Stal szybkotnąca

Stal szybkotnąca ( HSS lub HS ) jest podzbiorem stali narzędziowych , powszechnie stosowanych jako materiał narzędzi skrawających .

Jest często używany w brzeszczotach do pił mechanicznych i wiertarkach . Jest lepszy od starszych ze stali wysokowęglowej , które były szeroko stosowane w latach czterdziestych XX wieku, ponieważ może wytrzymać wyższe temperatury bez utraty twardości (twardości). Ta właściwość pozwala HSS ciąć szybciej niż stal wysokowęglowa, stąd nazwa stali szybkotnącej . W temperaturze pokojowej, w ogólnie zalecanej obróbce cieplnej, gatunki HSS wykazują na ogół wysoką twardość (powyżej twardości Rockwella 60) i odporność na ścieranie (ogólnie związana z wolframem i wanadem zawartość często stosowana w HSS) w porównaniu ze zwykłymi stalami węglowymi i narzędziowymi .

Historia

W 1868 roku angielski metalurg Robert Forester Mushet opracował stal Mushet , uważaną za prekursora nowoczesnych stali szybkotnących. Składał się z 2% węgla , 2,5% manganu i 7% wolframu . Główną zaletą tej stali było to, że twardniała po schłodzeniu powietrzem z temperatury, w której większość stali musiała być hartowana w celu utwardzenia. ciągu następnych 30 lat najbardziej znaczącą zmianą było zastąpienie manganu chromem .

W 1899 i 1900 roku Frederick Winslow Taylor i Maunsel White ( z domu Maunsel White III; 1856–1912; wnuk Maunsel White ; 1783–1863), pracujący z zespołem asystentów w Bethlehem Steel Company w Bethlehem w Pensylwanii , USA, przeprowadził serię eksperymentów z obróbką cieplną istniejących wysokiej jakości stali narzędziowych, takich jak stal Mushet, podgrzewając je do znacznie wyższych temperatur niż zwykle uważane za pożądane w branży. Ich eksperymenty charakteryzowały się naukowym empiryzmem polegającym na tym, że wykonano i przetestowano wiele różnych kombinacji, bez względu na konwencjonalną mądrość lub receptury alchemiczne, i prowadzono szczegółowe zapisy każdej partii. Rezultatem był proces obróbki cieplnej, który przekształcił istniejące stopy w nowy rodzaj stali, który mógł zachować swoją twardość w wyższych temperaturach, umożliwiając znacznie większe prędkości i szybkość skrawania podczas obróbki skrawaniem.

Proces Taylora-White'a został opatentowany i spowodował rewolucję w przemyśle obróbki skrawaniem. Potrzebne były cięższe obrabiarki o większej sztywności, aby w pełni wykorzystać nową stal, co skłoniło do przeprojektowania i wymiany zainstalowanych maszyn. Patent został zakwestionowany i ostatecznie unieważniony.

Pierwszy stop, który został formalnie sklasyfikowany jako stal szybkotnąca, znany jest pod oznaczeniem AISI T1, które zostało wprowadzone w 1910 roku. Został opatentowany przez firmę Crucible Steel Co. na początku XX wieku.

Chociaż stale szybkotnące bogate w molibden, takie jak AISI M1, były używane od lat trzydziestych XX wieku, to niedobory materiałów i wysokie koszty spowodowane przez II wojnę światową pobudziły rozwój tańszych stopów zastępujących wolfram molibdenem . Postęp w dziedzinie stali szybkotnącej na bazie molibdenu, jaki dokonał się w tym okresie, stawia je na równi, aw niektórych przypadkach nawet lepiej niż stale szybkotnące na bazie wolframu. Zaczęło się od zastosowania stali M2 zamiast stali T1.

typy

Stale szybkotnące to stopy, które uzyskują swoje właściwości z różnych metali stopowych dodawanych do stali węglowej, zwykle obejmujących wolfram i molibden lub ich kombinację, często również z innymi stopami. Należą do wieloskładnikowego systemu stopów Fe–C–X, w którym X oznacza chrom , wolfram , molibden , wanad lub kobalt . Ogólnie składnik X jest obecny w ponad 7%, wraz z ponad 0,60% węgla .

W ujednoliconym systemie numeracji (UNS) gatunkom wolframowym (np. T1, T15) przypisuje się numery w serii T120xx, natomiast molibdenowe (np. M2, M48) i pośrednie to T113xx. Normy ASTM rozpoznają 7 rodzajów wolframu i 17 rodzajów molibdenu.

Dodatek łącznie około 10% wolframu i molibdenu skutecznie maksymalizuje twardość i ciągliwość stali szybkotnących i utrzymuje te właściwości w wysokich temperaturach powstających podczas skrawania metali.

Próbka składu stopowego typowych gatunków stali szybkotnącej (w % wag.) (nie uwzględniono limitów zanieczyszczeń)
Stopień	C	Kr	pn	W	V	Współ	Mn	Si
T1	0,65–0,80	4.00	-	18	1	-	0,1–0,4	0,2–0,4
M1	0,80	4	8	1.5	1.0	-	-	-
M2	0,85	4	5	6.0	2.0	-	-	-
M7	1.00	4	8.75	1,75	2.0	-	-	-
M35	0,92	4.3	5	6.4	1.8	5	-	0,35
M42	1.10	3,75	9.5	1.5	1.15	8.0	-	-
M50	0,85	4	4.25	.10	1.0	-	-	-

Molibdenowe stale szybkotnące (HSS)

Połączenie molibdenu, wolframu i stali chromowej tworzy kilka stopów powszechnie nazywanych „HSS”, o twardości 63–65 Rockwella „C”.

M1: M1 nie ma niektórych właściwości twardości czerwonej M2, ale jest mniej podatny na wstrząsy i bardziej się wygina.
M2: M2 to „standardowa” i najczęściej stosowana przemysłowa stal HSS. Ma małe i równomiernie rozmieszczone węgliki, co zapewnia wysoką odporność na zużycie, chociaż jego wrażliwość na odwęglanie jest nieco wysoka. Po obróbce cieplnej jego twardość jest taka sama jak T1, ale wytrzymałość na zginanie może osiągnąć 4700 MPa, a jego udarność i termoplastyczność są wyższe niż T1 o 50%. Zwykle jest używany do produkcji różnych narzędzi, takich jak wiertła, gwintowniki i rozwiertaki. 1.3343 jest równoważnym oznaczeniem numerycznym materiału M2 określonym w ISO 4957.
M7: M7 służy do wykonywania cięższych wierteł budowlanych, gdzie równie ważna jest elastyczność i wydłużona żywotność wiertła.
M50: M50 nie ma czerwonej twardości innych gatunków wolframu HSS, ale jest bardzo dobry do wierteł, w których pękanie jest problemem z powodu zginania wiertła. Ogólnie preferowane do sklepów ze sprzętem i do użytku przez wykonawców. Jest również stosowany w wysokotemperaturowych łożyskach kulkowych . Stale te otrzymywane są przez stopowanie wolframu, chromu, wanadu, kobaltu i molibdenu ze stalą.

Kobaltowe stale szybkotnące (HSS)

Dodatek kobaltu zwiększa odporność na ciepło i może nadać twardość Rockwella do 70 min.

M35: M35 jest podobny do M2, ale zawiera 5% dodatek kobaltu. M35 jest również znany jako stal kobaltowa, HSSE lub HSS-E. Będzie ciąć szybciej i trwać dłużej niż M2.
M42: M42 to stop stali szybkotnącej na bazie molibdenu z dodatkiem 8% kobaltu. Jest szeroko stosowany w przemyśle metalowym ze względu na doskonałą twardość czerwoną w porównaniu z bardziej konwencjonalnymi stalami szybkotnącymi, co pozwala na krótsze czasy cykli w środowiskach produkcyjnych dzięki wyższym prędkościom skrawania lub wydłużeniu czasu między wymianami narzędzi.

Modyfikacja powierzchni

Lasery i wiązki elektronów mogą być wykorzystywane jako źródła intensywnego ciepła na powierzchni do obróbki cieplnej , przetapiania ( glazurowania ) i modyfikacji składu. Możliwe jest uzyskanie różnych kształtów i temperatur jeziorka ciekłego oraz szybkości chłodzenia w zakresie od 10 ³ do 10 ⁶ K s ⁻¹ . Korzystnie, występuje niewielkie lub żadne pękanie lub tworzenie się porowatości.

Podczas gdy możliwości obróbki cieplnej powierzchni powinny być oczywiste, inne zastosowania wymagają pewnego wyjaśnienia. Przy szybkościach chłodzenia przekraczających 10 ⁶ K s ⁻¹ mikroskładniki eutektyczne zanikają i następuje ekstremalna segregacja substytucyjnych pierwiastków stopowych. Efektem tego jest zapewnienie korzyści płynących z oszklonej części bez związanych z tym uszkodzeń spowodowanych zużyciem podczas docierania.

Skład stopu części lub narzędzia można również zmienić w celu utworzenia stali szybkotnącej na powierzchni ubogiego stopu lub w celu utworzenia warstwy wzbogaconej stopem lub węglikiem na powierzchni części ze stali szybkotnącej. Można zastosować kilka metod, takich jak folie, borowanie pakietów, proszki do natryskiwania plazmowego, taśmy rdzeniowe proszkowe, podajniki do rozdmuchiwania gazu obojętnego itp. Chociaż doniesiono, że ta metoda jest zarówno korzystna, jak i stabilna, nie znalazła jeszcze szerokiego zastosowania komercyjnego.

Formowanie

Wiertła HSS formowane przez walcowanie są oznaczane jako HSS-R. Szlifowanie służy do tworzenia wierteł HSS-G, kobaltowych i węglikowych.

Aplikacje

Głównym zastosowaniem stali szybkotnących jest nadal produkcja różnych narzędzi skrawających: wierteł, gwintowników , frezów , wierteł narzędziowych , frezów obwiedniowych (przekładni), brzeszczotów pił, ostrzy do strugarek i wyrówniarek, frezów itp. wzrasta wykorzystanie stempli i matryc .

Stale szybkotnące znalazły również rynek w precyzyjnych narzędziach ręcznych, gdzie ich stosunkowo dobra ciągliwość przy wysokiej twardości, w połączeniu z wysoką odpornością na ścieranie, sprawiły, że nadają się do zastosowań z niskimi prędkościami wymagającymi trwałej ostrej (ostrej) krawędzi, takich jak pilniki , dłuta , strugarki ręczne ostrza i damasceńskie noże kuchenne i scyzoryki . ^{[ potrzebne źródło ]}

Narzędzia ze stali szybkotnącej są najbardziej popularne do stosowania w toczeniu drewna, ponieważ prędkość ruchu przedmiotu poza krawędź jest stosunkowo wysoka w przypadku narzędzi ręcznych, a HSS utrzymuje krawędź znacznie dłużej niż narzędzia ze stali wysokowęglowej. ^{[ potrzebne źródło ]} Stal szybkotnąca jest używana do cięcia żeliwa również w maszynach CNC.

Zobacz też

Stal chromowo-wanadowa (Cr-V)
Lista producentów stali