Stale narzędziowe do pracy na zimno

Do połowy XIX wieku stale węglowe były jedynym materiałem stosowanym na narzędzia, przy czym potrzebną twardość, odporność na ścieranie i ciągliwość uzyskiwano przez stopniowanie zawartości węgla w granicach od 0,5 do 1,5% węgla i odpowiedni dobór temperatury odpuszczania. W miarę wzrostu twardości obrabianych materiałów, komplikowania się warunków pracy narzędzi i wzrostu wymagań stawianych narzędziom, stale narzędziowe węglowe zostały z wielu zastosowań całkowicie wyparte przez stale stopowe o lepszych własnościach użytkowych, wskutek czego udział ich w ogólnej produkcji stali znacznie zmalał.

W większości krajów uprzemysłowionych stale węglowe stanowią obecnie do 10% ilości produkowanych stali narzędziowych i znikomy ułamek procentu ogólnej produkcji stali. Dzięki swym szczególnym własnościom, stale te nadal wykorzystywane są do wielu zastosowań w łatwiejszych warunkach obróbki, zwłaszcza miękkich materiałów.

przeznaczone są do wyrobu narzędzi, których

temperatura podczas pracy nie przekracza

180°C. Na przykład przy wkręcaniu śrub.

Cechują się dużą twardością i odpornością na ścieranie, co wynika ze stosowania ich w stanie zahartowanym i nisko odpuszczonym.

Oznaczenie

Stale te oznacza się podając po literze C procentowy udział zawartości węgla (100=1%) natomiast kończąca oznaczenie litera U symbolizuje przeznaczenia stali na narzędzia.

Wymagania stawiane stalom narzędziowym niestopowym do pracy na zimno:

• wysoka twardość (60 HRC), wynikająca z dużej zawartości węgla w stali, a także właściwej obróbki cieplnej,

• odporność na ścieranie, chroniąca narzędzia przed destrukcyjnym wpływem tarcia,

• ciągliwość i wytrzymałość zabezpieczająca narzędzia przed pękaniem przy obciążeniach dynamicznych,

• właściwa hartowność gwarantująca uzyskanie żądanej grubości warstwy zahartowanej.

Zastosowanie

Stale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znajdują zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki, i proste narzędzia rolnicze – np. kosy lub zęby bron.

Zastosowanie

Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta, oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki.

Obróbka cieplna

W celu uzyskania wymaganych własności stale narzędziowe niestopowe poddaje się hartowaniu z temperatury 770÷810°C z chłodzeniem w wodzie i odpuszczaniu w temperaturze 180÷300°C z wygrzaniem przez 2 h. Temperatura odpuszczania jest dobierana w zależności od wymaganej twardości i ciągliwości narzędzia i zwykle nie przekracza 200°C. Podwyższanie temperatury odpuszczania powoduje szybkie zmniejszanie twardości i odporności na ścieranie stali niestopowych.

Obróbka cieplna

Mała hartowność, umożliwiająca uzyskanie twardej warstwy powierzchniowej grubości 3 ÷ 10 mm, zależnie od zawartości węgla, domieszek pierwiastków stopowych, temperatury hartowania i wielkości ziarna; dzięki obecności warstwy utwardzonej, na powierzchni narzędzia ze stali węglowej występują pożądane naprężenia ściskające.

Gatunki stali

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%

Stal C45U
Gatunek oferujący dobrą twardość powierzchni wraz z odpornością rdzenia. Używana na elementy do narzędzi, nadaje się również do narzędzi ręcznych takich jak szczypce czy narzędzia rolnicze wszelkiego rodzaju.

Stal C80U

Stal ta stosowana jest do wyrobu matryc do pracy na zimno, przebijaków, pił taśmowych do drewna, przecinaków, dłut pneumatycznych.

Mikrostruktura stali niestopowej narzędziowej do pracy na zimno, gatunek C80U w stanie wyżarzonym. Powiększenie 300x

Stal C90U

Narzędzia do obróbki twardego drewna i niektórych stopów o dobrej skrawalności, np. gwintowniki i rozwiertaki, oraz niektóre matryce do pracy na zimno.

C105U

Narzędzia skrawające z małą szybkością, niezbyt obciążone: wiertła, frezy, rozwiertaki, narzynki, gwintowniki, piłki do metali, matryce, stemple, znakowniki, płyty okrojnikowe, wykrojnikowe, oraz narzędzia do obróbki kamieni

Stal C120U

Stal ta jest twarda i stosowana na frezy, rozwiertaki, wiertła, narzędzia skrawające z małą prędkością, małe matryce i wykrojniki, noże do papieru.

Stopowe stale narzędziowe

Stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno, dzięki zawartym w składzie chemicznym pierwiastkom (Cr - chrom, W - wolfram, Mo - molibden, V - vanad) posiada dużą hartowność, a także zwiększa swoją odporność na skręcanie, wyginanie i ścieranie.

Stopowe stale narzędziowe

W szczególności gatunki stali zawierające ok. 2% węgla (C), 12% chromu (Cr), charakteryzują się bardzo wysoką odpornością na ścieranie.

Stal o zawartości węgla 0,40 - 0,55 % używana jest do produkcji narzędzi pracujących przy obciążeniach dynamicznych ,

Stal o zawartości węgla 0,75-2,10 % stosowana jest do wyrobu niektórych narzędzi skrawających, do produkcji walców

Oznaczenie

W oznaczeniu gatunku litera N oznacza stal do pracy na zimno, na drugim miejscu ( tak jak w przypadku stali do pracy na gorąco ) jest litera lub grupa liter oznaczających składnik stopu lub grupę składników:

M - mangan

S - Krzem

C - Chrom

N - Nikiel

L - Molibden

V - Wanad

W - Wolfram

K - Kobalt

P - Nikiel+Chrom+Wolfram

Z - Wolfram+Wanad+Krzem+Chrom

B – Bor

Oznaczenie

Trzeci człon jest to liczba (na środku lub na końcu oznaczenia gatunku) która klasyfikuje stal pod względem różnicy w ilości

dodatków stopowych i węgla, lub jak w przypadku stali o takich samych dodatkach stopowych, rozróżnia te gatunki np NC6-NC10, NZ2-NZ3.

Np znak stali NPW - oznacza stal narzędziową do pracy na zimno zawierającą chrom, nikiel, wanad i wolfram.

Oznaczenie

Stale do pracy na zimno według PN:

NC6 - stal chromowo-wanadowa

NPW - stal niklowo-chromowo-wolframowo-wanadowa

NCMS - stal chromowo manganowo-krzemowa

NWC - wolframowo-chromowo-manganowa

NZ3 - stal wolframowo-chromowo-krzemowo-wanadowa

NMV - stal manganowow-wanadowa

NC11LV - stal chromowo-molibdenowo-wanadowa

Stopowe stale do pracy na zimno stanowią najbardziej liczną i zróżnicowaną grupę stali narzędziowych, obejmującą łącznie kilkaset gatunków używanych i produkowanych w różnych krajach. Zależnie od typowego zastosowania zawartość węgla zmienia się w nich w wyjątkowo szerokich granicach, wynosi ona mianowicie w stalach na narzędzia:

o szczególnej dużej odporności na ścieranie 1,3÷2,5% C

skrawające tnące 1,0÷1,3% C

do obróbki plastycznej na zimno 0,8÷1,1% C

odporne na uderzenia 0,4÷06% C

do obróbki tworzyw sztucznych 0,1÷0,4%

Ze względu na małą hartowność stale narzędziowe węglowe mogą być używane przy pracy na zimno tylko na narzędzia o niewielkich przekrojach, pracujące przy małych obciążeniach. Wprowadzenie pierwiastków stopowych pozwala znacznie rozszerzyć zakres stosowania stali używanych na narzędzia do pracy na zimno (nienagrzewające się w czasie pracy powyżej 200°C).

Poprawiają się wówczas własności użytkowe, typowe dla tej grupy stali: odporność na ścieranie, ciągliwość i udarność, odporność na deformacje i paczenie się, hartowność.

W przypadku stopów wysokochromowych odporność na ścieranie rośnie wraz z zawartością węgla. Gdy zawartość C oraz Cr jest zbyt duża stop znacząco traci na przewodności cieplnej, co prowadzi do niekorzystnego rozkładu naprężeń własnych i zniekształceń wyrobu podczas obróbki cieplnej. Mała zawartość węgla pozwala na uzyskanie dobrej odporności na uderzenia oraz wstrząsy, wykorzystywanej do wytwarzania narzędzi takich jak młoty pneumatyczne. W niektórych stalach zwiększenie zawartości Si daje możliwość przeprowadzenia odpuszczania w wyższej temperaturze, co owocuje dużym wzrostem ciągliwości przy niewielkim spadku twardości

Na obrazku przedstawiony jest wpływ temperatury odpuszczania na zmiany twardości stali narzędziowych: a) niestopowych, b) stopowych do pracy na zimno

Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno służą do wyrobu narzędzi, które mogą wprawdzie nagrzewać się w czasie pracy, lecz obrabiają materiał o temperaturze otoczenia.

Są to: gwintowniki, narzynki, rozwiertaki, piłki i inne lekko się tylko nagrzewające w czasie pracy oraz narzędzia do tłoczenia na zimno, dłuta, młotki pneumatyczne, jak również matryce do pracy na zimno, narzędzia pomiarowe.

Choć nie stosuje się oficjalnego dalszego podziału, można wśród nich wyodrębnić 4 następujące grupy:

I — gatunki: NCV1, NW1 i inne

II — gatunki: NC4, NC6, NC4S, NCMS, NWC, NMV

III — gatunki: NC10, NC11 itd.

IV — gatunki: NZ2, NZ3, NPW etc.

Pierwsza grupa obejmuje gatunki o stosunkowo małej hartowności, przeznaczone do hartowania w wodzie, używane na narzędzia skrawające z małymi szybkościami.

Druga grupa obejmuje gatunki o znacznie większej hartowności, przeznaczone do hartowania w oleju. Wykonuje się z nich również narzędzia skrawające (z ograniczoną szybkością skrawania), a także wykrojniki i matryce.

Do trzeciej grupy zaliczono stale o dużej zawartości węgla i chromu. Stale te mają bardzo dużą hartowność i odporność na ścieranie. Stosuje się je na wykrojniki, matryce do pracy na zimno.

Stale czwartej grupy mają mniejszą zawartość węgla niż stale w trzech poprzednich grupach. Są to stale wykazujące odporność na wielokrotnie powtarzające się wstrząsy i uderzenia. Stosowane są na narzędzia do młotków pneumatycznych (dłuta, nitowniki), noże i przebijaki. Używane są również na narzędzia do pracy na gorąco.