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.