STALE NARZĘDZIOWE

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
poszczególnych grup narzędzi, np.:
dla
•odporność na pękanie w warunkach cyklicznych
zmian temperatury i obciążeń dynamicznych (narzędzia
kuźnicze do przeróbki plastycznej na gorąco),
• stabilność wymiarów
narzędzia pomiarowe),
(sprawdziany
i
dokładne
•odporność na ścieranie i korozyjne oddziaływanie
czynników aktywnych chemicznie (narzędzia do
przetwórstwa tworzyw sztucznych).
Zgodnie z normą PN-EN ISO 4957:2004 wyróżnia się
stale:
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 muszą
posiadać 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 obejmują
sześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,45
do 1,20%
Gatunek
C45U
C70U
C80U
C90U
C105U
C120U
Odpowiednik wg PN
brak
N7(E)
N8(E)
N9(E)
N10(E)/N11(E)
N12(E)
Średnia
zawartość węgla
[%]
Temperatura
hartowania
[°C]
0,45
0,70
0,80
0,90
1,05
1,20
810
800
790
780
780
770
Temperatura
odpuszczania
[°C]
180
Twardość po
obróbce cieplnej
[HRC]
54
57
58
60
61
62
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 stosować
taką stal na narzędzia narażone na obciążenia dynamiczne.
Przeznaczenie
kształtach.
stali
niestopowych:
wyrób
narzędzi
o
prostych
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 cementytem
drugorzędowym (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).
Niektóre gatunki stali
Gatunek
Odpowiednik
wg PN
Średnia
zawartość
węgla
[%]
Dodatki stopowe
[%]
Temperatura
hartowania
[°C]
102Cr6
95MnCrV8
brak
brak
1,02
0,95
Cr 1,5
Mn 2,0 Cr 0,5
840
800
X100CrMoV5
brak
1,00
Cr 5,2 V 0,13
970
X210Cr12
NC11
2,05
Cr 12,0
Mo1,0 V 0,25
970
Temperatura
odpuszczania
[°C]
Twardość po
obróbce
cieplnej
[HRC]
60
60
180
60
62
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
węglików
objętościowemu
twardszych
od
cementytu
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 naprężeń
cieplnych
• 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 martenzytu
z 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
Gatunek
Odpowiednik
wg PN
Średnia
zawartość
węgla
[%]
Dodatki stopowe
[%]
Temperatura
hartowania
[°C]
Temperatura
odpuszczania
[°C]
Twardość
po obróbce
cieplnej
[HRC]
32CrMoV12-28
WLV
0,32
Cr 3,0 Mo 2,75
V 0,55
1040
550
46
X40CrMoV5-1
WCLV
0,40
Cr 5,2 Mo 1,3
V 1,0
1020
550
50
50CrMoV13-15
brak
0,50
Mn 0,7 Cr 5,3
Mo 1,5 V 0,25
1010
510
56
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 niż
wysokostopowe i dlatego mniejszą skłonność do tworzenia pęknięć
wskutek 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.
stali
średniostopowych
500
–
550°C,
• Odpuszczanie
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.
a)
b)
Wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali
narzędziowych: a) stopowych do pracy na gorąco, b)
szybkotnących
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.
Gatunek
Odpowiednik
wg PN
Średnia
zawartość
węgla
[%]
Dodatki
stopowe
[%]
Temperatura
hartowania
[°C]
Temperatura
odpuszczania
[°C]
Twardość po
obróbce
cieplnej
[HRC]
HS18-0-1
SW18
0,80
W 18,0
V1,1 Cr 4,0
1260
560
63
HS6-5-2
SW7M
0,85
W 6,3
Mo 5,0
V 1,9 Cr 4,0
1220
560
65
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 węglików
stopowych.
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 zwiększyć
hartowności stali) a część pozostawić w celu zwiększenia
odporności na ścieranie.
Znaczna zawartość pierwiastków węglikotwórczych
zapewnia:
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 mogą
skrawać 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 podlegają
wyżarzaniu 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.