środa, 14 listopada 2012

Zmiany wymiarów i kształtu podczas hartowania i odpuszczania


Przemianom strukturalnym zachodzącym podczas hartowania towarzyszą zawsze zmiany objętości właściwej stali. Przedmiot zahartowany ma większą objętość, niż miał w stanie początkowym. wyżarzonym. Objętość właściwa struktur, przez jakie przechodzi stal w czasie hartowania wzrasta bowiem w kolejności: austenit — perlit — martenzyt. Różnicą między objętością właściwą martenzytu i perlitu jest tym większa, im większa jest zawartość węgla, i dochodzi do ok. 1%. Zmiany objętości są zaś oczywiście jednoznaczne ze zmianami wymiarów liniowych przedmiotu hartowanego — objawem, który daje się nie przyjemnie odczuć zwłaszcza przy produkcji narzędzi precyzyjnych. Drugim niepożądanym zjawiskiem spotykanym przy hartowaniu jest paczenie się przedmiotów pod wpływem naprężeń własnych, wywiązujących się w nich podczas szybkiego chłodzenia od wysokiej temperatury. Naprężenia te są dwojakiego pochodzenia. Jedne są pochodzenia czysto cieplnego i powstają wskutek tego, że przy szybkim oziębianiu poszczególne części przedmiotu stygną i kurczą się z różną szybkością. Warstwy zewnętrzne stygną szybciej, wskutek czego szybciej się również kurczą. Wywierają one, zatem nacisk na części wewnętrzne, wolniej stygnące, a więc i wolniej się kurczące, czyli wywołują w nich naprężenia ściskające. Same zaś, na odwrót, podlegają naprężeniom rozciągającym. Przy końcu stygnięcia sytuacja jest odwrotna; zbliżające się do temperatury otoczenia części wewnętrzne dążą do przybrania małej objętości, naturalnej dla niskiej temperatury. Przeszkadzają im w tym jednak warstwy zewnętrzne, które ostygły wcześniej i wskutek tego zostały jakby „rozdęte” przez rdzeń mający wówczas jeszcze wyższą temperaturę i zwiększoną objętość. Strefy zewnętrzne podlegają, zatem obecnie naprężeniom ściskającym, a wewnętrzne rozciągającym.
Taki rozkład naprężeń własnych utrzymałby się w każdym przedmiocie hartowanym, gdyby nie druga kategoria naprężeń — natury strukturalnej — występujących przy hartowaniu przedmiotów stalowych. Naprężenia te wywołuje przemiana austenitu w martenzyt, połączona ze znacznym zwiększeniem objętości. Rozkład austenitu nie odbywa się jednocześnie w całej masie hartowanego przedmiotu, lecz w poszczególnych jego częściach w różnym czasie, w miarę jak osiągają one temperaturę przemiany. Wskutek tego powstają w nich dodatkowe naprężenia własne, których wielkość i kierunek zmieniają się, jak przy poprzednich, w zależności od zmian rozkładu temperatury wewnątrz przedmiotu.
Naprężenia jednego i drugiego typu dodają się lub odejmują od siebie, zależnie od swych kierunków (znaków, a wypadkowe ich w poszczególnych częściach przekroju zmieniają też z biegiem oziębiania swą wielkość i znak. Bywają więc chwile, gdy oba typy naprężeń wzmacniają się, jak i takie, kiedy się nawzajem osłabiają. Wielkości naprężeń wypadkowych będących właśnie naprężeniami hartowniczymi zależą od wielu czynników, głównie jednak od szybkości chłodzenia, tj. od rodzaju ośrodka chłodzącego, od składu chemicznego stali (różne przewodnictwo cieplne, różne zmiany objętości właściwej przy przemianie) oraz od wymiarów i kształtu przedmiotu hartowanego.
Przebieg zmian naprężeń podczas chłodzenia jest więc skomplikowany i trudny do zanalizowania. Równie trudno jest przewidzieć jak i zmierzyć ostateczny ich wynik, tj. wielkość i rozkład naprężeń ostatecznych w przedmiocie całkowicie oziębionym. W narzędziach wykonanych ze stali nie przehartowujących się, środkowa część przekroju nie podlega przemianie martenzytycznej, lecz austenit rozkłada się w niej na perlit bądź bainit, co odbywa się przy wyższej temperaturze i połączone jest z nieco mniejszą zmianą objętości. W takich przypadkach wiadomo przynajmniej, że po zupełnym ostygnięciu narzędzia występują w warstwie zewnętrznej naprężenia ściskające, a tylko wielkość ich jest nam nieznana. Jeżeli natomiast chodzi o przedmioty przehartowane na wskroś, to nawet rozkład naprężeń ostatecznych może się w nich zmieniać od przypadku do przypadku.
Naprężenia hartownicze powstają w przedmiocie hartowanym już w chwili zanurzenia go do cieczy chłodzącej i utrzymują się w nim po całkowitym ostygnięciu. Wielkości ich mogą być w niektórych fazach chłodzenia bardzo znaczne; w skrajnych przypadkach naprężenia rozciągające mogą przekroczyć wytrzymałość stali i spowodować pęknięcia hartownicze. Tym łatwiej oczywiście mogą one wywołać odkształcenia, tj. spowodować skrzywienie się albo wypaczenie przedmiotu. Dzieje się to wówczas, gdy zmiany rozkładu „naprężeń w przedmiocie hartowanym nie przebiegają symetrycznie w całym jego przekroju, dzięki bądź to jego złożonemu kształtowi, bądź niesymetrycznemu odprowadzaniu ciepła. Przyczyną zaś niesymetrycznego od- prowadzania ciepła może być nieprawidłowy sposób zanurzania w cieczy albo miejscowe zmniejszenie odpływu ciepła, np. wskutek przyczepiania się pęcherzyków pary, nieodpowiedni kształt narzędzia itp.
Najprostszym i najskuteczniejszym sposobem uniknięcia albo zmniejszenia szkodliwych następstw naprężeń wewnętrznych będzie oczywiście wytworzenie takich warunków, w których by powstające naprężenia były jak najmniejsze i jak najmniejsza asymetria w ich rozkładzie. Jeżeli chodzi o zależności rządzące wielkością ostatecznych naprężeń hartowniczych, to wiadomości nasze są bardzo ograniczone. Nie ulega jednak wątpliwości, że naprężenia pochodzenia cieplnego są tym mniejsze, im powolniejsze chłodzenie; również symetria rozkładu naprężeń wzrasta niewątpliwie ze spadkiem szybkości chłodzenia. Zgodnie z tym, codzienna praktyka wykazuje, że niebezpieczeństwo odkształceń hartowniczych wzrasta z szybkością oziębiania; najłatwiej i najwięcej odkształcają się przedmioty hartowane w wodzie, znacznie mniej — hartowane w oleju, a najmniej — hartowane w powietrzu i stopniowo. Można zatem powiedzieć, że skłonność do paczenia się jest tym mniejsza, im większa hartowność stali.

czwartek, 25 października 2012

Wytrzymałość na zmęczenie


Narzędzia podlegające w pracy zmiennym i częstym obciążeniom narażone są na zmęczenie. Odnosi się to głównie do narzędzi pneumatycznych, a także do matryc kuziennych, stempli do tłoczenia, do wycinania i przebijania otworów, stempli do bicia monet itp. Przypadki przedwczesnego zmęczeniowego łamania się narzędzi zdarzają się często, zazwyczaj jednak nie są
spowodowane zbyt małą wytrzymałością stali na zmęczenie, lecz wadami kształtu, powierzchni lub obróbki cieplnej narzędzia. Zanim, bowiem prawidłowo wykonane narzędzie ulegnie zniszczeniu wskutek zmęczenia, dużo wcześniej zużyje się pod wpływem innych, energiczniej działających czynników, zwłaszcza ścierania. Dlatego przy jego konstruowaniu można nie brać pod uwagę bezwzględnej wytrzymałości na zmęczenie materiału, z którego się je wyrabia, i wolno dopuszczać do tego, aby naprężenia, jakim narzędzie podlega w pracy, przewyższały tę wytrzymałość. Trzeba tylko tak zwymiarować narzędzie i tak je obrobić cieplnie, aby zapewnić mu. na tyle dużą czasową wytrzymałość na zmęczenie, żeby je zabezpieczyła przed złamaniem się, zanim dojdzie do zniszczenia wskutek ścierania.
Jednocześnie trzeba dbać o to, aby nadać mu wystarczającą wytrzymałość postaciową, tj. nie zmniejszać jego odporności na zmęczenie przez niewłaściwy kształt lub zbyt grube wykończenie powierzchni.
Wytrzymałość na zmęczenie wzrasta wraz z wytrzymałością na rozciąganie, a więc i z twardością stali. Wobec tego, że stalom narzędziowym, ze względu na znaczną zawartość w nich węgla, łatwo nadać dużą twardość; uzyskanie w narzędziu dużej wytrzymałości na zmęczenie nie przedstawia żadnej trudności. Wraz z twardością wzrasta jednak wrażliwość stali na działanie karbów, których obecność na powierzchni może spowodować zmniejszenie wytrzymałości na zmęczenie nawet o 80 i więcej, czyli zlikwidować przyrost wywołany dużą twardością nadaną przez obróbkę cieplną. Podobnie jak karby działają wszelkie nierówności powierzchni, bądź to przypadkowe, bądź pochodzące np. z obróbki mechanicznej. Przy tej samej wytrzymałości na rozciąganie (twardości) największą wytrzymałość na zmęczenie zapewnia przedmiotowi powierzchnia polerowana, a kolejno coraz mniejsza szlifowana, obtaczana i surowa (po walcowaniu lub kuciu). Tak samo szkodliwie, jak drobne nierówności powierzchni, działają karby w postaci zbyt ostrych i nagłych zmian przekroju narzędzia. Również odwęglenie powierzchniowe zmniejsza wyraźnie wytrzymałość na zmęczenie.
Ze wzrostem twardości maleje, jak wiemy, ciągliwość. Pewien zapas ciągliwości, zbędny przy zmiennych, lecz spokojnie działających obciążeniach, konieczny jest jednak tam, gdzie narzędzie podlega gwałtownym wstrząsom i uderzeniom. Dlatego narzędzia takie, jak dłuta pneumatyczne i  matryce kuzienne, muszą mieć dostatecznie dużą udarność, co możliwe jest tylko przy niezbyt dużej twardości, a zwłaszcza nie nadmiernej zawartości węgla.
Wynikające z tego praktyczne wnioski można ująć następująco. Gdzie tylko nie jest konieczna bardzo duża odporność na ścieranie, należy do wyrobu narzędzi narażonych na zmęczenie używać stali o mniejszych zawartościach węgla. Tylko tym częściom narzędzia, które bezpośrednio stykają się z obrabianym materiałem, należy nadawać bardzo dużą twardość konieczną w pracy. Resztę (kadłuby) najlepiej ulepszać, tzn. hartować I odpuszczać na stosunkowo niewielką twardość, aby nadać im wystarczająco dużą udarność i uczynić je jak najmniej wrażliwymi na działanie karbów. Należy dbać o to, aby powierzchnia była jak najgładsza, a przede wszystkim, aby nie wykazywała śladów po obtaczaniu, zwłaszcza na przejściach pomiędzy różnymi przekrojami. Przejścia te powinny być łagodne i zaokrąglone, bez jakichkolwiek podcięć. Przy obróbce cieplnej nie należy dopuszczać do nadmiernego odwęglenia powierzchni.
Narzędzia, które muszą wykazywać dużą odporność na ścieranie (np. ze względu na konieczność utrzymania wąskich tolerancji wymiarowych), można wykonywać ze stali wysokowęglowych, jeżeli pracują w stosunkowo spokojnych warunkach (np. stemple do tłoczenia). Ze względu na bardzo dużą wrażliwość na działanie karbów należy wtedy w jeszcze większym stopniu przestrzegać wymagań co do stanu powierzchni i kształtu narzędzia.

poniedziałek, 15 października 2012

Inne własności stali narzędziowych


W poprzednich artykułach omówiono te zasadnicze własności stali narzędziowych, które wpływają głównie na trwałość narzędzia i które dość łatwo dają się pomierzyć. Prócz nich istnieje jednak jeszcze wiele własności, częściowo o mniejszym znaczeniu, wpływających czy to na koszt wytwarzania narzędzia, czy również na jego zachowanie się w eksploatacji, których nie można pominąć przy doborze stali na określone narzędzia.
Należy do nich np. obrabialność (skrawalność). W dużym stopniu jest ona funkcją twardości i dlatego stale narzędziowe obrabia się niemal z zasady w stanie wyżarzonym, zmiękczonym. Trzeba jednak stwierdzić, że możliwości wyżarzania zmiękczającego są ograniczone i większe dla stali węglowych; tym mniejsze natomiast, im więcej zawiera stal pierwiastków stopowych. Stąd stale średnio- i wysokostopowe są w stanie zmiękczonym zawsze twardsze od stali węglowych o tej samej zawartości węgla. Istnie je ponadto pewna kategoria stali — zwłaszcza stale szybkotnące i wysokowolframowe — przy których zmiękczaniu nie, należy zanadto zmniejszać twardości. Połączone to jest bowiem albo z powstawaniem pewnych odmian węglików bardzo trudno rozpuszczalnych przy grzaniu do hartowania, albo z nadmiernym rozrostem węglików w zasadzie łatwo rozpuszczalnych. I jedno i drugie powoduje, że w normalnych warunkach hartowania takie „przeżarzone” stale nie przyjmują właściwej im dużej twardości; występujące niedobory twardości mogą być tak znaczne, że uniemożliwiają w ogóle pracę narzędzia. Wreszcie na skrawalność stali ledeburytycz nych wpływają ujemnie skupienia twardych i odpornych na ścieranie węglików. Powodują one, zwłaszcza przy takich operacjach jak np. wiercenie, szybsze zużywanie się narzędzia niż przy obróbce stali równie twardej, lecz nieledeburytycznej, a więc i uboższej w węgliki, i mającej je bardziej równomiernych nie rozłożone. Tak więc, jeżeli ze względu na wymaganą dużą trwałość narzędzia konieczne jest zastosowanie do jego wyrobu stali wysokostopowej, trzeba się liczyć z większą pracochłonnością, a więc i większym kosztem jego wykonania. Nie należy natomiast wywierać na dostawcę nacisku w kierunku nadmiernego zmniejszenia twardości stali.
Stal narzędziowa wysokostopowa, głównie gatunki ledeburytyczne, cechuje jeszcze jedna nieprzyjemna właściwość, związana w dużym stopniu z wymaganą od nich wysoką odpornością na ścieranie. Stale te sprawiają duże trudności przy obróbce szlifowaniem. Wymagają one nie tylko pieczołowitego doboru tarcz ściernych, ale również łagodnych warunków szlifowania. Inaczej grozi narzędziu zepsucie czy to wskutek pęknięć szlifierskich, czy wskutek zmniejszenia twardości powierzchniowej. Nieoględne szlifowanie stali szybkotnących np. może spowodować takie niewielkie nagrzanie warstw przypowierzchniowych, że zajdzie niepożądane ich odpuszczanie, albo też tak znaczne, że zajdzie ich ponowne zahartowanie, co jest również niepożądane. Wreszcie i same tarcze ścierne zużywają się więcej niż przy szlifowaniu stali niskostopowych lub węglowych. Szlifowanie stali wysokostopowych (odnosi się to głównie do stali szybkotnących, w nieco mniejszym stopniu do wysokochromowych) jest więc kosztowniejsze i wymaga więcej czasu. I to również warto wziąć pod uwagę przy wyborze stali.
Godne uwagi są jeszcze dwie własności charakterystyczne stali do pracy na gorąco. Jedną z nich jest skłonność do powierzchniowych pęknięć pochodzenia naprężeniowo-ciepinego. Zjawisko to zwane zmęczeniem cieplnym polega na tym, że na pracującej powierzchni narzędzia powstaje siatka początkowo drobnych i płytkich pęknięć. Z biegiem czasu pęknięcia te stają się liczniejsze i rozrastają w głąb i wszerz, tworząc charakterystyczną siatkę. Siatka ta odbija się na powierzchni wykonywanych elementów pogarszając ich jakość początkowo nieznacznie, później jednak w stopniu nie dającym się tolerować. Narzędzie musi wówczas być poddane — jeżeli na to pozwalają względy wymiarowe — odnowieniu przez obróbkę mechaniczną; w przeciwnym razie idzie na złom. W skrajnych przypadkach pęknięcia powierzchniowe mogą spowodować przedwczesne złamanie się narzędzia.
Zjawisko zmęczenia cieplnego jest rezultatem cyklicznych zmian naprężeń. Mechanizm powstawania pęknięć można sobie wyobrazić następująco. Powierzchnia narzędzia ulega na przemian nagrzaniu i ochłodzeniu. Rozgrzane do wysokiej temperatury warstwy zewnętrzne rozszerzają się, lecz spoczywając na zimniejszych warstwach głębiej położonych ulegają pod ich wpływem naprężeniom ściskającym. Jeżeli naprężenia te przekraczają granicę plastyczności, obniżoną wskutek nagrzania, wówczas ulegające im powierzchniowe partie narzędzia doznają odkształcenia plastycznego w postaci spęczenia, powodującego pewne zmniejszenie naprężeń. Przy następnym obniżeniu temperatury partie te okazują się zbyt krótkie, ulegają więc naprężeniom rozciągającym.

piątek, 31 sierpnia 2012

Trwałość ostrza


Podstawowym warunkiem zdolności narzędzia do cięcia lub skrawania jest jego duża twardość, większa od twardości przedmiotu obrabianego. Nie wystarcza ona jednak, aby narzędzie okazało się w użyciu dostatecznie trwałe. Zdolność do skrawania (tzw. skrawność), jak i zdolność do cięcia nie może zanikać zbyt szybko podczas pracy, inaczej wartość narzędzia stałaby się problematyczna. Dlatego narzędzia służące do obróbki skrawaniem lub cięciem mus mieć oprócz odpowiednich zdolności również wystarczającą trwałość ostrza. Zdolność do cięcia podobnie jak skrawność są własnościami, których nie można zmierzyć i ująć liczbowo. Trwałość ostrza możemy natomiast zmierzyć i wyrazić czy to prędkością skrawania (w ściśle określonych warunkach), pozwalającą na dotrzymanie założonego z góry czasu skrawania aż do stępienia narzędzia (prędkość godzinowa), czy też np. ilością wiórów zdjętych w określonych warunkach skrawania, pomiędzy jednym a drugim zaostrzeniem narzędzia.
Własności decydujące o trwałości ostrza zależą od tego, czy narzędzie służy do skrawania, tj. do obróbki wiórowej, czy też do cięcia bezwiórowego. Narzędzia pierwszego typu, do których należą wszelkie noże do toczenia i strugania, frezy, wiertła, rozwiertaki, gwintowniki, piły itp., narażone są na mechaniczny nacisk wywoływany oporem skrawanego materiału, wstrząsy, ścieranie i działanie temperatury, do jakiej rozgrzewają się podczas pracy dzięki tarciu. Wobec tego obok dużej twardości na zimno narzędzia takie muszą odznaczać się dostateczną wytrzymałością mechaniczną oraz pewną ciągliwością zabezpieczającą je przed złamaniem i wykruszeniem, znaczną odpornością na ścieranie oraz odpornością na działanie podwyższonych temperatur. Ta ostatnia własność niezbędna jest oczywiście tylko tym narzędziom, które dzięki warunkom skrawania czy własnościom obrabianego tworzywa nagrzewają się rzeczywiście wysoko podczas pracy. Narzędzia takie wyrabia się ze stali szybkotnących. Stosowanie tych stali tam, gdzie warunki skrawania nie powodują zbytniego wzrostu temperatury narzędzia, nie byłoby często uzasadnione ani względami gospodarczymi, ani technicznymi. W takich przypadkach trwałość dużo droższego narzędzia ze stali szybkotnącej nieznacznie tylko przewyższa trwałość narzędzi ze stali niskostopowych o dostatecznie dużej odporności na ścieranie.
Trwałość ostrza zwiększa przede wszystkim wolfram, już przy niewielkich zawartościach. Korzystnie wpływa również chrom oraz, oczywiście, większa zawartość węgla. Poza tym zwiększają trwałość ostrza wanad, molibden, krzem, mangan i kobalt.
Zachowanie się narzędzi rozgrzewających się znacznie podczas pracy i wykonywanych ze stali szybkotnących zależy natomiast przede wszystkim od ich odporności na działanie wysokich temperatur, a więc od zawartości wolframu, chromu, molibdenu, wanadu i kobaltu. Trudno jest określić indywidualny wpływ każdego z tych składników na trwałość ostrza, ponieważ ulega on zmianom wraz ze zmianami zawartości pozostałych domieszek i — oczywiście — warunków pracy narzędzia. Skuteczność działania wolframu zmienia się jednak przy większych zawartościach wanadu. Wyniki próby trwałości noża ze stali o zmiennej zawartości wolframu i stałej (dużej) zawartości wanadu oraz niewielkiej (ok. 0,5%) zawartości molibdenu. Okazuje się, że (w danych warunkach skrawania) przy zawartości 1,6 ÷ 1,9% wanadu, już od 6% wolframu poczynając, wydajność noża mierzona czasem skrawania aż do spalenia się ostrza praktycznie się nie zmienia, a zbyt duża zawartość wolframu jest nie tylko zbędna, ale wydaje się nawet szkodliwa.
Te spostrzeżenia spowodowały wprowadzenie do użytku stali o zmniejszonej — w stosunku do standardowe niejako stali SW18 — zawartości wolframu i zwiększonej zawartości wanadu.
Molibden działa w stalach szybkotnących podobnie jak wolfram, lecz mniej więcej dwa razy energiczniej. Innymi słowy 1% molibdenu zastępuje w stali szybkotnącej 2% wolframu. Okoliczność ta sprawia, że w krajach, w których dostępniejszy jest molibden niż wolfram, produkuje się i zużywa znacznie więcej stali opartych bądź wyłącznie na molibdenie, bądź na równych mniej więcej zawartościach molibdenu i wolframu, niż stali opartych na wolframie. W eksploatacji oba typy stali szybkotnących (wysokowolframo bądź wysokomolibdeowe) są całkowicie równorzędne. W przeróbce natomiast te drugie są znacznie kłopotliwsze. W aktualnej sytuacji międzynarodowej wolfram jest dla nas metalem łatwiej dostępnym i stosunkowo tańszym.
Sposób działania wolframu, wanadu i molibdenu jest zbliżony. Jako domieszki węglikotwórcze zwiększają one odporność stali na ścieranie dzięki twardości swych węglików oraz zwiększają jej odporność na odpuszczanie. Czwarty z pierwiastków węglikotwórczych — chrom — działa podobnie, lecz nie tak energicznie. Duża jego zawartość (około 4,5%) konieczna jest przede wszystkim ze względów hartowniczych, umożliwia bowiem hartowanie w oleju lub w innych łagodnych ośrodkach. Kobalt nie tworzy węglików, podnosi jednak trwałość ostrza przez omówiony poprzednio swoisty wpływ na odporność na odpuszczanie.  
Trwałość ostrza narzędzia ze stali szybkotnącej zależy bardzo od prawidłowości obróbki cieplnej, przede wszystkim od wysokości temperatury hartowania. W pewnym optymalnym zakresie temperatur hartowania, zależnym od gatunku stali, osiąga się szczytowe wartości; po jego przekroczeniu trwałość ostrza spada szybko wskutek przegrzania, o które tu łatwo, ponieważ bardzo wysokie temperatury sprzyjają energicznemu rozrostowi ziarna. Zakres właściwych temperatur hartowania stali szybkotnących jest, więc dość wąski i leży wysoko, mimo że dużą twardość uzyskuje się już przy stosunkowo niskich temperaturach hartowania. Tłumaczy się to przebiegiem krzywej twardości po odpuszczeniu.
Narzędzia do bezwiórowego cięcia na zimno, jak płyty tnące i stemple wykrojników, noże do nożyc, narażone są głównie na silne naciski występujące podczas pracy oraz na ścieranie, zbytnio natomiast się nie rozgrzewają. Dlatego własnościami miarodajnymi dla ich trwałości są duża twardość i odporność na ścieranie, dostateczna wytrzymałość mechaniczna oraz duża ciągliwość zapobiegająca wykruszeniu się krawędzi tnącej. Własności konieczne dla zapewnienia trwałości ostria narzędziom służącym do cięcia na gorąco (płyty i stemple do okrojnic, noże do nożyc na gorąco) zależą od warunków ich pracy. Jeżeli obciążenia są krótkotrwałe i rzadko po sobie następują, narzędzie nie rozgrzewa się znacznie (np. cienki i szybko stygnący rąbek), to warunki jego pracy zbliżone są do warunków cięcia na zimno. Wówczas stal powinna mieć te same własności, co przy poprzedniej grupie narzędzi. Gdy natomiast rąbek jest gruby i powoli stygnie, lub gdy cięcia szybko po sobie następują, wówczas narzędzie bardzo się nagrzewa, a zatem o trwałości jego ostrza decyduje raczej odporność na odpuszczanie; twardość na gorąco nie musi tu być koniecznie bardzo duża, bo materiał cięty jest miękki. Oddzielną grupę, jeżeli chodzi o sposób i warunki pracy, stanowią narzędzia tnące do użytku osobistego, domowego, gospodarczego itp., jak brzytwy i nożyki do golenia, scyzoryki, noże stołowe i kuchenne, tasaki, kosy i niektóre narzędzia do obróbki drewna, pracujące samą delikatną krawędzią ostrza o bardzo ostrym kącie. Np. nożyki do golenia mają pracę spokojną i zawsze w jednakowych warunkach; mają one wystarczającą, choć na minuty liczoną, trwałość ostrza, jeżeli tyko są dość twarde i odporne na ścieranie. Większa ciągliwość nie jest tu wymagana. Wyrabiamy je ze stali o dużej, niekiedy znacznie ponadeutektoidalnej zawartości węgla, stosując ewentualnie dodatki wzmagające odporność na ścieranie, najczęściej chrom. Pozostałe z wymienionych narzędzi pracują w bardzo zmiennych okolicznościach, obrabiają materiały o różnej twardości i narażone są na uderzenia, wstrząsy i brak pieczołowitości w obejściu. Muszą one zatem mieć zapewnioną przede wszystkim znaczną ciągliwość, na rzecz której rezygnujemy często ze znacznej twardości i odporności na ścieranie. Wobec łatwości ich ostrzenia wolimy, aby się szybciej tępiły przez ścieranie niż wykruszały. Do wyrobu ich się więc stali o niewielkiej zawartości węgla, zwykle nie przekraczającej składu eutektoidalnego.

piątek, 24 sierpnia 2012

Stal narzedziowa - ciągliwość


Terminy  używane w językach obcych na określenie  własności "ciągliwość" („wiazkost, „Zhigkeit, „toughness) są szczęśliwsze niż stosowana u nas „ciągliwość” będąca raczej synonimem plastyczności. Innego, ogólnie przyjętego terminu brak jednak w języku polskim.
Dużej twardości stali narzędziowych w stanie hartowanym towarzyszy z natury rzeczy dość duża kruchość. Z praktyki wiemy jednak, że ta sama stal może być przy jednakowej twardości raz mniej, a innym razem bardziej krucha (np. po prawidłowym zahartowaniu i po hartowaniu, połączonym z przegrzaniem). Z dwóch różnych stali zahartowanych bez zarzutu, również jedna może być bardziej krucha, mimo że obje mają tę samą twardość. Mówimy wówczas, że jedna jest mniej, a druga bardziej ciągliwa. Idzie tu przy tym nie o tę poprzednio omówioną ciągliwość, jaką przy stalach płytko hartujących się zapewnia narzędziu niezahartowany rdzeń, lecz o ciągliwość struktury całkowicie zahartowanej, martenzytycznej. Ciągliwość ta jest tak nieznaczna w porównaniu z tym, do czego przyzwyczailiśmy się przy stalach konstrukcyjnych, że nie można mierzyć jej metodami tam stosowanymi. Nie można np. określać ciągliwości zahartowanej stali narzędziowej wydłużeniem, jakiemu ulega próbka podczas próby rozciągania.
Pojęcie ciągliwości stali narzędziowych obejmuje zresztą nie tylko pewien zasób zdolności do odkształceń; mieści się w nim jednocześnie duża sprężystość i wytrzymałość zarówno na obciążenia statyczne, jak i dynamiczne.
Podobnie jak mało sprecyzowana jest sama własność, tak samo nie są ściśle ustalone metody jej badania. Do pomiaru jej stosuje się czasami próbę udarności, przy czym używa się głównie próbek bez karbu. Przykład zastosowania tej próby do badania ciągliwości stali szybkotnącej zmiany udarności stali SW18 w zależności od temperatury odpuszczania po hartowaniu przy 1290°C. Próba ta jednak często nie wykazuje subtelnych a istotnych różnic ciągliwości, spowodowanych np. niewielkimi zmianami warunków obróbki cieplnej. Podający dla celów porównawczych wyniki próby udarności wg Izoda (próbki z karbem i bez karbu) i próby skręcania udarowego otrzymane na próbkach stali węglowej, odpuszczanych przy różnych temperaturach (do 450 °C).
Wszystkie te próby stosuje się jednak, jak dotychczas, wyłącznie w pracach naukowych; praktyka kontrolno-odbiorcza nie posługuje się jeszcze nimi.
Praktyczne zastosowanie znalazła tylko próba udarności z karbem w odniesieniu do stali narzędziowych o małej i średniej zawartości węgla, odpuszczanych przy wysokich temperaturach (stale do pracy na gorąco); daje ona w tym przypadku wyniki dostatecznie zróżnicowane, zależnie od gatunku stali i obróbki cieplnej, oraz jest łatwa do przeprowadzenia.
Ciągliwość stali narzędziowych zależy oczywiście od ich składu chemicznego. Przy tej samej zawartości innych składników jest ona tym mniejsza, im większa jest zawartość węgla. Jeżeli jednak idzie o pozostałe składniki, czy to celowo stosowane, czy takie, których nie można uniknąć, to wpływ ich zależy od tylu ubocznych okoliczności, że ogólnie obowiązujących prawideł podać tu nie można. Wiadomo np., że stale tyglowe odznaczają się dużą ciągliwością, mimo znacznej nieraz zawartości siarki i fosforu, których ilość, ze względu na ich szkodliwy wpływ, staramy się w stalach innego pochodzenia jak najbardziej ograniczyć.
Duży wpływ ma wielkość ziarna austenitu przy temperaturze hartowania (czyli stopień ziarnistości przełomu) związana zarówno z wrażliwością stali na przegrzanie, jak i z warunkami hartowania. Narzędzia o ziarnie grubym (wielkość 4 i niżej) kruszą się niekiedy już przy upadku na podłogę, podczas gdy np. rdzenie pocisków przeciwpancernych o ziarnie wielkości 8 ÷ 10 przechodzą przez płytę pancerną nienaruszone.
Hartowana przy temperaturze 780 i 820°C wykazuje dużą wytrzymałość na zginanie. Po hartowaniu przy 860 ÷ 900°C, w którym to zakresie temperatur odbywa się gwałtowny rozrost ziarna, występuje w stali ziarno mieszane, drobne i grube; wskutek tego wyniki próby zginania mają wyraźny rozrzut: jedne próbki wykazują jeszcze dużą, inne już znacznie mniejszą ciągliwość. Przy hartowaniu powyżej 900°C powstaje już ziarno jednolicie grube, w związku z czym wszystkie próbki mają wytrzymałość na zginanie ponad 50% gorszą niż przy ziarnie jednolicie drobnym.
Odpuszczanie zwiększa ciągliwość zahartowanej stali; zwiększanie ciągliwości nie jest jednak regularne i ciągłe, ani, jak to się często sądzi, związane ściśle ze zmniejszeniem twardości. Powyżej temperatury 200 °C obserwuje się raptowne zmniejszenie ciągliwości, utrzymujące się aż do 350 do 400°C (zależnie od składu chemicznego stali), jeszcze wyżej zaś — ponowne zwiększenie. Zmianom tym nie towarzyszą odpowiednie, a przynajmniej równie silne zaburzenia w przebiegu krzywej twardości. Zwiększenie ciągliwości obserwowane przy temperaturach do 200 °C wywołane jest częściowo zmniejszeniem naprężeń własnych, głównie zaś zmianami strukturalnymi zachodzącymi w „martenzycie. Tak zwany świeżo hartowany martenzyt (martenzyt tetragonalny) przechodzi przy ok. 100°C w mniej kruchy a nieco twardszy martenzyt regularny, ten zaś, w miarę dalszego wzrostu temperatury, odpuszcza się i wraz ze zmniejszaniem twardości zyskuje na ciągliwości. Powyżej 200°C proces ten toczy się dalej. Jednocześnie jednak zaczynają przebiegać nowe zjawiska, których ujemny wpływ na ciągliwość znacznie przeważa. Odbywa się tu przede wszystkim rozpad austenitu szczątkowego, połączony z raptownym zmniejszeniem ciągliwości. Przy większych ilościach austenitu szczątkowego rozkład jego daje się zauważyć nawet na krzywej twardości, w postaci lekkiego zahamowania jej spadku („siodełka”).
Drugim zjawiskiem, któremu przypisuje się zmniejszenie ciągliwości stali przy odpuszczaniu w zakresie temperatur ok. 250°C są początki tworzenia się cementytu — Fe8C, przypadające.
na ten właśnie obszar temperatur. Pierwsze wydzielenie tego związku — tak przynajmniej stwierdzono u stali konstrukcyjnych — przybierają postać cieniutkich płytek i umieszczenia się wzdłuż byłych igieł martenzytu bądź na granicach ziarn. Powoduje to osłabienie spójności stali. Są jeszcze inne poglądy, dotyczące przyczyn tej tzw. kruchości odpuszczania zakresu 250 ÷ 400°C, nie zdobyły jednak takiego uznania, jak oba omówione.
Inne zjawiska współodpowiedzialne za omawiane zmniejszenie ciągliwości nie są jeszcze do końca rozpoznane. Proces wydzielania się węglików specjalnych w stalach odpornych na odpuszczanie powoduje zawsze zmniejszenie ciągliwości albo zahamowanie jej wzrostu, jak to widać z zachowania się stali szybkotnącej. Początkowemu zmniejszeniu twardości towarzyszy szybkie zwiększanie ciągliwości, trwające aż do ok. 300°C. Zaznaczające się od tej temperatury wydzielanie się węglików (lekki wzrost twardości) powoduje gwałtowne zatrzymanie wzrostu ciągliwości i w dalszym ciągu lekkie jej zmniejszenie.
Raptowne zmniejszenie ciągliwości po odpuszczeniu powyżej 500° C tłumaczyć należy częściowo również rozpadem austenitu na twardy i kruchy martenzyt, zachodzącym w stalach szybkotnących właśnie po odpuszczeniu w tym obszarze temperatur.
Ciągliwość zahartowanej stali narzędziowej zależy również od warunków odlewania, przeróbki plastycznej i obróbki cieplnej, wpływających na jej strukturę. W stalach ledeburytycznych (np. szybkotnących) ujemnie wpływa zbyt wielka nierównomierność rozkładu węglików, będąca pozostałością po występującej w strukturze wlewka eutektyce — ledeburycie. Nierównomierność ta przejawia się albo w łagodniejszej postaci jako likwacyjne smugi węglików, albo w postaci niezupełnie rozbitej, mniej lub więcej wyraźnie i grubo wykształconej siatki ledeburytu. Objawu tego nie można uniknąć. O zapobieganiu temu zjawisku będzie mowa w rozdziale o wadach stali.
Objaw ten jest znacznie mniej szkodliwy niż pokrewna mu do pewnego stopnia, występująca w stalach nadeutektoidalnych siatka cementytu. Narzędzia wykazujące w strukturze siatkę cementytu są tak kruche, że nie nadają się zupełnie do pracy. Można je jednak łatwiej naprawić niż narzędzia ze stali ledeburytycznych, ponieważ siatka cementytu istniejąca we wlewku stali nadeutektoidalnej rozpuszcza się przy temperaturach przeróbki plastycznej na gorąco, a ponownego jej wydzielenia się łatwo uniknąć, przestrzegając prawidłowych warunków kucia. Można ją zresztą również rozbić stosując odpowiednią obróbkę cieplną.