Инструментальная сталь:сталь, которая добивается цели

Состав металла и производство инструментальных сталей

Что такое инструментальная сталь?

Инструментальные стали представляют собой исключительно твердые, прочные или износостойкие сплавы. Их свойства обусловлены как их химическим составом, так и их производством. Как следует из их названия, эти стали готовы к резке, шлифовке, сверлению, пробивке отверстий, ударам и другим тяжелым работам. Инструментальные стали должны иметь свойства материала, подходящие для их применения. Например, сверло и пробойник нуждаются в твердости и износостойкости. Однако перфоратор испытывает больший удар, а сверло испытывает больший сдвиг. Инженеры и металлурги выбирают тип инструментальной стали в зависимости от назначения инструмента.

Все инструментальные стали имеют легирующие элементы, образующие карбиды, плотно упакованную металлическую решетку, содержащую металл и углерод. Карбиды — это огнеупорный материал, то есть они не разрушаются под давлением, химическими веществами или нагреванием.

Однако не только химия делает инструментальную сталь. Инструментальная сталь также приобретает твердость благодаря точно контролируемой термообработке и закалке.

Упрочнение инструментальной стали закалкой

Закалка — это процесс упрочнения стали путем изменения ее микроструктуры.

Сначала нагревают сталь. Стальные сплавы нагревают до разных температур в зависимости от количества углерода в смеси. Железо и углерод проходят через разные «фазы», в которых молекулы принимают разную форму, и эти фазы зависят от общего химического состава.

После достижения и удержания нужного тепла сплав затем закаливают или охлаждают под воздействием гораздо более холодного газа или жидкости. Такая закалка быстро замораживает металл. Когда металл подвергается такой шоковой заморозке, множество крошечных кристаллических зерен металла начинают замерзать одновременно, с большим смещением в каждом зернышке и между ними. Сравните это с очень медленным охлаждением, когда зерна со временем медленно остывают, образуя более крупные круглые соцветия. Медленно охлажденные зерна металла могут двигаться мимо друг друга при ударе по металлу, вмятина в металле, но не ломая его. Шоковая заморозка дает молекулярной структуре меньше места для перемещения при ударе, что делает ее более твердой и менее вероятной вмятины. Металлическая решетка в этих структурах называется мартенситной, и именно ударная, зубчатая молекулярная структура мартенсита придает закаленным металлам их характерную твердость.

Закалка в воде — самый быстрый способ закалки, а закалка на воздухе — самый медленный. С чем может справиться сплав, зависит от его химического состава. Некоторые сплавы могут треснуть или деформироваться, если их охладить слишком быстро, но они хорошо затвердеют при более мягкой закалке на воздухе. Другим не удастся создать твердый мартенситный слой, если только они не испытают шок от резкого изменения температуры, подобного тому, что происходит в воде.

Категории инструментальной стали

Существует шесть широких категорий инструментальной стали. Четырьмя наиболее распространенными являются закаленные в воде, холоднообрабатываемые, горячеобрабатываемые и быстрорежущие инструментальные стали. В специализированных приложениях также используются ударопрочные и специальные инструментальные стали.

Закаленные в воде

Эта группа инструментальных сталей представляет собой углеродистую сталь, прошедшую термообработку. В них содержится 0,5–1,5% углерода. Другие легирующие элементы могут присутствовать из-за их различного качества, но обычно они составляют менее 0,5%. Эти металлы, такие как никель, вольфрам или молибден, дороги. Использование меньшего количества дорогостоящего металла обеспечивает выгоду для более легких приложений.

Для этой группы сталей необходим экстремальный удар закалки в воде, чтобы получить твердый внешний слой. Легкие инструменты, мелкие детали, такие как пружины и небольшие крепежные детали, вероятно, являются конечными продуктами. Их нельзя использовать в экстремальных условиях, потому что стали серии W немного более хрупкие, чем другие инструментальные стали. Стали серии W более подвержены растрескиванию и могут выдерживать непрерывную температуру только до 302 °F (150 °C).
Инструментальная сталь для холодной обработки

Инструментальные стали для холодной обработки предназначены для использования при «холодных» температурах — они твердые, прочные и износостойкие, но не в горячих средах. Поскольку для резки холодных материалов может потребоваться больше усилий, чем для резки горячих материалов, прочность на сжатие является обязательным требованием для инструментальной стали для холодной обработки.

Холод в данном контексте не означает, что слесарю пора надеть свитер. 392°F (200°C) и ниже считается холодной рабочей средой для этих инструментов. В отличие от многих типов стали, графит часто образуется в сталях холодной обработки. Этот графит делает многие из этих сплавов обрабатываемыми:графит обеспечивает смазку.

Подкатегории инструментальной стали для холодной обработки:
- Закалка маслом (Серия O):Во время производства эти сплавы закаливаются в масле. Они содержат 0,85–2,00 % углерода и обычно менее 1 % каждого другого легирующего элемента. Эти элементы могут включать марганец, кремний, вольфрам, хром, ванадий и молибден.
- Отверждение на воздухе (Серия А):Во время производства эти сплавы закаливаются на воздухе. Они содержат 0,05–2,85% углерода. Эти стали могут содержать до 5% хрома. Высокое содержание хрома означает, что во время термообработки серия А не будет подвергаться деформации размеров. Хром обеспечивает более жесткие допуски.
- Хром с высоким содержанием углерода (Серия D):эти стали для холодной обработки работают при температуре до 797°F (425°C). Они содержат 1,4–2,5% углерода и 11–13% хрома. Они могут подвергаться закалке на воздухе или в масле, в зависимости от сплава, и при любом способе охлаждения испытывают очень небольшую деформацию. Эти сплавы обычно имеют очень высокую стойкость к истиранию.

<старт ="3">

Инструментальная сталь для горячей обработки

Все инструментальные стали для горячей обработки имеют больший процент легирующих элементов, что позволяет создавать больше карбидов и выдерживать более высокие рабочие температуры. Инструментальные стали для горячей обработки могут работать при температурах до 1004°F (540°C). Как группа, большинство из них имеют низкий процент углерода, ниже 0,6%.

Инструментальная сталь для горячей обработки часто используется в высокотемпературном производстве с ковкими горячими материалами, такими как металл и стекло. Матрицы, штампы, экструдеры и компрессоры могут быть изготовлены из стали для горячей обработки. Инструмент должен продолжать работать даже при длительном тепловом воздействии.

Существует три основных типа инструментальной стали для горячей обработки в зависимости от основного легирующего элемента:хрома, вольфрама или молибдена. Некоторые из них имеют высокое содержание хрома и вольфрама, поэтому в зависимости от производителя их сортируют как вольфрамовые или хромовые. Основной легирующий элемент образует карбид в стали, и каждый карбид имеет свои преимущества.

Подкатегории инструментальной стали для горячей обработки:

Хром :Хромистые инструментальные стали для горячей обработки содержат 3–5% хрома. Другие легирующие элементы, такие как вольфрам, ванадий или молибден, составляют менее 5%. Ванадий обычно используется в стали, используемой для режущих инструментов. Эта группа сплавов (и особенно AISI H13) является наиболее используемым инструментом для горячей обработки.
Вольфрам :эти сплавы часто не содержат молибдена или ванадия. Вместо этого они содержат 9–18% вольфрама. Большинство вольфрамовых инструментальных сталей для горячей обработки содержат от 2 до 4% хрома. Это не всегда верно:например, сплав AISI H23 имеет 12% хрома и 12% вольфрама. Н23 иногда называют хромистой сталью, иногда вольфрамовой, а иногда и той, и другой. Вольфрамовые стали обладают отличной термостойкостью, но могут быть хрупкими; это достигается предварительным нагревом до рабочей температуры перед использованием.
Молибден :Многие хромистые инструментальные стали для горячей обработки содержат небольшое количество молибдена. Стали премиум-класса для горячей обработки, предназначенные для очень тяжелых условий эксплуатации, имеют множество преимуществ. Молибден обеспечивает более высокую термостойкость и износостойкость при тяжелых условиях эксплуатации при высоких температурах. Молибденовые сплавы AISI H42 и H43 часто используются в качестве штампов или режущих инструментов на металлургических заводах, чтобы выдерживать тепло и силу резки и ковки.

Быстрорежущая инструментальная сталь

Современные производственные процессы возможны отчасти благодаря изобретению этого класса инструментальной стали. Режущие инструменты и детали машин, работающие на высоких скоростях, нагреваются из-за трения. Инновации в высокоскоростных материалах позволили машинистам увеличить производительность.

В 1900 году на Парижской выставке дебютировала быстрорежущая инструментальная сталь. Толпа производителей ахнула, увидев, как режущая кромка раскалилась докрасна из-за трения, но продолжала работать. Если в 1890-х годах скорость резания составляла 5–30 футов в минуту, то к 1905 году машины работали со скоростью 150 футов в минуту.

Быстрорежущие инструментальные стали содержат 14–18 % вольфрама, 3–5 % хрома, 0,6 % углерода и другие элементы в зависимости от области применения.

<старт ="5">

Ударопрочная инструментальная сталь

Ударопрочные инструментальные стали группы S невероятно прочны и обладают высокой ударопрочностью. Их сила заключается не только в поверхностном или «ударном» слое инструмента. Их можно использовать для пружин, долот, штампов и пуансонов. Эта группа сплавов часто содержит много легирующих элементов, большинство из которых встречается в других инструментальных сталях. Однако кремний в пределах 0,15–3 % присутствует в сталях этого класса.

Инструментальные стали специального назначения

Эта группа сплавов - место, где устраиваются на ночлег странные утки; эти металлы используются в определенных целях и даже могут быть созданы металлургом для конкретного производителя. В эту группу входят низколегированные стали с высоким содержанием железа, в которых все остальные легирующие элементы используются в умеренных количествах. Они больше всего похожи на недорогие W-стали и также закаляются водой. Небольшое добавление других элементов улучшает механические свойства, но снижает затраты. Низкоуглеродистые «формовочные» стали также входят в эту группу сплавов специального назначения. Они используются для литья термопластов, которые должны быть термостойкими и износостойкими, но не требуют высокой ударопрочности.

Выбор инструментальной стали

При проектировании промышленной машины или покупке машины для промышленных или производственных целей тип используемой инструментальной стали имеет важное значение и должен быть указан инженером.

Необходимость знать отличается для людей, покупающих ручные инструменты. Часто производитель ручного инструмента предлагает «закаленную сталь», а затем выбирает сталь в зависимости от предполагаемого использования инструмента. Однако то, какая марка стали используется, является отраслевой тайной для каждого производителя инструмента. Производители уравновешивают стоимость и рабочие нагрузки по частям. Лучший способ выбрать инструменты — получить рекомендации от профессионалов в этой области, друзей и обзоры в Интернете, а не беспокоиться о самом сплаве. Если производитель обладает какой-либо металлургической компетенцией и не срезает углы, конструкция ручного инструмента становится важнее сплава.

Кузнецы, литейщики и другие металлурги будут более любопытны, даже на уровне домашних любителей. Поиск ресурсов и форумов в этих группах дает массу информации о том, чего можно ожидать и какие типы металлов лучше всего использовать.