Czym jest stal narzędziowa do pracy na gorąco?

Stal narzędziowa do pracy na gorąco jest zazwyczaj stosowana w temperaturach powyżej 200°C (390°F). W wysokich temperaturach zachowuje ona swoją twardość i stabilność wymiarową. Natomiast zwykła stal traci twardość w środowisku o wysokiej temperaturze.

Skład i pierwiastki stopowe

Stale narzędziowe do pracy na gorąco charakteryzują się zazwyczaj średnią zawartością węgla, zazwyczaj od 0,35% do 0,45%. Ta stosunkowo niższa zawartość węgla, w porównaniu ze stalami do obróbki plastycznej na zimno, sprzyja wyższej wytrzymałości. Ich odporność na mięknięcie w podwyższonych temperaturach jest osiągana dzięki dodatkom stopowym, takim jak chrom, wolfram, molibden i wanad, których łączna zawartość węgla w składzie wynosi od 6% do 25%.

• Chrom (Cr): Podstawowy element stopowy, zwykle 3% do 5%, zwiększa twardość na gorąco, odporność na zużycie oraz poprawia hartowność i odporność na utlenianie.
• Wolfram (W): Zapewnia odporność na mięknięcie w wysokich temperaturach (twardość czerwona) i odporność na zużycie poprzez tworzenie stabilnych węglików. Przyczynia się również do twardości w wysokiej temperaturze i może występować w znacznych ilościach (np. od 9% do 19%) w stalach wolframowych do obróbki na gorąco. Jednak wysoka zawartość wolframu może obniżać udarność i odporność na szok termiczny, co czyni je nieodpowiednimi do chłodzenia wodnego podczas pracy.
• Molibden (Mo): Podobnie jak wolfram, jest on niezbędny dla twardości na gorąco, zwiększonej odporności na odpuszczanie i tworzenia węglików odpornych na zużycie. Molibden ma około dwukrotnie silniejszy wpływ na twardość na gorąco niż wolfram.
• Wanad (V): Tworzy bardzo twarde węgliki (typu MC), które znacznie zwiększają odporność na zużycie i twardość na gorąco.
• Kobalt (Co): Po dodaniu, przede wszystkim zwiększa twardość na gorąco, poprawiając wydajność skrawania w wysokich temperaturach narzędzi. Stale zawierające kobalt charakteryzują się zazwyczaj wyższą twardością na gorąco.

Właściwości

1. Twardość na gorąco (twardość czerwona)Jest to najważniejsza właściwość, odnosząca się do zdolności do utrzymania twardości w podwyższonych temperaturach, często dochodzących do 650°C (1200°F) lub wyższych, przez krótkie okresy.
2. Odporność na zużycieNarzędzia do pracy na gorąco są narażone na ścieranie przez gorące metale i muszą być odporne na zużycie, w tym zużycie erozyjne (mycie) w wysokich temperaturach.
3. WytrzymałośćJest to odporność na odpryskiwanie, pękanie i rozprzestrzenianie się pęknięć pod wpływem wstrząsów mechanicznych i termicznych. Wytrzymałość jest często równoważona twardością i odpornością na zużycie, ponieważ zwiększenie jednego z nich może zmniejszyć drugie.
4. Odporność na zmęczenie cieplne (pęknięcia cieplne)Odnosi się to do zdolności do wytrzymywania powtarzających się cykli szybkiego nagrzewania i chłodzenia bez tworzenia sieci drobnych pęknięć na powierzchni narzędzia. Pęknięcia cieplne są częstą przyczyną uszkodzeń matryc odlewniczych.
5. Wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Zdolność do wytrzymywania długotrwałych obciążeń w podwyższonych temperaturach bez ulegania odkształceniom plastycznym.
6. HartownośćStale do pracy na gorąco są przeznaczone do głębokiego hartowania, często poprzez chłodzenie powietrzem, co pomaga zminimalizować odkształcenia podczas obróbki cieplnej.

Klasyfikacja

Tutaj klasyfikujemy według amerykańskiej AISI Standard (AISI seria H). Stale narzędziowe do pracy na gorąco są klasyfikowane głównie w ramach serii AISI H. Dzielą się na trzy główne grupy w zależności od głównych pierwiastków stopowych:

• Stale chromowe do pracy na gorąco (H10-H19): Są one najczęściej używane, zwłaszcza H11, H12 i H13Oferują one dobrą równowagę właściwości, w tym doskonałą wytrzymałość i odporność na wstrząsy, dobrą odporność na mięknięcie cieplne oraz wysoką hartowność. Charakteryzują się niskimi odkształceniami podczas hartowania i często mogą być chłodzone wodą w trakcie eksploatacji bez pękania.
• Stale wolframowe do pracy na gorąco (H21-H26): Znane są ze swojej bardzo wysokiej odporności na zmiękczanie i pranie w wysokiej temperaturze, co wynika z wysokiej zawartości wolframu. Jednak generalnie charakteryzują się niższą wytrzymałością i są bardziej podatne na kruche pękanie i szok termiczny, co sprawia, że szybkie chłodzenie wodą w trakcie eksploatacji jest ryzykowne.
• Stale do pracy na gorąco z molibdenem (H42, H43): Stale te mają podobne właściwości i zastosowania do stali wolframowych do pracy na gorąco, oferując porównywalną odporność na mięknięcie w podwyższonych temperaturach. Są one generalnie bardziej odporne na pęknięcia cieplne niż stale wolframowe, ale wymagają starannej obróbki cieplnej, aby uniknąć odwęglenia.

Obróbka cieplna

Aby uzyskać optymalną wydajność, stal narzędziowa do pracy na gorąco musi zostać poddana obróbce cieplnej, obejmującej hartowanie i odpuszczanie. Większość stali narzędziowych do pracy na gorąco to stale hartowane w powietrzu, co pomaga zmniejszyć ryzyko odkształcenia materiału.

Aplikacje

Stale narzędziowe do pracy na gorąco są szeroko stosowane w procesach produkcyjnych obejmujących kształtowanie, formowanie lub cięcie materiałów w wysokich temperaturach. Typowe zastosowania obejmują:

• Matryce do kucia na gorąco: Do odkuwek stalowych, aluminiowych i magnezowych.
• Matryce do wytłaczania: Do aluminium, magnezu, mosiądzu i stali.
• Matryce do odlewów ciśnieniowych: Do aluminium, cynku, magnezu i mosiądzu.
• Ostrza do nożyc na gorąco: Do cięcia materiałów nagrzanych.
• Walce do walcowni na gorąco: Do średnich i długich przebiegów oraz materiałów specjalnych w wysokich temperaturach.
• Formy wtryskowe z tworzyw sztucznych: Gdzie temperatura robocza może sięgać 250°C (480°F).
• Inne narzędzia: Trzpienie, stemple i punkty przebijania do pracy na gorąco.

Wyróżnienie spośród innych stali narzędziowych

• Stale narzędziowe do pracy na zimno w porównaniu z stalami narzędziowymi do pracy na zimno: Stale do pracy na gorąco są projektowane do temperatur powyżej 200°C (390°F), natomiast stale narzędziowe do obróbki na zimno Stale do obróbki cieplnej są przeznaczone do zastosowań zazwyczaj poniżej 200°C (390°F), często w temperaturze pokojowej. Stale do obróbki cieplnej charakteryzują się zazwyczaj niższą zawartością węgla, a ich ostateczna twardość jest zazwyczaj określana przez pożądaną wytrzymałość, a nie przez maksymalną odporność na zużycie (40–50 HRC w porównaniu z ~60 HRC w przypadku stali do obróbki cieplnej). Stosowanie stali obrabianych na zimno do zastosowań na gorąco prowadziłoby do wyżarzania lub pękania z powodu szoku termicznego.
• W porównaniu ze stalami narzędziowymi szybkotnącymi (HSS): Chwila stale szybkotnące Charakteryzują się również doskonałą twardością na gorąco (zachowując ostrość krawędzi skrawającej w temperaturach do 650°C/1200°F lub wyższych), a ich głównym przeznaczeniem jest obróbka skrawaniem metali z dużymi prędkościami. Stale do obróbki na gorąco są specjalnie dostosowane do formowania i kształtowania, oferując równowagę między twardością na gorąco, udarnością i odpornością na zmęczenie cieplne. Stale szybkotnące często charakteryzują się wyższą odpornością na zużycie i twardością na gorąco, ale mogą charakteryzować się niższą udarnością w porównaniu z wieloma stalami do obróbki na gorąco.

Często zadawane pytania