Blicharski Stal 7.doc

7. Stale narzędziowe

7.1. Wstęp

Stal narzędziowa jest to stal, z której wykonuje się narzędzia do kształtowania metali przez kucie, cięcie, wyciskanie, ciągnienie, wal­cowanie lub odlewanie do form metalowych oraz do kształtowania polimerów, ceramik i kompozytów. Wytrzymałość i twardość narzędzi muszą być większe niż materiałów ciętych lub kształtowanych. Stale narzędziowe są zatem twardymi materiałami wysokiej jakości odpornymi na działanie ciepła i zdolnymi do przenoszenia dużych naprężeń zarówno w temperaturze pokojowej, jak i znacznie wyższej, zbliżonej do 700°C, przy bardzo małym zużyciu. Ich wspaniałe własności są rezultatem zdolności do hartowania podczas chłodzenia z zakresu austenitu. Ze względu na bardzo duże zróżnicowanie wymagań stawianych poszczegól­nym narzędziom istnieje duża różnorodność składu chemicznego stali narzędziowych od względnie tanich i prostych stali niestopowych o dużej zawartości C do złożonych i drogich stali szybkotnących.

Pierwiastki stopowe nie są dodawane do stali narzędziowych w celu umocnienia ferrytu lub osnowy odpuszczonego martenzytu, gdyż ich wpływ jest mały. Ich głównym celem jest zwiększenie hartowności i odporności na odpuszczające działanie ciepła oraz zachowanie twardości w wysokiej temperaturze. Pierwiastki stopowe zwiększając hartowność, zwiększają wytrzymałość wyrobów o większych przekrojach, a ponadto zmniejszają zmiany kształtu szczególnie wyrobów o skomplikowanych kształtach przez to, że podczas hartowania można stosować mniej intensywne ośrodki chłodzące. Rozdrabniając ziarno dzięki tworzeniu stabilnych węglików, zwiększają udarność. Twardość i wytrzymałość stali zawierającej pierwiastki węglikotwórcze w wysokiej temperaturze rosną, gdyż węgliki stopowe wykazują małą skłonność do koagulacji. Szczególnie korzystny jest w tym względzie wpływ V.

Stale narzędziowe zawierają zwykle względnie duże ilości: Cr, Mo, W, V i Mn. Są bardzo często wytapiane w małych łukowych piecach elektrycznych. Aby sprostać wymaganiom, jest stosowana obróbka w kadzi ciekłego metalu lub wtórne procesy przetapiania, takie jak przetapianie elektrożużlowe lub przetapianie łukowe w próżni. Stale narzędziowe mogą być również wykonywane techniką metalurgii proszków. Tą techniką wykonuje się stale o składzie niemożliwym lub trudnym do uzyskania metodą tradycyjną, a jej zastosowanie do tradycyjnych stali narzędziowych umożliwia uzyskanie węglików drobniejszych i charakteryzujących się większą jednorodnością.

Wyróżnia się następujące rodzaje stali narzędziowych:

1)    niestopowe do pracy na zimno,

2)     stopowe do pracy na zimno,

3)    do pracy na gorąco,

4)     szybkotnące.

7.2. Podstawowe charakterystyki stali narzędziowych

W przypadku stali konstrukcyjnych dążenie do własności lepszych niż konieczne jest niecelowe. Wał korbowy lub koło zębate powinny mieć trwałość co najmniej równą trwałości całego silnika, którego są częściami składowymi, a dążenie do trwałości przekraczającej znacznie trwałość całego silnika nie jest potrzebne. W przypadku narzędzi dąży się do osiągnięcia jak największej żywotności, gdyż np. narzędzia skrawające wymagające nie tak częstego ostrzeniu oraz matryce umożliwiające wykonanie większej liczby odkuwek są narzędziami bardzo cennymi dla użytkownika, nawet jeżeli ich większa wydajność jest związana z wyższym kosztem, oczywiście w granicach rozsądku.

O przydatności stali konstrukcyjnych decydują zwykle parametry określone z próby rozciągania, tj. granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie i przewężenie oraz odporność na pękanie. Podstawowymi własnościami stali narzędziowych, określającymi ich zachowanie podczas eksploatacji, są odporność na zużycie i odkształcenie, udarność i bardzo często również odporność na odpuszczające działanie ciepła. Odporność na odpuszczające działanie ciepła zależy natomiast od zawartości pierwiastków stopowych tworzących węgliki, powodujące twardość wtórną, Parametrem najczęściej mierzonym w przypadku tych stali jest twardość. Ze wzrostem twardości zwiększa się wytrzymałość i odporność nu zużycie ścierne, natomiast maleje odporność na pękanie i ciągliwość. Duża twardość w podwyższonej temperaturze jest ważną własnością stali stosowanych na narzędzia skrawające i do kształtowania metali przez odkształcenie plastyczne na gorąco

Zwykle w temperaturze austenityzowania podczas hartowania siali narzędziowych część węglików pozostaje nierozpuszczona. Węgliki te zwiększają odporność stali na ścieranie, gdyż są znacznie twardsze od osnowy, natomiast ich wpływ na twardość jest niewielki, ponieważ występują w postaci dużych cząstek. Wynika z tego, że sama twardość nie stanowi wystarczającej podstawy do oceny odporności stali na ścieranie, Odporność tę osiąga się przez zwiększenie zawartości twardych węglików stopowych w mikrostrukturze. Szczególnie korzystne są węgliki typu M23C6, M6C i MC. Inną metodą zwiększenia odporności na ścieranie jest obróbka cieplno-chemiczna lub nanoszenie twardych warstw.

Odporność na zużycie ścierne zwiększa się z twardością osnowy oraz z zawartością i twardością węglików. Zawartość i rodzaj tworzących się w stali węglików zależą od zawartości węgla oraz rodzaju i zawartości pierwiastków tworzących węgliki (Cr, Mo, W, V). Twardość węglików zależy od ich rodzaju (rys. 7.1) i składu chemicznego, np. twardość cementytu wynosi ok. 800 HV, natomiast jeżeli w cementycie jest rozpuszczony Cr, to twardość wzrasta do ok. 1400 HV.

Rys. 7.1. Twardości węglików występujących w stali szybkotnącej; dla porównania podano też twardość martenzytu

Narzędzia tnące muszą być odporne na zużycie i mieć wystarczająco dużą udarność, aby nie następowało wykruszanie się materiału ostrza podczas eksploatacji. Narzędzia pracujące w warunkach dynamicznych, tj. stosowane przy budowie i remoncie linii kolejowych lub stosowane do nitowania, muszą się charakteryzować dużą udarnością. Odporność na zużycie stali rośnie z zawartością węgla i pierwiastków węglikotwórczych, natomiast udarność maleje. Dlatego stale na narzędzia pracujące w warunkach dynamicznych
powinny zawierać tyle węglu, aby po obróbce cieplnej uzyskały wystarczającą twardość, a jednocześnie charakteryzowały się dobrą udarnością.

Stale do pracy na gorąco są  stosowane na matryce do kucia, przebijaki i matryce do wyciskania, tj. gdy najważniejsza jest odporność na odpuszczające działanie ciepła. Dzięki dużej zawartości pierwiastków stopowych i względnie małej zawartości węgla charakteryzują się dużą hartownością i udarnością. Najbardziej złożone i ważne są stale szybko­tnące, mające dużą odporność na ścieranie i na odpuszczające działanie ciepła. Są stosowane na wiertła, frezy i inne narzędzia tnące, usuwające metal z dużymi szybkościami, powodującymi nagrzewanie się narzędzi do wysokiej temperatury.

Stale narzędziowe do pracy na zimno

Stale narzędziowe do pracy na zimno są przeznaczone na narzędzia, które podczas pracy nie powinny się nagrzewać powyżej temp. 250°C. Wymagania stawiane tym stalom to głównie duża twardość i odporność na ścieranie, dlatego są one stosowane w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym. Mikrostruktura stali po hartowaniu składa się z martenzytu, węglików nierozpuszczonych podczas austenityzowania i austenitu szczątkowego. Na narzędzia narażone na działanie obciążeń dynamicznych jest stosowana stal o większej ciągliwości, odpuszczana w temp. 250 ÷ 450°C.

Wśród stali narzędziowych do pracy na zimno wyróżnia się stale niestopowe i stale stopowe. Pierwiastki stopowe tworzące węgliki (Cr, V, Mo i W) nadają stalom stopowym, przy tej samej twardości, większą odporność na ścieranie niż mają stale niestopowe. Ze względu na większą hartowność niektóre ze stali stopowych mogą być hartowane w oleju lub nawet w powietrzu, co zmniejsza zmiany wymiarów podczas hartowania.

Stale narzędziowe niestopowe do pracy na zimno

Składy chemiczne ujętych w normie PN-EN ISO 4957:2002 (U) siali narzędziowych niestopowych do pracy na zimno podano w tabl. 7.1. Znak tych stali składa się z litery C, liczby oznaczającej średnią zawartość węgla w setnych częściach procentu i litery U oznaczającej przeznaczenie stali na narzędzia na końcu znaku. Zasadniczą cechą stali w gatunku C70U do C120U jest mała hartowność wynikająca z małej zawartości Mn i Si. Stale o mniejszej zawartości  węgla są stosowane na narzędzia pracujące udarowo, takie jak przecinaki i  młotki, oraz na proste narzędzia tnące, np. dłuta i piły, natomiast stale o dużej zawartości węgla na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych oraz na narzędzia rolnicze.

Tablica 7.1. Skład chemiczny, warunki obróbki cieplnej i twardość stali narzędziowych niestopowych do pracy na zimno, wg PN-EN ISO 4957:2002 (U)

Rys. 7.2. Zależność twardości od temperatury odpuszczania dla wybranych stali narzędziowych niestopowych do pracy na zimno

Stale narzędziowe niestopowe są hartowane w wodzie z temp. 770 ÷ 810oC i odpuszczane w temp. 180 ÷ 300°C. Temperatura odpusz­czania zwykle nie przekracza jednak 200°C, gdyż twardość i odporność na ścieranie stali niestopowych maleją bardzo szybko ze wzrostem temperatury odpuszczania powyżej 150°C (rys. 7.2), Po hartowaniu mikrostruktura składa się zwykle z twardej zewnętrznej warstwy martenzytycznej

•   miększego rdzenia, w którego mikrostrukturze przeważa drobny perlit, a w przypadku stali nadeutektoidalnych występuje również cementyt. Narzędzia o takiej mikrostrukturze, jeżeli warstwa martenzytyczna ma drobną i równomierną mikrostrukturę, wykazują stosunkowo dobrą ciągliwość. Znoszą one obciążenia dynamiczne lepiej niż stale hartujące się znacznie głębiej lub na wskroś nie tylko dzięki ciągliwemu rdzeniowi, ale również dzięki korzystnemu rozkładowi naprężeń własnych. W powierzchniowej warstwie martenzytycznej występują naprężenia ściskające, które zmniejszają występujące podczas pracy naprężenia rozciągające. Jest to istotne, gdyż mikrostruktura martenzytyczna znacznie lepiej wytrzymuje naprężenia ściskające niż rozciągające. Jeżeli podczas pracy występują znaczne naciski, to warstwa zahartowana musi być odpowiednio gruba, a rdzeń powinien mieć większą wytrzymałość i wówczas na narzędzia do pracy na zimno należy stosować stal stopową.

7.3.2. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno

Dodatki stopowe pierwiastków tworzących węgliki Cr, Mo, W i V powodują, że stale stopowe mają większą odporność na ścieranie niż stale niestopowe. Większa hartowność spowodowana przez pierwiastki stopowe powoduje, że niektóre ze stali stopowych mogą być hartowane w oleju, a nawet w powietrzu, co zmniejsza zmiany wymiarowe, zniekształcenia i prawdopodobieństwo tworzenia się pęknięć hartowniczych. Pierwiastki węglikotwórcze zwiększają odporność stali na ścieranie dzięki tworzeniu węglików. W niektórych stalach występuje twardość wtórna dzięki tworzeniu węglików M2C i MC.

Składy chemiczne znormalizowanych (PN-EN ISO 4957:2002 (U)) stali narzędziowych stopowych do pracy na zimno podano w tabl. 7.2. Podobnie jak stale niestopowe, stale stopowe do pracy na zimno są przeznaczone na narzędzia, które nie powinny podczas pracy nagrzewać się powyżej temp. 250°C, dlatego nie zawierają pierwiastków stopowych niezbędnych do przeciwstawiania się mięknięciu w podwyższonej temperaturze.

Stale: X153CrMoV12, X210Crl2 i X210CrW12 zawierają węgliki ledeburytyczne i charakteryzują się bardzo dużą hartownością oraz odpornością na ścieranie i utlenianie. Dlatego są stosowane na duże, skomplikowane narzędzia, od których wymaga się małych zmian kształtu podczas obróbki cieplnej i dużej twardości po obróbce. Odporność na ścieranie stali wysokochromowych rośnie z zawartością węgla. Stale zawierające dużo Ci Cr mają bardzo małą przewodność cieplną, co stwarza problemy z naprężeniami własnymi i zniekształcaniem wyrobu podczas obróbki cieplnej. W stalach wysokowęglowych i wysokochromowych ze wzrostem temperatury austenityzowania rośnie ułamek objętości

Tablica 7.2. Skład chemiczny, temperatura hartowania i twardość w stanie obrobionym cieplnie stali narzędziowych do pracy na zimno, wg PN-EN ISO 4957:2002 (U)