Hartowność i wrażliwość na przegrzanie stali narzędziowych

Jeżeli pręt ze stali N8E (wnr 1.1525) o grubości 20 ÷ 25 mm nagrzejemy do temperatury 760 ÷ 800 °C, oziębimy w wodzie a następnie złamiemy, to zauważymy na powierzchni przełomu dwie strefy różniące się wyraźnie wyglądem. Strefa zewnętrzna grubości ok. 3 mm przypomina przełom porcelany, jest wybitnie drobnoziarnista i ma słaby jedwabisty połysk; strefa wewnętrzna, tj. rdzeń przełomu, jest matowa i szorstka. 

 Rozkład twardości na przekroju zahartowanego pręta 25 mm ze stali N8E

Przy bliższym badaniu próbki przekonamy się, że tylko warstwa zewnętrzna wykazuje strukturę martenzytyczną i odpowiednio dużą twardość, dochodzącą do 63 HRC a nawet większą. Rdzeń próbki zawiera miększe produkty rozkładu austenitu, wskutek czego twardość jego, poczynając od granicy strefy zewnętrznej, gwałtownie spada i osiąga w środku przekroju około 40 HRC.

Wykonawszy podobną próbę na pręcie ze stali NMV ( wnr 1.2842 ) o średnicy 50 mm, zahartowanym w oleju przy 800°C, stwierdzimy, że powierzchnia przełomu jest na całym przekroju jednolita i przypomina strefę zewnętrzną z poprzedniej próby; twardość wynosząca na powierzchni ok. 62 HRC nie zmniejsza się we wnętrzu poniżej 61 HRC, a strukturę stanowi wyłącznie martenzyt. Pierwsza stal zahartowała się więc płytko, powierzchownie, druga zaś na wskroś i bardzo głęboko, mimo że woda chłodzi energiczniej niż olej, a pręt N8E był znacznie cieńszy niż pręt NMV.

Własność, której przejawem jest tak różne zachowanie się tych dwóch stali, nazywamy hartownością i mówimy, że pierwsza stal odznacza się bardzo małą, druga zaś bardzo dużą hartownością. Hartowność możemy zdefiniować jako zdolność stali do hartowania się na martenzyt , ponieważ celem hartowania jest w zasadzie otrzymanie struktury martenzytycznej, czyli zapobieżenie rozkładowi austenitu na miększe struktury. Stal o malej hartowności wymaga ośrodka energicznie chłodzącego (wody) i hartuje się płytko, tzn. wykazuje na zahartowanym przekroju cienką zewnętrzną warstwę martenzytyczną. W miarę wzrostu hartowności wzrasta głębokość warstwy martenzytyczne (przy tym samym przekroju i ośrodku chłodzącym) lub stal nabywa zdolności do hartowania się w ośrodkach łagodniejszych (w oleju a nawet w powietrzu). Hartowność pozostaje w ścisłym związku z szybkością chłodzenia konieczną do uzyskania struktury martenzytycznej. Najmniejszą szybkość chłodzenia, przy której jeszcze tworzy się martenzyt, a poniżej której powstają już miększe produkty rozkładu austenitu, nazywamy, jak wiadomo, szybkością krytyczną chłodzenia. Jest ona, tak jak hartowność, indywidualną własnością każdej stali i stanowi niejako odwrotność hartowności. Stal N8E (o małej hartowności) ma zatem dużą krytyczną szybkość chłodzenia, a stal NMV (o dużej hartowności) — małą. Pierwsza hartuje się na martenzyt w tych tylko partiach przekroju, które stygną z szybkością co najmniej 500°C/sek, druga zaś tam, gdzie stygnięcie odbywa się z szybkością, powiedzmy 50 °C/sek a może i mniejszą. Tak bowiem mniej więcej mają się do siebie krytyczne szybkości chłodzenia tych stali.

Bezwzględną miarą hartowności byłaby, więc odwrotność wartości krytycznej szybkości chłodzenia. Wielkość ta jednak jest trudna do zmierzenia, więc do pomiaru hartowności stosuje się chętniej metody porównawcze, dość proste, a dla celów praktycznych zupełnie wystarczające. Gdy idzie o stale narzędziowe, za porównawczą miarę hartowności przyjmuje się głębokość warstwy martenzytycznej, otrzymanej w określonym, zawsze tym samym przekroju i tym samym ośrodku chłodzącym. W pojęciu hartowności nie mieści się twardość osiągana przez martenzyt. Stal NMV (z powyższego przykładu) ma znacznie większą hartowność aniżeli stal N8E, chociaż największa jej twardość w stanie hartowanym nie przekracza 63 HRC, — podczas gdy twardość stali N8E dochodzi do 67 HRC.

Jeżeli idzie o stale narzędziowe, to w przeciwieństwie do konstrukcyjnych, chętnie posługujemy się gatunkami, które hartują się płytko. Pochodzi to stąd, że miękki rdzeń występujący w wykonanych z nich niezbyt cienkich narzędziach jest dość ciągliwy i podnosi ogólną odporność narzędzia na uderzenia i wstrząsy, małą w twardej zewnętrznej warstwie martenzytycznej. Dalszą dodatnią stroną narzędzia o takiej dwoistej strukturze jest to, że w warstwie zewnętrznej panują naprężenia ściskające, głównie dzięki temu, że martenzyt ma większą objętość właściwą niż struktury rdzenia. Naprężenia te zwiększają znacznie zdolność narzędzia do przeciwstawiania się obciążeniem mechanicznym, jakim podlega ono podczas pracy.

Możliwości stosowania takich płytko hartujących się stali są jednak ograniczone, między innymi tym właśnie, że wskutek małej hartowności stale te muszą być hartowane w wodzie. Stal NMV stosuje się nie tylko dlatego, aby wykorzystać jej dużą hartowność i zapewnić narzędziu o dużej średnicy niemal taką samą twardość w środku jak i na powierzchni. Wyróżniającą ją cechą, dla której głównie znalazła ona szerokie zastosowanie, jest to, że hartuje się w oleju i że przedmioty z niej wykonane ulegają podczas hartowania bardzo małym odkształceniom i bardzo regularnym zmianom wymiarowym. Wolelibyśmy może niejednokrotnie, aby hartowała się ona płytko, lecz jej duża hartowność, nie zawsze potrzebna, jest ściśle związana z innymi pożądanymi przez nas własnościami. Podobnie jak np. ze stałą NC11, której pod względem stałości kształtów i regularności zmian wymiarowych w hartowaniu, przy jednoczesnej bardzo dużej odporności na ścieranie, nie sprosta żadna stal o małej hartowności. Duża hartowność umożliwiająca zahartowanie całego przekroju jest więc przy doborze stali narzędziowych raczej rzadko czynnikiem decydującym. Jest ona konieczna np. przy stalach używanych do wyrobu dużych matryc kuziennych, pracujących w bardzo ciężkich warunkach i narażonych na silne uderzenia. Matryce takie wykonuje się głównie ze stali WNL, której duża hartowność pozwala na znaczne przehartowanie się nawet dużych przekrojów i dzięki temu uzyskanie po ulepszeniu dużej udarności w całej masie.

 Hartowania się na wskroś wymagamy również przy takich narzędziach, które jak np. wiertła spiralne, podlegają stałemu ostrzeniu w miarę zużywania się i w których stopniowe zdejmowanie cienkiej warstwy zewnętrznej odsłoniłoby w końcu miękki rdzeń niezdolny do pracy. Dla narzędzi, które nie powinny hartować się na wskroś, duże znaczenie ma nieraz to, czy głębokość zahartowanej warstwy wyniesie 2, czy 4, czy też 15 mm. Jeżeli np. zależy nam na tym, aby w narzędziu mieć płytszą warstwę zahartowaną niż ta, jaką zapewnia płytko hartująca się stal węglową N8E, to stosujemy stal stopową o nieco niższej hartowności, jak NV lub NW, pamiętając wszakże, że możliwości są tu bardzo ograniczone i że mimo zastosowania tych stali przekroje cienkie przehartują się na wskroś. Mogą być również i odwrotne przypadki; może nam zależeć, aby w przekroju o średnicy większej niż 25 mm mieć również warstwę zahartowaną o głębokości 3 mm, cieńsza bowiem może być zbyt słaba i poddać się naciskom w warunkach pracy narzędzia. Takiego wymagania stal N8E również nie spełni, bo zahartuje się płycej, np. na głębokość 1,5 ÷ 2 mm, wobec czego stosujemy głębiej hartującą się stal Nil. Mając zaś do wyprodukowania narzędzie, które przy dużej średnicy, np. 120 mm, powinno mieć ciągliwy rdzeń oraz ze względu na naciski występujące w pracy, warstwę zahartowaną cieńszą niż 15 mm, musimy zastosować stale o dość dużej hartowności. Czynniki wpływające na hartowność stali są dość liczne I różnorodne. Poczynając od stali węglowych, możemy stwierdzić, że hartowność ich zależy od zawartości węgla.

Mówiąc o czystości stali mamy jednak na myśli nie tylko zawartości składników przewidzianych w normach, określane przy sprawdzaniu składu chemicznego wytopu. Nie ulega wątpliwości, że domieszki, których zawartości nie sprawdza się normalnie, jak np. wodór, tlen i azot, wywierają również wpływ na hartowność. Nie jest przy tym obojętne, w jakich połączeniach domieszki te występują. Dowodzi tego fakt, że dobierając odpowiednie warunki wytwarzania stali węglowych, w szczególności zaś odtleniając je za pomocą aluminium, można w pewnych okolicznościach zmniejszyć ich hartowność. Wynika stąd, że zachowanie przepisanego składu chemicznego stali bynajmniej nie gwarantuje otrzymania wymaganej hartowności. Dlatego też każdy wytop węglowej stali narzędziowej kontroluje się pod względem hartowności i wrażliwości na przegrzanie, (o czym niżej) i tylko wynik tej kontroli, a nie skład chemiczny, stanowi podstawę do zaliczenia stali do grupy N bądź NE.

Hartowność stali zależy następnie od wielkości, jaką ziarno austenitu osiąga przy temperaturze hartowania. Im większe to ziarno, tym głębiej dana stal się hartuje. Ponieważ zaś ziarno austenitu rośnie ze wzrostem temperatury, przeto podniesienie temperatury hartowania powoduje — pośrednio, przez rozrost ziarn — zwiększenie głębokości hartowania.

Na zwiększenie głębokości hartowania, czyli na zwiększenie hartowności wpływa również dodatnio większa jednorodność austenitu. Chodzi tu zarówno o brak wtrąceń (np. węglików), jak i o jednorodność chemiczną, wyrażającą się w równomiernym rozłożeniu domieszek na przestrzeni całego ziarna. Osiągalny stopień jednorodności austenitu w określonych warunkach wygrzewania zależy między innymi od wyjściowej struktury stali. Cementyt kulkowy, tworzący się przy wyżarzaniu zmiękczającym, rozpuszcza się w austenicie trudniej niż płytkowy. Szybkość rozpuszczania się zależy bowiem również od stosunku między powierzchnią rozpuszczającego się ciała a jego objętością, stosunek ten zaś jest korzystniejszy w płytkach niż w kulkach. W stalach podeutektoidailnych, nagrzewanych podczas hartowania do temperatur leżących powyżej krzywej GS istnieją możliwości całkowitego rozpuszczenia się kulek przy temperaturze hartowania, potrzeba na to jednak więcej czasu niż przy płytkach. Jednakże nawet po całkowitym rozpuszczeniu się czy to płytek, czy kulek cementytu, rozłożenie węgla w austenicie nie jest od razu równomierne. Wyrównanie stężeń

węgla w austenicie odbywają się w wyniku dyfuzji i wymaga czasu tym dłuższego, im niższa jest temperatura wygrzewania.

Wynika stąd wniosek praktyczny, że czas wygrzewania przy hartowaniu nie może być za krótki.

Jeżeli bowiem nie wygrzejemy stali tak długo, aby rozpuścić dostateczną ilość cementytu, to otrzymamy martenzyt o twardości odpowiednio mniejszej, zależnej od zawartego w nim węgla. Nie dopuszczając zaś do wyrównania się stężenia węgla w austenicie, zmniejszymy głębokość hartowania. Te przestrzenie ziarna austenitu, które są uboższe w węgiel, mają bowiem

większą krytyczną szybkość chłodzenia.