STALE NARZĘDZIOWE

Stale narzędziowe - stopy przeznaczone na

narzędzia tj. przedmioty służące do:

• rozdzielania i rozdrabniania materiałów

• nadawania kształtu przez obróbkę skrawaniem

lub przez przeróbkę plastyczną,

• stopy przeznaczone na przyrządy pomiarowe

używane w masowej produkcji.

Różnorodność warunków pracy narzędzi stwarza

konieczność zróżnicowania wymagań stawianych

stalom narzędziowym, jednakże we wszystkich

przypadkach zawsze dąży się do osiągnięcia

największej trwałości narzędzia.

Podstawowe wymagania:

•Wysoka twardość (najczęściej ponad 60 HRC) –

narzędzie musi być twardsze od obrabianego materiału,

przy dostatecznej ciągliwości i odporności na pękanie,

•Odporność na zużycie ścierne, zabezpieczające trwałość

narzędzia w warunkach tarcia przy znacznych naciskach

jednostkowych,

•Odpowiednia hartowność, dla zapewnienia niezbędnej

grubości warstwy martenzytycznej, a tym samym

odpowiednich właściwości mechanicznych na przekroju

narzędzia,

•Odporność na odpuszczające działanie

podwyższonych temperatur, tj. zdolność do zachowania

wysokiej twardości i odporności na ścieranie.

Dodatkowe wymagania, zróżnicowane dla

poszczególnych grup narzędzi, np.:

•odporność na pękanie w warunkach cyklicznych

zmian temperatury i obciążeń dynamicznych (narzędzia

kuźnicze do przeróbki plastycznej na gorąco),

• stabilność wymiarów (sprawdziany i dokładne

narzędzia pomiarowe),

•odporność na ścieranie i korozyjne oddziaływanie

czynników aktywnych chemicznie (narzędzia do

przetwórstwa tworzyw sztucznych).

Zgodnie z normą PN-EN ISO 4957:2004 wyróżnia sięstale:

1.Narzędziowe niestopowe,

2.Narzędziowe stopowe do pracy na zimno,

3.Narzędziowe stopowe do pracy na gorąco,

4.Szybkotnące.

Podstawą podziału stali narzędziowych do pracy na zimno i na gorąco jest temperatura powierzchni narzędzia, która powinna być:•niższa od 200°C dla stali do pracy na zimno,•dla stali przeznaczonych na narzędzia do pracy na gorąco wynosi zwykle powyżej 200°C. •Stale szybkotnące przeznaczone głównie do obróbki skrawaniem i w produkcji formowania mogą nagrzewać się do temperatury 600°C.

Podstawową rolę we wszystkich stalach narzędziowych odgrywa węgiel, który wpływa na twardość stali.

Stale narzędziowe są zwykle wysokowęglowe, tylko niektóre są stalami średnio-węglowymi, jeśli musząposiadać większą odporność na obciążenia dynamiczne.

Węgiel i na ogół duża zawartość pierwiastków stopowych, głównie węglikotwórczych (Cr, Mo, W, V) w połączeniu z obróbką cieplną - hartowaniem i odpuszczaniem - są podstawą ukształtowania struktury, w postaci twardej osnowy martenzytu odpuszczonego z drobnymi, równomiernie rozmieszczonymi twardymi węglikami, co zapewnia wysoką odporność na zużycie ścierne.

Pierwiastki stopowe zwiększają:• hartowność,• odporność na ścieranie

• odporność na odpuszczające działanie ciepła oraz zachowanie twardości w wysokiej temperaturze.

Zwiększenie hartowności pozwala na stosowanie podczas hartowania mniej intensywnych środków chłodzących, co zmniejsza naprężenia, a tym samym ogranicza możliwość wystąpienia pęknięć hartowniczych oraz zmiany wymiarów i kształtu narzędzi.

Stale narzędziowe niestopowe

Stale narzędziowe niestopowe (węglowe) są stalami do pracy na zimno. Wg PN-EN ISO 4957:2004 obejmująsześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,45

do 1,20%

54

57

58

60

61

62

180

810

800

790

780

780

770

0,45

0,70

0,80

0,90

1,05

1,20

brak

N7(E)

N8(E)

N9(E)

N10(E)/N11(E)

N12(E)

C45U

C70U

C80U

C90U

C105U

C120U

Twardość po

obróbce cieplnej

[HRC]

Temperatura

odpuszczania

[°C]

Temperatura

hartowania

[°C]

Średnia

zawartość węgla

[%]

Odpowiednik wg PNGatunek

Hartowność stali niestopowych: mała, zahartowanie na wskroś można uzyskać tylko dla średnic do 10 mm.

W przypadku większych średnic głębokość warstwy zahartowanej zmienia się, np. dla średnicy 30 mm głębokość warstwy zahartowanej wynosi około 3mm.

Nie zahartowany rdzeń o strukturze, najczęściej drobnego perlitu, jest bardziej miękki ale jednocześnie bardziej ciągliwy, co pozwala stosowaćtaką stal na narzędzia narażone na obciążenia dynamiczne.

Przeznaczenie stali niestopowych: wyrób narzędzi o prostych kształtach.

Z gatunków o niższej zawartości węgla wykonuje się narzędzia pracujące udarowo, jak przecinaki, młotki, siekiery, wykrojniki, przebijaki, narzędzia tnące; piły, dłuta,

Stale o dużej zawartości węgla: na narzędzia do obróbki metali z niewielką szybkością skrawania; frezy, wiertła, narzynki, gwintowniki.

Obróbka cieplna stali narzędziowych niestopowych

Półwyroby ze stali narzędziowych są dostarczane z hut w stanie zmiękczonym aby umożliwić obróbkę wiórową. Wytworzone narzędzia poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu:

• Austenityzowanie w temperaturach 30 - 50°C powyżej linii Ac3 (stale podeutektoidalne) a powyżej linii Ac1 (stale eutektoidalne i nadeutektoidalne)

• Chłodzenie w wodzie

• Struktura po hartowaniu: martenzyt (stal podeutektoidalna i eutektoidalna), martenzyt z kulkowym cementytemdrugorzędowym (stal nadeutektoidalna)

• Odpuszczanie niskie, w temperaturze ~180°C w celu usunięcia naprężeń. Zostaje zachowana struktura hartowania i wysoka twardość.

Fragment wykresu układu równowagi fazowej Fe-Fe3C z pasmem prawidłowych temperatur hartowania

Stale narzędziowe stopowe

Stale do pracy na zimno (PN-EN ISO 4957:2004)

W porównaniu ze stalami niestopowymi mają:

1. Zwiększoną hartowność, co daje możliwość produkcji

większych narzędzi o bardziej skomplikowanych

kształtach, z uwagi na stosowanie podczas

hartowania łagodniejszych ośrodków chłodzących

(olej, powietrze),

2. Podwyższoną odporność na ścieranie wskutek

obecności drobnych węglików pierwiastków

stopowych (Cr, Mo, V, W).

60

60

60

62

180

840

800

970

970

Cr 1,5

Mn 2,0 Cr 0,5

Cr 5,2 V 0,13

Cr 12,0

Mo1,0 V 0,25

1,02

0,95

1,00

2,05

brak

brak

brak

NC11

102Cr6

95MnCrV8

X100CrMoV5

X210Cr12

Twardość po

obróbce

cieplnej

[HRC]

Temperatura

odpuszczania

[°C]

Temperatura

hartowania

[°C]

Dodatki stopowe

[%]

Średnia

zawartośćwęgla

[%]

Odpowiednik

wg PN

Gatunek

Niektóre gatunki stali

Skład chemiczny:

• Węgiel: 0,3 - 2,3%

• Dodatki stopowe:

Cr do 17%,

Mo do 1,3%,

V do 1,0%,

W do 2,2%,

Ni do 4,3%,

Mn do 2,5%

Si do 1,0%

Przeznaczenie:• Stale o niższej zawartości węgla (0,3-0,6% C) mają dobrą odporność na uderzenia i dlatego stosuje się je np. na nitowniki, dłuta.

• Stale o zawartości węgla 1,4-2,3% to stale ledeburytyczne; po odlaniu występuje w strukturze ledeburyt przemieniony –mieszanina eutektyczna węglików i perlitu. Stale mają dużą hartowność, pozwalającą na hartowanie narzędzi o mniejszych przekrojach w powietrzu, a dzięki dużemu udziałowi objętościowemu twardszych od cementytu węglików stopowych (głównie chromu) należą do bardzo odpornych na ścieranie.• Duża regularność odkształceń po hartowaniu bez zmiany kształtu powoduje, że stosuje się je do wyrobu narzędzi o skomplikowanych kształtach, m.in. na płyty tnące do wykrojników, pierścienie do przeciągania, szczęki i rolki do walcowania i wytłaczania, sprawdziany itp.

Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na zimno

• Hartowanie i odpuszczanie niskie (wyższe od temperatury pracy)

• Kilkustopniowe nagrzewanie narzędzi ze stali wysokostopowych o skomplikowanych kształtach dla zminimalizowania naprężeńcieplnych

• Austenityzowanie w temperaturach 30 - 50°C powyżej linii Ac1(stale nadeutektoidalne), powyżej linii Accm (stale ledeburytyczne).

W stalach nadeutektoidalnych podczas austenityzowania węgliki wtórne pozostają nie rozpuszczone,

w stalach ledeburytycznych rozpuszczają się w większości węgliki wtórne, a pozostają nie rozpuszczone węgliki pierwotne.

Podczas austenityzacji pozostawia się więc pewną część węglików nie rozpuszczoną, co zwiększa odporność na ścieranie.

• Odpuszczanie w 180°C. Zostaje zachowana struktura martenzytuz węglikami nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji, co zapewnia wysoką twardość i odporność na ścieranie.

Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych:

a) niestopowych,

b) stopowych do pracy na zimno

Stale narzędziowe do pracy na gorąco(PN-EN ISO 4957:2004)

Przeznaczone na narzędzia, których temperatura powierzchni nagrzewa się powyżej 200°C i jednocześnie narażone są na częste i nagłe zmiany temperatury, odpuszczające działanie ciepła, duże naciski i ścieranie.

Niektóre gatunki stali

46

50

56

550

550

510

1040

1020

1010

Cr 3,0 Mo 2,75

V 0,55

Cr 5,2 Mo 1,3

V 1,0

Mn 0,7 Cr 5,3

Mo 1,5 V 0,25

0,32

0,40

0,50

WLV

WCLV

brak

32CrMoV12-28

X40CrMoV5-1

50CrMoV13-15

Twardośćpo obróbce

cieplnej

[HRC]

Temperatura

odpuszczania

[°C]

Temperatura

hartowania

[°C]

Dodatki stopowe

[%]

Średnia

zawartośćwęgla

[%]

Odpowiednik

wg PN

Gatunek

Cechy stali narzędziowych do pracy na gorąco:

• Dobre właściwości mechaniczne w podwyższonych

temperaturach (wysoka wytrzymałość, twardość, dobra

ciągliwość), a w wypadku dużych wymiarów narzędzi, np.

matryc - duża hartowność,

• Dostateczna odporność na szybkie zmiany temperatury;

(w wyniku wielokrotnego nagrzewania i chłodzenia

wierzchniej warstwy narzędzi wytwarza się z upływem czasu

na ich powierzchni siatka pęknięć. Zjawisko to zwane

zmęczeniem cieplnym jest podstawową przyczyną zużywania

się narzędzi do pracy na gorąco).

Skład chemiczny:

• Węgiel 0,25 – 0,60%

• Dodatki stopowe: Cr do 5,5%, Mo do 3,2%, V do 2,1%,

Si do 1,0%, w niektórych gatunkach Ni do 2%, W do 9,5%,

Co ok.4,5%

Przeznaczenie:

• Stale średniostopowe mają lepszą przewodność cieplną niżwysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięćwskutek zmęczenia cieplnego. Stosuje się je do wyrobu matryc kuźniczych, kowadeł do pras i młotów. Z uwagi na duże naciski i wstrząsy w czasie kucia muszą wykazywać dostateczną twardość i dużą ciągliwość.

• Stale wysokostopowe stosowane są na matryce do pras i formy do odlewów pod ciśnieniem, gdzie kontakt gorącego materiału jest stosunkowo długi i silniejsze nagrzewanie powierzchni narzędzia, przy spokojniejszych warunkach pracy. W, Mo i V hamują spadek twardości przy odpuszczaniu.

Obróbka cieplna stali narzędziowych do pracy na gorąco

• Hartowanie i wysokie odpuszczanie (temperatura wyższa od

temperatury pracy narzędzia!)

•Temperatura austenityzacji: stale średniostopowe 1010 - 1040°C,

wysokostopowe 1120 - 1150°C. Nagrzewanie dużych narzędzi prowadzi się stopniowo z małymi szybkościami, a czas

austenityzacji narzędzi o dużych wymiarach może dochodzić do

kilku godzin. Chłodzenie w oleju lub powietrzu. Struktura stali po

hartowaniu to martenzyt z niewielką ilością austenitu szczątkowego i

węglikami stopowymi nie rozpuszczonymi podczas austenityzacji.

• Odpuszczanie stali średniostopowych 500 – 550°C,

wysokostopowych w 600°C ma na celu uzyskanie dobrej udarności i odporności na odpuszczające działanie ciepła. Struktura po

odpuszczaniu to martenzyt odpuszczony, węgliki drobnodyspersyjne wydzielone podczas odpuszczania i większe

węgliki, nie rozpuszczone podczas austenityzacji.

Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: a) stopowych do pracy na gorąco, b)

szybkotnących

a) b)

Stale narzędziowe szybkotnące PN-EN ISO 4957:2004

Stale szybkotnące stosowane są na narzędzia skrawające pracujące w bardzo ciężkich warunkach; dużych szybkościach skrawania i dużych przekrojach wióra, dzięki zdolności zachowania twardości, odporności na ścieranie do temperatury 600°C oraz zależnych od nich własności tnących

stali.

63

65

560

560

1260

1220

W 18,0

V1,1 Cr 4,0

W 6,3

Mo 5,0

V 1,9 Cr 4,0

0,80

0,85

SW18

SW7M

HS18-0-1

HS6-5-2

Twardość po

obróbce

cieplnej

[HRC]

Temperatura

odpuszczania

[°C]

Temperatura

hartowania

[°C]

Dodatki

stopowe

[%]

Średnia

zawartośćwęgla

[%]

Odpowiednik

wg PN

Gatunek

Skład chemiczny:

• Węgiel 0,77 – 1,40%

• Dodatki stopowe: W do 18%, Mo do 8,7%, V do 4%,

Cr do 4%; w kilku gatunkach stali Co do 10%

Wysoki udział węgla jest niezbędny do utworzenia węglikówstopowych.

Zawartość węgla jest tak dobrana, aby w stanie wyżarzonym związać w węglikach prawie całkowicie pierwiastki stopowe –Mo, W, V i Cr, a w temperaturze austenityzowania do hartowania część rozpuścić (nasycić austenit i zwiększyćhartowności stali) a część pozostawić w celu zwiększenia odporności na ścieranie.

Znaczna zawartość pierwiastków węglikotwórczychzapewnia:

�zachowanie drobnego ziarna w stali przy hartowaniu z wysokich temperatur,

�wysoką hartowność,

�twardość wtórną przy odpuszczaniu w 500-600ºC

�zachowanie wysokiej twardości do 500-600ºC.

� kobalt – pierwiastek, który nie tworzy węglików zwiększa przewodność cieplną stali, wskutek czego narzędzia mogąskrawać z większą szybkością.

Stale szybkotnące należą do stali

ledeburytycznych, tzn. w stanie odlanym i po

powolnym chłodzeniu mają strukturę złożoną z

drobnego perlitu, węglików wtórnych i ledeburytu

- eutektyki przemienionej – w skład której

wchodzi perlit drobny, węgliki pierwotne i wtórne.

•Po wyżarzaniu ujednorodniającym wlewek

poddaje się kuciu (lub walcowaniu) w zakresie

temperatur 1100 do 900°C celem rozbicia

ledeburytycznej siatki węglików.

•Co najmniej ośmiokrotne zmniejszenie przekroju

wlewka jest niezbędne dla obniżenia stopnia

segregacji węglików.

•Segregacja węglików podlega ścisłej kontroli w

oparciu o wzorce zawarte w normach, ponieważ w

końcowym efekcie decydują one w dużym stopniu

o zużywaniu narzędzia i jego jakości.

Obróbka cieplna stali szybkotnących

Po obróbce plastycznej półwyroby ze stali szybkotnącej podlegająwyżarzaniu zmiękczającemu w temperaturze 800 - 850°C przez ok. 10 godz. Zapewnia ono zmniejszenie twardości poniżej 300HV i dobrą obrabialność dzięki równomiernemu rozłożeniu węglików , w osnowie ferrytu stopowego. Gotowe narzędzia hartuje się i odpuszcza.

Schemat obróbki cieplnej stali szybkotnącej

• Podgrzewanie stopniowe z uwagi na małą przewodność cieplną

•Temperatura austenityzowania około 1280°C, co umożliwia

rozpuszczenie takiej ilości węglików w austenicie aby został on nasycony pierwiastkami stopowymi i węglem dla zwiększenia

hartowności, a jednocześnie pozostawienie części węglików nie

rozpuszczonych, które zahamują rozrost ziaren austenitu

•Chłodzenie stopniowe w kąpieli solnej lub oleju o temperaturze

ok. 550°C i następnie w spokojnym powietrzu. Struktura stali po

hartowaniu: martenzyt z austenitem szczątkowym (ok. 30%) i

nierozpuszczone podczas austenityzowania węgliki

•Dwukrotne odpuszczanie w temperaturze od 550 ÷ 600°C przez

2 godz. z chłodzeniem w powietrzu.

Podczas pierwszego odpuszczania z martenzytu i austenitu szczątkowego wydzielają się drobnodyspersyjne węgliki, a

podczas chłodzenia następuje przemiana austenitu

szczątkowego w martenzyt hartowania.

Drugie odpuszczanie ma na celu usunięcie kruchości martenzytu

hartowania i dalsze obniżenie udziału austenitu szczątkowego.