Stale narzędziowe i specjalne.

Materiały narzędziowe są to materiały stosowane do wyrobu części roboczych lub całych narzędzi. Główne własności materiałów narzędziowych.

Wymagania:
a) twardość narzędzia – powinna przewyższać twardość materiału narzędziowego od 20 – 30 HRC, np. stal szybkotnąca hartowana to ok. 63 HRC. Narzędziem z tej stali można obrabiać materiały o twardości od 33-43 HRC.
b) Odporność na wysoką temp.
Podczas skrawania narzędzie nagrzewa się przy dużych prędkościach do wysokich temp. Może wtedy osiągnąć temp. Wyższą od temp. opuszczania danego materiału narzędziowego przez co ostrze ulega szybkiemu stępieniu. Wzrostowi temp. narzędzia możemy zapobiec stosując chłodzenie.
c) Odpowiednia wytrzymałość

Rodzaj wymaganej wytrzymałości zależy od rodzaju narzędzia.
d) Odporność na ścieranie
Właściwość ta wymagana jest od wszystkich narzędzi. Szczególnie zaś od tych, które podczas obróbki muszą zachować odpowiedni wymiar (np. rozwiertak).
e) Zachowanie się podczas hartowania
Po hartowaniu pożądane jest aby była zachowana odpowiednia twardość, odpowiednia głębokość, oraz nieprzegrzewalność stali. Narzędzia hartujemy w oleju lub w powietrzu.
Stale narzędziowe produkowane są w dwóch odmianach: płytkohartujące (N7E - N13E) i głębokohartujące ( N5 - N13). Znak stali składa się z litery N i liczby określającej średnią awartość węgla w dziesiętnych częściach procenta a stal płytkohartująca się ma na końcu literę E . Stale głębokohartujące się mają o 0,05 %więcej: Mn, Si. Cr, Ni, Cu a o 0,005 - 0,01 % - P i S . Stale te po hartowaniu mają HRC > 60 a mimo to po nieznacznym podgrzaniu (do 200 C) stają się miękkie nie nadając się do dalszego użytku. Stosuje się je na : narzędzia pomiarowe, gwintowniki, przebijaki, przecinaki. Bez względu na masę wszystkich gatunków mają matą hartowność, co wymusza by po hartowaniu byty energicznie chłodzone
H20 - NaCI, co powoduje, że smukłe narzędzia krzywią się a o średnicy lub przekroju prostokątnym o boku powyżej 30 są wrażliwe na tzw. miękkie plamy, przez co są trudne do zahartowania. Gatunki te mają małą twardość w stanie zmiękczonym, co ułatwia kształtowanie narzędzi zaś ciągliwy rdzeń pod twardą warstwą zahartowaną zwiększa żywotność przy dynamicznych obciążeniach.
Stale narzędziowe niestopowe (węglowe) – stale te posiadają małą zawartość fosforu i siarki. Posiadają zawartość węgla w granicach (0,38-1,3%). Odznaczają się niską temperaturą skrawania do ok. 250◦C, a potem tracą własności. Mają małą odporność na ścieranie. Ich twardość zależy od zawartości węgla i waha się w granicach 56-62 HRC. Stale te hartujemy w wodzie. Ze stali niestopowych wykonujemy narzędzia o mało skomplikowanych kształtach.
Stale stopowe do pracy na gorąco - nie są stosowane na
narzędzia skrawające. Stosuje się je na narzędzia przeznaczone do obróbki plastycznej metali nagrzewanych do temp. plastyczności.



Stale szybkotnące – stale te zaliczamy do stali stopowych.
Stale te zachowują twardość i zdolność skrawania przy szybkościach i grubościach warstwy skrawanej wywołujących nagrzewanie się narzędzi do temp. 650◦
Twardość tych narzędzi wynosi 61-63 HRC
Przeznaczenie:
Ze stali tych wykonuje się narzędzia przeznaczone do obróbek mechanicznych.
Stale szybkotnące są stalami drogimi dlatego należy je stosować na ostrza narzędzi.
Stale sprężynowe [resorowe] zaliczają się do stali konstrukcyjnych o specjalnym zastosowaniu dostarczane są w postaci kulistych lub walcowanych odkuwek, prętów, taśm i podlegają sprawdzeniu składu chemicznego oraz badaniom własności mechanicznych.
Wyroby hutnicze przeznaczone na sprężyny i resory powinny się odznaczać całkowitym brakiem najczęściej spotykanych wad hutniczych, jak śladów jamy skurczowej [pusta przestrzeń w odlewie powstająca często podczas jego krzepnięcia; obniża właściwości wytrzymałościowe odlewu i zmniejsza jego szczelność; powstawaniu jamy skurczowej przeciwdziała się przez odpowiednie zaprojektowanie układu wlewowego pozwalającego na regulację rozkładu temperatury w odlewie w czasie jego krzepnięcia], wyraźnej segregacji składników, odwęglenia powierzchni, pęknięć, przegrzania oraz wad pochodzących z obróbki plastycznej, jak: chropowatość powierzchni, zawalcowań, rys i tym podobnych.
Są to najczęściej stale z przerobu martenowskiego. Głównym składnikiem stali stopowych sprężynowych [resorowych] jest krzem, a następnie chrom, mangan i wanad, aczkolwiek jest stosowana również na produkcję sprężyn i resorów pewna grupa stali węglowych o znacznej zawartości węgla [0,65% 0,85%].
Najważniejszą cechą dobrych sprężyn i resorów jest ich zdolność do przyjmowania swojego pierwotnego kształtu po obciążeniu i następującym po nim odciążeniu. Aby temu sprostać, stale używane na sprężyny i resory powinny się odznaczać:
1. dużym zakresem odkształceń sprężystych, czyli możliwie wysoką granicą sprężystości
2. dobrymi właściwościami plastycznymi [a więc dużym wydłużeniem i przewężeniem], aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości mogło nastąpić pewne odkształcenie trwałe, lecz bez zniszczenia przedmiotu
3. wysoką wytrzymałością statyczną
4. znaczną wytrzymałością na zmęczenie [zjawisko zmniejszania się wytrzymałości materiału poddawanego długotrwałym cyklicznym obciążeniom; efektem ostatecznym zmęczenia materiału jest utarta spójności poprzez pęknięcie - ze względu na specyficzny przebieg i rodzaj przełomu zwanego pęknięciem zmęczeniowym. Pękanie zachodzi stopniowo: rozpoczyna się od mikropęknięć, które rozwijają się i łączą, co doprowadza w końcu do rozdzielenia materiału bez znaczących odkształceń plastycznych i zwykle przy naprężeniu znacznie mniejszym od minimalnego statycznego naprężenia niszczącego. Zmęczenie materiału ma duże znaczenie dla trwałości elementów maszyn, pojazdów, konstrukcji itp., jest częstą przyczyną groźnych awarii technicznych]
Pomijając sprężyny otrzymywane z prętów, drutów lub taśm po przeróbce plastycznej na zimno, a więc w stanie zgniecionym, wszystkie inne sprężyny mogą być stosowane jedynie po obróbce cieplnej polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu zazwyczaj w średniej, a czasem również w wysokiej temperaturze.
Doświadczalnie stwierdzono, że wytrzymałość na zmęczenie sprężyny obrobionej cieplnie jest o 10 [kG/mm2] wyższa od sprężyny zgniecionej przy tej samej wytrzymałości na rozciąganie.
W tablicy [2] podałam cechę, warunki obróbki cieplnej oraz uzyskane właściwości mechaniczne i główne zastosowania stali resorowych i sprężynowych.
Pomijając stal węglową, wszystkie inne stale podane w tabeli [2] po odpowiedniej obróbce cieplnej mają bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie zawartą w granicach od 110 do 155 kG/mm2 przy dłuższej również granicy plastyczności wynoszącej od 95 do 120 kG/mm2 i przy znacznej twardości Brinella zawartej między 330 a 445 kG/mm2.
Ponieważ wyznaczenie granicy sprężystości, która w tym przypadku jest wartością najważniejszą, jest w praktyce dość trudne do przeprowadzenia, wobec tego do obliczeń konstrukcyjnych przyjmuje się zazwyczaj granicę plastyczności. Wartość jej jest wyższa od granicy sprężystości, lecz na ogół do niej zbliżona. Przy takim założeniu granicy sprężystości przy wszelkich obliczeniach przyjmuje się jako dopuszczalne naprężenie wynoszące mniej więcej połowę wartości granicy plastyczności.
Oczywiście bardziej prawidłowe jest oparcie się w obliczeniach na wynikach badań wytrzymałości na zmęczenie.
Wszystkie te stale są stalami średniowęglowymi i za wyjątkiem pierwszej stopowymi. Stale stopowe stosuje się tylko po obróbce cieplnej, polegającej na hartowaniu i odpuszczaniu przy czym temperatura obróbki zależy tylko od składu chemicznego. Prawidłowe wyniki obróbki można uzyskać jedynie przy ścisłym przestrzeganiu temperatury hartowania i całkowitym zabezpieczeniu stali przed odwęgleniem [niepożądane zjawisko obniżania zawartości węgla na pow. stali w czasie jej wyżarzania i plastycznej obróbki na gorąco].
Zbyt wysoka temperatura wygrzewania stali przed chłodzeniem prowadzi do przegrzania materiału, a to znowu – do powstania pęknięć hartowniczych, co przy materiale pracującym na zmęczenie, jak resor czy sprężyna jest w ogóle niedopuszczalne.
Również powierzchniowe odwęglanie stali jest niedopuszczalne, gdyż uniemożliwia uzyskanie na powierzchnie odpowiednich własności mechanicznych [na powierzchnie następuje obniżenie granicy sprężystości], co powoduje pęknięcia, co jest początkiem przełomu zmęczeniowego. Należy tu zaznaczyć, że najwięcej sprzyja odwęgleniu krzem, potem mangan i wreszcie chrom.
Wszelkie najdrobniejsze zawalcowania lub nawet rdza podnoszą skłonność do koncentracji naprężeń i powstania przełomu zmęczeniowego. Oczywiste jest, że im wyższa wytrzymałość stali, tym wrażliwość jej na wszelkie braki powierzchniowe jest również większa. Z tego powodu dla zwiększenia wytrzymałości na zmęczenie stosuje się często polerowanie, piaskowanie, a nawet wywołuje się pewne powierzchniowe odkształcenie na zimno [kulkowanie - jedna z metod wykańczającej obróbki mechanicznej prowadząca do znacznego zwiększenia wytrzymałości zmęczeniowej wyrobów poprzez umocnienie ich warstwy wierzchniej i zmniejszenie chropowatości pow. elementów. K. polega na uderzaniu w powierzchnię obrabianego elementu stalowymi - rzadziej żeliwnymi - kulkami [śrutem] wyrzucanymi przy pomocy strumienia sprężonego powietrza lub układu wirników].
Z podanych powodów niedopuszczalne jest również powtarzanie obróbki cieplnej na sprężynach i resorach, które już raz były obrabiane cieplnie, lecz uzyskane wyniki nie odpowiadały stawianym wymaganiom.
Pomijając stal sprężynową węglową P0 cztery następne stale sprężynowe PS0, PS1, PS2 i PS3 są stalami krzemowymi, jedna chromowo-krzemowa PCS i jedna chromowo-wanadowa PCV.