Stale narzędziowe.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%).

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: