Stale narzędziowe węglowe – charakterystyka i gatunki
Stale narzędziowe węglowe należą do grupy stali narzędziowych przeznaczonych do pracy na zimno. Są najprostszymi ze względu na skład chemiczny stalami narzędziowymi. Stosuje się do wyrobu narzędzi nienarażonych na pracę w wysokich temperaturach, które nie wymagają dużej hartowności, od których nie jest wymagana bardzo duża odporność na ścieranie.
Stal narzędziowa węglowa, najczęściej stosowana do wyrobu narzędzi ręcznych i maszynowych ,które są narażone podczas pracy na uderzenia
i wstrząsy, a także które nie nagrzewają się podczas pracy powyżej temperatury 250oC.
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. Podstawowymi cechami narzędziowych stali węglowych, określającymi kierunki ich zastosowania, są:
– 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.
– możliwość uzyskania dużej twardości powierzchniowej, od ok. 57 HRC w stalach podeutektoidalnych oraz do ok. 65 HRC w stalach nadeutektoidalnych (zawierających ok.1,3% C), w których pożądaną dużą dyspersję cementytu uzyskuje się przez wstępne normalizowanie.
– znaczna ciągliwość niezahartowanego rdzenia, zależna od zawartości węgla, czystości stali, wielkości ziarna, przy czym drobne ziarno uzyskuje się przez odtlenianie za pomocą glinu (Al).
– mała odporność na odpuszczanie, wyrażająca się szybkim spadkiem twardości ze wzrostem temperatury powyżej 200°C. Z tego powodu stale węglowe stosuje si przede wszystkim na narzędzia do pracy na zimno, a tylko w rzadkich przypadkach na narzędzia kuzienne, wówczas, kiedy czas stykania się z gorącym materiałem jest krótki i nie następuje silniejsze nagrzewanie się narzędzia.
Ponieważ hartowność stali węglowych jest bardzo mała, nie jest celowe wyznaczenie jej za pomocą próby hartowania od czoła, jak w stalach stopowych. Stosuje się do nich w dalszym ciągu tradycyjną metodę „szeregu hartowniczego”, łamiąc próbki kwadrat 25 mm po zahartowaniu przy temperaturach 760, 800, 840, 880°C i oceniając na przełomie głębokość zahartowanej warstwy oraz wielkość ziarna wg skali Jernkontoret.
Regulując dopuszczalną zawartość domieszek składników stopowych oddziaływających na hartowność, można uzyskać 2 typy stali węglowych o różnej hartowności ( płytko hartujące się i głęboko hartujące się). Niektóre normy zagraniczne do tej grupy stali zaliczają również gatunki o zwiększonej zawartości wanadu (0,1- 0,2%) i chromu (ok. 0,5%). Wanad wiążąc węgiel zmniejsza nieco hartowność (przy niskiej temperaturze hartowania), jednocześnie zapewnia drobnoziarnistość. Chrom natomiast zwiększając hartowność umożliwia stosowanie stali węglowych na narzędzia o nieco większym przekroju. Wprowadzenie tych gatunków do grupy stali węglowych zaciera różnice między nimi a stalami stopowymi.
W normach poszczególnych krajów występują również większe rozbieżności, co do liczby gatunków oraz różnicowania zawartości dopuszczalnych domieszek fosforu, siarki i pierwiastków stopowych. W wielu z tych norm utrzymano nadal znaczne zróżnicowania asortymentu stali węglowych i dużą liczbę gatunków, w innych natomiast ograniczono ten asortyment do kilku gatunków, nie różnicując ich pod względem hartowności. W tym ostatnim kierunku idą normy międzynarodowe ISO, ujednostajniając przy tym we wszystkich gatunkach narzędziowych stali węglowych zawartość fosforu i siarki (po max. 0,030%) oraz manganu i krzemu (po max. 0,35%). Szczegółowe wytyczne obróbki cieplnej podawane są w normach poszczególnych krajów.
Cechami charakterystycznymi obróbki cieplnej narzędziowych stali węglowych są:
–hartowanie stali nadeutektoidalnych odbywa się w stosunkowo niskiej temperaturze, 40÷50°C poniżej linii Ac1-3, aby uniknąć rozpuszczania cementytu drugorzędowego, rozrostu ziarna i zwiększenia udziału austenitu szczątkowego,
–mała hartowność i konieczność stosowania dużej szybkości chłodzenia wywołuje niebezpieczeństwo powstawania odkształceń i pęknięć; w celu ich uniknięcia zaleca się stosowanie wstępnej obróbki pcieplnej, złożonej z hartowania tuż powyżej Ac1-3 i odpuszczenie przy 500÷650°C
–temperaturę odpuszczania dobiera się w zależności od żądanej twardości w granicach 150÷300°C; maksimum ciągliwości (mierzonej za pomocą skręcania udarowego) uzyskuje się przez odpuszczanie przy 180÷200°C, przed przemianą austenitu szczątkowego w bainit dolny.
Stali węglowych używa się na mało obciążone narzędzia skrawające i tnące oraz na narzędzia do obróbki bezwiórowej i narzędzia ręczne. Stale te znajdują zastosowanie do obróbki metali z małą prędkością skrawania (drewno, kamień itp.)
W symbolu gatunku, po literze N, liczba oznacza zawartość węgla ,litera E jeśli nie występuje oznacza stal głęboko harującą się, jeśli występuje, oznacza stal płytko hartującą się, charakteryzującą się mniejszą zawartość w stosunku do stali głęboko harującej się, pierwiastków: Mn – mangan, Si – krzem, Cr – chrom , Ni – nikiel, Cu – miedź, oraz mniejszą zawartość fosforu i siarki o 0,005%
N8E – N8, C80W1, 1.1525, C80W2, 1.1625
N9E – N9, C85W, 1.1830
N10E – N10, C105W, 1.1545
Pozostałe stale narzędziowe
stal narzędziowa stopowa do pracy na gorąco
stal narzędziowa stopowa do pracy na zimno
stal narzędziowa wysokostopowa szybkotnąca
stal narzędziowa węglowa