Stale szybkotnące należą do odmian stali narzędziowych stopowych, w których oceniana jest głównie zdolność skrawania, twardość wyrobu, oraz zachowana ciągliwość rdzenia. Wykorzystywane są do produkcji narzędzi skrawających, narzędzi wykrojnikowych, noży do obróbki zgrubnej i wykańczającej, wiertła spiralne, a w niektórych przypadkach na odpowiedzialne elementy maszyn – pierścieni, łożysk, elementów sprężynowych ze stali szybkotnących. W wyniku zbliżonych, jednak lepszych własności narzędziowych można je określić jako stale narzędziowe szybkotnące.

Charakteryzują sią bardzo dużą twardością w wysokich temperaturach pracy, przy zachowaniu odpowiedniej ciągliwości rdzenia, jednym z większych zakresów odporności na ścieranie z pośród reszty stali narzędziowych, oraz wysoką trwałością i odpornością na zmęczenie materiału. Najwyżej ocenianą własnością stali szybkotnących jest odporność na odpuszczanie, która dochodzi do temperatur rzędu 600℃.

Skład chemiczny stali szybkotnących

Ze wszystkich stali narzędziowych, stale szybkotnące są najdroższe ze względu na bardzo dużą zawartość drogich dodatków stopowych takich jak Wolfram – W, Kobalt – Co, Wanad – V, nie uwzględniając Molibdenu – Mo, oraz Chromu – Cr, którego jest w składzie stosunkowo dużo w porównaniu do pozostałych stali.

Wszystkie wymienione pierwiastki – pomijając kobalt – tworzą w stali węgliki rozmieszczone w osnowie, dzięki którym stale szybkotnące cechują się wszystkimi właściwościami wymienionymi wcześniej. Pominięty kobalt zapobiega tworzeniu się rozrostu ziarn w stali podczas obróbki cieplnej.

Za wysoką twardość odpowiada m. in. Węgiel – C, który w stalach szybkotnących występuje w granicach 0,7-1,15%. Im więcej dodatków stopowych węglikotwórczych występuje w stali, tym zakres węgla proporcjonalnie musi wzrastać, aby zachować ilość węglików na odpowiednim poziomie.

Wolfram tworzący z węglem twarde, drobne i równomiernie rozłożone węgliki, odpowiada za wysoką odporność na ścieranie, i zapobiega obniżeniu twardości stali w trakcie pracy w wysokich temperaturach tzw. "czerwonego żaru".
Kobalt zapobiega przegrzewaniu się stali szybkotnących w czasie hartowania co wpływa na podwyższenie ilości węglików w stali, oraz podwyższa temperaturę topnienia wyrobu w trakcie pracy.
Wanad również zapewnia zwiększenie odporności na ścieranie, oraz sprzyja drobnoziarnistości struktury wyrobu. Poprawia odporność na działanie wysokich temperatur.
Chrom poprawia hartowność stali, a Molibden mogący w pewnym stopniu zastąpić Wolfram poprawia odporność na ścieranie.

Stale szybkotnące możemy podzielić na stale szybkotnące kobaltowe – stale szybkotnące kobaltowe z dodatkiem Wanadu, Molibdenu bądź dodatkiem węgla – i szybkotnące bezkobaltowe – stale szybkotnące wolframowe, wolframowe z dodatkiem molibdenu bądź węgla – gdzie wszystkie z gatunków określane są jako stale szybkotnące ledeburytyczne.

Obróbka cieplna i mechaniczna stali szybkotnących

Obróbka cieplna stali szybkotnących to przebieg powolnych i dokładnych procesów, które polegają na dwustopniowym, a nawet trzystopniowym nagrzewaniu stali do wstępnych temperatur w zależności od przekroju elementu hartowanego.

Stale szybkotnące dostarczane w stanie zmiękczonym, charakteryzują się bardzo małym przewodnictwem cieplnym i w związku z tym proces nagrzewania powinien być przeprowadzany powoli i dokładnie, ze względu na ryzyko powstania naprężeń materiału powodujących odkształcenia oraz pęknięcia podczas obróbki.

Po wstępnej obróbce mechanicznej powodującej naprężenia należy wyrób odprężyć w temperaturze rzędu 600-650℃. Po wolnym chłodzeniu wyrób można obrobić wykańczająco przed procesem hartowania.

Przy większych przekrojach wyrób podgrzewa się trzykrotnie w coraz to większej temperaturze 500℃-1050℃. Przy elementach o mniejszych i mniej skomplikowanych wymiarach wystarczające jest dwukrotne podgrzewanie. Wstępne wygrzewania materiałów przeprowadzane są w piecach komorowych i piecach solnych (w roztworach SH430, SH960).

W temperaturach rzędu 1000-1100℃ następuje rozpuszczanie się węglików M₂₃C₆, M₆C, oraz M₄C₃, które odpowiadają za własności mechaniczne wyrobu po obróbce. Proces hartowania stali szybkotnących występuje w temperaturach rzędu 1100-1300℃ w zależności od gatunku wyrobu. Aby zniwelować naprężenia, utrzymać twardość,ciągliwość i wydajność materiału, wykonuje się dwukrotne lub nawet trzykrotne odpuszczanie w temperaturach w przedziale 520-600℃.

Stal szybkotnąca po obróbce posiada strukturę martenzytu listwowego. Poza wyżej opisanym sposobem hartowania elementu, występują inne metody obróbki cieplnej – obróbki cieplno chemicznej, w piecach próżniowych, piecach z atmosferą ochronną. Są to tylko niektóre z występujących innych metod obróbki, i wraz z rozwojem technologii metalurgicznej ilości sposobów obrabiania cieplnego mogły się powiększyć.

Normy

Powyżej opisane stale wysokostopowe szybkotnące narzędziowe, określa Norma PN-86/H-85022, Norma branżowa BN-77/0631-05 oraz Norma PN-EN ISO 4957, wg których dostarczane są:

Blachy ze stali szybkotnącej wg PN-H-92130, PN-86/H-92139, PN-EN ISO 4957
Odkuwki i pręty swobodnie kute ze stali szybkotnącej wg PN-94/H-93012, PN-79/H-94500, PN-EN ISO 4957
Taśmy zimnowalcowane ze stali szybkotnącej wg PN-77/H-92330-00, PN-77/H-92330-01, PN-84/H-92331, PN-75/H-92335, PN-EN 10132,
Pręty ze stali szybkotnącej wg PN-94/H-93012. PN-75/H-93200, PN-72/H-93201, PN-72/H-93202, PN-EN 10058, PN-EN 10059, PN-EN 10060
Pręty szlifowane ze stali szybkotnącej wg PN-86/H-93209, PN-76/H-93006, PN-EN 10278