Stale o specjalnych właściwościach mechanicznych

Do tej grupy zalicza się stopy odporne na ścieranie oraz o bardzo wysokiej wytrzymałości, które charakteryzuje jednocześnie wysoka ciągliwość.

Wysoką odporność na ścieranie, wyróżniającą się wśród stopów żelaza, wykazuje staliwo manganowe, zwane staliwem Hadfielda, wg PN-88/H-83160 oznaczone L120G13; L oznacza stan lany, 120 - średnią zawartość węgla w setnych procenta, G — dodatek stopowy - mangan, w ilości około 13%.

W staliwie Hadfielda udział manganu w stosunku do węgla nie może być mniejszy od 9 dla zapewnienia struktury austenitycznej. Najkorzystniejszy zespół właściwości staliwo posiada w stanie przesyconym. Nagrzanie staliwa do 1050— 1100°C, powoduje rozpuszczenie węglików w austenicie, a następnie ochłodzenie w wodzie zapewnia strukturę czysto austenityczną o twardości od 170 do 240 HB. Pomimo tej stosunkowo niewielkiej twardości, stop jest bardzo trudno skrawalny.

Istota wysokiej odporności na ścieranie staliwa Hadfielda polega na tym, że pod działaniem nacisków zewnętrznych warstwa wierzchnia ulega silnemu umocnieniu, co wynika z łatwości powstawania defektów sieci (błędów ułożenia) w tym materiale, charakteryzującym się małą energią błędu ułożenia EBU1) (fot. 10.8).

Dzięki tym właściwościom staliwo Hadfielda stosuje się na części krusza-rek, łamaczy i młynów, części chwytaków kopakrusza-rek, trzpienie, sworznie i tulejki łańcuchów gąsienicowych, krzyżownice i rozjazdy pojazdów szynowych.

Drugą grupę stali o specjalnych właściwościach mechanicznych stanowią stale typu „maraging"²⁾. Są to stopy żelaza z niklem w ilości 18 do 25% oraz kobaltem, molibdenem, aluminium i tytanem, przy zawartości węgla nie większej niż 0,03%. Dzięki tak dobranemu składowi chemicznemu, ich struktura w stanie równowagi złożona jest z ferrytu stopowego oraz faz międzymetalicznych, jak: FeNi3, Ni3Ti, Ni3Mo, (Fe, Ni)2Mo.

1) Błąd ułożenia jest to zmieniona kolejność ułożenia warstw zwarcie wypełnionych atomami w sieci Al i A3.

2) Maraging steel (ang.) - stal martenzytyczna starzona.

Obróbka cieplna stali maraging składa się z hartowania z temperatur występowania austenitu, po którym przeprowadza się starzenie. W czasie austenityzowania, fazy międzymetaliczne rozpuszczają się. Podczas chłodzenia austenitu następuje przemiana martenzytyczna, przy czym duża zawartość pierwiastków stopowych powoduje, że krytyczna szybkość hartowania jest bardzo mała, zwykle wystarcza chłodzenie w powietrzu. Utworzony martenzyt niklowy jest przesycony dodatkami stopowymi. Posiada charakterystyczną budowę listwową lub blokową (fot. 10.9). W porównaniu do martenzytu iglastego, występującego w stopach Fe-C, który posiada budowę tetragonalną i dużą twardość, martenzyt niklowy ma strukturę regularną przestrzennie centrowaną i jest miękki (około 250 HV) oraz plastyczny. Przesycenie marten-zytu niklowego dodatkami stopowymi umożliwia dalszy zabieg obróbki cieplnej - starzenie w temperaturze około 500°C. Podczas starzenia z marten-zytu wydzielają się bardzo drobne cząstki (poniżej 10 nm) faz międzymetalicz-nych przede wszystkim Ni3Mo. Równomierne rozmieszczenie ich w całej objętości, bez uprzywilejowania granic ziarn, powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych: Re = 1800-2000 MPa, Rm = 1900-2000 MPa, przy zachowaniu dobrych właściwości plastycznych; A5 = 10%, Z = 50%.

W stanie przesyconym stal posiada dobre właściwości technologiczne - daje się łatwo skrawać i przerabiać plastycznie, a podczas starzenia nie zachodzą zmiany wymiarów ani tworzenie zgorzeliny.

Stale maraging znalazły zastosowanie na szczególnie obciążone części samolotów, silników rakietowych, maszyn energetycznych, w postaci blach na cienkościenne zbiorniki wysokociśnieniowe, w technice niskich temperatur, a ponadto jako materiały narzędziowe.

11. STALE N A R Z Ę D Z I O W E

Stale narzędziowe są przeznaczone do wytwarzania narzędzi, tj. przed-miotów służących do rozdzielania i rozdrabniania materiałów oraz nadawania kształtu przez obróbkę skrawaniem lub przeróbkę plastyczną. Ze stali narzę-dziowych wytwarza się ponadto niektóre przyrządy pomiarowe używane w masowej produkcji, oraz uchwyty, klucze itp.

Dobra jakość narzędzi, stanowiąca podstawę każdej nowoczesnej produk-cji, to poprawna konstrukcja narzędzi, odpowiedni dobór stali narzędziowej i właściwa obróbka cieplna. Technicznie i ekonomicznie uzasadniony dobór stali, uwzględniający warunki pracy narzędzia, jest możliwy na podstawie charakterystyk poszczególnych stali zawartych w kartach materiałowych, normach i katalogach.

Zgodnie z obowiązującymi w Polsce normami ponad 50 gatunków stali narzędziowych należy do czterech grup (tabl. 11.1):

• narzędziowych węglowych, PN-84/H-85020,

• narzędziowych stopowych do pracy na zimno, PN-86/H-85023,

• narzędziowych stopowych do pracy na gorąco, PN-86/H-85021,

• szybkotnących, PN-86/H-85022.

Wszystkie stale narzędziowe są stalami wyższej jakości, wytworzonymi nowoczesnymi metodami metalurgicznymi, które zapewniają zmniejszenie ilości gazów i zanieczyszczeń oraz zwiększenie jednorodności składu chemicz-nego i struktury stali. Oba te czynniki wpływają decydująco na właściwości użytkowe stali.

Wlewki stali narzędziowych są poddawane głównie kuciu na gorąco, co zapewnia najkorzystniejsze rozdrobnienie struktury. Przerobione plastycznie stale poddaje się wyżarzaniu zmiękczającemu. W stalach stopowych sferoidy-zacja trwa dłużej niż w węglowych, ponieważ dodatki stopowe mają mniejszą szybkość dyfuzji niż węgiel. Struktura sferoidytu zapewnia najmniejszą twar-dość materiału, 220-180 HB dla stali węglowych a 2 7 0 - 2 3 0 HB dla wysokostopowych, optymalną podatność na odkształcenia plastyczne oraz najlepszą obrabialność. Specyficzne warunki przeróbki plastycznej na go-rąco i wyżarzania zmiękczającego stali szybkotnących są omówione w rozdz. 11.2.3.

Tablica 11.1 Klasyfikacja i zasady znakowania stali narzędziowych

Płytko hartujące się: N7E, N8E, N9E, N10E, N11E, N12E, N13E Głęboko hartujące się: N5, N6, N7,

N8, N9, N10, N11, N12, N13 Uwaga! - liczba określa zawartość węgla w dziesiątych częś­

ciach procenta

NV, NCV1, NC5, NW1, NMWV, NMV, NCMS, MC6, NC4, NWC, NW9, NC10, NC11, NC11LV, NCLV, NZ2, NZ3, NFW

WCL, WCLV, WNL, WNL1, WNLV, WNLB, WLV, WLK, WLB,

Oznaczenie gatunku stali narzędziowej, zawiera pierwszą literę określającą przeznaczenie:

Ν - na narzędzia do pracy na zimno, W - na narzędzia do pracy na gorąco, S - szybkotnącą.

Dalsze litery określają składniki stopowe lub ich grupy według następującej symboliki:

Μ - mangan, (w stalach szybkotnących - Μ - molibden)

C - chrom, (w stalach szybkotnących o zawartości około 1,1% - C - węgiel) S - krzem, Κ - kobalt,

Ν - nikiel, Β - bor,

L - molibden, Ρ - chrom + nikiel + wanad, V - wanad, Z - krzem + chrom + wolfram.

W - wolfram,

Liczby służą do odróżniania stali o takich samych składach jakościowych. W stalach

szybko-­nących liczby określają średni udział w procentach składnika stopowego, po którym są umieszczone.

Uwaga! Każdy gatunek stali narzędziowej posiada kartę materiałową. Karta zawiera skład chemiczny, zalecenia obróbki cieplnej wraz z wykresami CTP, wykresy zależności twardości od temperatury odpuszczania oraz zastosowanie. Dane te są bardzo przydatne przy doborze stali na konkretne narzędzia.

STALE NARZĘDZIOWE

175 Półwyroby w postaci prętów i odkuwek, a także taśm i blach w wypadku stali węglowej w stanie zmiękczonym są dostarczane przez huty.