Stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco

Stale narzędziowe do pracy na gorąco PN-86/H-85021

Niskostopowe i średniostopowe stale narzędziowe przeznaczone do pracy na gorąco nie należą do stali odpornych na działanie agresywnych środowisk korozyjnych i w sprzyjających korozji warunkach, takich jak wysoka wilgotność, obecność chlorków lub kwaśne środowisko, mogą ulegać korozji. Niezabezpieczone lub niewłaściwie zabezpieczone stalowe narzędzia wykazują skłonność do rdzewienia, zwłaszcza podczas dłuższego magazynowania oraz transportu, gdzie mogą być narażone na długotrwały kontakt z wilgocią.

Intensywność procesu rdzewienia poszczególnych gatunków stali narzędziowych jest jednak zróżnicowana i w jednakowych warunkach ekspozycji zależy przede wszystkim od:

• Składu chemicznego stali – gatunki stali o niskiej zawartości chromu lub pozbawione tego pierwiastka mają znacznie większą skłonność do korozji.
• Zawartości pierwiastków stopowych – stal zawierająca do 5,5% chromu oraz molibden wykazuje znacząco zwiększoną odporność na korozję atmosferyczną.
• Stanu powierzchni narzędzi – im gładsza i bardziej wypolerowana powierzchnia, tym mniejsza skłonność do korozji, gdyż utrudnia to osadzanie się wilgoci i zanieczyszczeń inicjujących proces utleniania.
• Warunków środowiskowych – środowiska morskie, wilgotne, zasadowe lub kwaśne znacząco przyspieszają procesy korozyjne.

Niektóre stale narzędziowe o podwyższonej zawartości chromu i molibdenu wykazują także zwiększoną odporność na utlenianie w podwyższonych temperaturach, co jest szczególnie istotne w narzędziach do pracy na gorąco, gdzie często występuje ekspozycja na działanie wysokiej temperatury w obecności tlenu.

Zwiększona gładkość powierzchni narzędzi znacząco zmniejsza podatność na korozję. Efekt ten jest bardziej lub mniej wyraźny w zależności od rodzaju środowiska korozyjnego – w środowiskach o wysokiej wilgotności gładkość ma większe znaczenie niż w środowiskach suchych.

Aby zabezpieczyć narzędzia wykonane ze stali przeznaczonych do pracy na gorąco przed korozją, należy stosować odpowiednie metody ochrony. Najbardziej efektywne sposoby zabezpieczenia to:

• Zdzieralne powłoki czasowej ochrony, takie jak woski antykorozyjne, emulsje ochronne, lakiery antykorozyjne.
• Cienka warstwa oleju maszynowego – najtańsza, lecz mniej trwała metoda, wymagająca regularnej konserwacji.
• Pakowanie w materiały antykorozyjne – użycie specjalnych folii VCI (z inhibitorami korozji) w połączeniu z warstwą oleju.

Stale narzędziowe do pracy na gorąco ze względu na swój skład chemiczny i mikrostrukturę należą do materiałów o bardzo ograniczonej spawalności. Wysoka zawartość pierwiastków stopowych, takich jak chrom, molibden i wanad, zwiększa twardość i odporność cieplną, ale jednocześnie powoduje ryzyko pęknięć w trakcie spawania.

Ich wzajemne łączenie, jak również łączenie z innymi rodzajami stali, może być stosowane jedynie w wyjątkowych przypadkach, np. podczas naprawy narzędzi kuźniczych, form odlewniczych lub matryc. W takich sytuacjach należy przestrzegać szczegółowych procedur spawalniczych, aby zminimalizować ryzyko pęknięć i nieciągłości w strukturze materiału.

Zasady prawidłowego spawania stali narzędziowych do pracy na gorąco:

• Dobór odpowiedniej technologii spawania: Zaleca się metody o kontrolowanym dopływie ciepła, takie jak TIG, MIG lub spawanie łukowe elektrodą otuloną.
• Zastosowanie spoiwa dostosowanego do składu chemicznego stali.
• Wstępne podgrzewanie materiału – przed przystąpieniem do spawania zaleca się nagrzanie elementów do temperatury ok. 250-400°C w celu zmniejszenia gradientu temperatury i ryzyka pęknięć.
• Obróbka cieplna po spawaniu: W celu minimalizacji naprężeń i przywrócenia odpowiednich właściwości mechanicznych konieczne jest odpuszczanie lub wyżarzanie odprężające.

Należy jednak liczyć się z tym, że spoina, zwłaszcza po przeprowadzeniu obróbki cieplnej, może mieć odmienne właściwości mechaniczne niż materiał rodzimy. Może to skutkować lokalnym obniżeniem twardości lub zwiększeniem kruchości, co w pewnych przypadkach może wpłynąć na trwałość narzędzia. Dlatego naprawy spawalnicze w przypadku stali narzędziowych do pracy na gorąco powinny być traktowane jako rozwiązanie ostateczne, a w przypadku poważniejszych uszkodzeń zaleca się wymianę narzędzia na nowe.

Powierzchnie narzędzi narażone na intensywne ścieranie w czasie eksploatacji można poddawać napawaniu. Napawanie jest procesem polegającym na nanoszeniu dodatkowej warstwy materiału na powierzchnię narzędzia w celu zwiększenia jej trwałości, odporności na zużycie lub przywrócenia właściwości użytkowych narzędzi zużytych. Metodę napawania, sposób przygotowania powierzchni do napawania, rodzaj spoiwa oraz zabiegi cieplne zarówno przed, jak też w trakcie i po napawaniu należy dobrać w zależności od kilku czynników, takich jak:

• Gatunek materiału napawanego oraz jego stan.
• Rodzaj i skład chemiczny użytego spoiwa.
• Charakter pracy narzędzia (warunki obciążenia, temperatury pracy).
• Kształt, wielkość i umiejscowienie napoin.

Napoiny często mają odmienny skład chemiczny od materiału bazowego, co może prowadzić do różnic w strukturze mikrokrystalicznej narzędzia. Fakt ten należy uwzględnić przy ewentualnym poddawaniu napawanych narzędzi obróbce cieplnej, aby uniknąć nadmiernych naprężeń, pęknięć lub obniżenia trwałości połączenia. Proces napawania jest przeprowadzany z zastosowaniem kontrolowanych zabiegów cieplnych, dlatego wysokość temperatury podgrzewania oraz chłodzenia końcowego powinna być starannie dobrana, uwzględniając wpływ ciepła na własności mechaniczne napawanego materiału.

Do łączenia poszczególnych gatunków stali między sobą lub z innymi rodzajami stali można stosować procesy zgrzewania, takie jak:

• Zgrzewanie elektryczne oporowe.
• Zgrzewanie tarciowe.

Dobór odpowiednich parametrów zgrzewania, takich jak czas nagrzewania, ciśnienie docisku i czas chłodzenia, jest kluczowy dla uzyskania trwałego połączenia o wysokiej wytrzymałości. Również zabiegi cieplne przed i po zgrzewaniu powinny być dostosowane do gatunków łączonych materiałów, ich grubości oraz oczekiwanych właściwości połączenia.

Przy łączeniu prętów stalowych często stosuje się zgrzewanie oporowe iskrowe lub tarciowe. Połączenia uzyskane w ten sposób charakteryzują się właściwościami mechanicznymi zbliżonymi do właściwości materiałów bazowych i mogą być poddawane tym samym procesom obróbki cieplnej, co łączone materiały.

Istnieje także możliwość wzajemnego łączenia różnych gatunków stali, w tym stali narzędziowych do pracy na gorąco ze stalami węglowymi. Taka kombinacja znajduje zastosowanie przede wszystkim w narzędziach trzpieniowych, w których część chwytowa wykonana jest ze stali węglowej o wysokiej ciągliwości, a część robocza – ze stali narzędziowej o podwyższonej twardości i odporności na ścieranie.

Cięcie stali narzędziowych do pracy na gorąco:
Stale narzędziowe, ze względu na wysoką twardość i zawartość pierwiastków stopowych, wymagają specjalnych metod cięcia.

• Stale o zawartości chromu do 1,5% mogą być cięte zarówno metodą acetylenowo-tlenową, jak i plazmową.
• Stale o zawartości chromu powyżej 1,5% można ciąć wyłącznie metodą cięcia plazmowego, ze względu na większą odporność na utlenianie i trudniejsze warunki topnienia.
• Żłobienie elektropowietrzne jest możliwe we wszystkich gatunkach stali narzędziowych, niezależnie od zawartości pierwiastków stopowych.

Przed przystąpieniem do cięcia stali lub żłobienia zaleca się wstępne podgrzewanie elementów do określonej temperatury, co minimalizuje ryzyko naprężeń cieplnych i pęknięć. Wysokość temperatury podgrzewania powinna być dobrana w zależności od:

• Gatunku ciętego materiału.
• Grubości elementu.
• Zakresu wymaganych właściwości mechanicznych po cięciu.

Szybkość studzenia po cięciu oraz ewentualne zabiegi cieplne, takie jak odpuszczanie czy wyżarzanie odprężające, powinny być dostosowane do gatunku ciętej stali, w celu zachowania odpowiednich właściwości mechanicznych oraz umożliwienia dalszej obróbki mechanicznej.

Stosowanie odpowiednich procedur cięcia, napawania i zgrzewania ma kluczowe znaczenie dla trwałości i niezawodności narzędzi pracujących w podwyższonych temperaturach, zapewniając jednocześnie wysoką jakość i minimalizując ryzyko uszkodzeń podczas eksploatacji.

W oznaczeniu gatunku stali narzędziowej litera W (rzadko stosowane normy BN, mogły mieć oznaczenia takie same jak w przypadku stali stopowych konstrukcyjnych), oznacza stal przeznaczoną do pracy na gorąco, co wskazuje na jej przystosowanie do pracy w podwyższonych temperaturach, w warunkach intensywnego obciążenia termicznego i mechanicznego.

Na drugim miejscu w oznaczeniu znajduje się litera lub grupa liter, które określają główny dodatek stopowy lub grupę składników stopowych, mających wpływ na właściwości stali:

• M – mangan (zwiększa hartowność, wytrzymałość i ciągliwość).
• S – krzem (poprawia odporność na utlenianie i zwiększa hartowność).
• C – chrom (zwiększa odporność na korozję i utlenianie, podnosi hartowność).
• N – nikiel (poprawia ciągliwość, zwiększa odporność na pękanie).
• L – molibden (zwiększa odporność na odpuszczanie i pękanie termiczne).
• V – wanad (poprawia odporność na ścieranie i stabilność mikrostruktury).
• W – wolfram (zwiększa odporność na ścieranie i twardość w wysokich temperaturach).
• K – kobalt (podnosi odporność cieplną i wytrzymałość w wysokich temperaturach).
• P – nikiel + chrom + wolfram (połączenie tych pierwiastków poprawia hartowność i odporność na ścieranie).
• Z – wolfram + wanad + krzem + chrom (połączenie zwiększające twardość i odporność na wysokie temperatury).
• B – bor (poprawia hartowność i odporność na pękanie termiczne).

Trzeci człon oznaczenia:

Trzeci człon w oznaczeniu stali narzędziowej to liczba, która klasyfikuje stal pod względem zawartości dodatków stopowych i węgla. Im wyższa liczba, tym większa zawartość pierwiastków stopowych i węgla, co przekłada się na zwiększoną twardość, ale także trudniejszą obróbkę cieplną.

Przykłady oznaczeń:

• WNLV – stal narzędziowa do pracy na gorąco zawierająca nikiel, molibden i wanad.
• WCLV – stal narzędziowa chromowo-molibdenowa z dodatkiem wanadu.
• WWV – stal wolframowo-wanadowa.
• WCMB – stal chromowo-manganowa z dodatkiem boru.

System oznaczeń stali narzędziowych oparty na literach i liczbach umożliwiał jednoznaczne określenie składu chemicznego oraz przeznaczenia materiału. Taki sposób klasyfikacji pozwala na łatwy dobór odpowiedniego gatunku stali w zależności od specyficznych wymagań aplikacyjnych, takich jak wysoka temperatura, intensywne ścieranie lub konieczność odporności na pękanie termiczne. W oznaczeniu gatunku stali narzędziowej liczba na początku oznaczenia wskazuje na średnią zawartość węgla, wyrażoną w setnych procenta. Kolejne litery i cyfry określają obecność i ilość pierwiastków stopowych oraz jakość stali.

Polskie normy dotyczące stali narzędziowych do pracy na gorąco ewoluowały wraz z postępem technologicznym oraz harmonizacją z europejskimi standardami.

Stare polskie normy:

• PN-86/H-85021 – była to krajowa norma obowiązująca w Polsce, określająca wymagania dla stali narzędziowych do pracy na gorąco, w tym skład chemiczny, właściwości mechaniczne oraz metody badań. Stosowana przed integracją z normami europejskimi.

Nowe polskie normy:

• PN-EN ISO 4957:2004 – wprowadzona po harmonizacji z normami europejskimi, obejmowała wymagania dla stali narzędziowych, w tym stali do pracy na gorąco. Ujednoliciła specyfikacje techniczne zgodnie z normami EN i ISO.
• PN-EN ISO 4957:2018-09 – aktualna wersja normy, która obowiązuje od września 2018 roku. Obejmuje zaktualizowane wymagania dotyczące składu chemicznego, właściwości mechanicznych, metod obróbki cieplnej i testowania stali narzędziowych.

Zmiany w normach:

Nowe normy wprowadziły:

• Dokładniejsze określenie składu chemicznego.
• Bardziej precyzyjne wymagania dotyczące właściwości mechanicznych.
• Ujednolicone procedury badawcze zgodne z międzynarodowymi standardami ISO.

Zmiana z normy krajowej na międzynarodową umożliwiła lepsze dostosowanie stali do wymagań współczesnego przemysłu oraz ułatwiła handel międzynarodowy.

WLV – stal molibdenowo-wanadowa X32CrMoV33, 1.2365
WNL – stal niklowo-molibdenowa 55NiCrMoV6, 1.2713
WWV – stal wolframowo-chromowo-wanadowa X30WCrV93, 1.2581
WWS1 – stal wolframowo-krzemowa
WWN1 – stal wolframowo-niklowa
WCL – stal chromowo-molibdenowa X38CrMoV51, 1.2343
WCLV – stal chromowo-molibdenowo-wanadowa X40CrMoV51, 1.2344
WCMB – stal chromowo-manganowa z dodatkiem boru
40NHF – stal niklowo-chromowo-wanadowa
50NHFM – stal niklowo-chromowo-wanodowo-molibdenowa
20H2M – stal chromowo-molibdenowa

Pozostałe stale narzędziowe

stal narzędziowa wysokostopowa szybkotnąca
stal narzędziowa węglowa
stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno
stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco