Odporność na ścieranie w stalach narzędziowych

Narzędzia zużywają się najczęściej wskutek ścierania, polegającego na odrywaniu się z ich powierzchni grubszych lub drobniejszych cząstek pod wpływem tarcia między powierzchnią narzędzia a materiałem obrabianym. Zdolność przeciwstawiania się narzędzia (stali, z której jest ono wykonane) tego rodzaju zużyciu nazywamy odpornością na ścieranie.

Okoliczności towarzyszące ścieraniu się narzędzi bywają bardzo różnorodne. Inne są warunki ścierania się narzędzi pomiarowych, np. sprawdzianów, a inne pierścieni do ciągnienia prętów; inny charakter mają czynniki powodujące ścieranie się świdra do kamienia, a inny przy wiertłach do metali. Inaczej ściera się narzędzie przy pracy na sucho niż przy użyciu emulsji chłodzącej. Ze względu na odmienność warunków ścierania, różne narzędzia muszą wykazywać różnego rodzaju odporność na ścieranie. Nie jest, więc ona bynajmniej własnością dającą się jednoznacznie określić, zmierzyć i porównywać. Jeżeli mówimy o odporności na ścieranie jednego gatunku stali, albo porównujemy pod tym względem dwa czy więcej różnych gatunków, to zawsze powinniśmy uwzględniać warunki ścierania, a wszelkie porównania możemy przeprowadzać tylko wtedy, gdy warunki te są identyczne.

Dlatego też niemożliwe jest jednolite sklasyfikowanie stali wg tej własności i szczegółowe sprecyzowanie, jak na nią wpływa skład chemiczny stali, struktura, twardość itp. Stosowane tu metody badania są też różnorodne i rzadko tylko odtwarzają rzeczywiste warunki pracy narzędzi. Wobec tego, jeżeli idzie o dobór stali pod względem największej możliwie odporności na ścieranie dla danych warunków pracy, to musimy posługiwać się tylko bardzo ogólnikowymi wskazówkami i albo opierać się na posiadanym doświadczeniu, albo uzupełniać je próbami praktycznymi czy nawet laboratoryjnymi, ale przeprowadzanymi w warunkach możliwie ściśle odpowiadających rzeczywistości.

Upraszczając nieco sprawę i pomijając przypadki specjalne (np. miękką a w pewnych warunkach wybitnie odporną na ścieranie stal Hadfielda) można powiedzieć, że odporność na ścieranie wzrasta z twardością stali.

W znacznie większym jednak stopniu niż sama twardość martenzytu lub produktów jego rozkładu na odporność na ścieranie występowanie w strukturze nierozpuszczonych lub wydzielonych węglików. Mają one dużą twardość, większą niż twardość martenzytu i bardzo małą ścieralność. Odnosi się to zarówno do węglików żelaza (Fe3C), jak i — w jeszcze większym stopniu — do węglików specjalnych, np. chromu, wolframu, i wanadu. Odporność na ścieranie powodowana obecnością twardych węglików w twardej osnowie strukturalnej ma znaczenie zwłaszcza przy tych stalach do pracy na zimno, z których wyrabia się narzędzia skrawające, narzędzia do cięcia, do ciągnienia itp. Twardość martenzytu, jak widzieliśmy, praktycznie nie zwiększa się przy dużych zawartościach węgla. Natomiast odporność na ścieranie w warunkach pracy tych narzędzi jest wyraźnie zależna od zawartości węgla i tym większa, im więcej stał go zawiera, czyli im więcej nierozpuszczalnych węglików występuje na tle martenzytu. Również tam, gdzie zachodzi ścieranie przez sypkie materiały, np. w narzędziach do brykietowania, wzrost ilości węglików w stali zwiększa odporność na zużycie. Tym tłumaczy się fakt, że stale przeznaczone” do wyrobu takich narzędzi zawierają przede wszystkim większe ilości węgla (1 ÷ 1,4 a nawet do 2,2% C) oraz domieszki stopowe węglikotwórcze, jak chrom i wolfram (zwłaszcza wolfram daje bardzo twarde i trudno ścieralne węgliki).

Ścieralność narzędzia zależy także w dużym stopniu, od jakości wykończenia jego powierzchni pracującej. Im gładsza powierzchnia, tym powolniej się zużywa. Na tym między innymi polega korzystny wpływ chromowania narzędzi. Warstewka chromu ułatwia poślizg pomiędzy powierzchnią narzędzia a np. zdejmowanym wiórem.

Tam, gdzie ścieraniu towarzyszą tylko nieznaczne naciski, jak np. przy sprawdzianach i innych narzędziach pomiarowych, wpływ twardych węglików me jest tak znaczny i wydaje się, że tu większe niż gdzie indziej znaczenie ma twardość stali, a jednocześnie niewątpliwie stan powierzchni.

Największą odporność wykazuje powierzchnia chromowana; drugą z kolei jest stal azotowana. Wszystkie pozostałe stale zachowały się mniej więcej jednakowo, a stale szybkotnąca i wysoko- chromowa, mimo że bardzo bogate w węgliki specjalne, nie okazały się trwalsze od innych; szczegół ten budzi jednak wątpliwości, ponieważ praktyka zdaje się świadczyć o przewadze stali ledeburytycznych. Trwałość narzędzia zależy od obrabianego materiału. Odnosi się to w większym jeszcze stopniu do narzędzi pracujących przy większych naciskach, np. do narzędzi tnących, skrawających, narzędzi do ciągnienia itp.

Jeżeli ścieranie zachodzi przy wysokich temperaturach, wówczas odporność stali zależy od jej twardości przy temperaturze pracy, ale również w znacznym stopniu od ilości i jakości węglików.

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.

Wolfram a twardość stali narzędziowych

Często spotykany pogląd, że wolfram zwiększa twardość stali w stanie hartowanym, jest niesłuszny. Wolfram zwiększa niewątpliwie odporność na ścieralnie, jeżeli jednak chodzi o twardość, rozumianą i mierzoną, jako opór przeciwstawiany wciskanemu przedmiotowi (metody Brinella, Rockweila, Vickersa itp.), to nie daje on większych wartości, niż uzyskiwane w stali węglowej o tej samej zawartości węgla. Słuszniejsze będzie, zatem powiedzenie, że stale wolframowe uzyskują przy hartowaniu większą twardość niż niektóre inne stale stopowe. Przyczyną tego jest po pierwsze fakt, że wolfram nie zwiększa ilości austenitu szczątkowego. Po drugie, stale czysto wolframowe hartuje się w wodzie, okazuje się zaś, że charakter ośrodka chłodzącego wpływa na ilość austenitu szczątkowego, i to w kierunku przeciwnym niż — wydawałoby się — należy oczekiwać. Łagodniej działające ośrodki sprzyjają pozostawaniu większych ilości nierozłożonego austenitu. Przyczynia się to dodatkowo do zmniejszenia twardości tych stali stopowych, które dzięki zawartości Chromu, Manganu i Niklu, zwiększających już i tak ilość austenitu szczątkowego, hartują się w oleju; to między innymi jest również powodem, że stal, która hartuje się prawidłowo (na martenzyt) i w wodzie i w oleju (np. stal NZ2), wykazuje po hartowaniu w wodzie większą twardość. Przy zachowaniu prawidłowych temperatur hartowania różnice twardości nie przekraczają kilku jednostek HRC; gdyby jednakże temperaturę hartowania w oleju (z zasady nieco wyższą niż przy wodzie) nadmiernie podwyższyć, wówczas różnice te mogą wzrosnąć bardzo znacznie.

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.

Pomiar twardości po hartowaniu

Znanego ogólnie faktu, iż twardość osiągana przy hartowaniu w oleju (przez stale nadające się do hartowania w tym ośrodku) jest zawsze mniejsza niż uzyskiwana przy hartowaniu w wodzie, nie można, zatem przypisywać ewentualnemu częściowemu rozkładowi austenitu na składniki miększe, wywołanemu słabszą zdolnością chłodzącą oleju. Zjawisko takie, jako dalszy czynnik zmniejszający twardość, mogłoby zajść przy odpowiednio dużych przedmiotach, wykonanych ze stali o zbyt małej hartowności; wszystkie zaś powyższe rozważania odnoszą się do przedmiotów (przekrojów) na tyle małych, że zarówno w wodzie jak i w oleju hartują się na martenzyt.

Krzywa z rysunku może być zatem traktowana jako krzywa szczytowych twardości, osiągalnych zawsze przez stale węglowe, a nie zawsze przez stale stopowe. W celu zmniejszenia kruchości, cechującej każdą stal hartowaną, poddaje się narzędzia zahartowane odpuszczaniu. Twardość ulega przy tym zmianom, zależnym już w dużym nieraz stopniu od składu chemicznego stali, mianowicie od zawartości dodatków nadających stali tzw. odporność na odpuszczanie. Twardość narzędzi najlepiej mierzyć aparatem Rockwella, posługując się stożkiem diamentowym. Pomiar aparatem Brinella nie jest wskazany. Po pierwsze pozostawia on zbyt duże odciski, po drugie przy dużych twardościach, z jakimi przeważnie mamy do czynienia przy narzędziach, dokładność pomiaru jest zbyt mała; wreszcie stosowane tu duże obciążenia mogą spowodować pękanie narzędzi przy pomiarze. Metodę tę stosuje się zatem tylko przy narzędziach dużych (np. matryce kuzienne) o twardości nie przekraczającej 400 HB. Aparaty typu Vickersa, chociaż nieco kłopotliwe W praktyce warsztatowej, są jednak nie do zastąpienia przy badaniu przedmiotów utwardzonych na powierzchni, a więc azotowanych albo płytko nawęglonych.

Twardość stali narzędziowych

Twardość stali zależy od jej składu chemicznego i zastosowanej obróbki cieplnej. Spośród składników stali zasadniczy wpływ ma tu węgiel; pozostałe składniki odgrywają tylko niejako dodatkową rolę. Wpływ ich ujawnia się silniej lub słabiej, lecz tylko pośrednio, przez oddziaływanie na hartowność stali; zależy zatem od ich charakteru, rodzaju obróbki cieplnej, jakiej stal podlega, oraz od wielkości hartowanego przekroju.

Producenta narzędzi interesuje twardość stali w stanie dostawy, twardość po hartowaniu oraz twardość gotowego narzędzia, tj. po odpuszczeniu. Z zasady stale narzędziowe dostarcza się w stanie zmiękczonym, tj. po wyżarzaniu mającym na celu zwiększenie ich obrabialności przez zmniejszenie twardości. Jak widać, wyżarzanie zmiękczające daje rezultaty bardzo wyraźne i tym większe, im większa jest zawartość węgla. Dla stali stopowych, wobec ich różnorodności, wykresu takiego sporządzić nie można. W każdym razie twardości ich w jednym i drugim stanie są na ogół wyższe aniżeli twardości, jakie wykazują stale węglowe.

Twardość (mierzona w skali C Rockwella) wzrasta szybko do zawartości ok. 0,55% C; powyżej tej zawartości przyrost twardości jest coraz słabszy, a w sialach nadeutektoidalnych niemal zupełnie ustaje. Tłumaczy się to częściowo tym, że poczynając od ok. 0,6% C występuje w martenzycie miękki austenit szczątkowy, którego ilość zwiększa się ze wzrostem zawartości węgla, częściowo zaś tym, że w stalach zawierających więcej niż ok. 0,8% C zawartość węgla w martenzycie jest mniej więcej jednakowa, ponieważ wszystkie te stale hartuje się przy tej samej temperaturze. Stosowanie stali o zawartościach węgla dochodzących do 1,35% nie jest zatem uzasadnione ich specjalnie dużą twardością, lecz tym, że ze wzrostem zawartości węgla w stali, wzrasta jej odporność na ścieranie.

Ewentualne próby zwiększenia twardości stali czy to przez podwyższenie temperatury hartowania, czy za pomocą dodatków stopowych, skazane są na niepowodzenie. Wzrost temperatury hartowania stali węglowych ponad obszar zwiększyłby wprawdzie ilość węgla w martenzycie, równocześnie jednak spowodowałby przyrost ilości austenitu szczątkowego, co wobec małej jego twardości wywołałoby wyraźny spadek twardości stali.

Podobnie ma się sprawa z dodatkami stopowymi. Większość dodatków stopowych obniża temperaturę początku przemiany martenzytycznej, a tym samym sprzyja pozostawaniu większych ilości nierozłożonego austenitu po hartowaniu. Zgodnie z tym obserwuje się często że stałe stopowe wykazują w stanie hartowanym mniejszą twardość niż stale węglowe o tej samej zawartości węgla. Odnosi się to zwłaszcza do stali zawierających chrom, mangan i nikiel.

Własności stali narzędziowych

Twardość jest jedną z najważniejszych własności narzędzia. Przeznaczone do obróbki innych tworzyw musi ono być od nich przede wszystkim twardsze, a przynajmniej na tyle twarde, aby mogło pokonać przeciwstawiany mu opór, nie podlegając odkształceniom plastycznym. Mogłoby się zdawać, że im większa różnica między twardością materiału obrabianego a twardością narzędzia, tym wydajniej będzie ono pracować. Często jest tak rzeczywiście; niekiedy bywa jednak, że świadomie z tych czy innych powodów zmuszeni jesteśmy zrezygnować z bardzo dużych twardości. Dużej twardości towarzyszy większa kruchość; dlatego narzędziom narażonym na silne uderzenia i wstrząsy (np. narzędziom pneumatycznym) nie nadaje się największej osiągalnej twardości, bo wówczas szybko by się kruszyły, i produkuje się je z miększych, tj. o mniejszej zawartości węgla gatunków, po to, aby zapewnić im dostateczną odporność na uderzenia. Optymalny stosunek między ciągliwością a twardością zapewnia takim narzędziom największą trwałość.

W innych przypadkach, gdy nie musimy się obawiać kruchości, stosujemy stale bardziej miękkie, ze względu na inne ważniejsze ich własności. I tak, stale szybkotnące nie dają się zastąpić węglowymi, tam gdzie chodzi o znaczną odporność na ścieranie i na działanie wysokiej temperatury, mimo że W stanie hartowanym niektóre z tych drugich wykazują twardość większą nawet o kilka jednostek HRC. Nie odbiera to jednak twardości jej zasadniczego znaczenia, polegającego i na tym, że jest ona, jak dotąd niezastąpionym i najłatwiejszym do sprawdzenia wskaźnikiem jakości obróbki cieplnej narzędzia, a pośrednio — innych, w pewnej mierze z nią związanych własności.