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.

Wpływ dodatków ziększających odpornośc na odpuszczanie w stalach narzędziowych

Dodatkami, które zwiększają odporność na odpuszczanie, a tym samym twardość (wytrzymałość) na gorąco, są przede wszystkim pierwiastki węglikotwórcze: chrom, molibden, wolfram i wanad. Wpływ ich nie jest stosunkowo silny; najsłabszy jest wpływ chromu. Występując obok siebie, domieszki te wzmagają wzajemnie swe działanie; dlatego rzadko tylko stosuje się je pojedynczo.

Działanie pierwiastków węglikotwórczych tłumaczy się przede wszystkim wydzielaniem się węglików specjalnych podczas odpuszczania. Węgliki te, trudno rozpuszczalne w austenicie, równie trudno wydzielają się i rozrastają podczas odpuszczania martenzytu; oba te procesy decydujące o zmianach twardości wymagają dość wysokiej temperatury bądź odpowiednio długiego czasu. W stalach węglowych natomiast węglik żelaza wydziela się już przy niższych temperaturach i prędko się rozrasta; dzięki temu twardość zmniejsza się tu szybko i równomiernie ze wzrostem temperatury. Wydzielanie się węglików żelaza jest właśnie przyczyną początkowego spadku krzywej twardości stali zawierających składniki węglikotwórcze spadek ten jest jednak hamowany tym, że nie wydzielają się jeszcze węgliki specjale, wskutek czego pochylenie krzywej jest łagodniejsze niż przy stalach węglowych. Dopiero poczynając od pewnej temperatury (300 — 500 C), zależnej od czasu odpuszczania, a zwłaszcza od rodzaju działającego pierwiastka, zaczynają się wydzielać węgliki specjalne, lecz w postaci tak drobnych wydzieleń, że powodują albo ponowne zwiększenie twardości, albo przynajmniej znacznie gwałtowniejsze zahamowanie jej zmniejszenia. Zależy to od zawartości i rodzaju domieszek węglikotwórczych, temperatury hartowania jak również od szybkości wydzielania się i rozrastania węglików. Ta ostatnia jest tym większa, im wyższa jest temperatura odpuszczania. Przy nie dość wysokiej temperaturze i normalnym czasie odpuszczania jest ona tak mała, że wpływ wydzielonych węglików przejawia się tylko zahamowaniem zmniejszania twardości, mimo że ilość działającego składnika jest wystarczająca, aby wywołać nawet powrotne zwiększenie twardości. Zwiększenie to („wtórna twardość”) zachodzi dopiero przy temperaturze dostatecznie wysokiej dla normalnego czasu odpuszczania. Dla stali SW18 i WWV temperatura ta wynosi ok. 560°C. Gdy się tę optymalną temperaturę przekroczy, szybkość rozrastania się węglików zwiększa się tak silnie, że nawet przy krótkim czasie odpuszczania następuje energiczny spadek twardości. Wysokość temperatury hartowania wpływa bardzo znacznie na przebieg krzywej odpuszczania, czyli na stopień odporności na odpuszczanie i twardość na gorąco, decyduje ona, bowiem o ilości węglików rozpuszczonych w austenicie. Gdy idzie o stale szybkotnące np., wyraźny wpływ ma ją wahania temperatury hartowania o różnicy wynoszącej parę dziesiątek stopni. Aby zatem zapewnić stali maksymalną odporność na odpuszczanie, należy ją hartować przy temperaturze na tyle wysokiej, żeby rozpuścić jak największą ilość węglików, nie dopuszczając jednak oczywiście do przegrzania. Inaczej stal nie będzie w pełni wykorzystana

Na przebieg krzywej odpuszczania wpływa również ilość austenitu szczątkowego w stanie zahartowanym. Odnosi się to zwłaszcza do stali szybkotnących i wysokochromowych. W stali SW18 ilość jego po hartowaniu przy 1300°C dochodzi do trzydziestu kilku procent. Austenit rozpada się podczas chłodzenia po odpuszczeniu przy 540 ÷ 570°C na martenzyt; powoduje to dodatkowy przyrost twardości stali. Jeżeli jednak chodzi o trwałość twardości narzędzia odpuszczonego w czasie jego późniejszej pracy przy wysokich temperaturach, to przyczyną jej mogą być tylko wydzielone w drobnej postaci i nierozrastające się węgliki. Oprócz wymienionych czterech składników dodatni wpływ na odporność na odpuszczanie mają kobalt i krzem. Wpływ kobaltu nie tworzącego węglików, a stosowanego w stali szybkotnącej SK5, polega najprawdopodobniej na tym, że hamuje on proces wydzielania się i rozrastania węglików innych metali; wpływ krzemu jest najsłabszy, niemniej stosuje się go jako domieszkę tanią, w niektórych stalach zawierających wolfram i chrom (WWS1, NZ2 i NZ3).

Wpływ kobaltu widać jeszcze wyraźniej na różnice wpływu odpuszczania na twardość stali SW18 i stali o zawartości, 10% Co (poza tym 18% W, 4% Cr i 1% V) w zależności od temperatury hartowania.