POLITECHNIKA RZESZOWSKA

im. Ignacego Łukasiewicza

WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

Laboratorium

z

Metaloznawstwa i

Obróbki cieplnej.

Temat: Narzędziowa stal stopowa.

Dariusz Schabowski

II MDT gr.1209

1. Klasyfikacja i oznaczanie stali narzędziowej stopowej.

Stal narzędziowa jest stosowana do produkcji i narzędzi służących do kształtowania materiałów zarówno metodami obróbki skrawaniem, jak i prze­róbki plastycznej, a także do produkcji różnego rodzaju przyrządów pomiaro­wych .

Poszczególne grupy narzędzi podlegają podczas pracy różnym obciąże­niom, co wymaga stosowania na nie materiałów o odmiennych właściwościach. Podstawowe wymagania stawiane stali narzędziowej to:

• duża twardość, która musi być większa od twardości obrabianego mate­riału,

• odpowiednia hartowność do zapewnienia narzędziom niezbędnej grubo­ści warstwy zahartowanej i odpowiedniej wytrzymałości rdzenia,

• dobra odporność na ścieranie zapewniająca trwałość narzędzi w warun­kach tarcia przy znacznych naciskach jednostkowych,

• dostateczna odporność na działanie podwyższonej temperatury. Ze względu na zastosowanie stal narzędziową dzieli się na:

• przeznaczoną do pracy na zimno,

• przeznaczoną do pracy na gorąco,

• szybkotnącą.

Znak stali narzędziowej składa się z:

• litery N (stal narzędziowa do pracy na zimno), W (stal narzędziowa do pracy na gorąco) lub S (stal szybkotnąca) umieszczonej na początku,

• litery lub kilku liter określających główny składnik lub składniki stopo­we,

• liczb stawianych w środku lub na końcu znaku stali, wyróżniających ga­tunek stali, a w przypadku stali szybkotnącej określających zawartość procentową głównych pierwiastków stopowych.

2. Stali narzędziowa do pracy na zimno.

Klasyfikacja stali

Stal narzędziowa do pracy na zimno jest stosowana na narzędzia pracujące w temperaturze nie przekraczającej 200°C. Gatunki stali stopowej z tej grupy, w porównaniu ze stalą węglową, mają większą hartowność, wytrzymałość na skręcanie i zginanie, ciągliwość oraz dużą odporność na ścieranie. Głównymi dodatkami stopowymi w tej stali są chrom, mangan, wolfram i wanad. Ze względu na zawartość węgla stal tę dzieli się na:

• średniowęglową (od 0,4 do 0,55% węgla),

• wysokowęglową (od 0,5 do 2,1 % węgla).

Stal średniowęglowa, wykazująca zwiększoną ciągliwość, jest stosowana na narzędzia narażone na udarowe działanie obciążeń, natomiast stal wysoko­węglową stosuje się na narzędzia skrawające oraz takie, w których jest pożądana duża odporność na ścieranie i wysoka twardość.

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna ze względu na charakter pracy i żądane właściwości sta­nowi najważniejsze ogniwo w produkcji narzędzi. Gatunki tej stali poddaje się hartowaniu i niskiemu odpuszczaniu. Temperatura austentyzowania jest zwią­zana z rodzajem i zawartością pierwiastków węglikotwórczych w stali, im większe stężenie pierwiastków stopowych, tym wyższa temperatura austenity­zowania. Zapewnia to rozpuszczenie dostatecznej ilości węglików stopowych w austenicie. Ponieważ część węglików zwiększających odporność na ścieranie powinna pozostać nierozpuszczona, więc gatunki nadeutektoidalne hartuje się z temperatury 30-60°C powyżej A_cl, natomiast gatunki ledeburytyczne można hartować z temperatury wyższej od A_cm. Zapewnia to nasycenie austenitu węglem i pierwiastkami stopowymi, co powoduje zwiększenie hartowności . Stal narzędziowa do pracy na zimno po hartowaniu ma mikrostrukurę składającą się z martenzytu listwowego, austenitu szczątkowego i nierozpuszczonych węgli­ków. Odpuszczanie przeprowadza się najczęściej w zakresie temperatury 150­-260°C. Jedynie narzędzia wykonane ze stali podeutektoidalnych narażone na działanie obciążeń dynamicznych, od których jest wymagana większa ciągli­wość, są poddawane odpuszczaniu w wyższej temperaturze (250-450°C). Taka obróbka cieplna powoduje jednak zmniejszenie twardości stali. Stosunkowo małe obniżenie twardości po obróbce cieplnej w tych warunkach wykazują ga­tunki o znacznym stężeniu pierwiastków węglikotwórczych: NC 10, NC 11, NC 11 LV, NW9. ­

Powierzchnie narzędzi wykonanych ze stali narzędziowej do pracy na zim­no w czasie obróbki cieplnej powinny być zabezpieczone przed utlenieniem i odwęgleniem, dlatego narzędzia o dużych rozmiarach obrabia się cieplnie w piecach z atmosferami ochronnymi, a małe - w kąpielach solnych.

3. Stali narzędziowa do pracy na gorąco.

Klasyfikacja stali

Stal narzędziowa do pracy na gorąco jest stosowana na narzędzia pracujące w zakresie temperatury 250-700°C. W niższej temperaturze pracują niektóre kowadła kuźnicze i Boże do cięcia na gorąco, w najwyższej zaś - matryce pras kuźniczych, narzędzia do wyciskania na gorąco oraz formy do odlewania pod ciśnieniem.

Wymagania stawiane tym gatunkom stali. dużą wytrzymałość, twardość i odporność na ścieranie w podwyższonej temperaturze osiąga się przez dobór składu chemicznego oraz odpowiednią obróbkę cieplną. Stal ta zawiera od 0,3 do 0,6% węgla oraz dość znaczną ilość dodatków stopowych. Głównymi dodat­kami stopowymi są chrom oraz wanad, molibden i wolfram, powodujące efekt twardości wtórnej podczas odpuszczania, oraz krzem, nikiel i mangan.

Ze względu na zastosowanie narzędzia wykonane ze stali narzędziowej do pracy na gorąco są narażone na wystąpienie zjawiska zmęczenia cieplnego, czyli możliwość pękania w wyniku działania zmieniających się cyklicznie naprężeń cieplnych. Może również wystąpić zjawisko zmęczenia cieplno-mechanicznego (w przypadku nakładających się na siebie zjawisk zmęczenia cieplnego i naprę­żeń zewnętrznych spowodowanych np. naciskami powierzchniowymi). Zjawiska te znacznie przyspieszają zużycie narzędzi.

Obróbka cieplna

Stal narzędziowa do pracy na gorąco jest dostarczana w stanie zmiękczo­nym. Po obróbce skrawaniem narzędzia poddaje się hartowaniu i wysokie­mu odpuszczaniu. Temperatura austenityzowania jest zawarta w za­kresie 840-1140°C w zależności od składu chemicznego i rodzaju narzędzia. Po austenityzowaniu i hartowaniu stal narzędziowa do pracy na gorąco ma mi­krostrukturę martenzytu listwowego z węglikami pierwotnymi i austenitem szczątkowym. Podczas odpuszczania przemiana austenitu szczątkowego i wy­dzielające się węgliki stopowe typu M₄C₃, M₂C i M₇C₃ powodują efekt twar­dości wtórnej. Po ulepszaniu cieplnym stal narzędziowa do pracy na gorąco ma mniejszą twardość niż stal narzędziowa do pracy na zimno. Aby zwiększyć trwałość narzędzi, należy je przed rozpoczęciem pracy nagrzewać do tempera­tury 200-300°C, a podczas pracy nie powinno się ich schładzać poniżej tego zakresu.

4. Stal szybkotnąca.

Klasyfikacja stali.

Stal szybkotnąca jest najczęściej stosowana na wieloostrzowe narzędzia skrawające z dużą szybkością, złożone narzędzia kształtowe oraz elementy na­rzędzi pomiarowych. Stal ta wykazuje dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze do ok. 650°C. Wymagane właściwości, zwłaszcza dużą hartow­ność oraz efekt twardości wtórnej, osiąga się przez odpowiednie dobranie skła­du chemicznego i prawidłowo przeprowadzoną obróbkę cieplną. Najważniejsze pierwiastki stopowe to chrom, wolfram, molibden i wanad, a w wielu gatunkach dodatkowo występuje kobalt.

Oprócz optymalnie dobranego składu chemicznego o dobrych właściwo­ściach stali szybkotnącej decyduje kształt i rozłożenie węglików. Segregacja węglików zależy od pierwotnej budowy wlewka oraz stopnia przerobu podczas przeróbki plastycznej .

Mikrostruktura stali szybkotnącej po odlaniu jest ledeburytyczna. Po wyża­rzaniu ujednorodniającym przeprowadza się obróbkę plastyczną (ok. 1100°C w celu rozbicia siatki ledeburytu i rozdrobnienia węglików) oraz wyżarza­nie zmiękczające. W stali szybkotnącej w stanie wyżarzonym występują wę­gliki typu M₆C, M₂₃C₆ i MC. Ich rodzaj i ilość zależy od składu chemiczne­go stali.

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna narzędzi ze stali szybkotnącej polega na hartowaniu z temperatury bliskiej solidusu (1200-1270°C) i wysokim odpuszczaniu. Od jej prawidłowego wykonania zależy uzyskanie pożądanych właściwości na­rzędzi. Bardzo ważne w procesie obróbki cieplnej jest zastosowanie odpowied­niej temperatury austenityzowania, podczas którego następuje rozpuszczanie się

węglików w osnowie, co powoduje wzbogacenie austenitu w pierwiastki stopo­we, polepszenie hartowności i wpływa na przemiany fazowe zachodzące pod­czas chodzenia. Zbyt wysoka temperatura austenityzowania powoduje wyraźny rozrost ziarna austenitu oraz może powodować lokalne nadtopienia. Natomiast zbyt niska temperatura austenityzowania nie zapewnia prawidłowego rozpusz­czania węglików w osnowie, w wyniku czego otrzymuje się mniejszą twardość stali po odpuszczaniu.

Mikrostruktura stali szybkotnącej po hartowaniu składa się z martenzytu listwowego i austenitu szczątkowego (ok. 20%) oraz nie rozpuszczonych węgli­ków pierwotnych. Podczas odpuszczania z osnowy wydzielają się dyspersyjne węgliki, najczęściej M₄C₃, a niekiedy M₂C oraz następuje przemiana martenzy­tyczna austenitu szczątkowego. Po prawidłowo wykonanym odpuszczaniu twar­dość stali jest ok. 2-3 HRC wyższa od uzyskanej po hartowaniu.

---