Zależność hartowności stali od zawartości dodatków stopowych

Pozostaje jeszcze do omówienia zależność hartowności stali od zawartości dodatków stopowych. Spośród dodatków stosowanych w stalach narzędziowych tylko kobalt zmniejsza ją w sposób zdecydowany. Kobalt stosowany jest jednak tylko w stalach szybkotnących, gdzie ten jego wpływ jest minimalny wobec dużej zawartości innych składników i bardzo wysokiej temperatury hartowania. Mangan, chrom, krzem i nikiel zwiększają zawsze głębokość hartowania, a jeżeli chodzi o intensywność ich działania, to maleje ona mniej więcej w tej kolejności, w jakiej je wyliczono. Rola wanadu i wolframu jest nieco skomplikowana.

W zasadzie oba te pierwiastki (wanad w większym stopniu niż wolfram) mają zdolność zwiększania hartowności stali. Zdolność ta może się jednak ujawnić tylko wtedy, gdy odpowiedni pierwiastek jest rozpuszczony w austenicie. Tymczasem tak wanad jak i wolfram tworzą stosunkowo trwałe węgliki, rozpuszczające się łatwo dopiero przy wyższych temperaturach obszaru austenitycznego.

Wpływ pierwiastków stopowych na hartowność stali

Nierozpuszczone węgliki czynią austenit drobnoziarnistym i zmniejszają ilość węgla znajdującego się w roztworze stałym. Równocześnie zaś wiążą one znaczną ilość wanadu czy wolframu, co powoduje, że pierwiastków tych rozpuszcza się w austenicie znacznie mniej, niż wynikałoby to z ich zawartości w stali. Wskutek tego ich dodatni wpływ na hartowność nie może się przejawić. Wszystko to sprawia zatem, że przy niskich temperaturach, przy których węgliki pozostają w dużej mierze nie rozpuszczone w austenicie, wanad I wolfram zmniejszają hartowność (głębokość hartowania), zapewniając jednocześnie stali znaczną drobnoziarnistość. W miarę wzrostu temperatury i postępującego rozpuszczania się węglików przechodzi do roztworu coraz więcej węgla, a równocześnie wanadu czy też wolframu.  Wówczas zaznacza się ich zdolność do zwieszenia hartowności, stal hartuje się głębiej. Zachodzi to jednak przy temperaturach znacznie wyższych od normalnych temperatur hartowania. Wskutek tego stale narzędziowe Wanadowe i nisko- wolframowe wykazują zwykle w normalnych warunkach obróbki cieplnej płytszą warstwę zahartowaną i drobniejsze ziarno niż stale węglowe, mają również szerszy obszar bezpiecznych temperatur hartowania.

Jeżeli chodzi o chrom pierwiastek węglikotwórczy najczęściej spotykany w stolach narzędziowych — to dopiero przy bardzo dużych zawartościach daje się wyraźnie odczuć wpływ trwałości jego węglików. Stale zawierające 12% Cr wymagają hartowania przy temperaturach ok. 950 °C, chociaż przemiana podczas nagrzewania zachodzi w nich przy temperaturze ok. 800 0C. Węgliki chromu wiążą tu, bowiem węgiel tak silnie, że dopiero od ok. 910 °C poczynając, można osiągnąć- twardość 60 HRC i większą. Przy małych zawartościach chromu węgliki jego rozpuszczają się znacznie łatwiej zawsze jednak trudniej niż cementyt (Fe3C), a rozrost ziarna hamują słabiej niż węgliki wanadu i wolframu.

Pod względem zdolności rozdrabniania i hamowania rozrostu ziarna najefektywniejszy jest więc wanad, potem wolfram. Ta bardzo cenna własność wanadu przejawia się wyraźnie już przy bardzo małych zawartościach, ok. 0,1 ± 0,2%, niezależnie od zawartości innych domieszek. Dlatego też w stolach narzędziowych, w których stonowany bywa właśnie w celu rozdrobnienia ziarna i zapewnienia szerokiego zakresu bezpiecznych temperatur hartowania, zwartość jego nie przekracza 0,3% (nie dotyczy to stali szybkotnących, w których stosuje się większe dodatki wanadu, ale w których spełnia on inne zadania).

Krzem nie tworzy węglików; mangan wchodzi częściowo na miejsce żelaza w skład cementytu, lecz nie zmienia jego własności. Składniki te nie wpływają, zatem hamująco na rozrost ziarna austenitu (mangan sprzyja mu nawet); zapewniają one tylko stali większą hartowność.

Biorąc pod uwagę fakt, że mangan, chrom, krzem i nikiel zwiększają w każdym przypadku głębokość hartowania stali, łatwo zrozumieć, dlaczego ogranicza się zawartość tych domieszek w stalach węglowych j to w większym stopniu w stolach typu NE (stal płytko hartujących się) niż N (głęboko hartujących się). Zawartość pewnych ilości Mn i Si w stali węglowej wynika z konieczności procesu metalurgicznego; Cr i Ni przedostają się do niej ze złomu.