Stal jest jednym z najpowszechniej wykorzystywanych stopów metali, używanych do wytwarzania różnych elementów maszyn, budowy konstrukcji, wsporników i wzmocnień, a także wszelkiego rodzaju instalacji i armatury przemysłowej. Ze stali wykonuje się również większość detali stanowiących kluczowe części podzespołów wielu urządzeń.

NA CO ZWRACAĆ UWAGĘ PRZY ZAKUPIE STALI NARZĘDZIOWEJ?

Stal jest jednym z najpowszechniej wykorzystywanych stopów metali, używanych do wytwarzania różnych elementów maszyn, budowy konstrukcji, wsporników i wzmocnień, a także wszelkiego rodzaju instalacji i armatury przemysłowej. Ze stali wykonuje się również większość detali stanowiących kluczowe części podzespołów wielu urządzeń. Swoją wszechstronność stal zawdzięcza możliwości dość swobodnego kształtowania składu chemicznego stopu, w którym poza atomami żelaza i węgla w różnych proporcjach znaleźć może się wiele innych pierwiastków poprawiających poszczególne właściwości istotne w konkretnych zastosowaniach stali. Istniejące gatunki stali zalicza się do różnych kategorii ze względu na ich budowę, jak w przypadku stali węglowych, gdzie znajdują się jedynie niewielkie domieszki innych pierwiastków będących efektem zanieczyszczeń w procesie produkcji oraz stali stopowych, do których celowo wprowadza się metale takie jak np. chrom, wolfram czy molibden. Stal dzieli się też z uwagi na jej przeznaczenie – m.in. na stal zbrojeniową, kotłową, konstrukcyjną i narzędziową. Ten ostatnia grupa okazuje się szczególnie interesująca ze względu na charakterystyczne właściwości, jakimi musi się wyróżniać. Przyjrzyjmy się bliżej wymogom stawianym stali narzędziowej, zobaczmy, jakie rodzaje stali można wyróżnić w tej grupie oraz sprawdźmy, do czego jest ona najczęściej stosowana.

Podstawowe wymagania wobec stali narzędziowych

Stal narzędziowa to grupa gatunków, które mogą być wykorzystane do wytwarzania przedmiotów i części urządzeń przeznaczonych do kształtowania innych materiałów przez ich obróbkę skrawaniem, a zatem toczenie, wiercenie, frezowanie, dłutowania struganie lub przeciąganie, jak również szlifowanie albo gładzenie, a także obróbkę plastyczną. W jej ramach z użyciem detali ze stali narzędziowej przeprowadza się m.in. cięcie mechaniczne za pomocą noży lub wykrojników, wytłaczanie albo gięcie. W niektórych przypadkach stal narzędziowa służy także do niektórych procesów obróbki termicznej lub chemicznej, może też być użyta jako mocowanie obrabianych przedmiotów. Często przy jej pomocy wykonywane jest rozdzielanie i rozdrabnianie rozmaitych materiałów np. kruszenie bądź ścieranie. Stal narzędziowa może też służyć do produkcji precyzyjnych przyrządów pomiarowych.

Wymagania stawiane stali narzędziowej mogą być bardzo zróżnicowane w zależności od sposobu wykorzystania wytworzonych z niej przedmiotów, jednak istnieje kilka parametrów, które w większości przypadków mają decydujące znaczenie. Jednym z nich jest możliwie duża trwałość narzędzia, co przekłada się zarówno na czas jego eksploatacji, jak i na podatność na uszkodzenia i deformacje. Kluczową cechą stali narzędziowej jest wysoka twardość powierzchni, która może być dodatkowo wzmacniana przez obróbkę termiczną lub termiczno-chemiczną. Jest ona istotna ze względu na to, że narzędzie musi być zawsze twardsze od obrabianego materiału, ważne też by nie ulegało odkształceniom i zachowywało swoje wymiary. Wśród najważniejszych cech znajdzie się także połączona z twardością odpowiednia ciągliwość oraz odporność na pękanie przy dużych obciążeniach.

W przypadku większości narzędzi ważna będzie niska ścieralność, ponieważ nawet stosunkowo niewielkie zużycie tego rodzaju prowadzi do zmiany profilu oraz wpływa na pogorszenie dokładności. Do liczących się parametrów należy też zaliczyć możliwość obróbki termicznej i termiczno-chemicznej, a zatem hartowność czy możliwość nasycania powierzchni przez azotowanie lub nawęglanie. Znaczenie ma także brak nadmiernej rozszerzalności cieplnej oraz dobra przewodność cieplna, które ułatwia wydajne chłodzenie. Zazwyczaj istotną cechą okaże się odporność na podwyższoną temperaturę. Często narzędzia wykonane z tego rodzaju stali są podczas pracy intensywnie chłodzone, pożądaną charakterystyką okaże się więc również wysoka odporność na korozję i stabilność chemiczna.

Rodzaje stali narzędziowej i ich właściwości

Rodzinę stali narzędziowych tworzy kilka różnych grup wyróżnianych ze względu na swój skład chemiczny. Do stali tego rodzaju są zgodnie z normą PN-EN ISO 4957:2018-09 zaliczane stale niestopowe (węglowe) do pracy na zimno, stale stopowe do pracy na zimno, stale stopowe do pracy na gorąco oraz stale szybkotnące. Stale, które są przeznaczone do pracy na zimno, zachowują swoje parametry przy temperaturach sięgających 200–300°C. Stale do pracy na ciepło nie zmieniają swojej charakterystyki przy obciążeniu sięgającym nawet 600°C. Stale narzędziowe niestopowe zawierają od 0,45 do 1,20% węgla, a ich oznaczenie składa się z litery C oraz cyfry wskazującej na ilość węgla wyrażoną w postaci setnych części procenta, a także litery U dodawanej jako symbol stali narzędziowej np. C70U mającej 0,70% węgla. Wg starej nomenklatury nazwy są podawane jako litera N oraz wartość liczbowa odpowiadająca zawartości węgla w dziesiętnych częściach procenta. Stali C70U odpowiada stal N7E. Stale narzędziowe węglowe wyróżniają się twardością rosnącą wraz ze zwiększaniem się zawartości węgla od 54 do 62 HRC oraz tym, że można je płytko hartować, dzięki czemu rdzeń narzędzia może zachować swoją ciągliwość, wskutek czego lepiej sprawdzają się przy obciążeniach dynamicznych. Z uwagi na niewielką głębokość hartowania, sięgającą co najwyżej około 12 mm narzędziowe stale węglowe są używane do wytwarzania elementów o mniejszych rozmiarach.

Narzędziowe stale stopowe to gatunki stali, gdzie poza węglem stanowiącym od około 0,3 do 2,3% materiału wprowadzone są także takie dodatki stopowe jak np. krzem, mangan oraz chrom poprawiające hartowność, jak również zwiększające wytrzymałość na ścieranie m.in. molibden, wanad lub wolfram, z uwagi na to, że sprzyjają one tworzeniu się węglików. Obecność wolframu, krzemu i molibdenu może także korzystnie wpływać na podniesienie odporności na odpuszczanie wywoływane wzrostem temperatury podczas pracy.

Stale stopowe do pracy na zimno to gatunki z dodatkiem chromu, wolframu lub wanadu, a niekiedy także krzemu, manganu, niklu albo molibdenu. Przykładem stali tego typu może być stal 100MnCrW4 (NMWV/1.2510) albo stal 80CrV2 (NCV1/1.2235). Stale narzędziowe do pracy na gorąco są narażone na częste i znaczne zmiany temperatury, a jednocześnie na duże naciski, ścieranie oraz odpuszczające działanie wysokich temperatur. Stale z tej grupy charakteryzują się wysoką wytrzymałością w wysokich temperaturach, w tym sporą twardością oraz ciągliwością połączoną z wysoką hartownością, co daje im dobrą odporność na zmęczenie cieplne. Do ich uzyskania są używane takie dodatki jak chrom występujący we wszystkich gatunkach ze względu na zwiększanie odporności temperaturowej, a także bardzo powszechny molibden i wanad. W niektórych gatunkach obecne są także wolfram, nikiel, kobalt czy nieznaczna ilość boru. Stale stopowe do pracy na gorąco różnią się zawartością dodatków – wśród stali o zawartości stopów do 3% znajduje się np. 55NiCrMoV7 (WNLV/ 1.2714), a w grupie do 7% m.in. X40CRMOV5-1 (WCLV/1.2344).

Stale szybkotnące należą do najbardziej wytrzymałych stali narzędziowych. Zwierają na ogół powyżej 0,6% węgla oraz 3–6% chromu, a także powyżej 7% dodatków stopowych takich jak molibden (do 8,7%), wanad (4%), kobalt (do 10%) albo wolfram (do 18%). Obecność molibdenu, wanadu i wolframu pozwala na tworzenie węglików, zwiększenie hartowności oraz odporności na ścieranie, chromu na poprawienie odporności temperaturowej, a kobaltu na wzmocnienie przewodności cieplnej. Stale szybkotnące mogą pracować w temperaturach dochodzących do 600°C. Nazwa stali szybkotnących to oznaczenie literowe HS oraz trzy lub cztery liczby oddzielone znakiem łącznika („-”), które pokazują procentowy udział w zaokrągleniu do jedności kolejno wolframu, molibdenu, wanadu i kobaltu. Brak jednego z tych pierwiastków oznaczany jest zerem np. HS10-4-3-10 będąca odpowiednikiem SK10V lub 1.3207 zawiera 9,5% wolframu, 3,6% molibdenu, 3,3% wanadu oraz 10% kobaltu.

Zastosowania różnych rodzajów stali narzędziowej

Węglowe stale narzędziowe są stosowane do mniej skomplikowanych i wymagających zastosowań. Z gatunków o niewielkiej zawartości węgla np. C45U wyrabia się głównie proste narzędzia ręczne, których używa się, wykorzystując udar – młotki, siekiery, przecinaki, piły, dłuta, ręczne wykrojniki. Gatunki o większej ilości węgla, a zatem wyższej twardości, lecz dobrej ciągliwości jak C80U nadają się m.in. do produkcji nożyc, noży, niektórych narzędzi kamieniarskich i stolarskich. Z najtwardszych narzędziowych stali niestopowych wytwarza się narzędzia pracujące z niewielką prędkością, także przeznaczone do skrawania, jak wiertła i frezy. Można z niej wytwarzać także nieduże wykrojniki, narzynki i gwintowniki.

Stale stopowe do pracy na zimno mogą być wykorzystywane do produkcji narzędzi wymagających podwyższonej ciągliwości łączącej się z mniejszą zawartością węgla, z uwagi na stosowanie udaru, jak w przypadku dłut młotów czy siekier. Wraz ze wzrostem ilości węgla nadają się one do zastosowań bardziej wymagających np. produkcji pił do drewna, przebijaków, rozwiertaków, gwintowników czy narzynek. Z gatunków o najwyższej zawartości węgla wykonuje się pilniki oraz narzędzia do obróbki skrawaniem przy mniejszych prędkościach – wiertła lub frezy.

Przykładami zastosowań narzędziowych stali stopowych do pracy na gorąco mogą być – w przypadku stali niżej stopowych – używanie do produkcji elementów, które mają stosunkowo krótki kontakt z obciążeniem termicznymi, jednak są narażone na wysokie siły dynamiczne związane z udarami, a zatem wymagają wysokiej ciągliwości połączonej z twardością powierzchniową np. matryc kuźniczych, młotów i kowadeł. Stale wyżej stopowe są natomiast stosowane tam, gdzie obciążenie termiczne jest znacznie dłuższe np. przy wytwarzaniu form odlewniczych.

Stale szybkotnące są używane przede wszystkim do produkcji narzędzi przeznaczonych do obróbki wiórowej – frezów, wierteł, noży tokarskich, a ich właściwości pozwalają na pracę z dużą prędkością obrotową, co znacznie przyspiesza cały proces. Wytwarza się z niej także narzędzia tnące – piły lub noże.