Stale narzędziowe, Metaloznactwo

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
218
Æwiczenie 26
STALE NARZÊDZIOWE
1. CEL ÆWICZENIA
Celem æwiczenia jest zapoznanie siê z typowymi strukturami stali narzêdziowych,
podzia³em tych stali wed³ug zastosowania oraz zasadami ich doboru na nrzedzia.
2. WIADOMOCI PODSTAWOWE
Przez narzêdzia rozumie siê przedmioty s³u¿¹ce do kszta³towania, dzielenia lub
rozdrabniania materia³ów. Kszta³towanie mo¿e zachodziæ w drodze obróbki skrawa-
niem lub przeróbki plastycznej. Do grupy tej zalicza siê równie¿ narzêdzia warsztato-
we, takie jak: klucze, uchwyty, sprawdziany.
Stal narzêdziow¹ charakteryzuj¹ zasadniczo: sk³ad chemiczny, twardoæ i wytrzy-
ma³oæ oraz hartownoæ. Do dalszych w³aciwoci nale¿¹: odpornoæ na cieranie,
ciagliwoæ, zdolnoæ skrawania, odpornoæ na dzia³anie wysokich temperatur, sk³on-
noæ do rozrostu ziarna, wytrzyma³oæ zmêczeniowa, stabilnoæ wymiarów, odpor-
noæ na dzia³anie czynników korozyjnych oraz zdolnoæ do regeneracji. W zale¿noci
od rodzaju narzêdzia i jego warunków pracy niektóre z tych w³asnoci mog¹ mieæ
znaczenie decyduj¹ce, a inne drugorzêdne, albo nie musz¹ byæ w ogóle brane pod
uwagê.
Stale narzêdziowe w stanie dostawy powinny mieæ odpowiednio du¿y stopieñ prze-
robu plastycznego, gwarantuj¹cy zgrzanie siê ró¿nych nieci¹g³oci wystêpuj¹cych we
wlewku oraz rozbicie struktury pierwotnej. Zwykle przyjmuje siê minimalny stopieñ
przerobu równy 4 x. Tylko dla kutych narzêdzi, np. du¿ych walców, stopieñ przerobu
ogranicza siê do ok. 2,5 x. Zasadniczo huty dostarczaj¹ stale na narzêdzia w stanie
zmiêkczonym, aby umo¿liwiæ ich obróbkê skrawaniem oraz zapewniæ korzystn¹ struk-
turê wyjciow¹ do dalszej obróbki cieplnej.
W Polskich Normach stale narzêdziowe sklasyfikowane s¹ nastêpuj¹co:
1. Stale narzêdziowe niestopowe (PN-84/H-85020).
2. Stale narzêdziowe stopowe do pracy na zimno (PN-86/H-85023).
3. Stale narzêdziowe stopowe do pracy na gor¹co (PN-86/H-85021).
4. Stale szybkotn¹ce (PN-86/H-85022).
Opracowa³: Roman O. Wielgosz
219
2.1. Stale narzêdziowe niestopowe
Niestopowe stale narzêdziowe charakteryzuj¹ siê stosunkowo wysok¹ twardoci¹
po zahartowaniu, która wzrasta wraz z zawartoci¹ wêgla, du¿¹ sk³onnoci¹ do miêk-
niêcia przy podwy¿szeniu temperatury pracy narzêdzia, natomiast odpornoæ na cie-
ranie tych stali zale¿y w du¿ym stopniu od obecnoci w nich nierozpuszczonych cz¹-
stek cementytu. W zale¿noci od hartownoci wêglowe stale narzêdziowe dzieli siê
na dwie grupy:
1. stale p³ytko hartuj¹ce,
2. stale g³êboko hartuj¹ce.
Stale pierwszej grupy s¹ stalami o ma³ej hartownoci, wykazuj¹ niewielk¹ wra¿li-
woæ na przegrzanie. W stalach p³ytko hartuj¹cych graniczne zawartoci domieszek
zwykle wystêpuj¹cych w stalach wêglowych, tj. Mn, Si, P, S, Cr, Ni i Cu, s¹ mniejsze
ni¿ w stalach g³êboko hartuj¹cych. Stale p³ytko hartuj¹ce s¹ stosowane na narzêdzia
o gruboci lub rednicy do 20 mm; g³êbokoæ osi¹ganej w nich warstwy zahartowanej
nie przekracza 3 mm. Przy wiêkszych wymiarach narzêdzi warstwa ta jest zwykle
bardzo cienka i mog¹ wyst¹piæ miêkkie plamy, jeli ch³odzenie podczas hartowania nie
jest energiczne.
Stale g³êboko hartuj¹ce s¹ stalami o wiêkszej hartownoci, wykazuj¹cymi du¿¹
wra¿liwoæ na przegrzanie. Stale te mo¿na stosowaæ tak¿e na narzêdzia o wiêkszych
wymiarach, ale o przekrojach i grubociach tylko niewiele wiêkszych od 20 mm. G³ê-
bokoæ warstwy zahartowanej zale¿na jest od gatunku stali, temperatury austenityzo-
wania i od wymiarów narzêdzia; zazwyczaj wynosi ona od 5 do 12 mm.
W sk³ad stali g³êboko hartuj¹cych wchodz¹ dodatkowo dwa gatunki: N5 i N6, two-
rz¹ce dawniej oddzieln¹ grupê stali zgrzewalnych. Maj¹ one nieco podwy¿szon¹ zawar-
toæ manganu w stosunku do pozosta³ych stali narzêdziowych wêglowych, za zawar-
toæ krzemu obni¿on¹ do max. 0,15%, co umo¿liwia zgrzewanie ich ze stalami
konstrukcyjnymi, zwykle w gatunkach: 45, 55, 65. Przestarza³a metoda zgrzewania ognio-
wego jest zastêpowana w produkcji masowej zgrzewaniem oporowym i tarciowym.
Stale narzêdziowe niestopowe hartuje siê zwykle w wodzie od temperatur 40 do
60°C powy¿ej A
c
13
, praktycznie z zakresu 760-780°C. Jeli konieczne jest uzyskanie
wiêkszej g³êbokoci warstwy zahartowanej, dopuszcza siê hartowanie z temperatur
podwy¿szonych do 880°C, jednak w stalach g³êboko hartuj¹cych, których to g³ównie
dotyczy, ju¿ w zakresie 840-860°C mo¿e nast¹piæ rozrost ziarna.
Koniecznoæ stosowania intensywnych orodków hartowniczych spowodowana
jest du¿¹ szybkoci¹ krytyczn¹ ch³odzenia. Powoduje to wprowadzenie znacznych
naprê¿eñ w³asnych, wynikaj¹cych z du¿ych gradientów temperatury, prowadz¹cych
do powstawania pêkniêæ hartowniczych i odkszta³ceñ.
Wêglowe stale narzêdziowe s¹ bardzo ma³o odporne na spadek twardoci podczas
odpuszczania. Stosowany zakres temperatur odpuszczania wynosi: 170 do 200°C, za
temperatury pracy nie powinny przekraczaæ 180°C.
220
2.2. Stale narzêdziowe do pracy na zimno
Stopowe stale narzêdziowe do pracy na zimno s³u¿¹ do wykonywania narzêdzi do
obróbki materia³ów nie nagrzanych, jednak zarówno materia³ jak i narzêdzie mog¹
nieznacznie nagrzewaæ siê podczas pracy wskutek tarcia lub pracy odkszta³cenia.
Koniecznoæ stosowania stali stopowych narzêdziowych do pracy na zimno wystêpu-
je, gdy musimy wykonywaæ narzêdzia o wiêkszych przekrojach, wymagaj¹cych wiêk-
szej hartownoci, oraz kiedy zwiêkszona cieralnoæ narzêdzia powoduje koniecznoæ
wyst¹pienia w strukturze odpornych na cieranie wêglików stopowych, jak np. Cr
7
C
3
.
Mo¿liwoæ stosowania ³agodniejszych orodków hartowniczych zmniejsza udzia³ naprê-
¿eñ w³asnych (zmniejsza niebezpieczeñstwo pêkania narzêdzi), a zwiêkszenie odporno-
ci na miêkniêcie przy odpuszczaniu umo¿liwia stosowanie wy¿szych temperatur od-
puszczania ni¿ dla stali wêglowych, dodatkowo zmniejszaj¹c naprê¿enia w³asne przy
zachowaniu wysokiej twardoci. Z regu³y ci¹gliwoæ hartowanych i odpuszczanych na
tê sam¹ twardoæ narzêdzi ze stali stopowych jest wiêksza ni¿ ze stali wêglowych.
Narzêdziowe stale stopowe do pracy na zimno podzieliæ mo¿na na stale wysoko-
wêglowe (0,75 - 2,10 % C) i stale redniowêglowe (0,4 - 0,6 % C). Oddzielny gatu-
nek stanowi stal NW9 wystêpuj¹ca poprzednio w normie PN-71/H-85022 jako stal
szybkotn¹ca SW9.
Stale wysokowêglowe stosuje siê na narzêdzia, którym nie stawia siê wysokich
wymagañ co do odpornoci na naprê¿enia udarowe, a wiêc g³ównie na narzêdzia
skrawaj¹ce i tn¹ce. Podstawowymi sk³adnikami stopowymi s¹ tu: chrom, wolfram,
wanad, niekiedy molibden, które z jednej strony wp³ywaj¹ na zwiêkszenie hartowno-
ci stali, a z drugiej mog¹ wytworzyæ odporne na cieranie wêgliki stopowe.
Zawartoæ manganu podwy¿sza siê w tych stalach celem zwiêkszenia hartowno-
ci. Ze wzglêdu na zawartoæ wêgla i pierwiastków stopowych stale wysokowêglo-
we nale¿¹ do kategorii nadeutektoidalnych. Oddzieln¹ podgrupê tworz¹ tu ledebury-
tyczne stale wysokochromowe (NC1O, NC11, NC91LV), to znaczy po odlaniu
wystêpuje w nich sk³adnik ledeburytyczny. Po przeróbce plastycznej stale te zawiera-
j¹ wêgliki pierwotne i wtórne rozmieszczone na tle produktów rozk³adu austenitu.
Stale wysokochromowe charakteryzuj¹ siê du¿¹ hartownoci¹, a dziêki du¿emu udzia-
³owi objêtociowemu twardszych od cementytu wêglików chromu nale¿¹ do bardzo
odpornych na cieranie.
Temperatura hartowania stali wysokowêglowych winna byæ tak dobrana, aby po-
zostawiæ czêæ wêglików nie rozpuszczonych w austenicie, co zapewnia stali drobno-
ziarnistoæ, a po zahartowaniu zwiêkszon¹ odpornoæ na cieranie i zu¿ycie. Rozpusz-
czony w austenicie wêgiel z wêglików powoduje zwiêkszenie twardoci martenzytu
po hartowaniu. Wobec tego stale nadeutektoidalne hartuje siê od temperatur 30 do
50°C powy¿ej A
c
1
, za stale ledeburytyczne od temperatur wy¿szych (ok. 1000°C),
co pozwala na wydzielenie podczas odpuszczania drobnodyspersyjnych wêglików sto-
powych. W pierwszym przypadku przy nagrzewaniu zachodzi przemiana perlitu w au-
221
stenit, a pozostaj¹ czêciowo nierozpuszczone wêgliki wtórne; w drugim za prze-
chodz¹ do roztworu równie¿ wêgliki wtórne, a pozostaj¹ nierozpuszczone wêgliki pier-
wotne. Po odpuszczeniu w zakresie od 150 do 320°C (do 450°C dla stali wysokochro-
mowych) uzyskuje siê strukturê wêglików na tle martenzytu odpuszczonego. Twardoæ
tak obrobionych cieplnie stali wynosi rednio 60 HRC.
Stale redniowêglowe wykorzystuje siê na narzêdzia, które winny wykazywaæ
zwiêkszon¹ ci¹gliwoæ i odpornoæ na obci¹¿enia dynamiczne, np. wk³adki matryco-
we i stemple do przeróbki plastycznej na zimno, narzêdzia pneumatyczne. Prócz chro-
mu, wolframu i wanadu stale te zawieraj¹ krzem lub nikiel. Krzem pozwala uzyskaæ
te same twardoci narzêdzia przy zastosowaniu wy¿szych temperatur odpuszczania,
dziêki czemu uzyskuje siê lepsz¹ ci¹gliwoæ oraz zmniejszenie naprê¿eñ w³asnych
przy podwy¿szonej granicy sprê¿ystoci. Nikiel poprawia równie¿ ci¹gliwoæ, a po-
nadto, w po³¹czeniu z innymi pierwiastkami, znacznie zwiêksza hartownoæ umo¿li-
wiaj¹c hartowanie du¿ych przekrojów w oleju.
Stale redniowêglowe s¹ w zasadzie stalami podeutektoidalnymi, tak wiêc hartuje
siê je z temperatur powy¿ej A
c
3
, uzyskuj¹c ca³kowite lub prawie ca³kowite rozpusz-
czenie wêglików w austenicie, a po hartowaniu jednorodn¹ strukturê martenzytyczn¹
bez ladów ferrytu.
Po odpuszczaniu uzyskuje siê twardoci ni¿sze (45-58 HRC) ni¿ w stalach wyso-
kowêglowych. Nale¿y podkreliæ, ¿e stale redniowêglowe charakteryzuj¹ siê stosu-
kowo ma³¹ odpornoci¹ na cieranie ze wzglêdu na ma³y udzia³ wêglików w strukturze.
Wolframowa stal NW9 podlega typowej dla stali szybkotn¹cych obróbce cieplnej,
w wyniku której uzyskuje siê efekt twardoci wtórnej.
2.3. Stale narzêdziowe do pracy na gor¹co
Stale te przeznaczone s¹ do pracy w szerokim i zmiennym zakresie temperatur od
ponad 250°C dla niektórych narzêdzi kuniczych i dobrze ch³odzonych no¿y do ciêcia
na gor¹co a¿ do 600-700°C dla pewnych czêci oprzyrz¹dowania pras do wyciskania
i form do odlewania pod cinieniem. Ze wzglêdu na wiêksz¹ plastycznoæ materia³u
obrabianego w podwy¿szonych temperaturach stale narzêdziowe do pracy na gor¹co
nie musz¹ odznaczaæ siê tak du¿¹ twardoci¹ i odpornoci¹ na cieranie, jak stale do
pracy na zimno. Powinny natomiast zachowywaæ wysokie w³asnoci mechaniczne
w podwy¿szonych temperaturach, a ze wzglêdu na du¿e niekiedy rozmiary elemen-
tów z nich wykonywanych (szczególnie matryc), powinny mieæ du¿¹ hartownoæ. Od
stali na narzêdzia do pracy na gor¹co wymaga siê równie¿ dobrej wytrzyma³oci na
obci¹¿enia dynamiczne, której technologiczn¹ miar¹ jest udarnoæ. Szczególnie wa¿-
na jest zdolnoæ do znoszenia nag³ych zmian temperatury oraz odpornoæ na zmêcze-
nie cieplne, prowadz¹ce do powstawania siatki pêkniêæ, tzw. pêkniêæ ogniowych, któ-
re s¹ najczêstsz¹ przyczyn¹ zu¿ywania siê narzêdzi do pracy gor¹co.
222
Twardoæ stali narzêdziowych do pracy na gor¹co w stanie obrobionym cieplnie
jest mniejsza od twardoci stali do pracy na zimno. Stale na matryce do pras i formy
na odlewy cinieniowe o niskiej zawartoci wêgla wykazuj¹ po obróbce cieplnej twar-
doæ oko³o 45 HRC, gdy tymczasem stale bogatsze w wêgiel, na matryce kunicze,
posiadaj¹ twardoæ nieco wy¿sz¹ dochodz¹c¹ nawet do 55 HRC.
Stale narzêdziowe stopowe do pracy na gor¹co podzieliæ mo¿na na dwie grupy:
1. niskowêglowe stale na matryce do pras i formy do odlewania pod cinieniem, o wy-
sokiej zawartoci pierwiastków stopowych,
2. stale niskostopowe na matryce kunicze o wy¿szej zawartoci wêgla.
2.4. Stale szybkotn¹ce
Podstawow¹ cech¹ stali szybkotn¹cych jest zdolnoæ zachowania twardoci i od-
pornoci na cieranie przy temperaturach dochodz¹cych do 600-650°C. W³asnoæ tê
nadaje stalom szybkotn¹cym twarda i nie miêkn¹ca pod wp³ywem odpuszczania osnowa,
w której rozmieszczone s¹ twarde wêgliki. Powy¿sz¹ strukturê uzyskuje siê w drodze
obróbki cieplnej stali o odpowiednim sk³adzie chemicznym.
Poni¿ej podano krótk¹ charakterystykê poszczególnych gatunków stali szybkotn¹-
cych, ujêtych w normie PN-77/H-85022.
2.4.1. Stal wolframowa SW18
Stale wolframowe s¹ historycznie najwczeniejsze ze wszystkich stali szybkotn¹-
cych, wychodz¹ jednak z u¿ycia ze wzglêdu na nieproporcjonalnie wysoki koszt
w stosunku do w³asnoci u¿ytkowych narzêdzi z nich wykonywanych.
Stal SW18 jest ma³o ekonomiczna, nisko wydajna, charakteryzuje siê jednak dobr¹
ci¹gliwoci¹ i niewielk¹ wra¿liwoci¹ na temperatury austenityzowania; z tego wzglê-
du mo¿e byæ hartowana przy mniej dok³adnym pomiarze temperatury. Jednym z po-
wodów niechêci do wprowadzenia nowoczesnych gatunków stali szybkotn¹cych,
wymagaj¹cych precyzyjnego prowadzenia zabiegów obróbki cieplnej, jest niski po-
ziom technologiczny o.c. niektórych zak³adów. Stal SW18 stosowna jest na jednolite
no¿e tokarskie i strugarskie, frezy i wiert³a w produkcji ma³oseryjnej do obróbki skra-
waniem materia³ów o redniej wytrzyma³oci.
2.4.2. Stale o podwy¿szonej zawartoci wêgla: SW12C i SKC
W wyniku poszukiwañ stali, która wykazywa³aby mo¿liwie najwiêksz¹ odpornoæ
na cieranie, mia³a wysok¹ odpornoæ na odpuszczaj¹ce dzia³anie podwy¿szonych
temperatur i by³a przy tym ekonomiczna w u¿ytkowaniu, opracowane zosta³y specjal-
ne, polskie stale szybkotn¹ce o podwy¿szonych zawartociach wêgla (do 1,10%),
wanadu (do ok. 2,5%) i obni¿onej zawartoci wolframu (do 12%).
[ Pobierz całość w formacie PDF ]