Stale narzędziowe i specjalne

Tworzywa narzędziowe są materiałami stosowanymi do wyrobu całych narzędzi lub części roboczych. Główne właściwości tworzyw narzędziowych.

Wymagania materiałów:

twardość narzędzia - musi przewyższać twardość narzędziowego materiału od 20 do 30 HRC (np. szybkotnąca hartowana stal to około 63 HRC; narzędziem z takiej stali obrabiać możemy materiały, mające twardość od 33 od 43 HRC). Odporność na podwyższoną temperaturę

Narzędzie podczas skrawania nagrzewa się przy sporych prędkościach do wysokich temperatur. Wtedy może osiągnąć temperaturę wyższą od temperatury opuszczania określonego materiału narzędziowego, a przez to ostrze tępi się dość szybko. Wzrostowi temperatury narzędzia zapobiec możemy używając chłodzenia.

Odpowiednia wytrzymałość

Rodzaj niezbędnej wytrzymałości jest zależny od rodzaju danego narzędzia.

Odporność na ścieranie

Własność ta jest wymagana od każdych narzędzi. W szczególności zaś od narzędzi, które w czasie obróbki zachować muszą określony rozmiar, np. rozwiertak.

Zachowanie się w czasie hartowania

Po hartowaniu jest pożądane, aby zachowana była odpowiednia głębokość, odpowiednia twardość, a także nieprzegrzewalność stali. Hartujemy narzędzia w powietrzu lub w oleju.

Stale narzędziowe są produkowane w dwóch rodzajach - głębokohartujące: N5 - N13 i płytkohartujące: N7E - N13E. Znak stali jest złożony z litery N oraz liczby określającej przeciętną zawartość węgla w dziesiątej części procenta, zaś stal płytkohartująca się posiada na końcu oznaczenie E. Głębokohartujące się stale zawierają więcej o 0,05 %: Si, Mn, Ni, Cr, Cu, zaś o 0,005 do 0,01 %: S i P. Stale takie po hartowaniu posiadają HRC większe od 60, a pomimo tego po niewielkim podgrzaniu, do 200 ° C, stają się miękkie i nie nadają się do dalszego użytkowania. Są one stosowane na: gwintowniki, narzędzia pomiarowe, przecinaki, przebijaki. Niezależnie od masy wszystkich gatunków mają one małą hartowność. Wymusza to, by były one energicznie chłodzone po hartowaniu.

H20 - NaCI. Spowoduje to, iż krzywią się smukłe narzędzia, a o średnicy albo przekroju prostokątnym, mające boki powyżej 30 wrażliwe są na tak zwane miękkie plamy i są przez to trudne do hartowania. Gatunki te cechuje mała twardość w zmiękczonym stanie, co umożliwia kształtowanie narzędzi, a ciągliwy rdzeń pod zahartowaną twardą warstwą zwiększa żywotność przy obciążeniach dynamicznych.

Stale niestopowe narzędziowe (węglowe): stale te mają małą zawartość siarki i fosforu. Zawierają węgiel w ilościach od 0,38 do 1,3%. Cechują się niewielką temperaturą skrawania do około 250C, potem zaś tracą właściwości. Mają małą wytrzymałość na ścieranie. Twardość tych stali jest zależna od zawartości węgla a wynosi od 56 do 62 HRC. Takie stale są hartowane w wodzie. Z niestopowych stali są wykonywane narzędzia o nieskomplikowanych kształtach.

Stali stopowych do kształtowania na gorąco - nie stosuje się na

skrawające narzędzia. Są one natomiast stosowane na narzędzia wykorzystywane do plastycznej obróbki metali nagrzewanych do temperatury plastyczności.

Szybkotnące stale - zaliczamy je do stopowych stali.

Stale takie zachowują twardość oraz zdolność skrawania przy szybkościach, a także grubościach skrawanej warstwy wywołujących nagrzewanie się przyrządów do temperatury 650˚

Narzędzia te mają twardość od 61 do 63 HRC

Zastosowanie:

Z tych stali wykonywane są narzędzia przeznaczone do mechanicznych obróbek.

Stale szybkotnące to stale drogie, dlatego są one stosowane na ostrza narzędzia.

Stale sprężynowe (resorowe) zaliczają się do konstrukcyjnych stali o specjalnym zastosowaniu i są dostarczane w postaci walcowanych lub kulistych taśm, prętów, odkuwek i podlegają sprawdzaniu chemicznego składu oraz badaniu mechanicznych właściwości.

Wyroby hutnicze, które są przeznaczone na resory i sprężyny odznaczać się powinny całkowitym brakiem spotykanych najczęściej hutniczych wad, takich jak: śladów jamy skurczowej (pusta przestrzeń występująca w odlewie, która często powstaje w czasie jego krzepnięcia; powoduje obniżenie właściwości wytrzymałościowych odlewu oraz zmniejsza szczelność tego odlewu; przeciwdziała się powstaniu jamy skurczowej poprzez odpowiednie zaprojektowanie wlewowego układu, który pozwala na regulację rozkładu temp. w odlewie podczas jego krzepnięcia), odwęglenia powierzchni, odpowiedniej segregacji składników, pęknięć, przegrzania, a także wad, które pochodzą z plastycznej obróbki, jak np.: rys, zawalcowań, chropowatość powierzchni itp.

Najczęściej są to stale z martenowskiego przerobu. Główny składnik stali stopowych sprężynowych (resorowych) stanowi krzem, a także chrom, wanad i mangan, aczkolwiek jest ona również stosowana na produkcję resorów i sprężyn określona grupa węglowych stali o dużej zawartości węgla (od 0,65% do 0,85%).

Najważniejsza cecha dobrych resorów i sprężyn to ich zdolność do przyjęcia swojego naturalnego kształtu po obciążeniu, a po nim następującym odciążeniu. Żeby temu sprostać, używane na resory i sprężyny stale powinny się cechować:

a) dużym zakresem sprężystych odkształceń, czyli możliwie dużą granicą sprężystości

b) dobrymi właściwościami plastycznymi (a więc dużym przewężeniem i wydłużeniem), aby podczas przekroczenia granicy sprężystości nastąpić mogło pewne trwałe odkształcenie, ale bez zniszczenia przedmiotu

c) wysoką wytrzymałością statyczną

d) znaczną odpornością na zmęczenie (zjawisko obniżania się wytrzymałości materiału, który był poddawany cyklicznym długotrwałym obciążeniom; ostatecznym efektem zmęczenia materiału jest zanik spójności przez pęknięcie - biorąc pod uwagę rodzaj i specyficzny przebieg przełomu, który zwany jest pęknięciem zmęczeniowym. Pęknięcie zachodzi stopniowo: zaczyna się od niewielkich pęknięć, które łączą i rozwijają się, co w końcu doprowadza do rozdzielenia tworzywa bez znaczących plastycznych odkształceń i zazwyczaj przy naprężeniu dużo mniejszym od statycznego minimalnego niszczącego naprężenia. Zmęczenie materiału posiada duży wpływ na trwałość części maszyn, konstrukcji, pojazdów i jest częstą powodem groźnych technicznych awarii).

Pomijając sprężyny wykonywane z prętów, taśm lub drutów po plastycznej przeróbce na zimno, czyli w zgniecionym stanie, pozostałe sprężyny stosowane mogą być jedynie po cieplnej obróbce polegającej na odpuszczaniu i hartowaniu zwykle w średniej oraz w podwyższonej temperaturze.

Stwierdzono doświadczalnie, że odporność na zmęczenie obrobionej cieplnie sprężyny jest o 10 kG/mm2 wyższa od zgniecionej sprężyny przy takiej samej odporności na rozciąganie.

Cecha, warunki cieplnej obróbki oraz uzyskane własności mechaniczne i najważniejsze zastosowania stali sprężynowych i resorowych zostały podane tabeli 2.

Poza stalą węglową, inne stale przedstawione w tabeli 2 po odpowiedniej cieplnej obróbce mają bardzo wysoką odporność na rozciąganie, która wynosi 110 - 155 kG/mm2 - przy również dłuższej granicy plastyczności wynoszącej: 95 - 120 kG/mm2 oraz przy dużej twardości Brinella wynoszącej od 330 do 445 kG/mm2.

Ustalenie granicy sprężystości, będącej w tym przypadku najważniejszą wartością, w praktyce jest dość trudne do dokonania, więc do konstrukcyjnych obliczeń przyjmuje się zwykle granicę plastyczności. Jej wartość jest wyższa niż granica sprężystości, ale na ogół jest zbliżona do niej. Przy takim kryterium granicy sprężystości przy jakichkolwiek obliczeniach jako dopuszczalne przyjmuje się naprężenie wynoszące około połowy granicy plastyczności.

Bardziej prawidłowe jest oczywiście wykorzystanie w obliczeniach wyników badań odporności na zmęczenie.

Takie stale są średniowęglowymi stalami i z wyjątkiem pierwszej także stopowymi. Stopowe stale są stosowane wyłącznie po cieplnej obróbce, polegającej na odpuszczaniu i hartowaniu, przy czym temp. obróbki jest zależna wyłącznie od chemicznego składu. Właściwe wyniki obróbki uzyskać można tylko przy ścisłym przestrzeganiu temp. hartowania oraz zupełnym zabezpieczeniu takich stali przed odwęgleniem (niepowołane zjawisko zmniejszania się zawartości węgla na powierzchni stali podczas obróbki plastycznej na gorąco i jej wyżarzania).

Za wysoka temp. wygrzewania stali zmierzona przed chłodzeniem prowadzić może do przegrzania stali, a następnie do powstania hartowniczych pęknięć, co przy pracującym na zmęczenie materiale, jak sprężyna czy resor jest zupełnie niedopuszczalne.

Także odwęglanie powierzchniowe stali nie jest dopuszczalne, ponieważ uniemożliwia uzyskanie odpowiednich własności mechanicznych na powierzchniach (na powierzchniach występuje obniżenie granicy sprężystości), co powoduje pękanie, co jest źródłem przełomu zmęczeniowego. Zaznaczyć tu należy, że odwęgleniu najwięcej sprzyja krzem, a potem mangan oraz chrom.

Wszystkie najdrobniejsze zawalcowania lub też rdza podwyższają skłonność do skoncentrowania naprężeń oraz powstania zmęczeniowego przełomu. Jest oczywiste, iż wraz ze wzrostem wytrzymałości stali, jej wrażliwość na wszelkie powierzchniowe braki również się zwiększa. Dlatego też dla zwiększenia odporności na zmęczenie stosowane jest często: piaskowanie, polerowanie, a nawet są wywoływane pewne powierzchniowe odkształcenia na zimno (kulkowanie jest jedną z metod wykańczającej mechanicznej obróbki, która prowadzi do znacznego zwiększenia odporności zmęczeniowej wyrobów przez umocnienie ich wierzchniej warstwy i zmniejszenie chropowatości powierzchni elementów. Kulkowanie polega na uderzeniu w powierzchnię elementu obrabianego stalowymi lub rzadziej żeliwnymi kulkami (śrutem), które są wyrzucane przy pomocy układu wirników lub sprężonego strumienia powietrza.

Z powyższych powodów niedopuszczalne jest także powtarzanie cieplnej obróbki na resorach i sprężynach, które były już raz obrabiane cieplnie, ale otrzymane wyniki nie odpowiadały oczekiwanym wymaganiom.

Pomijając sprężynową stal węglową P0 następne cztery stale sprężynowe, czyli: PS0; PS1; PS2 oraz PS3 to stale krzemowe, jedna to chromowo-wanadowa PCV oraz jedna to chromowo-krzemowa PCS.