Zarys historyczny
Stale węglowe narzędziowe są bezpośrednimi spadkobiercami dawnych stali tyglowych i stali otrzymywanych metodą pudlarską, które już w XVIII i XIX wieku wykorzystywano do produkcji narzędzi ręcznych. Przez długi czas stanowiły one podstawowy materiał do wytwarzania noży, dłut, pilników, siekier czy narzędzi ślusarskich, ponieważ umożliwiały uzyskanie wysokiej twardości po hartowaniu oraz dawały się wielokrotnie ostrzyć bez utraty właściwości użytkowych.
Rozwój procesów stalowniczych, zwłaszcza wprowadzenie pieców martenowskich i elektrycznych, pozwolił na uzyskanie stali o bardziej jednorodnym składzie chemicznym i lepszej czystości metalurgicznej. W efekcie powstała grupa niestopowych stali narzędziowych o ściśle określonej zawartości węgla, które w normach oznaczono symbolami od N5 do N13. Stale te stały się podstawowym materiałem dla rzemiosła i drobnej wytwórczości, gdzie do dziś są stosowane wszędzie tam, gdzie narzędzia pracują w niskich temperaturach i nie są narażone na bardzo duże prędkości skrawania.
Pomimo pojawienia się stali stopowych i szybkotnących, stale węglowe nie zniknęły z warsztatów. Decydują o tym niskie koszty wytwarzania, łatwość obróbki cieplnej, bardzo dobra skrawalność w stanie wyżarzonym oraz możliwość szybkiej regeneracji narzędzia przez ponowne ostrzenie.
Niestopowe stale narzędziowe – pełna grupa gatunków
Do klasycznych niestopowych stali narzędziowych według oznaczeń stosowanych w polskich normach należą:
N5, N6, N7, N8, N8E, N9, N9E, N10, N10E, N11, N11E, N12, N13
Wraz ze wzrostem zawartości węgla rośnie możliwa do uzyskania twardość i odporność na ścieranie, natomiast maleje udarność i odporność na pękanie.
Charakterystyka wybranych gatunków stali węglowych narzędziowych N8E, N9E, N10E i N11E
Gatunki z tej grupy różnią się przede wszystkim zawartością węgla, co bezpośrednio wpływa na uzyskiwaną twardość, odporność na ścieranie oraz ciągliwość rdzenia.
N8E
Stal N8E jest niestopową stalą narzędziową o zawartości węgla w zakresie ok. 0,75–0,85% C. Struktura po wyżarzaniu zmiękczającym ma postać perlitu z wydzieleniami cementytu kulkowego, co zapewnia dobrą skrawalność i podatność na obróbkę mechaniczną. Po hartowaniu i niskim odpuszczaniu uzyskuje strukturę martenzytu odpuszczonego o wysokiej twardości przy zachowaniu stosunkowo dobrej ciągliwości rdzenia.
Typowe parametry obróbki cieplnej:
- austenityzowanie: 780–820°C
- hartowanie: woda / olej
- odpuszczanie: 180–220°C
- twardość po hartowaniu: ok. 60–62 HRC
Dzięki korzystnej relacji między twardością a odpornością na pękanie stal ta znajduje zastosowanie w narzędziach pracujących pod obciążeniami udarowymi i przy umiarkowanym zużyciu ściernym:
- dłuta stolarskie i snycerskie
- noże do strugów
- piły ręczne do drewna i metalu
- narzędzia ślusarskie
- ostrza noży technicznych
Odpowiedniki:
- EN / DIN: brak bezpośredniego 1:1 – właściwościowo zbliżona do C80U / C75U (1.1525 / 1.1248)
- PN (stare oznaczenie): N8E
- GOST: U8A
- ASTM / AISI: W1 (~0.80%C)
N9E
N9E zawiera ok. 0,85–0,95% C, co pozwala uzyskać wyższą twardość i odporność na zużycie ścierne niż w przypadku N8E. Większa ilość cementytu wtórnego w strukturze po hartowaniu zwiększa trwałość krawędzi tnącej, ale powoduje niewielki spadek udarności.
Parametry obróbki cieplnej:
- austenityzowanie: 780–820°C
- hartowanie: woda / olej
- odpuszczanie: 170–210°C
- twardość: 61–63 HRC
Zastosowanie:
- pilniki i tarniki
- rozwiertaki ręczne
- noże do strugów o podwyższonej trwałości
- narzędzia traserskie
- skrobaki
Odpowiedniki:
- EN / DIN: zbliżona do C90U / C85U (1.1545 / 1.1520)
- GOST: U9A
- ASTM: W1 (~0.90%C)
N10E
Zawartość węgla na poziomie 0,95–1,05% umożliwia uzyskanie bardzo dużej twardości oraz wysokiej odporności na ścieranie. Struktura po hartowaniu zawiera większą ilość węglików, co przekłada się na długą trwałość ostrza, ale jednocześnie zwiększa wrażliwość na obciążenia udarowe.
Parametry obróbki cieplnej:
- austenityzowanie: 770–810°C
- hartowanie: woda / olej
- odpuszczanie: 160–200°C
- twardość: 62–64 HRC
Zastosowanie:
- gwintowniki ręczne
- narzędzia pomiarowe (szczelinomierze, sprawdziany)
- wykrojniki do cienkich blach
- ostrza o dużej odporności na zużycie
- skrobaki precyzyjne
Odpowiedniki:
- EN / DIN: właściwościowo zbliżona do C100U / C105U (1.1274 / 1.1545 – zakresowo)
- GOST: U10A
- ASTM: W1 (~1.00%C)
Szerszy opis gatunku tutaj : charakterystyka stali narzędziowej N10E / C105U
N11E
N11E zawiera ok. 1,05–1,15% C, co pozwala uzyskać maksymalną twardość w grupie niestopowych stali narzędziowych. Duża ilość węglików zapewnia bardzo wysoką odporność na ścieranie i stabilność wymiarową krawędzi, jednak kosztem spadku ciągliwości i większej kruchości.
Parametry obróbki cieplnej:
- austenityzowanie: 760–800°C
- hartowanie: woda / olej
- odpuszczanie: 150–190°C
- twardość: 63–65 HRC
Zastosowanie:
- rysiki traserskie
- sprawdziany i płytki pomiarowe
- narzędzia grawerskie
- matryce do cienkich materiałów
- drobne wykrojniki o bardzo dużej odporności na zużycie
Odpowiedniki:
- EN / DIN: zbliżona do C110U / C105U (1.1545 – zakresowo)
- GOST: U11A / U12A (zakresowo właściwościowo)
- ASTM: W1 (~1.10%C)
Wpływ zawartości węgla na właściwości użytkowe
Wraz ze wzrostem zawartości węgla w szeregu N8E → N11E obserwuje się:
⬆ twardość po hartowaniu
⬆ odporność na zużycie ścierne
⬆ trwałość krawędzi tnącej
⬇ ciągliwość
⬇ odporność na obciążenia udarowe
⬇ odporność na pękanie
Dlatego:
- N8E–N9E → narzędzia narażone na uderzenia
- N10E–N11E → narzędzia precyzyjne i ścierne
Znaczenie praktyczne stali węglowych narzędziowych w rzemiośle
W zastosowaniach rzemieślniczych o przydatności niestopowych stali narzędziowych decyduje nie tylko możliwość uzyskania wysokiej twardości, lecz przede wszystkim ich funkcjonalność technologiczna w warunkach warsztatowych. Materiały te pozwalają na wytwarzanie oraz regenerację narzędzi przy użyciu prostych środków technicznych, bez konieczności stosowania złożonych i kosztownych procesów.
Jedną z kluczowych cech jest łatwość ostrzenia wynikająca z jednorodnej, drobnoperlitycznej struktury i braku dużej ilości twardych węglików stopowych. Dzięki temu podczas szlifowania usuwany jest materiał o stosunkowo niewielkiej odporności na obróbkę ścierną, co umożliwia szybkie odtworzenie geometrii ostrza nawet na prostych ostrzałkach warsztatowych. W praktyce oznacza to krótsze przestoje narzędzi i możliwość ich wielokrotnej regeneracji bez zauważalnej degradacji właściwości użytkowych.
Istotnym aspektem jest również możliwość przeprowadzania lokalnej obróbki cieplnej. Stale węglowe mogą być hartowane w warunkach warsztatowych – przy użyciu palnika, pieca komorowego lub kuźni – bez konieczności stosowania kontrolowanych atmosfer ochronnych. Pozwala to na:
- hartowanie tylko części roboczej narzędzia,
- pozostawienie miękkiego, ciągliwego rdzenia lub trzpienia,
- naprawę zużytej krawędzi przez ponowne zahartowanie.
Takie podejście ma szczególne znaczenie w produkcji jednostkowej i małoseryjnej, gdzie koszt wykonania nowego narzędzia z materiału wysokostopowego byłby ekonomicznie nieuzasadniony.
Kolejnym czynnikiem jest niski koszt materiału przy wysokiej efektywności użytkowej. W narzędziach ręcznych, pracujących z niewielkimi prędkościami skrawania i w temperaturze otoczenia, odporność na odpuszczanie czy stabilność struktury w podwyższonej temperaturze – typowa dla stali stopowych – nie jest w pełni wykorzystywana. W takich warunkach stale węglowe zapewniają porównywalną trwałość ostrza przy znacznie niższych kosztach wytworzenia.
Szczególne znaczenie ma również możliwość uzyskania bardzo ostrej i cienkiej krawędzi tnącej. Niewielka ilość dużych węglików pozwala na wyprowadzenie ostrza o małym promieniu zaokrąglenia, co jest kluczowe w:
- obróbce drewna,
- snycerstwie,
- pracach skórzanych,
- precyzyjnych operacjach ślusarskich.
W praktyce przekłada się to na mniejsze siły skrawania, większą kontrolę nad narzędziem oraz lepszą jakość obrabianej powierzchni.
Nie bez znaczenia pozostaje także dobra przewodność cieplna i mała skłonność do przegrzewania krawędzi podczas szlifowania. Ułatwia to proces ostrzenia i zmniejsza ryzyko miejscowego odpuszczenia, co w stalach wysokostopowych stanowi znacznie większy problem.
Z technologicznego punktu widzenia stale te wyróżniają się również:
- dobrą skrawalnością w stanie wyżarzonym,
- małymi odkształceniami po hartowaniu,
- możliwością kucia i formowania w warunkach rzemieślniczych.
Dzięki temu cały cykl wytwarzania narzędzia – od półwyrobu po obróbkę cieplną i ostrzenie – może być realizowany w jednym warsztacie.
W warunkach pracy na zimno, typowych dla narzędzi ręcznych, właściwości te powodują, że niestopowe stale narzędziowe pozostają materiałem w pełni wystarczającym pod względem trwałości, a jednocześnie znacznie bardziej ekonomicznym i technicznie elastycznym niż stale wysokostopowe. Dlatego mimo rozwoju nowoczesnych materiałów nadal stanowią podstawę wyposażenia wielu warsztatów rzemieślniczych, szczególnie tam, gdzie liczy się możliwość szybkiej regeneracji narzędzia i jego dostosowania do indywidualnych potrzeb użytkownika.
