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.
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.