznie lub odlewane. Są stosowane na łopatki turbin w silnikach lotniczych w temp. pracy do 1000°C. Gotowe łopatki turbin poddaje się obróbce cieplno-chemicznej (aluminiowaniu), która istotnie poprawia ich żywotność.

---