Znaczenie twardości stali narzędziowej

Twardość jest fundamentalną właściwością stali narzędziowych, bezpośrednio wpływającą na ich zdolność do efektywnego działania w różnorodnych zastosowaniach, od cięcia i formowania po kształtowanie różnych materiałów. Bez odpowiedniej twardości stal narzędziowa nie jest w stanie wytrzymać znacznych obciążeń, którym jest poddawana podczas eksploatacji.

Jednym z bardzo ważnych zastosowań stali narzędziowej jest cięcie lub formowanie innych metali i materiałów. Twardość narzędzi skrawających musi być wyższa niż twardość ciętego materiału, aby zapewnić dobrą odporność na zużycie i efektywne rezultaty obróbki.

Omówimy znaczenie twardości stali narzędziowej z perspektywy jej zastosowania.

Odporność na zużycie

Twardość jest głównym czynnikiem decydującym o odporności stali narzędziowej na ścieranie i nosić. Osiągnięcie większej twardości stali narzędziowej jest ważnym celem w przypadku obróbki w warunkach charakteryzujących się dużą ściernością. 

Obróbka cieplna to najpowszechniej stosowana metoda uzyskiwania wysokiej twardości stali narzędziowej. Zasada działania polega na tym, że obróbka cieplna powoduje, że ze stali narzędziowej powstają gatunki MC bogate w wanad (2300-3000 HV), M2C bogate w molibden (1700-2000 HV), M6C bogate w wolfram/molibden (1400-1700 HV), M23C6 bogate w chrom (1100-1400 HV) i M7C3 (900-1500 HV), które są twardsze niż osnowa martenzytyczna (~950 HV) i znacznie poprawiają odporność na zużycie.¹.

Twardość na gorąco (twardość czerwona)

Twardość na gorąco to zdolność do utrzymania wysokiej twardości w wysokich temperaturach. Podczas skrawania metalu stalą narzędziową generowane są wysokie temperatury, dlatego szczególnie ważne jest, aby stal narzędziowa mogła zachować swoją wysoką twardość w wysokich temperaturach. Z tego powodu opracowano podkategorię stali narzędziowych, znaną jako stal szybkotnąca. Dzięki odpowiednim modyfikacjom składu chemicznego i obróbki cieplnej, stal szybkotnąca może zachować wysoką twardość w wysokich temperaturach. Najpopularniejszą stalą szybkotnącą jest stal narzędziowa M2. Najpopularniejszą stalą szybkotnącą jest Stal narzędziowa M2, znana również jako stal szybkotnąca M2 lub M2 HSS.

Ostrza wykonane ze stali szybkotnącej mogą zachować wysoką twardość w temperaturach 540°C (1000°F) i wyższych. Zawarte w nich pierwiastki stopowe, takie jak molibden, wolfram, wanad i kobalt, nadają stali szybkotnącej odporność na zmiękczanie w wysokich temperaturach.

W przypadku stali do pracy na gorąco odporność na odpuszczanie jest kluczową cechą, ponieważ narzędzia są stale nagrzewane podczas użytkowania. Najpopularniejszą stalą narzędziową do pracy na gorąco jest Stal narzędziowa H13.

Wytrzymałość

Twardość i wytrzymałość są zazwyczaj odwrotnie proporcjonalne: zwiększona twardość często prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości. Stal narzędziowa jest projektowana tak, aby maksymalizować twardość, wytrzymałość i odporność na zużycie, często kosztem pewnej wytrzymałości. Węgliki mogą poprawić twardość i odporność na zużycie, a także mogą działać jako miejsca inicjacji pęknięć, zmniejszając wytrzymałość, zwłaszcza jeśli są duże lub nierównomierne.

Właściwa obróbka cieplna, w tym niższe temperatury austenityzacji lub kontrolowane odpuszczanie, może zwiększyć wytrzymałość dla danej twardości i gatunku. Jednak zbyt wysokie temperatury hartowania mogą prowadzić do zgrubienia ziarna i znacznego obniżenia wytrzymałości.

Dlatego projektanci narzędzi często stają przed koniecznością kompromisu, aby osiągnąć optymalną kombinację właściwości. Na przykład, Stal narzędziowa A2 ma lepszą wytrzymałość niż Stal narzędziowa D2.

Rola w obrabialności i szlifowalności

Twardość decyduje o skrawalności stali narzędziowej. Stal narzędziowa D2 to typowa stal narzędziowa o wysokiej twardości, trudna do obróbki skrawaniem. W zastosowaniach praktycznych, gdy wymagana jest wysoka twardość stali narzędziowej, D2 jest dobrym wyborem. Jednocześnie należy zwrócić uwagę na jej trudność obróbki skrawaniem.

Stale narzędziowe wysokowęglowe zazwyczaj najlepiej obrabiają się z mikrostrukturą sferoidalną, gdzie bardziej miękka osnowa pozwala narzędziu skrawającemu odpychać twarde węgliki sferoidalne. Obróbka na zimno może poprawić skrawalność poprzez zwiększenie twardości, co powoduje łatwiejsze odrywanie i kruszenie się wiórów, zmniejszając zużycie narzędzia.

Szlifowalność, czyli łatwość, z jaką materiał można szlifować, generalnie maleje wraz ze wzrostem twardości, zawartości węglika spiekanego, jego twardości i wielkości węglika. Powoduje to odwrotną zależność między szlifowalnością a odpornością na zużycie.

Obróbka cieplna i kontrola twardości

Obróbka cieplna ma decydujący wpływ na twardość stali narzędziowej. Twardość jest powszechnym kryterium akceptacji narzędzi poddanych obróbce cieplnej. Polega ona na przekształceniu stali wyżarzanej w hartowaną i odpuszczoną strukturę martenzytyczną z określonymi węglikami, co skutkuje uzyskaniem odpowiednich właściwości narzędzia skrawającego. Typowe etapy obróbki cieplnej obejmują austenityzację, odpuszczanie i hartowanie. Szczegółowe dane dotyczące obróbki cieplnej dla różnych stali narzędziowych można znaleźć na naszej stronie internetowej, na stronie poświęconej konkretnym stalom narzędziowym.

Streszczenie

Twardość ma kluczowe znaczenie dla stali narzędziowych, decydując o ich zdolności do cięcia, odporności na zużycie i wytrzymałości w wysokich temperaturach. Jednak jej uzyskanie musi być starannie wyważone w kontekście innych kluczowych właściwości, takich jak udarność i skrawalność, co często wymaga strategicznego doboru materiałów i precyzyjnej obróbki cieplnej, aby uzyskać optymalną kombinację dla konkretnego zastosowania.

1. Mesquita, RA (2014). Stale narzędziowe: właściwości i wydajność. Wydawnictwo CRC Press. ↩︎