1. Wprowadzenie
Rysunek 1. Klasyfikacja stali narzędziowej (patrz załącznik)
Stal narzędziowa to stal, z której wykonuje się narzędzia do kształtowania wszystkich grup materiałów: metali (przez kucie, cięcie, wyciskanie, ciągnienie, walcowanie lub odlewanie do form metalowych oraz do kształtowania), polimerów, ceramik oraz kompozytów.
Stale te są zatem twardymi materiałami wysokiej jakości, odpornymi na ścieranie, na działanie ciepła i zdolnymi do przenoszenia dużych naprężeń zarówno w temperaturze pokojowej, jak i zbliżonej do 700º C, przy bardzo małym zużyciu. Własności stali narzędziowych wynikają ze zdolności do hartowania podczas chłodzenia z zakresy austenitu.
Głównym celem dodawania pierwiastków stopowych jest: zwiększenie hartowności, odporności na odpuszczające działanie ciepła oraz zachowanie twardości w wysokiej temperaturze. Przeważnie dodaje się: Cr, Mo, W, V oraz Mn. Stale te są wytapiane w małych łukowych piecach elektrycznych. Mogą być również wykonywane techniką metalurgii proszków, gdy pożądany skład chemiczny jest trudny do uzyskania tradycyjną techniką. Skład chemiczny poszczególnych grup stali narzędziowych określa norma PN-EN ISO 4957:2002 (U). Klasyfikacja stali narzędziowych przedstawiona została na rysunku 1.
Podstawowymi własnościami stali narzędziowych, określającymi ich zachowanie podczas eksploatacji, są:
• odporność na zużycie i odkształcenie
• udarność
• odporność na odpuszczające działanie ciepła.
2. Stale narzędziowe do pracy na zimno.
Stale narzędziowe do pracy na zimno są przeznaczone na narzędzia, które podczas pracy nie nagrzewają się powyżej temperatury 250 º C. Stale te charakteryzuje duża twardość oraz odporność na ścieranie, co wynika ze stosowania ich w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym. Mikrostruktura stali po hartowaniu składa się z martenzytu, węglików nierozpuszczonych podczas austenityzowania i austenitu szczątkowego. Stal z większą ciągliwością przeznaczone są na narzędzia narażone na działanie obciążeń o charakterze dynamicznym.
Stale narzędziowe do pracy na zimno dzielimy na stale niestopowe oraz stopowe. Pierwiastki stopowe tworzące węgliki (Cr, V, Mo, W) powodują u stali stopowych, przy tej samej twardości, większą odporność na ścieranie niż mają stale niestopowe.
2.1 Stale narzędziowe niestopowe do pracy na zimno.
Stale niestopowe do pracy na zimno muszą mieć przede wszystkim dużą twardość i odporność na ścieranie. Na znak tych stali składa się litera C a za nią liczba będąca 100-krotną zawartością węgla, natomiast końcowe oznaczenie literą U oznacza przeznaczenie stali na narzędzia.
Przykładowe oznaczenie C120U oznacza, że jest to stal niestopowa, narzędziowa przeznaczona do pracy na zimno o zawartości węgla 1,2 %. Stale zawierające mniejszy procent węgla są stosowane na narzędzia pracujące udarowo między innymi: przecinaki i młotki, oraz na proste narzędzia tnące, np.: dłuta i piły. Natomiast stale o dużej zawartości węgla wykorzystuje się na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych oraz na narzędzia rolnicze.
Tablica 1 zawiera składy chemiczne stali narzędziowych niestopowych ujętych w normie PN-EN ISO 4957:2002 (U).
2.2 Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno.
W przypadku, gdy podczas pracy narzędzia występują znaczne naciski, konieczne jest zwiększenie grubości warstwy zahartowanej i wytrzymałości rdzenia. By uzyskać taki efekt stosuje się stal wzbogaconą dodatkami stopowymi. Głównie dodaje się dodatki stopowe pierwiastków tworzących węgliki czyli: Cr, Mo, W oraz V. Powoduje to wzrost odporności na ścieranie oraz zwiększenie hartowności.
W przypadku stopów wysokochromowych odporność na ścieranie rośnie wraz z zawartością węgla. Lecz, gdy zawartość C oraz Cr jest zbyt duża stop znacząco traci na przewodności cieplnej, co jest przyczyną niekorzystnego rozkładu naprężeń własnych i zniekształceń wyrobu podczas obróbki cieplnej. Mała zawartość węgla natomiast pozwala na uzyskanie dobrej odporności na uderzenia oraz wstrząsy. Takie stale wykorzystuje się do tworzenia narzędzi do młotów pneumatycznych takich jak: dłuta, nitowniki, groty.
Stale stopowe poprzez zastosowanie odpowiednich dodatków stopowych we właściwych proporcjach, pozwalają na optymalizację właściwości w zależności od ich przeznaczenia.
Tablica 2 zawiera znormalizowane składy chemiczne stali narzędziowych stopowych ujętych w normie PN-EN ISO 4957:2002 (U).
3. Stale narzędziowe do pracy na gorąco
Stale narzędziowe do pracy na gorąco są przeznaczone na narzędzia pracujące
W zakresie temperatur od 250ºC do 700ºC. Stosuje się je na martyce, przebijaki, trzpienie, formy odlewnicze i narzędzia do wyciskania. Stale te narażone są na odpuszczające działanie ciepła, nagłe zmiany temperatury oraz duże naciski i ścieranie. Wymagania stawiane stalom do pracy na gorąco:
• odporność na odkształcenie w wysokiej temperaturze,
• odporność na obciążenia dynamiczne i działanie karbu
• odporność erozyjna
• minimalne zmiany kształtu podczas obróbki cieplej
• skrawalność
• odporność na zmęczenie cieplne
Naprężenia cieplne oraz mechaniczne powodują tworzenie się siatki pęknięć
powierzchniowych (pęknięcia ogniowe). Przeciwdziała się temu zjawisku dodając Si oraz Cr. Pierwiastki te zwiększają wytrzymałość zmęczeniową, odporność na utlenianie i wytrzymałość w wysokiej temperaturze.
Najczęstszą przyczyną zużywania się narzędzi do pracy na gorąco jest zmęczenie cieplne na wskutek cyklicznego nagrzewania i chłodzenia warstwy powierzchniowej, co powoduje jej rozszerzanie się i kurczenie na skutek cyklicznego kontaktu z formowanym materiałem nagrzanym do wysokiej temperatury. Odpowiednie własności do takich zastosowań mają stale narzędziowe o stosunkowo małej zawartości C ( 0,3 ± 0,55%), zawierające dodatki stopowe pierwiastków: Cr, V, Mo, W oraz czasami Si, Ni i Co. Stale z mała zawartością dodatków stopowych cechują się dobrą przewodnością cieplną, co powoduje mniejszą skłonność do pęknięć spowodowanych zmęczeniem cieplnym.
Stale narzędziowe do pracy na gorąco stosuje się również na formy do kształtowania polimerów pod ciśnieniem. Muszą one spełniać surowe wymagania co do porowatości, czystości, jednorodności i hartowności. Taka stal wytapiana jest w piecu elektrycznym, odgazowana w próżni i odtleniania przy użyciu specjalnych
technik. Kombinacja kucia spęczającego obróbką cieplną ujednorodniającą pozwala uzyskać jednorodną strukturę, bez rzadzizn i pustek.
Podstawowe znaczenie przy doborze stali narzędziowej do pracy na gorąco ma temperatura, do jakiej nagrzewa się narzędzie. Do temperatury ok. 230ºC stosuje się stale niestopowe i niskostopowe. Stale chromowe stosuje się do temperatury 420ºC. Do wyższych temperatur stosuje się stale zawierające Mo, W i V.
Tablica 3 przedstawia znormalizowane składy chemiczne stali narzędziowych do pracy na gorąco ujęte w normie PN-EN ISO 4957:2002 (U).
4. Stale szybkotnące
Stale szybkotnące są stalami stosowanymi na narzędzia skrawające z dużymi szybkościami. Mają one odpowiednio dużą twardość w wysokich temperaturach.
Charakteryzują się dużą zawartością węgla i pierwiastków stopowych, tworzących węgliki, np. V, Mo, W i Cr. Niektóre z nich zawierają również Co.
Skład chemiczny zmienia się w bardzo dużym zakresie. Własności tnące stali szybkotnącej są zależne od odporności na ścieranie, udarności oraz odporności na odpuszczające działanie ciepła. Odporność na ścieranie ma związek z rodzajem, zawartością i kształtem węglików pierwotnych (MC, M6C) oraz twardością osnowy. Udarność określana jest stanem odpuszczonej osnowy, wielkością byłego ziarna austenitu, przestrzennym rozmieszczeniem i rozkładem wielkości węglików pierwotnych. Osnowa stali szybkotnącej składa się z dobrze odpuszczonego martenzytu i węglików powodujących twardość wtórną. Zmiany w osnowie podczas pracy narzędzia są zależne głównie od ułamka objętości i wielkości węglików powodujących twardość wtórną oraz od ich skłonności do koagulacji.
W stalach szybkotnących występują następujące węgliki: M6C, M23C6, MC, M2C, M3C. Od składu chemicznego oraz parametrów obróbki cieplnej zależy jakie węgliki i w jakich ilościach występują w stali.
Wolfram (W) i Molibden (Mo) są podstawowymi pierwiastkami stopowymi stali szybkotnących. Większa ich zawartość powoduje lepsze właściwości tnące stali. Oba pierwiastki opóźniają procesy występujące podczas odpuszczania i dzięki temu zwiększają efektywność cięcia. Stale o dużej zawartości Mo mają nieco większą udarność przy tej samej twardości, niż stale o dużej zawartości W, natomiast stale z Mo są w większym stopniu narażone na odwęglenie niż stale z W.
Kolejnymi ważnymi pierwiastkami stopowymi stali szybkotnących są: wanad (V). Tworzy on węglik VC. Zwiększa odporność na ścieranie oraz powoduje twardość wtórną; Chrom (zazwyczaj 4%) zwiększa hartowność stali; Kobalt poprawia własności wysokotemperaturowe stali. Zwiększa twardość na gorąco i efekt twardości wtórnej oraz zwiększa przewodność cieplną dzięki czemu narzędzia moją skrawać szybciej ponieważ efektywniejsze staje się chłodzenie ostrza w czasie pracy.
Mikrostrukturę stali szybkotnącej powinna stanowić twarda i jednorodna osnowa z dużym ułamkiem drobnych i równomiernie rozmieszczonych nierozpuszczonych podczas austenityzowania, jak i tworzących się podczas obróbki cieplnej węglików o dużej twardości i stabilności. Dlatego głównym celem procesu wytwarzania stali szybkotnącej jest uzyskanie takiej mikrostruktury.
Praca w formacie .doc w załączniku
